Mục tiêu của đề tài
Với yêu cầu nội dung của đề tài, mục tiêu cần đạt được sau khi hoàn thành đề tài như sau:
- Củng cố kiến thức về nguyên lý động cơ đốt trong, hệ thống điện điều khiển trên động cơ
- Ứng dụng các phần mềm lập trình để lập trình hiển thị và giao tiếp với máy tính
- Thiết kế, thi công được mạch thu thập tín hiệu từ động cơ
- Thiết kế, thi công được mạch tạo Pan trên đông cơ và kết nối với máy tính.
Phương pháp nghiên cứu
Để hoàn thành đề tài, chúng em đã áp dụng nhiều phương pháp nghiên cứu, trong đó nổi bật là việc tham khảo tài liệu từ các mô hình liên quan trước đây, kết hợp với các nguồn tài liệu nước ngoài mà nhóm tự tìm hiểu và được giảng viên hướng dẫn cung cấp.
Quá trình học hỏi từ thầy hướng dẫn, các giảng viên trong xưởng động cơ và bạn bè trong nhóm thực hiện đồ án là rất quan trọng để hình thành ý tưởng thiết kế khung cho mô hình Điều này giúp xác định cách bố trí và sắp xếp thiết bị một cách hợp lý.
Cuối cùng, chúng tôi tiến hành quan sát thực tế hoạt động của động cơ mẫu và sử dụng các thiết bị chẩn đoán có sẵn trong xưởng để so sánh và kiểm tra kết quả thực hiện.
Nghiên cứu tài liệu và tham khảo các nguồn liên quan đến lập trình Arduino là bước quan trọng để phát triển các ứng dụng cơ bản hiệu quả Việc tìm hiểu sâu về các phần mềm và tài liệu hỗ trợ sẽ giúp nâng cao kỹ năng lập trình và ứng dụng thực tiễn của Arduino trong các dự án.
- Lập trình về LabVIEW thực hiện hiển thị kết quả đơn giản
- Nắm cơ bản các hệ thống liên quan trên mạch điện xe Toyota 3S-FSE 1998
- Ôn lại kiến thức về hệ thống điều khiển động cơ và các cảm biến
- Thi công mô hình động cơ 3S-FSE
- Thiết kế phần cứng, phần mềm cho đề tài nghiên cứu thu tập tín hiệu động cơ 3S-FSE
- Thiết kế phần cứng, phần mềm cho hệ thống tạo Pan phục vụ học tập và ngiên cứu trên động cơ 3S-FSE 1998
- Thiết kế phần cứng là bộ thu tín hiệu và board Arduino và bộ tạo Pan gồm Module 8 Relay, board Arduino
Thiết kế phần mềm bao gồm việc phát triển chương trình trên nền tảng Arduino nhằm thu thập dữ liệu một cách ổn định, hiển thị kết quả trên phần mềm LabVIEW trên máy tính, đồng thời tích hợp chương trình tạo bảng điều khiển từ xa thông qua kết nối IoT.
- Tiến hành vận hành hệ thống, chẩn đoán lỗi và sữa lỗi
- Tiến hành thu thập tín hiệu và viết thuyết minh
- Nổ máy và tạo Pan xem triệu chứng của động cơ
- Làm video về quá trình thực hiện kết quả đề tài thực nghiệm
- Viết thuyết minh bằng Word
- Viết báo cáo bằng Powerpoint để thuyết trình
Kế hoạch nghiên cứu
Giai đoạn 1: Nghiên cứu tài liệu:
- Sơ đồ mạch điện động cơ 3S-FSE
- Tài liệu hệ thống điều khiển động cơ
- Tài liệu lập trình với Arduino IDE
- Tài liệu thiết kế và lập trình trên phần mềm LabVIEW
- Tài liệu thiết kế mạch điện với phần mềm Proteus 8.5
Giai đoạn 2: Tiến hành thiết kế, chế tạo phần cứng và lập trình phần mềm cho mô hình Thi công mạch điều khiển động cơ
Mạch thu thập dữ liệu được thiết kế dựa trên bộ xử lý Arduino, sử dụng phần mềm Arduino IDE để lập trình và phần mềm Proteus để thực hiện thiết kế phần cứng.
- Các mạch hiển thị sẽ được chế tạo từ các linh kiện điện tử, thiết kế thông qua phần mềm Proteus
- Giao tiếp máy tính với động cơ thông qua phần mềm LabVIEW
Giai đoạn 3: Tiến hành thử nghiệm thu thập dữ liệu, tạo Pan trên động cơ và viết thuyết minh
- Tiến hành thử nghiệm thu thập dữ liệu và tạo Pan trên động cơ
- Tiến hành viết báo cáo bằng Word
- Tiến hành làm Powerpoint để thuyết trình
- Làm video thuyết minh đề tài
GIỚI THIỆU HỆ THỐNG PHUN XĂNG TRỰC TIẾP GDI TRÊN ĐỘNG CƠ TOYOTA 3S-FSE
Sơ lược lịch sử hệ thống phun xăng trực tiếp GDI
Vào năm 1955, Mercedes-Benz đã tiên phong trong việc ứng dụng công nghệ phun xăng trực tiếp vào buồng đốt động cơ thông qua thiết bị áp suất phun của Bosch Tuy nhiên, công nghệ này không được phát triển do sự hạn chế của thiết bị điện tử thời bấy giờ, dẫn đến việc điều khiển phun nhiên liệu chủ yếu dựa vào cơ khí Hơn nữa, việc nghiên cứu về hỗn hợp phân lớp cho động cơ chưa được chú trọng như hiện nay, khiến cho quá trình tạo hòa khí trong buồng đốt không hiệu quả hơn so với việc tạo hỗn hợp ngoài động cơ, mặc dù có cấu trúc phức tạp và chi phí cao hơn nhiều.
Năm 1966, nhờ sự tiến bộ trong khoa học điện tử, Mitsubishi Motors đã giới thiệu công nghệ phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng đốt cho động cơ xăng, gọi là GDI (Gasoline Direct Injection), tại thị trường Nhật Bản, và sau đó công nghệ này đã xuất hiện tại châu Âu vào năm 1998.
Hệ thống phun xăng trực tiếp GDI trên động cơ Toyota 3S-FSE
Hình 1-1: Quá trình phát triển của động cơ xăng
Hệ thống GDI (Phun nhiên liệu trực tiếp) hoạt động bằng cách phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng cháy với áp suất cao, giúp tạo ra hỗn hợp nhiên liệu và không khí ngay bên trong buồng cháy.
Động cơ GDI có khả năng tạo hỗn hợp bên trong buồng đốt, giúp kiểm soát chính xác lượng nhiên liệu trong mỗi chu trình hoạt động Điều này khắc phục nhược điểm của việc phun nhiên liệu trên ống nạp, nơi nhiên liệu có thể bị bám vào thành ống.
Động cơ GDI hoạt động hiệu quả nhờ vào công nghệ phun nhiên liệu trực tiếp và thiết kế buồng đốt, cho phép tỷ lệ hỗn hợp không khí/nhiên liệu đạt từ 35 đến 55, đặc biệt là ở tốc độ cao.
Vận tốc 120 Km/h giúp động cơ hoạt động hiệu quả, cháy sạch, tiết kiệm nhiên liệu tối đa và giảm thiểu khí thải ô nhiễm nhờ vào hiệu quả của bộ xúc tác dual-catalyst.
