Đồ án Thiết kế chế tạo mạch điều khiển động cơ bước có sử dụng lập trình Vi Điều Khiển

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
Đề tài : NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ
BƯỚC
Giáo viên hướng dẫn : NGUYỄN XUÂN HÒA
Lớp : CDTOK10
Sinh viên thực hiện : NGUYỄN V ĂN LINH
LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây, nền kinh tế của nước ta phát triển rất
mạnh mẽ và nhanh chóng, để đạt được kết quả này thì có sự đóng góp rất
lớn của ngành kĩ thuật điện tử, kĩ thuật vi xử lý.
Với sự phát triển như vũ bão như hiện nay thì kỹ thuật điện tử ,
kĩ thuật vi xử lý đang xâm nhập vào tất cả các ngành khoa học – kỹ thuật khác và
đã đáp ứng được mọi nhu cầu của người dân. Sự ra đời của các vi
mạch điều khiển với giá thành giảm nhanh, khả năng lập trình ngày càng cao
đã mang lại những thay đổi sâu sắc trong ngành kỹ thuật điện tử.
Và việc ứng dụng các kỹ thuật này vào thực tế sẽ giúp ích rất nhiều cho mọi
người. Để góp một phần nhỏ vào việc này chúng em đã thực hiện đề tài “ Thiết
kế chế tạo mạch điều khiển động cơ bước có sử dụng lập trình Vi Điều Khiển
” thông qua đề tài này chúng em sễ có những điều kiện tốt nhất để học hỏi, tích
lũy kinh nghiệm quý báu, bổ xung thêm vào hành trang của mình trên con
đường đã chọn.
Trong thời gian nghiên cứu và làm đồ án dựa vào kiến thức đã được học ở
trường, qua một số sách, tài liệu có liên quan cùng với sự giúp đỡ tận tình của
các thầy cô giáo và các bạn đồ án môn học của chúng em đã hoàn thành. Mặc
dù đã cố gắng nghiên cứu và trình bày nhưng không thể tránh khỏi những sai sót
và nhầm lẫn, vì vậy chúng em rất mong các thầy, cô giáo cùng các bạn đóng góp
những ý kiến quý báu để đồ án môn học
này hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
sinh viên thực hiện :
Nguyễn Văn linh

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN :


























Hưng Yên , ngày.… tháng …. năm 2014
Giáo viên hướng dẫn

NỘI DUNG
Chương I : GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ THỤ ĐỘNG
1. ĐIỆN TRỞ
1.1Khái niệm ………………………………………………………………… 4
1.1.1 Phân loại điện trở …………………………………………………………….4
1.2 TỤ ĐIỆN
1.2.1 Khái niệm ………………………………………………………………… 5
1.2.2 Phân loại tụ điện …………………………………………………………… 5
1.2.3 Ứng dụng của tụ điện ……………………………………………………….6
Chương II :GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CHỦ ĐỘNG
2.1 DIOD BÁN DẪN
2.1.1 Khái niệm ………………………………………………………………… 7
2.1.2 Nguyên tắc hoạt động của diod bán dẫn …………………………………… 7
2.2 TRANSISTOR
2.2.1 Cấu tạo …………………………………………………………………… 8
2.2.2.Nguyên lý hoạt động . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.5 Các loại transistor…………………………………………………………. 10
Chương III: GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC
3.1 Tổng quan về động cơ bước 12
3.2 Các loại động cơ bước và cấu tạo của từng loại 13
Chương IV: VI XỬ LÝ 89C51
4.1 Cấu tạo phần cứng 17
4.2 Mạch cơ bản để 89C51 làm việc 20
Chương V: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH
ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC
5.1 Chọn động cơ bước……………………………………………………………30
5.2 Kết nối vi điều khiển với động cơ bước…………………………………… 31
5.3 Xây dựng chương trình điều khiển và sơ đồ nguyên lý của mạch…… 32
5.3.1 Lưu đồ thuật giải ………………………………………………………… 33
5.3.3 Sơ đồ nguyên lý ……………………………………………………………34

5.3.4 Nguyên lý hoạt động của mạch………………………………………… 35
5.3.2 Chương trình điều khiển ………………………………………………… 36
5.6 Hình ảnh sản phẩm hoàn thành……………………………………………….37
5.6.1 Mạch in…………………………………………………………………… 38
5.6.2 Sản phẩm hoàn thiện……………………………………………………… 39
CHƯƠNG I :GIỚI THIỆU LINH KIỆN ĐIỆN TỬ THỤ ĐỘNG
1. Điện trở
1.1. Khái niệm
Điện trở là linh kiện điện tử thụ động, dùng để làm vật cản trở dòng điện theo mong
muốn của người sử dụng, đôi khi người ta dùng điện trở để tạo ra sự phân cấp điện áp ở
mỗi vị trí bên trong mạch điện. Đối với điệ trở thì nó có khả năng làm việc với cả tín hiệu
một chiều (DC) và xoay chiều (AC) và có nghĩa là nó không phụ thuộc vào tần số của tín
hiệu tác động nên nó.
Trường hợp đối với một dây dẫn thì trị số điện trở lớn hay nhỏ sẽ phụ thuộc vào vật
liệu làm dây dẫn (điện trở suất) và nó tỉ lệ thuận với chiều dài dây, tỷ lệ nghịch với tiết
diện dây dẫn.
1.1.1 Phân loại.
- Điện trở thường: điện trở thường là các loại điện trở có công suất nhỏ từ 0,125W đến
0,5W.
- Điện trở công suất: là các điện trở có công suất lớn hơn từ 1W, 2W, 5W, 10W.
- Điện trở sứ, điện trở nhiệt: Là cách gọi khác của các điện trở công suất, điện trở này
có vỏ bọc sứ, khi hoạt động chúng tỏa nhiệt.
- Điện trở dây cuốn: Loại điện trở này dùng dây điện trở quấn trên than lớp cách điện
thường bằng sứ, có trị số điện áp thấp nhưng công suất làm việc lớn từ 1W đến 25W.
- Điện trở màng kim loại: Chế tạo theo cách kết lắng màng Ni-Cr.

