Đồ án Sử dụng vi xử lý điều khiển động cơ điện một chiều có đảo chiều thông qua mạch chỉnh lưu cầu 3 pha

lý tưởng (khi M=0) - Độ cứng đặc tính điều chỉnh được giữ không đổi và không bị giảm khi điều chỉnh sâu nhờ đó sai số tốc độ Dw không đổi và có giá trị nhỏ nên độ chính xác tương đối cao - Dải điều chỉnh tương đối rộng, rộng hơn dải điều chỉnh của phương pháp điều chỉnh bằng Rfư hoặc từ thông kích từ - Đảm bảo độ tinh cao, có thể điều chỉnh vô cấp và tổn hao năng lượng ít. Với những chỉ tiêu chất lượng nêu trên. phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng điện áp phần ứng được đánh giá tốt và được sử dụng rộng rãi trên thực tế. I.2.2. Tổng quan phương pháp điều chỉnh tốc độ khi điều chỉnh điện áp phần ứng. Để thực hiện được phương pháp này ta phải có một nguồn cung cấp mà điện áp của nó có thể biến đổi được trong một phạm vi rộng. Đối với động cơ điện một chiều kích từ độc lập người ta thường sử dụng các bộ biến đổi điện năng xoay chiều thành một chiều và điều chỉnh suất điện động của nó theo tín hiệu điều khiển như: máy phát điện một chiều kích từ độc lập, chỉnh lưu điều khiển, hay bộ băm áp một chiều. a. Hệ máy phát - động cơ điện một chiều (hệ F - Đ). Sơ đồ nguyên lý của hệ F - Đ được thể hiện trên hình vẽ: ĐCS MF ktMF ktĐC ĐC FT VRF Vrđ ~ Hình 1.9. Sơ đồ nguyên lý hệ F - Đ Tổ máy ĐCS- MF làm nhiệm vụ biến điện năng xoay chiều thành một chiều (qua khâu trung gian cơ khí là trục của động cơ ĐCS) để cấp cho phần ứng của động cơ một chiều kích từ độc lập ĐC. Việc thay đổi điện áp trên phần ứng của động cơ điện một chiều ĐC được thực hiện bằng cách điều khiển dòng kích từ Ikf của máy phát MF để làm biến đổi suất điện động Ef. Cuộn kích từ của máy phát thường được nối vào một bộ nguồn chỉnh lưu điều khiển, máy điện khuyếch đại, hoặc đơn giản là nhờ một biến trở như trên hình vẽ. đt TN ĐC TS ĐN ĐN TS ĐC HN HN M w 0 Hình 1.10. Các đặc tính cơ điều chỉnh và trạng thái làm việc của động cơ trong hệ MF-Đ Việc đảo chiều quay động cơ trong hệ này được thực hiện đơn giản bằng các công tắc thuận nghịch để đảo chiều dòng kích từ máy phát, tức đảo cực tính điện áp kích từ . Khi đó suất điện động của máy phát sẽ đổi cực tính làm cho dòng điện, momen và tốc độ động cơ đổi chiều. Động cơ trong hệ F - Đ đảo chiều có khả năng làm việc trên cả 4 góc phần tư của mặt phẳng tọa độ [M,w], nghĩa là có thể làm việc ở trạng thái động cơ khi quay thuận (w >0, góc phần tư thư nhất và khi quay ngược w < 0 (góc phần tư thứ 3); các trạng thái hãm: hãm tái sinh, hãm ngược, hãm động năng ở cả hai chiều quay (góc 2 và góc 4). * Đánh giá hệ thống máy phát - động cơ điện một chiều: + Ưu điểm: Hệ thống này có thể điều chỉnh tốc độ vô cấp, phạm vi điều chỉnh rộng bởi vì quá trình điều khiển được thực hiện bằng mạch kích thích của máy phát, mà mạch này thường có công suất nhỏ hơn rất nhiều so với công suất của máy phát và động cơ. Ngoài ra có thể điều chỉnh đơn giản bằng phương pháp biến trở. Hệ thống có sự chuyển đổi trạng thái làm việc rất linh hoạt mà không đòi hỏi những thiết bị phụ trợ hoặc những phương tiện điều khiển đặc biệt