Đề tài Nghiên cứu, thiết kế bộ nạp Acquy ứng dụng vi điều khiển

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG CỘNG HOÀ Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN ........ —&–....... BỘ MÔN TỰ ĐỘNG-ĐO LƯỜNG ...—&–.... NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giáo viên hướng dẩn: PGS.TS. ĐOÀN QUANG VINH Sinh viên thực hiện : NGUYỄN VĂN THIỆN TRẦN ĐỨC VIỆT NGUYỄN VĂN DANH Lớp : 01ĐTĐ Ngành : TỰ ĐỘNG – ĐO LƯỜNG I. Đề tài thiết kế: Nghiên cứu, thiết kế bộ nạp Acquy ứng dụng vi điều khiển II. Số liệu ban đầu: Lấy từ các thông số của các bộ nạp hiện có ở các trạm. Hai bình acquy: Điện áp mỗi bình : U = 12V. Dung lượng mỗi bình : I=5Ah III. Nội dung phần thuyết minh và tính toán : Chương I : Tổng quan về hệ thống tự động sạc acquy trong điện lực. Chương II : Giới thiệu một số tủ nạp. Chương III : Thiết kế bộ nạp. Phần 1 : Thiết kế phần chỉnh lưu. Phần 2 : Thiết kế mạch vi điều khiển. Phần 3 : Giới thiệu các bộ biến đổi DAC, ADC. Phần 4 : Sơ đồ mạch ghép nối giữa AT89C51với các bộ DAC, ADC. IV.Trình chiếu Powerpoint: Gồm có 4 bản. V. Ngày giao nhiệm vụ : Ngày 13 tháng 02 năm 2006 VI. Ngày hoàn thành : Ngày 28 tháng 5 năm 2006 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN GIÁO VIÊN DUYỆT (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên) PGS.TS.Đoàn Quang Vinh TRƯỞNG BỘ MÔN SINH VIÊN THỰC HIỆN (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên) Th.s Lâm Tăng Đức Đà nẵng, ngày........tháng.......năm 2006 CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG (Ký và ghi rõ họ tên)  Nhận xét của giáo viên hướng dẫn: .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. Nhận xét của giáo viên duyệt: .................................................................................................................................. ................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. LỜI CẢM ƠN Trong 5 năm học tại Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng, chúng em đã nhận được sự giúp đỡ dạy dỗ tận tình từ các Thầy cô trong toàn thể nhà trường nói chung và các thầy cô giáo trong Khoa Điện nói riêng. Trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện đề tài, để có thể thực hiện tốt và hoàn thành tốt đề tài không chỉ cá nhân tôi mà có sự giúp đỡ của quý thầy cô và bạn bè Đến bây giờ, khoá học sắp hoàn thành em xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến: Thầy cô Khoa Điện, các thầy cô trong ngành tự động đo lường đã dạy dỗ chúng em trong suốt 5 năm học. Các thầy cô giáo trong toàn thể nhà trường Đại Học Bách Khoa Đặc biệt em gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo Đoàn Quang Vinh đã giúp đở em hoàn thành đồ án này. Mặc dù đã rất cố gắng để hoàn thành một cách tốt nhất, tuy nhiên vẫn không thể tránh khỏi những sai sót mong quý thầy cô thông cảm và góp ý thêm Em xin chân thành cảm ơn! Đà nẵng, ngày 28 tháng 5 năm 2006 Sinh viên thực hiện NGUYỄN VĂN THIỆN TRẦN ĐỨC VIỆT NGUYỄN VĂN DANH MỤC LỤC Lời nói đầu.................................................................................................0 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG SẠC ACQUI TRONG ĐIỆN LỰC....................................................................................1 Giới thiệu về nguồn thao tác....................................................................1 II. Nguồn thao tác một chiều........................................................................1 Acqui, công dụng và phân loại...............................................................1 Acqui axit...............................................................................................2 Acqui kiềm.............................................................................................6 III. Các chế độ nạp điện..................................................................................8 Giới thiệu các chế độ nạp.......................................................................8 Các chế độ nạp: .....................................................................................8 2.1 Nạp điện đầu........................................................................................8 2.2 Nạp điện thường..................................................................................11 2.3 Nạp điện cân bằng...............................................................................11 2.4 Chế độ phụ nạp....................................................................................12 Chương 2 GIỚI THIỆU MỘT SỐ TỦ NẠP ĐẶC TRƯNG.....................14 I. Giới thiệu chung..........................................................................................14 II. Tủ nạp CDN-HPT 50 220 XE (truyền tải huế)..........................................14 Sơ đồ nguyên lý......................................................................................14 Nguyên tắc hoạt động.............................................................................16 III. Tủ nạp 3PH DC 110 50 của Hyundai-Vinashin........................................21 Sơ đồ nguyên lý.......................................................................................21 Đặc tính chung.........................................................................................24 Đặc tính kỹ thuật......................................................................................25 IV. Tủ nạp CHLORIDE 3CBC 220 50 (công ty Việt Á).................................27 Sơ đồ nguyên lý........................................................................................27 Các thông số bộ nạp..................................................................................27 Chức năng của bộ nạp...............................................................................28 Nguyên tắc chung.....................................................................................28 Mô tả tóm tắt về bộ nạp............................................................................28 Đặc tính kỹ thuật chung............................................................................29 Các chế độ hoạt động................................................................................30 Mô tả tóm tắt mạch điều khiển 3CBC-4...................................................30 Chương 3 THIẾT KẾ BỘ NẠP.....................................................................33 I. Giới thiệu công nghệ......................................................................................33 II. Phần thiết kế.................................................................................................34 Phần 1:Thiết kế phần chỉnh lưu ...................................................................34 Tính toán bộ nguồn và mạch chỉnh lưu......................................................34 Tính toán các thông số và chọn các linh kiện của mạch điều khiển...........40 Phần 2: Thiết kế mạch vi điều khiển..............................................................44 Giới thiệu về họ vi điều khiển....................................................................44 Cấu trúc phần cứng của 8051.....................................................................47 Giới thiệu các chế độ địa chỉ của 8051.......................................................58 Hoạt động của bộ định thời timer...............................................................59 Hoạt động của cổng nối tiếp.......................................................................61 Hệ thống ngắt..............................................................................................65 Phần 3: Giới thiệu các bộ biến đổi DAC, ADC..............................................69 1. Bộ biến đổi tương tự DAC.............................................................................69 1.1 Giới thiệu chung.........................................................................................69 1.2 Ghép nối DAC0808 (MC1408) với 8051...................................................71 2. Bộ biến đổi tương tự số ADC........................................................................72 Giới thiệu chung.........................................................................................72 Ghép nối ADC0804 với 8051.....................................................................72 Phần 4: Chương trình......................................................................................77 Sơ đồ mạch ghép nối giữa AT89C51 với các bộ DAC, ADC......................77 Viết chương trình..........................................................................................78 Tài liêu tham khảo.............................................................................................81 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật trên đà phát triển. Đặc trưng là kỹ thuật máy tính, công nghệ thông tin và tự động hoá. Điều đó đã mang lại lợi ích to lớn về nhiều mặt như đảm bảo và nâng cao chất lượng sản phẩm, tiết kiệm nguyên vật liệu, nâng cao năng suất và hiệu quả sản xuất.. Cùng trong xu thế đó, năm 1972 hãng Intel đã đưa ra giới thiệu bộ vi điều khiển (microcontroller), một chip tương tự như bộ vi xử lý là một trong những bộ đã và đang có những ứng dụng ngày càng rộng rãi và thâm nhập ngày càng nhiều trong các lĩnh vực kỹ thuật và đời sống xã hội. Hầu hết các thiết bị kỹ thuật từ phức tạp đến đơn giản như thiết bị điều khiển tự động, thiết bị văn phòng cho đến các thiết bị trong gia đình đều có dung các bộ vi điều khiển. Dựa trên những kiến thức đã học, em sử dụng bộ vi điều khiển 8051 để thiết kế bộ sạc acqui điện lực. Đây là dịp để chúng em cũng cố lại kiến thức đã học, từng bước nắm bắt kiến thức thực tế khi ra trường hoà nhập vào trong xã hội. Đề tài của em gồm có 3 chương cơ bản: Chương1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG SẠC ACQUI TRONG ĐIỆN LỰC Nội dung của chương này là giới thiệu tổng quan về hệ thống tự động sạc acqui điện lực, nguồn thao tác một chiều, các nguồn thao tác một chiều và các chế độ nạp của acqui. Chương2 GIỚI THIỆU MỘT SỐ TỦ NẠP ĐẶC TRƯNG Nội dung cơ bản của chương này là đưa ra một số tủ nạp điện lực đặc trưng ứng dụng vi diều khiển gồm các tủ nạp: Tủ nạp CDN-HPT 220 50 XE (của truyền tải huế), tủ nạp 3PH DC 110 50 (của công ty TNHH Hyundai_Vinashin), và tủ nạp CHLORIDE 3CBC 220 50 (của công ty Việt Á) Chương 3 THIẾT KẾ BỘ NẠP Nội dung của chương này là phần thiết kế chính. Giới thiệu công nghệ chính. Phần chỉnh lưu, tính toán phần chỉnh lưu. Phần điều khiển, tính toán mạch điều khiển. Phần vi điều khiển, phần ghép nối với thiết bị tương tự DAC ADC. Sơ đồ thuật toán và viết chương trình. Với điều kiện thời gian cũng như kiến thức có hạn nên chắc chắn đồ án không thể tránh khỏi các thiếu sót. Do vậy em rất mong được sự chỉ bảo của các Thầy Cô. Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của thầy Đoàn Quang Vinh-Giáo viên hướng dẫn, cùng với sự giúp đỡ của các thầy cô giáo trong khoa Điện, đặc biệt là quí thầy cô trong bộ môn Tự động - Đo lường đã tạo mọi điều kiện để em có thể hoàn thành tốt đồ án của mình. Đà Nẵng, Ngày 28 tháng 5 năm 2006 Sinh viên thực hiện NGUYỄN VĂN DANH TRẦN ĐỨC VIỆT NGUYỄN VĂN THIỆN CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG SẠC ACQUI TRONG ĐIỆN LỰC I. Giới thiệu về nguồn thao tác : Trong nhà máy điện và trạm biến áp, nguồn điện thao tác làm nhiệm vụ cung cấp điện cho các thiết bị bảo vệ, tự động hóa, điều khiển, tín hiệu, chiếu sáng sự cố, các cơ cấu tự dùng quan trọng…Nguồn điện thao tác cần có độ tin cậy cao, độc lập với lưới điện chính hay sự cố, có công suất đủ lớn để đảm bảo sự làm việc chắc của các thiết bị trong chế độ nặng nề nhất, điện áp trên thanh góp cần có độ tin cậy cao. Muốn vậy các nguồn thao tác và lưới phân phối cần có độ dự trữ lớn, đảm bảo an toàn, dể sử dụng và một yêu cầu chung nửa là kinh tế. Nguồn thao tác có thể là một chiều hoặc xoay chiều. Song để có độ tin cậy cung cấp điện cao và cấu tạo của các thiết bị đơn giản, gọn nhẹ, trong các nhà máy điện và các trạm biến áp lớn người ta thường dung nguồn thao tác một chiều, mặc dù giá thành của chúng đắt và vận hành khá phức tạp. Nguồn thao tác một chiều thường là acqui và các thiết bị chỉnh lưu có công suất lớn, nhưng trong một số trường hợp người ta dung bộ nghịch lưu tạo “điện áp xoay chiều an toàn” để cung cấp điện cho các máy tính và các phương tiện bảo vệ điện tử trong các nhà máy điện và trạm biến áp có hệ thống thứ cấp hiện đại. Điện áp của nguồn thao tác một chiều thường là 220KV và 110KV đối với các lưới cung cấp cho rơle và thiết bị điều khiển; 60V, 48V và 24V đối với các mạch tín hiệu, thông tin… Nguồn thao tác xoay chiều do có nhiều nhược điểm quan trọng, nên chỉ được dùng trong các trạm biến áp nhỏ. II.Nguồn thao tác một chiều: Acqui được xem là nguồn thao tác một chiều tin cậy nhất vì sự làm việc của chúng không phụ thuộc vào lưới điện xoay chiều và đảm bảo cho các thiết bị thứ cấp làm việc tốt ngay cả khi mất toàn bộ nguồn điện chính của nhà máy hoặc của trạm. Một ưu điểm không nhỏ của acqui là khả năng cho phép quá tải ngắn hạn khá lớn, điều này đặc biệt cần thiết khi dung điện một chiều để đóng cắt trực tiếp các máy cắt công suất lớn vì khi đó sẻ có sự nhảy vọt về dòng điện. Acqui, công dụng và phân loại: Acqui là nguồn điện hóa học, cung cấp dòng điện một chiều cho tải, có đặc tính cơ bản là có thể làm việc ở chế độ phóng (nguồn điện) và chế độ nạp (phụ tải). Khi làm việc ở chế độ nạp, acqui tiếp nhận năng lượng của nguồn nạp, tích lũy lại dưới dạng hóa năng. Khi làm việc ở chế độ phóng, hóa năng được biến thành điện năng cung cấp cho tải. Do đó, có thể coi acqui là một bình tích trữ điện năng để dùng khi cần thiết, và acqui có thể xem là bình điện. Do tính chất cơ bản là tích lũy được điện năng, nên acqui chủ yếu được dùng làm nguồn làm nguồn điện dự trữ, để đảm bảo sẳn sàng cung cấp điện liên tục trong các trường hợp cần thiết. Ở các nhà máy điện và trạm biến áp, acqui được dùng làm nguồn dự trữ cơ bản của hệ thống điện một chiều, cấp cho các mạch điều khiển, tín hiệu, bảo vệ rơle, tự động, và nguồn chiếu sáng sự cố khi mất nguồn điện xoay chiều. Acqui còn được dùng trên ôtô, tàu thủy, máy bay làm nguồn điện mở máy động cơ, làm nguồn điện của các thiết bị thông tin, liên lạc và nhiều mục đích khác. Acqui dùng làm nguồn điện thao tác có ưu điểm cơ bản là đảm bảo chắc chắn độ tin cậy cao, ít phụ thuộc vào nguồn xoay chiều. Ngoài ra, acquy có dung lượng lớn, điện áp ít biến thiên, có khả năng cấp dòng điện lớn khi đóng máy cắt, ít làm ảnh hưởng đến sự làm việc của bảo vệ Rơle, hệ thống điều khiển, tín hiệu và tự động của nhà máy điện và trạm biến áp. Chính vì thế nguồn thao thác bằng điện một chiều có hệ thống acqui hiện nay được dùng ở hầu hết các nhà máy điện và trạm biến áp công suất trung bình trở lên. Tuy nhiên, acqui làm phức tạp hóa sơ đồ tự dùng của các nhà máy, quy trình vận hành và bảo quản phiền phức, tăng giá thành xây dựng, nên ở những trạm không lớn lắm, người ta có xu hướng dung nguồn điện thao thác xoay chiều thay cho acqui . Căn cứ theo cấu tạo, acqui có hai loại phổ biến là acqui axit (hay acqui chì) và acqui kiềm. Acqui kiềm có 3 kiểu cấu tạo bản cực là acqui cadmi-kền acqui sắt -kền và acqui bạc-kẽm . Căn cứ theo điều kiện sử dụng, người ta chia acqui tĩnh tại, là acqui đặt cố định trong các phòng riêng (phòng acqui) và acqui di động trên ôtô, tàu thủy, tàu hỏa, máy bay… 2. Acqui axit: 2.1 Cấu tạo của acqui axit: Acqui axit tĩnh tại gồm có vỏ và các tấm cực chì. Võ làm bằng gỗ trong đó có lót lá chì. Nói chung hiện nay acqui đặt ở các nhà máy điện hoặc trạm biến áp đều có vỏ bằng thủy tinh hoặc nhựa tổng hợp. Tấm cực là khung làm bằng hợp kim chì antimoan, có nhét đầy chất hoạt tính là bột chì và chì ôxit hoặc hổn hợp chì ôxit và antimoan. Sau khi đã nạp đầy, các tấm cực sẽ được phân cực. Chất hoạt tính ở cực dương sẽ là chì điôxit còn ở cực âm là chì xốp màu ánh thép. Các tấm cực cùng cực tính được nối với nhau thành các tấm cực và có một đầu ra chung. Như vậy các tấm cực sẽ nối song song với nhau. Các tấm cực dương và âm được đặt xen kẻ với nhau, sao cho chúng ở gần với nhau (song song với nhau), nhưng không được chạm nhau. Để tránh chất hoạt tính bong ra, gây chạm chập, người ta lót giữa các tấm cách. Tấm cách làm bằng gỗ dán hoặc các tấm lưới mắt nhỏ bằng ebonite. Giữa các tấm cưc, còn có đũa ngăn cách bằng gổ hoặc thủy tinh, để tránh bản cực bị cong sẽ chụp vào nhau. Acqui axit di động (acqui ôtô, tàu thủy ….). Khối tấm cực của acqui gồm có khối dương và khối âm, giữa chúng có tấm ngăn cách. Các tấm cực dương có mấu để đưa vào gờ đở tấm cực, còn tấm cực âm thì tựa vào đế cách điện. Các tấm cực đặt trong vỏ bằng nhựa tổng hợp, trên là nắp có ba lỗ, lỗ giữa để bổ sung dung dịch còn hai lổ bên để thông khí. Lổ bổ sung dung dịch có nút nhằm thoát khí từ trong acqui ra, đồng thời ngăn dung dịch chảy ra ngoài khi acqui bị song sánh trong quá trình di chuyển acqui. Các tấm cực của acqui axit được đặt trong dung dịch điện phân là axit sunfuric. Tỷ trọng dung dịch khi mới đổ vào acqui là 1,18 và sau khi nạp đầy là 1.20-1,21. Hình 1-1. Cấu trúc của acqui axit 2.2 Nguyên lý hoạt động của acqui axit : Sau khi lắp acqui, cần tiến hành nạp để phân cực tính acqui. Khi chưa nạp, ở cả cực âm và cực dương đều có chất hoạt tính là chì ôxit PbO. Khi ngập trong dung dịch, chì ôxit tác dụng với axit để biến thành chì sunfat : PbO + H2SO4 = PbSO4 + H2O Như vậy cả hai cực đều có cùng cực tính là PbSO4, nên acqui chưa phân cực và chưa thể phóng điện được In A In H+ SO4-- PbSO4 PbSO4 Tải If A If H+ SO4-- PbO2 Pb (a) (b) Hình 1-2. Sơ đồ nạp (a) và phóng (b) của acqui axit. Muốn nạp điện, ta nối cực dương của acqui vào cực dương nguồn nạp, cực âm acqui vào cực âm nguồn nạp (hình a). Trong dung dịch, dòng điện sẽ đi từ cực dương về cực âm. Do đó, các ion dương Hđi về cực âm và các ion âm SO--đi về cực dương. Tại cực dương, anion SO4— sẽ ôxi hóa thì sunfat theo phản ứng: SO4-- + PbSO4 + 2H2O = PbO2 + 2H2SO4 Còn ở cực âm, cation H+ sẽ khử, chỉ sunfat theo phản ứng: 2H+ + PbSO4 = Pb + H2SO4 Kết hợp cả hai phản ứng ở cực dương và âm, ta có phương trình phản ứng tổng hợp khi nạp điện: PbSO4 + 2H2O + PbSO4 = PbO2 + 2H2SO4 + Pb (+) (-) (+) (-) Qua phương trình này, ta có các nhận xét sau: Trong quá trình nạp điện : +Chất hoạt tính ở cực dương biến dần thành chì điôxit PbO2, còn chất họat tính ở cực âm biến dần thành chì xốp. Kết quả là acqui được phân cực; +Axit sunfuric được giải phóng, còn nước bị phân tích, do đó, nồng độ nhiệt tăng lên, sức điện động của acqui tăng theo, điện trở trong giảm xuống . Qúa trình nạp coi như kết thúc, khi tất cả chất hoạt tính đã biến hóa hết và do đó, nồng độ dung dịch không tăng nữa. Sức điện động của acqui khi nạp đầy khoảng 2,05V . Khi acqui phóng điện (như hinh vẽ) dòng điện qua dung dich đi từ cực âm về cực dương. Do đó, cation H+ đi theo chiều dòng điện sẽ về cực dương còn anion SO4— đi về cực âm. Tại cực dương, cation H+ sẽ khử chì điôxit để giải phóng chì sunfat : 2H + H2SO4 + PbO2 = PbSO4 + 2H2O Còn ở cực âm anion SO4-- sẽ ôxi hóa chì, biến thành chì – Sunfat : SO4 + Pb = PbSO4 Phương trình phản ứng khi phóng điện là : PbO2 + 2H2SO4 + Pb = PbSO4 + 2H2O + PbSO4 (+) (-) (+) (-) Qua phương trình này ta có nhận xét sau: Trong quá trình phóng điện: + Chất hoạt tính ở cực dương (PbO2) và cực âm (Pb) bị tiêu hao dần, biến thành chì sunfat (PbSO4) và do đó, sự phân cực của acqui giảm dần; + Axit sunfuric bị phân tích, nước được tạo thêm, nên nồng độ giảm dần. Kết quả là sức điện động của acqui giảm dần, còn điện trở trong tăng lên. Về lý thuyết, có thể cho acqui phóng hết hoàn toàn dung lượng, tức là tất cả các chất hoạt tính đã biến thành chì sunfat, sức điện động của acqui bằng không. Thực ra, khi phóng gần hết dung lượng, điện trở trong tăng lên nhanh chóng, điện áp trên cực acqui giảm nhanh và khi sức điện động đã giảm nhiều, acqui rất khó phục hồi dung lượng. Vì thế, người ta qui định là chỉ được phóng đến điện áp 1,7-1,8V thì phải ngừng phóng và tiến hành nạp lại acqui. 2.3. Các thông số của acqui: Sức điện động: Sức điện động của acqui là điện áp không tải trên cực acqui. Sức điện động của acqui chỉ chủ yếu phụ thuộc vào nồng độ nhiệt và có thể xác định gần đúng theo công thức thực nghiệm sau: E0 = 0,84 + Ở đây,là tỷ trọng dung dịch. Theo công thức này, sức điện của acqui khi nạp đầy ( =1,21) sẽ là: E0 = 0,84 + 1,21= 2,05V còn khi phóng hết (= 1,15), E0 = 1,99V. Vì thế, có thể coi sức điện động của acqui axit là 2V . Dòng điện phóng : IF và dòng điện nạp In là các đại lượng ảnh hưởng rất lớn làm việc của acqui. Nếu phóng với dòng điện lớn, phản ứng xảy ra mạnh, chất hoạt tính bị biến đổi nhanh, sẽ tạo thành một lớp chì sunfat bao bộc bên ngoài và do đó, sẽ cản trở lớp hoạt tính bên trong tiếp xúc với dung dịch. Kết quả là một số chất hoạt tính không tham gia phóng điện và do đó, dung lượng phóng của acqui sẽ giảm đi. Ngược lại, nếu phóng với dòng điện nhỏ, phản ứng xảy ra từ từ, làm cho chất hoạt tính có thể tham gia toàn bộ vào quá trình phóng điện và dung lượng phóng sẽ tăng lên . Gọi thời gian phóng từ lúc bắt đầu phóng đến lúc phóng hết là tf tương ứng dòng điện phóng If, ta có dung lượng phóng tương ứng là Qf : Qf = If . tf Người ta lấy dung lượng phóng tương ứng với chế độ 10h là dung lượng định mức của acqui -Qdm . Đó là dung lượng lớn nhất của acqui khi phóng với dòng điện lớn hơn dòng điện phóng 10h, dung lượng phóng sẽ nhỏ hơn Qđm . Điện áp ngưỡng phóng: Unf là điện áp ở cực khi acqui đã phóng hết dung lượng quy định. Đối với acqui axit, Unf =1,7-1,8 V. Điện áp nạp đầy Unđ : Là điện áp trên cực khi acqui đã nạp đầy dung lượng quy định. Đối với acqui axit Unđ = 2,5-2,7 V . d. Đặc tính của một số acqui axit: Ở các nhà máy điện và trạm biến áp có đặt acqui làm nguồn điện thao tác một chiều, thông thường dùng loại acqui mã hiệu C và CK do Liên Xô sản xuất, các bình acqui kiểu CK khác những bình kiểu C ở chổ thanh nối giữa các bình được tăng bề dày. Kèm theo ký hiệu C và CK có một con số chỉ độ lớn của acqui. Số hiệu càng cao, acqui có dung lượng càng lớn, và do đó khối lượng và thể tích cũng lớn theo 3. Acqui kiềm: Acqui kiềm có điện cực dương là các tấm xốp hợp chất niken, cực âm là các tấm xốp cađmi, chất điện phân là dung dịch kiềm KOH. Acqui được dùng nhiều trong các nhà máy điện và trạm biến áp nhỏ và trung bình, có sự hạn chế về không gian. Các loại thường được sử dụng là: T/TP - có các bản cực dương kiểu ô nhỏ ; TS/TSP - acqui khởi động có cực dương kiểu ô nhỏ. Hình 1-3. Cấu trúc của acqui kiềm So với acqui axit acqui kiềm có những ưu nhược điểm sau: Ưu điểm: - Độ bền cơ lớn hơn, tuổi thọ cao; Dễ bảo dưỡng ; Thể tích và trọng lượng nhỏ hơn đáng kể ; Ít ảnh hưởng đến môi trường ; Nhược điểm: - Điện áp mỗi ngăn nhỏ hơn (1.2V/ngăn so với 2V/ngăn của acqui axit); Khi nạp thêm tăng 50% ; Khi phóng điện áp giảm 20%; Hiệu suất chỉ bằng 75% theo dung lượng Ah và 50-60% theo năng lượng Wh, do vậy, dòng điện tiêu thụ lớn hơn rất nhiều Tiêu thụ nước cất nhiều hơn, phải thay nước điện phân hai năm một lần; Nhạy với nhiệt độ, do vậy, nếu dùng ở những nơi có khí hậu nóng cần phải kể đến nhiệt độ môi trường khi thiết kế ; Các đặc tính phóng điện dốc hơn; Có giới hạn thay đổi điện áp khi phóng điện nhỏ ; Bội số quá tải cho phép ngắn hạn về dòng điện nhỏ hơn nhiều so với acqui axit. Từ các so sánh trên, dễ dàng thấy được vì sao trước đây người ta hay sử dụng acqui axit trong các nhà máy điện và trạm biến áp, mặt dù phải cần đến phòng đặt acqui đặc biệt để tránh độc hại và ngăn ngừa tác động ăn mòn của hơi axit. 4. Chế độ nạp điện: 4.1 Các chế độ nạp điện: Quá trình nạp điện có ảnh hưởng quyết định đến chất lượng của acqui. Tùy theo mục đích và yêu cầu nạp điện, người ta chia ra làm nhiều chế độ nạp khác nhau: + Nạp điện lần đầu: Chỉ tiến hành với acqui axit, để phân cực acqui và nạp dung lượng đầu tiên cho acqui. Ta biết, khi mới lắp, cả hai tấm cực dương và cực âm đều cùng chứa cùng một chất hoạt tính là chì-sunfat. Nạp điện đầu sẽ phân cực các tấm cực tạo ra chì điôxit ở cực dương và chì xốp ở cực âm. + Nạp điện thường: để phục hồi dung lượng cho acqui sau khi đã phóng hết dung lượng. Nạp điện thường tiến hành cả cho acqui axit và acqui kiềm + Nạp điện cân bằng: nhằm mục đích khử sunfat cho acqui axit. Hiện tượng sunfat hóa hay xuất hiện ở acqui axit là một trong các nguyên nhân làm giảm dung lượng của acqui. Đó là hiện tượng chì sunfat hình thành ở tấm cực không tham gia phản ứng trong quá trình nạp điện thường, và do đó, chất hoạt tính không được giải phóng đầy đủ. Nếu hiện tượng sunfat hóa xảy ra nhiều và tồn tại lâu dài, chì sunfat sẽ kết cứng thành chai tấm cực sẽ mất dần khả năng tham gia phản ứng phóng nạp. Vì thế, nạp điện cân bằng nhằm khử kịp thời hiện tượng này. + Phụ nạp thường xuyên: Nhằm mục đích bổ sung kịp thời dung lượng acqui bị giảm do phóng điện hay hiện tượng tự phóng. Như vậy, acqui được phụ nạp sẽ thường xuyên đầy dung lượng. Acqui ở các nhà máy điện, trạm biến áp, trên ôtô…nói chung đều có phụ nạp. + Nạp phục hồi : Để phục hồi tấm cực bị sunfat hóa nặng. Nạp phục hồi chỉ tiến hành để sửa chữa acqui. + Nạp bổ sung: Để nhằm nạp đầy acqui sau một thời gian phóng điện. Nạp bổ sung chỉ tiến hành với các acqui không làm việc ở chế độ phụ nạp. Sau đây, ta xét một số chế độ nạp acqui thường gặp trong việc vận hành acqui. 