Nhưng trên nhiều ứng dụng mới hơn, tốc độ bơmđược PCM thay đổi để phù hợp hơn với yêu cầu nhiên liệu của động cơ.Với đề tài “Thiết kế bộ điều khiển bơm xăng theo nhu cầu của động cơ”,nhó
Cơ sở lý thuyết
Tổng quan hệ thống thực
Hệ thống bơm xăng ô tô đóng vai trò quan trọng trong quá trình vận hành nhiên liệu của động cơ Bơm xăng hỏng là nguyên nhân động cơ ô tô bị giảm công suất, từ đó ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động của xe.
2.1.1 Hệ th ng b m x ng ô tô là gì?ố ơ ă
Bơm xăng ô tô có chức năng dẫn xăng từ bình nhiên liệu bằng cách tạo áp suất đẩy xăng từ bình đi vào động cơ.
Chỉ số áp suất khi bơm được duy trì ở mức 30-80 PSI Nếu áp suất nhiên liệu ở mức quá thấp dẫn đến tình trạng động cơ bị chết máy hoặc bị rung lắc Ngược lại nếu áp suất ở mức cao lại khiến động cơ không đốt hết nhiên liệu, gây hao tổn xăng Nguyên lý hoạt động của hệ thống bơm xăng ô tô
Khi hoạt động, bơm nhiên liệu được lắp trong bình nhiên liệu và được kết hợp với bộ lọc nhiên liệu, bộ điều áp, bộ đo nhiên liệu, v.v…
Cánh bơm được mô tơ quay để nén nhiên liệu Van một chiều đóng lại khi bơm nhiên liệu dừng để duy trì áp suất trong đường ống nhiên liệu và làm cho việc khởi động động cơ dễ dàng hơn.
Nếu không có áp suất dư, dễ xảy ra hiện tượng khóa hơi ở nhiệt độ cao, làm cho việc khởi động lại khó khăn.
Van an toàn mở ra khi áp suất ở phía cửa ra trở nên quá cao, nhằm ngăn chặn áp suất nhiên liệu trở nên quá cao này.
Khi bơm xăng không làm việc, van một chiều đảm nhiệm chức năng duy trì áp suất trong hệ thống Lọc xăng đảm nhiệm nhiệm vụ lọc các cặn bẩn của xăng nhằm hạn chế tắc kim phun Bộ điều khiển áp được dùng để duy trì sự ổn định của áp suất cho hệ thống Xăng còn thừa sẽ được trả về bình chứa.
Có rất nhiều hệ thống bơm/phun xăng từng được phát triển, nhưng phổ biến và thông dụng nhất là hệ thống bơm xăng cơ chế hòa khí và hệ thống phun xăng điện tử:
Hệ thống chế hòa khí hoạt động dựa trên việc thay đổi áp suất trong buồng đốt để đưa xăng hòa với không khí theo tỷ lệ được tính toán trước Tuy nhiên hệ thống này đã được phát triển quá lâu đời và không đạt được hiệu suất của các động cơ ô tô ngày nay.
Hệ thống phun xăng điện tử (EFI) hoạt động dựa trên sự điều khiển của bộ phận điều khiển ECU (Electronic Control Unit) ECU có vai trò thu thập dữ liệu từ các cảm biến phức tạp để đưa ra tín hiệu mở van phun xăng Hệ thống này do được hoạt động dựa trên linh kiện điện tử nên hoạt động rất chính xác, tuy nhiên lại phức tạp.
Với nhiều ưu điểm nổi trội, hệ thống phun xăng điện tử ngày càng được trang bị trên hầu hết các dòng xe ô tô Hệ thống phun xăng điện tử được áp dụng phổ biến trên các dòng xe ô tô hiện nay nhằm giảm lượng khí thải, tiết kiệm nhiên liệu và giúp động cơ vận hành êm ái hơn.
