Nghiên cứu chế tạo mạch điều khiển máy sạc ga tự động ngành công nghệ kỹ thuật ô tô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN MÁY SẠC GA TỰ ĐỘNG GVHD: ThS LÊ QUANG VŨ SVTH: PHẠM VĂN THUẤN TRẦN NHẬT QUỲNH SKL007946 Tp Hồ Chí Minh, tháng 08/2019 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH -*** - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN MÁY SẠC GA TỰ ĐỘNG SVTH: PHẠM VĂN THUẤN TRẦN NHẬT QUỲNH GVHD: ThS LÊ QUANG VŨ GVHD: Th.S HUỲNH PHƯỚC SƠN TP Hồ Chí Minh, tháng năm 2019 LỜI CẢM ƠN Chúng em xin cảm ơn nhà trường xây dựng môi trường học tập tốt, quý thầy cô giảng dạy, truyền đạt kiến thức kinh nghiệm thực tế để chúng em có tảng kiến thức bốn năm học vừa qua Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, chúng em xin gửi đến quý thầy khoa Cơ khí động lực – Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TP Hồ Chí Minh dùng trí thức tâm huyết để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em suốt thời gian học tập trường Và đặc biệt, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Th.s Lê Quang Vũ Thầy người trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tận tình, đưa nhận xét kịp thời để chúng em sửa chữa hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp Trong trình thực đề tài này, chúng em có nhiều nỗ lực, khơng thể tránh khỏi thiếu sót Chúng em mong nhận ý kiến đóng góp q thầy Chúng em xin chân thành cảm ơn! Tp Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 07 năm 2019 Sinh viên thực Phạm Văn Thuấn Trần Nhật Quỳnh I TÓM TẮT Tên đề tài NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN MÁY SẠC GAS TỰ ĐỘNG Thời gian địa điểm thực đề tài - Thời gian: 22/03/2019 đến 20/07/2019 - Địa điểm: Tại xưởng Robocon khoa Cơ Khí Động Lực, trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh Mục đích đề tài - Nghiên cứu lý thuyết tổng quan hệ thống điều hịa khơng khí tô - Phương pháp sạc gas máy lạnh cho ô tơ - Tìm hiểu ngun lý máy nạp gas tự động - Thiết kế mạch điện lập trình điều khiển máy nạp gas tự động Phương tiện - Phương tiện lý thuyết: + Tra cứu tài liệu máy tính, sách giáo trình, + Nghiên cứu lập trình vi điều khiển Arduino - Phương tiện thực hành: + Các thiết bị điện tử, + Các dụng cụ xưởng II MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .I TÓM TẮT II MỤC LỤC III DANH MỤC HÌNH ẢNH V DANH MỤC CÁC BẢNG VIII CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Lý chọn đề tài 1.2 Mục tiêu phạm vi nghiên cứu đề tài 1.3 Phương pháp nghiên cứu 1.4 Phạm vi ứng dụng CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan hệ thống điều hịa khơng khí tơ 2.2 Tại cần phải nạp gas vào hệ thống lạnh ô tô 2.3 Phương pháp nạp gas vào hệ thống thủ công 2.4 Giới thiệu máy nạp gas tự động cho ô tô 2.5 Nguyên lý hoạt động máy nạp gas 19 2.6 Cách sử dụng máy nạp gas cho ô tô 21 