Động cơ GDI có tỷ số nén cao hơn động cơ PFI, mang lại công suất lớn hơn 10% so với động cơ PFI cùng dung tích xy lanh Hệ thống tăng áp của động cơ GDI được thiết kế hoàn thiện hơn, cho phép hoạt động với hỗn hợp nhiên liệu cực nghèo Đặc biệt, động cơ GDI được phát triển để thân thiện với môi trường, khắc phục các vấn đề về công suất, giá cả và thiết kế của các động cơ trước đó Công nghệ GDI cải thiện hiệu suất tiêu hao nhiên liệu từ 10-30% so với động cơ phun xăng truyền thống Trong chế độ công suất cực đại, động cơ GDI phun nhiên liệu vào xy lanh trong suốt kỳ nạp, dẫn đến quá trình cháy hoàn hảo, nhiên liệu được cháy sạch và động cơ hoạt động êm dịu, không có tiếng gõ.
Hình 1-2: Sơ đồ động cơ phun xăng trực tiếp Động cơ phun xăng trực tiếp GDI gồm 4 xylanh đặt thẳng hàng, thứ tự kì nổ 1-3- 4-2
Là động cơ đánh lửa trực tiếp (4 bô bin), IC đặt trong bộ bô bin
Hệ thống điều khiển xú páp thông minh VVT-i
Hệ thống điều khiển bướm ga thông minh
Hệ thống luân hồi khí thải
Hình 1-3: Sơ đồ hệ thống nhiên liệu Để kim phun có thể phun vào buồng đốt vào kỳ nén thì áp suất nhiên liệu phải từ 4.0
Hệ thống kim phun common rail yêu cầu áp suất từ 13.0 MPa để đảm bảo ổn định trong quá trình hoạt động Việc duy trì áp suất này là quan trọng, vì áp suất thấp có thể dẫn đến hiện tượng nhiên liệu không bốc hơi và hòa trộn kém trong buồng đốt Ngược lại, áp suất quá cao có thể làm cho dòng nhiên liệu va chạm vào thành buồng đốt, gây ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình bốc hơi.
Hệ thống GDI bao gồm các bộ phận chính như thùng nhiên liệu, bơm thấp áp, lọc nhiên liệu, bơm cao áp, ống phân phối, cảm biến áp suất cao, vòi phun và van điều áp, tất cả đều đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nhiên liệu hiệu quả cho động cơ.
Hình 1-4: Hệ thống nhiên liệu động cơ GDI
Nhiên liệu được bơm từ bình chứa qua lọc đến bơm cao áp với áp suất khoảng 0,35 MPa, sau đó được đưa đến ống phân phối với áp suất từ 4-13 MPa Áp suất này được điều chỉnh bởi cảm biến áp suất và dữ liệu ứng dụng, rất quan trọng cho công suất động cơ, lượng khí thải và tiếng ồn Để ổn định áp suất trong ống phân phối, có một van điều áp cho phép một lượng nhiên liệu vừa đủ quay lại bình chứa Kim phun, bộ phận quan trọng nhất của hệ thống GDI, được gắn giữa ống phân phối và buồng cháy, và được điều khiển bởi ECU.
❖ Hệ thống điều khiển điện tử:
Hệ thống điều khiển điện tử của động cơ bao gồm bộ xử lý trung tâm ECU, bộ khuếch đại điện áp EDU, các cảm biến đầu vào và bộ chấp hành ECU thu thập tín hiệu từ các cảm biến để xác định trạng thái hoạt động của động cơ, từ đó tính toán lượng và thời điểm phun nhiên liệu, gửi tín hiệu điều khiển đến EDU để mở kim phun Hệ thống cũng điều chỉnh áp suất nhiên liệu và tuần hoàn khí xả ECU xác định thời điểm và lượng phun tối ưu cho từng chế độ làm việc dựa trên tín hiệu từ cảm biến, và EDU khuếch đại điện áp từ 12V-85V để mở kim phun, phun nhiên liệu vào buồng đốt Thời điểm và lượng phun được quyết định bởi tín hiệu từ ECU; tín hiệu yêu cầu phun càng sớm thì thời điểm phun càng gần, và tín hiệu dài hơn dẫn đến lượng phun nhiều hơn.
Hình 1-5: Sơ đồ cấu tạo hệ thống điều khiển động cơ GDI
Thông số kỹ thuật động cơ Toyota 3S-FSE
Bảng 1-1: Thông số kỹ thuật động cơ Toyota 3S-FSE
Số xy lanh và cách bố trí 4 xy lanh thẳng hàng
Hệ thống phối khí 16 van, DOHC, VVT-i, dẫn động bằng đai và bánh răng
Hệ thống nhiên liệu Phun nhiên liệu trực tiếp GDI
Dung tích làm việc 1998 cm 3 Đường kính piston 86mm
Công suất cực đại 145Hp/6000v/p
Hình ảnh mô hình động cơ Toyota 3S-FSE
Hình 1-6: Mô hình động cơ Toyota 3S-FSE
HỆ THỐNG ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ
Các cảm biến
2.1.1 Cảm biến vị trí bướm ga
Cảm biến vị trí bướm ga trong hệ thống điều khiển bướm ga điện tử thông minh (ETCS-i) bao gồm hai con trượt tiếp điểm và hai điện trở Góc mở bướm ga được chuyển đổi thành tín hiệu điện áp gửi đến ECU Hầu hết các cảm biến bướm ga hiện nay là loại tuyến tính 3 dây.
Cảm biến bao gồm một điện trở và nhận nguồn điện áp 5V từ ECU, với con trượt di chuyển trên điện trở theo góc mở của cánh bướm ga Tín hiệu điện áp VTA từ con trượt gửi về ECU giúp xác định độ mở của cánh bướm ga.
Hình 2-1: Vị trí cảm biến vị trí bướm ga
Hình 2-2: Sơ đồ mạch điện và đường đặc tuyến điện áp của cảm biến vị trí bướm ga
Điện áp ổn định 5V từ ECU được cung cấp đến cực VC Khi bướm ga mở, con trượt di chuyển trên điện trở, tạo ra điện áp tăng dần ở cực VTA tương ứng với góc mở của bướm ga.
VTA2 hoạt động tương tự như VTA nhưng với mức điện áp ra cao hơn và tốc độ thay đổi điện áp khác nhau Khi bướm ga mở, hai tín hiệu điện áp tăng với tốc độ không giống nhau ECU sử dụng cả hai tín hiệu này để nhận diện sự thay đổi vị trí cánh bướm ga Nhờ vào việc sử dụng hai cảm biến, ECU có khả năng so sánh các điện áp và phát hiện các vấn đề liên quan.
Bảng 2-1: Bảng thông số kiểm tra cảm biến vị trí bướm ga
Cực đo Điều kiện Điện áp V
VTA, E2 Công tắc bật ON, cánh bướm ga ở vị trí cầm chừng
Công tắc bật ON, cánh bướm ga mở hoàn toàn 4,7 – 5,1
VTA2, E2 Công tắc bật ON, cánh bướm ga ở vị trí cầm chừng
2 – 2,9 Công tắc bật ON, cánh bướm ga mở hoàn toàn 4,7 – 5,1
2.1.2 Cảm biến vị trí bàn đạp ga
Cấu tạo và nguyên lí hoạt động
Cảm biến vị trí bàn đạp ga (Acceleration Pedal Position Sensor) được lắp đặt trên trục bướm ga, kết nối với dây cáp đến bàn đạp ga Khi người lái đạp ga, tín hiệu từ bàn đạp ga sẽ được gửi đến ECU, giúp ECU tính toán góc mở của bướm ga một cách chính xác.