4.2 Nạp điện đầu: Nạp điện đầu, còn gọi là nạp hình thành tiến hành đối với acqui axit vừa lắp xong, trước khi đưa vào vận hành, hoặc đối với các acqui sau sửa chữa lớn có thể thay thế tấm nạp. Nạp hình thành nhằm mục đích biến đổi chì sunfat thành chì đioxit ở cực dương và chì xốp ở cực âm. Thời gian và phẩm chất của acqui sau này sẽ phụ thuộc vào chất lượng nạp hình thành. Nạp điện đầu cần truyền cho acqui một dung lượng gấp 10 lần dung lượng định mức của acqui, với dòng điện nạp cho ở bảng sau đối với các acqui OT hoặc TT, thời gian khoảng 65-75h. Dung dịch điện phân rót vào bình phải có tỷ trọng 1,1S, nhiệt độ không quá 30oC. Sau khi rót vào bình, tỷ trọng chất điện phân sẽ giảm xuống trong một vài giờ đầu, hiện tượng đó là bình thường, không cần phải điều chỉnh.Acqui đã rót chất điện phân cần để yên trong 2-4h cho dung dịch thấm đều vào các tấm cực. Đối với các acqui OT và TT, tỷ trọng dung dịch rót vào bình là 1,26. Bảng 1.4. Đặc tính kỹ thuật của acqui sắt kiềm Dung lượng Dòng điện nạp định mức[Ah] 4,5 lần dung hình thành [A] Dung lượng định mức [Ah] Nạp hình thành [Ah] 1 36 7 162 360 2 72 11 325 720 3 108 21 485 1080 4 110 28 650 1110 5 166 35 820 1300 6 216 30 975 2100 8 288 40 1300 2880 10 566 50 1620 3600 12 132 60 1960 4320 11 504 70 2270 5010 16 576 80 2590 5760 18 648 90 2920 6180 20 720 100 3210 7200 21 861 108 3380 8610 23 1008 126 4510 10080 32 1152 141 5185 11520 36 1296 162 5830 12960 40 1140 180 6480 14100 41 1584 198 7110 15840 48 1728 216 7780 17280 Nguồn điện nạp cần đảm bảo cung cấp liên tục dòng điện như cho trong bảng và phải có khả năng điều chỉnh được dòng điện ( thay đổi điện áp trên cực acqui). Cực dương nguồn phải đấu đúng với cực dương acqui . Trình tự nạp điện đầu như sau : + Nạp điện liên tục với dòng điện như trong bảng trên, sao cho dung lượng nạp đạt 4,5 lần dung lượng định mức, điện áp trên cực acqui đạt tới giá trị không dưới 2,4V . + Sau đó cho ngừng 1 giờ để kiểm tra acqui, phát hiện các sai sót, bổ sung thêm dung dịch . + Tiếp tục nạp với dòng điện nạp đầu, truyền cho acqui một dung lượng bằng định mức. Sau đó lại ngừng một giờ, rồi lại nạp một dung lượng định mức. Cứ như thế tiếp tục cho đến khi đạt tổng dung lượng nạp đủ 10 lần dung lượng định mức. Quá trình nạp điện kết thúc khi đạt được các yêu cầu sau: - Điện áp trên mỗi bình đạt trị số 2,5-2,75V - Tỉ trọng dung dịch điện phân đạt 1,2-1,21 và không đổi trong thời gian 2-3 giờ liền (đối với acqui OT, tỉ trọng này là 1,26 ). - Có hiện tượng sôi chất điện phân ở các tấm cực ở tất cả các bình. Cần chú ý là khi tiến hành nạp đầu để truyền 4,5 lần dung lượng đầu tiên, cần hết sức tránh ngừng nạp acqui. Nếu nhiệt độ dung dịch vượt quá 40oC, khi cần áp dụng các biện pháp quạt gió, chứ không nên giảm dòng điện nạp. Trị số dòng điện nạp đầu ghi ở bảng là trị số tối đa. Thực tế có thể nạp với dòng điện nhỏ hơn, nhưng thời gian phải kéo dài để đảm bảo dung lượng nạp. Sau khi kết thúc nạp điện đầu, cần phải tiến hành ba lần phóng điện tập dượt, phóng hết dung lượng và nạp điện thường cho tới đầy. Dòng điện phóng thực hiện theo chế độ 3 giờ hoặc 10 giờ, qua điện trở trước. Dung lượng phóng tính theo công thức: Qf = If.cb . Tf Ở đây, If.cb là dòng điện phóng trung bình. Dung lượng thực tế cần quy đổi về nhiệt độ dung dịch ở 25oC theo công thức sau: Q25 = Ở đây, Q25 và Qt là dung lượng ở 25oC và toC, cuối cùng, acqui được tiến hành nạp điện thường để kết thúc quá trình nạp điện đầu. c. Nạp điện thường: Nạp điện thường nhằm mục đích phục hồi đủ dung lượng cho acqui, sau khi acqui đã phóng hết dung lượng quy định, thông thường là 75% dung lượng định mức, khi acqui phóng điện ở chế độ lâu dài, tương ứng với sức điện động mỗi bình không dưới 1,9V, tỷ trọng dung dịch điện phân 1,155-1,17 đối với acqui axit kiểu CK, hoặc 1,13 đối với acqui OT. Trước khi nạp, cần kiển tra sức điện động, tỉ trọng và mức dung dịch trong mỗi bình. Nếu tỉ trọng và mức dung dịch không đủ thì cần phải bổ sung . Dòng điện nạp tối đa cho phép đối với acqui chỉ được áp dụng trong trường hợp khẩn cấp, khi acqui đã trải qua 10-12 lần phóng nạp bình thường, còn nói chung, chỉ được nạp acqui bằng dòng điện không quá 75% dòng điện nạp tối đa, tức là bằng dòng điện nạp ghi trong bảng số liệu acqui. Đối với acqui kiềm, dòng điện nạp thường là dòng điện ở chế độ nạp 7 giờ. Khi điện áp trên mỗi bình đạt tới 2,3-2,4V, acqui bắt đầu hiện tượng sôi, cần giảm dòng điện nạp, đến trị số bằng 40% dòng điện nạp tối đa. Trong suốt quá trình nạp, nhiệt độ dung dịch không vượt quá 40%. Khi nhiệt độ vượt quá trị số này, cần giảm dòng điện nạp. Khi nạp acqui, cần mở quạt thông gió phòng acqui để hơi axit bốc ra dể dàng phóng ra ngoài. Nếu không có phương tiện thông gió, cần đặt acqui nạp ở chổ thoáng gió. Acqui nạp đều được xác định bởi các điều kiện sau: + Khi dòng điện nạp giảm 40% dòng điện nạp tối đa, mà điện áp trên mỗi bình đạt tới 2,5-2,7V và giữ không đổi trong 1h, đối với acqui kiềm, điện áp này là 1,8V. + Tỷ trọng dung dịch đạt trị số 1,2-1,21 và giữ không đổi trong 1h; đối với acqui OT,tỷ trọng là 1,26. + Có hiện tượng sôi mạnh ở tất cả các tấm cực; + Đã truyền cho acqui đủ dung lượng cần nạp; dung lượng này bằng 1,18- 1,2 lần dung lượng acqui đã phóng ra trước khi nạp. d. Nạp điện cân bằng: Nạp điện cân bằng nhằm khử sunfat trên mặt tấm cực, và do đó, duy trì được dung lượng của acqui. Theo qui định, acqui ở nhà máy điện và trạm biến áp cứ 3 tháng phải nạp cân bằng 1 lần. Ngoài ra, các trường hợp sau đây cùng cần phải tiến hành nạp cân bằng : Acqui đã phóng điện hết quá 1 ngày mà chưa nạp điện trở lại. Tỷ trọng dung dịch điện phân bị giảm xuống dưới mức qui định. Acqui nhiều lần không được nạp đủ Khi thường xuyên cho acqui phóng với dòng điện quá nhỏ Acqui đã phóng hết dung lượng định mức hoặc dòng điện phóng vượt quá trị số cho phép. Trình tự tiến hành nạp cân bằng như sau: + Cho acqui phóng hết dung lượng (đến điện áp 1,8V ) riêng đối với các acqui đã phóng hết dung lượng thì không tiến hành tiết mục này. + Tiến hành nạp điện thường cho acqui. + Ngừng nạp trong 1h. Trong thời gian này, không nên để acqui phóng điện. + Tiến hành nạp acqui với dòng điện bằng 40% dòng điện nạp tối đa cho phép. Khi acqui sôi rất mạnh và tỏa khí nhiều thì ngừng nạp trong 1h. + Lại tiếp tục nạp như mục 4. Cứ thế kéo dài, cho tới khi dung lượng nạp tổng cộng bằng 3 lần dung lượng định mức, quá trình nạp cân bằng coi như kết thúc. c. Chế độ phụ nạp: Acqui làm việc ở chế độ phụ nạp sẽ thường xuyên được nạp điện bằng dòng điện nhỏ. Dung lượng nạp này bù lại dung lượng tự phóng trong acqui, cũng như dung lượng phóng xung kích. Nhờ vậy, acqui luôn ở trạng thái đầy dung lượng. Điều này nâng cao tính tin cậy của hệ thống điện một chiều. Theo quy phạm quản lý kỹ thuật, hệ thống acqui ở các nhà máy điện và trạm biến áp phải được làm việc ở chế độ phụ nạp thường xuyên. Dòng điện phụ nạp được xác định bằng công thức: I n.f = Ở đây Inf – Dòng điện phụ nạp ,A Qdm - Dung lượng định mức của acqui, Ah Công thức này dùng để tham khảo. Dòng phụ nạp thích hợp sẽ phụ thuộc vào nhiều yếu tố, nhất là chất lượng acqui. Acqui cũ, xấu, hiện tượng tự phóng nhiều, dòng phụ nạp cần lớn. Ngược lai, acqui còn tốt, tự phóng ít, sẽ yêu cầu dòng phụ nạp nhỏ. Khi dòng phụ nạp lớn hơn yêu cầu, ở acqui sẽ có hiện tượng sôi và toả khí mạnh, điện áp trên mỗi bình vượt quá 2,2V. Lúc này cần phải giảm dòng phụ nạp. Ngược lại, nếu dòng phụ nạp không đủ, điện áp trên mỗi bình sẽ thấp hơn 2,1V, tỷ trọng dung dịch thấp hơn 1,2-1,21. Lúc này cần tăng dòng phụ nạp. Dòng điện phụ nạp coi như thích hợp, nếu điện áp ở mỗi bình đạt khoảng 2,1-2,2V, còn tỷ trọng dung dịch nằm trong phạm vi 1,20 -1,21. Chương 2: GIỚI THIỆU MỘT SỐ TỦ NẠP Tủ nạp CDN – HPT 50 220 XE: Đây là tủ nạp của hãng AEES, Pháp. Tủ nạp được vận hành hoàn toàn tự động với các chế độ nạp, và được sử dụng hiện nay ở một số trạm truyền tải Huế. D C DJS CSA Remote control DC OUTPUT 868 145 HPT CHARGE Rectifier Bridge HPT833 PILOT UNIT CS 898 Maxi 900 FU FSB SHC 900 BATTERY 898 900 Defaut charger Defaut Defaut Mini Charger Battery Battery 898 868 3 4 5 6 7 8 TR TRA R 1. Một số sơ đồ nguyên lý: To EPR1 To Folio EPR1 From TR folio EPR1 SFB(+) FU (+) SFB(-) FU (-) F4 F3 BLOC HPT 833/UNIT M1 M2 M3 FP LA RECTIFIER BRIDGE R S1 S2 S3 C D LC SHC 834 PILOT UNIT 834 Chú thích: - Máy biến áp (Transformer) + TR : Máy biến áp ba pha. + LC : Cuộn kháng lọc - Module vi điều khiển (Micro controller Module) + 898 : Bộ biến đổi DC/DC + 899 : Khối hiển tín hiệu/số PCB + 900 : Giao diện bộ vi điều khiển - Khối điều khiển sạc (Charging unit) + HPT 833 : Khối điều khiển + LA : Cuộn kháng ngắt + C : Tụ điện loại FELSIC 85 2200µF-350V + R : Điện trở loại 22KΩ + D : Điôt loại P600G + F, FM : Cầu chì - Hệ thống bảo vệ(Protection system). + DJS : Máy cắt + F1-F2-F4: Cầu chì 2A + F3 : Cầu chì 4A + SFB : Cầu chì 63A + FU : Cầu chì 50A + IM : Công tắc + BPE : Nút ấn + CS : Công tắt tơ 220/230 Vac -50 Hz + TRA : Máy biến áp phụ + 868 : Giám sát lỗi chạm đất một chiều - Khối đầu cuối(Terminal): 380,1/8 Nguyên tắc hoạt động : 2.1 Tổng quan : Hệ thống sạc một pha và ba pha có hệ thống điều chỉnh điện áp và dòng (UI) với dòng điện giới hạn. 2.2 Hoạt động của bộ sạc: Mạch nguồn: Nguồn AC được điều chỉnh bằng máy biến áp, sau đó được chỉnh lưu bởi bộ điều khiển cầu 3 pha không đối xứng hoặt đối xứng. Bộ điều khiển pha sẽ tạo ra dòng điện thích hợp với tổn thất là bé nhất. Một tụ lọc điện phân, có hoặc không có cuộn kháng lọc sẽ làm cho điện áp bằng phẳng hơn. Mạch điều khiển: Điều chỉnh hạn chế dòng và áp được tạo ra bởi bộ điều chỉnh dòng và áp, được hiển thị trên giao diện bề mặt ( điện áp 6V, dãy dòng tổng cộng 60mA). Bo mạch điều khiển sử dụng thông tin này để kích khởi các thyristor nhằm tạo ra dòng và áp trong giới hạn phù hợp. Mạch kiểm tra: Mạch hoạt động độc lập với mạch điều khiển ở bộ sạc. S900 PROTECTION OUTPUT BATTERY security ON MAINS CONTACTER FU SFB L TRASFORMER RECTIFIER BRIDGE PILOT UNIT S900 899 SMOOTHING REGULATION CS Sơ đồ nguyên lý mạch sạc: Đường đặc tính sạc: UE : Chế độ bằng tay Chế độ tự động : UC: nạp tăng cường UF: phụ nạp IT 0 UF UC UE U(V) I(A) U=constant IT : tải giới hạn tổng Nét đặc trưng của bộ nạp này phù hợp với kiểu