Điều khiển tốc độ động cơ bước

Đồ án chuyên ngành II
Nghiên cứu, chế tạo driver điều khiển và khống chế tốc độ động cơ bước

Mục Lục
LỜI NÓI ĐẦU.............................................................................................................................................5
CHƯƠNG I – ĐỘNG CƠ BƯỚC..............................................................................................................6

1.1. Động cơ bước..................................................................................................................6
1.1.1. Tổng quan về động cơ bước.....................................................................................................6
1.1.2. Phân loại và cấu tạo động cơ bước...........................................................................................6
1.1.3. Nguyên lý hoạt động của động cơ bước...................................................................................9
1.1.4. Ứng dụng của động cơ bước..................................................................................................10

1.2. Các phương pháp điều khiển động cơ bước...................................................................11
1.2.1. Điều khiển một bước (full-step).............................................................................................11
1.2.2. Điều khiển nửa bước (half-step).............................................................................................13

1.3. Các phương pháp tạo xung điều khiển động cơ bước....................................................15
1.3.1. Tạo xung điều khiển bằng các IC kỹ thuật số........................................................................15
1.3.2. Tạo xung điều khiển bằng vi điều khiển................................................................................16
CHƯƠNG II – MỘT SỐ LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI.....................................................17

2.1. Vi điều khiển AT89C51.................................................................................................17
2.1.1. Tổng quan về vi điều khiển AT89C51....................................................................................17
2.1.2. Chức năng các chân của 89C51.............................................................................................18
2.1.3. Tổ chức bộ nhớ.......................................................................................................................20
2.1.4. Các thanh ghi chức năng đặc biệt và các vector ngắt............................................................23

2.2. MOSFET IRF540...........................................................................................................25
2.2.1. Sơ lược về MOSFET..............................................................................................................25

2.3. OPTO PC817.................................................................................................................27
CHƯƠNG III – THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO SẢN PHẨM.......................................................................28

3.1. Sơ đồ khối......................................................................................................................28
3.2. Khối giao tiếp.................................................................................................................29
3.3. Khối điều khiển..............................................................................................................30
3.3.1. Chế độ bằng tay......................................................................................................................30

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Đình Hùng
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đỗ Như Bắc

Trang 3


Đồ án chuyên ngành II
Nghiên cứu, chế tạo driver điều khiển và khống chế tốc độ động cơ bước
3.3.2. Chế độ tự động........................................................................................................................32

3.4. Mạch công suất...............................................................................................................35
3.5. Tổng kết..........................................................................................................................36
3.7. Thiết kế mạch in.............................................................................................................41
CHƯƠNG IV - KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN.....................................................................43

4.1. Kết luận..........................................................................................................................43
4.2. Phương hướng phát triển của đề tài................................................................................44
Lời cảm ơn !..............................................................................................................................................45
Tài liệu tham khảo.....................................................................................................................................46

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Đình Hùng
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đỗ Như Bắc

Trang 4


Đồ án chuyên ngành II
Nghiên cứu, chế tạo driver điều khiển và khống chế tốc độ động cơ bước

LỜI NÓI ĐẦU
Việt Nam ta ngày một phát triển và giàu mạnh . Một trong những thay đổi đáng kể là Việt
Nam đã gia nhập WTO, một bước ngoặt quan trọng thay đổi đất nước, để chúng ta - con
người Việt có cơ hội nắm bắt nhiều thành tựu vĩ đại của thế giới, đặc biệt là về các lĩnh
vực khoa học kĩ thuật nói chung và ngành Điện - Điện Tử nói riêng .
Thế hệ trẻ chúng ta không tự mình phấn đấu học hỏi không ngừng thì chúng ta sẽ sớm lạc
hậu và nhanh chóng thụt lùi . Nhìn ra được điều đó trường “Đại Học Sư Phạm Kỹ
Thuật Hưng Yên” đã sớm chủ trương hình thức đào tạo sâu rộng, từ thấp đến cao . Để
tăng chất lượng học tập của sinh viên nhà trường nói chung và khoa Điện - Điện Tử nói
riêng đã tổ chức cho sinh viên làm các Đồ Án Môn Học nhằm tạo nên tảng vững chắc
cho sinh viên khi ra trường, đáp ứng nhu cầu tuyển dụng việc làm .
Ngày nay lĩnh vực vi điều khiển đã được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị, sản phẩm
phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt hằng ngày của con người như máy giặt, đồng hồ điện tử, ti
vi ... nhằm giúp cho đời sống ngày càng hiện đại và tiện lợi hơn .
Đề tài ứng dụng vi điều khiển trong đời sống thực tế rất phong phú và đa dạng nhằm đáp
ứng cho cuộc sống tiện nghi của con người . Với mục đích tìm hiểu và đáp ứng những
yêu cầu trên chúng em đã lựa chọn một đề tài có tính ứng dụng trong thực tế, nhưng
không quá xa lạ đối với mọi người, đó là : “???????????????????????????????? ” .
Do kiến thức và thời gian hạn chế nên trong quá trình thực hiện đồ án chúng em không
thể tránh khỏi sai sót, mong quý thầy cô trong hội đồng bảo vệ bỏ qua và có những đóng
góp ý kiến để chúng em có thể hoàn thiện đồ án của mình tốt hơn nữa .
Chúng em xin chân thành cảm ơn !