Hành trình bàn đạp ga được xác định bởi cảm biến và tín hiệu này được gửi về ECU động cơ ECU sẽ điều khiển mô tơ trên thân bướm ga để điều chỉnh góc mở bướm ga một cách tối ưu Độ mở của bướm ga được cảm biến vị trí bướm ga xác định và truyền tín hiệu về ECU để đảm bảo hoạt động chính xác.
Khi đạp ga, tín hiệu điện áp từ cảm biến bàn đạp ga sẽ thay đổi, với hai tín hiệu điện áp được ghi nhận ECU sử dụng các tín hiệu này để tính toán góc mở của bướm ga và so sánh chúng nhằm phát hiện sự bất thường trong hoạt động của cảm biến.
Trong hai hệ thống, tín hiệu VPA truyền điện áp theo đường thẳng trên toàn bộ phạm vi bàn đạp ga, trong khi tín hiệu VPA2 là tín hiệu khác.
Hình 2-3: Cảm biến vị trí bàn đạp ga
Hình 2-4: Đường đặc tuyến điện áp của bàn đạp ga
Bảng 2-2: Bảng thông số kiểm tra cảm biến vị trí bàn đạp ga
Cực đo Điều kiện Điện áp V
VPA, E2 Công tắc bật ON, cánh bướm ga ở vị trí cầm chừng 0,3 – 0,9
Công tắc bật ON, cánh bướm ga mở hoàn toàn 3,2 – 4,9 VPA2, E2 Công tắc bật ON, cánh bướm ga ở vị trí cầm chừng 1,8 – 2,7
Công tắc bật ON, cánh bướm ga mở hoàn toàn 4,7 – 5,1
2.1.3 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát
Cảm biến nhiệt độ nước làm mát dùng để xác định nhiệt độ động cơ
Hình 2-5: Vị trí cảm biến nhiệt độ nước làm mát
Hình 2-6: Sơ đồ mạch điện và đặc tuyến điện trở , điện áp của cảm biến nhiệt độ nước làm mát
Hình 2-7: Cấu tạo cảm biến nhiệt độ nước làm mát
Cảm biến thường là trụ rỗng có ren ngoài, bên trong gắn điện trở với hệ số nhiệt điện trở âm, nghĩa là điện trở giảm khi nhiệt độ tăng và ngược lại Thiết bị này được lắp đặt trên thân máy, gần họng nước làm mát để theo dõi nhiệt độ hiệu quả.
Nhiệt điện trở là một cảm biến có khả năng thay đổi điện trở theo nhiệt độ, được chế tạo từ vật liệu bán dẫn với hệ số nhiệt điện trở âm Khi nhiệt độ tăng, điện trở giảm và ngược lại Một điện áp 5V được cung cấp qua điện trở chuẩn, có giá trị không thay đổi theo nhiệt độ, tới cảm biến và trở về ECU Sự kết hợp giữa điện trở chuẩn và nhiệt điện trở tạo thành cầu phân áp, với điện áp tại điểm giữa cầu được chuyển đến bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự - số.
Khi động cơ ở nhiệt độ thấp, cảm biến có giá trị điện trở cao, dẫn đến điện áp gửi đến bộ chuyển đổi ADC lớn Tín hiệu điện áp này được chuyển đổi thành xung vuông và được bộ vi xử lý giải mã, thông báo cho ECU rằng động cơ đang lạnh Ngược lại, khi động cơ nóng lên, giá trị điện trở của cảm biến giảm, kéo theo điện áp giảm, cho ECU biết rằng động cơ đang nóng.
ECU dùng nhiệt độ chuẩn là 80 0 C Khi nhiệt độ nước làm mát bé hơn 80 0 C, ECU sẽ điều khiển tăng lượng phun
Khi nhiệt độ nước làm mát thay đổi, điện áp tại cực THW thay đổi theo và ECU dùng tín hiệu này để hiệu chỉnh lượng phun nhiên liệu
Lượng nhiên liệu phun bị ảnh hưởng đáng kể bởi nhiệt độ nước làm mát Khi cảm biến gặp sự cố ngắn mạch, điện áp tại cực THW giảm xuống, dẫn đến việc động cơ hoạt động không ổn định, đặc biệt khi nhiệt độ động cơ dưới 80 độ C.
Bảng 2-3: Bảng giá trị đặc tính cảm biến nhiệt độ nước làm mát
Bảng 2-4: Bảng thông số kiểm tra cảm biến nhiệt độ nước làm mát
Cực đo Điểu kiện Điện áp
THW, E2 Nhiệt độ nước làm mát từ 0 – 80 o C 0.5 -3.4 V
2.1.4 Cảm biến nhiệt độ khí nạp
Cảm biến nhiệt độ khí nạp là thiết bị quan trọng để xác định nhiệt độ của khí nạp trong động cơ Thiết bị này bao gồm một nhiệt điện trở, thường được lắp đặt trong bộ đo gió hoặc trên đường ống nạp, giúp cải thiện hiệu suất hoạt động của động cơ.
Hình 2-8: Vị trí cảm biến nhiệt độ khí nạp
Mật độ không khí biến đổi theo nhiệt độ, dẫn đến khối lượng không khí nạp vào động cơ phụ thuộc vào nhiệt độ của không khí đó.
Cảm biến được đặt ở phía trước họng bướm ga, với phần chính là một điện trở có trị số nhiệt điện trở âm ECU sử dụng nhiệt độ cơ bản là 20°C để điều chỉnh lượng nhiên liệu phun; khi nhiệt độ không khí nạp tăng cao, lượng nhiên liệu sẽ giảm, và ngược lại, khi nhiệt độ không khí thấp hơn 20°C, lượng nhiên liệu sẽ được gia tăng.
Hình 2-9: Mạch điện cảm biến nhiệt độ khí nạp
Các cơ cấu chấp hành
2.2.1 Van hồi nhiên liệu trong bơm cao áp
Cấu tạo bơm cao áp gồm: trục dẫn động, lò xo hồi vị, piston nén, van một chiều, van điện đều áp
Nguyên lý hoạt động của hệ thống là trục cam quay vấu cam tác động lên bệ trục dẫn động, tạo ra chuyển động lên xuống cho piston Khi piston di chuyển xuống, áp suất trong xylanh bơm giảm, thể tích tăng, dẫn đến việc mở van một chiều để hút nhiên liệu vào xylanh Khi piston đi lên, nhiên liệu bị nén đạt áp suất khoảng 112-120 bar, đủ để thắng lực lò xo van một chiều tại cửa ra, đưa nhiên liệu đến ống phân phối.
Hình 2-26: Hoạt động của bơm cao áp 2.2.1.2 Van hồi nhiên liệu trong bơm cao áp
- Chức năng chính là để làm giảm áp suất trong bơm cao áp khi áp suất tăng quá cao
- ECU sẽ trực tiếp điều khiển van hồi nhiên liệu thông qua 2 tín hiệu FP+ và FP-
Hình 2-27: Dạng sóng của van hồi nhiên liệu
Thông số kiểm tra van hồi nhiên liệu
Bảng 2-11: Bảng thông số kiểm tra van hồi nhiên liệu
2.2.2 Kim phun khởi động lạnh
Kim phun khởi động lạnh được thiết kế đặc biệt để hỗ trợ động cơ hoạt động hiệu quả trong vùng khí hậu lạnh Loại kim phun này có điện trở thấp và được lắp đặt tại buồng nạp, giúp cải thiện quá trình khởi động của động cơ trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt.