nào. + Nhược điểm: Dùng bốn máy để quay nên khi làm việc sẽ gây tiếng ồn lớn, chiếm nhiều diện tích đặt máy. Đồng thời tổng công suất đặt vào máy quá lớn nên vốn đầu tư sẽ tăng. Khi dùng hệ F- Đ, năng lượng được truyền từ lưới điện qua động cơ kéo máy phát, qua máy phát rồi mới đến động cơ điện một chiều do đó sẽ gây ra nhiều tổn thất làm cho hiệu suất hoạt động của hệ thống giảm đi rõ rệt. Ngoài ra do các máy phát điện một chiều có từ dư, đặc tính từ hoá có trễ nên khó điều chỉnh sâu tốc độ. b. Hệ chỉnh lưu điều khiển - Động cơ điện một chiều (CL - Đ). 1. Hệ chỉnh lưu điều khiển động cơ không đảo chiều . - Sơ đồ nguyên lý như sau: Uđk KL kt U1 U2 BA T1 T2 T3 a a a iđ = iư Uđ Đ XF U2a U2b U2c Hình 1.9. Sơ đồ nguyên lý của hệ CL - Đ không đảo chiều dùng bộ chỉnh lưu tia 3 pha Khi đặt điện áp nguồn xoay chiều vào biến áp, các điện áp pha thứ cấp U2a, U2b,U2c xoay chiều hình sin đặt lên anốt của các tiristor T1, T2, T3. Nếu các tiristor này nhận được xung điện áp dương trên cực điều khiển vào lúc anod của chúng dương hơn catod thì chúng sẽ thông cho dòng điện chảy qua phần ứng động cơ. Đồ thị biểu diễn quan hệ điện áp theo thời gian là những đường cong phức tạp bao gồm cả thành phần xoay chiều và một chiều. Tuy nhiên chỉ có thành phần một chiều mới tạo ra dòng điện thuần một chiều và momen động cơ còn thành phần xoay chiều có ảnh hưởng xấu đến quá trình chuyển mạch của cổ góp động cơ và làm tăng phát nóng nên ta phải tìm cách hạn chế nó. Do vậy người ta thường mắc thêm vào mạch phần ứng động cơ một cuộn kháng san bằng có điện cảm xác định. Thành phần một chiều Ud chính là giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu. Nếu dòng iư là liên tục thì Ud có biểu thức: Với: a - góc mở của tiristor tính từ thời điểm chuyển mạch tự nhiên tức thời điểm bằng nhau của điện áp thứ cấp máy biến áp ở hai pha liên tiếp. Udo - điện áp chỉnh lưu lớn nhất, ứng với a = 0. Phương trình đặc tính cơ của hệ: Thay Ud = Udocosa, ta có: hoặc: trong đó: KCL = Udo/Uđkmax = const Đặc tính cơ của động cơ trong hệ CL - Đ ở trạng thái dòng điện liên tục là những đường thẳng song song như trên hình vẽ. Tốc độ không tải lý tưởng phụ thuộc góc mở a của tiristor tức phụ thuộc điện áp điều khiển Uđk: w womax woi 0 -woi -womax Uđkmax; a = 0; +Udo M HN ĐN TS -Uđkmax Uđk = 0; a = p/2; Ed = 0 Độ cứng đặc tính cơ có giá trị không đổi: Vùng dòng điện gián đoạn Hình 1.10. Đặc tính cơ của động cơ trong hệ CL - Đ không đảo chiều Trong vùng phụ tải nhỏ (M đ 0; Iư đ 0) dòng điện động cơ sẽ không duy trì được liên tục mà sẽ có dạng xung đập mạch rời rạc. Trong vùng này đặc tính cơ sẽ cong và rất dốc, được biểu thị bằng đường nét liền trong elíp. 2. Hệ chỉnh lưu điều khiển - động cơ đảo chiều Để cho động cơ có thể làm việc được cả hai chiều quay ở trạng thái động cơ cũng như ở trạng thái hãm với phụ tải bất kỳ, nghĩa là có thể làm việc được trong cả bốn góc phần tư của mặt phẳng [M, w] ta phải sử dụng hệ CL - Đ đảo chiều. Vì trong mạch điện có các van bán dẫn nên việc đảo chiều động cơ trong hệ này phức tạp hơn trong hệ máy phát - động cơ cả về mạch động lực lẫn