Hình 1.1, Điện trở thường
1.2. Tụ điện.
1.2.1 Khái niệm.
- Khái niệm: Tụ điện là linh kiện điện tử thụ động được sử dụng rất rộng rãi trong các

mạch điện tử, chúng được sử dụng trong các mạch lọc nguồn, lọc nhiễu, mạch truyền tín
hiệu xoay chiều, mạch tạo dao động.
- Hình ảnh tụ điện:
Hình 1.2 ,Tụ điện.
1.2.2 Phân loại.
Đối với tụ điện có rất nhiều loại nhưng thực tế người ta phân ra thành hai loại
chính là tụ không phân cực và tụ phân cực.
- Tụ không phân cực: Gồm các lá kim loại ghép xen kẽ với lớp cách điện mỏng, giá trị
của nó thường từ 1,8pF - 1μF. Còn giá trị tụ lớn hơn thì sẽ có kích thước rất lớn không
tiện chế tạo.
- Tụ phân cực:Có cấu tạo gồm 2 cực điện cách ly nhau nhờ một lớp chất điệ phân mỏng
làm điệjn môi. Lớp điện môi càng mỏng thì trị số điện dung càng cao. Loại tụ này có sự
phân cực được ghi trên than của tụ, vì thế nếu nối nhầm cực tính thì lớp đijện môi sẽ bị
phá hủy làm hư hỏng tụ.
- Trong thực tế chúng ta thường gặp các loại tụ như sau:
+ Tụ gốm: Điện môi bằng gốm thường có kích thước nhỏ, dạng ống hoặc dạng đĩa có
tráng kim loại lên bề mặt, trị số từ 1pF - 1μF và có điện áp làm việc tương đối cao.
+ Tụ mica: Điện môi làm bằng mica có tráng bạc, trị số từ 2,2pF – 10nF và thường làm
việc ở tần số cao, sai số nhỏ, đắt tiền.
+ Tụ giấy polyste: Chất điện môi làm bằng giấy ép tẩm polyester có dạng hình trụ, có trị
số từ 1nF - 1μF.
+ Tụ hóa (tụ điện phân): Có cấu tạo là lá nhôm cùng bột dung dịch điện phân cuộn lại đặt
trong vỏ nhôm, loại này có điện áp làm việc thấp, kích thước và sai số lớn, trị số điện
dung khoảng 0,1 μF – 4700 μF.
+ Tụ tan tang: Loại tụ này được chế tạo ở hai dạng hình trụ có đầu ra dọc theo trục và
dạng hình tan tan.
Tụ này có kích thước nhỏ nhưng trị số điện dung cũng lớn khoảng 0,1 μF - 100 μF.
+ Tụ biến đổi: Là tụ xoay trong radio hoặc tụ tinh chỉnh.
1.2.3 Ý nghĩa của giá trị điện áp ghi trên thân tụ
- Tính chất quan trọng của tụ điện là tính phóng nạp của tụ, nhờ tính chất này mà tụ có

khả năng dẫn điện xoay chiều.
- Tụ điện sẽ phóng điện từ dương cực sang âm cực, nó phóng điện qua tải sau đó về cực
âm của tụ điện. Điện dung của tụ càng lớn thì thời gian tích điện càng lâu.
CHƯƠNG II :GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CHỦ ĐỘNG
2.1Diode
2.1.1 Khái niệm.
Diode là linh kiện điện tử thụ động, cho phép dòng điện đi qua nó theo một chiều ,
sử dụng các tính chất của các chất bán dẫn.
Hình 2.1 Một số loại diode
2.1.2Cấu tạo và phân loại Diode.
* Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
 Cấu tạo: Diode bán dẫn được cấu tạo dựa trên chuyển tiếp P – N của hai chất bán dẫn
khác loại. Điện cực nối với bán dẫn P gọi là Anot còn điện cực nối với bán dẫn N gọi là
Katot. Trong kỹ thuật điện thường được kí hiệu như sau:
 Nguyên lý hoạt động: Diode sẽ dẫn điện theo hai chiều không giống nhau. Nếu phân
cực thuận thì diode sẽ dẫn điện gần như bão hòa. Nếu phân cực nghịch thì diode dẫn điện
rất yếu, thực chất chỉ có dòng điện rò. Nói một cách gần đúng thì xem như diode chỉ dẫn
điện một chiều từ Anot sang Katot, và đây chính là đặc tính chỉnh lưu của Diode bán dẫn.
* Phân loại
- Theo công dụng thì ta có: Diode ổn áp, Diode phát quang, Diode thu quang, Diode
biến dung, Diode xung, Diode tác song, Diode tách sóng.
+ Diode phát quang được sử dụng ở điều khiển tivi, đèn led ở biển quảng cáo, nó phát ra
ánh sang.
+ Diode chỉnh lưu được ứng dụng trong bộ đổi nguồn.
+ Diode biến dung được dùng nhiều trong các bộ thu phát sóng điện thoại, sóng cao tần,
siêu cao tần.
+ Diode tách sóng là loại diode nhỏ, vỏ bằng thủy tinh và còn được gọi là diode tiếp
điểm vì mặt tiếp xúc giữa hai chất bán dẫn P-N tại một điểm để tránh điện dung kí sinh,
Diode tách sóng thường dùng trong các mạch cao tần dùng để tách song tín hiệu.
+ Diode nắn điện: Là diode tiếp mặt dùng để nắn điện trong các bộ chỉnh lưu nguồn AC