acqui hở (Pb hoặc NiCd ); ở chế độ tự động có hai tốc độ nạp. Nạp tăng cao (UC ). Phụ nạp (UF) . Dòng điện được tự động giới hạn đến giá trị lớn nhất (IT) Trong chế độ tự động, tốc độ sạc được đóng ngắt bằng một ngắt điện và có chức năng thời gian tăng đôi để ngắt nguồn chính. Cả hai giá trị thời gian trễ này ( T1, T2 ) hiển thị trên giản đồ thời gian Tmax=T3 2s 2s Manual switching with BP boost Automatic switch UC/UF versus mains UF UC Mains ON Mains Boost charge floating t t t BP boost T1 T2 Mains OFF T3 T1: < nhịp độ trở về T2 :> nhịp trở về T3 : khoảng thời gian của tốc độ nạp theo chương trình 2.3. Bảo vệ: Mạch nguồn : Theo nguyên tắc chung, đầu vào và đầu ra được bảo vệ bằng cầu chì hoặc máy cắt phụ thuộc vào chế độ và đặc điểm của nguồn . Mạch điều khiển : Khối điều khiển sạc, khối phát xung và các chế độ hoạt động được giám sát bởi chương trình điều khiển xây dựng dựa trên chip điều khiển S900. Nó có nhiều mức điện áp được cài đặt (AC hoặc DC) để giám sát hoạt động của hệ thống nạp/acqui và nhiều đầu vào logic để thu thập các lỗi về cách điện, nhiệt độ và những lỗi khác. Lỗi chính: Là lỗi của nguồn cung cấp chính. Tín hiệu này tạo ra cảnh báo: Acqui sẽ hoạt động. Lỗi bộ sạc: Bao gồm 2 ngưỡng điện áp. Ngưỡng tối thiểu: Thể hiện điện áp đầu ra của bộ sạc thấp hoặc sự tắt không bình thường của nguồn chính. Ngưỡng tối thiểu chỉ đi báo tín hiệu. Sau khi sự cố xuất hiện nó sẽ phục hồi nhanh chóng. Ngưỡng cực đại: Là dấu hiệu quá tải và đi kèm với sự vận hành không bình thường của tủ nạp. Nguồn cung cấp cho bộ nạp được cắt ra để bảo vệ cho acqui tránh bị hư hỏng do quá tải. Lỗi acqui : Ngưỡng thấp: Là dấu hiệu của sự bắt đầu đóng tự động. Nguyên nhân khác có thể là do sự xuất hiện điện nạp thấp từ sự hư hỏng phần chính hoặc do sự cố tủ nạp. Ngưỡng tối thiểu: Là dấu hiệu của cuối quá trình nạp tự động khi sự cố xuất hiện, nó sẽ được phục hồi nhanh chóng để tránh bất kỳ sự hư hổng nào khác do sử phóng điện của acqui. 2.4. Đặc tính/cài đặt/điều chỉnh: Đặc điểm của nguồn cung cấp: Loại : 3 pha Điện áp : 380V +6-10% Tần số : 47 – 63 Hz Công suất : 18KVA Dòng cài đặt máy cắt: 50A Cài đặt hệ thống sạc: Giới hạn dòng sạc tổng cộng : 50A Điện áp phụ nạp(UF) : 238V Chức năng tự động( Auto) Điện áp nạp bình thường (UC): 243V Thời gian nạp (T3) : 15 h Cài đặt thời gian trể (TR) : 3 min Chức năng bằng tay( Manual ) Điện áp nạp cân bằng (UE) :259V Thời gian nạp cân bằng lớn nhất(TE): 24h Ngưỡng cài đặt cho S900: Ngưỡng lỗi bộ nạp - Ngưỡng cao : 255V - Thời gian trể : 10s - Ngưỡng thấp : 223,7V - Thời gian trể : 10s Ngưỡng lỗi acqui - Ngưỡng thấp : 205V - Thời gian trể : 2s - Ngưỡng cực tiểu: 200V - Thời gian trể : 6s Đo tương tự: Áp bình điện Dòng bộ nạp Điện áp nguồn AC Điều khiển hiển thị từ xa: - Lỗi bộ nạp - Lỗi acqui - Điện áp của acqui thấp Acqui: Loại acqui chì Điện áp : 220V Số lượng : 108 bình/2V. Bộ nạp acqui của Hyundai: Bộ sạc: 3PH DC 110V 50A Acqui : SLD150-2(150AH/10HR) 55 bình Bộ sạc này được sử dụng tại Nhà máy tàu biển Hyundai Vinashin. Quá trình nạp được ổn định nhờ hệ thống AVR và hệ thống bù Dropper (SID). 1. Sơ đồ nguyên lý tổng quát: STATION BATERIER BATERY TYPE SLD 150-2(50A) 150AH/10HR 50 CELLS FECIFIER MCCB2 DROPPER BA DA DA AV MCCB3 MCCB3 MCCB3 MCCB3 MCCB1 INPUT Sơ đồ mạch bù DROPPER: S2 LOAD BATT RECT F6 DV To FEEDER CIRCUIT LP LN SH2 BA MCCB3 BATTERY P1 N1 1 2 3 4 5 6 7 8 CN2 1 2 3 4 CN1 AVR MCCB4 LOAD MAIN MCCB2 DC MAIN MC1 MC2 MC3 MC3 D3 D2 MC1 D1 MC2 F7 VD1 VD2 VD3 BP BP Sơ đồ mạch điều khiển chỉnh lưu: To Dropper circuit N1 P1 S333 DA R P222 N222 SH1 TM1 HS1(HEAT SINK) L R333 T333 SK(SURGE ABSORGE) 2 CN3 7 8 CN2 BCU PB3 PB2 PB1 W3 U V W W2 W1 TH4 TH1 TH6 TH3 3 5 4 1 7 6 2 CN3 3 5 4 1 7 6 2 CN2 3 5 4 1 7 6 2 CN1 TH5 TH2 THF 2. Đặc tính chung: 2.1. Chức năng: Đặc tính chung của bộ sạc và acqui được thiết kế, sản xuất, kiểm tra và phân phối phải phù hợp với các thiết bị kèm theo. 2.2. Nguyên tắc chung: - Bộ sạc và acqui khi sử dụng để phụ nạp kết hợp với quá trình trữ điện của acqui nhằm tạo ra nguồn một chiều liên tục không đổi để thực hiện các chức năng: + Dùng để đóng cắt máy cắt, dao cách ly. + Dùng đóng cắt mạch điều khiển bảo vệ rơle. + Các ứng dụng khác. Đặc tinh kỹ thuật: 3.1.Bộ sạc acqui: 3.1.1.Tổng quát: Vai trò của bộ sạc acqui là nhằm tạo ra điện áp một chiều không đổi ở đầu ra, độc lập với sự dao động của điện áp và tần số của nguồn cung cấp AC, và sự thay đổi của điều kiện tải, cũng như bù lại qúa trình tự xả của acqui.. Bộ sạc của Hyundai sử dụng dựa trên nguyên tắc tự động điều chỉnh điện áp với hệ thống điều khiển pha (AVR). Bộ sạc được thiết kế và xây dựng với nhiều đặc điểm và dựa trên chức năng cơ bản của bộ AVR đã đáp ứng tốt nhất những đòi hỏi của các hệ thống cung cấp năng lượng khác nhau. Ống Silic dropper là thiết bị bù điện áp tải nhằm duy trì điện áp một chiều của tải trong một giới hạn cho phép, không chỉ suốt trong quá trình phụ nạp mà còn suốt trong quá trình tự xả của acqui cũng như suốt quá trình phục hồi của bộ sạc hoặc quá trình sạc cân bằng. 3.1.2.Hoạt động: a.Hoạt động của bộ nạp: Tải, acqui, và bộ sạc được mắc cố định song song. Khi nguồn cung cấp AC bình thường, bộ sạc sẽ cung cấp dòng tải và dòng phụ nạp. Acqui chỉ phóng điện khi tải vượt quá giới hạn đầu ra DC của bộ sạc. Trong trường hợp nguồn AC bị lỗi, bộ sạc sẽ ngừng hoạt động và avqui sẽ làm việc để cung cấp cho tải; Khi nguồn AC được phục hồi, bộ sạc sẽ khởi động lại hoạt động và nạp lại cho acqui ứng với thời gian mà acqui đã phóng. Bộ sạc được điều chỉnh để hoạt động ở chế độ song song hoặc nối tiếp với các bộ sạc khác. b.Hoạt động phụ nạp: Đây là chế độ hoạt động bình thường của bộ nạp được khởi động bằng cách bấm nút “FLOATING”. Trong khi cung cấp nguồn một chiều không đổi đến tải, bộ sạc còn duy trì cho acqui một điện áp phụ nạp nhằm bù lại quá trình tự sạc của acqui. Với bộ tự động điều chỉnh điện áp không đổi (AVR), điện áp đầu ra được duy trì chính xác không đổi và không phụ thuộc vào sự dao động của điện áp và tần số của nguồn AC đầu vào và sự thay đổi của điều kiện tải. Bộ sạc rất ít khi được điều chỉnh trong suốt quá trình hoạt động bình thường nhằm đảm bảo tuổi thọ lâu dài cho acqui. c. Hoạt động phục hồi của bộ sạc (chức năng-tự động): Một điều quan trọng là phải nhanh chóng phục hồi lại cho acqui sau khi đã phóng điện nhằm chuẩn bị cho quá trình phóng tiếp theo. Với mục đích đó bộ sạc được trang bị một thiết bị sạc cân bằng tự động (AED) nhằm khôi phục tự động. Vào lúc nguồn AC được phục hồi, AED sẽ tự động khởi động bộ sạc để phục hồi lại quá trình sạc. Trong thời gian đầu của quá trình khôi phục, dòng sạc được tự động giới hạn bởi chức năng giới hạn dòng của acqui và được giữ không đổi (ổn dòng). Sau đó dòng tải sẽ được tăng từ từ và bộ sạc sẽ được đưa vào trạng thái sạc điện áp không đổi (ổn áp). Sau thời gian cài đặt kết thúc (điều chỉnh từ 0-10 giờ) điện áp bộ sạc sẽ giảm đến điên áp phụ nạp và hoat động sạc được khôi phục. d. Hoạt động sạc cân bằng (chức năng-bằng tay): 3.1.3.Cảnh báo: Bao gồm các lỗi sau: + Ở nguồn cung cấp AC + Qúa nhiệt + Điện áp DC thấp + Điện áp DC quá cao + Chạm đất + Đứt cầu chì + Lỗi ở mạch chỉnh lưu + Qúa tải + Nhã MCCB 3.1.4. Bảo vệ: a. Giới hạn dòng: Trong trường hợp quá tải, thiết bị giới hạn dòng trong bộ sạc có thể giới hạn dòng ra của bộ sạc (có thể điều chỉnh quá 105%). b. Cầu chì cắt nhanh được dùng để bảo vệ ngắn mạch cho mạch thyristor và điôt của mạch chỉnh lưu chính. c. Máy cắt hộp bộ (MCCB): Đầu vào AC và đầu ra DC được đặt máy cắt này để đảm bảo ngăn cách và bảo vệ một lần nửa các sự cố bên trong bộ sạc cũng như mạch ngoài. d. Thiết bị bảo vệ mạch chỉnh lưu (SK): Để bảo vệ mạch chỉnh lưu khỏi các xung điện áp truyền đến. 2.1.5.Nhiệt độ: Nhiệt độ cho phép lớn nhất của các thiết bị được cho như sau: Điểm nhiệt độ Thiết bị Nhiệt độ lớn nhất ( 0C ) Bề mặt linh kiện Thyristor 65 Điôt 90 Silicon dropper 110 Bề mặt cuộn dây Máy biến áp Cấp cách điện và cuộn kháng H,105oC III. Bộ sạc acqui CHLORIDE loại 3CBC 220/50: Bộ nạp này ứng dụng vi điều khiển để điều khiển hoàn toàn quá trình hoạt động. Được thiết kế bởi Công ty TNHH Chloride, Singapore. Nó được sử dụng tại công ty TNHH Việt Á. 1. Các thông số bộ sạc: 1.1. Đầu vào: Điện áp đầu vào: 380 Vac Pha : 3 pha Tần số : 50 Hz Điện áp thứ cấp (đầy tải) : 239,6 Vac Điện áp thứ cấp (không tải) : 247.7 Vac Pha Dòng sơ cấp Dòng thứ cấp Đỏ 27,5 A 40,6 A Vàng 27,2 A 40,3 A Xanh 27,1 A 41,6 A 1.2. Đầu ra: Điện áp phụ nạp : 240,8 V Điện áp nạp tăng cao: 242V Dòng giới hạn tổng : 50 A 1.3. Cài đặt cảnh báo: Cảnh báo mức điện áo thấp : 194,4 V Cảnh báo mức điện áp cao : 259.2 V Cảnh báo lỗi bộ sạc : 232,2 V 2. Chức năng của bộ sạc: Bộ sạc kết hợp với nguồn acqui tĩnh nhằm tạo ra nguồn một chiều để thực hiện các ứng dụng sau: Đóng mở máy cắt Hệ thống đèn sự cố Giao tiếp từ xa Hệ thống điều khiển và giám sát Cung cấp cho mạch vô tuyến và đường truyền vi sóng Hệ thống bảo mật và báo cháy Sử dụng nguồn acqui hoạt động độc lập và chỉ cung cấp cho tải trong trường hợp nguồn cung cấp bị lỗi. 3. Nguyên tắc chung: Bộ nạp: Nhận điện áp AC của nguồn, chỉnh lưu và điều khiển để sạc phụ nạp hoặc tăng cường cung cấp cho acqui. Acqui: Cung cấp cho tải khi nguồn chính bị lỗi hoặc bộ sạc bị ngừng làm việc 4. Mô tả tóm tắt về bộ sạc: 4.1. Mạch điều khiển-chỉnh lưu: Một máy biến áp chính Cầu chỉnh lưu đối xứng, bao gồm thyristor, mạch cầu và mạch điều khiển. Một mạch san phẳng, bao gồm một tụ điện phân ở cuộn kháng Bo điều khiển bao gồm cả 2 mạch điều khiển và cảnh báo. 4.2. Bảo vệ: Máy cắt ở đầu vào AC Cầu chì ở đầu ra AC Cầu chì ở mạch thứ cấp AC Máy cắt ở mạch acqui Máy cắt ở đầu ra mạch chính 4.3. Điều khiển và tín hiệu: Gồm các LED hiển thị giám sát. Các đồng hồ đo dòng và áp. 5. Đặc tính kỹ thuật chung: Đầu vào: Điện áp : 380V Tần số : 50 Hz Hiệu suất : 75% ÷ 80% lúc đầy tải Hệ số công suất: ≥ 0,7 Đầu ra: Điện áp: Bình thường là 12, 24, 30, 48, 110 và 220V, được xác định bởi điện áp thứ cấp và modul card điều khiển chương trình. Độ ổn định điện áp: ±0,5% của điện áp cài đặt giữa 0 và 100% của dòng lúc đầy tải tương ứng với độ lệch ±10% điện áp cung cấp chính. Dãy điện áp: Điện áp phụ nạp và tăng cao có thể được điều chỉnh trong dãy điện áp bình thường bằng đồng hồ điện thế trên card điều khiển. Output Voltage adjustment range Nominal voltage Float voltage Boot voltage 12V 12,8-16,3 14,4-18,7 24V 24,1-29,9 27,2-37,7 30V 32,9-41,5 38,4-49,3 48V 50,4-59,2 57,6-72,5 110V 113,9-135 131,2-162,4 220V 189,3-261 239,4-314 Hình 2.1 Các thông số điện áp điều chỉnh ứng các chế độ nạp 6. Các chế độ hoạt động: 6.1.Bao gồm 2 chế độ riêng biệt: + Chế độ ổn áp + Chế độ ổn dòng Việc thay đổi từ chế độ này sang chế độ kia được thực hiện khi yêu cầu nạp đầy tải. Chế độ 2 (ổn dòng) có thể được duy trì xác định trong trường hợp có ngắn mạch. 6.2. Phụ nạp- tăng cao: Hai mức điện áp đầu ra, phụ nạp và tăng cao được lựa chọn bằng mạch cảm biến dòng, áp nhằm đảm bảo acqui được sạc chính xác. Nạp tăng cao bắt đầu khi nguồn cung cấp chính được phục hồi hoặc điện áp acqui quá thấp. 6.3.Điều khiển: Điều chỉnh đầu ra được thực hiện bởi khoá điều khiển pha đến thyristor, bằng một máy biến áp giảm áp kết nối với nguồn chính. Tín hiệu khoá được tạo ra trên bảng mạch in. Các cảm biến dòng áp đầu ra trên bo mạch dùng để duy trì đầu ra không đổi. 6.4. Điều chỉnh: Ba đồng hồ điện trên card điều khiển với điện áp tăng cao, phụ nạp và dòng lúc đầy tải điều chỉnh được. Thêm vào ba đồng hồ khác có thể được cài đặt để điều chỉnh được các cảnh báo về điện áp cao (Hight Volts), điện áp thấp (Low Volts) và lỗi trong bộ sạc ( charge-fail). Và với ba đồng hồ được phân biệt bởi ba màu là đỏ,vàng, xanh dùng để điều chỉnh cân bằng pha để tạo ra dạng sóng cân bằng ở đầu ra. Tất cả các đồng hồ này đều được sản xuất và niêm phong và không được điều chỉnh mà không có sự cho phép của công ty CHLORIDE BATTERIES SE ASIA PTE LIMITED. 