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Đình Hùng
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đỗ Như Bắc

Trang 5


Đồ án chuyên ngành II
Nghiên cứu, chế tạo driver điều khiển và khống chế tốc độ động cơ bước

CHƯƠNG I – CƠ SỞ LÝ LUẬN
1.1. Động cơ bước
1.1.1. Tổng quan về động cơ bước
Động cơ bước là một loại động cơ điện một chiều đặc biệt được sử dụng để biến đổi các
lệnh cho dưới dạng xung điện thành sự dịch chuyển dứt khoát về góc quay hay đường
thẳng - như là bước từng bước - mà không cần cảm biến phản hồi .

Hình 1.1.1.a - Một động cơ bước 6 đầu dây trong thực tế
Động cơ làm việc phải có kèm theo bộ biến đổi điện tử dùng để chuyển đổi các cuộn dây
điều khiển của động cơ bước với thứ tự và tần số theo lệnh đã cho . Tốc độ tổng hợp của
động cơ rô-to động cơ bước tương ứng chính xác với số lần chuyển đổi của động cơ điều
khiển, chiều quay phụ thuộc vào thứ tự biến đổi . Như vậy trong trường hợp tổng quát có
thể xem động cơ bước với bộ điều khiển đổi chiểu điện từ như một hệ thống điều chỉnh
tần số của động cơ đồng bộ với khả năng định vị góc xoay cho rô-to, bằng cách thay đổi
tần số cho đến không .
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, hoặc như
một phần tử phụ biến đổi các mã xung tín hiệu điện thành tín hiệu cơ cho một hệ thống
nào đó, ... .
1.1.2. Phân loại và cấu tạo động cơ bước
Động cơ bước có thể được phân loại dựa theo cấu trúc hoặc cách quấn các cuộn dây trên

stator .
Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Đình Hùng
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đỗ Như Bắc

Trang 6


Đồ án chuyên ngành II
Nghiên cứu, chế tạo driver điều khiển và khống chế tốc độ động cơ bước

Hình 1.1.2.a - Cấu tạo của một động cơ bước
Dựa theo cấu trúc rotor, động cơ bước được chia thành 3 loại:
 Động cơ bước từ trở biến thiên.
 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu
 Động cơ bước lai.
Động cơ bước từ trở biến thiên
Các động cơ bước từ trở biến thiên có rotor bằng thép mềm, rotor quay khi các răng trên
rotor bị hút bởi các răng điện từ trên stator . Các rotor bằng thép có quán tính nhỏ hơn
các loại khác . Điều này cho phép nó đáp ứng nhanh hơn . Tuy nhiên, vì rotor không có từ
tính nên không có lực từ dư khỉ động cơ không còn được cấp điện và rotor có thể quay tự
do . Thông thường, các góc bước của các động cơ bước từ trở biến thiên là 7,5° hoặc 15°.

Hình 1.1.2.b - Cấu tạo của động cơ bước có từ trở biến thiên
Động cơ bước nam châm vĩnh cửu
Các động cơ bước nam châm vĩnh cửu chứa rotor nam châm vĩnh cửu có mô men duy trì
khỉ động cơ không còn được cấp điện . Mỗi răng nam châm vĩnh cửu được đỉnh hướng
theo trục với các cực nam và bắc thay đổi .

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Đình Hùng
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đỗ Như Bắc

Trang 7


Đồ án chuyên ngành II
Nghiên cứu, chế tạo driver điều khiển và khống chế tốc độ động cơ bước

Hình 1.1.2.c - Cấu tạo của động cơ bước nam châm vĩnh cửu
Một số động cơ bước có các nam châm được chèn vào stator để cải thiện trường điện từ
và cung cấp mô men cao hơn . Các nam châm được làm bằng hợp kim (gồm nhôm,
nickel, và cobalt) hoặc các chất thuộc đất hiếm (samarium-cobalt) . Các động cơ bước
nam châm vĩnh cửu đòi hỏi công suât vận hành nhỏ hơn các loại khác . Chúng cũng có
đặc tính chống rung đáp ứng tốt hơn . Các góc bước có thể được tìm thấy trên toàn phạm
vi các góc chuẩn, bao gồm 1,8°; 7,5°, 30°; 45°; và 90° .
Động cơ bước lai
Các động cơ bước lai kết hợp các đặc điểm rotor của động cơ bước từ trở biến thiên và
động cơ nam châm vĩnh cửu . Một nam châm vĩnh cửu nhỏ hơn được bọc xung quanh
trục động cơ . Nó khác với động cơ bước nam châm vĩnh cửu ở chổ có một đầu rotor là
cực bắc còn đầu rotor đối diện là cực nam . Răng rotor được cắt thành hai chén lồi thép
được gắn chặt trên mỗi đầu . Động cơ bước lai chỉ sử dụng phương pháp cấu tạo thứ hai .
Các động cơ bước lai có nhỉều răng hơn và có mô men lớn hơn . Các góc bước tiêu biểu
là 0,9° va 1,8° .