nguyên lý điều khiển. Có ba phương pháp thiết lập hệ CL - Đ đảo chiều: đảo chiều dòng kích từ; đảo chiều dòng điện phần ứng bằng tiếp điểm công tắc tơ; đảo chiều dòng điện phần ứng nhờ bộ chỉnh lưu thuận nghịch. * Phương pháp đảo chiều dòng kích từ động cơ Ta dùng một bộ chỉnh lưu không thuận nghịch cấp cho phần ứng động cơ và đặt các tiếp điểm công tắc tơ đảo chiều trong mạch kích từ. Cũng có thể sử dụng hai nhóm chỉnh lưu (thuận - nghịch) làm nguồn kích từ động cơ. N T T N + _ Ukt Đ Ikt Hình 1.11. Sơ đồ nguyên lý hệ CL - Đ đảo chiều bằng phương pháp đảo chiều dòng kích từ Phương pháp này đơn giản, thiết bị ít nhưng vì mạch kích từ có hằng số thời gian lớn nên việc đóng, cắt, đổi chiều dòng kích từ xảy ra với thời gian quá độ lớn, ảnh hưởng đến công suất máy sản xuất. * Phương pháp đảo chiều dòng điện phần ứng bằng tiếp điểm Khi giữ chiều dòng kích từ không đổi, ta dùng một bộ chỉnh lưu không thuận nghịch kết hợp với các tiếp điểm đảo chiều (T,N) của các công tắc tơ trong mạch phần ứng như trong hình 1.12 T N N T Đ Hình 1.12. Sơ đồ nguyên lý hệ CL - Đ đảo chiều dùng bộ tiếp điểm thuận nghịch trong mạch phần ứng Tuy nhiên, việc sử dụng tiếp điểm trong mạch phần ứng là không tin cậy và tuổi thọ thiết bị kém. Người ta cũng có thể sử dụng biện pháp điều khiển để đảm bảo điều kiện đóng cắt tiếp điểm khi Iưằ0 nhưng khi đó đòi hỏi trình tự tác động trong mạch theo một quy tắc nhất định, điều đó làm cho độ tác động nhanh của hệ kém đi. * Phương pháp đảo chiều dòng điện phần ứng bằng bộ chỉnh lưu thuận nghịch Người ta dùng bộ chỉnh lưu có hai nhóm van, tương đương với hai bộ chỉnh lưu không thuận nghịch để cung cấp cho phần ứng động cơ; mỗi nhóm đảm bảo cho dòng Iư chảy theo một chiều. M w 1 2 3 4 V1: Ch.lưu (a1 < p/2) Đ: Động cơ V2: Ng.lưu (a2 > p/2) Đ:Hãm TS V2:Ng.lưu (a2 > p/2) Đ: Động cơ V1:Ng.lưu (a1 > p/2) Đ:Hãm TS Đ V1 V2 Hình 1.13 Sơ đồ khối và các trạng thái làm việc cơ bản của hệ CL-Đ đảo chiều dùng bộ chỉnh lưu thuận nghịch trong mạch phần ứng Sơ đồ khối hình 1.13 được cụ thể hoá bằng sơ đồ nguyên lý.Ta thường gặp hai loại sơ đồ nối bộ chỉnh lưu thuận nghịch sau: sơ đồ song song ngược và sơ đồ hình chữ thập, được biểu diễn trên hình: Đ KL KCB KCB BA Đ KCB KCB BA KL Hình 1.13. Các sơ đồ nguyên lý hệ CL - Đ đảo chiều dùng bộ chỉnh lưu thuận nghịch Sơ đồ tia ba pha song song ngược Sơ đồ tia ba pha chữ thập Ta có hai phương pháp điều khiển bộ chỉnh lưu như sau: - Điều khiển riêng hai nhóm van: Tại mỗi thời điểm ta chỉ cấp xung mở tiristor cho một nhóm van, còn nhóm kia không có xung mở nên coi như bị cắt khỏi động cơ. + Ưu điểm: Nguyên tắc điều khiển này đảm bảo sự làm việc rành mạch, loại trừ hẳn dòng điện cân bằng chạy khép kín qua hai nhóm van. + Hạn chế: Việc điều khiển phức tạp vì phải lấy tín hiệu không của dòng điện các nhóm van để điều khiển bộ lôgic nhằm đảm bảo chắc chắn việc cấp xung mở cho nhóm van này khi dòng điện trong nhóm van kia đã hoàn toàn bằng không. Ngoài ra trình tự điều khiển lôgic này cũng kéo dài thời gian quá trình chuyển đổi từ nhóm này sang nhóm khác - Điều khiển chung: Đồng thời cấp xung mở