TỔNG QUAN
Đối tượng nghiên cứu
Năm 2008, hơn 70 triệu ôtô, bao gồm xe du lịch và xe thương mại, đã được sản xuất trên toàn cầu Trong năm 2007, 71,9 triệu ôtô mới được bán ra, trong đó Châu Âu chiếm 22,9 triệu chiếc, Châu Á - Thái Bình Dương 21,4 triệu, Mỹ và Canada 19,4 triệu, Châu Mỹ Latinh 4,4 triệu, Trung Đông 2,4 triệu và Châu Phi 1,4 triệu Trong khi thị trường Bắc Mỹ và Nhật Bản có dấu hiệu chững lại, thị trường Nam Mỹ và Châu Á lại phát triển mạnh mẽ Sự phát triển của ngành công nghiệp ôtô đã mang đến một phương tiện di chuyển an toàn và tiện dụng cho con người.
Ngành công nghiệp ô tô đã thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của nhiều lĩnh vực khác, đặc biệt là ngành giao thông vận tải, với sự gia tăng đáng kể trong lưu lượng vận chuyển hàng hóa Chính phủ Việt Nam đã ban hành Chiến lược phát triển ngành công nghiệp ô tô đến năm 2025, tầm nhìn đến năm 2035 Tuy nhiên, so với các nước trong khu vực, ngành công nghiệp ô tô Việt Nam vẫn còn kém phát triển, chủ yếu phụ thuộc vào việc nhập khẩu ô tô nguyên chiếc hoặc lắp ráp linh kiện Ô tô vẫn được coi là mặt hàng xa xỉ tại Việt Nam Nhóm nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện tốc độ cầm chừng trên xe ô tô và phát triển phương pháp điều khiển thay thế khi hệ thống cầm chừng gặp vấn đề Đề tài nghiên cứu “Chế tạo mạch điều khiển hệ thống bù tải cho động cơ sử dụng mô-tơ bước” nhằm phát triển một board mạch giả lập cầm chừng, phục vụ cho nghiên cứu khoa học mà chưa có ứng dụng thực tế trên xe ô tô hiện nay.
Phân tích tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Tra cứu thông tin từ mạng và sách vở về hệ thống này không mang lại kết quả khả quan Phần lớn thông tin hiện có chủ yếu tập trung vào các hệ thống điều khiển mô-tơ bước trong lĩnh vực điện tử.
SVTH: Nguyễn Xuân Ngọc Trang 10 không được sử dụng để điều khiển bù tải, mà chỉ phục vụ cho các mục đích điều khiển khác Do đó, chúng tôi không thu thập được nhiều thông tin liên quan đến đề tài này.
Những vấn đề còn tồn tại
Sản phẩm này chủ yếu được thiết kế phục vụ cho mục đích nghiên cứu khoa học, do đó, ứng dụng của nó trong thực tiễn đời sống con người còn hạn chế.
Sự hạn chế về kiến thức chuyên ngành là rào cản lớn nhất của nhóm khi thực hiện đề tài này
Trong quá trình thực hiện, nhóm gặp phải nhiều vấn đề phát sinh Ban đầu, nhóm có hai thành viên, nhưng một thành viên đã rút lui vào phút chót, dẫn đến việc sản phẩm không thể đáp ứng đúng yêu cầu đã đề ra Chúng tôi xin lỗi vì sự tách rời này.
SVTH: Nguyễn Xuân Ngọc Trang 11
CƠ SỞ LÍ THUYẾT
Tốc độ cầm chừng
Tốc độ cầm chừng là tốc độ quay của động cơ khi không có tải, thường được đo bằng vòng trên phút (rpm) của trục khuỷu trong động cơ đốt trong Ở tốc độ này, động cơ đủ công để vận hành các thiết bị phụ như bơm nước và máy phát điện, nhưng không đủ để di chuyển xe Đối với xe du lịch, tốc độ cầm chừng thường nằm trong khoảng 600 đến 1000 rpm, trong khi xe buýt và xe tải có tốc độ khoảng 540 rpm Đối với xe máy một xi-lanh, tốc độ cầm chừng dao động từ 1200 đến 1500 rpm.
Khi xe đang hoạt động với nhiều thiết bị phụ, đặc biệt là điều hòa không khí, cần tăng tốc độ cầm chừng để động cơ sản xuất đủ điện năng cho hoạt động ổn định của các phụ kiện Hầu hết các máy điều hòa không khí trên xe đều có tính năng tự động điều chỉnh, giúp giảm tốc độ cầm chừng khi máy lạnh hoạt động.
Vào mùa đông hoặc buổi sáng, nhiệt độ thường thấp, khiến động cơ cần được làm nóng để hoạt động hiệu quả Do đó, cần dành nhiều thời gian cho việc chạy cầm chừng để đảm bảo hiệu suất tối ưu.
Động cơ biến đổi được thiết kế để tăng cường năng lượng ở tốc độ cao, như trong các động cơ xe đua, thường có cấu trúc cầm chừng đơn giản.
Phương pháp điều khiển
Hệ thống ISC (Điều khiển tốc độ không tải) bao gồm một mạch đi tắt qua bướm ga, với lượng không khí hút được điều chỉnh bởi ISCV (Van điều chỉnh tốc độ không tải) Van ISC nhận tín hiệu từ ECU động cơ để duy trì tốc độ không tải ổn định cho động cơ.
Hệ thống SVTH của Nguyễn Xuân Ngọc Trang 12 được tối ưu hóa để hoạt động hiệu quả ở mọi thời điểm Nó bao gồm van ISCV, ECU động cơ, cùng với các cảm biến và công tắc khác nhau, đảm bảo sự vận hành mượt mà và chính xác.
Hình 1 Các thông số ảnh hưởng tới khả năng cầm chừng
SVTH: Nguyễn Xuân Ngọc Trang 13
Mạch đi tắt được mở ra nhằm cải thiện khả năng khởi động
Hình 2 Ảnh hưởng của máy khởi động
2 Khi hâm nóng động cơ
Khi nhiệt độ nước làm mát thấp, động cơ hoạt động êm hơn với tốc độ không tải tăng lên Ngược lại, khi nhiệt độ nước làm mát tăng, tốc độ không tải sẽ giảm xuống.
