Xưởng điện tử Bài 7:Giám sát điều khiển BÀI GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ I MỤC ĐÍCH YÊU CẦU - Hiện nay, vi xử lý vi điều khiển đóng vai trị quan trọng lĩnh vực điều khiển tự động Các điều khiển dùng linh kiện rời thay điều khiển dùng vi xử lý Mặc dù học vấn đề quét bàn phím, quét bảng đèn, điều khiển động bước, điều rộng xung,… nhiên đa số sinh viên gặp nhiều khó khăn phải phối hợp lý thuyết để chương trình hồn chỉnh điều khiển đối tượng cụ thể Mục đích thực hành giúp sinh viên làm quen với vi điều khiển thông dụng ứng dụng chúng để điều khiển đối tượng cụ thể Bài thực hành tập trung vào phương pháp thiết kế chương trình cho dễ sửa chữa, mở rộng - Bài thực hành yêu cầu sinh viên phải biết trước cấu tạo lập trình 89C51 II NỘI DUNG Kiến trúc vi điều khiển 8951 2.U1 39 38 37 36 35 34 33 32 19 18 31 P0.0/AD0 P0.1/AD1 P0.2/AD2 P0.3/AD3 P0.4/AD4 P0.5/AD5 P0.6/AD6 P0.7/AD7 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 XTAL1 XTAL2 P2.0/A8 P2.1/A9 P2.2/A10 P2.3/A11 P2.4/A12 P2.5/A13 P2.6/A14 P2.7/A15 P3.0/RXD P3.1/TXD P3.2/INT0 P3.3/INT1 P3.4/T0 P3.5/T1 P3.6/WR P3.7/RD ALE/PROG PSEN 21 22 23 24 25 26 27 28 10 11 12 13 14 15 16 17 30 29 EA/VPP RST AT89C51 IC vi điều khiển 8951 thuộc họ MCS51 có đặc điểm sau : + kbyte Flash Thực tập công nhân Trang 34 Xưởng điện tử Bài 7:Giám sát điều khiển + 128 byte RAM + port I/0 bit + Hai định thời 16 bits + Giao tiếp nối tiếp + 64KB khơng gian nhớ chương trình ngồi + 64 KB khơng gian nhớ liệu ngồi a.Port0: port có chức năng, chân từ 32 đến 39 MC 8951 Trong thiết kế cỡ nhỏ khơng dùng nhớ ngồi, P0 sử dụng cổng I/O Còn thiết kế lớn có yêu cầu số lượng đáng kể nhớ ngồi P0 trở thành đường truyền liệu bit thấp bus địa b Port1: port I/O chuyên dụng, chân 1-8 MC8951 Chúng sử dụng với múc đích giao tiếp với thiết bị cần thiết c Port2: cổng có cơng dụng kép chân 21 – 28 MC 8951 Ngoài chức I/O, chân dùng làm bit cao bus địa cho mơ hình thiết kế có nhớ chương trình ROM ngồi nhớ liệu RAM có dung lượng lớn 256 byte d Port3: cổng có cơng dụng kép chân 10 – 17 MC 8951 Ngoài chức cổng I/O, chân kiêm nhiều chức khác liên quan đến nhiều tính đặc biệt MC 8951, mô tả bảng sau: Bit P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 Tên RxD TxD Chức chuyển đổi Ngõ vào liệu nối tiếp Ngõ xuất liệu nối tiếp INT Ngắt INT1 Ngắt Ngõ vào TIMER T0 Ngõ vào TIMER T1 ÖWR Điều khiển ghi liệu lên nhớ Điều khiển đọc nhớ liệu RD Bảng 2.1 : Chức chân port3 e PSEN (Program Store Enable): 8951 có tín hiệu điều khiển, PSEN tín hiệu chân 29 Nó tín hiệu điều khiển phép truy xuất nhớ chương trình mở rộng thường nối đến chân OE (Output Enable) EPROM phép đọc byte mã lệnh chương trình Tín hiệu PSEN mức thấp suốt phạm vi trình lệnh Các mã nhị phân