van lên cả hai nhóm, nghĩa là cả hai nhóm van đều ở trạng thái thông. Tuy nhiên ta phải tính toán sao cho tại từng chế độ, chỉ có một nhóm có trao đổi năng lượng với động cơ còn nhóm kia chỉ ở trạng thái đợi. + Ưu điểm: Nguyên tắc này đảm bảo cho hệ thống linh hoạt khi chuyển đổi chế độ, độ tác động nhanh, cao, mạch điều khiển đơn giản. + Hạn chế: Do cả hai nhóm van này đều ở trạng thái thông nên luôn luôn tồn tại dòng điện cân bằng chảy kí sinh giữa hai nhóm van. Vì vậy khi điều khiển chung người ta phải nối vào hệ thống các cuộn kháng cân bằng để hạn chế dòng cân bằng dưới mức cho phép. 3. Hệ điều chỉnh xung điện áp - động cơ ( ĐAX - Đ) Đối với các động cơ một chiều kích từ độc lập công suất nhỏ (cỡ dưới vài KW) người ta có thể sử dụng bộ băm áp một chiều tạo ra dãy xung điện áp một chiều cung cấp cho phần ứng động cơ. Khi thay đổi độ rộng các xung đó, giá trị trung bình của điện áp thay đổi nhờ đó điều chỉnh được dòng điện, mômen và tốc độ động cơ. Sơ đồ nguyên lý của hệ được thể hiện trên hình sau: t t u iư U Utb Iư imax imin 0 0 tđ tc Tck i1 i2 Đ Vo K + - Eb ~ Hình1.14. (a)Sơ đồ nguyên lý của hệ ĐAX - Đ (b) Dạng sóng điện áp và dòng điện Sơ đồ gồm có: + Bộ nguồn chỉnh lưu + Khoá điều khiển K + Động cơ Đ + Van điot đệm Vo Giả sử chu kỳ đóng cắt của khoá K là TCK, gồm khoảng đóng tđ và khoảng cắt tc, thì điện áp đặt vào động cơ sẽ có dạng xung như trên hình vẽ. Khi K đóng: Uư = U, dòng điện chạy từ nguồn vào cuộn dây phần ứng tăng dần theo hàm số mũ ( i1) Khi K ngắt: động cơ được cắt ra khỏi nguồn U và đóng kín mạch qua diot Vo, dòng điện được duy trì nhờ năng lượng tích luỹ trong điện cảm của mạch phần ứng và nó cũng giảm dần theo hàm số mũ (i2). Nếu điện cảm của mạch đủ lớn, dòng điện sẽ được duy trì cho đến chu kỳ sau, ta được dạng dòng điện hình răng cưa i = f(t) liên tục Suất điện động trung bình của bộ nguồn băm xung: Trong đó a : hệ số chu kỳ, Với [Hz] - tần số xung điện áp đặt lên động cơ Dòng điện phần ứng trung bình Phương trình đặc tính cơ: Đặc tính cơ là những đường thẳng song song như trên hình vẽ Vùng dòng gián đoạn Vùng dòng liên tục a1 = 1 0 a5 = 0 a2 a3 a4 M w womax wo2 wo3 Hình 1.15. Đặc tính cơ của hệ băm xung - động cơ Trong đó tốc độ không tải lý tưởng phụ thuộc hệ số chu kỳ a: Khi a thay đổi ta sẽ có những đường đặc tính nhân tạo tương ứng các giá trị tốc độ hoặc những momen khởi động khác nhau. Khi dòng điện phần ứng nhỏ (Iư đ 0) tức là khi phụ tải Mc đ 0 thì xuất hiện dòng điện gián đoạn. Dạng đồ thị của dòng điện gián đoạn là những đường cong nằm sát trục tung. Giá trị tốc độ không tải lý tưởng tính theo công thức: chỉ là giả tưởng còn thực chất tất cả các đường đặc tính đều có chung một tốc độ không tải lý tưởng là woc: Phương pháp điều khiển hệ điều áp xung - động cơ: Để điều chỉnh tốc độ của động cơ ta cần thay đổi giá trị trung bình của điện áp hoặc suất điện động của bộ băm xung, tức phải thay đổi độ rộng xung điện áp (a). Từ đó ta có ba phương pháp điều khiển: + Điều khiển bằng cách thay đổi thời gian đóng khoá tđ và giữ Tck(fx) không đổi (phương pháp điều rộng). Đây là phương pháp đơn giản và hay dùng nhất. + Điều khiển bằng cách thay đổi thời gian chu kỳ xung (phương pháp điều tần) : fx = var và giữ tđ = const. + Phương pháp hỗn hợp: vừa thay đổi tần số xung, vừa thay đổi khoảng đóng của khoá tđ. 1.2.3. Thiết kế mạch độnh lực truyền động cho động cơ điện một chiều. .