2.1.2 Cấu t o h th ng phun x ng ạ ệ ố ă điệ ửn t
Cấu tạo hệ thống phun xăng điện tử gồm 3 bộ phận chính:
Cảm biến là bộ phận không thể thiếu trong hệ thống phun xăng điện tử Thiết bị này được lắp đặt ở nhiều vị trí khác nhau của động cơ với nhiệm vụ thu thập số liệu, gửi đến bộ phận điều khiển ECU Sau đó, ECU sẽ tổng hợp và phân tích thông tin, đưa ra các phương pháp xử lý
Các loại cảm biến trong hệ thống phun xăng điện tử gồm có: cảm biến nhiệt độ, cảm biến nhiệt độ khí thải, cảm biến tốc độ động cơ, cảm biến vị trí bướm ga
Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống cảm biến
Bộ điều khiển điện tử
Bộ điều khiển điện tử trung tâm ECU được ví như “cơ quan đầu não” của hệ thống phun xăng điện tử Bộ phận này nhận thông tin từ tất cả các cảm biến Sau đó, tổng hợp và xử lý thông tin, truyền tín hiệu đến kim phun nhiên liệu để thực hiện việc phun xăng với tỷ lệ vừa đủ, giúp tiết kiệm nhiên liệu.
Bộ phận bơm phun nhiên liệu
Bộ phận bơm phun nhiên liệu bao gồm kim phun, vòi phun và bơm nhận lệnh từ bộ điều khiển để bơm nhiên liệu vào buồng đốt Đây là một trong những bộ phận dễ hư hỏng dẫn đến lỗi phun xăng điện tử nên chủ xe cần chú ý hơn khi vận hành.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống phun xăng điện tử
Nguyên lý hoạt động của hệ thống phun xăng điện tử dựa trên sự kết hợp hoàn hảo của các bộ phận với nhau Bằng việc sử dụng hệ thống điều khiển điện tử, hệ thống sẽ can thiệp vào quá trình phun nhiên liệu vào buồng đốt của động cơ Khi khởi động xe, bộ phận điều khiển điện tử (ECU) lập tức quét từng cảm biến để xác minh chức năng của chúng Đèn “Check Engine” (hoặc Đèn “Service Engine
Soon”) trên bảng điều khiển bật sáng trong quá trình quét và tắt khi tất cả các cảm biến hoạt động.
Các cảm biến liên tục phát hiện các giá trị của nhiều thông số như áp suất không khí, nhiệt độ không khí, góc bướm ga, mật độ không khí, nhiệt độ nhiên liệu, áp suất nhiên liệu, áp suất dầu, nhiệt độ nước làm mát, nhiệt độ khí thải, góc trục khuỷu, thời gian, vòng tua động cơ, tốc độ
Tất cả những dữ liệu này được ECU tiếp nhận, sau đó xử lý thông tin Lúc này, ECU sẽ tính toán được lượng nhiên liệu lý tưởng mà động cơ cần tại thời điểm đó và thiết lập thời gian mở vòi phun hợp lý Lượng nhiên liệu được phun vào vừa đủ để động cơ hoạt động và thời gian phun được tối ưu nhất, giúp tiết kiệm lượng lớn nhiên liệu cho xe.
Hình 2.2 Sơ đồ khối lý thuyết hệ thống EFI
Phân tích và thiết kế hệ thống
Xác định yêu cầu kỹ thuật
Các hệ thống bơm xăng ở trên đều có điểm chung là: động cơ hoạt động ở các mức khác nhau với lượng xăng tiêu thụ khác nhau thì máy bơm vẫn hoạt động với công suất không đổi, lượng xăng dư thừa sẽ được quay trở lại bình xăng Do vậy, nhóm sẽ phát triển hệ thống nhúng điều khiển bơm xăng sao cho giảm thiểu lượng xăng thừa, đáp ứng vừa đủ theo nhu cầu của động cơ.
Bài toán: Điều khiển bơm xăng sao cho áp suất trong đường ống là ổn định (bỏ qua bộ điều áp).
Nguyên lý: khi động cơ hoạt động ở các mức độ khác nhau thì lượng xăng tiêu thụ sẽ khác nhau Khi lượng xăng tiêu thụ thay đổi sẽ làm mất cân bằng giữa lượng xăng được bơm vào từ bơm xăng và lượng xăng được lấy ra bởi động cơ, dẫn đến áp suất trong đường ống thay đổi ECU có nhiệm vụ nhận biết sự thay đổi áp suất và tiến hành thay đổi tốc độ bơm sao cho áp suất trong đường ống quay trở về mức ổn định. 3.1.2 Yêu c u ch c n ngầ ứ ă
Lựa chọn đại lượng tốc độ để đặc trưng cho động cơ và bơm Có nghĩa là, nhu cầu của động cơ được thể hiện theo tốc độ quay mong muốn Điều khiển tốc độ bơm để đáp ứng nhu cầu đó.