Hình 2-28: Vị trí kim phun khởi động lạnh
Kim phun khởi động lạnh chỉ hoạt động khi thỏa mãn hai điều kiện:
• Khi khởi động động cơ
• Khi nhiệt độ nước làm mát dưới 30 o C
Hình 2-29: Cấu tạo và sơ đồ mạch điện kim phun khởi động lạnh
Kim phun khởi động lạnh là một van điện, hoạt động khi dòng điện đi qua cuộn dây, làm cho van nhấc lên và cho phép nhiên liệu được phun vào buồng nạp Thiết kế lỗ phun nhiên liệu đảm bảo phun sương hiệu quả ngay cả ở số vòng quay thấp.
Khi nhiệt độ nước làm mát thấp, thanh lưỡng kim điều khiển tiếp điểm công tắc nhiệt sẽ đóng lại Khi khởi động, dòng điện từ cực ST của công tắc máy đi qua cuộn dây kim phun, kích hoạt quá trình khởi động lạnh Điều này làm cho lưỡng kim nhiệt chạm vào tiếp điểm và nối mát, khiến van kim nhấc lên và nhiên liệu được phun vào buồng nạp.
Sau khi khởi động, công tắc máy về vị tri ON, kim phun khởi động lạnh ngừng phun
Lượng nhiên liệu được phun qua kim phun phụ thuộc chủ yếu vào lượng không khí nạp và số vòng quay của động cơ, bên cạnh đó còn chịu ảnh hưởng từ trạng thái làm việc của động cơ thông qua các cảm biến Kim phun được lắp đặt trong thân máy và thực hiện việc phun nhiên liệu trực tiếp vào lòng xy lanh.
Hình 2-30: Cấu tạo kim phun
Kim phun bao gồm thân kim và van kim nằm trong ống từ, với thân kim chứa một cuộn dây điều khiển van kim Khi không có dòng điện, lò xo đẩy van kim vào vị trí ban đầu Khi dòng điện đi qua cuộn dây, nó trở thành nam châm điện, nâng van kim lên khoảng 0.1mm, cho phép nhiên liệu phun ra nhờ áp suất trong ống phân phối.
Hệ thống VVT-i được cấu thành từ bộ điều khiển VVT-i, mạch dầu và áp suất dầu, có chức năng xoay trục cam nạp và điều khiển dòng chảy của dầu thông qua van điều khiển.
Hình 2-31: Kết cấu hệ thống VVT-i
2.2.4.1 Cấu tạo hệ thống VVT-i
Hình 2-32: Cấu tạo hệ thống VVT-i
Bộ điều khiển thời điểm mở của cam gồm một vỏ được dẫn động bởi trục cam thải và một van gắn cố định với trục cam nạp Áp suất dầu từ phía làm cho trục cam xoay sớm hoặc muộn sẽ điều chỉnh van của bộ điều khiển VVT-i, giúp thay đổi thời điểm mở sớm và đóng muộn của các xú páp nạp.
Khi động cơ ngừng hoạt động, trục cam sẽ quay về vị trí mở muộn nhất để đảm bảo khả năng khởi động lại Trong quá trình khởi động, nếu không có áp suất dầu cung cấp cho bộ điều khiển, chốt hãm sẽ giữ các cơ cấu lại để ngăn chặn va đập.
Cấu trúc van bao gồm cuộn dây điều khiển từ ECU và van phân phối dầu đến bộ điều khiển VVT-i ECU điều chỉnh bề rộng xung của cuộn dây để thay đổi vị trí piston, từ đó phân phối dầu phù hợp với chế độ tải của động cơ.
ECU xác định thời điểm mở sớm của trục cam dựa trên các tín hiệu như nhiệt độ nước làm mát, lưu lượng khí nạp, vị trí bướm ga và tốc độ động cơ.
Khi ECU điều khiển mở sớm, van dầu sẽ ở vị trí nhất định, cho phép áp suất dầu từ van dầu được truyền đến bộ điều khiển VVT-i Điều này dẫn đến việc khoang cánh gạt di chuyển về phía sớm, xoay trục cam để điều chỉnh xú-páp mở sớm.
Khi ECU điều khiển mở trễ, vị trí van sẽ như hình ảnh minh họa Trong trường hợp này, mạch dầu di chuyển ngược lại, cung cấp dầu từ van đến khoang cánh gạt theo hướng trễ, làm cho trục cam xoay và điều chỉnh thời điểm mở trễ của các xú-páp nạp.
Khi ECU xác định thời điểm tối ưu để mở sớm cam nạp cho một chế độ hoạt động cụ thể, nó sẽ điều khiển van dầu khóa dầu cung cấp đến bộ điều khiển VVT-i, nhằm duy trì góc phân phối khí hiện tại.
Hình 2-33: Dạng xung điều khiển VVT-i 2.2.5 Hệ thống tuần hoàn khí thải (EGR)
Hệ thống EGR (Exhaust Gas Recirculation) tái tuần hoàn một phần khí thải vào hệ thống nạp khí, giúp làm giảm nhiệt độ trong buồng đốt Khi buồng đốt chậm lại, lượng khí trơ không cháy được tăng lên, từ đó giảm thiểu sự hình thành NOx nhờ khả năng hấp thụ nhiệt của khí trơ.
2.2.5.1 Motor bước điều khiển van EGR
Điều khiển phun xăng
Hình 2-39: Mạch điều khiển kim phun
Trong quá trình hoạt động của động cơ, ECU liên tục nhận tín hiệu từ các cảm biến để tính toán thời gian mở kim phun Quá trình mở và đóng kim phun diễn ra ngắt quãng, với ECU gửi tín hiệu đến bộ biến đổi điện áp EDU nhằm tăng cường tín hiệu điều khiển kim phun Lưu lượng phun phụ thuộc vào độ rộng xung; khi độ rộng xung tăng, lượng nhiên liệu phun cũng tăng theo Do đó, ECU điều chỉnh để ti kim giữ lâu hơn trong mỗi lần phun, cung cấp thêm lượng nhiên liệu cần thiết.
Điều khiển đánh lửa
ECU động cơ xác định thời điểm đánh lửa thông qua tín hiệu G, tín hiệu NE và các cảm biến khác Sau khi xác định thời điểm này, ECU gửi tín hiệu IGT đến IC đánh lửa và nhận tín hiệu IGF khi có đánh lửa Trong hệ thống đánh lửa trực tiếp, ECU phân phối dòng điện cao áp đến các xylanh bằng cách gửi tín hiệu IGT theo trình tự đánh lửa, giúp điều chỉnh thời điểm đánh lửa với độ chính xác cao.
Hình 2-42: Dạng xung tín hiệu của IGT và IGF
- Tín hiệu IGT thời điểm đánh lửa:
Dòng điện trong cuộn sơ cấp được điều khiển bởi ECU thông qua tín hiệu thời điểm đánh lửa IGT, là tín hiệu điện áp bật/tắt transistor công suất trong IC đánh lửa Khi tín hiệu IGT ở mức 0V, transistor công suất bị ngắt, dẫn đến việc dòng qua cuộn sơ cấp bị ngắt Sự biến thiên nhanh chóng của từ thông qua cuộn thứ cấp sẽ tạo ra điện áp cao, được truyền đến bugi để tạo tia lửa điện đúng thời điểm.
- Tín hiệu xác nhận đánh lửa IGF:
Tín hiệu IGF là yếu tố quan trọng mà ECU sử dụng để xác định tình trạng hoạt động của hệ thống đánh lửa Dựa vào tín hiệu này, ECU sẽ cấp nguồn cho bơm nhiên liệu và các kim phun trong hầu hết các hệ thống đánh lửa Nếu tín hiệu IGF không được nhận, động cơ sẽ chỉ khởi động trong giây lát trước khi tắt máy.