(Sử dụng bộ chỉnh lưu cầu 3 pha có đảo chiều dùng thyristor). a. Cấu tạo. b. Nguyên lý làm việc. Do chỉnh lưu thyristor dẩn dòng theo một chiều và chỉ điều khiển được khi mở, còn khoá theo điện áp lưới, cho nên truyền động van thực hiện đảo chiều khó khăn và phức tạp hơn truyền động máy phát - động cơ. Cấu trúc mạch lực củng như cấu trúc mạch điều khiển hệ truyền động T - Đ đảo chiều có yêu cầu an toàn cao và có logic điều khiển chặt chẽ. Có hai nguyên tắc cơ bản để xây dựng hệ truyền động T - Đ đảo chiều: Giữ nguyên chiều dòng điện phần ứng và đảo chiều dòng kích từ động cơ. Giữ nguyên chiều dòng kích từ và đảo chiều dòng điện phần ứng. Trong thực tế , các sơ đồ truyền động T- Đ đảo chiều có nhiều song đều thực hiện theo một trong hai nguyên tắc trên và được phân ra thành 5 loại đồ chính. Trong bài thí nghiệm này chúng tôi sử dụng truyền động dùng hai bộ biến đổi cấp cho phần ứng điều khiển riêng. * Truyền động T - Đ đảo chiều điều khiển riêng. Khi điều khiển riềng hai bộ biến đổi làm việc riêng rẽ nhau, tại một thời điểm chỉ phát xung điều khiển vào một bộ biến đổi còn bộ kia bị khoá do không có xung điều khiển. Hệ có hai bộ biến đổi là BĐ1 và BĐ2 với các mạch phát xung điều khiển tương ứng là FX1 và FX2, trật tự hoạt động của các bộ phát xung này được quy định bởi các tín hiệu logic b1 và b2. Quá trình hảm và đảo chiều được mô tả bằng đồ thị thời gian. Trong khoảng thời gian 0 á t1, BĐ1 làm việc ở chế độ chỉnh lưu với góc a1 và sao cho dòng điện phần ứng không vượt quá giá trị cho phép, động cơ được hảm tái sinh, nếu nhịp điệu giảm a2 phù hợp với quán tính của hệ thì có thể duy trì dòng điện hãm và dòng điện khởi động ngược không đổi, điều này được thực hiện bởi các mạch vòng điều chỉnh tự động của hệ thống. Trên sơ đồ khối logic iLđ , iL1 , iL2 là các tín hiệu logic đầu vào ; b1, b2 là các tín hiệu logic đầu ra để khoá các xung điều khiển. iLđ = 1 phát xung điều khiển mở BĐ1 iLđ = 0 phát xung điều khiển mở BĐ2 i1L(i2L) = 1 có dòng điện chảy qua BĐ1(BĐ2) b1(b2) = 1 khoá bộ phát xung FX1(FX2) Hệ truyền động van đảo chiều điều khiển riêng có ưu điểm là làm việc an toàn, không có dòng điện cân bằng chạy giữa các bộ biến đổi, song cần một khoảng thời gian trễ trong đó dòng điện động cơ băng khôn chương II thiết kế phần cứng điều khiển động cơ một chiều 2.1 Thiết kế nguồn cung cấp cho mạch chuẩn hoá và vi xử lý. Vi xử lý cần nguồn 5V, do đó ta thiết kế mạch từ nguồn 220V thành 5V như hình vẽ dưới: 2.2 Ghép nối card thu thập số liệu 12 kênh với máy tính. 2.2.1 Cổng nối tiếp RS-232 Đa số các hệ vi xử lý đều được ghép nối với máy tính thông qua cổng nối tiếp RS-232. Đây là một chuẩn truyền thông khá phổ biến với các máy PC hiện nay. Thông thường các máy tính đều có hai ổ cắm DB9 hoặc DB25 ở phía sau dành cho cổng nối tiếp RS-232. Đặc điểm