Hình 1.1.2.d - Động cơ bước lai

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Đình Hùng
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đỗ Như Bắc

Trang 8

Đồ án chuyên ngành II
Nghiên cứu, chế tạo driver điều khiển và khống chế tốc độ động cơ bước
Ngày nay, các động cơ bước được sử dụng rộng rãi là động cơ bước nam châm vĩnh
cửu và động cơ bước lai, với góc bước 1,8° . Độ chính xác của hầu hết các động cơ
bước là 3% góc bước (bất chấp số bước trên vòng); thế thì, độ chính xác được cải thiện
nhờ vào các góc bước nhỏ hơn .

Dựa theo cách quấn dây trên stator, động cơ bước được chia thành 2 loại:
 Động cơ bước đơn cực.
 Động cơ bước lưỡng cực.
Động cơ bước lưỡng cực
Mỗi pha chứa một cuộn dây duy nhất . Bằng cách đảo dòng điện trong các cuộn dây, cực
tính điện từ cũng bị đảo .

Hình 1.1.2.e - Sơ đồ cấu tạo động cơ bước lưỡng cực
Động cơ bước đơn cực
Một kiểu quấn dây phổ biến khác là quấn dây đơn cực . Nó bao gồm hai cuộn dây trên
một cực được kết nối sao cho khỉ một cuộn dây được cấp nầng lượng thĩ cực bắc nam
châm được tạo ra, khi cuộn dây còn lại được cấp năng lượng thì cực nam được tạo ra .
Cách quấn dây kiểu này được gọi là đơn cực bởi vì cực tính điện, tức là dòng điện, từ
mạch lái đến các cuộn dây không bao giờ bị đảo chiều . Thiết kế này cho phép làm đơn
gỉản mạch điện tử lái . Tuy nhiên, mô men sinh ra bị giảm khoảng 30% so với quấn dây
kiểu lưỡng cực.

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Đình Hùng
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đỗ Như Bắc

Trang 9

Đồ án chuyên ngành II
Nghiên cứu, chế tạo driver điều khiển và khống chế tốc độ động cơ bước
1.1.3. Nguyên lý hoạt động của động cơ bước
Hình sau mô tả hoạt động của động cơ bước đơn giản . Trong hình 3a), dòng điện đưa
vào cực /C và chạy ra ở C, do đó tạo ra lực từ giữ động cơ ở vị trí như hình 3a) . Sau đó,
chúng ta tắt dòng điện này đi và chuyển sang cặp /A và A, như vậy động cơ sẽ bị xoay về
vị trí mới do lực từ thay đổi hướng . Sau đó đến cặp B và /B. Như vậy, bằng cách tạo các
dòng điện chạy qua các cuộn dây, ta đã làm xoay roto theo chiều mong muốn, mỗi lần
quay một bước khoảng cách giữa hai cuộn dây sát nhau . Như vậy nếu ta đặt các cuộn
dây càng sát nhau thì ta có độ phân giải càng cao, các động cơ trong thực tế có thể đạt tới
độ phân giải góc 0.72o .

Hình 1.1.3.a - Nguyên lý hoạt động của động cơ bước
1.1.4. Ứng dụng của động cơ bước
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 ... .
Trong công nghệ máy tính, động cơ bước được sử dụng cho các loại ổ đĩa cứng, ổ đĩa
mềm, máy in ... .

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Đình Hùng
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đỗ Như Bắc

Trang 10

Đồ án chuyên ngành II
Nghiên cứu, chế tạo driver điều khiển và khống chế tốc độ động cơ bước

1.2. Các phương pháp điều khiển động cơ bước
1.2.1. Điều khiển một bước (full-step)
Điều khiển full-step (wave drive – 1 phase on) :
Trong chế độ này, tại một thời điểm chỉ có một cuộn dây được cấp dòng . Cách điều
khiển này đơn giản, nhưng công suất rất thấp vì tại mỗi thời điểm chỉ có một cuộn dây có
điện, chỉ đạt 25% đối với động cơ bước kiểu đơn cực, và 50% đối với kiểu lưỡng cực .
Do đó lực xoắn xinh ra bởi dạng điều khiển này tương đối yếu .

Hình 1.2.1.a - Điều khiển kiểu wave drive – 1 phase on
Dạng sóng điều khiển cụ thể được thể hiện trong hình dưới đây :

Hình 1.2.1.b - Dạng sóng điều khiển kiểu wave drive – 1 phase on
Điều khiển full-step (two phase drive - 2 phase on) :
Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Đình Hùng
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đỗ Như Bắc

Trang 11


Đồ án chuyên ngành II
Nghiên cứu, chế tạo driver điều khiển và khống chế tốc độ động cơ bước
Trong chế độ này, hai cuộn dây sẽ được cấp năng lượng đồng thời, cho công suất cao hơn
dạng ở trên do ở mỗi thời điểm luôn có hai cuộn dây kế nhau cùng có điện .