chương trình đọc từ EPROM qua bus chốt vào ghi lệnh 8951 để giải mã lệnh Khi thi hành chương trình ROM nội PSEN mức cao Thực tập công nhân Trang 35 Xưởng điện tử Bài 7:Giám sát điều khiển f ALE (Address Latch Enable ): Tín hiệu ALE chân 30 tương hợp với thiết bị làm việc với xử lý 8585, 8088 8951 dùng ALE để giải đa hợp bus địa liệu, port dùng làm bus địa chỉ/dữ liệu đa hợp: vừa bus liệu vừa byte thấp địa 16 bit ALE tín hiệu để chốt địa vào ghi bên đầu chu kỳ nhớ Sau đó, đường Port dùng để xuất nhập liệu sau chu kỳ chu kỳ nhớ Các xung tín hiệu ALE có tốc độ 1/6 lần tần số dao động chip dùng nguồn xung nhịp cho hệ thống Nếu xung 8951 12MHz ALE có tần số 2MHz Chân làm ngõ vào cho xung lập trình cho EPROM 8951 g EA (External Access): Tín hiệu vào EA chân 31 thường nối lên mức cao (+5V) mức thấp (GND) Nếu mức cao, 8951 thi hành chương trình từ ROM nội khoảng địa thấp (4K) Nếu mức thấp, chương trình thi hành từ nhớ mở rộng Người ta dùng chân EA làm chân cấp điện áp 21V lập trình cho EPROM 8951 h RST (Reset): Ngõ vào RST chân ngõ reset 8951 Khi tín hiệu đưa lên mức cao (trong chu kỳ máy), ghi 8951 đưa vào giá trị thích hợp để khởi động hệ thống i.OSC: 8951 có dao động chip, thường nối với thạch anh hai chân 18 19 Tần số thạch anh thông thường 12MHz j POWER: 8951 vận hành với nguồn đơn +5V ( 20% Vcc nối vào chân 40 Vss (GND) nối vào chân 20 Tìm hiểu tập lệnh 89C51 Một số lệnh thường gặp ACALL addr11 : Gọi chương trình con(gọi đến địa tuyệt đối) Mô tả: ACALL gọi không điều kiện chương trình đặt địa lệnh Lệnh tăng nội dung PC để PC chứa địa lệnh kế lệnh ACALL, sau cất nội dung 16 bit PC vào stack(Byte thấp cất trước) tăng trỏ stack SP Do chương trình gọi phải bắt đầu khối 2K nhớ chương trình với Byte lệnh theo sau lệnh ACALL Các cờ khong bị ảnh hưởng LCALL addr16 : Gọi chương trình Chương trình gọi phải bắt đầu khối 64K nhớ chương trình với Byte lệnh theo sau lệnh LCALL Các cờ khong bị ảnh hưởng ADD A,: Cộng Mô tả: ADD Cộng nội dung byte địa lệnh với nội dung chứa đặt kết vào chứa ADD có kiểu định địa cho toán hạn nguồn: ghi, trực tiếp, ghi gián tiếp tức thời AJMP addr11: Nhảy đến địa tuyệt đối Đích nhảy đến phải khối 2K nhớ chương trình với byte lệnh theo sau lệnh AJMP Thực tập công nhân Trang 36 Xưởng điện tử Bài 7:Giám sát điều khiển ANL ,: thực phép tốn AND bít hai toán hạng lệnh lưu kết vào tốn hạn đích Các cờ khơng bị ảnh hưởng CJNE ,,rel : So sánh nhảy không Cờ nhớ set giá trị ngun khơng dấu tốn hạn trước nhỏ giá trị ngun khơng dấu tốn hạn sau Ngược lại cờ nhớ bị xố CLR bit: Xố bít CPL bit: Lấy bù bit DEC byte: Byte lệnh giảm 1, cờ nhớ không bị anhư hưởng DIV AB: chia số nguyên không dấu bit chứa chứa cho số nguyên không dấu bít chứa ghi B Thương số chứa chứa A dư