Người điều khiển có thể tương tác với hệ thống Nhúng thông qua phím nhấn đơn giản, có các chức năng như bật/tắt, tăng/giảm tốc độ.
Yêu cầu chức năng của hệ thống phun nhiên liệu tự động là các tiêu chí mà hệ thống phải đáp ứng để thực hiện chức năng dự định.
Một số yêu cầu chức năng của hệ thống là:
Hệ thống phải tăng áp nhiên liệu và phun nó vào động cơ bằng cách sử dụng béc phun
Hệ thống phải đo lường nhiên liệu chính xác và điều khiển lưu lượng nhiên liệu theo tốc độ và tải của động cơ
Hệ thống phải phân tán nhiên liệu để tăng hiệu quả đốt cháy và kiểm soát khí thải
Hệ thống phải điều chỉnh thời gian và áp suất phun cho các điều kiện vận hành khác nhau.
3.1.3 Yêu c u phi ch c n ngầ ứ ă Độ tin cậy: Hệ thống phải hoạt động tốt và ổn định trong một khoảng thời gian nhất định và dưới các điều kiện khác nhau.
Khả năng sử dụng: Hệ thống phải thân thiện và dễ sử dụng cho người dùng và mục đích dự định.
Khả năng sẵn sàng: Hệ thống phải có thể truy cập và hoạt động bất cứ khi nào người dùng cần, với thời gian ngừng hoạt động hoặc gián đoạn tối thiểu.
Khả năng di chuyển: Hệ thống phải có thể chạy trên các nền tảng hoặc môi trường khác nhau mà không cần thay đổi hoặc điều chỉnh lớn.
Khả năng tương thích: Hệ thống phải có thể tương tác và hợp tác với các hệ thống hoặc thiết bị khác trong phương tiện mà không gây ra xung đột hoặc lỗi 3.1.4 Đơn giản hóa bài toán theo lý thuyết
Do hệ thống bơm xăng điện tử hoạt động phụ thuộc rất nhiều vào các cảm biến để làm đầu vào cho việc tính toán, cho nên một số thành phần và chức năng nằm ngoài khả năng của các thành viên nhóm Vì vậy nhóm sẽ tối giản bài toán để dễ dàng thực hiện.
Hình 1.3 Xây dựng hệ thống dựa trên lý thuyết
Thay tín hiệu ga thành tín hiệu nút bấm.
Loại bỏ bộ điều áp, mô phỏng tín hiệu áp suất bằng cách tính lượng xăng bơm vào và lấy ra mỗi phút.
Sử dụng bộ encoder để tính số vòng quay của động cơ.
Coi điều kiện môi trường là hoàn hảo.
Mô hình hóa hệ thống
3.2.1 Mô hình hóa b ng UMLằ
UML là một ngôn ngữ mô hình gồm các ký hiệu đồ họa mà các phương pháp hướng đối tượng sử dụng để thiết kế các hệ thống thông tin một cách nhanh chóng.
Dựa trên các chỉ tiêu kỹ thuật đã xác định khi triển khai ý tưởng đề tài, thực hiện mô hình hóa hệ thống sử dụng UML Thiết kế 3 sơ đồ chính, bao gồm: Use case diagram, Sequence diagram và Activity diagram.
Sơ đồ Use case chỉ ra các tác nhân bên ngoài và những tương tác của chúng với chức năng của hệ thống Đồng thời, xây dựng góc nhìn tổng thể về các chức năng của hệ thống
Với hệ thống Nhúng đang thiết kế, các tác nhân chính có thể kể đến như:
User: Mô phỏng người điều khiển hệ thống xe ô tô User có thể tác động lên hệ thống điều khiển Bơm xăng thông qua điều khiển bật/tắt, tăng tốc và giảm tốc.
Engine: Mô phỏng động cơ ô tô thực tế Nó nhận các tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển ECU để đáp ứng tốc độ quay.
Pump: Mô phỏng bơm xăng ô tô thực tế Nó được điều khiển bởi ECU sau khi đo được vấn tốc quay thực của động cơ.