Hình 1.2.1.c - Điều khiển kiểu wave drive – 2 phase on
Dạng sóng điều khiển cụ thể được thể hiện trong hình dưới đây :

Hình 1.2.1.d - Dạng sóng điều khiển kiểu wave drive – 2 phase on

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Đình Hùng
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đỗ Như Bắc

Trang 12


Đồ án chuyên ngành II
Nghiên cứu, chế tạo driver điều khiển và khống chế tốc độ động cơ bước
1.2.2. Điều khiển nửa bước (half-step)
Điều khiển nửa bước là sự kết hợp của điều khiển một bước 1 phase on và một bước 2
phase on .
Kết quả là động cơ có thể di chuyển ở các góc có độ phân giải gấp 2 lần kiểu một bước .
Tuy nhiên loại điều khiển này tương đối phức tạp hơn một chút .

Hình 1.2.2.a - Điều khiển kiểu nửa bước (half-step)

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Đình Hùng
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đỗ Như Bắc

Trang 13


Đồ án chuyên ngành II
Nghiên cứu, chế tạo driver điều khiển và khống chế tốc độ động cơ bước

Hình 1.2.2.b - Dạng sóng điều khiển kiểu nửa bước (half-step)

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Đình Hùng
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đỗ Như Bắc

Trang 14


Đồ án chuyên ngành II
Nghiên cứu, chế tạo driver điều khiển và khống chế tốc độ động cơ bước

1.3. Các phương pháp tạo xung điều khiển động cơ bước
1.3.1. Tạo xung điều khiển bằng các IC kỹ thuật số

Để thực hiện theo phương pháp này chúng ta cần một xung Clock, xung này
thường được tạo bằng IC NE555 .

Hình 1.3.1.a - Mạch tạo dao động bằng NE555
Sau đó ta cần một mạch chuyển đổi logic và mạch công suất để chuyển đổi xung
clock đó thành tín hiệu đủ “mạnh” để điều khiển động cơ bước .

Hình 1.3.1.b - Mạch điều khiển động cơ bước sử dụng các IC logic họ 40xx

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Đình Hùng
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đỗ Như Bắc

Trang 15


Đồ án chuyên ngành II
Nghiên cứu, chế tạo driver điều khiển và khống chế tốc độ động cơ bước

Hình 1.3.1.c - Mạch điều khiển động cơ bước dùng IC 297 và 298
Và còn nhiều phương pháp khác để xây dựng một mạch điều khiển động cơ bước
dùng IC số . Các mạch này đều có đặc điểm chung là có nguyên lý hoạt động rõ
ràng, dễ hiểu; tuy nhiên có nhược điểm là ít khả năng tùy biến theo yêu cầu của
người sử dụng .
1.3.2. Tạo xung điều khiển bằng vi điều khiển

Phương pháp này chúng ta không cần mạch tạo xung clock, không cần khối logic
để chuyển đổi xung clock sang tín hiệu điều khiển . Vi điều khiển sẽ thay thế cho
những khối đó, ta chỉ cần thêm mạch cách ly, mạch công suất và chương trình điều
khiển là có thể điều khiển động cơ bước dễ dàng theo mong muốn .
Cũng vì ưu điểm có tính tùy biến cao nên trong phạm vi đề tài này em sẽ nghiên
cứu ứng dụng vi điều khiển để điều khiển động cơ bước .

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Đình Hùng
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đỗ Như Bắc

Trang 16


Đồ án chuyên ngành II
Nghiên cứu, chế tạo driver điều khiển và khống chế tốc độ động cơ bước

1.4. Một số linh kiện sử dụng trong đề tài
1.4.1. Vi điều khiển AT89C51
Vi điều khiển AT89C51 là một biến thể của vi điều khiển 8051, được chế tạo bởi hãng
Atmel bằng công nghệ CMOS dựa theo chuẩn công nghiệp MSC51 (linh kiện đầu tiên
theo chuẩn này do hãng Intel của Mỹ chế tạo, Atmel và nhiều nhà sản xuất khác được cấp
phép làm nhà cung cấp thứ 2) .
* Sơ đồ khối và một số đặc trưng cơ bản của vi điều khiển AT89C51 :

Hỉnh 1.4.1.a – Sơ đồ khối vi điều khiển AT89C51
 4 Kbytes FLASH
 128 Byte RAM
 4 Port xuất - nhập (I/O port) 8 bit
 2 bộ timer 16 bit
 Có mạch giao tiếp nối tiếp
 Không gian nhớ dữ liệu ngoài 64 Kbytes
 Không gian nhớ chương trình ngoài 64 Kbytes
 Xử lý bit đơn
 210 vị trí nhớ được địa chỉ có thể định vị trên từng bit
 Cần 4 cho hoạt động nhân hoặc chia
* Cấu trúc bên trong của vi điều khiển AT89C51 :
Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Đình Hùng
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đỗ Như Bắc

Trang 17


Đồ án chuyên ngành II
Nghiên cứu, chế tạo driver điều khiển và khống chế tốc độ động cơ bước