50 Hz. Diode này thường có 3 loại là: 1A, 2A và 5A.
- Diode Zenner có cấu tạo tương tự như diode thường nhưng có hai lớp bán dẫn P-N
ghép với nhau. Diode Zener được ứng dụng trong chế độ phân cực ngược. Khi phân cực
thuận Diode zenner như diode thường nhưng khi phân cực ngược Diode Zenner sẽ ghim
lại một mức điện áp cố đingj bằng giá trị ghi trên Diode.
2.2Transistor
Cấu tạo của transistor.
-Cấu tạo: Gồm ba lớp bán dẫn ghép lại với nhau hình thành hai lớp tiếp giáp P-N nằm
ngược chiều nhau. Ba vùng bán dẫn nối ra ba chân gọi là ba cực. Cực nối với vùng bán
dẫn chung gọi là cực gốc, cực này mỏng và có nồng độ tạp chất thấp, hai cự còn lại nối
với vùng bán dẫn ở hai bên là cực phát (E) và cực thu (C), chúng có chung bán dẫn
nhưng nồng độ tạp chất là khác nhau nên không thể hoán vị cho nhau. Vùng cực E có
nồng độ tạp chất rất cao, vùng C có nồng độ tạp chất lớn hơn vùng B nhưng nhỏ hơn
vùng E.
* Nguyên lí làm việc
.+) Loại N có đặc điểm là:
- Miền emitor có nồng độ tạp chất lớn.
- Miền bazo có nồng độ tạp chất nhỏ nhất miền điện tích không gian của P-N. BJT có
miền này chỉ cỡ μm.
- Miền collector là miền có nồng độ pha tạp trung bình.
- Tiếp giáp P-N giữa miền E và B gọi là tiếp giáp emito (JB)
- Tiếp giáp P-N giữa C và E gọi là tiếp giáp colacto (JC)
- Ta chỉ xét với cấu trúc N-P-N còn cấu trúc P-N-P thì hoạt động tương tự như hình vẽ ở
trên. Khi transistor được phân cực do J
B
phân cực thuận làm các hạt đa số từ miền E phun
qua tiếp giáp J
B
tạo nên dòng điện emitor I
B

các điện tử này tới vùng B trở thành hạt thiểu
số của vùng bazo và tiếp tục khuêchs tán sâu vào miền bazo hướng tới I
C
trên miền bazo
tạo ra dòng điện bazo I
B
. Nhưng do cấu tạo của miền B mỏng lên hầu hết số lượng các
điện tử từ miền E phun qua J
B
đều tới được bờ J
C
và đường trường gia tốc (Do J
c
phân
cực ngược cuốn qua tới được miền C tạo nên dòng điện collector I
c
).
Hình dạng một số loại transistor thực tế
Hình 2.2 Một số loại Transistor
* Ứng dụng của transistor
-Dùng để làm các phần tử khuếch đại trong các mạch khuyếch đại công suất.
-Dùng để làm phần tử điều chỉnh trong các mạch ổn định điện áp.
-Đóng vai trò phần tử chuyển mạch làm việc như một khóa điện tử.
-Tạo sóng trong các mạch dao động.
. Cách ly quang PC 817.
- thực tế khi nối trực tiếp xung ra từ chân vi điều khiển AT89C51 với chân B của
TIP41c thì nó không đủ điện áp kích mở và nó sẽ gây nguy hiểm cho vi điều khiển, vì
vậy ta sử dụng phần tử cách ly quang PC817 để cách ly giữa mạch điều khiển và
mạch động lực, Đây là một loại thiết bị đại diện cho bộ quang điện tử.
Trong đó:

1: Anode
2:Kathode
3:Emitter
4:Collecte
Hình 2.3: Sơ đồ cấu tạo và hình dạng thực tế của PC 817
CHƯƠNG III: ĐỘNG CƠ BƯỚC
3.1 Tổng quan về động cơ bước
Động cơ bước có thể được mô tả như là một động cơ điện không dùng bộ
chuyển mạch. Cụ thể, các mấu trong động cơ là stator, và rotor là nam châm
vĩnh cửu hoặc trong trường hợp của động cơ biến từ trở, nó là những khối răng
làm bằng vật liệu nhẹ có từ tính. Tất cả các mạch đảo phải được điều khiển bên
ngoài bởi bộ điều khiển, và đặc biệt, các động cơ và bộ điều khiển được thiết kế
để động cơ có thể giữ nguyên bất kỳ vị trí cố định nào cũng như là quay đến bất
kỳ vị trí nào. Hầu hết các động cơ bước có thể chuyển động ở tần số âm thanh,
cho phép chúng quay khá nhanh, và với một bộ điều khiển thích hợp, chúng có
thể khởi động và dừng lại dễ dàng ở các vị trí bất kỳ.
Trong một vài ứng dụng, cần lựa chọn giữa động cơ servo và động cơ bước. Cả
hai loại động cơ này đều như nhau vì có thể xác định được vị trí chính xác,
nhưng chúng cũng khác nhau ở một số điểm. Servo motor đòi hỏi tín hiệu hồi
tiếp analog. Đặc biệt, điều này đòi hỏi một bộ tắc‐cô để cung cấp tín hiệu hồi
tiếp về vị trí của rotor, và một số mạch phức tạp để điều khiển sự sai lệch giữa vị
trí mong muốn và vì trí tức thời vì lúc đó dòng qua động cơ sẽ dao động tắt dần.
Để lựa chọn giữa động cơ bước và động cơ servo, phải xem xét một số vấn đề,
và nó phụ thuộc vào các ứng dụng thực tế. Ví dụ, khả năng trở về một vị trí đã
vượt qua phụ thuộc vào hình dạng rotor động cơ bước, trong khi đó, khả năng
lặp lại vị trí của động cơ servo nói chung phụ thuộc vào độ ổn định của bộ tắc cô
và các linh kiện analog khác trong mạch hồi tiếp.
Động cơ bước có thể được dùng trong hệ thống điều khiển vòng hở đơn giản;
những hệ thống này đảm bảo cho hệ thống điều khiển gia tốc với tải trọng tĩnh,
nhưng khi tải trọng thay đổi hoặc điều khiển ở gia tốc lớn, người ta vẫn dùng hệ