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN VÀ LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 27 3.1 Giới thiệu arduino 27 3.2 Phần mềm lập trình Arduino IDE 28 3.3 Phương thức giao tiếp I2C Arduino 29 3.4 Timer Arduino 30 3.5 EEPROM Arduino 32 3.6 Ứng dụng phần mềm thiết kế mô mạch điện Eagle 33 CHƯƠNG THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN VÀ LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 35 III 4.1 Cấu tạo mạch điều khiển máy nạp gas tự động 35 a Arduino promini 36 b Cảm biến trọng lượng loadcell 39 c Module chuyển đổi ADC 24bit loadcell 41 d Module chuyển đổi điện áp 220VAC thành 12VDC 42 e Relay 43 f Màn hình LCD 16x2 44 g Module LCD I2C 45 h IC ULN 2003 46 i Mạch giảm áp LM2596 – 5V 47 j Cảm biến áp suất 47 4.2 Sơ đồ mạch điện 48 4.3 Lập trình điều khiển 49 a Chế độ thu hồi gas 49 b Chế độ hút chân không 50 c Chế độ nạp gas vào xe 51 d Chế độ nạp gas từ ngồi vào bình chứa 52 CHƯƠNG KẾT LUẬN 53 5.1 Kết nghiên cứu 53 5.2 Kiến nghị đề xuất 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 IV DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1 Hệ thống điều hịa khơng khí tơ Hình 2.2 Bộ nạp gas máy lạnh Hình 2.3 Lắp ống nạp gas vào van xả phía áp thấp Hình 2.4 Các bước đóng mở van Hình 2.5 Kết nối nạp gas với máy bơm chân không Hình 2.6 Quá trình hút chân không Hình 2.7 Kiểm tra rị rỉ Hình 2.8 Kết nối bình gas với nạp gas Hình 2.9 Nạp gas từ phía cao áp Hình 2.10 Nạp gas từ phía thấp áp Hình 2.11 Cấu tạo máy nạp gas tự động 10 Hình 2.12 Máy nén 11 Hình 2.13 Cấu tạo máy nén 11 Hình 2.14 Máy hút chân khơng 12 Hình 2.15 Cấu tạo máy hút chân khơng 13 Hình 2.16 Bình chứa gas R134a 15 Hình 2.17 Cấu tạo lõi lọc ẩm 18 Hình 2.18 Nguyên lý hoạt động lọc ẩm 19 Hình 2.20 Chế độ thu hồi gas cũ 19 Hình 2.21 Chế độ hút chân không 20 Hình 2.22 Chế độ kiểm tra rò rỉ 21 Hình 2.23 Bật cơng tắc máy 22 Hình 2.24 Giao diện máy sẵn sàng 22 V Hình 2.25 Nút R 23 Hình 2.26 Chế độ thu hồi gas sẵn sàng 23 Hình 2.27 Chế độ thu hồi gas cũ hoàn thành 24 Hình 2.28 Nút V 24 Hình 2.29 Đã chọn vào chế độ hút chân không 25 Hình 2.30 Kết thúc trình hút chân không 25 Hình 2.31 Đồng hồ báo áp suất 25 Hình 2.32 Nhấn nút “C” để lựa chọn chế độ nạp gas 26 Hình 2.33 Lựa chọn khối lượng gas nạp vào xe 26 Hình 3.1 Các loại Arduino phổ biến 27 Hình 3.2 Giao diện lập trình Arduino IDE 28 Hình 3.3 Sơ đồ giao tiếp I2C 29 Hình 3.4 Thanh ghi TCCR1B 30 Hình 3.5 Mơ tả clock Select Bit ghi TCCR1B 30 Hình 3.6 Thanh ghi TIMSK1 31 Hình 3.7 Giao diện thiết kế mạch điện Eagle 33 Hình 4.1 Mạch điều khiển máy sạc gas 35 Hình 4.2 Mạch hiển thị thông tin nút nhấn 36 Hình 4.3 Arduino promini 36 Hình 4.4 Sơ đồ chân Arduino promini 37 Hình 4.5 Mạch USB to TTL CH340 37 Hình 4.6 Sơ đồ đấu nối Arduino cảm biến trọng lượng 39 Hình 4.7 Cấu tạo cảm biến trọng lượng - loadcell 40 Hình 