số chứa ghi B DJNZ ,, : Di chuyển nội dung tốn hạng nguồn đến tốn hạn đích MUL AB: Nhân số nguyên không dấu bit chứa chứa A ghi B Byte thấp tích số 16 bit cất chứa cong byte cao cất ghi B RL A: bít chứa A quay trái bit SETB : Set bit Một số ví dụ Chương trình hiển thị giây phút dùng định thời #include GIAY EQU 31H ; Địa RAM lưu giá trị giây PHUT EQU 32H ; Địa RAM lưu giá trị phút ORG 00H LJMP MAIN ORG 001BH ;Vector định thời LJMP T0ISR ORG 0030H MAIN: MOV R1,#0 MOV GIAY,#0 MOV PHUT,#0 LAP: MOV A,GIAY CJNE A,#60,HT INC PHUT MOV GIAY,#00H MOV A,PHUT CJNE A,#60,HT MOV PHUT,#00H Thực tập công nhân Trang 37 Xưởng điện tử Bài 7:Giám sát điều khiển HT: MOV A,GIAY ACALL HTGIAY MOV A,PHUT ACALL HTPHUT MOV TMOD,#12H MOV IE,#8AH ;Cho phép ngắt định thời SETB TF1 ; Buột ngắt định thời CJNE R1,#100,LAP MOV R1,#0 INC GIAY LJMP LAP ; Chương trình ngắt T0ISR: CLR TR1 MOV TH1,#HIGH(-10000) MOV TL1,#LOW(-10000) SETB TR1 INC R1 RETI ; Chương trình hiển thị giây HTGIAY: MOV B,#10 DIV AB ADD A,#10H MOV P2,A ACALL DELAY MOV A,B ADD A,#00 MOV P2,A ACALL DELAY RET ; Chương trình hiển thị phút HTPHUT: MOV B,#10 DIV AB ADD A,#30H MOV P2,A ACALL DELAY MOV A,B ADD A,#20H MOV P2,A ACALL DELAY RET DELAY: MOV R0,#200 DJNZ R0,$ RET END Chương trình sử dụng ngắt ngồi Thực tập công nhân Trang 38 Xưởng điện tử Bài 7:Giám sát điều khiển #include ORG 00H LJMP MAIN LJMP EXOISR ;Địa vector EXT ORG 001BH LJMP T0ISR ORG 0030 MAIN: SETB IT0 ; Tác động cạnh âm MOV TMOD,#11H MOV IE,#81H ; Chỉ cho phép EX0 LJMP $ EXOISR: SETB TF1 ; Buột ngắt định thời SETB ET0 SETB ET1 ; Cho phép ngắt định thời RETI T0ISR: CLR TR1 MOV TH1,#HIGH(-50000) MOV TL1,#LOW(-50000) SETB TR1 CPL P0.1 ; Tạo xung RETI END Điều khiển công suất - Điều khiển tải DC: Vcc R1 R0 p1.0 Q2 Rtai Đây sơ đồ điều khiển đơn giản phần cứng lẫn phần mềm, nhiên sơ đồ thường áp dụng để điều khiển tải DC công suất nhỏ I hd = T Ton ∫I dm dt = Ton I dm T Ton: Thời gian dòng điện chạy qua tải TOFF: Thời gian dòng điện không chạy qua tải T = Ton + TOFF Thực tập công nhân Trang 39 Xưởng điện tử Bài 7:Giám sát điều khiển Vậy muốn tăng dòng điện qua tải ta tăng Ton Khi Ton = T dịng điện qua tải lớn - Điều khiển tải AC: Ta dùng phương pháp điều khiển góc pha phương pháp thay đổi góc kích α Triac để làm biến đổi điện áp đặt lên tải, góc kích α = coi tồn điện áp lưới đặt lên tải ta bỏ qua sụt áp Triac Ưu điểm phương pháp điều khiển liên tục xác 5V R1 R2 Rt R0 p1.0 Tai AC Q2 V1 220V Q1 TRIAC Hình :Sơ đồ mạch điều khiển Ig VAC Vtải α Hình : Sơ đồ dạng sóng tải Thực tập cơng nhân Trang 40 Xưởng điện tử Bài 7:Giám sát điều khiển Giá trị điện áp hiệu dụng tải : Uo =  π  ∫ (Um sin θ ) d θ     2π π =  ∫ (Um sin θ ) d θ    π α 1/ sin 2α   =U m  (π − α + )   2π 1/ sin 2α  