Display: Mô phỏng màn hình hiển thị, hiển thị các thông số của hệ thống điều khiển Bơm xăng Các thông số bao gồm: tốc độ quay thực của động cơ, tốc độ máy bớm, và áp suất hệ thống.
Các chức năng chính của hệ thống được xây dựng theo ý tưởng thiết kế, bao gồm:
Khởi động/dừng hệ thống Điều khiển tăng/giảm tốc độ của động cơ và bơm
Hiển thị thông số của hệ thống điều khiển bơm xăng như tốc độ, áp suất Báo hiệu khi đạt tốc độ mong muốn
Dừng bơm khi xảy ra sự cố, tai nạn
Hình 3.4 Sơ đồ Use case
Sơ đồ Sequence diagram thể hiện sự tương tác giữa các đối tượng trong hệ thống theo ràng buộc thời gian.
Ban đầu, khi khởi động bằng cách nhấn nút ON, bộ điều khiển ECU cấp nguồn cho bơm Bơm quay một vài vòng để tạo áp suất cho hệ thống Sau đó, bộ điều khiển kích hoạt động cơ quay Encoder đo tốc độ động cơ, gửi về bộ điều khiển ECU. Sau khi tính toán cân bằng áp suất, ECU điều chỉnh tốc độ bơm, bật và hiển thị thông tin lên màn hình.
Sau khi đã khởi động, khi người dùng nhấn tăng/giảm tốc độ, bộ điều khiển điều chỉnh tốc độ động cơ theo lý thuyết Encoder đo tốc độ động cơ, gửi về bộ điều khiển ECU Sau khi tính toán cân bằng áp suất, ECU điều chỉnh tốc độ bơm và hiển thị thông tin lên màn hình.
Khi người dùng nhấn nút OFF, ECU dừng bơm, dừng động cơ và tắt màn hình hiển thị.
Activity Diagram là sơ đồ tập trung vào mô tả các hoạt động, luồng xử lý bên trong hệ thống Nó có thể được sử dụng để mô tả các qui trình nghiệp vụ trong hệ thống, các luồng của một chức năng hoặc các hoạt động của một đối tượng.
Dựa trên sơ đồ Use case và Sequence, xây dựng sơ đồ Activity thể hiện các luồng hoạt động bên trong hệ thống khi khởi động và khi tăng/giảm tốc độ.
Hình 3.6 Sơ đồ Activity - Khởi động
Hình 3.7 Sơ đồ Activity - Điều chỉnh tốc độ
3.2.2 Mô hình hóa b ng FSMằ
Khái niệm: Máy trạng thái hữu hạn là mô hình toán học dùng trong thiết kế máy tính và các mạch tuần tự Máy trạng thái hữu hạn bao gồm nhiều trạng thái có liên quan với nhau, và tại một thời điểm, máy sẽ ở trong một trạng thái duy nhất. Trạng thái mà máy đang ở, trong bất kỳ thời điểm nào gọi là trạng thái hiện tại (current state), trạng thái mà máy sẽ chuyển đến kế tiếp tính từ thời điểm hiện tại gọi là trạng thái kế tiếp.
Trong đời sống hàng ngày, chúng ta có thể bắt gặp rất nhiều thiết kế áp dụng máy trạng thái ví dụ như thang máy (elevator), đèn giao thông (traffic light)…Phân loại:
Máy trạng thái Moore (Moore machine): Máy trạng thái Moore là máy trạng thái mà dữ liệu ngõ ra được quyết định duy nhất bởi trạng thái hiện tại.
Máy trạng thái Mealy (Mealy machine): Máy trạng thái Mealy là một máy trạng thái mà dữ liệu đầu ra được quyết định bởi trạng thái hiện tại và các dữ liệu ngõ vào
Qua hai khái niệm này, chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy hầu hết các máy trạng thái hữu hạn trong thiết kế ASIC là máy trạng thái Mealy, khi trạng thái kế tiếp được quyết định bởi trạng thái hiện tại và dữ liệu ngõ vào.
Thiết kế FSM hệ thống bơm xăng cho động cơ từ bình xăng
Ta đơn giản hóa bài toán hệ thống bơm xăng cho động cơ từ bình xăng, với các tín hiệu TP_signal (tín hiệu của các mức bướm ga từ cảm biến bướm ga), MAP_signal
(tín hiệu áp suất từ cảm biến áp suất), rst_n (tín hiệu ECU điều khiển động cơ hoạt động ).