của RS-232: Thông tin được truyền theo kiểu điểm - điểm. Phù hợp với truyền thông tin số, nhị phân. Truyền theo kiểu nối tiếp không đồng bộ. Truyền không cân bằng nên dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu. Phần lớn tín hiệu được truyền ở dạng mã ASCII. Truyền song công cần 3 dây. Mức điện áp của tín hiệu: Mức “1” là -3 : -12V Mức “0” là +3 : +12V Khoảng cách truyền ngắn cỡ khoảng 15m. Tốc độ truyền tối đa: 19600bps. Bảng bố trí các chân trên ở cắm DB9 và DB 25: Tín hiệu DB9 DB25 TxD 3 2 RxD 2 3 RTS 7 4 CTS 8 5 DSR 6 6 GND 5 7 DCD 1 17 DTR 4 20 RI 9 22 Hình dạng các ổ cắm như sau: Để ghép nối hệ thống vi xử lý với máy tính PC cần có các mạch chuyển đổi mức từ mức TTL sang mức chuẩn RS-232 và ngược lại. Các mạch thường dùng hiện nay là các mạch dùng Transistor làm bộ chuyển đổi, dùng bộ cách ly quang và dùng vi mạch chuyên dụng. Trong đồ án này ta dùng vi mạch chuyên dụng MAX 232 của hãng MAXIM. 2.2.2. Vi mạch MAX 232: Vi mạch MAX 232 làm nhiệm vụ chuyển đổi mức TTL ở lối vào (phía hệ C8051) thành mức ± 10V ở phía truyền ra (Máy tính) và các mức từ ±3 : ±12V ở phía máy tính thành mức TTL để đưa vào vi xử lý. Sơ đồ chân của vi mạch MAX 232: Khi ghép nối MAX 232 với vi điều khiển và máy tính thì TxD từ vi điều khiển được nối trực tiếp đến chân 11 (T1 In) của MAX 232 còn chân ra 14 (T1 Out) được nối trực tiếp với chân 2 của cổng nối tiếp (RxD). Chân TxD của cổng nối tiếp (chân 3 máy tính) nối với lối vào chân 13 (R1 In) của MAX 232, từ chân 12 (R1 Out) được nối trực tiếp với chân RxD của vi điều khiển. Vi mạch MAX 232 có 2 bộ đệm và 2 bộ nhận. Đường dẫn điều khiển lối vào CTS, điều khiển việc xuất dữ liệu ra cổng nối tiếp khi cần thiết, được nối với chân 9 (R2 Out) của vi mạch MAX 232. Còn chân RTS (chân 10 của MAX 232) nối với đường dẫn bắt tay để điều khiển quá trình nhận. Đối với các giao thức đơn giản chỉ cần sử dụng 3 dây: TxD, RxD, GND. 2.3 Vi điều khiển họ mcs 51 Ngày nay trong quá trình công nghiệp hoá và hiện đại hoá cần đến các bộ vi điều khiển để hỗ trợ cho các bộ điều khiển ngày càng phát triển và hoàn thiện hơn. Mỗi bộ vi điều khiển thường được chế tạo thành một chíp, trên đó có các cổng vào ra, các bộ nhớ để có thể phối ghép với các thiết bị khác và thực hiện các chức năng điều khiển. Trong các bộ vi điều khiển hiện nay họ MCS_51 của hãng INTEL là thông dụng nhất, để nhìn nhận một cách tổng quát về họ MCS_51 ta có bảng tổng kết. Tên gọi Công nghệ Rom trong Rom ngoài Ram trong Ram ngoài Timmer/Counter 8031 NMOS Không 64Kbyte 128Kbyte 64Kbyte 2 8051 NMOS 4Kbyte 64Kbyte 128Kbyte 64Kbyte 2 8751 NMOS 4Kbyte EPROM 64Kbyte 128Kbyte 64Kbyte 2 8032 NMOS Không 64Kbyte 256Kbyte 64Kbyte 3 8052 NMOS 4Kbyte 64Kbyte 256Kbyte 64Kbyte 3 Phần lớn các bộ vi xử lý 8051 được đóng vỏ theo kiểu hai hàng DIL với tổng cộng 40 chân. Một số khác được đóng vỏ theo kiểu hình vuông PLCC với 44 chân. Hình sau là sơ đồ chân của IC8051 theo kiểu DIL 40 chân. Giải thích sơ đồ chân và chức năng của 8051. Số chân Ký hiệu Chức năng 1á8 P1.0áP1.7 Cổng vào/ra Port 9 Reset Lối vào Reset tích cực ở mức cao 10á17 P3.0áp3.7 Cổng