điều khiển vòng kín với động cơ bước. Nếu một động cơ bước trong hệ điều
khiển vòng mở quá tải, tất cả các giá trị về vị trí của động cơ đều bị mất và hệ
thống phải nhận diện lại; servo motor thì không xảy ra vấn đề này.
3.2 Các loại động cơ bước và cấu tạo của từng loại.
Động cơ bước được chia làm hai loại, nam châm vĩnh cửu và biến từ trở (cũng có loại
động cơ hỗn hợp nữa, nhưng nó không khác biệt gì với động cơ nam châm
vĩnh cửu). Nếu mất đi nhãn trên động cơ, các bạn vẫn có thể phân biệt hai loại
động cơ này bằng cảm giác mà không cần cấp điện cho chúng. Động cơ nam
châm vĩnh cửu dường như có các nấc khi bạn dùng tay xoay nhẹ rotor của
chúng, trong khi động cơ biến từ trở thì dường như xoay tự do (mặc dù cảm
thấy chúng cũng có những nấc nhẹ bởi sự giảm từ tính trong rotor). Bạn cũng có
thể phân biệt hai loại động cơ này bằng ohm kế. Động cơ biến từ trở thường có 3
mấu, với một dây về chung, trong khi đó, động cơ nam châm vĩnh cửu thường
có hai mấu phân biệt, có hoặc không có nút trung tâm. Nút trung tâm được
dùng trong động cơ nam châm vĩnh cửu đơn cực.
Động cơ bước phong phú về góc quay. Các động cơ kém nhất quay 90 độ mỗi
bước, trong khi đó các động cơ nam châm vĩnh cửu xử lý cao thường quay 1.8
độ đến 0.72 độ mỗi bước. Với một bộ điều khiển, hầu hết các loại động cơ nam
châm vĩnh cửu và hỗn hợp đều có thể chạy ở chế độ nửa bước, và một vài bộ
điều khiển có thể điều khiển các phân bước nhỏ hơn hay còn gọi là vi bước.
Đối với cả động cơ nam châm vĩnh cửu hoặc động cơ biến từ trở, nếu chỉ một
mấu của động cơ được kích, rotor (ở không tải) sẽ nhảy đến một góc cố định và
sau đó giữ nguyên ở góc đó cho đến khi moment xoắn vượt qua giá trị moment
xoắn giữ (hold torque) của động cơ.
Hình 3.1
Nếu motor của bạn có 3 cuộn dây, được nối như trong biểu đồ hình 3.1, với một
đầu nối chung cho tất cả các cuộn, thì nó chắc hẳn là một động cơ biến từ trở.
Khi sử dụng, dây nối chung (C) thường được nối vào cực dương của nguồn và
các cuộn được kích theo thứ tự liên tục.
Dấu thập trong hình 3.1 là rotor của động cơ biến từ trở quay 30 độ mỗi bước.

Rotor trong động cơ này có 4 răng và stator có 6 cực, mỗi cuộn quấn quanh hai
cực đối diện. Khi cuộn 1 được kích điện, răng X của rotor bị hút vào cực 1. Nếu
dòng qua cuộn 1 bị ngắt và đóng dòng qua cuộn 2, rotor sẽ quay 30 độ theo
chiều kim đồng hồ và răng Y sẽ hút vào cực 2.
Để quay động cơ này một cách liên tục, chúng ta chỉ cần cấp điện liên tục luân
phiên cho 3 cuộn. Theo logic đặt ra, trong bảng dưới đây 1 có nghĩa là có dòng
điện đi qua các cuộn, và chuỗi điều khiển sau sẽ quay động cơ theo chiều kim
đồng hồ 24 bước hoặc 2 vòng:
Cuộn 1 1001001001001001001001001
Cuộn 2 0100100100100100100100100
Cuộn 3 0010010010010010010010010
thời gian ‐‐>
Phần Điều khiển mức trung bình cung cấp chi tiết về phương pháp tạo ra các
dãy tín hiệu điều khiển như vậy, và phần Các mạch điều khiển bàn về việc
đóng ngắt dòng điện qua các cuộn để điều khiển động cơ từ các chuỗi như thế.
Hình dạng động cơ được mô tả trong hình 3.1, quay 30 độ mỗi bước, dùng số
răng rotor và số cực stator tối thiểu. Sử dụng nhiều cực và nhiều răng hơn cho
phép động cơ quay với góc nhỏ hơn. Tạo mặt răng trên bề mặt các cực và các
răng trên rotor một cách phù hợp cho phép các bước nhỏ đến vài độ.

Hình 3.2
Động cơ bước đơn cực, cả nam châm vĩnh cửu và động cơ hỗn hợp, với 5, 6 hoặc
8 dây ra thường được quấn như sơ đồ hình 3.2, với một đầu nối trung tâm trên
các cuộn. Khi dùng, các đầu nối trung tâm thường được nối vào cực dương
nguồn cấp, và hai đầu còn lại của mỗi mấu lần lượt nối đất để đảo chiều từ
trường tạo bởi cuộn đó.
Sự khác nhau giữa hai loại động cơ nam châm vĩnh cửu đơn cực và động cơ hỗn
hợp đơn cực không thể nói rõ trong nội dung tóm tắt của tài liệu này. Từ đây,
khi khảo sát động cơ đơn cực, chúng ta chỉ khảo sát động cơ nam châm vĩnh cửu,
việc điều khiển động cơ hỗn hợp đơn cực hoàn toàn tương tự.