Hình 1.4.1.b – Cấu trúc bên trong của vi điều khiển AT89C51
Các Port :
 Port 0 : là port có 2 chức năng ở các chân từ 32 đến 39 của AT89C51. Trong các
thiết kế cỡ nhỏ không dùng bộ nhớ mở rộng nó có chức năng như các đường xuất
-nhập . Đối với các thiết kế cỡ lớn có bộ nhớ mở rộng, nó được kết hợp giữa bus
địa chỉ và bus dữ liệu.
 Port 1: là port I/O trên các chân từ 1 đến 8 của AT89C51 . Port 1 không có chức
năng khác, vì vậy chúng chỉ được dùng cho giao tiếp với các thiết bị bên ngoài.

 Port 2 : là port có 2 chức năng ở các chân từ 21 đến 28 của AT89C51 . Được dùng
như các đường xuất - nhập hoặc là byte cao của bus địa chỉ đối với các thiết bị
dùng bộ nhớ mở rộng .

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Đình Hùng
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đỗ Như Bắc

Trang 18


Đồ án chuyên ngành II
Nghiên cứu, chế tạo driver điều khiển và khống chế tốc độ động cơ bước

Hình 1.4.1.c - Hình ảnh thực tế và sơ đồ chân của 89C51
 Port 3 : là port có 2 chức năng ở các chân từ 10 đến 17 của AT89C51 . Nó có thể
được sử dụng như cổng xuất – nhập, nhưng trong đa số trường hợp nó được sử
dụng theo các chức năng đặc biệt tương thích với từng chân của nó .
Bảng sau cung cấp các chức năng đặc biệt của cống P3. Thông tin này áp dụng cho cả
dòng 8x51 và 8x31:
Bit của cống P3
P3.0

Chức năng
Nhận dữ liệu (RXD)

Vị trí
10

Địa chỉ
B0h

P3.1

Truyền dữ liệu (TXD)

11

B1h

P3.2

Ngắt ngoài 0(INT0)

12

B2h

P3.3

Ngắt ngoài 1(INT1)

13

B3h

P3.4

Bộ định thời 0 (T0)

14

B4h

P3.5

Bộ định thời 1 (T1)

15

B5h

P3.6

Ghi (WR)

16

B6h

-

P3.7
Đọc (RD)
17
B7h
P3.0 và P3.1 : sử dụng tương ứng trong nhận và truyền tín hiệu nối tiếp

-

P3.2 và P3.3 : sử dụng tương ứng cho ngắt ngoài 0 và 1

-

P3.4 và P3.5 : sử dụng tương ứng cho các bộ định thời 0 và 1

-

P3.6 và P3.7 : sử dụng tương ứng trong ghi và đọc các bộ nhớ ngoài

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Đình Hùng
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đỗ Như Bắc

Trang 19


Đồ án chuyên ngành II
Nghiên cứu, chế tạo driver điều khiển và khống chế tốc độ động cơ bước
PSEN (Program store enable) :
PSEN là tín hiệu ngõ ra ở chân 29 có tác dụng cho phép đọc bộ nhớ chương trình mở
rộng, chân này thường được nối đến chân cho phép xuất /0E (output enable) của EPROM
hoặc ROM để cho phép đọc các byte mã lệnh . PSEN tích cực mức thấp, khi AT89C51 thi
hành chương trình trong ROM nội thì PSEN sẽ ở mức logic 1 (không tích cực), còn khi
AT89C51 thi hành chương trình ở ROM ngoại thì PSEN sẽ ở mức logic 0 (tích cực) trong
suốt thời gian nạp lệnh .
ALE (Address Latch Enable ) :
ALE là tín hiệu ngõ ra ở chân 29 có tác dụng dùng để giải đa hợp (demultiplexing) bus
dữ liệu và bus địa chỉ . Khi 8951 truy xuất bộ nhớ bên ngoài, Port 0 có chức năng là bus
địa chỉ và bus dữ liệu do đó phải tách các đường dữ liệu và địa chỉ. Tín hiệu ra ALE ở
chân thứ 30 dùng làm tín hiệu điều khiển để giải đa hợp các đường địa chỉ và dữ liệu khi
kết nối chúng với IC chốt . Các xung tín hiệu ALE có tốc độ bằng 1/6 lần tần số dao động