Hình 3 Ảnh Hưởng của nhiệt độ nước làm mát
SVTH: Nguyễn Xuân Ngọc Trang 14
3 Điều khiển phản hồi và điều khiển dự tính
- Khi các bật đèn pha
- Khi cần chuyển số được chuyển từ N đến D hoặc từ D đến N trong khi dừng xe
Trong các trường hợp trên, nếu tăng hoặc thay đổi tải trọng, tốc độ chạy không tải sẽ tăng lên hoặc ngăn không cho thay đổi
Hình 4 Các thông số còn lại b Các loại van ISCV
ISCV là cơ cấu điều khiển lượng không khí nạp trong thời gian chạy không tải, hoạt động dựa trên tín hiệu từ ECU động cơ, nhằm điều chỉnh tốc độ chạy không tải.
Hình 5 Các loại van ISCV
SVTH: Nguyễn Xuân Ngọc Trang 15
Có 2 loại ISCV như sau:
- Loại đi tắt qua bướm ga và điều khiển lượng khí nạp (1)
Vì bướm ga đóng hoàn toàn trong thời gian chạy không tải, ISCV cho lượng không khí cần thiết chạy qua trong lúc chạy không tải
- Loại điều khiển lượng không khí nạp bằng bướm ga (2)
Bướm ga điều khiển ECTS-i là hệ thống điều khiển điện tử thông minh, giúp điều chỉnh lượng không khí nạp trong thời gian chạy không tải và thực hiện nhiều chức năng điều khiển khác.
ISCV loại cuộn dây quay bao gồm cuộn dây, IC, nam châm vĩnh cửu, và van, được lắp đặt tại cổ họng gió IC nhận tín hiệu từ ECU động cơ để điều khiển chiều và giá trị dòng điện trong cuộn dây, từ đó điều chỉnh lượng không khí đi qua bướm ga và làm van quay.
Hình 6 Loại cuộn dây quay
Khi tỷ lệ hiệu dụng cao, IC sẽ điều khiển van ISC mở ra, trong khi khi tỷ lệ làm việc thấp, IC sẽ khiến van đóng lại Van ISC hoạt động theo cơ chế đóng mở dựa trên các tỷ lệ này.
SVTH: Nguyễn Xuân Ngọc Trang 16
Khi xảy ra sự cố như hở mạch, dòng điện sẽ ngừng chạy vào van ISC, khiến van này mở ra ở vị trí đã được định sẵn nhờ lực của nam châm vĩnh cửu Điều này giúp duy trì tốc độ chạy không tải khoảng 1000 đến 12000 vòng/phút.
2 Van ISCV có cuộn dây quay kiểu cũ
Nhận tín hiệu từ ECU động cơ, hệ thống cung cấp điện cho hai cuộn dây nhằm điều chỉnh mức mở của van và kiểm soát lượng không khí nạp vào động cơ.
Hình 7 Loại cuộn dây quay kiểu cũ
Dây lưỡng kim trong ISCV giúp điều chỉnh nhiệt độ của nước làm mát động cơ, đảm bảo van mở đúng mức khi động cơ đang ở trạng thái hâm nóng.
Một tấm chắn được lắp đặt để ngăn chặn van bị kẹt trong quá trình mở hoặc đóng hoàn toàn, đặc biệt khi có sự cố điện xảy ra.
Khi điện được truyền đến cuộn dây
A (RSO) trong một thời gian dài, van này bị dịch chuyển theo chiều mở
Khi điện được truyền đến cuộn dây Hình 8 Trường hợp mở van
SVTH: Nguyễn Xuân Ngọc Trang 17
B trong một thời gian dài, van này bị dịch chuyển về chiều đóng
Hình 9 Trường hợp đóng van c Các trường hợp hoạt động của loại cuộn dây quay
Khi ECU động cơ nhận tín hiệu khởi động (STA), nó nhận biết rằng động cơ đang trong quá trình khởi động và mở van ISC để cải thiện khả năng khởi động.
Việc mở van ISC này được điều khiển theo tín hiệu tốc độ động cơ (NE) và tín hiệu nhiệt độ nước làm mát (THW)
Hình 10 Liên hệ giữa nhiệt độ nước và đóng mở van
SVTH: Nguyễn Xuân Ngọc Trang 18
2 Điều khiển hâm nóng (chạy không tải nhanh)
Sau khi khởi động động cơ, ECU điều khiển van ISC dựa trên nhiệt độ nước làm mát để điều chỉnh tốc độ chạy không tải Khi nhiệt độ nước tăng, van ISC sẽ được điều chỉnh để giảm tốc độ này Tuy nhiên, khi động cơ nguội, tốc độ chạy không tải có thể trở nên không ổn định do độ nhớt cao của dầu động cơ và chất lượng nhiên liệu kém.
Vì vậy phải làm cho tốc độ chạy không tải cao hơn bình thường để làm cho nó ổn định Điều này được gọi là chạy không tải nhanh
Để điều khiển phản hồi, tốc độ không tải chuẩn được lưu trong ECU động cơ và so sánh với tốc độ không tải thực Sau đó, ISCV được điều chỉnh nhằm hiệu chỉnh tốc độ chạy không tải thực đến mức chuẩn.
Khi tốc độ chạy không tải thực tế thấp hơn chuẩn, ISCV sẽ mở ra để điều chỉnh tốc độ về mức chuẩn Ngược lại, nếu tốc độ chạy không tải thực tế cao hơn chuẩn, ISCV sẽ đóng lại để đưa tốc độ về mức chuẩn.