Mấu 1 nằm ở cực trên và dưới của stator, còn mấu 2 nằm ở hai cực bên phải và
bên trái động cơ. Rotor là một nam châm vĩnh cửu với 6 cực, 3 Nam và 3 Bắc,
xếp xen kẽ trên vòng tròn.
Để xử lý góc bước ở mức độ cao hơn, rotor phải có nhiều cực đối xứng hơn.
Động cơ 30 độ mỗi bước trong hình là một trong những thiết kế động cơ nam
châm vĩnh cửu thông dụng nhất, mặc dù động cơ có bước 15 độ và 7.5 độ là khá
lớn. Người ta cũng đã tạo ra được động cơ nam châm vĩnh cửu với mỗi bước là
1.8 độ và với động cơ hỗn hợp mỗi bước nhỏ nhất có thể đạt được là 3.6 độ đến
1.8 độ, còn tốt hơn nữa, có thể đạt đến 0.72 độ.
Như trong hình, dòng điện đi qua từ đầu trung tâm của mấu 1 đến đầu a tạo ra
cực Bắc trong stator trong khi đó cực còn lại của stator là cực Nam. Nếu điện ở
mấu 1 bị ngắt và kích mấu 2, rotor sẽ quay 30 độ, hay 1 bước. Để quay động cơ
một cách liên tục, chúng ta chỉ cần áp điện vào hai mấu của đông cơ theo dãy.
Mấu 1a 1000100010001000100010001 Mấu 1a 1100110011001100110011001
Mấu 1b 0010001000100010001000100 Mấu 1b 0011001100110011001100110
Mấu 2a 0100010001000100010001000 Mấu 2a 0110011001100110011001100
Mấu 2b 0001000100010001000100010 Mấu 2b 1001100110011001100110011
thời gian ‐‐> thời gian ‐‐>
Nhớ rằng hai nửa của một mấu không bao giờ được kích cùng một lúc. Cả hai
dãy nêu trên sẽ quay một động cơ nam châm vĩnh cửu một bước ở mỗi thời
điểm. Dãy bên trái chỉ cấp điện cho một mấu tại một thời điểm, như mô tả trong
hình trên; vì vậy, nó dùng ít năng lượng hơn. Dãy bên phải đòi hỏi cấp điện cho
cả hai mấu một lúc và nói chung sẽ tạo ra một moment xoắy lớn hơn dãy bên
trái 1.4 lần trong khi phải cấp điện gấp 2 lần.
Phần Điều khiển mức trung bình trong tài liệu này sẽ cung cấp chi tiết về
phương pháp tạo ra những dãy tín hiệu điều khiển như vậy, còn phần Các mạch
điều khiển nói về mạch đóng ngắt các mạch điện cần thiết để điều khiển các
mấu động cơ từ các dãy điều khiển trên.
Vị trí bước được tạo ra bởi hai chuỗi trên không giống nhau; kết quả, kết hợp 2
chuỗi trên cho phép điều khiển nửa bước, với việc dừng động cơ một cách lần

lượt tại những vị trí đã nêu ở một trong hai dãy trên. Chuỗi kết hợp như sau:
Mấu 1a 11000001110000011100000111
Mấu 1b 00011100000111000001110000
Mấu 2a 01110000011100000111000001
Mấu 2b 00000111000001110000011100
Thời gian ‐‐>
Hình 3.3
Động cơ nam châm vĩnh cửu hoặc hỗn hợp hai cực có cấu trúc cơ khí giống y
như động cơ đơn cực, nhưng hai mấu của động cơ được nối đơn giản hơn,
không có đầu trung tâm. Vì vậy, bản thân động cơ thì đơn giản hơn, nhưng
mạch điều khiển để đảo cực mỗi cặp cực trong động cơ thì phức tạp hơn. Minh
hoạ ở hình 3.3 chỉ ra cách nối động cơ, trong khi đó phần rotor ở đây giống y
như ở hình 3.2.
Hoạt động
Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bước nên
có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học. Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển
mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định.
Tổng số góc quay của rôto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay
và tốc độ quay của rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi.
Ứng dụng
Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động cơ bước là một cơ cấu chấp hành đặc
biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa ra dưới dạng số.
Động cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành Tự động hoá, chúng được ứng dụng
trong các thiết bị cần điều khiển chính xác. Ví dụ: Điều khiển robot, điều khiển tiêu
cự trong các hệ quang học, điều khiển định vị trong các hệ quan trắc, điểu khiển bắt,
bám mục tiêu trong các khí tài quan sát, điều khiển lập trình trong các thiết bị gia
công cắt gọt, điều khiển các cơ cấu lái phương và chiều trong máy bay,trên oto ứng
dụng trong bộ tiết chế IC.
Trong công nghệ máy tính, động cơ bước được sử dụng cho các loại ổ đĩa cứng, ổ đĩa
mềm, máy in

STEP có 5 đặc tính cơ bản sau:
• Brushlesss (không chổi than): STEP là loại động cơ không chổi than.
• Load Independent (độc lập với tải): động cơ bước quay với tốc độ ổn định trong tầm
moment của động cơ.
• Open loop positioning (điều khiển vị trí vòng hở): thông thường chúng ta có thể đếm
xung kích ở động cơ để xác định vị trí mà không cần phải có cảm biến hồi tiếp vị trí,
nhưng đôi khi trong những ứng dụng đòi hỏi tính chính xác cao STEP thường được sử
dụng kết hợp với các cảm biến vị trí như: encoder, biến trở …
• Holding Torque (moment giữ ): STEP có thể giữ được trục quay của nó, so với động
cơ DC không có hộp số thì moment giữ của STEP lớn hơn rất nhiều.
• Excellent Response (Đáp ứng tốt): STEP đáp ứng tốt khi khởi động, dừng lại và đảo
chiều quay một cách dễ dàng.
CHƯƠNG IV: VI XỬ LÝ 89C51
1: Giới thiệu:
Bộ vi điều khiển viết tắt là Mircro-controller là mạch tích hợp trên một chíp có thể lập
trình được, dùng để điều khiển hoạt động của một hệ thống. Theo các tập lệnh của người
lập trình bộ vi điều khiển tiến hành đọc, lưu trữ thông tin, xử lý thông tin, đo thời gian và
tiến hành đóng mở một cơ cấu nào đó.
Trong các thiết bị điện và điện tử dân dụng các bộ vi điều khiển điều khiển hoạt động
của TV, máy giặt, điện thoại, lò vi-ba…Trong hệ thống sản xuất tự động, bộ vi điều
khiển được sử dụng trong Robot, dây chuyền tự động. Các hệ thống càng “thông minh”
thì vai trò của hệ vi điều khiển càng quan trọng.
3: Khảo sát bộ vi điều khiển (8951)
IC vi điều khiển 8051(8951) thuộc họ MCS51 có các đặc điểm sau:
- 4Kbyte ROM (được lập trình bởi nhà sản xuất chỉ có ở 8951)
- 128 byte RAM
- 4 port I10 8 bit
- Hai bộ định thời 16bit
- Giao tiếp nối tiếp
- 64KB không gian bộ nhớ chương trình mở rộng