trên chip và có thể được dùng làm tín hiệu clock cho các phần khác của hệ thống .
/EA (External Access):
/EA là tín hiệu ngõ vào ở chân 31 của vi điều khiển AT89C51 có tác dụng chọn vùng
ROM để thực thi chương trình . Nếu EA ở mức 1, vi điều khiển AT89C51 thi hành
chương trình từ ROM nội . Nếu EA ở mức 0 (và PSEN cũng ở múc 0), vi điều khiển
AT89C51 sẽ thi hành chương trình từ bộ nhớ mở rộng. Chân /EA được lấy làm chân cấp
nguồn 12V khi lập trình cho FLASH bên trong vi điều khiển AT89C51 .
RST (Reset) :
RST là ngõ vào ở chân 9 của vi điều khiển AT89C51 dùng để thiết lập lại trạng thái ban
đầu hệ thống (hay gọi tắt là reset hệ thống) . Khi ngõ vào tín hiệu được set mức logic “1”
ít nhất là 2 chu kỳ máy, các thanh ghi bên trong sẽ được nạp những giá trị thích hợp để
khởi động hệ thống . Khi cấp điện hệ thống tự động Reset .
XTAL1 và XTAL2 :
Bộ dao động được tích hợp bên trong vi điều khiển AT89C51, khi sử dụng AT89C51
người thiết kế chỉ cần kết nối thêm thạch anh và các tụ như hình vẽ trong sơ đồ . Tần số
thạch anh thường sử dụng cho AT89C51 là 12 Mhz .

Tổ chức bộ nhớ :
Các vi điều khiển đều được dùng làm thành phần trung tâm trong các thiết kế, trong đó
bộ nhớ có dung lượng giới hạn, không có ổ đĩa và hệ điều hành, chương trình điều khiển
phải thường trú trong ROM nên các vi điều khiển thuộc họ 8051 đều tổ chức thành hai
không gian nhớ riêng biệt cho chương trình và dữ liệu . Cả hai bộ nhớ chương trình và dữ
liệu đều đặt bên trong chip, tuy nhiên ta có thể mở rộng bộ nhớ ngoài lên tới 64 Kbytes
Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Đình Hùng
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đỗ Như Bắc

Trang 20


Đồ án chuyên ngành II

Nghiên cứu, chế tạo driver điều khiển và khống chế tốc độ động cơ bước
được truy nhập bởi hệ thống 16 bit địa chỉ nhờ thanh ghi con trỏ .

Hình 1.4.1.d – Cấu trúc bộ nhớ của vi điều khiển AT89C51
Bộ nhớ chương trình (ROM, EPROM) là bộ nhớ chỉ đọc, có thể mở rộng tối đa 64Kbyte.
Với vi điều khiển AT89C51, bộ nhớ chương trình được tích hợp sẵn trong chip có kích
thước là 4Kbytes .
Bộ nhớ dữ liệu (RAM) tồn tại độc lập so với bộ nhớ chương trình. Vi điều khiển
AT89C51 có bộ nhớ dữ liệu tích hợp trên chip là 128byte và có thể mở rộng với bộ nhớ
dữ liệu ngoài lên tới 64kByte .
* Vùng RAM nội :

Hình 1.4.1.e – Sơ đồ phân bố RAM nội bên trong vi điều khiển AT89C51
Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Đình Hùng
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đỗ Như Bắc

Trang 21


Đồ án chuyên ngành II
Nghiên cứu, chế tạo driver điều khiển và khống chế tốc độ động cơ bước
 RAM đa dụng : gồm 80 bytes có địa chỉ từ 30h đến 7Fh, có thể truy cập mức byte
bằng địa chỉ trực tiếp hoặc gián tiếp .
 RAM có thể định địa chỉ bit : gổm 16 bytes có địa chỉ từ 20h đến 2Fh, vùng này
có thể dùng như vùng RAM đa dụng tuy nhiên thực tế vùng này hay được sử dụng
cho các hàm ngắt .
 Các bank thanh ghi : gồm 4 bank thanh ghi : bank 0 từ 00h đến 08h, bank 1 từ
08h đến 0Fh, bank 2 từ 10h đến 17h, bank 3 từ 18h đến 1Fh (tổng cộng là 32 bytes
có địa chỉ từ 00h đến 1Fh) . Các bank thanh ghi này được đại diện bằng các thanh
ghi từ R0 đến R7 . Sau khi reset hệ thống mặc định sử dụng bank 0 . Tại một thời

điểm chỉ có một bank thanh ghi được truy xuất, việc thay đổi các bank thanh ghi
có thể thực hiện bởi thanh ghi trạng thái chương trình PSW . Các bank thanh ghi
cũng có thể sử dụng như vùng RAM đa dụng .
* Các thanh ghi chức năng đặc biệt (SFR – Special Funtion Registers) :

Hình 1.4.1.f – Các thanh ghi chức năng đặc biệt
Các thanh ghi có thể định địa chỉ bit sẽ có địa chỉ bit bắt đầu (LSB) và địa chỉ byte trùng
nhau .
Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Đình Hùng
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đỗ Như Bắc