vào/ra Port và tất cả các đường dẫn với chức năng đặc biệt 18 XLAT 2 Lối vào của bộ dao động thạch anh bên trong 19 XLAT 1 Lối vào của bộ dao động thạch anh bên trong 20 VSS Chân nguồn nối 0V 21á28 P2.0áP2.7 Cổng vào/ra Port 2 nối các đường địa chỉ cao từ A8áA15 29 PSEN Dùng cho bộ nhớ chương trình ngoài 30 ALE Cho phép chốt địa chỉ 31 EA Để làm việc với Rom ngoài hay Rom trong 32á39 P0.7áP0.0 Cổng vào/ra Port 0, các đường địa chỉ thấp từ A7áA0 40 VDD Nguồn cung cấp 5V 2.3.1 Sơ đồ khối của bộ vi xử lý 8051: -Interrupt control : Điều khiển ngắt -Other registere : Các thanh ghi khác -128 Byte RAM : -Timer 1, 0 : Bộ định thời -CPU : Đơn vị điều khiển trung tâm -Osillator : Mạch dao động -Bus control : Điều khiển Bus -I/O port : Các Port xuất/nhập -Serial Port : Port nối tiếp -Address/data : Địa chỉ dữ liệu -Cổng truyền nối tiếp RS - 232 2.3.2 Cách tổ chức và truy cập bộ nhớ của 8051 Bộ nhớ của 8051 nói riêng và họ MCS_51 nói chung chia làm 2 vùng bộ nhớ riêng biệt: Bộ nhớ chương trình và Bộ nhớ dữ liệu. 2.3.2.1 Bộ nhớ chương trình (Program Memory) Bộ nhớ chương trình (ROM, EPROM) có thể đọc nhưng không ghi được, bộ nhớ chương trình có thể tới 64 Kbyte. Đối với 8051 có ROM trong với dung lượng 4 Kbyte, với những loại không có ROM trong ta phải dùng ROM ngoài để lưu giữ chương trình, khi đọc ROM ngoài phải thông qua tín hiệu PSEN (Program Store Enable). Do vậy tín hiệu PSEN chỉ có tác dụng với ROM ngoài còn đối với ROM trong tín hiệu PSEN sẽ không có tác dụng. Sau khi RESET CPU bắt đầu thực hiện từ vùng 0000H, tiếp theo là đến vùng đặt các ngắt của XPU từ địa chỉ 0003H đến 0023H. Việc sử dụng ROM trong (đối với những loại có ROM trong) và ROM ngoài được biểu hiện bằng cách sử dụng chân EA (External Acess). *Khi chân EA nối với Vcc: Đối với những loại có ROM trong 4 Kbyte như 8051 thì chương trình thực hiện từ địa chỉ 0000H đến 0FFFH của ROM trong sau đó tiếp tục từ địa chỉ 1000H đến FFFFH của ROM ngoài. Đối với những loại có ROM trong là 8 Kbyte sẽ chọn từ địa chỉ 0000H đến 1FFFH của ROM trong và từ địa chỉ 2000F đến FFFFH của ROM ngoài. Đối với những loại có ROM trong là 16 Kbyte sẽ chọn từ địa chỉ 0000H đến 3FFFH của ROM trong và từ địa chỉ 4000G đến FFFFH của ROM ngoài. *Khi chân EA nối với Vss: - Lúc đó CPU sẽ làm việc toàn bộ với ROM ngoài. Do vậy đối với những loại không có ROM trong thì chân EA phải được nối với Vss. Trong khi truy cập bộ nhớ ngoài CPU sẽ viết 0FFH tới bộ chốt của Port 0 như vậy nó sẽ xoá bất cứ thông tin tại Port 0 mà SFR có thể còn đang giữ, nên việc viết ra Port 0 trong khi đang truy cập bộ nhớ ngaòi sẽ bị sai. Vì vậy nên nhớ: không ghi ra Port 0 khi bộ nhớ chương trình ngoài đang được sử dụng. 2.3.2.2 Bộ nhớ dữ liệu Bộ nhớ dữ liệu (RAM) nếu có địa chỉ là 8 bit thì cho phép CPU 8 bit thao tác nhanh hơn, nếu địa chỉ là 16 bit để có thể truy cập được phải thông qua thanh ghi DPTR (Data Pointer). Với 8051 có 128 Byte RAM trong có thể ghép với 64 Kbyte RAM ngoài. Trong suốt quá trình CPU truy cập tới bộ nhớ dữ liệu sẽ phát tín hiệu đọc RD và tín hiệu ghi WR. Đối với 128 Byte của RAM trong bao gồm: 32 