Khi các tín hiệu đi qua các bộ tính toán vận tốc bơm xăng của máy bơm xăng từ bình xăng đến động cơ và bộ tính toán vận tốc quay của động cơ ta ra được vận tốc bơm xăng và vận tốc quay của động cơ.
Các thông số cơ bản
Mức tiêu thụ nhiên liệu: 5L/100km Áp suất trong bộ ổn áp: 4 bar (4 kg/cm2)
Kích thước bộ ổn áp: Rm, h,m
Trọng lượng riêng của xăng: 0.75 kg/L
Thể tích xăng trong bộ ổn áp: Áp suất bơm xăng: 60 PSI (4.2 kg/cm2) Đường kính dây bơm xăng: 0.6 cm
Tốc độ quay của máy bơm: 1000 V/P, 90L/h
Bình thường (ko chạy): 1000 vòng/phút
Các thông số cơ bản của dòng xe Toyota Vios (hệ thống chế hòa khí)
Tốc độ quay 1000 vòng/phút (khi khởi động)
Lượng xăng tiêu thụ 5L/100km (khi chạy đường bằng) Áp suất trong bộ điều áp 3.1 – 3.3 Kg/cm2
Thể tích bộ điều áp 10cm3
Trọng lượng riêng của xăng 0.75kg/L
(hệ thống phun xăng điện tử EFI)
Thông số ban đầu Giá trị
Tốc độ quay của động cơ
Tốc độ quay của bơm (prpm) 0 – 500 vòng/phút (với v=[0:50] km/h
Lượng xăng tiêu thụ (gpm) 2 L/h (với v = 60km/h) Áp suất(P)khi hoạt động ổn định, thể tích trong 1 đoan đường ống 10cm3 (V)
Mức độ tiêu thụ xăng mỗi phút khi đi với vận tốc 60km/h:
Giả sử vận tốc tuyến tính với lượng nhiên liệu tiêu thụ, tốc độ của động cơ và bơm, chọn lượng xăng tiêu thụ khi đi với vận tốc 60km/h là 30ml.
Bảng 4 Sự thay đổi của các thông số hệ thống
Thiết kế module cân bằng áp suất và tính toán
Tăng 2 km/h thì lượng xăng tiêu thụ tăng lên 1ml và số vòng quay động cơ tăng thêm
Xác định P’ sao cho khi thay đổi vận tốc thì tốc độ bơm cũng thay đổi theo. y: là lượng xăng tiêu thụ khi ở tốc độ n Khi đó thể tích còn lại trong 10cm3 đường ống là: 10-y (ml). x : là lượng áp suất thay đổi Áp suất thay đổi là: Áp suất khi ở tốc độ n: Áp suất khi ở tốc độ n+2: x=0.2
•Gán các giá trị rpm(tốc độ quay của động cơ), prpm(tốc độ quay của bơm), P(áp suất trong bộ điều áp), gpm(lượng xăng tiêu thụ mỗi phút), pump(lượng xăng bơm vào mỗi phút), V(thể tích trong bộ điều áp).
•Khi bấm tăng tốc: rpm tăng thêm 100 vòng, gpm tăng thêm 1ml.
•Áp suất mới được tính bởi công thức:
• Nếu P’ < 3.8 thì tăng tốc độ bơm thêm 30 vòng.
• Nếu P’ > 4.2 thì giảm tốc độ bơm đi 30 vòng
• Hiển thị các tham số: rpm, prpm, P lên màn hình LCD.
• Quay lại bước tính áp suất cho đến khi áp suất nằm trong khoảng 3.8 đến 4.2 thì không thay đổi tốc độ bơm.