7. Mô tả tóm tắc mạch điều khiển 3CBC-4: Tủ nạp loại 3CBC-4 đủ điều kiện tạo cho dòng và áp giới hạn cho quá trình sạc của acqui. Mạch điều khiển 3CBC-4 bao gồm mạch mạch nguồn, mạch điều chỉnh và cảnh báo. 7.1. Mạch nguồn (Power circuit): Nguồn được đưa đến từ các khối đầu vào cuối của một máy cắt đến sơ cấp của máy biến áp chính và cầu chì; đến bốn máy biến áp điều khiển. Nguồn được hiển thị bằng một led màu xanh cung cấp từ thứ cấp của máy biến áp điều khiển TXA, TXB, TXC1 và TXC2 tạo ra điện áp 20V và 40V đến card điều khiển. Đầu vào 20V cung cấp tín hiệu đến mạch chỉnh lưu chính của thyristor và 40V cung cấp cho mạch điều khiển. Máy biến áp nguồn được thiết kế đặc biệt với trở kháng thấp. đồng thời nó còn có thể lọc được các xung nhọn nhằm tạo ra các dạng sóng bình thường cho mạch điều khiển chỉnh lưu,vì vậy đảm bảo cho sự hoạt động của mạch TF1 và trong mạch chính. Mạch chỉnh lưu là một mạch cầu thyristor ba pha đối xứng, gồm sáu thyristor mở cách nhau 60o được kích khởi bởi các xung. Điều khiển pha tạo ra các xung cho phép đầu ra chỉnh lưu thay đổi liên tục từ 0 đến giá trị lớn nhất được xác định bởi điện áp thứ cấp của máy biến áp và module card điều khiển chương trình. Tín hiệu hồi tiếp của điện áp và dòng ra được đưa đến card điều khiển để điều khiển đầu ra của chỉnh lưu. Đầu dương của Ampekế là một điểm chung của mạch hồi tiếp, đầu âm là của tín hiệu áp và đầu dương là tín hiệu dòng. 7.2. Mạch điều khiển: Bản mạch điều khiển bao gồm mạch điều chỉnh và mạch cảnh báo. Mạch kích khởi sẽ tạo ra các xung đưa đến hệ thống cầu 3 pha. Nó gồm 3 xung kép được tạo ra bởi 3 biến áp xung, và các xung này được đưa đến 6 chân điều khiển của Thyristor. Ba đồng hồ đo R,Y&B dùng để điều chỉnh cân bằng các pha nhằm tạo ra dạng sóng bằng phẳng ở đầu ra. Điều này được thực hiện tại nơi sản xuất và không nên điều chỉnh lại. Mạch điều chỉnh điện áp và dòng điện được tích hợp trên một IC nhằm mục đích là điều chỉnh điện áp trong trường hợp quá tải khi kết nối đến đầu ra của bộ sạc. Quá tải sẽ làm cho điện áp đầu ra của bộ sạc bị giảm thấp nhanh. Điện áp và dòng ra được khuyếch đại để so sánh; và khi có tín hiệu điện áp ra quá cao thì tín hiệu điều khiển sẽ điều mạch phát xung để thay đổi điện áp ra. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ NẠP I. Giới thiệu công nghệ: Uđ Uđb Acqui Tải Lọc Cầu 1 pha ĐX 32V 220V C Ti VĐK BA Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý tổng quát Bộ sạc được thiết kế nhằm mục đích sạc điện cho acqui (2 bình), bao gồm 2 chế độ sạc, đó là chế độ tự động và chế độ bằng tay. + Chế độ tự động : Chế độ sạc phụ nạp (2,23V/cell) Chế độ nạp tăng cường (2,25V/cell). + Chế độ bằng tay: Gồm chế độ nạp cân bằng (2,4V/cell). Các thông số bộ nạp: Điện áp đầu ra: 24VDC Điện áp phụ nạp: 26,76V Điện áp nạp tăng cường: 27V Điện áp nạp cân bằng: 28,76V Cấu trúc bộ sạc gồm có các khối: Một máy biến áp lực 1pha (220V/32V) nhằm tạo điện áp thích hợp cho mạch chỉnh lưu. Mạch chỉnh lưu cầu điều khiển 1 pha đối xứng. Mạch điều khiển arccos nhằm tạo điện áp đồng bộ Uđb Khối vi điều khiển nhằm tạo điện áp điều khiển Uđk ứng với các chế độ sạc, đồng thời còn làm nhiệm vụ bảo vệ và cảnh báo. Mạch lọc gồm điện kháng lọc và tụ lọc nhằm nắn phẳng dòng, áp Và các hệ thống bảo vệ khác. II. Thiết kế bộ nạp: Phần 1: Thiết kế phần chỉnh lưu 1. Tính toán bộ nguồn và mạch chỉnh lưu: Bộ nguồn chỉnh lưu một chiều cấp điện để sạc cho acqui và cung cấp cho phụ tải. Điện áp: Ud = 24V Dòng điện: Id = 10A Lựa chọn sơ đồ: R C R T2 C R T3 C R C R L L T4 T2 T1 220Vac C Sau khi phân tích đánh giá chỉnh lưu, từ các ưu nhược điểm của các sơ đồ chỉnh lưu, nhiệm vụ chỉnh lưu chủ yếu ở đây là nạp cho acqui. Để phù hợp với thực tế nguồn điện sinh hoạt ta lựa chọn sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển đối xứng. Hình3.2 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu 1 pha Tính chọn thyristor: Tính chọn thyristor dựa vào các yếu tố cơ bản dòng tải, sơ đồ đã chọn, điều kiện tải nhiệt, điện áp làm việc, các thông số cơ bản của van được tính như dưới đây: Điện áp ngược lớn nhất mà thyristor phải chịu: Unmax = Knu.U2 = Knu.Ud/Ku Trong đó: + Ud, U2, Unmax: Điện áp tải, nguồn xoay chiều, ngược của van. + Knu, Ku : Các hệ số điện áp ngược, điện áp tải. Knu = √2; Ku = 2√2/π (Tra bảng 8.1 sách ĐTCS của Lê Văn Doanh) Unmax = π.24/2 = 37,68V Điện áp ngược của van cần chọn Unv = Kdtu.Unmax Trong đó: Kdtu: Hệ số dự trữ điện áp, chọn Kdtu= 1,8 Unv = 1,8.37,68 = 67,82 V Dòng điện làm việc của van được tính theo dòng hiệu dụng Ih = Ihd = Khd.Id Khd: Hệ số dòng điện hiệu dụng cầu 1 pha. Khd = 1/√2 = 0,71 ( tra bảng 8.2 sách ĐTCS ) Ih = 10. 0,71 = 7,1A Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh tản nhiệt và đủ diện tích tản nhiệt, không có quạt đối lưu không khí, với điều kiện đó dòng điện định mức của van cần chọn: Iđmv = Ki.Ih = 1,4.7,1=9,94A Ki : Hệ số dự trữ dòng điện, chọn Ki=1,4 Từ các thông số Unv, Iđmv theo phục lục 2 ta chọn 4 thyristor loại 5P4M có các thông số sau: Un = 80V Dòng điện ngược cực đại của van Idm = 13A Dòng điện định mức của van Ipk = 250A Điểm xung dòng điện Idk = 0,04A Dòng điện của xung điều khiển Ugmax = 3V Điện áp xung điều khiển Ir = 0,01A Dòng điện rò ∆u = 2,1V Sụt áp lớn nhất của thyristor ở trạng thái dẩn Tmax = 1250C Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép. Bảo vệ quá điện áp: Thyristor cũng rất nhạy cảm với điện áp quá lớn so với điện áp định mức, ta gọi là quá điện áp. Nguyên nhân gây ra quá điện áp được chia làm 2 loại: Nguyên nhân nội tại: Khi khoá thyristor bằng điện áp ngược, các điện tích đổi ngược hành trình, tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian rất ngắn (khoảng 10-100). Sự biến thiên nhanh chóng của các dòng điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm, luôn luôn có, các đường dây nguồn dẩn đến các thyristor. Qúa điện áp này là tổng của điện áp làm việc và L nói trên. Nguyên nhân bên ngoài: Những nguyên nhân này thường xảy ra ngẩu nhiên như khi có sét đánh, khi cầu chì bảo vệ nhảy, khi đóng, cắt máy biến áp nguồn. Cắt máy biến áp nguồn tức là cắt dòng điện từ hoá máy biến áp, bây giờ năng lượng từ trường tích luỹ trong lõi sắt từ, chuyển thành năng lượng điện trường chứa trong các tụ điện ký sinh, rất nhỏ, giữa dây cuốn sơ cấp và thứ cấp máy biến áp (1/2L.I2=1/2C.U2). Điện áp này có thể lớn gấp 5 lần điện áp làm việc. Để bảo vệ quá điện áp người ta thường dùng mạch RLC, bảo vệ riêng từng thyristor. Người ta thường chọn điện áp định mức của thyristor là U>=1,2Um. Trị số này vẫn nhỏ hơn nhiều so với trị số cực đại của các qúa điện áp kể trên. Các quá điện áp có tốc độ tăng trưởng lớn. Đạo hàm điện áp sinh ra dòng điện chảy qua tụ điện C, đấu giữa anôt-catôt của thyristor, i=C. Điện cảm L hạn chế biên độ của dòng điện này. Khi mở thyristor, tụ điện C sẽ phóng qua thyristor, điện cảm L hạn chế dòng điện này. Các linh kiện bảo vệ có thể tính toán bằng công thức, nhưng trong thực tế người ta ưa dùng các trị số kinh nghiệm: C= 0.011 B= 10 L= 50 Tính toán máy biến áp: Điện áp pha sơ cấp máy biến áp: U1 = 220V Điện áp pha thứ cấp máy biến áp Phương trình cân bằng điện áp khi có tải: Udo.cosαmin = Ud + 2∆U +∆Udm +∆Uba Trong đó: Ud: Điện áp chỉnh lưu, Ud = 24V ∆Uv: Sụt áp trên các van, ∆Uv = 2,1 ∆Uba: Sụt áp trên các máy biến áp khi có tải bao gồm sụt áp trên điện trở và sụt áp trên các điện cảm. Lấy sơ bộ: ∆Uba = 6%.Ud = 0,06.24=1,44V αmin =0o. Từ phương trình của điện áp khi có tải ta có : Udo = Udo = = 29,64V Điện áp phía thứ cấp máy biến áp: Uα = Udo/Ku = π.29,64/2√2= 32.8V Ku =2: Hệ số điện áp chỉnh lưu (bảng 8.1sách ĐTCS của Lê Văn Doanh ) Sơ đồ điều khiển một kênh kiểu “arccos”: Trong sơ đồ điều khiển một kênh kiểu “arccos” có sử dụng một khâu tích phân OA1 và một khâu so sánh OA2. Đối với sơ đồ mạch, nhằm tăng số lượng xung kích mở, đảm bảo mở Tiristor một cách chắc chắn, ta sử dụng IC555 để phát xung chùm. Nguyên tắc phát xung chùm là trước khi vào tầng khuếch đại, ta chèn thêm một cổng AND với tín hiệu vào nhận từ tầng so sánh và từ bộ phát xung chùm. Tải khuếch đại Từ chùm xung & Từ so sánh Vcc 0,1µF -12V OPC U3 100µF U2 4,7K +12V 0,47µF OA1 0,1µF OA2 Ucm 10K 4,7K V 12V~ 470µF 470µF 7912 7812 12K 10K 2 7 3 6 4 ~ 10K 2 7 3 6 4 1K AND 8 4 1 2 6 7 3 5 U Ura R2 C1 C2 555 R1 Hinh3.3. Sơ đồ điều khiển một kênh kiểu “arccos” Từ sơ đồ hình 1.2 ta có hoạt động của mạch phát xung arcoss. G K Tín hiệu đầu vào của OA1 là: U1 = Um.sinωt Tín hiệu đầu ra của OA1 là: U2 = -∫Um.sinωt.dt/CR =(Um/RC).cosωt Các điện áp U2 và Ucm (điện áp điều khiển) là hai đại lượng vào của khâu so sánh. Chọn Ucmax = Um/ ωCR = 10V Khi: Ucm = U2 ta c ó: cosα = Ucm/Ucmax Ở đầu ra của khâu so sánh OA2 ta nhận được chuổi xung chữ nhật. Tín hiệu này kết hợp với tín hiệu xung chùm của IC555 để đưa vào cổng AND, kết quả sẽ tạo ra tín hiệu Uf trên giản đồ xung. Uf Xđk ωt ωt ωt U3 U2 Ucm ωt 2π π O V ωt ωt Nhờ mạch R,C và điôt Đ ta có những xung dương điều khiển, chậm sau v(t) một góc α. Hình 3.3. Sơ đồ dạng sóng mạch phát xung arccos 2. Tính toán các thông số mạch điều khiển: Sơ đồ mạch điều khiển Arccos thực tế để điều khiển phát xung điều khiển Tiristor được cho như hình dưới. G3 K3 G4 K4 G2 K2 G1 K1 8 4 1 2 6 7 3 5 U Ura R2 C1 C2 555 R1 8 4 1 2 6 7 3 5 U Ura R2 C1 C2 555 R1 0,1µF -12V U3 100µF U2 4,7K +12V 0,47µF OA1 0,1µF OA2 Ucm 10K 4,7K V 12V~ 470µF 470µF 7912 7812 12K 10K 2 7 3 6 4 ~ 10K 2 7 3 6 4 1K AND 12V OPC 12V OPC -12V U3 100µF U2 4,7K 0,47µF OA1 OA2 Ucm 10K 4,7K 12K 10K 2 7 3 6 4 10K 2 7 3 6 4 1K AND 12V OPC 12V OPC Hình 3.5. Sơ đồ mạch phát xung arccos 2 kênh điều khiển Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở Thyristor. Các thông số cơ bản của mạch điều khiển. Điện áp điều khiển Ti : Udk = 3V Dòng điều khiển Ti : Ig = 0,04A Thời gian mở Ti : tm = 80µs Độ rộng xung điều khiển : 167µs, tương đương 30 điện Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển: U = ±12V Việc tính chọn mạch điều khiển thường được tiến hành từ tầng khuếch đại cuối cùng ngược trở lên. 3.1. Chọn phần tử ghép quang: Là loại optoTranzistor B817 có cấu trúc như hình dưới: Các thông số của B817 (TA = 25°C): Nhiệt độ hoạt động : –30°C to +100°C Khả năng chịu được sự quá nhiệt 260°C /10 s Dòng vào cực Anôt của 817 : IF = 50 mA Tổn hao công suất ở đầu vào: PI= 70 mW Dòng Colector : IC= 50 mA Điện áp giữa 2 cực C và E : VCEO= 35 V Điện áp giữa E và C : VECO= 6 V Công suất tiêu tán ở cực C : 150 mW Tổng công suất tiêu tán : 200 mW Điện trở cách điện : R=1011Ω Tính chọn điện trở nối vào cực 1 của opto: R > = = 240Ω Chọn R=1kΩ (=R5=R4=R22=R20) Tính chọn điện trở nối vào chân 4 của B817 (cực C). R = =240Ω Chọn R=R4=R6=R21=R23=1kΩ Để kích mở Ti, ta nối đầu ra của B817 một Tranzistor nhằm khuếch đại tín hiệu từ B817. Dòng kích mở yêu cầu Ig= 40mA =Ic. Chọn Transistor C1815 có các thông số:. C1815 Chọn Tranzitor công suất nối vào OPC là loại C1815 kiểu NPN, bán dẩn Silic để mở phần tử ghép quang với các thông số sau: Điện áp giữa colectơ và bazơ : UCBO = 60V Điện áp giữa colector và emitter : UCEO= 50V Điện áp giữa hai cực E và B : UBE = 5V Dòng điện lớn nhất ở colectơ : ICmax = 150mA. Công suất tiêu tán ở colectơ : PC = 400mW Hệ số khuếch đại : hEF = =70 ~700 Dòng điều khiển bazơ của trazitor : IB == =2.1 mA Nhiệt độ làm việc : -55 ~ +150 °C Như vậy cần đặt một điện trở ở đầu vào cực C của trazitor có thông số: R = == 80Ω R= R15=R26=R19=100Ω 3.2.Chọn Transistor nối vào chân 2 của OPC: Q1,Q2 Ta chọn loại 2 con C1815 như trên. 3.3. Chọn cổng AND: Toàn bộ mạch điều khiển sẽ dùng 2 cổng AND nên ta chọn IC 4081 họ CMOS. Một IC có 4 cổng AND, các thông số: Nguồn nuôi IC : Vcc = -0.3 ÷ 16V, ta chọn Vcc = 12V. Nhiệt độ làm việc : -400C ÷ +850C Điện áp ứng với mức logic”1”: 2 ÷ 4.5V Dòng điện : < 1mA Công suất tiêu thụ : P = 2.5nW / 1cổng 3.4. Chọn tụ C1, C3 và điện trở R1,R9 nối vào Q1,Q2: R1,R9 dùng để hạn chế dòng vào Q1,Q2.Chúng phải thoả mãn điều kiện: R1 = R9 ≥ = = 2kΩ Chọn R = 2kΩ Chọn R1*C1 = tx = 167µs. Suy ra C = ==0,0835µs Chọn C = 0,1µs(=100pF). 