SVTH: Nguyễn Xuân Ngọc Trang 19
KHẢO SÁT VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BÙ GA
Khối nhận tín hiệu
Tín hiệu nhận vào là bộ ba thông số Nhiệt độ, Tốc độ, A/C switch và được đưa vào mạch để điều khiển trực tiếp a Nhiệt độ
Hình 17 Cảm biến nhiệt độ và ECU
SVTH: Nguyễn Xuân Ngọc Trang 24
Nhiệt độ là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khả năng cầm chừng của xe, đặc biệt là nhiệt độ nước làm mát, vì nó phản ánh nhiệt độ của các chi tiết trong động cơ Khi nhiệt độ nước làm mát thấp, các van hằng nhiệt sẽ chặn dòng chảy qua két làm mát để làm nóng nước nhanh hơn, từ đó giúp làm nóng nhiên liệu và các bộ phận khác trong động cơ Quá trình này có tác động trực tiếp đến tốc độ cầm chừng của xe khi mới khởi động.
Hình 18 Luân chuyển nước trong két làm mát
Khi nhiệt độ động cơ tăng cao, van hằng nhiệt sẽ mở ra, cho phép nước làm mát lưu thông từ két nước, nhằm duy trì nhiệt độ ổn định khoảng 80-90°C Đây là mức nhiệt lý tưởng cho nước làm mát, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất hoạt động của chế độ cầm chừng trên xe Việc kiểm soát nhiệt độ nước làm mát là rất quan trọng để đảm bảo động cơ hoạt động hiệu quả và bền bỉ.
Cảm biến nhiệt độ nước làm mát
Cảm biến ECT là thiết bị đơn giản dùng để theo dõi nhiệt độ bên trong động cơ Nước làm mát trong các khối cơ và đầu xi lanh hấp thụ nhiệt từ các bộ phận khi động cơ hoạt động Các cảm biến nước làm mát phát hiện sự thay đổi nhiệt độ và gửi tín hiệu đến PCM.
Hình 19 Hộp PCM động cơ
SVTH: Nguyễn Xuân Ngọc Trang 25 đã thiết kế một hộp điều khiển cho động cơ, cho phép xác định trạng thái nhiệt độ của động cơ, bao gồm các mức lạnh, nóng lên và nhiệt độ vận hành bình thường.
Cảm biến nước làm mát đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp dữ liệu cho PCM, ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống giám sát động cơ Chính vì vậy, các cảm biến này thường được gọi là "cảm biến tổng thể".
Cảm biến nhiệt độ nước làm mát đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển hoạt động của động cơ, với các tín hiệu đầu vào được sử dụng bởi PCM để điều chỉnh chức năng điều khiển Khi khởi động, PCM nhận tín hiệu từ cảm biến và làm giàu nhiên liệu, giúp cải thiện chất lượng cầm chừng và ngăn ngừa sự lưỡng lự khi động cơ còn nguội Khi động cơ đạt nhiệt độ hoạt động bình thường, PCM điều chỉnh hỗn hợp nhiên liệu để giảm khí thải và tiết kiệm nhiên liệu Tuy nhiên, nếu cảm biến nước làm mát bị lỗi, như luôn đọc lạnh, sẽ dẫn đến tình trạng động cơ chạy giàu, gây ô nhiễm và lãng phí nhiên liệu Ngược lại, nếu cảm biến luôn đọc nóng, có thể gây ra các vấn đề về khả năng lái, như lưỡng lự và cầm chừng không chính xác.
Cảm biến nhiệt độ nước làm mát, chủ yếu là loại NTC (Negative Temperature Coefficient), có đặc điểm là thay đổi trở kháng tương ứng với sự biến đổi nhiệt độ của nước Các cảm biến này đóng vai trò quan trọng trong việc theo dõi và điều chỉnh nhiệt độ, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu cho hệ thống làm mát.
Coefficient) nơi trở kháng giảm khi nhiệt độ tăng lên
Cảm biến này có đặc điểm là trở kháng cao khi động cơ còn lạnh, và khi động cơ ấm lên, trở kháng bên trong của cảm biến sẽ giảm dần cho đến khi đạt giá trị tối thiểu khi động cơ ở nhiệt độ hoạt động bình thường.
Cảm biến nhiệt độ nước làm mát GM có trở kháng khoảng 10.000 ohms ở 32 độ F và giảm xuống dưới 200 ohms khi động cơ đạt 200 độ Trong khi đó, cảm biến nước làm mát Ford có trở kháng cao hơn, với 95.000 ohms ở 32 độ và giảm xuống 2.300 ohms khi động cơ nóng 200 độ.
Hình 18 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát
SVTH: Nguyễn Xuân Ngọc Trang 26
Hình 19 Sự thay đổi của điện áp và nhiệt độ của cảm biến
Thông số kỹ thuật về trở kháng của cảm biến nhiệt độ nước làm mát sẽ khác nhau tùy vào từng ứng dụng cụ thể Do đó, nếu cảm biến không hoạt động trong phạm vi quy định, cần phải thay thế bằng một thiết bị mới.
Cảm biến nhiệt độ nước làm mát có cấu tạo hai dây, bao gồm dây vào và dây trở về PCM gửi tín hiệu điện áp tham chiếu 5-volt đến cảm biến, trong khi trở kháng trong cảm biến làm giảm tín hiệu điện áp để gửi về PCM Dựa trên giá trị điện áp này, PCM tính toán nhiệt độ nước làm mát, và thông tin này có thể được hiển thị trên các công cụ quét hoặc các cụm bảng điều khiển để cung cấp giá trị đọc nhiệt độ nước làm mát.
Trên một số ứng dụng, cảm biến nhiệt độ nước làm mát với dải kép (dual range) có thể được áp dụng Khi nhiệt độ nước làm mát đạt mức nhất định, PCM điều chỉnh điện áp tham chiếu đến các bộ cảm biến, giúp đọc nhiệt độ với độ chính xác và độ phân giải cao hơn.
Trên một số phương tiện cũ, có thể sử dụng cảm biến nước làm mát cơ bản, hoạt động bằng cách mở hoặc đóng ở nhiệt độ xác định trước Những cảm biến này có thể kết nối trực tiếp với rơ le để điều khiển quạt làm mát hoặc gửi tín hiệu đến đèn cảnh báo trên bảng điều khiển Các cảm biến nhiệt độ nước làm mát cũ thường là loại cảm biến dây đơn.