4.8 Module chuyển đổi ADC 24bit 41 Hình 4.9 Mạch chuyển đổi nguồn 220VAC thành 12VDC 42 Hình 4.10 Quá trình biến đổi điện áp 220VAC thành 12VDC 43 Hình 4.11 Cấu tạo relay 43 VI Hình 4.12 Màn hình LCD 16x2 44 Hình 4.13 Kết nối module LCD I2C với hình LCD 16x2 45 Hình 4.14 Sơ đồ chân Uln 2003 46 Hình 4.15 Cấu tạo uln 2003 46 Hình 4.16 Sơ đồ nguyên lý mạch giảm áp LM2596 47 Hình 4.17 Cảm biến áp suất 47 Hình 4.18 Sơ đồ kết nối mạch điều khiển 48 Hình 4.19 Lưu đồ thuật tốn chế độ thu hồi gas 49 Hình 4.20 Lưu đồ thuật tốn thực chế độ hút chân không 50 Hình 4.21 Lưu đồ thuật tốn q trình nạp gas 51 Hình 4.22 Lưu đồ thuật tốn q trình nạp gas vào bình chứa 52 VII DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1: Thông số kỹ thuật máy hút chân không 14 Bảng 2: Thông số kỹ thuật bình chứa gas R134a 16 Bảng 3: Thông số arduino promini 38 Bảng 4:Thông số mạch nạp CH340 39 Bảng 5: Thông số kỹ thuật module HX711 42 VIII bị kéo dãn thay đổi điện trở Như vậy, đặt vật cân lên bàn cân, tùy theo khối lượng vật mà Load, kim loại bị uốn lượng tương ứng lượng đo lường qua thay đổi điện trở Strain Gauge Thông thường, kim loại cấu tạo cho bất chấp vị trí ta đặt vật cân lên bàn/ đĩa, cho mức độ bị uốn Cấu tạo loadcell gồm điện trở strain gauges R1, R2, R3, R4 kết nối thành cầu điện trở heatstone hình dán vào bề mặt thân loadcell Một điện áp kích thích cung cấp cho ngõ vào loadcell (2 góc (1) (4) cầu điện trở heatstone) điện áp tín hiệu đo hai góc khác Tại trạng thái cân (trạng thái khơng tải), điện áp tín hiệu số khơng gần không bốn điện trở gắn phù hợp giá trị Đó lý cầu điện trở heatstone gọi mạch cầu cân Khi có tải trọng lực tác động lên thân loadcell làm cho thân loadcell bị biến dạng (giãn nén), điều dẫn tới thay đổi chiều dài tiết diện sợi kim loại điện trở strain gauges dán thân loadcell dẫn đến thay đổi giá trị điện trở strain gauges Sự thay đổi dẫn tới thay đổi điện áp đầu Từ điện áp đầu ta tính tốn trọng lượng đè lên loadcell c Module chuyển đổi ADC 24bit loadcell Hình 4.8 Module chuyển đổi ADC 24bit  Đây mạch đọc giá trị cảm biến loadcell với độ phân giải 24bit chuyển sang giao tiếp dây ( clock data ) để gửi liệu cho vi điều khiển / arduino 41  Mạch chuyển đồi ADC 24bit Loadcell HX711: module chuyển đổi analog sang digital 24-bit HX711 thiết kế để chuyển đối tín hiệu ứng dụng điều khiển công nghiệp để giao tiếp trực tiếp với cảm biến cầu  HX711 khơng có vài chức bản, có tích hợp cao, phản ứng nhanh, khả chống nhiễu, độ tin cậy cao Bảng 5: Thông số kỹ thuật module HX711 Điện áp hoạt động 2.7 – 5VDC Dòng tiêu thụ < 1.5mA Tốc độ lấy mẫu 10 – 80 SPS Độ phân giải 24 Bit ADC Độ phân giải điện áp 40mV Kích thước 38 x 21 x 10 mm d Module chuyển đổi điện áp 220VAC thành 12VDC Hình 4.9 Mạch chuyển đổi nguồn 220VAC thành 12VDC 42 Điện áp 220VAC cấp đầu sơ cấp biến áp ta 