1 = U  (π − α + )  π 1/ 1/ Trong đó, U Um giá trị điện áp hiệu dụng điện áp đỉnh tải cịn α góc kích dẩn Triac Từ đây, suy công suất tải : P = Uo* Io = U R P= U =U 1 sin 2α    π − α +  π R      α sin 2π  1 − +  R  π 2π  Trong đó, P cơng suất tiêu thụ tải cịn R trở kháng tải Như vậy, công suất tiêu thụ tải phụ thuộc vào góc kích dẩn α, góc kích α tăng P giảm ngược lại, α= công suất lớn công suất danh định tải, giá trị α = π công suất tiêu thụ nhỏ P = Nghĩa là, cách thay đổi góc kích dẩn α ta điều khiển công suất tiêu thụ tải Điều khiển động bước - Đặc điểm chung động bước: Động bước thực chất động đồng hoạt động tác dụng xung rời rạc kế tiết Khi xung dòng điện điện áp đặt vào cuộn dây phần ứng động bước, roto (phần cảm) động quay góc định, gọi bước động cơ, xung dòng điện đặt vào cuộn dây phần ứng liên tục roto quay liên tục Vị trí động bước xác định số lượng xung vận tốc động tỷ lệ với tần số xung xác định số bước/giây.Tính làm việc động bước đặc trưng bước thực hiên, đặc tính góc (quan hệ momen địên từ theo góc trục roto trục từ trường tổng, tần số xung giới hạn cho trình độ, hồn thành bước tắt trước bắt đầu bước tiếp theo.Tính mở máy độn g cơ, Thực tập công nhân Trang 41 Xưởng điện tử Bài 7:Giám sát điều khiển đặc trưng tần số xung cực đại mở máy mà không làm cho roto đồng ( bỏ bước) Bước động (giá trị góc hai vị trí ổn định kế roto) nhỏ độ xác điều khiển cao Bước động phụ thuộc vào số cuộn dây phần ứng, số cực stato, số roto phương pháp điều khiển bứơc đủ điều khiển nửa bước Tuỳ theo yêu cầu độ xác kết cấu động mà bước động thay đổi giới hạn từ 0,180 ÷1800 Trong đó: động bước nam châm vĩnh cữu dạng cực móng có từ trở thay đổi từ 60 ÷450, động bước có từ trở thay đổi có góc bước nằm giới hạn từ 1,80 ÷ 300 động bước hỗn hợp có góc bước thay đổi khoảng 0,360÷150 Các giá trị góc loại động kể tính chế độ điều khiển bước đủ Chiều quay động bước không phụ thuộc vào chiều dòng điện chạy cuộn dây phần ứng, mà phụ thuộc vào thứ tự cuộng dây phần ứng cấp xung điều khiển Số cuộn dây phần ứng ( hay gọi cuộn dây pha) động bước đựợc chế tạo từ ÷ cuộn dây pha ( hay gọi bối dây đặt đối diện rãnh stato Đối với cuộn dây phải có hai cuộn dây dùng cho điều khiển lưỡng cực ( dây có cực tính thay đổi) với cuộn dây dùng cho hai chế độ điều khiển đơn cực điều khiển lưỡng cực Phương pháp điều khiển động bước: Có phương pháp điều khiển động bước: Đầy bước, bước, vi bước ta xét trường hợp đầy bước Nguyên lý làm việc động bước dựa tác động tương hổ từ trường stato roto, hình thành momen điện từ làm quay roto góc định Khi cho xung dòng điện tác động vào cuộn dây pha A A’ roto quay đến vị trí, mà trục từ trường roto (cũng trục roto) trùng với trục từ trường pha A Thực tập công nhân Trang 42 