3.5. Chọn khuếch đại thuật toán: Mạch điều khiển phải dùng 4 khuếch đại thuật toán, do đó ta chọn 1 IC loại LM324 của hãng Fairchild Semiconductor. LM324 Sơ đồ chân IC LM324 : Các thông số của LM324: Điện áp nguồn nuôi : Vcc = ± 12V Điện áp vào : -0.3 ~ ± 32V Nhiệt độ làm việc : 0 ~ 70oC Công suất tiêu thụ : P = 1310 mW = 1,13W Tổng trở đầu vào : 106MΩ Dòng cung cấp : Icc = 1mA Dòng điện ra : Ira = 40mA 3.5. Tính chọn điện trở nối vào khâu so sánh: Khuếch đại thuật toán đã chọn là loại LM324: Chọn R10 = R13 > = = 12 kΩ Trong đó nguồn nuôi Vcc = 12V thì điện áp vào khâu so sánh là Uv ≈ 12V. Dòng điện vào được hạn chế để Ilv < 1mA Do đó ta chọn R10=R13=15kΩ, khi đó dòng vào khâu so sánh là: Ilvmax = = 0,8mA. 3.6 Tính chọn bộ tạo xung chùm: U 2 1 7 6 8 4 3 5 Ura R2 C 0.01µF IC555 R1 Muốn tạo xung chùm xung có tần số f== 3kHz hay chu kỳ của của xung chùm (chu kỳ tín hiệu ra): T = = 334µs Ta có: T = 0.693(R1 + 2R2)C Chọn C = 100pF=0,1µF, Suy ra T = 0,693(R1 +2R2)0,1=334 R1+ 2R2 = 4819Ω Chọn R1 là biến trở 200Ω, còn chọn R2 =5k. Phần 2. Thiết kế mạch vi điều khiển 1. Tổng quan về họ vi điều khiển 8051. 1.1 Sơ đồ khối chung của bộ vi điều khiển: Sơ đồ khối chung của hầu hết các bộ vi điều khiển là toàn bộ những phần nằm trong đường chấm trên hình1.1. Nó bao gồm bộ nhớ ROM và RAM, mạch giao tiếp nối tiếp, mạch giao tiếp song song, bộ định thời gian, hệ thống ngắt và các bus được tích hợp trên cùng một chíp. Nguồn đồng hồ ngoài Ngắt ngoài Thiết bị nối tiếp Thiết bị song song Đồng hồ nội Timers Điều khiển ngắt Giao tiếp nối tiếp Giao tiếp song song CPU Bus dữ liệu, địa chỉ, điều khiển RAM ROM Hình 3.6: Sơ đồ khối tổng quát của một bộ điều khiển 1.2 Đơn vị xử lý trung tâm CPU (Central Processing Unit): Thanh ghi lệnh (IR) Khối điều khiển và giải mã lệnh Khối Logic và số học CPU Hình 3.7 Sơ đồ khối của CPU Các thanh ghi Bộ đếm chương trình ( PC) Là thành phần chính của một chíp vi điều khiển, nó quản lý tất cả hoạt động của bộ vi điều khiển, thực hiện các phép toán trên số liệu. Thực chất, nó chỉ là tập hợp các mạch logic nhằm thực hiện liên tục hai hoạt động chính là tìm lệnh và thi hành lệnh. Hình 3.7 mô tả các khối bên trong của CPU. Nó có một tập các thanh ghi dùng cho việc lưu trữ tạm thời các thông tin, khối số học và logic ALU (Arithmetic and Logic Unit) thực hiện các phép toán dựa trên các thông tin được lưu trong thanh ghi, khối điều khiển và giải mã lệnh (Instruction Decode and Contrrol Unit) xác định phép thi hành và chuẩn bị các hoạt động cần thiết để thực hiện lệnh đó có kết hợp với thông tin trong 2 thanh ghi phụ. Thanh ghi lệnh (Instruction Register) chứa mã nhị phân của mỗi lệnh được thi hành. Bộ đếm chương trình (Program Couter) lưu giữ địa chỉ trong bộ nhớ của lệnh cần thực hiện tiếp theo. 1.3 Bộ nhớ bán dẫn RAM và ROM (EPROM): Bộ nhớ dùng để lưu trữ chương trình và dữ liệu, có hai loại bộ nhớ là RAM và ROM. Chúng ta có thể phân biệt sự khác nhau giữa RAM và ROM dựa trên hai tính năng. - Thứ nhất, RAM (Random Access Memory) là bộ nhớ cho phép đọc và ghi dữ liệu được, còn ROM (Read Only Memory) là bộ nhớ chỉ đọc, trong một số chíp vi điều khiển còn sử dụng EPROM (Erasable Programmable ROM) là ROM lập trình có thể xoá được để thay thế cho ROM . - Thứ hai, dữ liệu trong RAM sẽ bị mất đi khi không cung cấp điện, còn dữ liệu trong ROM thì vẫn lưu lại khi không cấp nguồn cho nó. 1.4 Bus địa chỉ, bus dữ liệu và bus điều khiển: Bus là tập hợp các đường dây mang thông tin với cùng mục đích. Trong chíp vi điều khiển có 3 loại bus là bus địa chỉ, bus dữ liệu và bus điều khiển. Trong hoạt động đọc hay ghi, CPU xác định vị trí của dữ liệu bằng cách đặt một địa chỉ vào bus địa chỉ, rồi kích hoạt một tín hiệu trên bus điều khiển để chỉ thị hoạt động đó là đọc hay ghi. Hoạt động đọc sẽ lấy 1 byte dữ liệu từ bộ nhớ tại một vị trí xác định rồi đặt lên bus dữ liệu. CPU đọc dữ liệu này và đặt nó vào một trong các thanh ghi nội trú của CPU. Hoạt động ghi thì ngược lại, CPU lấy dữ liệu đưa ra bus dữ liệu. Nhờ có tín hiệu điều khiển, bộ nhớ nhận biết được đây là một hoạt động ghi và nó sẽ lưu dữ liệu trên vào vùng nhớ đã xác định nhờ địa chỉ mà CPU đã gởi tới nó từ trước. - Bus dữ liệu mang thông tin trao đổi giữa CPU và bộ nhớ, giữa CPU và thiết bị I/O. Độ rộng của bus dữ liệu đóng vai trò khá quan trọng trong vấn đề tăng tốc cho một bộ vi điều khiển, 8051có độ rộng bus dữ liệu là 8 bit. Hiện nay nhiều bộ vi điều khiển sử dụng bus địa chỉ và dữ liệu dồn kênh, nghĩa là sử dụng cùng một đường truyền cho các bus dữ liệu và một số bit địa chỉ. Trong trường hợp này, bộ vi điều khiển có thêm các mạch ngoài dùng để phân tích các tín hiệu địa chỉ và dữ liệu trong các bus tương ứng. - Các bus dữ liệu hoạt động theo 2 hướng, còn bus địa chỉ thì hoạt động theo 1 hướng. Bởi vì thông tin địa chỉ luôn luôn được cung cấp bởi CPU, nhưng dữ liệu thì có thể lưu thông theo cả hai chiều tuỳ theo hoạt động ghi vào hay đọc ra. Thông tin lưu trữ trên bus dữ liệu có thể là những lệnh của chương trình, địa chỉ gắn vào câu lệnh, dữ liệu được sử dụng bởi chương trình. Bus điều khiển là 1 tổ hợp các báo hiệu, mỗi báo hiệu có một vai trò xác định để điều khiển hoạt động của hệ thống hoạt động một cách hiệu quả. Những tín hiệu điều khiển là những tín hiệu định thời được cung cấp bởi CPU nhằm đồng bộ việc vận chuyển thông tin trên bus địa chỉ và bus dữ liệu. 2. Cấu trúc phần cứng của 8051. Sơ đồ khối của IC vi điều khiển 8051: IC 8051 là chíp vi điều khiển trong họ vi điều khiển 5 đã được Intel giới thiệu và đưa ra thị trường. Các thành phần bên trong nó gồm có: 4KB ROM. 128 byte RAM. 4 port xuất nhập (I/O port) 8 bit. 2 bộ định thời 16 bit. Mạch giao tiếp nối tiếp. Không gian nhớ chương trình (mã) ngoài 64K Không gian nhớ giữ liệu ngoài 64K Bộ vi xử lý bit (thao tác trên các bit riêng lẽ). 210 vị trí nhớ được định địa chỉ, mỗI vị trí 1 bit. Nhân/chia trong 4s. Các chíp vi điều khiển còn lại trong họ 51 khác với 8051 ở sự tích hợp các thành phần bên trong chíp như RAM, ROM (hoặc EPROM), bộ đếm thời gian. Chip Bộ nhớ chương trình trên chip Bộ nhớ dữ liệu trên chip Các bộ định thời 8051 4K ROM 128 byte 2 8031 0K 128 byte 2 8751 4K EPROM 128 byte 2 8052 8K ROM 256 byte 3 8032 OK 256 byte 3 8752 8K EPROM 256 byte 3 Hình 3.8: So sánh các IC thuộc họ vi điều khiển 51 Hình 3.9: Sơ đồ chân của 8051 2.2 Chức năng của các chân IC 8051: Chíp vi điều khiển 8051 có 32 trong tổng số 40 chân có chức năng như là những cổng I/O, trong đó có 24 chân được sử dụng vào 2 mục đích. Nghĩa là ngoài chức năng I/O, mỗi chân có thể là một đường điều khiển của bus địa chỉ hay bus dữ liệu khi hệ thống sử dụng bộ nhớ ngoài. Hoặc là mỗi đường hoạt động một cách độc lập để giao tiếp với các thiết bị đơn bit như là các công tắc, đèn LED, Transistor, mô tơ và loa. Trong những mô hình thiết kế không dùng bộ nhớ ngoài, P0 được sử dụng như là cổng I/O. còn đối với những hệ thống lớn hơn có yêu cầu một số lượng đáng kể bộ nhớ ngoài thì P0 trở thành các đường truyền dữ liệu và 8 bit thấp của bus địa chỉ. - Cổng P1 được chỉ định là cổng I/O từ chân 1 đến 8. Chúng được sử dụng cho mục đích duy nhất là giao tiếp với các thiết bị ngoài khi cần thiết. - Cổng P2 là cổng I/O hoặc là đường truyền 8 bit cao của bus địa chỉ cho những mô hình thiết kế có bộ nhớ chương trình nằm ở ngoài hoặc có hơn 256 byte bộ nhớ dữ liệu ngoài. - Cổng P3 ngoài mục đích chung là cổng I/O, những chân này còn kiêm luôn nhiều chức năng khác nữa liên quan đến các tính năng đặc biệt của 8051. Interup contrl Other register 128 bytes RAM Timer 1 Timer 0 CPU Oscillator Bus contrlo I/ O ports Serial port ADRESS/DATA EA RST PSEN ALE TXD* RXD ROM 4K- 8051 INT1 INT0 Timer1 Timer 0 Serial T1 T1 Hình 3.10: Sơ đồ khối của 8051 Bit Tên Địa chỉ bit Chức năng thứ hai P3.0 RXD BOH Nhận dữ liệu cho cổng nối tiếp P3.1 TXD B1H Truyền dữ liệu cho cổng nối tiếp P3.2 INT0 B2H Ngắt 0 bên ngoài P3.3 INT1 B3H Ngắt 1 bên ngoài P3.4 T0 B4H Ngõ vào bộ đếm thời gian 0 P3.5 T1 B5H Ngõ vào bộ đếm thời gian 1 P3.6 WR B6H Điều khiển ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài P3.7 RD B7H Điều khiển đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài Hình 3.11: Chức năng thứ hai của các chân Port 3 - PSEN là một tín hiệu điều khiển cho phép bộ nhớ chương trình bên ngoài hoạt động. Nó thường được kết nối đến chân OE (Output Enable) của EPROM để thực hiện đọc các byte chương trình. Xung tín hiệu PSEN luôn ở mức thấp trong suốt phạm vi quá trình của một lệnh. Còn khi thi hành chương trình từ ROM ở ngay bên trong chip, chân PSEN luôn ở mức cao (không hoạt động). - Tín hiệu ALE có chức năng tách byte địa chỉ thấp và bus dữ liệu khi cổng P0 được sử dụng ở chế độ tuần tự hay còn gọi là chế độ dò kênh, nghĩa là sử dụng một đường truyền cho các bit dữ liệu và byte thấp của bus địa chỉ.Khi chân EA ở mức cao, 8051/8052 được phép thực hiện các chương trình lưu trữ ở vùng nhớ thấp hơn 4Kbyte/8Kbyte ROM bên trong chíp. Còn khi EA ở mức thấp chỉ có những chương trình lưu ở bộ nhớ bên ngoài mới được thực hiện. (dùng cho 8051) - 8051 có một bộ dao động nội bộ bên trong chíp hoạt động bám theo tần số của một con dao động thạch anh nằm bên ngoài. Tần số thông dụng của thạch anh là 12MHz cho hầu hết các IC thuộc họ 51. 2.3. Tổ chức bộ nhớ: Không gian bộ nhớ của bộ vi điều khiển được phân chia ra thành 2 phần dữ liệu và chương trình. Hầu hết các IC MCS-51 đều có bộ nhớ chương trình và dữ liệu nằm bên trong chíp, tuy nhiên cũng có thể mở rộng dung lượng lên đến 64K bộ nhớ chương trình và 64K bộ nhớ dữ liệu bằng cách sử dụng thêm một số bộ nhớ ngoài. Bên trong chíp vi điều khiển 8031 chỉ có 128 byte bộ nhớ dữ liệu (RAM) mà không có bộ nhớ chương trình (ROM). Nó có thể kết nối tối đa 64Kbyte bộ nhớ chương trình và 64Kbyte bộ nhớ dữ liệu bên ngoài. Bộ nhớ dữ liệu Hoạt động nhờ 2 tín hiệu điều khiển RD và WK 0000 FFFF Bộ nhớ Chương trình Hoạt động nhờ tín hiệu PSEN FFFF 0000 Bộ nhớ chương trình 00 FF Bộ nhớ Bên ngoài Bộ nhớ bên trong chip Hình 3.12 Không gian bộ nhớ của 8051 Hình 3.12 trình bày chi tiết bộ nhớ dữ liệu. Không gian bộ nhớ trong được phân chia ra gồm các bank thanh ghi (00H-1FH), RAM địa chỉ theo bit (20H-2FH), RAM dùng chung (30H-7FH), và các thanh ghi chức năng đặc biệt. Byte Address Bit Address Byte Address Bit Address 7F Ram dùng chung FF F0 F7 F6 F5 F4 F3 F2 F1 F0 B E0 E7 E6 E5 E4 E3 E2 E1 E0 ACC D0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 PSW 30 B8 - - - BC BB BA B9 B8 IP 2F 7F 7E 7D 7C 7B 7A 79 78 2E 77 76 75 74 73 72 71 70 B0 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 P3 2D 6F 6E 6D 6C 6B 6A 69 68 2C 67 66 65 64 63 62 61 60 A8 AF - - AC AB AA A9 A8 IE 2B 5F 5E 5D 5C 5B 5A 59 58 2A 57 56 55 54 53 52 51 50 A0 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 P2 29 4F 4E 4D 4C 4B 4A 49 48 28 47 46 45 44 43 42 41 40 99 Not bit addressable SBUF 27 3F 3E 3D 3C 3B 3A 39 38 98 9F 9E 9D 9C 9B 9A 99 98 SCON 26 37 36 35 34 33 32 31 30 25 2F 2E 2D 2C 2B 2A 29 28 90 97 96 95 94 93 92 91 90 P1 24 27 26 25 24 23 22 21 20 23 1F 1E 1D 1C 1B 1A 19 18 8D Not bit addressable TH1 22 17 16 15 14 13 12 11 10 8C Not bit addressable TH0 21 0F 0E 0D 0C 0B 0A 9 8 8B Not bit addressable TL1 20 7 6 5 4 3 2 1 0 8A Not bit addressable TL0 1F Bank 3 89 Not bit addressable TMOD 18 88 8F 8E 8D 8C 8B 8A 89 88 TCON 17 Bank 2 87 Not bit addressable PCON 10 0F Bank 1 83 Not bit addressable DPH 8 82 Not bit addressable DPL 7 Default Register bank 0 for R0 - R7 81 Not bit addressable SP 0 80 87 86 85 84 83 82 81 80 P0 RAM Thanh ghi chức năng đặc biệt Hình 3.13. Tổ chức bộ nhớ dữ liệu . Các thanh ghi chức năng đặc biệt: 8051 có các thanh ghi R0 đến R7 và 21 thanh ghi chức năng đặc biệt SFR (Special Function