Các mạch điều khiển cơ bản
2.5.1 Mạch rơle và cầu chì:
Hình 2-43: Mạch rơle và cầu chì
Hình 2-44: Sơ đồ mạch điện rơle và cầu chì
Hình 2-45: Sơ đồ mạch điện mạch khởi động
Tín hiệu STA (Máy khởi động)
Tín hiệu STA được sử dụng để xác định xem động cơ có đang quay khởi động hay không Chức năng chính của tín hiệu này là nhận được sự chấp thuận từ ECU động cơ để tăng lượng phun nhiên liệu trong quá trình khởi động Theo sơ đồ mạch, tín hiệu STA là một điện áp tương tự như điện áp cung cấp cho máy khởi động.
Tín hiệu NSW (công tắc khởi động trung gian)
Tín hiệu này chỉ áp dụng cho xe trang bị hộp số tự động, giúp xác định vị trí của cần chuyển số ECU động cơ sử dụng tín hiệu này để kiểm tra xem cần gạt số đang ở vị trí “P” hoặc “N” hay không.
2.5.3 Mạch điều khiển bơm xăng:
Hình 2-46: Sơ đồ mạch điện bơm xăng
Bơm nhiên liệu chỉ hoạt động khi động cơ đang chạy; ngay cả khi khoá điện ở vị trí ON, bơm sẽ không hoạt động nếu động cơ chưa nổ máy.
Khi khoá điện ở vị trí START, tín hiệu STA được gửi từ cực ST đến ECU động cơ, kích hoạt quá trình khởi động Tín hiệu này làm cho transitor trong ECU bật ON, mở rơ-le và cấp điện cho bơm nhiên liệu, giúp động cơ khởi động Đồng thời, ECU nhận tín hiệu NE từ cảm biến vị trí trục khuỷu, đảm bảo bơm nhiên liệu tiếp tục hoạt động trong suốt quá trình khởi động.
Nếu động cơ tắt máy: Thậm chí khi khoá điện bật ON, nếu động cơ tắt máy, tín hiệu
NE sẽ không được đưa vào ECU động cơ, dẫn đến việc ECU sẽ ngắt transistor này, từ đó ngắt 35 rơ-le mở mạch và làm cho bơm nhiên liệu ngừng hoạt động.
THIẾT KẾ THI CÔNG VÀ LẬP TRÌNH BOARD MẠCH THU THẬP DỮ LIỆU
Khái quát mô hình cần thu thập dữ liệu
❖ Mô hình: Động cơ toyota 3S-FSE
❖ Chọn lọc các tín hiệu cơ bản cần thu thập:
• Nhiệt độ khí nạp: Chọn tín hiệu cảm biến độ khí nạp (THA)
• Nhiệt độ nước làm mát: Chọn tín hiệu cảm biến nhiệt độ nước làm mát (THW)
• Áp suất tuyệt đối đường ống nạp: Chọn tín hiệu cảm biến MAP áp suất tuyệt đối đường ống nạp (PIM)
• Vị trí bướm ga: Chọn tín hiệu cảm biến vị trí bướm ga (VTA)
• Vị trí bàn đạp ga: Chọn tín hiệu cảm biến vị trí bàn đạp ga (VPA)
• Thời gian phun: Chọn tín hiệu điều khiển kim phun ở máy số 1(#1)
• Thời gian ngậm: Chọ tín hiệu điều khiển đánh lửa ở máy 1 (IGT1)
Ta có thể chọn 1 trong các loại xung tính sau để thực hiện đo kiểm
- Tín hiệu cảm biến vị trí trục cam (G)
- Tín hiệu cảm biến vị trí trục khuỷu (Ne)
Hình 3-1: Hình dạng xung tín hiệu cảm biến vị trí trục cam (G)
Hình 3-2: Hình dạng xung tín hiệu cảm biến vị trí trục khuỷu (Ne)
- Tín hiệu đều khiển đánh lửa ở máy số 1: IGT1
Qua các đồ thị hình dạng xung, ta nhận thấy cả ba loại tín hiệu đều có khả năng tính toán tốc độ động cơ Tuy nhiên, tín hiệu Ne và G cần điều chỉnh hình dạng xung về dạng vuông để thuận tiện cho việc tính toán Do đó, chúng ta quyết định sử dụng tín hiệu điều khiển đánh lửa từ máy 1 IGT1 để đo tốc độ động cơ.
Các tín hiệu cần thu thập
3.2.1 Tín hiệu cảm biến nhiệt độ khí nạp: THA
Giá tri ̣ nhiê ̣t đô ̣ khí nạp ứng với điê ̣n áp và điê ̣n trở tương ứng:
Bảng 3-1: Bảng giá tri ̣ nhiê ̣t đô ̣ khí nạp ứng với điê ̣n áp và điê ̣n trở tương ứng
Nhiệt đô ̣ khí nạp ( o C) Điê ̣n trở cảm biến (K) Điê ̣n áp ta ̣i cực THW (V)
Hình 3-3: Hình dạng xung tín đều khiển đánh lửa ở máy 1 IGT1 Đồ thị liên hệ giữa nhiệt khí nạp và điện áp :
Hình 3-4: Đồ thị liên hệ giữa nhiê ̣t độ khí nạp và điện áp 3.2.2 Tín hiệu cảm biến nhiệt độ nước làm mát: THW
Giá tri ̣ nhiê ̣t đô ̣ nước làm mát ứng với điê ̣n áp và điê ̣n trở tương ứng:
Bảng 3-2: Bảng giá tri ̣ nhiê ̣t đô ̣ nước làm mát ứng với điê ̣n áp và điê ̣n trở tương ứng
Nhiệt đô ̣ nước làm mát ( o C) Điê ̣n trở cảm biến (K) Điê ̣n áp ta ̣i cực THW
N h iệ t đ ộ kh í n ạp ( 0 C) Điện áp đầu ra (V)
Nhiệt độ khí nạp Đồ thị liên hệ nhiệt độ nước làm mát và điện áp:
Hình 3-5: Đồ thị liên hệ nhiê ̣t đô ̣ nước làm mát và điện áp
3.2.3 Tín hiệu cảm biến MAP áp suất tuyệt đối đường ống nạp: PIM y = 4.6316x 2 - 48.42x + 106.05 -40
N h iệ t đ ộ nư ớ c là m m át ( 0 C) Điện áp đầu ra (V)
Nhiệt độ nước làm mát
Hình 3-6: Đồ thi ̣ mối liên hệ áp suất đường ống nạp với điện áp
3.2.4 Tín hiệu cảm biến vị trí bướm ga: VTA
Hình 3-7: Đồ thị mối liên hệ giữa vị trí bướm ga với điện áp 3.2.5 Tín hiệu cảm biến vị trí bàn đạp ga: VPA
Hình 3-8: Đồ thị mối liên lệ giữa vị trí bàn đạp ga với điện áp
3.2.6 Tín hiệu điều khiển đánh lửa ở máy số 1: IGT1
Hình 3-9: Hình dạng xung tín hiệu IGT 3.2.7 Tín hiệu điều khiển kim phun ở máy số 1: #1
Hình 3-10: Hình dạng xung tín hiệu kim phun.
Phương pháp thực hiện
Sử dụng bộ KIT Arduino để thu thập dữ liệu từ động cơ:
- Các tín hiệu là tín hiệu dạng điện áp được thu từ các chân Analog A0, A1, A2, A3, A4 gồm
+ Tín hiệu cảm biến nhiệt độ khí nạp THA
+ Tín hiệu cảm biến nhiệt độ nước làm mát THW
+ Tín hiệu cảm biến áp suất tuyệt đối đường ống nạp PIM
+ Tín hiệu cảm biến vị trí bướm ga VTA
+ Tín hiệu cảm biến bàn đạp ga VPA
- Các tín hiệu được thu từ chân Digital 2 và 3 gồm:
+ Tín hiệu đánh lửa IGT1.