byte thấp nhất là nhóm 4 bank thanh ghi, mỗi bank thanh ghi gồm 8 thanh ghi R0 á R7. Khi sử dụng các thanh ghi trong chương trình phải nạp 2 bit vào thanh ghi Program Status Word (PSW). Tiếp theo là 16 byte trên vùng các bank thanh ghi từ địa chỉ 20H á 2FH là vùng các bit địa chỉ, vùng này có 128 bit. Bit 0 của byte 20H có địa chỉ là 0 và bit 7 của byte 2FH có địa chỉ là 7FH. 2.3.3 Các thanh ghi chức năng đặc biệt (Special Function Registers – SFRs) SFRs- các thanh ghi với chức năng đặc biệt gồm có thanh ghi số liệu và thanh ghi điều khiển như Timer, cổng nối tiếp, hệ thống ngắt... SFRs có địa chỉ từ 80H đến FFH. Bảng các thanh ghi trong SFRs của 8051 Registers Mnemonic Internal Address Port 0 Latch P0 80H Stack Pointer SP 81H Data Pointer DPTR 82H á 83H Data Pointer Low Byte DPL 82H Data Pointer High Byte DPH 83H Power Control PCON 87H Timer/Counter Control TCON 88H Timer/Counter Mode Control TMOD 89H Timer/Counter 0 Low Byte TL0 8AH Timer/Counter 1 Low Byte TL1 8BH Timer/Counter 0 High Byte TH0 8CH Timer/Counter 1 High Byte TH1 8DH Port 1 Latch P1 90H Serial Poft Control SCON 98H Serial Data Port SBUF 99H Port 2 Latch P2 A0H Interrrupt Enable 1E A8H Port 3 Katch P3 B0H Interrupt Priority Control 1P B8H Program Status Word PSW D0H Accumulator Acc or A E0H B Rgister B F0H Thanh ghi từ trạng thái chương trình (Program Status Word - PSW) bao gồm các bit trạng thái phản ánh trạng thái của CPU. Thanh ghi PSW được đặt trong các thanh ghi chức năng đặc biệt SFRs CY AC FO RS0 OV P *PSW 0 (Parity – P): Bit kiểm tra chẵn lẻ, được đặt bởi phần cứng P=1: Nếu số các bit =1 trong thanh ghi ACC là lẻ P=0: Nếu số các bit = 1 trong thanh ghi ACC là chẵn *PSW 1: Để người dùng định nghĩa cờ. *PSW 2 (Over flow – OV): Cờ báo tràn, được đặt khi có tràn xảy ra của phép tính số học. *PSW 3 (RS0): Dùng để chọn bank thanh ghi. *PSW 4 (RSI): Dùng để chọn bank thanh ghi. *PSW 5 (F0): Cờ trạng thái. *PSW 6 (auxiliary Carry Flag – AC): Cờ nhớ phụ, được thành lập khi có nhớ sang từ bit 3 của toán hạng trong phép cộng. *PSW 7 (Carry Flag – CY): Cờ nhớ, được thành lập khi có sự nhớ từ bit 7 của toán hạng của bộ ALU. 2.3.4 Các chế độ địa chỉ trong 8051 2.3.4.1 Chế độ địa chỉ trực tiếp (Direct Addressing) Trong chế độ này một toán hạng chứa địa chỉ của một ô nhớ, địa chỉ của ô nhớ được cho rõ xác định bởi 8 bit địa chỉ còn toán hạng kia là thanh ghi. Ví dụ: ADD A,7FH Câu lệnh này sẽ thực hiện cộng nội dung ô nhớ 7FH với nội dung trong thanh ghi A, kết quả chuyển vào thanh ghi A. Chế độ địa chỉ dùng khi làm việc với RAM trong và các thanh ghi trong SFRx. 2.3.4.2 Chế độ địa chỉ gián tiếp (Indirect Addressing) Chế độ địa chỉ này dùng với cả RAM trong và RAM ngoài. Trong chế độ này một toán hạng là 1 thanh ghi được sử dụng để chứa địa chỉ của ô nhớ còn toán hạng kia là thanh ghi. Nếu địa chỉ của ô nhớ 8 bit ta có thể dùng các thanh ghi R0 á R7 của các bank thanh ghi hoặc là Stack Pointer. Nếu địa chỉ là 16 bit ta chỉ có thể dùng thanh ghi. Ví dụ: ADD A,@R0 Câu lệnh này sẽ thực hiện cộng nội dung của ô nhớ có địa chỉ đặt trong thanh ghi R0 với nội dung trong