- 64KB không gian bộ nhớ dữ liệu mở rộng
- 1 bộ xử lý luận lý (thao tác trên các bit đơn)
- 210bit được địa chỉ hoá
- Bộ nhân / chia 4µs
3.1. Cấu trúc bên trong của (8951)

Phần chính của vi điều khiển 8051(8951) là bộ vi xử lý trung tâm (CPU: Central
Processing Unit) bao gồm:
- Thanh ghi tích luỹ A
- Thanh ghi tích luỹ phụ B, dùng cho phép nhân và phép chia.
- Đơn vị logic học (ALU: Arithmetic Logical Unit)
- Từ trạng thái chương trình (PSW: Program Status Word)
- Bốn băng thanh ghi
- Con trỏ ngăn xếp
- Ngoài ra còn có bộ nhớ chương trình, bộ giải mã lệnh, bộ điều khiển thời gian và logic.
Đơn vị xử lý trung tâm nhận trực tiếp xung từ bộ dao động, ngoài ra còn có khả năng
đưa một tín hiệu giữ nhịp từ bên ngoài.
Chương trình đang chạy có thể cho dừng lại nhờ một khối điều khiển ngắt ở bên
trong. Các nguồn ngắt có thể là: các biến cố ở bên ngoài, sự tràn bộ đếm định thời hoặc
cũng có thể là giao diện nối tiếp.
Hai bộ định thời 16bit hoạt động như một bộ đếm.
Các cổng (port0, port1, port2, port3) sử dụng vào mục đích điều khiển.
Ở cổng 3 có thêm các đường dẫn điều khiển dùng để trao đổi với một bộ nhớ bên
ngoài, hoặc để đầu nối giao diện nối tiếp, cũng như các đường ngắt dẫn bên ngoài.
Giao diện nối tiếp có chứa một bộ truyền và một bộ nhận không đồng bộ làm việc độc
lập với nhau. Tốc độ truyền qua cổng nối tiếp có thể đặt trong vảy rộng và được ấn định
bằng một bộ định thời.
Trong vi điều khiển 8051(8951) có hai thành phần quan trọng khác đó là bộ nhớ và
các thanh ghi:
- Bộ nhớ gồm có bộ nhớ RAM dùng để lưu trữ dữ liệu và mã lệnh.

- Các thanh ghi sử dụng để lưu trữ thông tin trong quá trình xử lý. Khi CPU làm việc nó
làm thay đổi nội dung của các thanh ghi.
3.2. Chức năng các chân vi điều khiển.
*Port0: Là port có 2 chức năng ở trên chân từ 32 đến 39 trong các thiết kế cỡ nhỏ
(không dùng bộ nhớ mở rộng) có hai chức năng như các đường IO. Đối với các thiết kế
cỡ lớn (với bộ nhớ mở rộng) nó được kết hợp kênh giữa các bus.
*Port1: Là một port I/O trên các chân 1-8. Các chân được ký hiệu P1.0, P1.1, P1.2 có
thể dùng cho các thiết bị ngoài nếu cần. Port1 không có chức năng khác, vì vậy chúng ta
chỉ được dùng trong giao tiếp với các thiết bị ngoài.
*Port2: Là một port công dụng kép trên các chân 21-28 được dùng như các đường xuất
nhập hoặc là byte cao của bus địa chỉ đối với các thiết kế dùng bộ nhớ mở rộng.
*Port3: là một port công dụng kép trên các chân 10-17. Các chân của port này có nhiều
chức năng, các công dụng chuyển đổi có liên hệ với các đặc tính đặc biệt của 8951 như ở
bảng sau:
Bit Tên Chức năng chuyển đổi
P3.0 RXD Dữ liệu nhận cho port nối tiếp
P3.1 TXD Dữ liệu phát cho port nối tiếp
P3.2 INTO Ngắt 0 bên ngoài
P3.3 INT1 Ngắt 1 bên ngoài
P3.4 TO Ngõ vào của Timer/Counter 0
P3.5 T1 Ngõ vào của Timer/Counter 1
P3.6 WR Xung ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài
P3.7 RD Xung đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài
Bảng 1.1: Chức năng của các chân trên Port3
a. PSEN (Program Store Enable): 8951 có 4 tín hiệu điều khiển PSEN là tín hiệu ra
trên chân 29. Nó là tín hiệu điều khiển để cho phép bộ nhớ chương trình mở rộng và
thường được nối đến chân OE (Output Enable) của một EPROM để cho phép đọc các
byte mã lệnh.
b. PSEN sẽ ở mức thấp trong thời gian lấy lệnh. Các mã nhị phân của chương trình
được đọc từ EPROM qua bus và được chốt vào thanh ghi lệnh của 8951 để giải mã lệnh.