12VAC đầu sơ cấp Hình 4.10 Quá trình biến đổi điện áp 220VAC thành 12VDC Dòng điện 12V xoay chiều hai đầu thứ cấp biến áp qua chỉnh lưu thành điện 12V chiều Tại đây, dòng điện qua mạch lọc qua mạch ổn áp để nguồn 12V phẳng sử dụng cho việc đóng ngắt relay sử dụng cho phận khác e Relay Hình 4.11 Cấu tạo relay Relay có gồm cuộn dây điện quanh lõi sắt từ Bộ phận có phần tĩnh gọi Ách từ(Yoke) phần động gọi phần ứng(Armature) Phần ứng liên kết học với tiếp điểm động Khi cuộn dây cấp điện, biến thành nam châm điện, hút phần ứng để mở đóng trực tiếp tiếp điểm điện Khi relay bị ngắt điện từ trường biến phần ứng lo xo phản hồi hỗ trợ, đưa tiếp điểm trở lại vị trí bình thường 43 Dịng chạy qua cuộn dây để điều khiển rơ le ON hay OFF thường vào khoảng 30mA với điện áp 12V lên tới 100mA Trên rơ le có kí hiệu là: NO, NC COM: + COM (common): chân chung, ln kết nối với chân cịn lại Cịn việc kết nối chung với chân phụ thuộc vào trạng thái hoạt động rơ le + NC (Normally Closed): Nghĩa bình thường đóng Nghĩa rơ le trạng thái OFF, chân COM nối với chân + NO (Normally Open): Khi rơ le trạng thái ON (có dịng chạy qua cuộn dây) chân COM nối với chân => Kết nối COM NC muốn có dịng điện cần điều khiển rơ le trạng thái OFF Và rơ le ON dịng bị ngắt => Ngược lại nối COM NO f Màn hình LCD 16x2 Hình 4.12 Màn hình LCD 16x2 LCD text 1602 sản phẩm quen thuộc với người học muốn thực dự án điện tử, lập trình Với khả hiển thị dịng với dịng 16 ký tự, đồng thời có nhiều ví dụ mẫu cộng đồng Arduino xây dựng sẵn giúp người sử dụng làm quen nhanh tiết kiệm thời gian việc phát triển ứng dụng Thơng số kỹ thuật  Điện áp hoạt động: 5V 44  Kích thước: 80 x 36 x 12.5 mm  Chữ trắng, xanh  Khoảng cách hai chân kết nối 0.1 inch tiện dụng kết nối với Breadboard  Đèn led dùng biến trở P M điều chình độ sáng thích hợp  Có thể điều khiển với dây tín hiệu  VSS: cực âm nguồn cho LCD - GND: 0V  VDD: cực dương nguồn LCD - 5V  Constrast Voltage (Vo): điều khiển độ sáng hình  Register Select (RS): lựa chọn ghi  RS=0 chọn ghi lệnh  RS=1 chọn ghi liệu  Read/Write (R/W)  R/ =0 ghi liệu  R/ =1 đọc liệu  Enable: Cho phép ghi vào LCD  D0 - D7: chân trao đổi liệu với vi điều khiển, với chế độ sử dụng  Chế độ bit: Dữ liệu truyền đường, với bit MSB bit DB7  Chế độ bit : Dữ liệu truyền đường từ DB4 tới DB7, bit MSB DB7  Backlight (Backlight Anode (+) Backlight Cathode (-): Tắt bật đèn hình LCD g Module LCD I2C 45 Hình 4.13 Kết nối module LCD I2C với hình LCD 16x2 LCD có q nhiều chân gây khó khăn q trình kết nối chiếm dụng nhiều chân vi điều khiển.Module chuyển đổi I2C cho LCD giải vấn đề cho bạn, thay sử dụng tối thiểu chân vi điều khiển để kết nối với LCD (RS, EN, D7, D6, D5 D4) với module chuyển đổi bạn cần sử dụng chân (SCL, SDA) để kết nối Module chuyển đổi I2C hỗ trợ loại LCD sử dụng driver HD44780(LCD 1602, LCD 2004, … ), kết