SVTH: Nguyễn Xuân Ngọc Trang 27, các ứng dụng cũ sử dụng dây cảm biến nhiệt độ điện trở để gửi tín hiệu nhiệt độ đến đồng hồ đo trên bảng điều khiển Những thiết bị này thường được gọi là "máy phát - senders" thay vì cảm biến.
Cảm biến nước làm mát thường được lắp đặt gần các khu vực nhiệt trong đường ống nạp Trên một số mẫu xe, cảm biến này có thể nằm ở đầu xi-lanh, với khả năng có hai cảm biến cho động cơ V6 hoặc V8 (mỗi bên xi-lanh một cảm biến) Ngoài ra, một cảm biến có thể được kết nối với PCM và một cảm biến khác cho quạt làm mát.
Khối xử lí thông tin
Để xử lý thông tin, có nhiều phương pháp khác nhau, trong đó vi điều khiển là một giải pháp hiệu quả Vi điều khiển là một máy tính tích hợp trên một chip, thường được sử dụng để điều khiển các thiết bị điện tử Thực chất, vi điều khiển là một hệ thống bao gồm vi xử lý với hiệu suất đủ dùng và chi phí thấp, giúp tối ưu hóa quá trình điều khiển.
Khác với các bộ vi xử lý đa năng thường được sử dụng trong máy tính, bộ vi xử lý này tích hợp với các khối ngoại vi như bộ nhớ và các mô đun vào/ra, mang lại hiệu suất tối ưu cho các ứng dụng chuyên biệt.
Hình 46 Tương lai phá triển của vi điều khiển
Nguyễn Xuân Ngọc Trang 44 chuyên về việc chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự và ngược lại Trong máy tính, các mô đun thường được thiết kế bằng cách sử dụng chip và mạch ngoài Vi điều khiển thường được áp dụng để phát triển các hệ thống nhúng hiệu quả.
Nó xuất hiện phổ biến trong nhiều thiết bị điện tử như máy giặt, lò vi sóng, điện thoại, đầu đọc DVD, thiết bị đa phương tiện và dây chuyền tự động.
Hầu hết các vi điều khiển hiện nay sử dụng kiến trúc Harvard, bao gồm bốn thành phần chính: lõi CPU, bộ nhớ chương trình (thường là ROM hoặc Flash), bộ nhớ dữ liệu (RAM) và các bộ định thời cùng cổng vào/ra để giao tiếp với thiết bị ngoại vi Tất cả các thành phần này được tích hợp trong một vi mạch Vi điều khiển khác với bộ vi xử lý đa năng ở khả năng hoạt động chỉ với một số vi mạch hỗ trợ bên ngoài.
Vi điều khiển PIC là một dòng vi điều khiển RISC được sản xuất bởi Microchip Technology, với sản phẩm đầu tiên là PIC1650, được phát triển bởi bộ phận Microelectronics của General Instrument.
PIC stands for "Programmable Intelligent Computer," originally introduced by General Instrument with their first product, the PIC1650 This technology was later sold to Microchip Technology, which has since developed it further.
PIC có nhiều đặc điểm nổi bật như :
8/16 bit CPU, xây dựng theo kiến trúc Harvard có sửa đổi
FLASH và ROM có thể tuỳ chọn từ 256 byte đến 256 Kbyte
Các cổng Xuất/Nhập (I/O ports) (mức logic thường từ 0V đến 5.5V, ứng với logic
Hình 47 Những ứng dụng của vi điều khiển
SVTH: Nguyễn Xuân Ngọc Trang 45
Các chuẩn Giao Tiếp Ngoại Vi Nối Tiếp Đồng bộ/Không đồng bộ USART, AUSART, EUSARTs
Bộ chuyển đổi ADC Analog-to-digital converters, 10/12 bit
Bộ so sánh điện áp (Voltage Comparators)
Các module Capture/Compare/PWM
MSSP Peripheral dùng cho các giao tiếp I²C, SPI, và I²S
Bộ nhớ nội EEPROM - có thể ghi/xoá lên tới 1 triệu lần
FLASH (dùng cho bộ nhớ chương trình) có thể ghi/xóa 10.000 lần (tiêu biểu)
Module Điều khiển động cơ, đọc encoder
Hỗ trợ giao tiếp USB
Hỗ trợ điều khiển Ethernet
Hỗ trợ giao tiếp CAN
Hỗ trợ giao tiếp LIN
Hỗ trợ giao tiếp IrDA
Một số dòng có tích hợp bộ RF (PIC16F639, và rfPIC)
KEELOQ Mã hoá và giải mã
DSP những tính năng xử lý tín hiệu số (dsPIC)
Microchip cung cấp môi trường lập trình MPLAB với hai phiên bản chính: MPLAB 8.X, được phát triển bởi Công nghệ vi mạch trong Microsoft Visual C++, chỉ hoạt động trên hệ điều hành Microsoft Windows, và MPLAB X, dựa trên mã nguồn mở NetBeans, hỗ trợ đa nền tảng, bao gồm cả Mac OS MPLAB X là phiên bản đầu tiên của IDE mang lại tính năng này.
X và Linux là hai hệ điều hành hỗ trợ phần mềm mô phỏng và trình dịch ASM cho việc biên dịch trên các vi điều khiển Microchip 8-bit, 16-bit và 32-bit Để lập trình bằng ngôn ngữ C trên PIC, chúng ta cần kết nối trình soạn thảo văn bản MPLAB của Microchip với trình biên dịch.
HITECH-C Nói về HI-TECH là một công ty phần
Hình 48 Trình dịch HI-TECH C
SVTH: Nguyễn Xuân Ngọc Trang 46 là công ty phần mềm của Úc chuyên cung cấp trình biên dịch ANSI C và các công cụ phát triển Được thành lập vào năm 1984, công ty nổi tiếng với trình biên dịch HI-TECH C PRO, sử dụng công nghệ biên dịch toàn bộ chương trình và tạo mã thông dịch (OCG) Vào ngày 20 tháng 2 năm 2009, phần mềm HI-TECH đã được Microchip mua lại và tập trung phát triển để hỗ trợ các sản phẩm của Microchip.