Trang 22


Đồ án chuyên ngành II
Nghiên cứu, chế tạo driver điều khiển và khống chế tốc độ động cơ bước
* Các thanh ghi chức năng đặc biệt :
 Thanh ghi A (Acumulator) - thanh ghi tích lũy : là thanh ghi được sử dụng nhiều
nhất trong AT89C51 .
 Thanh ghi B : là thanh ghi được sử dụng cho các phép toán nhân và chia, nó cũng
có thể dùng như một thanh ghi tạm, chứa các kết quả trung gian .
 Thanh ghi PSW (Program Status Word) - thanh ghi trạng thái chương trình : chứa
các cờ nhớ phục vụ việc thực hiện các phép toán số học và các bit cho phép chọn
bank thanh ghi .
 Thanh ghi SP (Stack Pointer) - thanh ghi con trỏ stack .
 Thanh ghi DPTR (Data Pointer) - thanh ghi con trỏ dữ liệu .
 Các thanh ghi Port : được kết nối trực tiếp với các port (phần cứng) .
 Thanh ghi SBUF (Serial Data Buffer) - thanh ghi port nối tiếp : là thanh ghi lưu
trữ tín hiệu tạm thời khi truyền – nhận dữ liệu .
 Các thanh ghi định thời (Timer Register) : là các thanh ghi phục vụ cho các bộ

timer bên trong vi điều khiển AT89C51 .
Ngoài các thanh ghi đặc biệt trên, vi điều khiển AT89C51 còn có hệ thống thanh
ghi điều khiển bao gồm các thanh ghi sau :
 Thanh ghi IE (Interrupt Enable) – thanh ghi cho phép ngắt : là thanh ghi cho phép
hay không cho phép chương trình tiến vào ngắt .
 Thanh ghi IP (Interrupt Priority) – thanh ghi ưu tiên ngắt : là thanh ghi cho phép
chọn mức ưu tiên khi có 2 hay nhiều ngắt xảy ra đồng thời .
 Thanh ghi TCON (Timer Control) – thanh ghi điều khiển ngắt : là thanh ghi cho
phép điều khiển các vector ngắt bên trong vi đều khiển AT89C51 .
 Thanh ghi TMOD (Timer Mode) – thanh ghi chế độ timer : là thanh ghi cho phép
chọn chế độ hoạt động cho các bộ timer 0 và 1 bên trong vi điều khiển AT89C51 .
 Thanh ghi SCON (Serial Control) – thanh ghi cổng nối tiếp : là thanh ghi điều
khiển hoạt động của cổng nối tiếp .
 Thanh ghi PCON (Power Control) – thanh ghi điều khiển nguồn : thanh ghi cho
phép lựa chọn chế độ hoạt động của phần cứng của vi điều khiển AT89C51.
* Các vector ngắt :
Vi điều khiển AT89C51 có tất cả 5 vector ngắt : ngắt ngoài 0, ngắt ngoài 1, ngắt timer 0,
ngắt timer 1, ngắt truyền thông .
Mức ưu tiên của các ngắt được quy định bởi thanh ghi IP .
Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Đình Hùng
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đỗ Như Bắc

Trang 23


Đồ án chuyên ngành II
Nghiên cứu, chế tạo driver điều khiển và khống chế tốc độ động cơ bước
Sự cho phép hoạt động của các ngắt được quy định bởi thanh ghi IE .
Chế độ hoạt động của ngắt được quy định bởi thanh ghi TCON .
Các ngắt được thực hiện khi ngắt được cho phép hoạt động và cờ ngắt tương ứng được

phát hiện; nếu 2 cờ ngắt cùng được phát hiện thì ngắt có mức ưu tiên cao hơn sẽ được
thực thi; nếu một ngắt đang được thực hiện thì nó sẽ và chỉ bị ngắt khi có một cờ ngắt có
mức ưu tiên được phát hiện .

Hình 1.4.1.g – Bảng vector ngắt của vi điều khiển AT89C51
Trong đề tài này, chúng em sử dụng vi điều khiển AT89C51 làm thiết bị điều khiển
cho động cơ bước kiểu đơn cực .

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Đình Hùng
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đỗ Như Bắc

Trang 24


Đồ án chuyên ngành II
Nghiên cứu, chế tạo driver điều khiển và khống chế tốc độ động cơ bước
1.4.2. MOSFET IRF540
Mosfet là Transistor hiệu ứng trường (Metal Oxide Semiconductor Field Effect
Transistor) là một Transistor đặc biệt có cấu tạo và hoạt động khác với Transistor thông
thường mà ta đã biết . Mosfet thường có công suất lớn hơn rất nhiều so với BJT . Đối với
tín hiệu 1 chiều thì nó coi như là 1 khóa đóng mở . Mosfet có nguyên tắc hoạt động dựa
trên hiệu ứng từ trường để tạo ra dòng điện, là linh kiện có trở kháng đầu vào lớn thích
hợp cho khuyếch đại các nguồn tín hiệu yếu .
Mosfet được chia làm 2 loại là Mosfet kênh dẫn N (NMOS) hoặc Mosfet kênh dẫn P
(PMOS) . Hoặc dựa theo nguyên tắc hình thành kênh dẫn mà có Mosfet kênh đặt sẵn
(kênh giàu) hoặc Mosfet kênh không đặt sẵn (kênh nghèo) hay Mosfet kênh cảm ứng
hoặc Mosfet kênh tăng cường .