nối với vi điều khiển thông qua giao tiếp I2C, tương thích với hầu hết vi điều khiển h IC ULN 2003 Hình 4.14 Sơ đồ chân Uln 2003 Hình 4.15 Cấu tạo uln 2003 ULN 2003 vi mạch đệm, chất cấu tạo mảng darlington chịu dòng đện lớn điện áp cao, có chứa cặp transistor NPN ghép darlington cực góp hở với cực phát chung Mỗi kênh ULN 2003 có diode chặn sử dụng trường hợp tải có tính cảm ứng, ví dụ relay 46 ULN 2003 có khả điều khiển kênh riêng biệt, nối trực tiếp với vi điều khiển 5V Bên cạnh đó, kênh ULN 2003 chịu dòng điện lớn khoảng thời gian dài lên tới 500mA với biên độ đỉnh lên tới 600mA Ứng dụng ULN 2003 sử dụng mạch đệm điều khiển động chiều, động bước, khối hiển thị ma trận led, i Mạch giảm áp LM2596 – 5V Hình 4.16 Sơ đồ nguyên lý mạch giảm áp LM2596 Cơ LM2596 5.0 IC ổn áp dạng xung DC – DC Điện áp đầu vào lớn tới 40V, thấp 5V Điện áp đầu 5VDC, dòng điện đầu đạt 3A hiệu xuất cao nhờ ứng dụng chế băm xung tần số lên tới 150KHz Trong q trình hoạt động LM2596 ln đặt chế độ bảo vệ nhiệt dịng Chính nhờ khả làm việc hiệu quả, xác, linh hoạt, cho dòng lớn, linh kiện phụ trợ đơn giản mà IC ổn áp LM2596 sử dụng nhiều vị trí, chức khác j Cảm biến áp suất 47 Hình 4.17 Cảm biến áp suất Cảm biến áp suất dùng để đo áp suất bình chứa áp suất đường ống nạp gas 4.2 Sơ đồ mạch điện Hình 4.18 Sơ đồ kết nối mạch điều khiển Nguồn điện 220VAC qua cầu chì qua chuyển đổi sang điện 12VDC dùng để cấp nguồn cho cuộn dây relay hoạt động cấp nguồn cho chuyển đổi thành điện 5VDC cấp cho vi điều khiển hoạt động Arduino nhận tín hiệu từ nút nhấn cảm biến để điều khiển relay đóng ngắt máy nén, máy hút chân không van điện Và sau xuất kết lên hình LCD 48 4.3 Lập trình điều khiển a Chế độ thu hồi gas Hình 4.19 Lưu đồ thuật tốn chế độ thu hồi gas Ở chế độ thu hồi gas cũ thực nhấn nút “R” bàn phím máy, tức người điều khiển chọn chế độ Recover Khi vi điều khiển hiển thị lên hình chế độ recover người điều khiển chọn thời gian thu hồi gas thông qua nút “+” “-” bàn phím Sau cài đặt thông số thời gian xong, Nút “OK” vẽ chọn Ngay lúc vi điều khiển lệnh mở máy nén, van điện thong qua relay Trong lúc này, vi điều khiển kiếm tra áp suất bình chứa gas thời gian gian chế độ recover hoạt động Nếu điều kiện chương trình kết thúc 49 b Chế độ hút chân khơng Hình 4.20 Lưu đồ thuật toán thực chế độ hút chân không Nếu người điều khiển bắt đầu nhấn nút “V” bàn phím tức người dùng muốn thực chế độ hút chân không Lúc vi điều khiển mở relay tương ứng để thực trình hút chân khơng Đồng thời, tiner hoạt động để đếm thời gian thực trình hút chân không Khi thời gian đếm timer thời gian cài đặt người điều khiển chương trình kết thúc 50 c Chế độ nạp gas vào xe Hình 4.21 Lưu đồ thuật tốn q trình nạp gas Nút nhấn kiểm tra liên tục, Vi điều khiển(VĐK) nhận tín hiệu, chương trình nạp gas thực Trong lúc khối lượng gas nạp