Hình 49 Hình ảnh về complie MPLABX IDE
Hình 50 Sơ đồ chân vi điều khiển PIC16F887
Vi điều khiển SVTH: Nguyễn Xuân Ngọc Trang 47 thuộc họ PIC16FXX, sử dụng tập lệnh 35 lệnh với độ dài 14 bit, mỗi lệnh được thực thi trong một chu kỳ xung clock Tốc độ hoạt động tối đa đạt 20MHz, tương ứng với chu kỳ lệnh 200ns Bộ nhớ chương trình có dung lượng 8Kx14 bit, bộ nhớ dữ liệu RAM là 368x8 byte và bộ nhớ dữ liệu EEPROM có dung lượng 258x8 byte.
PORT I/O là 5 với 33 pin I/O PORTA( RA0-RA7 ) , PORTB ( RB0-RB7 ) , PORTC (RC0-RC7) , PORTD (RD0-RD7), PORTE(RE0-RE2)
Các đặc tính ngoại vi bao gồm các khối chức năng sau:
Timer0: bộ đếm 8 bít với bộ chia tần số 8 bit
Timer1 là một bộ đếm 16 bit, được trang bị bộ chia tần số tại chân T1G - RB5 và chân đếm xung T1CKI - RC0 Nó có khả năng thực hiện chức năng đếm dựa trên xung clock ngoại vi ngay cả khi vi điều khiển đang hoạt động ở chế độ sleep.
Timer2: bộ đếm 8 bít với bộ chia tần số, bộ postcaler
Hai bộ Capture / so sánh / điều chế độ rộng xung CCP1 - RC2 và CCP2 - RC1
Các chuẩn giao tiếp nối tiếp SSP (Synchronous Serial Port), SPI , I2C
Chuẩn giao tiếp nối tiếp USART với 9 bít địa chỉ
Cổng giao tiếp song song PSP (Parallel Slave Port) với các chân điều khiển RD ,
14 kênh chuyển đổi ADC 10 bít AN0 – AN13
Bên cạnh đó là một vài đặc tính khác của vi điều khiển như :
Bô nhớ flash với khả năng ghi xóa được 100.000 lần
Bộ nhớ EEPROM có thể lưu trữ trên 40 năm
Bộ nhớ EEPROM với khả năng ghi xóa được 1.000.000 lần
Khả năng tự nạp chương trình với sự điều khiển của phần mền
Nạp được chương trình ngay trên mạch điện ICSP (In Circuit Serial Programming) thông qua 2 chân
Watchdog Timer với bộ dao động trong
SVTH: Nguyễn Xuân Ngọc Trang 48
Chức năng bảo mật mã chương trình
Có thể hoạt động với nhiều dạng Oscillator khác nhau
Hình 51 Sơ đồ khối của Vi điều khiển PIC16f887
Vi điều khiển có khả năng thực hiện ngắt ngoài qua các chân RB0-RB7, trong đó chân RB0 hỗ trợ ngắt On-change Ngoài ra, vi điều khiển cũng có thể kích hoạt ngắt ngoại vi khi xảy ra tràn timer 0, 1, 2 và khối CCP.
Và còn thêm một vài đặc điểm khác nữa chúng ta chưa nhắc tới của vi điều khiển mà chúng ta không cần phải bận tâm nhiều
SVTH: Nguyễn Xuân Ngọc Trang 49
Lưu đồ giải thuật điều khiển
START [Mở công tắc máy]
Mở van cầm chừng hoàn toàn Đề máy
Load tốc độ vào vi điều khiển từ tín hiệu đánh lửa
Load nhiệt độ vào vi điều khiển từ áp truyền từ cảm biến nhiệt độ về ECU
Load tín hiệu A/C switch vào vi điều khiển từ relay của điều hòa không khí
So sánh các giá trị thực với giá trị khảo sát là bước quan trọng trong việc điều khiển van cầm chừng Việc này giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động và đảm bảo rằng các thông số được duy trì trong giới hạn cho phép.
SVTH: Nguyễn Xuân Ngọc Trang 50
Lưa đồ điều khiển bên trong PIC 16F887
START [ LOAD TÍN HIỆU đánh lửa ,điện áp, relay A/C ]
- Nhiệt độ = điện áp cảm biến
- Tốc độ = tín hiệu đánh lửa
- A/C = số lần kích của relay A/C
Tính nhiệt độ nước làm mát
Xảy ra ngắt ngoài vi điều khiển
Dcdt > 1460 Đóng van cầm chừng
Truyền UART Nhiệt Độ Tốc Độ A/C switch
Sai Đúng Đúng Đúng Đúng Sai Sai Đúng Sai
SVTH: Nguyễn Xuân Ngọc Trang 51 Để đọc nhiệt độ chúng ta Load tín hiệu điện áp từ cảm biến nhiệt độ nước làm mát
Nhiệt độ được tính bằng công thức: Nhiệt độ = 120.0777 - 0.86976 * V + 0.00201 * V * V, trong đó V là điện áp từ cảm biến nhiệt độ nước làm mát gửi về ECU Để xác định tốc độ, có thể sử dụng số lần đếm của tín hiệu đánh lửa hoặc áp dụng công thức nếu sử dụng cảm biến quang để đọc tín hiệu.
N động cơ = N máy phát * R máy phát / R động cơ
Nđộng cơ, Nmáy phát : Số vòng quay của động cơ và máy phát
Rmáy phát, Rđộng cơ : Đường kính của máy phát và động cơ Để đọc A/C switch chúng ta Load tín hiệu từ relay điều khiển điều hòa không khí.