Hình 3.17 Sơ đồ hoạt động hệ thống Ý tưởng xây dựng bài toán: Đơn giản hóa bài toán: Do khó khăn trong việc dựng lại hoạt động của đường ống và bộ đo áp suất Nhóm đã lược bỏ phần cảm biến áp suất, sử dụng thuật toán để mô phỏng quá trình thay đổi áp suất trong bộ điều áp dựa trên lượng nhiên liệu tiêu thụ. Giả sử các quá trình diễn ra tuyệt đối theo lý thuyết, không có sai số thất thoát. Giả thiết:
•Tốc độ của xe: 0 → 60 km/h
•Tốc độ quay của động cơ: 0 → 2500 vòng/ phút
•Lượng xăng tiêu thụ trung bình cho mỗi phút của động cơ khi quay 500 vòng: 5mL
•Tốc độ quay của máy bơm: 0 → 500 vòng/ phút
•Lượng xăng bơm cho mỗi vòng khi quay với vận tốc 100v/p: 5mL
•Thể tích bộ điều áp: 10 mL
•Áp suất trong bộ điều áp khi hoạt động ổn định: 4kg/cm2.
•Sử dụng nút bấm để điều chỉnh tốc độ của động cơ.
•Khi khởi động, động cơ và máy bơm quay với vận tốc tối thiểu.
•Khi tăng tốc hay giảm tốc, ECU tự điều chỉnh tốc độ quay của bơm sao cho đạt được áp suất ổn định.
• Thấy được áp suất và tốc độ bơm biến động rồi trở về mức ổn định.
Hình 3.18 Sơ đồ trao đổi dữ liệu
Lựa chọn linh kiện
Dựa trên chức năng hệ thống đề ra, thực hiện lựa chọn các linh kiện:
Hình 3.20 Sơ đồ chân ATMega16
+ ATMega16L là bộ xử lý có 4 cổng giao tiếp ngoại vi:
Cổng A (PA): PA gồm 8 chân có chức năng: đầu vào cho chuyển đổi ADC
Cổng B (PB): PB gồm 8 chân, ngoài có chức năng làm các đường xuất/ nhập thì còn có nhiều chức năng phụ khác.
Cổng C (PC): PC gồm 8 chân Nếu giao tiếp JTAG được kích hoạt điện trở trên các PC5(TDI), PC3 (TMS), PC2 (TCK) sẽ được kích hoạt ngay cả khi khởi động lại (reset).
Cổng D (PD): PD gồm 8 chân chức năng xuất nhập
ATMega16 có bộ dao động 8MHz bên trong (có thể thay đổi tần số) + USART
Các chân UART trong vi điều khiển thực hiện giao tiếp với các thiết bị nối tiếp Nó sử dụng hai chân giao tiếp và một số lệnh lập trình bên trong để giao tiếp nhưng những chân này cũng có thể được sử dụng để lập trình bằng cách sử dụng chân thứ ba được gọi là chân xung clock Các chân xung clock cũng có thể được sử dụng để giao tiếp dữ liệu đơn giản thay vì phải lập trình Tất cả các chân đó trong bộ vi điều khiển được liệt kê bên dưới:
Giao thức SPI là một trong những giao thức truyền thông nối tiếp tốt nhất cho nhiều module Nó có thể được sử dụng trong trường hợp có nhiều thiết bị ngoại vi giao tiếp với bộ vi điều khiển Các 4 dây giao tiếp, hai dây cho dữ liệu và một dây cho xung clock, và một dây chọn thiết bị giao tiếp Chân lựa chọn thiết bị được biết đến là chân Select Slave và được xác định trước trên bộ vi điều khiển nhưng các chân đầu ra cũng có thể thực hiện chức năng của chân SS bằng cách lập trình Giao thức SPI không chỉ sử dụng để giao tiếp mà nó còn có thể được sử dụng để lập trình vi điều khiển Tất cả các chân SPI của ATMega16 là:
Một số cảm biến và động cơ servo có giao thức truyền thông nối tiếp
I 2 C Để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi đó, ATMega16 cũng hỗ trợ giao thức I2C Một chân được sử dụng để giao tiếp dữ liệu và một chân là xung clock Cả hai chân được liệt kê dưới đây:
Các chân này có trong hầu hết các bo mạch cho mục đích test Lý do thiết kế JTAG là để kiểm tra thiết bị và mạch PCB sau khi nhà sản xuất hoàn thành thiết kế JTAG được kết nối với cổng test bên trong nhưng cũng có thể được sử dụng để lập trình bộ vi điều khiển và thậm chí cả bộ bootloader Các chân JTAG trong vi điều khiển là:
