thiết kế, chế tạo mạch điều khiển bơm xăng kiểu màng cho động cơ sử dụng chế hòa khí

Nhưng sự thành công của đề tài mang cho xã hội một ý nghĩa thực tiễn hết sức to lớn đó là giải quết vấn đề ô nhiểm môi trường và tiêu hao nhiên liệu cho dòng xe sử dụng chế hoà khí, trán

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN BƠM XĂNG KIỂU MÀNG CHO ĐỘNG CƠ

SỬ DỤNG CHẾ HÒA KHÍ

MÃ SỐ: T61 - 2007

S 0 9

S KC 0 0 1 9 0 0

PHẦN I ĐẶT VẤN ĐỀ

I Đối tượng nghiên cứu

Phát triển giao thông công cộng, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, giảm tiêu

hao nhiên liệu, tăng tính năng động cơ là một vấn đề đã và đang cần phải giải

quyết Bên cạnh đó để phát triển ngành công nghiệp Ôtô ở Việt Nam hiện nay

cần phải qua tâm đến dòng xe có mức độ tiên tiến kém như dòng xe bãi nhập

khẩu nguyên chiếc Trong số đó, xe sử dụng chế hoà khí còn nhiều và khả

năng hoạt động của chế hoà khí còn rất kém Đây chính là nguyên nhân sâu xa

gây ra tình trạng ô nhiễm khí thải và tiêu hao nhiên liệu Để giải quyết vấn đề

này chúng ta cần phải tác động đến bộ phận cung cấp nhiên liệu cho động cơ

Một đặc điểm của bộ chế hoà khí là mức độ tiêu hao nhiên liệu chịu sự tác

động mạnh mẽ từ áp lực nhiên liệu Do đó đối tượng nghiên cứu của đề tài

này là cải thiện tiêu hao nhiên liệu, giảm ô nhiểm khí thải thông qua việc điều

khiển bơm xăng cho chủng loại bơm xăng kiểu màng điều khiển bằng điện

Ngày nay, chúng ta đang sống trong thời đại của khoa học công nghệ phát trển

đỉnh cao Các nước phương tây đã đạt được trình độ khoa học kỹ thuật cao do

đó nền công nghiệp ôtô của họ rất phát triển so với chúng ta hiện nay Vì thế

đây không phải là vấn được họ quan tâm và nghiên cứu Đối với trong nước

thì đây là vấn đề mang tính chất thực dụng nhất thời giải quết vấn đề trước

mắt Nhưng sự thành công của đề tài mang cho xã hội một ý nghĩa thực tiễn

hết sức to lớn đó là giải quết vấn đề ô nhiểm môi trường và tiêu hao nhiên liệu

cho dòng xe sử dụng chế hoà khí, tránh tình trạng loại bỏ bơm xăng một cách

ồ ạt ở ngoài thị trường khi mạch điều khiển bị hỏng

Do thời gian còn hạn chế nên đề tài chỉ mới chạy thử nghiệm trong xuởng mà chưa ứng dụng thực tế trên xe ngoài thị trường

III Phương pháp nghiên cứu

Trong quá trình thực hiện đề tài các phương pháp nghiên cứu sau đây đã được

sử dụng:

- Phương pháp nghiên cứu tài liệu

- Phương pháp thực nghiệm

- Phương pháp giải tích mạch

- Phương pháp thiết kế mạch

- Phương pháp lập trình vi điều khiển

Nội dung nghiên cứu bao gồm:

- Khảo sát mạch điều khiển bơm xăng khiểu màng

- Thiết kế mạch điều khiển bơm xăng khiểu màng có sử dụng vi điều

khiển

- Lập trình cho mạch điều khiển bơm xăng bằng ngôn ngữ Assembly

- Chạy thử nghiệp mạch bơm xăng kiểu màng

PHẦN II

Chương 1

KHẢO SÁT MẠCH ĐIỀU KHIỂN BƠM XĂNG KIỂU MÀNG

I Bơm xăng kiểu màng sử dụng trên động cơ chế hoà khí

Bơm xăng kiểu màng trên động cơ

sử dụng chế hoà khí

là bơm tiếp vận Nó

có nhiệm vụ bơm xăng từ thùng nhiên liệu lên bộ chế hoà khí để bảo đảm sự hoạt động của bộ chế hoà khí Bộ phận quan trọng nhất của bơm bao gồm một màng bơm được kéo đẩy nhờ một cuộn dây điều khiển bằng điện

và một lò xo hồi vị.(xem hình 1) Điểm đặc biệt ở đây so với bơm màng kiểu cơ khí là