Cơ cấu chấp hành
Cơ cấu chấp hành sử dụng động cơ bước 4 hoặc 6 dây, là loại động cơ điện không cần bộ chuyển mạch Động cơ này bao gồm stator và rotor, với rotor có thể là nam châm vĩnh cửu hoặc khối răng làm từ vật liệu nhẹ có từ tính trong trường hợp động cơ biến từ trở Các mạch đảo của động cơ được điều khiển bên ngoài bởi bộ điều khiển, cho phép động cơ giữ vững vị trí cố định hoặc quay đến bất kỳ vị trí nào Đặc biệt, hầu hết động cơ bước có khả năng hoạt động ở tần số âm thanh, cho phép chúng quay nhanh và dễ dàng khởi động, dừng lại ở các vị trí mong muốn với bộ điều khiển phù hợp.
Khi lựa chọn giữa động cơ servo và động cơ bước cho một số ứng dụng, cả hai loại động cơ này đều có khả năng xác định vị trí chính xác Tuy nhiên, chúng cũng có những điểm khác biệt quan trọng Động cơ servo yêu cầu tín hiệu hồi tiếp analog để hoạt động hiệu quả.
Hình 52 Động cơ bước 4 dây
Để lựa chọn giữa động cơ bước và động cơ servo, cần xem xét một số yếu tố liên quan đến ứng dụng thực tế Động cơ bước yêu cầu bộ tắc-cô để cung cấp tín hiệu hồi tiếp về vị trí rotor, trong khi động cơ servo phụ thuộc vào độ ổn định của bộ tắc cô và linh kiện analog trong mạch hồi tiếp Động cơ bước thích hợp cho hệ thống điều khiển vòng hở đơn giản, nhưng khi tải trọng thay đổi hoặc cần điều khiển ở gia tốc lớn, hệ thống điều khiển vòng kín với động cơ bước là cần thiết Nếu động cơ bước trong hệ điều khiển vòng mở bị quá tải, các giá trị vị trí sẽ bị mất, trong khi động cơ servo không gặp phải vấn đề này.
Trong khi nhiều động cơ sử dụng cấu hình 6 và 8 dây, phần lớn các động cơ bước lưỡng cực chỉ cần 4 dây để kết nối với cuộn dây Các động cơ bước 4 dây có cấu trúc đơn giản và dễ dàng kết nối, chỉ cần nối các dây A và A' để đạt được kết quả đầu ra mong muốn.
SVTH: Nguyễn Xuân Ngọc Trang 53 theo từng giai đoạn tương ứng trên ổ đĩa động cơ của bạn
Cấu trúc bên trong của điều khiển đơn cực luôn cung cấp năng lượng cho các pha theo cùng một cách, với dây số một, được gọi là "phổ biến", luôn là dây âm, trong khi các dây dẫn khác là dây tích cực Điều khiển đơn cực có thể được điều khiển bằng mạch transistor đơn giản, tuy nhiên, một nhược điểm là mô-men xoắn thấp do chỉ có nửa cuộn dây được nạp năng lượng tại một thời điểm.
Trình điều khiển lưỡng cực sử dụng mạch cầu H để đảo ngược dòng điện qua các giai đoạn, cho phép điều chỉnh chuyển động của động cơ Bằng cách cấp năng lượng cho các giai đoạn xen kẽ các cực, tất cả cuộn dây có thể được kích hoạt để tùy biến hoạt động của động cơ.
Động cơ lưỡng cực hai giai đoạn được thiết kế với 2 nhóm cuộn dây, trong khi động cơ đơn cực có 4 giai đoạn Động cơ lưỡng cực 2-pha thường có 4 dây, với 2 dây cho mỗi pha Nhiều động cơ hiện nay đi kèm với hệ thống dây linh hoạt, cho phép người dùng lựa chọn giữa việc vận hành động cơ lưỡng cực hoặc đơn cực Đặc điểm nổi bật của động cơ bước 4 dây là tính linh hoạt và khả năng hoạt động hiệu quả trong nhiều ứng dụng khác nhau.
1 Góc quay của động cơ là tỉ lệ với xung đầu vào
2 Các động cơ có mô-men xoắn hoàn toàn ở trạng thái dừng (nếu các cuộn dây được kích)
3 Định vị chính xác và độ lặp lại di chuyển từ động cơ bước có độ chính xác khá cao – sai số 5% một bước và lỗi này là không tích lũy từ bước này sang bước tiếp theo
4 Hoàn hảo để đáp ứng các yêu cầu như bắt đầu / dừng / đảo ngược
5 Rất đáng tin cậy vì không có chổi than tiếp xúc trong động cơ Do đó, tuổi thọ của của động cơ là chỉ đơn giản phụ thuộc vào tuổi thọ của ổ trục
SVTH: Nguyễn Xuân Ngọc Trang 54
6 Các động cơ phản ứng với xung đầu vào kỹ thuật số cung cấp điều khiển vòng hở, làm cho việc điều khiển động cơ trở nên đơn giản và ít tốn kém hơn để điều khiển
7 Nó có thể đạt được tốc độ rất thấp luân chuyển đồng bộ với một tải được kết nối trực tiếp với trục
8 Một loạt các tốc độ quay có thể được thực hiện như tốc độ tỉ lệ với tần số của xung đầu vào
Thông số của động cơ bước 28BYJ-48 được sử dụng điều khiển
Điện áp định mức: 5VDC
Tốc độ bước nhỏ nhất: 1/64
Tần số cầm chừng trong - kéo: > 600Hz
Tần số cầm chừng ngoài -kéo: > 1000Hz
Lực kéo Torque > 34.3mN.m (120Hz)
Tự định vị Torque > 34.3mN.m
Ma sát mô-men xoắn: 600-1200 gf.cm
Kéo trong mô-men xoắn: 300 gf.cm
Điện điện cách điện: 600VAC / 1mA / 1s
Tiếng ồn < 35dB (120Hz, không tải, 10cm)
Hình 54 Động cơ bước 28BYJ-48
SVTH: Nguyễn Xuân Ngọc Trang 55 c Motor bước 6 dây
Động cơ bước 6 dây có cấu trúc tương tự như động cơ bước 4 dây nhưng bổ sung cuộn dây trung tâm, thường được gọi là động cơ đơn cực Cấu hình này rất phù hợp cho các ứng dụng cần mô-men xoắn cao ở tốc độ thấp Mặc dù nhiều thiết bị điện phổ biến không hỗ trợ động cơ bước 6 dây, một số động cơ không yêu cầu cuộn dây trung tâm vẫn có thể kết nối như động cơ 4 dây, nhưng loại này ít được sử dụng hơn.