Register) nằm ở phần trên của RAM trong từ địa chỉ 80H đến FFH. Thanh ghi trạng thái PSW (Program Status Word): Thanh ghi PSW chứa các bit trạng thái được tóm tắt trong hình 1.9. CY AC F0 RS1 RS0 OV - P Hình 3.14: Các bit thanh ghi trạng thái + Cờ nhớ CY (Carry Flag): Cờ nhớ được sử dụng cho 2 mục đích. Nó được dùng trong các phép toán số học, cờ nhớ được lập khi kết quả phép toán có nhớ hoặc là phải mượn. Ngoài ra cờ nhớ còn được sử dụng như là thanh ghi 1 bit cho các lệnh booorlean hoạt động trên các bit. + Cờ nhớ phụ AC (Auxiliary Carry flag): Khi thực hiện phép tính các số BCD, bit AC được bật nếu kết quả phép toán vừa thực hiện cờ nhớ hay có mượn đối với 4 bit thấp. + Cờ 0 F0 (Flag 0): Là bit cờ dùng chung được dành sẵn cho các ứng dụng của người sử dụng. + Bit chọn lựa bank thanh ghi: các bit RS0 và RS1 dùng để xác định bank thanh ghi tích cực. Chúng được xóa mỗi khi hệ thống khởi động lại và được thay bởi phần mềm khi cần thiết. + Cờ tràn OV (Over low Flag): Cờ tràn được bật nếu kết quả của một phép toán cộng hay trừ các số có dấu bị sai. + Bit chẵn lẻ P (parity bit): Bit Parity được tự động lập hay xóa sau mỗi chu kỳ máy để thiết lập Parity chẵn với thanh ghi A. Nghĩa là tổng số bit 1 của thanh ghi A cộng với bit Parity thì luôn luôn chẵn. -Thanh ghi B: Thanh ghi B được sử dụng đi kèm với thanh ghi A để thực hiện các phép toán nhân và chia. Thanh ghi B cũng được xem như là thanh ghi đệm dùng chung. Nó có địa chỉ bit từ F0H đến F7H. - Con trỏ ngăn xếp SP: Là một thanh ghi 8 bit, nó chứa địa chỉ của phần dữ liệu đang hiện diện tại đỉnh của ngăn xếp. Ngăn xếp hoạt động theo phương thức vào trước ra sau. Hoạt động đẩy vào ngăn xếp làm tăng SP lên trước khi ghi dữ liệu vào. Hoạt động lấy ra khỏi ngăn xếp sẽ đọc dữ liệu ra rồi giảm SP. -Con trỏ dữ liệu DTPR (Data Pointer): DTPR được sử dụng để truy cập vào bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu bên ngoài, đó là thanh ghi 16bit có 8bit thấp ở địa chỉ 82H (DPL) và 8bit cao ở địa chỉ 83H (DPH).Các thanh ghi cổng: các cổng I/O của 8051 bao gồm P0 tại địa chỉ 80H, P1 tại địa chỉ 90H, P2 tại địa chỉ A0H và P3 tại địa chỉ B0H. tất cả các cổng đều có địa chỉ bit nên cung cấp khả năng giao tiếp với bên ngoài rất mạnh. -Các thanh ghi bộ đếm thời gian: 8051 có 2 bộ đếm thời gian 16bit để định các khoảng thời gian hay đếm các sự kiện. Timer 0 có địa chỉ 8AH (TL0: byte thấp) và 8CH (TH0: byte cao), Timer 1 có địa chỉ 8BH (TL1: byte thấp) và 8DH (TL2: byte cao). Hoạt động của bộ đếm thời gian được thiết lập bởi thanh ghi chế độ thời gian TMOD và thanh ghi điều khiển thời gian TCON, chỉ có TCON có địa chỉ bit. -Thanh ghi cổng tuần tự: IC8051 chứa 1 cổng nối tiếp để kết nối với các thiết bị nối tiếp như modem hoặc để giao tiếp với các IC khác sử dụng giao tiếp nối tiếp (bộ chuyển đổi A/D, thanh ghi dịch, bộ nhớ RAM...). bộ đệm dữ liệu nối tiếp SBUF lưu giữ cả dữ liệu truyền đi và dữ liệu nhận được. Hoạt động ghi SBUF sẽ nạp vào dữ liệu để truyền đi, còn hoạt động đọc SBUF sẽ truy cập vào dữ liệu đã nhận được. Nhiều chế độ hoạt động khác nhau có thể lập trình được thông qua địa chỉ bit của thanh ghi điều khiển cổng nối tiếp tại địa chỉ 98H. -Các thanh ghi ngắt: 8051 có 5 nguồn ngắt và 2 mức ưu tiên. Các ngắt bị cấm sau khi hệ thống khởi động lại và sẽ được bật bằng cách ghi vào thanh ghi cho phép ngắt IE (Interrup enable register). Mức ưu tiên được thiết lập thông qua thanh ghi ưu tiên ngắt IP (Interrup priority register). Cả 2 thanh ghi này đều có địa chỉ bit. -Thanh ghi điều khiển năng lượng PCON (Power control register): Chứa nhiều bit điều khiển đảm nhận những chức năng khác nhau. SMOD - - - GF1 GF0 PD IDL Hình 3.15 : các bit thanh ghi điều khiển năng lượng + Bit SMOD làm tăng gấp đôi tốc độ baud của cổng nối tiếp khi ở chế độ1, 2, 3. Bit 2 và 3 là các bit cờ dùng chung được dành sẵn cho các ứng dụng của người dùng. Các bit điều khiển năng lượng là: bit hạ thấp năng lượng PD (Power down) và bit ngừng không hoạt động IDL (Idle). Các bit này sẽ chuyển bộ vi điều khiển sang 2 chế độ hoạt động cơ bản. 2.5. Bộ nhớ ngoài: Vi điều khiển cho phép mở rộng lên đến 64K không gian bộ nhớ chương trình và 64K không gian bộ nhớ dữ liệu nằm bên ngoài. Khi sử dụng bộ nhớ ngoài thì cổng P0 không được dành cho hoạt động I/O, nó trở thành đường truyền bus dữ liệu (D0-D7) và byte thấp (A0-A7) của bus địa chỉ. Cổng P2 thường được sử dụng cho đường truyền byte cao của bus địa chỉ. Trong suốt một nửa chu kỳ nhớ đầu, tín hiệu ALE sẽ chốt byte thấp của bus địa chỉ vào bộ chốt 74HC573, và trong nữa chu kỳ nhớ còn lại, cổng P0 được sử dụng như là bus dữ liệu để đọc dữ liệu vào MC hay ghi dữ liệu ra bộ nhớ ngoài. Chế độ hoạt động như vậy gọi là chế độ dồn kênh. Địa chỉ A0...A15 Dữ liệu D0...D7 A8...A15 Không ghép kênh (24 đường) Địa chỉ Địa chỉ Dữ liệu Ghép kênh (16 đường) Hình 3.16: Giản đồ thời gian trong chế độ dồn kênh và không dồn kênh. Phương thức truy cập vào bộ nhớ chương trình ngoài: Bộ nhớ chương trình ngoài được đọc bởi tín hiệu PSEN. Khi bộ nhớ chương trình bên ngoài được sử dụng, cả cổng P0 và P2 đều không sử dụng như cổng I/O. các kết nối phần cứng được mô tả trên hình 1.12. Một vòng chu kỳ máy của 8051 gồm có 12 chu kỳ dao động. Nếu bộ dao động nội hoạt động bám theo một dao động thạch anh 12MHz thì một chu kỳ máy là 1ms. Suốt một chu kỳ máy chuẩn, tín hiệu ALE dao động 2 lần và 2 byte được đọc ra từ bộ nhớ chương trình. Port 0 EA ALE 8051 Port 2 /PSEN D0...D7 A0...A7 EPROM A8...A15 /OE D Q G 74HC573 Hình 3.17: Sơ đồ đấu nối phần cứng của 8051 với ROM ngoài Một chu kỳ máy Port 0 P1 P2 S1 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 S2 S3 S4 S5 S6 P1 P2 P1 P2 S1 OSC Opcode PCL PCL Byte 2 Port 2 PCH PCH Hình 3.18: Giản đồ thời gian cho hoạt động đọc bộ nhớ chương trình bên ngoài Truy cập bộ nhớ dữ liệu ngoài: Các hoạt động đọc ghi bộ nhớ dữ liệu được điều khiển bởi 2 tín hiệu RD cà WR. Cách duy nhất truy cập đến bộ nhớ dữ liệu ngoài là dùng lệnh MOVX, sử dụng con trỏ dữ liệu DPTR 16bit hoặc R0 hay R1 làm thanh ghi địa chỉ. Giản đồ thời gian cho hoạt động đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài bằng lệnh MOVX A, @DPTR được chỉ trong hình 1.15. Lúc này, một xung ALE và một xung PSEN bị bỏ qua và thay vào đó là một xung RD để đọc RAM. Giản đồ thời gian cho một hoạt động ghi cũng tương tự, chỉ khác là xung WR ở mức thấp để ghi dữ liệu ra cổng P0 và RD tồn tại ở mức cao. Port 0 ALE 8051 Port 2 /RD /WR /PSEN D0...D7 A0...A7 RAM A8...A15 /OE /WR /CS D Q G 74HC573 Hình 3.19 : Sơ đồ đấu nối phần cứng của 8051 với RAM bên ngoài Một chu kỳ máy Port 0 Một chu kỳ máy S1 S2 S3 S4 S5 S6 ALE DPL External Data in PCH DPH S1 S2 S3 S4 S5 S6 Port 2 Hình 3.20: Giản đồ thời gian của lệnh MOVX 2.6 Reset hệ thống: 5V 100 8,2K 10uF Hình 3.21: Sơ đồ mạch thực hiện reset hệ thống Để reset 8051: Ta phải giữ chân RST ở mức cao trong tối thiểu 2 chu kỳ máy rồi mới trở lại mức thấp. Việc reset có thể thực hiện hoàn toàn bằng tay thông qua công tắc, hoặc có thể tự động reset khi cấp điện. Tình trạng các thanh ghi trong 8051 sau khi reset được tóm tắt trong hình1.17. Bộ đếm chương trình sẽ được nạp vào giá trị 0000H, bởi vì khi RST xuống mức thấp, sự thực hiện chương trình luôn luôn bắt đầu tại tai địa chỉ đầu tiên của bộ nhớ chương trình. Nội dung của RAM bên trong chíp không bị ảnh hưởng bởi hoạt động reset. Thanh ghi Nội dung Thanh ghi Nội dung Bộ đếm CT 0000H IP xxx00000B Thanh ghi A 00H IE 0xx00000B Thanh ghi B 00H Thanh ghi Timer 00H PSW 00H SCON 00H SP 07H SBUF 00H DPTR 0000H PCON(Hmos) 0xxxxxxxB Cổng P(0,1,2,3) FFH PCON(Cmos) 0xxx0000B Hình 3.22: Giá trị các thanh ghi sau reset hệ thống 3. Giới thiệu các chế độ đia chỉ của 8051: 3.1. Các chế độ địa chỉ của 8051: Bộ vi điều khiển 8051 sử dụng 8 chế độ địa chỉ để xác định vùng dữ liệu cần thiết cung cấp cho chế độ hoạt động. Bao gồm các chế độ địa chỉ sau: Địa chỉ thanh ghi. Địa chỉ trực tiếp. Địa chỉ gián tiếp . Địa chỉ tức thời. Địa chỉ tương đối. Địa chỉ tuyệt đối . Địa chỉ dài . Địa chỉ liệt kê. 3.2.Tập lệnh: Tập lệnh của 8051 chia thành 5 nhóm chính là: Lệnh số học: Gồm các lệnh cộng, trừ, nhân, chia, tăng, giảm tác động trên các địa chỉ và thanh ghi. Lệnh logic:Gồm các lệnh thực hiện phép toán Boolean, lệnh quay thanh ghi. Lệnh chuyển dữ liệu: Gồm các lệnh chuyển dữ liệu giữa các thanh ghi, giữa thanh ghi và bộ nhớ, giữa các vùng nhớ với nhau. Lệnh Boolean: 8051 chứa một bộ xử lý Boolean hoàn chỉnh thực hiện các phép toán trên từng bit. Những lệnh truy cập các bit này không chỉ là các lệnh rẽ nhánh có điều kiện mà còn có các lệnh chuyển, bật, xoá, bù, AND và OR. Lệnh rẽ nhánh chương trình: Gồm những lệnh rẽ nhánh có điều kiện hay không có điều kiện. Các lệnh rẽ nhánh chương trình sữ dụng 3 kiểu địa chỉ là kiểu địa chỉ tương đối, địa chỉ dài và địa chỉ tuyệt đối. 4 . Hoạt động của bộ định thời Timer: 4.1 Giới thiệu bộ Timer trong 8051: Bộ Timer là một dãy các flip - flop chia 2, chúng nhận một tín hiệu đưa vào như là nguồn đồng hồ. Tín hiệu từ nguồn đồng hồ đưa vào flip flop thứ nhất, và ngõ ra của flip flop thứ nhất được đưa vào flip flop thứ 2 và cứ thế tiếp tục. Mỗi tầng kế tiếp nhau được chia cho 2, nên bộ định thời n tầng sẽ chia tầng số tín hiệu đồng hồ cho 2n. Ngõ ra của tầng cuối cùng dùng để điều khiển flip flop tràn, còn gọi là cờ tràn, nó được kiểm tra bởi phân mềm và thường dùng để tạo ra một ngắt. Giá trị nhị phân trong các flip flop hiểu là các xung đồng hồ được đếm khi bộ định thời hoạt động. Các bộ đếm sẽ thực hiện đếm lên từ giá trị nạp vào thanh ghi THx và TLx, cho đến FFFFh và cơ tràn được bật và bộ đếm lại lấy giá trị trong thanh ghi THx và THx. Ban đầu mật định giá tri trong thanh ghi THx và TLx là 0000h. Trong 8051 có 2 bộ định thời 16 bít, mỗi bộ có 4 chế độ hoạt động nó thường được sử dụng: Tạo ra tốc độ baud cho việc truyền thông nối tiếp. Đếm sự kiện và đo khoảng thời gian trôi qua giữa các sự kiện. Để truy cập vào bộ định thời ta dùng 6 thanh ghi sau: SFR Mục đích Địa chỉ Chế đô địa chỉ bít TCON Điều khiển 88h Có TMOD Định Mode 89h 0 TL0 Byte thấp của Timer0 8Ah 0 TL1 Byte thấp của Timer1 8Bh 0 TH0 Byte cao của Timer0 8Ch 0 TH1 Byte cao của Timer1 8Dh 0 Hình 3.23: Các thanh ghi chức năng đặc biệt của bộ định thời. Thanh ghi kiểu thời gianTMOD: Bit Tên Timer Chức năng 7 GATE 1 Nếu GATE=1và INT1 cao thì Timer1 mới hoạt động 6 C/T 1 Bít chọn Counter/Timer 5 M1 1 Bit chọn Mode 4 M0 1 Bit chọn Mode 3 GATE 0 Bit GATE của Timer0 2 C/T 0 Bít chọn Counter/Timer 1 M1 0 Bit chọn Mode 0 M0 0 Bit chọn Mode Hình 3.24: các bit trong thanh ghi TMOD 4.3 Thanh ghi điều khiển định thời TCON : TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0 TCON chứa các bít tình trạng và các bít điều khiển cho Timer0 và Timer1. TF0, TF1: cờ tràn bật bởi phần cứng khi sảy ra tràn và được xoá bởi phần mềm hoặc phần cứng khi sử dụng ngắt. TR0, TR1: điều khiển chạy cho Timer0 và Timer1. Bật xoá bởi phần mềm. IE0, IE1: cờ phát hiện ngắt từ bên ngoài, được xoá bởi phần mềm hoặc phần cứng khi sử dụng ngắt. IT0, IT1: chọn lựa cách tác động của ngắt bên ngoài là tác động mức thấp hay tác động sườn âm. Nguồn đồng hồ: Có thể định nhịp bởi 1 trong hai nguồn đồng hồ, việc lựa chọn này bằng cách ghi vào C/T trong thanh ghi TMOD khi mà bộ định thời được thiết lập. Một nguồn đồng hồ dùng để xác định khoảng thời gian và nguồn kia dùng để đếm sự kiện. Nếu C/T= 0, Timer nhận xung từ từ bộ dao động bên trong chíp, và được chia cho 12 để tạo ra xung hợp lí phù hợp cho các ứng dụng. Các thanh ghi THx và TLx được tăng lên sau mỗi xung nhịp có tần số 1Mhz nếu bộ dao động nội hạt có tần số là 12Mhz. Hiện tượng tràn sảy ra phụ thuộc vào giá trị nạp vào thanh ghi THx và TLx. Nếu C/T=1, bộ định thời được định nhịp bởi nguồn từ bên ngoài thông qua 2 chân P3.4(T0) và P3.5(T1). Trong hầu hết các ứng dụng, nguồn bên ngoài này cung cấp cho Timer một xung vào lúc xảy ra một sự kiện