vào hệ thống lạnh áp suất gas bên xe kiểm tra để đảm bảo an tồn Khi đạt thơng số thiết lập trình nạp gas kết thúc 51 d Chế độ nạp gas từ ngồi vào bình chứa Hình 4.22 Lưu đồ thuật tốn q trình nạp gas vào bình chứa Sau thời gian sử dụng máy, tất nhiên gas bình chứa hết Khi ta cần nạp thêm gas vào bình để tiếp tục sử dụng Trước hết ta cần chọn chế độ bàn phím Lúc VĐK chuyển sang chế độ nạp gas vào bình chứa Khi gas nạp vào giá trị ta cài đặt trình kết thúc 52 CHƯƠNG KẾT LUẬN 5.1 Kết nghiên cứu Sau thời gian làm đồ án tốt nghiệp, nhóm sinh viên hoàn thành việc nghiên cứu thiết kế mạch điều khiển máy sạc gas tự động Qua trình nghiên cứu, tìm hiểu thực đề tài, nhóm sinh viên nắm bắt khối lượng lớn kiến thức chuyên ngành, đặc biệt hệ thống điều hịa khơng khí linh kiện điện tử Sự kết hợp lý thuyết thực hành xây dựng mơ hình giúp nhóm sinh viên hiểu sâu sắc kiến thức chuyên ngành học Đề tài đạt số kết sau:  Giới thiệu tổng quan máy sạc gas tự động  Thiết kế bo mạch điều khiển máy sạc gas  Lập trình điều khiển máy sạc gas Mặc dù hồn thành mạch điều khiển khơng tránh khỏi thiết sót Chúng em mong quan tâm, giúp đỡ tạo điều kiện thầy đóng góp ý kiến cho chúng em để bổ sung hoàn thiện kiến thức chuyên ngành thân 5.2 Kiến nghị đề xuất Để nâng cao lực làm việc sinh viên sau tốt nghiệp, sinh viên cần có nhiều tiết thực hành Do công nghệ ngày phát triển nên trình học tập sinh viên cần tiếp cận với công nghệ 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] https://theengineeringmindset.com/filter-driers-how-do-they-work/ [2] http://thosuadieuhoa.net/huong-dan-cach-nap-ga-dieu-hoa-o-to/ [3] http://news.oto-hui.com/huong-dan-nap-ga-cho-dieu-hoa-o-to [4] http://arduino.vn/bai-viet/411-timercounter-tren-avrarduino [5] http://arduino.vn/bai-viet/922-tinh-theo-phong-cach-arduino [6] Lê Thanh Phúc, Giáo trình Thực tập điện 2, Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh [7] https://www.manualslib.com/manual/1299293/Zell-Ac1000.html?page=15#manual [8] https://tuca.vn/mua/bom-hut-chan-khong-value-fy [9] https://theengineeringmindset.com/filter-driers-how-do-they-work/ [10] https://playground.arduino.cc/Code/ShiftRegSN74HC165N/ [11] https://www.arduino.cc/reference/en/language/functions/advanced-io/shiftin/ 54 S K L 0 ... hoạt động mơ hình Phạm vi nghiên cứu đề tài: Nghiên cứu thực chức máy nạp gas thu hồi gas cũ, hút chân không, nạp gas vào ô tô Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: - Nghiên cứu. .. Nghiên cứu chế tạo mạch điều khiển máy sạc gas tự động với mục đích giúp cho sinh viên có nhín tổng quát hệ thống làm lạnh cách thức nạp gas vào hệ thống điều hịa tô Mục tiêu phạm vi nghiên cứu. .. phải nạp gas vào hệ thống lạnh ô tô 2.3 Phương pháp nạp gas vào hệ thống thủ công 2.4 Giới thiệu máy nạp gas tự động cho ô tô 2.5 Nguyên lý hoạt động máy nạp gas