Motor bước 6 dây cần phải xác định chân rõ ràng hơn :
Bước 1: Đo thông mạch để xác định 3 đầu dây trên cùng 1 cuộn dây
Bước này xác định được 2 nhóm, mỗi nhóm có 3 dây
Để xác định các đầu dây chung, điện trở đo được từ hai đầu dây sẽ gần gấp đôi điện trở từ dây chung đến mỗi đầu dây Cụ thể, điện trở từ hai đầu dây là 8.3 ohm, trong khi điện trở từ dây chung đến mỗi đầu dây là 4.8 ohm.
Lặp lại tiến trình cho đến khi xác định được 2 dây chung
Sau khi xác định được dây chung của 2 cuộn dây, nối chúng lại với nhau
Bước 3: xác định thứ tự các dây:
Sử dụng nguồn điện 1 chiều từ pin hoặc cục sạc điện thoại với điện áp khoảng 3-5V Hai đầu dây của cục pin được đánh dấu là A và B; đầu A được kết nối với dây chung, trong khi đầu B sẽ nối với một trong bốn dây còn lại, được đánh số là 2.
Hình 55 Cấu trúc động cơ bước 6 dây
Hình 56 Cấu trúc động cơ bước 6 dây
SVTH: Nguyễn Xuân Ngọc Trang 56
Cầm đầu dây 2 chạm nhẹ với 1 trong 3 dây còn lại:
Quan sát motor, ta sẽ thấy:
Có 1 dây khi chạm sẽ làm trục quay tới nữa buớc (theo chiều kim đồng hồ) - (đánh số 1)
Có 1 dây khi chạm sẽ làm trục quay lùi 1 buớc (ngược chiều kim đồng hồ) - (đánh số 3)
Có 1 dây khi chạm thì trục đứng im - (đánh số 4)
Motor bước 6 dây điểu khiển bù ga
Motor này có thiết kế 6 dây dùng để điều khiển mạch bù ga cho hệ thống
Hình 57 Motor bước 6 dây điều khiển bù ga d Điều khiển motor bước
Có thể dùng ic L298 hoặc một ic nào đó thay thế
SVTH: Nguyễn Xuân Ngọc Trang 57
IC L298 là một vi mạch tích hợp với 2 mạch cầu H, cho phép tăng công suất đầu ra từ 5V đến 47V và dòng điện tối đa lên tới 4A Thiết bị này rất phù hợp cho các ứng dụng công suất nhỏ, đặc biệt là trong việc điều khiển động cơ DC loại vừa.
Chức năng các chân của L298:
- 4 chân INPUT: IN1, IN2, IN3,
IN4 được nối lần lượt với các chân 5,
7, 10, 12 của L298 Đây là các chân nhận tín hiệu điều khiển
OUT2, OUT3, OUT4 (tương ứng với các chân INPUT) được nối với các chân 2, 3, 13, 14 của L298 Các chân này sẽ được nối với động cơ
- Hai chân ENA và ENB dung để điều khiển các mạch cầu H trong L298 Nếu ở mức logic “1” (nối với nguồn 5V) thì cho phép mạch cầu H hoạt động, nếu ở mức logic
“0” thì mạch cầu H không hoạt động
Cần lưu ý đến cách điều khiển chiều quay với L298:
- Khi ENA = 0: Động cơ không quay với mọi đầu vào
- INT1 = 1; INT2 = 0: động cơ quay thuân
- INT1 = 0; INT2 = 1: động cơ quay nghịch
- INT1 = INT2: động cơ dừng ngay tức thì
(tương tự với các chân ENB, INT3, INT4)
Hình 58 Cấu trúc của IC L298
SVTH: Nguyễn Xuân Ngọc Trang 58
Hình 60 Nguyên lí mạch điều khiển động cơ bước
IC này có thể mô phỏng được, rất thông dụng trong thực tế đó là một lợi thế lớn so với các IC khác.
Thu thập số liệu
Để thu thập số liệu và hiển thị thông tin lên máy tính chúng ta sử dụng phần mền Visual Studio và ngôn ngữ lập trình C# a Visual Studio
Microsoft Visual Studio là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) từ Microsoft
Nó được sử dụng để phát triển chương trình máy tính cho Microsoft Windows
Visual Studio hỗ trợ đa dạng ngôn ngữ lập trình, cho phép biên tập và gỡ lỗi cho hầu hết các ngôn ngữ Các ngôn ngữ được tích hợp bao gồm C, C++, C++/CLI, VB.NET, C# và F#.
C# là một ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng do Microsoft phát triển, đóng vai trò quan trọng trong kế hoạch NET của công ty Ngôn ngữ này được thiết kế chủ yếu bởi Anders Hejlsberg, mang lại nhiều tính năng mạnh mẽ cho lập trình viên.
C# là ngôn ngữ lập trình phản ánh rõ nét nhất NET Framework, nơi mà tất cả các chương trình NET hoạt động, và nó có sự phụ thuộc mạnh mẽ vào Framework này Đồng thời, C# cũng cho phép phát triển các công cụ thu thập dữ liệu hiệu quả.
Để bắt đầu xây dựng công cụ giao tiếp với máy tính, trước tiên bạn cần tạo một Project mới trong phần mềm Visual Studio và sử dụng ngôn ngữ lập trình C#.
SVTH: Nguyễn Xuân Ngọc Trang 59 tích hợp nhiều module sẵn có trong NET framework, giúp hỗ trợ công việc lập trình Lập trình sẽ được thực hiện trên nền tảng giao diện lập trình Windows.