Xưởng điện tử Bài 7:Giám sát điều khiển Nếu cắt xung dòng điện vào pha A, cho xung dịng điện tác dụng vào cuộn dây BB’ véc tơ từ hố dịng điện quay góc 180, roto quay góc 180 trục từ roto trùng với trục từ trường tổng Sau cắt xung tác động vào pha B cho dòng điện tác động vào pha A đổi dấu roto quay tiếp góc 180 Nếu tính từ góc đầu roto quay góc 360 Q trình chuyển phát xung dòng điện tác dụng vào hai pha roto quay vòng, động thực 20 bước (Cịn gọi 20 nhịp) Q trình chuyển mạch cuộn dây điều khiển theo trình tự (A+,B+,A, B-) trình chuyển mạch theo trình tự (A+,B+),( A+,B-,),(A-,B+),(A-,B-) Trong trường hợp chu trình chuyển mạch có 20 nhịp (bước ) nhịp có số cuộn dây điều khiển cấp xung dòng điện cho Dạng điều khiển gọi điều khiển bước đủ, hay gọi điều khiển đối xứng Điều khiển động bước pha hai pha theo phương pháp đầy bước Bảng trạng thái điều khiển động bước pha Bước Pha Pha 1 -1 -1 -1 -1 Bước Pha 1 0 pha Pha 1 Pha 1 0 Pha 0 1 Điều khiển động pha Thực tập công nhân Trang 43 Xưởng điện tử Bài 7:Giám sát điều khiển Điều khiển động pha - Từ bảng trạng thái ta dùng IC số để tạo mạch điều khiển VCC U1A U1B 7486 U2A VCC 7486 Clook 14 J K CLK CLR Q Q 12 Pha1 13 Pha2 Pha3 Pha4 State U1C 10 12 U2B 11 13 7486 7473 U1D 7486 10 VCC J K CLK CLR Q Q 7473 - Đặc tính động bước : Vận tốc động bước phụ thuộc vào tần số xung điều khiển Đặc điểm vận tốc roto bước thể tính dao động động cơ, đặc tính cải thiện việc thiết kế hộp biến tốc đặc biệt nhằm hạn chế loại trừ cộng hưởng để có số thời gian tốt Khi có xung dịng điện vào cuộn dây stato, roto động không chuyển động từ góc sang góc khác mà dao động thời gian cần để quay 5% vịng đạt vị trí ổn định Hằng số thời gian phụ thuộc vào momen qn tính từ thơng Φ Tần số xung cao số thời gian điện từ ngắn Nếu xung điều khiển động có tần số q cao roto quay liên tục làm việc tần số giới hạn, chế độ động dừng đột ngột đảo Thực tập công nhân Trang 44 Xưởng điện tử Bài 7:Giám sát điều khiển chiều Muốn thực dừng động cần phải giảm tần số đến vùng làm việc theo bước Bàn phím - Ma trận phím J1 C0 C1 2 C2 C3 H0 4 4 4 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 CON8 H1 A B H2 C D E F Đ H3 ể thực ma trận bàn phím ta dùng phương pháp quét phím Quét cột đọc liệu hàng ngược lại Theo hình vẽ cột cách đơn vị, hàng cách đơn vi Vậy giá trị bàn phím tính theo cơng thức sau Bp= C+h.4 Trong đó: Bp: Giá trị phím nhấn C: Cột qt H: Hàng có phím nhấn Ví dụ: Khi ta qt cột C0 mà phím nhấn H1 nhận tín hiệu Vậy giá trị nhận bàn phím Bp = + 1.4 = Khi mạch cần nhiều phím ta tổ chức ma trận phím để giảm số lượng cổng sử dụng cho bàn phím Chương trình hiển thị bàn phím #include phim equ 30h ORG 0000H MAIN: ACALL IN_HEX ACALL HT SJMP MAIN ; IN_HEX: MOV R3,#50 BACK1: ACALL