Hình 1.4.2.a – Cấu tạo, hính ảnh thực tế và ký hiệu trên sơ đồ mạch của Mosfet
* Nguyên lý hoạt động :

Mosfet hoạt động ở 2 chế độ đóng và mở . Do là một phần tử với các hạt mang điện cơ
bản nên Mosfet có thể đóng cắt với tần số rất cao. Nhưng mà để đảm bảo thời gian đóng
cắt ngắn thì vấn đề điều khiển lại là vẫn đề quan trọng .
Mạch điện tương đương của Mosfet . Nhìn vào đó ta thấy cơ chế đóng cắt phụ thuộc vào
các tụ điện ký sinh trên nó .

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Đình Hùng
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đỗ Như Bắc

Trang 25


Đồ án chuyên ngành II
Nghiên cứu, chế tạo driver điều khiển và khống chế tốc độ động cơ bước
Ở đây em không trình bày chi tiết cấu trúc bán dẫn của nó để nó đóng hoặc mở. Có thể
hiểu đơn giản như sau :
+ Đối với kênh P : Điện áp điều khiển mở Mosfet là Ugs < 0 . Dòng điện sẽ đi từ S đến D
.
+ Đối với kênh N : Điện áp điều khiển mở Mosfet là Ugs > 0 . Điện áp điều khiển đóng
là Ugs 0. Dòng điện sẽ đi từ D xuống S.
Do đảm bảo thời gian đóng cắt là ngắn nhất người ta thường : Đối với Mosfet Kênh N
điện áp khóa là Ugs = 0 V còn Kênh P thì Ugs 0.
Ưu và nhược điểm của Mosfet :
* Ưu điểm :
- Tốc độ chuyển mạch nhanh, tần số làm việc cao .
- Tổng trở vào lớn, tổn hao thấp .
- Tuổi thọ cao nếu được tính toán tốt .
- Có ưu thế về giá so với IGBT nếu không yêu cầu công suất cao .
* Nhược điểm :
- Bị hạn chế về điện áp .

- Chịu quá tải kém, nhạy cảm với nhiệt độ .
Một số thông số quan trọng cần lưu ý khi sử dụng Mostfet :
Drain to Source breakdown voltage : điện áp một chiều lớn nhất cho phép trên cực Drain
và Source . Khi tính toán thường lấy hệ số điện áp an toàn tối thiểu là 1.5 .
Countinuous Drain current : dòng một chiều liên tục lớn nhất chảy qua Mosfet, giới hạn
bởi tổn hao, thường cho ở 25oC và 100oC .
Pulsed drain current : dòng điện xung lớn nhất chảy qua Mosfet, phụ thuộc vào độ rộng
xung, giới hạn bởi diện tích an toàn (Safe Operating Area – SOA) .
Gate to Source voltage : điện áp điều khiển giữa cực Gate và Source, thường lớn nhất là
20V, thực tế hay đặt khoảng 10V, khi Mosfet hoạt động xảy ra hiện tượng điện áp điều
khiển tăng cao cần mắc thêm diode zener để ghim điện áp .
Max Power Dissipation : công suất tiêu tán lớn nhất trong điều kiện làm mát tốt nhất,
thường chọn ở 25oC .
Linear Derating Factor : hệ số suy giảm công suất tỏa nhiệt theo nhiệt độ, thương khoảng
0.7 đến 2.5 W/oC .
Operating Junction and Storage Temperature Range : giới hạn nhiệt độ của lớp tiếp giáp,
thường từ -55oC đến 175oC .
Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Đình Hùng
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đỗ Như Bắc

Trang 26


Đồ án chuyên ngành II
Nghiên cứu, chế tạo driver điều khiển và khống chế tốc độ động cơ bước
Peak dioderecovery dv/dt : giới hạn tốc độ tăng điện áp trên diode mắc giữa cực Drain và
Source, thường nhơ hơn 5 V/ns .
Static Drain to Source on Resistance : điện trở biểu kiến ở trạng thái dẫn .
Rise time and Fall time : thời gian chuyển mạch của van từ trạng thái khóa sang trạng
thái dẫn và ngược lại .

Total Gate Charge : Điện tích tổng cộng của các tự điện ký sinh trên cực Gate tại một giá
trị Uđk nhất định, thường cho ở 10V .

1.4.3. OPTO PC817
Opto là loại linh kiện tích hợp có cấu tạo gồm một led và một photo diode hay một photo
transitor. Được sử dụng để cách ly giữa các khối chênh lệch nhau về điện hay công suất
như khối công suất nhỏ (dòng nhỏ, điện áp 5V) với khối điện áp lớn dòng lớn và áp lớn .

Hình 1.4.3.a - Hình ảnh opto trong các bản vẽ và hình ảnh thực tế
Nguyên lý hoạt động của opto là: Khi đặt điện áp 5v vào chân 1,2 của opto làm cho
led sáng xảy ra hiệu ứng quang điện làm cho 2 chân 3 và 4 thông nhau. Dòng điện
chân 4 sẽ qua chân 3 của opto.Nhờ vậy tín hiệu 2 mạch là mạch lực và mạch điều
khiển liên lạc được với nhau mà vẫn đảm bảo cách ly về mặt dòng điện điện áp giữa
2 khối

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Đình Hùng
Sinh viên thực hiện : Lê Đức Trường – Đỗ Như Bắc

Trang 27