Nguyên lý thực hiện
Các tín hiệu từ cảm biến đo nhiệt độ, cảm biến vị trí và cảm biến áp suất tuyệt đối của đường ống nạp đều là tín hiệu điện áp, vì vậy chúng ta sử dụng các chân Analog để thực hiện việc đo lường.
Để đo tốc độ động cơ và thời gian ngậm, chúng ta sử dụng tín hiệu IGT1 dạng xung vuông, kết nối với chân ngắt ngoài số 2 trên mạch Arduino Từ tín hiệu này, ta có thể tính toán các mức cao và thấp của xung, từ đó xác định được tốc độ động cơ và thời gian ngậm điện của bôbin Công thức tính toán bao gồm thời gian mức cao = mức cao x 2, thời gian mức thấp = mức thấp x 2, và chu kỳ = thời gian mức cao + thời gian mức thấp.
Khối mạch điều khiển thu nhận tín hiệu phần cứng
- Đây là mạch điều khiển trung tâm, làm nhiệm vụ chính là đọc các tín hiệu, giao tiếp với máy tính, truyền dữ liệu lên màn hình Labview
Hình 3-11: Arduino UNO R3 Nguyên nhân lựa chọn:
Arduino UNO là một bộ KIT nhỏ gọn sử dụng vi điều khiển AT Mega 328P, rất phù hợp cho những người mới bắt đầu lập trình nhờ vào sự hỗ trợ tốt trong quá trình phát triển dự án.
Chương trình dưới Vi điều khiển
- Sử dụng KIT Arduino UNO R3 thu thập các dữ liệu:
+ Nhiệt độ nước làm mát thông qua cảm biến nhiệt độ nước làm mát (THW) + Nhiệt độ khí nạp thông qua cảm biến nhiệt độ khí nạp (THA)
+ Áp suất tuyệt đối đường ống nạp thông qua tín hiệu cảm biến áp suất tuyệt đối đường ống nạp MAP chân PIM
+ Vị trí bướm ga thông qua tín hiệu cảm biến vị trí bướm ga VTA
+ Vị trí bàn đạp ga thông qua tín hiệu cảm biến bàn đạp ga VPA
+ Thời gian ngậm và tốc độ động cơ thông qua tín hiệu IGT1
+ Thời gian phun thông qua chân tín hiệu kim phun của máy số 1 (#1)
Arduino UNO R3 được lập trình để tính toán và hiển thị dữ liệu thực tế về tốc độ động cơ, thời gian phun và thời gian ngậm trên giao diện LabVIEW tương ứng.
Dữ liệu được truyền từ Arduino UNO R3 lên máy tính qua cổng COM – USB 2.0, cho phép Arduino và máy tính giao tiếp trực tiếp Qua đó, các dữ liệu sẽ được hiển thị trên giao diện được thiết kế trong phần mềm.
Lưu đồ, thuật toán
3.7.1 Lưu đồ đọc cảm biến từ các chân Analog
Hình 3-12: Phương thức xử lí các tín hiệu Analog 3.7.2 Lưu đồ đọc tín hiệu đọc xung từ chân Digital
Hình 3-13: Sơ đồ phương thức xử lí các tín hiệu Digital
3.7.3 Lưu đồ tín hiệu giao tiếp với máy tính:
Hình 3-14: Sơ đồ phương thức Arduino truyền dữ liệu thu thập từ động cơ lên máy tính
3.7.4 Chương trình trong vi điều khiển:
Hình 3-15: Chương trình vòng điều khiển
3.7.5 Thiết kế phần cứng Arduino UNO R3
- Arduino UNO R3 sẽ được kết nối như hình
Arduino UNO R3 kết nối với máy tính qua cổng USB để truyền dữ liệu như tốc độ động cơ, vị trí bướm ga, vị trí bàn đạp ga, áp suất tuyệt đối của đường ống nạp, thời gian phun và thời gian ngậm lên màn hình Labview.
Để bảo vệ mạch Arduino và đảm bảo hoạt động ổn định, cần mắc nối tiếp một điện trở 1,5kΩ với các chân tín hiệu THA, THW, PIM, VTA, VPA, IGT1, và một điện trở 10kΩ với chân #1 Việc này giúp hạn chế dòng vào các chân Analog và Digital của Arduino.
Hình 3-16: Sơ đồ nguyên lý mạch thu thập tín hiệu
Hình 3-17: Mạch thu thập tín hiệu với Arduino UNO R3.
Chương trình dưới Arduino UNO R3
1 int THA, THW, PIM, VTA, VPA;
4 unsigned long thoigianmuccao1, biencux1, biencuy1, thoigianmucthap1;
5 unsigned long thoigianmuccao0, biencux0, biencuy0, thoigianmucthap0;
CỔNG SERIAL ĐẦU VÀO TÍN HIỆU
MẠCH NGUỒN HẠ ÁP ĐẦU VÀO TÍN HIỆU
Giải thích chương trình code
In the code, several variables are declared, including integers THA, THW, PIM, VTA, and VPA, alongside constant integers pin1 set to 3 and pin0 set to 2 Additionally, multiple unsigned long variables are defined to track high and low time intervals, with names such as thoigianmuccao1, biencux1, biencuy1, thoigianmucthap1 for the first set, and thoigianmuccao0, biencux0, biencuy0, thoigianmucthap0 for the second Finally, the variables chuky and tocdo are introduced to manage cycle and speed data.
Dòng 1-7 để khai báo biến dữ liệu của các tín hiệu cảm biến và chương trình con ngắt để xử lý xung:
Bảng 3-3: Bảng ý nghĩa các kiểu biến dữ liệu
Hàm setup() trong chương trình được khởi động chỉ chạy một lần sau khi cấp nguồn hoặc reset mạch Tại đây, bạn có thể khai báo biến, thư viện, thiết lập thông số, khởi tạo chương trình ngắt, và đặt chế độ cho các chân (nhận hoặc xuất tín hiệu).
Kiểu int là kiểu số nguyên chính được dùng trong chương trình Arduino Kiểu int chiếm 2 bytes bộ nhớ
Trên mạch Arduino Uno, nó có đoạn giá trị từ -32,768 đến 32,767 (-2 15 đến 2 15 -1) (16 bit) unsigned long
Kiểu unsigned long là kiểu số nguyên nằm trong khoảng từ 0 đến 4,294,967,295 (0 đến 2 32 - 1) Mỗi biến mang kiểu dữ liệu này chiếm 4 byte bộ nhớ const int
Giống như khai báo kiểu int nhưng giá trị của biến cố định được gán cho các chân (như chương trình trên pinl gán cho chân Digital 3)
Bắt đầu từ dòng 8-14 của chương trình:
Thư viện Serial là công cụ quan trọng để giao tiếp giữa các board mạch, máy tính và thiết bị khác Tất cả các board Arduino đều trang bị ít nhất một cổng Serial (UART hoặc USART) Giao tiếp Serial diễn ra qua hai cổng digital 0 (RX) và 1 (TX), hoặc thông qua cổng USB kết nối với máy tính.
Chương trình của chúng ta khởi tạo giao tiếp với giá trị baudrate mặc định là 9600 Khi sử dụng bảng Serial Monitor trong Arduino IDE, cần chọn giá trị baudrate tương tự như khi lập trình.