GET_KEY Thực tập công nhân Trang 45 Xưởng điện tử Bài 7:Giám sát điều khiển JNB 10,EXP1 DJNZ R3,BACK1 BACK2: MOV R3,#50 BACK3: ACALL GET_KEY JB 10,BACK2 DjNZ R3,BACK3 SETB 11 MOV PHIM,R6 EXP1: NOP RET ; -GET_KEY: MOV A,#0FEH MOV R2,#0 SCAN_ROW: MOV P0,A MOV R4,A ;luu gia tri cua A vao R4 ;chuan bi quet cac cot va nhay JNB P0.4,ROW_0 JNB P0.5,ROW_1 JNB P0.6,ROW_2 JNB P0.7,ROW_3 ;khong co phim an thi chuyen den cot tiep theo MOV A,R4 ;lay lai ma lan truoc tu r4 RL A ;quay trai bit de chuyen den cot ke tiep INC R2 ;tang so lan quet len CJNE R2,#4,SCAN_ROW ;khong du cot thi quay lai quet SETB P2.6 SJMP NO_CODE ROW_0: MOV A,R2 ADD A,#0 SETB 10 MOV R6,A SJMP EXIT ROW_1: MOV A,R2 ADD A,#4 SETB 10 MOV R6,A SJMP EXIT ROW_2: MOV A,R2 Thực tập công nhân Trang 46 Xưởng điện tử ADD SETB MOV SJMP ROW_3: MOV ADD SETB MOV SJMP NO_CODE: CLR EXIT: RET HT: DELAY: Bài 7:Giám sát điều khiển A,#8 10 R6,A EXIT A,R2 A,#12 10 R6,A EXIT ;NEU KHONG CO PHIM AN THI XOA BIT 10 10 MOV B,#10 DIV AB ADD A,#10H MOV P2,A ACALL DELAY MOV A,B ADD A,#00 MOV P2,A ACALL DELAY RET MOV R0,#200 DJNZ R0,$ RET END Khi mạch khơng cần nhiều phím ta dùng phím sau: Vcc R1 R p1.0 Hiện thị * Khi giao tiếp với LED đoạn ta có nhiều cách giao tiếp khác - Xuất liệu trực tiếp cổng: sử dụng có led hiển thị - Khi có nhiều LED hiển thị ta dùng phương pháp quét có sơ đồ mạch sau: Thực tập công nhân Trang 47 Xưởng điện tử Bài 7:Giám sát điều khiển 5V VCC LT RBI 7447 GND D0 D1 D2 D3 A B C D E F G BI/RBO R18 VCC_CIRCLE R1 Q1 R2 R3 Q2 R5 VCC 16 Q3 A B C G1 G2A G2B GND U1 R4 VCC_CIRCLE a b c d e f g DATA LED7D CON8 13 12 11 10 15 14 R17 J3 J2 16 U2 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 15 14 13 12 11 10 R6 J1 led1 led2 led3 led4 led5 led6 led7 led8 R7 Q4 R8 R9 74LS138 Q5 DIEU KHIEN LED R10 R11 Q6 R12 R13 Q7 R14 R15 Q8 R16 III PHẦN THỰC TẬP CỤ THỂ - Thực mạch kít vi điều khiển 89C51 - Thực mạch ma trận bàn phím - Thực mạch hiển thị LED đoạn - Viết chương trình nhập liệu từ bàn phím lưu vào vùng đệm - Nhận liệu từ vùng đệm xuất LED - Cấp nguồn cho mạch kiểm tra Mạch phải đảm bảo kỹ thuật hoạt động ổn định Thực tập công nhân Trang 48 ... TxD Chức chuyển đổi Ngõ vào liệu nối tiếp Ngõ xuất liệu nối tiếp INT Ngắt INT1 Ngắt Ngõ vào TIMER T0 Ngõ vào TIMER T1 ÖWR Điều khiển ghi liệu lên nhớ Điều khiển đọc nhớ liệu RD Bảng 2.1 : Chức... dùng cho điều khiển lưỡng cực ( dây có cực tính thay đổi) với cuộn dây dùng cho hai chế độ điều khiển đơn cực điều khiển lưỡng cực Phương pháp điều khiển động bước: Có phương pháp điều khiển động... xung dòng điện cho Dạng điều khiển gọi điều khiển bước đủ, hay gọi điều khiển đối xứng Điều khiển động bước pha hai pha theo phương pháp đầy bước Bảng trạng thái điều khiển động bước pha Bước