Khi thi hành chương trình trong ROM nội PSEN sẽ ở mức thụ động (mức cao).
c. ALE (Address Latch Enable):
Tín hiệu ra ALE trên chân 30 tương hợp với các thiết bị làm việc với các xử lý 8585,
8088, 8086, 8051 dùng ALE một cách tương tự cho làm việc giải các kênh các bus địa
chỉ và dữ liệu khi port0 đựoc dùng trong chế độ chuyển đổi của nó: vừa là bus dữ liệu
vừa là bus thấp của địa chỉ, ALE là tín hiệu để chốt địa chỉ vào một thanh ghi bên ngoài
trong nửa đầu của chu kỳ bộ nhớ. Sau đó các đường port0 dùng để xuất hoặc nhập dữ
liểutong nửa sau chu kỳ của bộ nhớ.
Các xung tín hiệu ALE có tốc độ bằng 1/6 lần tần số dao động trên chip và có thể
được dùng là nguồn xung nhịp cho các hệ thống. Nếu xung trên 8051(8951) là 12 MHz
thì ALE có tần số 2MHz. Chỉ ngoại trừ khi thi hành lệnh MOVX, một xung ALE sẽ bị
mất. Chân này cũng được làm ngõ vào cho xung lập trình cho EPROM trong
8051(8951).
d. EA (External Access):
Tín hiệu vào EA trên chân 31 thường được mắc lên mức cao (+5V) hoặc mức thấp
(GND). Nếu ở mức cao, 8051(8951) thi hành chương trình từ ROM nội trong khoảng địa
chỉ thấp (4K). Nếu ở mức thấp, chương trình được thi hành từ bộ nhớ mở rộng.Nếu EA
được nối mức thấp bộ nhớ bên trong chương trình 8051(8951) sẽ bị cấm và chương trình
thi hành từ EPROM mở rộng. Người ta còn dùng chân EA làm chân cấp điện áp 21V khi
lập trình cho EPROM trong 8051(8951).
e. SRT (Reset):
Ngõ vào RST trên chân 9 là ngõ Reset của 8051(8951). Khi tín hiệu này được đưa lên
mức cao (trong ít nhất 2 chu kỳ máy), các thanh ghi trong 8951 đựoc tải những giá trị
thích hợp để khởi động hệ thống.
f. Các ngõ vào bộ dao động trên chip:
8051(8951) có một bộ dao động trên chip. Nó thường được nối với thạch anh giữa hai
chân 18 và 19. Các tụ giữa cũng cần thiết. Tần số thạch anh thông thường là 12 MHz.
g. Các chân nguồn:
8051(8951) vận hành với nguồn đơn +5V. VCC được nối vào chân 40 và VSS (GND)
được nối vào chân 20.

3.4. Các thanh ghi chức năng đặc biệt:
a. Từng trạng thái chương trình:
- Cờ nhớ phụ:
Khi cộng các số BCD, cờ nhớ phụ (AC) được set nếu kết quả của 4 bit thấp trong
khoảng 0AH đến 0FH. Nếu các giá trị cộng được là số BCD, thì sau lệnh cộng cần có
DA A (hiệu chỉnh thập phân thanh ghi tích luỹ) để mang kết quả lớn hơn 9 trở về tâm từ
0 ÷ 9.
- Cờ 0:
Cờ 0 (F0) là một bit cờ đa dụng dành các ứng dụng của người dùng.
- Các bit chọn bank thanh ghi:
Các bit chọn bank thanh ghi (RS0 và RS1) xác định bank thanh ghi được tích cực.
Chúng được xoá sau khi reset hệ thống và được thay đổi bằng phần mềm nếu cần. Ví dụ:
ba lệnh sau cho phép bank thanh ghi 3 và di chuyển nội dung của thanh ghi R7 (địa chỉ
byte 1FH) đến thanh ghi tích luỹ:
SETB RS1
SETB RS0
MOV A, R7
Khi chương trình được hợp dịch các địa chỉ bit đúng được thay thế cho các ký hiệu
“RS1” và “RS0”. Vậy lệnh SETB RS1 sẽ giống như lệnh SETB 0D4H.
- Cờ tràn:
Cờ tràn (OV) được set một lệnh cộng hoặc trừ nếu có một phép toán bị tràn. Khi các
số có dấu được cộng hoặc trừ với nhau, phần mềm có thể kiểm tra bit này để xác định
xem kết quả của nó có nằm trong tầm xác định không. Khi các số không dấu được cộng,
bit OV có thể được bỏ qua. Các kết quả lớn hơn +127 hoặc nhỏ hơn -128 sẽ set bit
b. Thanh ghi B:
Thanh ghi B ở địa chỉ F0H được dùng cùng với thanh ghi tích luỹ A cho các phép
toán nhân và chia. Lệnh MUL AB sẽ nhân các giá trị không dấu 8 bit trong A và B rồi trả
về kết quả 16 bit trong A (byte thấp) và B (byte cao).
c. Con trỏ ngăn xếp:
Con trỏ ngăn xếp (SP) là một thanh ghi 8 bit ở địa chỉ 81H. Nó chứa địa chỉ của byte