TDI (test data in) – CHÂN 27
TDO (test data out) – CHÂN 26
TMS (test mode selects) – CHÂN 25
Bộ so sánh trong vi điều khiển dùng để so sánh tín hiệu analog Bộ so sánh lấy hai đầu vào đảo và không đảo của cùng một tín hiệu Sau khi so sánh tín hiệu analog bên trong, tín hiệu đầu ra được sử dụng bên trong hoặc thực hiện các chức năng khác nhưng tất cả chúng sẽ được xử lý bằng lập trình Các chân so sánh analog trong ATMega16 được liệt kê dưới đây:
PWM là chức năng cơ bản cho hầu hết các thiết bị để điều chỉnh điện áp Trong ATMega16 có bốn chân PWM sử dụng Prescaler để tạo ra tín hiệu đầu ra mong muốn Các chân đó là:
ADC có trong mọi vi điều khiển do đầu ra của nhiều module có dạng tín hiệu analog và ATMega16 hỗ trợ 8 kênh A / D Trong bộ vi điều khiển, tất cả ADC có thể chuyển đổi analog riêng lẻ nhưng bộ chuyển đổi analog đầu tiên sẽ yêu cầu nguồn điện bên ngoài để hoạt động ở các chân AVCC của nó Tất cả các chân này được đưa ra bên dưới:
Giá trị tối đa của tín hiệu analog được xác định bởi điện áp cấp, đôi khi tác động không mong muốn đến đầu ra do các mức điện áp khác nhau của thiết bị có đầu ra analog Để khắc phục vấn đề này, một chân tham chiếu analog được sử dụng, điện áp của thiết bị đầu ra analog sẽ được sử dụng để so sánh đầu ra theo các mức điện áp ở chân này Chân Aref trong bộ vi điều khiển được liệt kê bên dưới:
+ RESET Để thiết lập lại vi điều khiển ATMega16, một chân reset nội bộ và bên ngoài được sử dụng Reset bên trong được sử dụng thông qua lập trình nhưng để sử dụng reset bên ngoài, cần một tín hiệu xung logic thấp để kích hoạt vào chân dưới đây:
Mạch Điều Khiển Động Cơ L298 có thể điều khiển 2 động cơ DC hoặc
1 động cơ bước, có 4 lỗ nằm ở 4 góc thuận tiện cho người sử dụng cố định vị trí của module Có gắn tản nhiệt chống nóng cho IC, giúp IC có thể điều khiển với dòng đỉnh đạt 2A
IC L298N được gắn với các diode trên board giúp bảo vệ vi xử lý chống lại các dòng điện cảm ứng từ việc khởi động/ tắt động cơ
Driver: L298N tích hợp hai mạch cầu H Điện áp điều khiển : +5V ~ +12 V
Dòng tối đa cho mỗi cầu H là :2A Điện áp của tín hiệu điều khiển : +5 V ~ +7 V
Dòng của tín hiệu điều khiển : 0 ~ 36Ma
Công suất hao phí : 20W (khi nhiệt độ T = 75 °C)
Module Điều Khiển Động Cơ L298 Đỏ IC L298 là một IC tích hợp nguyên khối gồm 2 mạch cầu H bên trong Với điện áp làm tăng công suất nhỏ như động cơ DC loại vừa…
Hình 3.21 Chip điều khiển L298 Chức năng các chân của L298:
IN1 & IN2 Các chân đầu vào điều khiển hướng quay động cơ A IN3 & IN4 Các chân đầu vào điều khiển hướng quay của Động cơ B ENA Kích hoạt tín hiệu PWM cho Động cơ A ENB Kích hoạt tín hiệu PWM cho Động cơ B OUT1 & OUT2 Chân đầu ra cho động cơ A
OUT3 & OUT4 Chân đầu ra cho Động cơ B
5V Cấp nguồn cho mạch logic bên trong IC L298N
- 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
- 4 chân OUTUT: OUT1, 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 dùng để điều khiển mạch cầu H trong L298. Nếu ở mức logic “1” (nối với nguồn 5V) cho phép mạch cầu H hoạt động, nếu ở mức logic “0” thì mạch cầu H không hoạt động
- Khi ENA = 0: Động cơ không quay với mọi đầu vào
INT1 = 1; INT2 = 0: Động cơ quay thuận
INT1 = 0; INT2 = 1: Động cơ quay nghịch
INT1 = INT2: Động cơ dùng ngay tức thì
- Với ENB cũng tương tự với INT3, INT4.