nào đó, lúc này bộ Timer là bộ đếm sự kiện. Số các sự kiện được xác định bởi phần mềm bằng cách đọc các thanh ghi định thời TLx/THx, bởi vì giá trị 16bit trong các thanh ghi này tăng lên sau mỗi sự kiện. 0= Up (Interval Timing) 1= Down (Event Counting) On - chip Oscillator ¸12 Timer Clock T0 or T1 pin C/T Hình 3.25: Nguồn đồng hồ 5. Hoạt động của cổng nối tiếp: 5.1 Giới thiệu chung: Bộ vi điều khiển có chứa một cổng nối tiếp ở bên trong, nó có thể hoạt động ở 4 Mode khác nhau. Chức năng chủ yếu của cổng nối tiếp là thực hiện việc chuyển đổi từ song song sang nối tiếp để xuất dữ liệu ra, và từ nối tiếp sang song song để nhập dữ liệu vào thông qua 2 chân P3.1 (TXD) và P3.0 (RXD). Cổng nối tiếp có tính năng hoạt động kép, tức là cùng một lúc có thể truyền và nhận dữ liệu, ngoài ra 8051 còn sử dụng cơ chế bộ đệm cho phép một ký tự được nhận vào và lưu trữ trong bộ đệm trong khi nhận vào ký tự thứ 2. Nếu CPU đọc ký tự đầu tiên trước khi ký tự thứ 2 được nhận đầy đủ thì dữ liệu sẽ không bị mất. Hoạt động ghi vào SBUF sẽ nạp vào dữ liệu để truyền đi, và hoạt động đọc SBUF truy cập vào phần dữ liệu nhận được. Thật sự SBUF là 2 thanh ghi khác biệt và tách rời nhau, thanh ghi phát chỉ ghi và thanh ghi nhận chỉ đọc. Tần số hoạt động của cổng nối tiếp hay tốc độ baud có thể cố định (được cấp bởi bộ dao động nội của 8051) hay thay đổi. Timer 1 được sử dụng làm nguồn phát tốc độ baud có thể thay đổi được bằng cách lập trình cho nó. 5.2 Thanh ghi điều khiển cổng nối tiếp SCON: Chế độ hoạt động của cổng nối tiếp trong 8051 được thiết lập bằng thanh ghi điều khiển cổng nối tiếp SCON. SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI RI Hình 3.26: Các bit trong thanh ghi điều khiển cổng nối tiếp SCON. SM0, SM1: là 2 bit thiết lập mode hoạt động cho cổng nối tiếp SM2: Bit mode cho phép chế độ truyền thông đa xử lý trong mode2 và mode3. Ri sẽ không được kích hoạt nếu nhận được bit thứ 9 là bit 0 REN: Bit cho phép nhận, phải được bật bởi chương trình để nhận ký tự TB8: Chứa bit thứ 9 được truyền đi trong mode2 và mode3 RB8: Nơi nhận bit thứ 9 trong mode2 và mode3 TI: Cờ ngắt phát, được bật sau khi truyền xong bit cuối cùng của một ký tự và được xoá bởi chương trình. RI: Cờ ngắt nhận, được bật sau khi truyền xong bit cuối cùng của một ký tự. Và được xoá bởi chương trình. 5.3 Các chế độ hoạt động (Mode): Cổng nối tiếp của 8051 có tất cả 4 chế độ hoạt động được chọn lựa bởi các bit SM0 và SM1 trong SCON. SM0=0, SM1=0:Mode 0 (thanh ghi dịch) SM0=0, SM1=1:Mode 1 (8bit UART) SM0=1, SM1=0:Mode 2 (9 bit UART) SM0=1, SM1=1:Mode 3 (9 bit UART) Thanh ghi dịch 8bit (Mode 0): Trong mode 0, cổng nối tiếp hoạt động như một thanh ghi dịch 8bit. Hai chân RXD và TXD không được dùng như truyền thống, chân RXD được sử dụng cho cả dữ liệu nhập vào và dữ liệu xuất ra, còn chân TXD dùng xuất nhịp đồng hồ, bit LSB được truyền hay nhận đầu tiên trong 8 bit. Hoạt động nhận dữ liệu được bắt đầu khi bit cho phép nhận REN bật 1 và bit ngắt RI bị xoá về 0. Khi RI bị xoá,các xung đồng hồ được ghi ra đường TXD, tại thời điểm bắt đầu của một chu kỳ máy và dữ liệu sẽ được dịch chuyển vào ngõ RXD bởi nhịp đồng hồ. Tốc độ baud = 1/12 (tần số của bộ dao động nội). Chế độ 8bit UART với tốc độ baud thay đổi (Mode 1): Trong mode 1, cổng nối tiếp của 8051 hoạt động như là một bộ 8bit UART có tốc độ baud thay đổi. 10bit được phát đi trên đường TXD hoặc được nhận vào ngõ RXD. Chúng bao gồm một bit Start (luôn luôn ở mức 0), tiếp theo là 8bit dữ liệu (bit LSB ở đầu ), và bit Stop cuối cùng (luôn luôn là 1). Chu kỳ của mỗi bit là số nghịch đảo của tốc độ baud. Tốc độ baud được thiết lập bởi mức tràn Timer 1. Hoạt động phát được khởi đầu bằng cách ghi vào SBUF. Dữ liệu được chuyển dịch ra ngõ TXD bắt đầu bởi bit Start, tiếp theo là 8bit dữ liệu và kết thúc bằng bit Stop. Cờ ngắt phát được đi TI được bật ngay khi bit Stop xuất hiện ở chân TXD. Hoạt động nhận được khởi đầu bằng sự chuyển đổi từ 1 qua 0 tại ngõ RXD. Giả thiết rằng một bit Start hợp lệ đã được phát hiện, sau đó bit Start bị bỏ qua, 8bit dữ liệu được dịch chuyển vào trong thanh ghi dịch của cổng nối tiếp. Tiếp theo: Bit thứ 9 (bit Stop) được dịch chuyển vào trong RB8 của SCON 8bit dữ liệu được nạp vào SBUF Cờ ngắt báo hiệu nhận được (RI) bật lên. Tốc độ baud = (tốc độ tràn Timer 1). Ví dụ, nếu tốc độ baud là 1200 thì tốc độ tràn là: Tốc độ tràn Timer 1 = 38,4KHz Nếu sử dụng thạch anh 12MHz để điều khiển bộ dao động nội, thì Timer 1 được định nhịp ở mức 1MHz. Vì bộ định thời phải tràn ở tốc độ 38,4KHz và nó cũng được định nhịp ở mức 1000KHz. Như vậy cứ 1000¸38,4 = 26,04 nhịp đồng hồ thì phải xảy ra tràn một lần (làm tròn thành 26 nhịp đồng hồ). Bởi vì bộ định thời đếm lên và hiện tượng tràn xảy ra khi có sự chuyển đổi từ FFH qua 00H, một giá trị đếm 26 nhỏ hơn 0 được yêu cầu nạp vào cho TH1. Như vậy giá trị đúng là -26 tức là E6H.. Mode 9 bit UART với tốc độ baud cố định (Mode 2): Trong mode 2, 11bit dược phát đi hay nhận gồm có: bit Start, 8bit dữ liệu, 1 bit dữ liệu thứ chín được lập trình và bit Stop. Khi phát đi thì cho dù thế nào đi nữa, bit thứ chín cũng được đặt vào TB8 trong SCON (có thể là bit Parity). Khi nhận, bit thứ chín nhận được sẽ được đặt vào RB8 trong mode 2 bằng 1/32 hay 1/64 tần số của bộ dao động nội. Tốc độ baud = (Tần số bộ dao động nội) Mode 9bit UART với tốc độ baud thay đổi (Mode 3): Mode 3 cũng giống như mode 2 ngoại trừ tốc độ baud được lập trình và được cung cấp bởi bộ định thời. Thực tế thì mode 1, mode 2 và mode 3 rất giống nhau, điểm khác biệt ở đây là tốc độ baud (cố định trong mode 2, thay đổi trong mode 1 và 3) và số bit dữ liệu (8bit trong mode 1, 9bit trong mode 2 và 3). Tốc độ baud = (Tốc độ tràn Timer 1). On chip oscillator ¸12 Baud rate clock (a) Mode 0 ¸64 ¸32 Baud rate clock On chip oscillator (b) Mode 2 SMOD = 0 SMOD = 1 ¸64 ¸32 Baud rate clock On chip oscillator (c) Mode 1 and Mode 3 SMOD = 0 SMOD = 1 Hình 3.27: Nguồn đồng hồ cho cổng nối tiếp Truyền thông đa xử lý Các chế độ 2 và 3 là các chế độ dự phòng cho việc truyền thông đa xử lý. Trong các chế độ này, 9 bit dữ liệu được thu và bit thứ 9 được đưa đến RB8. Port có thể được lập trình sao cho khi bit Stop được nhận, ngắt do port được tích cực khi chỉ nếu RB8 =1. Đặc trưng này có được bằng cách set bit SM2 trong thanh ghi SCON bằng 1. Đặc trưng này được ứng dụng trong mô hình mạng sử dụng nhiều 8051 được sắp xếp theo mô hình chủ/tơ ( master/slave ) như trình bày trong hình vẽ: Master 8051 TXD P0 P1 P2 P3 8051 Slave1 RXD P0 P1 P2 P3 8051 Slave2 RXD 32 I/O lines 32 I/O lines 3. Hệ thống ngắt: Khi bộ xử lý chủ muốn truyền một khối dữ liệu đến một trong nhiều bộ xử lý tớ, trước tiên bộ xử lý chủ phát đi một byte địa chỉ nhận dạng bộ xử lý tớ đích. Một byte địa chỉ khác với một byte dữ liệu ở chỗ bit thứ 9 là một trong byte địa chỉ và là 0 trong byte dữ liệu. Một byte dịa chỉ ngắt tất cả các bộ xử lý tớ để cho mỗi một bộ xử lý tớ có thể khảo sát byte nhận được để kiểm tra xem có phải là bộ xử lý tớ đang được định địa chỉ không. Bộ xử lý tớ được định địa chỉ sẽ xóa bit SM2 của mình và chuẩn bị nhận các byte dữ liệu theo sau. Các bộ xử lý tớ không được định địa chỉ có các bit SM2 của chúng được set bằng 1 và thực thi công việc riêng của chúng, bỏ qua khong nhận các byte dữ liệu. Các bộ xử lý này sẽ được ngắt lần nữa khi bộ xử lý chủ phát tiếp byte địa chỉ kế. Khi liên kết đã được thiết lập trạm tớ có thể phát đến trạm chủ bằng cách không sử dụng bit dữ liệu thứ 9 . 6. Hệ thống ngắt: 6.1 Giới thiệu chung: Ngắt đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế và thực hiện các ứng dụng của vi điều khiển. Chúng cho phép hệ thống đáp ứng một cách không đồng bộ đến 1 sự kiện và giải quyết sự kiện đó khi chương trình khác đang chạy. Khi một ngắt xảy ra thì chương trình chính tạm thời dừng công việc đang thi hành và rẽ nhánh sang ISR, tiếp theo ISR hoạt động để đáp ứng yêu cầu của ngắt, và nó sẽ kết thúc bằng lệnh quay về, chương trình chính sẽ hoạt động tiếp tục tại ngay sau điểm rẽ nhánh. Chương trình chính thực hiện ở mức cơ bản (base - level), còn ISR thực hiện ở mức ngắt (Interrup - level). a) Quá trình thực hiện chương trình mà không có ngắt t Chương trình chính ISR ISR CT chính CT chính CT chính t Thực hiện ISR Quay trở lại CT chính b) Quá trình thực hiện chương trình có ngắt Hình 3.28: Trình tự thực hiện chương trình không có ngắt và có ngắt 6.2 Tổ chức ngắt của 8051: Có tất cả là 5 nguồn ngắt trên 8051: 2 ngắt ngoài, 2 ngắt bộ định thời và 1 ngắt cổng nối tiếp. Tất cả các ngắt đều bị cấm sau khi hệ thống khởi động và được bật riêng lẻ bởi phần mềm. Có thể truy cập đến các ngắt thông qua thanh ghi cho phép ngắt IE. Độ ưu tiên của ngắt: Mỗi một nguồn ngắt có thể được lập trình để đạt được một trong 2 mức ưu tiên thông qua thanh ghi chức năng đặc biệt có địa chỉ bit IP tại địa chỉ 0B8H. thanh ghi IP bị xóa sau khi hệ thống khởi động để đặt các ngắt ở mức ưu tiên thấp hơn so với mặc định. Trong 8051 tồn tại 2 mưc ưu tiên. Khi một ngắt có mức ưu tiên cao xuất hiện trong khi một ISR có mức ưu tiên thấp đang thi hành thì ISR đó sẽ bị ngừng lại, và ISR có mức ưu tiên cao hơn sẽ được thực hiện. Bit Tên Địa chỉ bit Chức năng 1= Enable; 0= Disable IE.7 EA AFH Bit bật/tắt dùng chung IE.6 - AEH Không được định nghĩa IE.5 ET2 ADH Cho phép ngắt Timer 2(8052) IE.4 ES ACH Cho phép ngắt cổng nối tiếp IE.3 ET1 ABH Cho phép ngắt Timer 1 IE.2 EX1 AAH Cho phép ngắt ngoài 1 IE.1 ET0 A9H Cho phép ngắt Timer 0 IE.0 EX0 A8H Cho phép ngắt ngoài 0 Hình 3.29: Các bit trong thanh ghi IE ( Interrupt Enable) Bit Tên Địa chỉ bit Chức năng 1= Enable; 0= Disable IP.7 - - Không xác định IP.6 - - Không xác định IP.5 PY2 0BDH Ưu tiên cho ngắt Timer 2 IP.4 PS 0BCH Ưu tiên cho ngắt cổng nối tiếp IP.3 PT1 0BBH Ưu tiên cho ngắt Timer 1 IP.2 PX1 0BAH Ưu tiên cho ngắt ngoài 11 IP.1 PT0 0B9H Ưu tiên cho ngắt Timer 0 IP.0 PX0 0B8H Ưu tiên cho ngắt ngoài 0 Cơ chế chọn lựa tuần tự: Nếu có 2 ngắt với cùng mức ưu tiên xảy ra đồng thời, thì một cơ chế chọn lựa theo thứ tự có sẵn sẽ xác định ngắt nào được đáp ứng trước. Việc chọn lựa theo thứ tự sẽ là External 0, Timer 0, External 1, Timer 1, Serial Port, Timer 2.Hình 1.24 giới thiệu 5 nguồn ngắt, cơ cấu cho phép chung và riêng lẻ, cơ chế chọn lựa tuần tự, và các mức ưu tiên. Tình trạng của tất cả các nguồn ngắt là sẵn sàng nhờ vàobit cờ tương ứng trong thanh ghi SFR. Tất nhiên, nếu bất cứ ngắt nào bị cấm, ngắt đó sẽ không xuất hiện nhưng phần mềm vẫn có thể kiểm tra cờ ngắt. Ngắt của cổng nối tiếp có được là nhờ kết quả của phép toán OR cờ ngắt nhận được RI với cờ ngắt phát đi TI. Cũng như vậy, ngắt của Timer 2 được tạo ra bởi sự tràn bộ định thời TF2 OR với EXF2. INT0 INT0 TF0 TF1 RI TI IE0 IE0 Interrupt enable Global enable Interrupt polloing sequence Low priority interrupt High priority interrupt IP register IE register IT0 IT1 0 1 0 1 Hình 3.30: Cấu trúc hệ thống ngắt trong 8051 6.3 Quá trình xử lý ngắt: - Khi một ngắt xuất hiện và nó được CPU chấp nhận, chương trình chính bị ngừng, các hoạt động tiếp theo xảy ra như sau: Thực hiện xong lệnh hiện hành lúc đó Bộ đếm chương trình PC được lưu vào trong Stack Lưu giữ tình trạng của ngắt hiện tại Các nguồn ngắt được giữ tại mức của ngắt hiện tại Nạp vào PC địa chỉ vector của ISR ISR thực hiện - ISR hoạt động để đáp lại yêu cầu của ngắt. ISR kết thúc bằng lệnh RETI có tác dụng quay trở lại chương trình chính, lệnh này sẽ nạp lại giá trị củ của PC trong ngăn xếp và khôi phục lại tình trạng của ngắt củ. Việc thực hiện chương trình chính tiếp tục diễn ra tại nơi nó tạm dừng. Vector ngắt: - Khi một ngắt được chấp nhận thì giá trị nạp vào trong PC gọi là vector ngắt. Nó chính là địa chỉ bắt đầu của ISR tương ứng với ngắt được chấp nhận. - Các vector ngắt được cho trong hình 1.31. Cờ RST cũng tạo ra một ngắt nhằm khởi động lại hệ thống có vector ngắt là 0000H, nó ngắt chương trình chính và nạp v