Để giao tiếp với cổng COM trên laptop, bạn có thể sử dụng đối tượng SerialPort có sẵn trong Visual Studio khi lập trình Windows Form.
Hình 62 Đối tượng Serial Port
Sau khi thêm đối tượng serialPort, chúng ta tiếp tục kéo thả các đối tượng như ComboBox, Button và Label vào Form để phù hợp với nhu cầu công việc Tôi đã tạo một Form giao tiếp với giao diện như hình dưới đây.
SVTH: Nguyễn Xuân Ngọc Trang 60
Chúng ta sẽ liên kết các đối tượng này bằng các source code
Sau khi thu thập số liệu, chúng ta sẽ xây dựng một form mới để vẽ biểu đồ các tín hiệu nhận được Để thực hiện điều này, chúng ta sẽ sử dụng module ZedGraph, một công cụ hữu ích cho việc vẽ đồ thị Để sử dụng ZedGraph, bạn cần tải nó về từ trang web chính thức.
Trên thanh Toolbox click chuột phải chọn vào Choose items
Hình 64 Thêm đối tượng ZedGraph
Hiện ra một bảng như hình click vào browse và dẫn tới modun
ZedGraph.dll mà bạn đã tải về máy
SVTH: Nguyễn Xuân Ngọc Trang 61
ZedGraphControl là một đối tượng mà bạn có thể thao tác dễ dàng và linh hoạt, giúp bạn thực hiện các chức năng đồ họa một cách hiệu quả.
Bạn tạo một form như hình vẽ với đối tượng ở giữa là ZedGraphControl và ở góc màn hình phía trên bên trái là 3 Radio button và 3 Label để trang trí
Hình 66 Hoàn thành tạo Form 2
SVTH: Nguyễn Xuân Ngọc Trang 62
Hình 67 Kết quả có được d Truyền nhận UART
UART, hay USART, là viết tắt của Universal Synchronous & Asynchronous Serial Receiver and Transmitter, có nghĩa là bộ truyền nhận nối tiếp đồng bộ và không đồng bộ Khái niệm USART thường chỉ thiết bị phần cứng, không chỉ là một chuẩn giao tiếp Để hoạt động hiệu quả, USART hay UART cần kết hợp với một thiết bị chuyển đổi mức điện áp nhằm tạo ra một chuẩn giao tiếp nhất định.
Giao tiếp giữa PC và vi điều khiển là yếu tố quan trọng trong các ứng dụng điều khiển và đo lường Kỹ thuật ghép nối qua cổng nối tiếp RS232 được sử dụng rộng rãi để kết nối thiết bị ngoại vi với máy tính RS232 là chuẩn giao tiếp nối tiếp không đồng bộ, cho phép kết nối tối đa 2 thiết bị với chiều dài tối đa từ 12.5 đến 25.4m và tốc độ truyền dữ liệu lên đến 20kbit/s, thậm chí 115kbit/s với một số thiết bị đặc biệt Chuẩn truyền thông nối tiếp này cho phép chỉ một bit được gửi đi tại một thời điểm Hiện nay, hai phiên bản RS232 phổ biến là RS232B và RS232C, trong đó RS232C vẫn được sử dụng rộng rãi, còn RS232B ít được dùng hơn.
SVTH: Nguyễn Xuân Ngọc Trang 63
Các máy tính thường trang bị 1 hoặc 2 cổng nối tiếp RS232C, được gọi là cổng Com, dùng để kết nối với chuột, modem và thiết bị đo lường Tùy theo đời máy và bo mạch chủ, cổng này có thể có 9 hoặc 25 chân Thiết kế giao tiếp với cổng RS232 khá đơn giản, đặc biệt khi sử dụng chế độ không đồng bộ và tốc độ truyền dữ liệu thấp Giao diện nối tiếp RS232 mang lại nhiều ưu điểm trong việc kết nối thiết bị.
+ Khả năng chống nhiễu của các cổng nối tiếp cao
Thiết bị ngoại vi có khả năng tháo lắp ngay cả khi máy tính đang hoạt động, điều này giúp người dùng dễ dàng thay đổi hoặc nâng cấp thiết bị mà không cần tắt nguồn Hơn nữa, các mạch điện đơn giản có thể nhận điện áp nguồn thông qua kết nối nối tiếp, điều này mang lại sự linh hoạt trong việc thiết kế và sử dụng Những đặc điểm này là những điểm quan trọng cần lưu ý khi làm việc với chuẩn RS232.
+ Trong chuẩn RS232 có mức giới hạn trên và dưới (logic 0 và 1) là +-12V Hiện nay đang được cố định trở kháng tải trong phạm vi từ 3000 ôm - 7000 ôm
+ Mức logic 1 có điện áp nằm trong khoảng -3V đến -12V, mức logic 0 từ
+ Tốc độ truyền nhận dữ liệu cực đại là 100kbps (ngày nay có thể lớn hơn) + Các lối vào phải có điện dung nhỏ hơn 2500pF
+ Trở kháng tải phải lớn hơn 3000 ôm nhưng phải nhỏ hơn 7000 ôm
+ Độ dài của cáp nối giữa máy tính và thiết bị ngoại vi ghép nối qua cổng nối tiếp RS232 không vượt qua 15m nếu chúng ta không sử model
+ Các giá trị tốc độ truyền dữ liệu chuẩn 50 , 75 , 110 , 50 , 300 , 600 , 1200 ,
Vi điều khiển PIC16F887 được trang bị module truyền nhận dữ liệu, cho phép kết nối với cổng COM của máy tính Nhờ vào tính năng này, chúng ta có thể thu thập dữ liệu từ vi điều khiển và gửi tín hiệu lên máy tính để thực hiện việc vẽ đồ thị.
Dây kết nối RS232 được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu từ cổng COM của Vi điều khiển sang tín hiệu USB, giúp máy tính thu thập bộ ba tín hiệu cần thiết để vẽ.
SVTH: Nguyễn Xuân Ngọc Trang 64
Hình 68 Dây kết nối với máy tính
SVTH: Nguyễn Xuân Ngọc Trang 65