Dòng 11,12: pinMode(3, INPUT PULLUP); pinMode(2, INPUT PULLUP);
Hàm pinMode(pin, mode) được sử dụng để thiết lập chân digital, trong đó pin là chân mà bạn muốn cấu hình, và mode xác định chế độ hoạt động của pin đó, có thể là đầu vào (INPUT) hoặc đầu ra (OUTPUT).
Chế độ INPUTPULLUP cho phép kích hoạt các điện trở pullup nội bộ, trong khi chế độ INPUT sẽ vô hiệu hóa chúng một cách rõ ràng.
Dòng 13,14: attachInterrupt(1, ngat1, FALLING); attachInterrupt(0, ngato, FALLING);
Ngắt (interrupt) là các lời gọi hàm tự động được kích hoạt khi hệ thống gặp sự kiện, do nhà sản xuất vi điều khiển thiết lập và cấu hình trong phần mềm với những tên gọi cố định Chức năng ngắt giúp chương trình trở nên gọn nhẹ và xử lý nhanh hơn Để khởi tạo chương trình con ngắt, ta sử dụng hàm attachInterrupt(interrupt, ).
- interrupt: Số thứ tự của ngắt Trên Arduino Uno, bạn có 2 ngắt với số thứ tự là 0 và 1
Để sử dụng ngắt số 0, cần kết nối với chân digital số 2 và ngắt số 1 với chân digital số 3 Việc gắn nút nhấn hoặc cảm biến vào đúng các chân này là điều kiện cần thiết để tạo ra sự kiện ngắt Nếu gắn nút nhấn ở chân digital 4 khi sử dụng ngắt số 0, hệ thống sẽ không hoạt động.
- ISR: tên hàm sẽ gọi khi có sự kiện ngắt được sinh ra
- mode: kiểu kích hoạt ngắt, bao gồm:
- LOW: kích hoạt liên tục khi trạng thái chân digital có mức thấp
- HIGH: kích hoạt liên tục khi trạng thái chân digital có mức cao
- RISING: kích hoạt khi trạng thái của chân digital chuyển từ mức điện áp thấp sang mức điện áp cao
- FALLING: kích hoạt khi trạng thái của chân digital chuyển từ mức điện áp cao sang mức điện áp thấp
> Chương trình con xử lý ngắt
- Dòng 17 - 32 chương trình con của ngatl: voidngat1(){ }
- Dòng 19 hàm detachInterrupt(interrupt) sẽ tắt các ngắt đã được kích hoạt tương ứng với thông số truyền vào Ở đây interrupt là số thứ tự ngắt
Chương trình sử dụng hàm if else từ dòng 20 đến 32 để xử lý tín hiệu xung từ kim phun, nhằm tách thời gian kim phun nhiên liệu vào buồng đốt cho mỗi chu trình của máy Hàm micros() được sử dụng để trả về thời gian (tính bằng micro giây) kể từ khi chương trình ngắt ngừng hoạt động (sau hàm detachInterrupt(l)) Bằng cách đọc giá trị điện áp ở mức cao và thấp, Arduino xác định thời gian kim phun phun nhiên liệu ở mức thấp (LOW) trong mỗi chu kỳ xung Kết quả cuối cùng là thời gian kim phun cho mỗi chu trình được lưu trữ trong biến thoigianmuccaol.
- Từ dòng 34 - 49 chương trình con của ngatO: voidngat0(){ }
Từ chương trình con ngatl, chúng ta có thể tính thời gian ngậm (thoigianmuccaoO) từ xung IGT Ngoài ra, chúng ta cũng tính được chu kỳ bằng tổng của thoigianmuccaoO và thoigianmucthapO, điều này hỗ trợ cho việc tính toán số vòng quay của động cơ bên dưới vòng lặp.
Các lệnh trong hàm setup() sẽ được thực thi khi chương trình khởi động, cho phép bạn khai báo biến, thư viện và thiết lập các thông số cần thiết Sau khi hoàn thành, các lệnh trong hàm loop() sẽ được thực hiện liên tục.
- Chương trình vòng lặp Arduino Chương trình này bắt đầu từ dòng 51 - 75: void loop()
Công thức tính tốc độ của động cơ được thể hiện ở dòng 53 thông qua chu kỳ của xung IGT Do thời gian của chu kỳ trong chương trình ngắt là ở đơn vị micro giây và tốc độ được tính bằng vòng/phút, công thức tính tốc độ được xác định là: tốc độ = 2 * 1.000.000 * 60 / chu kỳ.
- Dòng 54 - 58 sử dụng hàm analogRead() để đọc giá trị điện áp của các cảm biến THA,
THW, PIM, VTA, VPA từ các chân Analog A0, A1, A2, A3, A4
Dòng 59 - 74 các tín hiệu được Arduino đọc được sẽ xuất ra cổng Serial bằng hàm
Sử dụng Serial.print() để tạo chuỗi dài nối tiếp chứa các ký tự: a, THA, b, THW, c, PIM, d, VTA, e, VPA, f, thoigianmuccao0, g, thoigianmucthapcaol, h, tocdo Việc chèn các ký tự này giúp tách tín hiệu dễ dàng hơn khi phần mềm LabVIEW nhận chuỗi tín hiệu.
THIẾT KẾ GIAO DIỆN VÀ GIAO TIẾP VỚI MÁY TÍNH BẰNG PHẦN MỀM LABVIEW
Lập trình kết nối và hiển thị trên LabVIEW
4.1.1 Xây dựng chương trình và giao diện trên phần mêm LabVIEW
Lưu đồ thuật toán truyền nhận tín hiệu giữa LabVIEW và thiết bị ngoại vi
Hình 4-1: Lưu đồ thuật toán truyền nhận tín hiệu giữa LabVIEW và thiết bị ngoại vi Đo ̣c các giá tri ̣ từ cảm biến
Thiết bi ̣ nhâ ̣n/ chuyển đổi/truyền tín hiê ̣u
Chương trình thực hiê ̣n xử lí tín hiê ̣u
Kết thúc Lưu trữ và xuất kết quả
4.1.2 Xây dựng biểu đồ khối trên phần mềm LabVIEW
Các tín hiệu từ cảm biến được thu thập và lập trình để xây dựng một quy trình xử lý tín hiệu, từ đó tạo ra các biểu tượng thể hiện kết quả đo Sơ đồ khối dưới đây minh họa quá trình này.
Hình 4-2: Sơ đồ các biểu tượng xây dựng trong sơ đồ khối
Các đoạn chương trình trong luận văn được thiết kế để thu thập và xử lý tín hiệu, với kết quả được hiển thị thông qua vòng lặp While Lưu đồ thuật toán của vòng lặp While được trình bày rõ ràng, giúp người đọc dễ dàng theo dõi quy trình xử lý.
Hình 4-3: Sơ đồ biểu tượng vòng lặp While và lưu đồ thuật toán
Biểu tượng tín hiệu vào
Các biểu tượng xử lý, quy đổi tín hiệu thành đại lượng đo
Các biểu tượng hiển thị kết quả
Thiết kế giao diện người sử dụng trên phần mềm LabVIEW
Hình 4-4: Giao diện người sử dụng trên phần mềm LabVIEW
- 1 Đồng hồ hiển thị nhiệt độ khí nạp
- 2 Đồng hồ hiển thị nhiệt độ nước làm mát
- 3 Đồng hồ hiển thị áp suất tuyệt đối đường ống nạp
- 4 Đồng hồ hiển thị vị trí bướm ga
- 5 Đồng hồ hiển thị vị trí bàn đạp ga
- 6 Hiển thị thời gian ngậm
- 7 Hiển thị thời gian phun
- 8 Đồng hồ hiển thị tốc độ động cơ
- 11 Vị trí chọn cổng COM.