dữ liệu hiện hành trên đỉnh của ngăn xếp. Các lệnh trên ngăn xếp bao gồm các thao tác
cất dữ liệu vào ngăn xếp và lấy dữ liệu ra khỏi ngăn xếp. Lệnh cất dữ liệu vào ngăn xếp
sẽ làm tăng Sp trước khi ghi dữ liệu, và lệnh lấy dữ liệu ra khỏi ngăn xếp sẽ đọc dữ liệu
và làm giảm SP. Ngăn xếp của 8051/8951 được giữ trong RAM nội và được giới hạn các
địa chỉ có thể truy xuất bằng địa chỉ gián tiếp, chúng là 128 byte đầu của 8051/8951.
Để khởi động lại SP với ngăn xếp bắt đầu tại 60H, lệnh sau đây được dùng:
MOV SP, #%FH
Trên 8051/8951 ngăn xếp bị giới hạn bởi 32 byte vì địa chỉ cao nhất của RAM trên
chip là 7FH.
d. Con trỏ dữ liệu:
Con trỏ dữ liệu (DPTR) được dùng để truy xuất bộ nhớ ngoài là một thanh ghi 16 bit ở
địa chỉ 82H (DPL: byte thấp) và 83H (DPH: byte cao). Ba lệnh sau sẽ ghi 55H vào RAM
ngoài ở địa chỉ 1000H:
MOV A, #55H
MOVE DPTR, #1000H
MOVX @DPTR, A
e. Các thanh ghi port xuất nhập:
Các port của 8951 bao gồm Port0 ở địa chỉ 80H, Port1 ở địa chỉ 90H, Port2 ở địa chỉ
A0H và Port3 ở địa chỉ B0H. Tất cả các port đều được địa chỉ hoá từng bit. Điều đó cung
cấp một khả năng giao tiếp thuận lợi.
f. Các thanh ghi Timer:
8951 chứa 2 bộ định thời đếm 16bit được dùng trong việc định thời hoặc đếm sự kiện.
Timer 0 ở địa chỉ 8AH (TL0: byte thấp) và 8CH (TH0: byte cao). Timer 1 ở địa chỉ 8BH
(TL1: byte thấp) và 8DH (TH1: byte cao), việc vận hành timer được set bởi thanh ghi
Timer Mode (TMOD) ở địa chỉ 89H và thanh ghi điều khiển timer (TCON) ở địa chỉ
88H. CHỉ có TCON được địa chỉ hoá từng bit.
g. Các thanh ghi port nối tiếp:
8951 chứa một port nối tiếp trên chip dành cho việc trao đổi thông tin với các thiết bị
nối tiếp như máy tính, modem hoặc cho việc giao tiếp với các IC khác có giao tiếp nối
tiếp (có bộ chuyển đổi A/D, các thanh ghi dịch…). Một thanh ghi gọi là bộ đệm dữ liệu

nối tiếp (SBUF) ở địa chỉ 99H sẽ giữ cả hai dữ liệu truyền và nhận. Khi truyền dữ liệu thì
ghi lên SBUF, khi nhận dữ liệu thì đọc SBUF. Các mode vận hành khác nhau được lập
trình qua thanh ghi điều khiển port nối tiếp (SCON) (được địa chỉ hoá từng bit) ở địa chỉ
98H.
h. Các thanh ghi ngắt:
8951 có cấu trúc 5 nguồn ngắt, 2 mức ưu tiên. Các ngắt bị cấm sau khi reset hệ thống
và sẽ được cho phép bằng việc ghi thanh ghi cho phép ngắt (IE) ở địa chỉ 8AH. Cả 2
thanh ghi được địa chỉ hoá từng bit.
3.5. Bộ nhớ ngoài.
8951 có khả năng mở rộng bộ nhớ đến 64K bộ nhớ chương trình và 64K bộ nhớ dữ
liệu bên ngoài. Do đó có thể dùng thêm ROM và RAM nếu cần.
Khi dùng bộ nhớ ngoài, port0 không còn là một port I/O thuần tuý nữa. Nó được hợp
kênh giữa bus địa chỉ (A0 – A7) và bus dữ liệu (D0 – D7) với tín hiệu ALE để chốt byte
thấp của địa chỉ khi bắt đầu mỗi chu kỳ bộ nhớ. Port2 thông thường được dùng cho byte
cao của bus địa chỉ.
Trong nửa đầu mỗi chu kỳ bộ nhớ, byte thấp của địa chỉ được cấp trong port0 và được
chốt bằng xung ALE. Một IC chốt 74HC373 (hoặc tương đương) sẽ giữ byte địa chỉ thấp
trong phần còn lại của chu kỳ bộ nhớ. Trong nửa sau của chu kỳ bộ nhớ port0 được dùng
như bus dữ liệu và được đọc hoặc ghi tuỳ theo lệnh.
a. Truy xuất bộ nhớ chương trình ngoài:
Bộ nhớ chương trình ngoài là một IC ROM được phép bởi tín hiệu PSEn. Hình sau
mô tả cách nối một EPROM vào 8951:
Port 0
EA
8951
ALE
Port 2
PSEN
D0-D7
A0-A7

EPROM
A8-A15
OE
D Q
74HC373
G
Hình 1.4: Giao tiếp giữa 8951 và EPROM
Một chu kỳ máy của 8951 có 12 chu kỳ xung nhịp. Nếu bộ dao động trên chip được lái
bởi một thạch anh 12MHz thì chu kỳ máy kéo dài 1μs. Trong một chu kỳ máy sẽ có hai
xung ALE và 2 byte được đọc từ bộ nhớ chương trình
b. Truy xuất bộ nhớ dữ liệu ngoài
Bộ nhớ dữ liệu ngoài là một bộ nhớ RAM được cho phép ghi/đọc bằng các tín hiệu WR
và RD (các chân P3.6 và P3.7 thay đổi chức năng), chỉ có một cách truy xuất bộ nhớ dữ
liệu ngoài là với lệnh MOVX dùng con trỏ dữ liệu (DPTR) 16 bit hoặc R0 và R1 xem
như thanh ghi địa chỉ.
Kết nối bus địa chỉ và bus dữ liệu giữa RAM và 8951 cũng giống EPROM và do đó
cũng có thể lên đến 64byte bộ nhớ RAM. Ngoài ra, chân RD của 8051/8951 đựoc nối tới
chân cho phép xuất (OE) của RAM và chân WR được nối tới chân ghi (WR) của RAM.
Giản đồ thời gian cho lệnh đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài được vẽ trên hình sau đối với
lệnh MOVX A, @DPTR
3.6. Lệnh reset.
8051/8951 được reset bằng cách giữ chân RST ở mức cao ít nhất trong 2 chu kỳ máy
và trả nó về mức thấp.

RST có thể được kích khi cấp điện dùng một mạch R-C:
Trạng thái của tất cả các thanh ghi của 8951 sau khi reset hệ thống được tóm tắt:Trạng
thái của tất cả các thanh ghi của 8951 sau khi reset hệ thống được tóm tắt:
+ 5 V
+ 5 V
1 0 0

8 , 2 K
1 0 U F