Hình 3.23 Nút nhấn 3.4.5 module uart cp2102
Thiết kế mạch nguyên lý
Chọn màn hình LCD 16x2 và Port A của vi điều khiển để làm đầu xuất dữ liệu ra màn hình LCD
Hình 3.25 Khối hiển thị thông số đo
Khi động cơ quay, Encoder dựa vào cảm biến ánh sáng để tạo ra các xung tín hiệu Dựa vào các xung tín hiệu đó để đo tốc độ quay của động cơ theo công thức sau: v đc = n s
Trong đó: n s là số xung tín hiệu đo được trong khoảng thời gian xét T s
N e , đã biết, là độ phân dải (resolution) của encoder.
Theo đó, để đo được tốc độ quay thực của động cơ, cần xác định được hai thông số n s và T s Đối với Atmega16, sử dụng ngắt ngoài INT0 để đếm số xung n s Mỗi khi cảm biến ánh sáng bắt được ánh sáng qua khe của encoder, encoder tạo ra xung tín hiệu gửi tới Atmega16 Khi đó, ngắt xảy ra khi có sự chuyển mức từ thấp lên cao (Rising).
3.5.3 Khối điều ch nh t c ỉ ố độ động c PWMơ
Cơ sở lý thuyết: Được điều khiển theo phương pháp điều chỉnh độ rộng xung (Pulse Width Modulation – PWM) Thay đổi độ rộng xung để thay đổi điện áp trung bình cấp cho động cơ Độ rộng xung càng lớn thì động cơ chạy càng nhanh và ngược lại.
Công thức tính điện áp trung bình của điện áp ra tải: với t1 là thời gian xung ở sườn dương (khóa mở ) còn là thời gian của cả sườn âm vàT dương, Umax là điện áp nguồn cung cấp cho tải Ta có:
Trong đề tài thực hiện sử dụng Timer/Counter 1 ở mode Fast PWM Thanh ghi OCR1A 16 bit dung để điều khiển máy bơm mini, Thanh ghi OCR1B 16 bit sử dụng điều khiển động cơ. fOCRnA= f clk I O / 2∗N∗(1+OCRnA)
Trong đề tài này chúng em sử dụng timer/counter1 là một bộ timer/counter sử dụng tại mode Fast PWM đồng thời tại 2 kênh OC1A và OC1B
OC1A có 16 bit điều khiển máy bơm mini
OC1B có 16 bit điều khiển động cơ
Hình 3.26 Khối điều khiển động cơ Với mức top ICR1 = 15999
Gồm các nút nhấn để điều khiển động cơ, máy bơm Start, Tăng, Giảm Các nút nhấn đều có điện trở kéo lên nối với một nguồn để đặt trạng thái cho ngõ vào là HIGH khi không nhấn nút.
3.5.5 Khối giao ti p vi ế điều khi nể
Dùng để nạp code từ máy tính vào vi điều khiển
Ngõ ra OUT luôn ổn định ở 5V dù nguồn cấp thay đổi Mạch này được dùng để bảo vệ những mạch điện hoạt động ở điện áp 5V Nếu nguồn điện biến thiên đột ngột (trong một phạm vi cho phép) thì mạch điện vẫn hoạt động ổn định nhờ có IC 7805 giữ được điện áp ở ngõ ra OUT 5V không đổi
Sử dụng các chân GPIO của chip ATMega16L, cụ thể thuộc các port A, B, D để xử lý từng chức năng:
- Port A (PA): Điều khiển dữ liệu hiển thị lên màn LCD
+ PB1, PB2, PB3: đọc tín hiệu nút nhấn
+ PB5, PB6, PB7: nhận chương trình điều khiển
- Port D (PD): Đọc tín hiệu từ cảm biến encoder và điều khiển máy bơm
Hình 3.29 Khối xử lý trung tâm
Kết quả mô phỏng
Hình 3.30 Mạch in mô phỏng 3.6.2 Kết qu ch y mô ph ng mả ạ ỏ ạch
Đánh giá kết quả
- Áp suất chưa ổn định do hàm tính toán cân bằng xác suất chưa chính xác và tối ưu