Giao diện sơ đồ khối của chương trình
Hình 4-5: Giao diện sơ đồ khối của chương trình
- 1 Vị trí chọn cổng COM
- 2 Cụm nhận tín hiệu vào
- 3 Khối trả về số lượng byte đọc được ở pot mà nó đọc lên
- 4 Khối đọc dữ liệu từ aduino gửi lên
- 5 Khối tìm kí tự a lấy chuổi phía sau a
- 7 Khối tìm kí tự c lấy số liệu trước c là tín hiệu THW
- 8 Khối tìm kí tự d lấy số liệu trước d là tín hiệu PIM
- 9 Khối tìm kí tự e lấy số liệu trước e là tín hiệu VTA
- 10 Khối tìm kí tự f lấy số liệu trước f là tín hiệu VPA
- 11 Khối tìm kí tự g lấy số liệu trước g là tín hiệu thoigianmuccao0
- 12 Khối tìm kí tự h lấy số liệu trước h là tín hiệu thoigianmucthap1
- 13 Khối tìm kí tự a lấy số liệu trước a là tín hiệu tốc độ động cơ
- 14 Khối chuyển từ dạng chuỗi sang dạng số
- 15 Khối chuyển từ dạng chuỗi sang dạng số
- 16 Đồ thị tín hiệu THW
- 18 Đồng hồ tín hiệu PIM
- 19 Đồng hồ tín hiệu THW
- 20 Đồ thị tín hiệu PIM
- 21 Khối chuyển từ dạng chuỗi sang dạng số
- 24 Đồ thị tín hiệu THA
- 25 Đồng hồ tín hiệu THA
- 27 Khối chuyển từ dạng chuỗi sang dạng số
- 29 Đồng hồ tín hiệu VTA
- 30 Khối chuyển từ dạng chuỗi sang dạng số
- 32 Đồ thị tín hiệu thời gian phun
- 33 Đồng hồ tốc độ động cơ
- 34 Khối kết thúc chương trình
- 36 Hiển thị thời gian phun
- 37 Đồ thị thời gian ngậm
- 38 Hiển thị thời gian ngậm
- 39 Đồng hồ tín hiệu VPA
- 40 Đồ thị tín hiệu VPA
- 41 Đồ thị tín hiệu VTA
- 42 Khối tìm kí tự a lấy số liệu trước a là tín hiệu tốc độ động cơ
- 43 Khối chuyển từ dạng chuỗi sang dạng số
Nguyên lý thu và xử lý tín hiệu
4.4.1 Giao tiếp với Adruino UNO R3 bằng RS232 Đặc điểm chuẩn RS232 được nối ra một giắc cắm (gọi là cổng COM) Khi sử dụng nó có thê sử dụng 2 hay toàn bộ chân pin của cổng này (các chân 4,9,15,37 phục vụ các chức năng khác) Nếu mục đích chỉ truyền nhận tín hiệu giữa 2 thiết bị thì người ta chỉ sử dụng hai dây 1 dây truyền nhận và 1 dây nối đất vì vậy khi máy tính sử dụng LabVIEW giao tiếp RS232 với Arduino chỉ bằng cáp nối 2 đầu USB
RS232 là một giao thức truyền thông không đối xứng, hoạt động dựa trên sự chênh lệch điện áp giữa dây dẫn và đất Các cổng RS232 có ngưỡng điện áp quy ước từ -15V đến -3V và từ 3V đến 15V Sự khác biệt giữa hai giá trị 3V và 5V được gọi là noise margin, phản ánh biên độ dao động của nhiễu trong hệ thống.
- Tín hiệu có áp lớn +3V được coi có logic 0 hoặc có giá trị cao (H)
- Tín hiệu có áp nhỏ hơn -3V được coi có logic 1 hoặc giá trị thấp (L)
- Điện áp từ -3V tới +3V không có ý nghĩa
Phạm vi từ -3V đến +3V không được định nghĩa, do đó khi thay đổi giá trị logic, tín hiệu cần vượt qua quãng quá độ trong thời gian ngắn hợp lý Điều này yêu cầu hạn chế điện dung của thiết bị và đường truyền Tốc độ truyền dẫn tối đa phụ thuộc vào chiều dài dây dẫn, với hầu hết hệ thống hiện nay chỉ hỗ trợ tốc độ 19,2 kBd cho chiều dài 30-50 m.
Các giá trị tốc độ truyền tiêu chuẩn: 50, 75, 110, 750, 300, 600, 1200, 2400, 4800,
Các ưu điểm của giao tiếp này:
- Khả năng chống nhiễu của các cổng nối tiếp cao
- Thiết bị ngoại vi có thể lắp ngay khi máy tính đang được cấp điện
- Các mạch đơn giản có thể nhận điện áp nguồn nuôi qua cổng nối tiếp
Cách giao tiếp RS232 sử dụng trên LabVIEW:
Hình 4-6: Sơ đồ khối giao tiếp giữa Arduino và LabVIEW
Hình 4-7: Mô hình khối giao tiếp VISA của LabVIEW 4.4.2 Tách tín hiệu
Tín hiệu từ Arduino gửi đến LabVIEW bao gồm chuỗi dữ liệu thu thập từ động cơ, kèm theo các ký tự như a, b, c, … h Để phục vụ cho việc tính toán và hiển thị, chúng ta cần sử dụng khối Match Pattern để tách riêng từng dữ liệu.
Hình 4-8: Tách dữ liệu bằng khối Match Pattern
Dữ liệu sau khi tách từ khối Match Pattern vẫn ở dạng chuỗi, do đó cần chuyển đổi về dạng số bằng khối Decimal String To Number Sau khi chuyển đổi, dữ liệu sẽ được phân tích và xử lý thông qua các chương trình con để hiển thị trên bảng đồng hồ.
Hình 4-9: Sơ đồ khối xữ lý dữ liệu từ tín hiệu THA
4.4.4 Các chương trình con (SubVI)
- Chương trình con xử lý tín hiệu THA:
Để xác định các biểu thức float y của các subVI THA, chúng ta tiến hành thí nghiệm với cảm biến đặt trong chậu nước, kết nối chân cảm biến THA với đồng hồ đo điện trở Trong chậu, một nhiệt kế được sử dụng để theo dõi sự thay đổi nhiệt độ Khi đun nóng nước, chúng ta ghi lại điện trở của cảm biến tương ứng với các giá trị nhiệt độ khác nhau, từ đó tạo ra bảng số liệu Dựa trên bảng số liệu này, chúng ta có thể vẽ đường đặc tính điện trở của cảm biến nhiệt độ khí nạp.
Giá tri ̣ nhiê ̣t đô ̣ khí nạp ứng với điê ̣n áp và điê ̣n trở tương ứng:
Nhiệt đô ̣ khí nạp ( o C) Điê ̣n trở cảm biến
Từ bảng số liệu trên, ta dùng Excel quy hoạch để tìm ra phương trình đặc tính gần đúng của cảm biến nhiệt độ khí nạp (biểu thức float y)
- Chương trình con xử lý tín hiệu THW: cách làm tự tương tự như THA
- Chương trình con xử lý tín hiệu PIM:
- Chương trình con xử lý tín hiệu VTA:
Chương trình con xử lý tín hiệu VPA cho phép đo điện áp trả về từ các cảm biến MAP, VTA và VPA ở các mức ga khác nhau, nhằm xác định phương trình đặc tính của các cảm biến này.
Các dữ liệu sau khi được tính toán sẽ hiển thị thông qua các đồng hồ và đồ thị.