chỉ có đường xăng vào, đường xăng ra mà không có đường xăng hồi Vì thế việc

điều khiển lưu lượng xăng hoàn toàn là do mạch điều khiển tính toán Ở cuối bơm

gắn một cảm biến quang để nhận biết vị trí màng bơm nhờ một lá chắn gắn trên cần

bơm và được dẩn động bởi màng bơm Khi màng bơm chuyển động mạch điều khiển

sẽ nhận biết vị trí của màng bơm hay nói cách khác mạch điều khiển sẽ biết bơm

đang hút hay đang nén để mở dòng điều khiển cuộn dây Giả sử ban đầu van kim của

chế hòa khí chưa đóng lại, vị trí màng bơm đang bị lò xo hồi vị đẩy về vị trí cuối chu

kỳ bơm và lá chắn không che khe hở cảm biến quang Khi động cơ hoạt động, cuộn

dây sẽ hút màng bơm thực hiện chu kỳ hút nhiên liệu từ thùng chứa vào buồng nhiên

liệu Vào thời điểm màng bơm ở cuối chu kỳ hút, lá chắn sẽ che khuất khe hở của

cảm biến quang Mạch điều khiển sẽ ngắt dòng kích cuộn dây và lò xo hồi vị lại đẩy

màng bơm về vị trí cũ thực hiện chu kỳ bơm nhiên liệu lên buồng phao ở chế hòa

khí Một khi nhiên liệu được điền đầy buồng phao trên chế hòa khí, van kim sẽ đóng

lại và xăng không thể thoát ra khỏi buồng nhiên liệu tạo ra một áp lực nhất định lên

màng bơm Áp lực này sẽ làm cho lò xo hồi vị không thể đẩy màng bơm về vị trí cũ

và lá chắn sẽ che cảm biến quang trong một khoảng thời gian dài Lúc này mạch điều

khiển sẽ hiểu là xăng đã đầy và ngắt dòng điều khiển màng bơm cho tới khi van kim

mở ra giải phóng xăng, lò xo hồi vị sẽ đẩy màng bơm về vị trí cuối quá trình bơm

Hinh 1 Cấu tạo bơm xăng

Mạch điều khiển bơm xăng được gắn ngay phía sau trên bơm xăng và bơm được

đặt ngay trong khoang động cơ để thuận tiện cho việc bố trí đường ống cung cấp

nhiên liệu cho động cơ Mạch được thiết kế rất nhỏ gọn và phù hợp với không gian

có sau bơm và chỉ có ba dây giao tiếp với bên ngoài là dây cấp nguồn và tín hiệu

đánh lửa từ âm bobin Mạch được bố trí như hình bên dưới:

Hinh 2 Mặt trước và vị trí mạch điều khiển

Hinh 3 Mặt sau mạch điều khiển

Trên mặt sau của mạch có hai linh kiện quan trọng là transistor công suất điều

khiển cuộn dây và cảm biến quang để nhận biết vị trí màng bơm

II Mạch điều khiển bơm xăng

Mạch điều khiển bao gồm hai bộ phận chính là bộ phận cảm biến và bộ phận

chấp hành Bộ phận cảm biến bao gồm một bộ phân cực Transistor NPN và một cảm

biến quang ( hình 4 )

Hình 4 Mạch nhận biết xung đánh lửa

Tại thời điểm đánh lửa âm bobin xuất hiện suất điện động cảm ứng xoay chiều lên

đến 300V Bán kỳ âm của xung này sẽ làm cho tụ C1 xả nhanh và tụ này sẽ nạp lai

ngay sau xung đánh lửa Lúc mày trên mạch xuất hiện dòng điện từ âm bobin qua

điện trở R1 nạp tụ C1 qua transistor xuống mass Dòng điện này làm cho T1 dẫn kích

hoạt cho led ở bộ cảm biến quang OK1 hoạt động Led phát sáng làm cho

Phototransistor dẫn bảo hòa và điện áp ở chân số 5 của cảm biến quang xuống mức

thấp tín hiệu này sẽ báo về chân số 2 của IC 555 trên bộ chấp hành

Bộ phận chấp hành là bộ IC 555 mắc theo nguyên lý mạch đơn ổn phát hiện sự

mất xung ở chân số 2, ngõ ra điều khiển một transistor công suất kích hoạt cuộn dây

Để tìm hiểu nguyên lý hoạt động của mạch phát hiện sự mất xung chúng ta kết hợp

sơ đồ cấu trúc bên trong của IC 555 như hình 5

Hình 5 Mạch cấu trúc IC555

Ban đầu khi cấp nguồn, dòng điện từ nguồn 12v chạy qua điện điện trở 10kΩ nạp

tụ 0.1μF ở chân số 7 làm cho chân số 6 ở mức thấp hơn ngưỡng 2/3Vreff Ngõ ra

Opamp1 ở mức thấp Chân số 2 được treo lên 12v làm cho ngõ ra của Opamp2 cũng

ở mức điện áp thấp Chân R và S của bộ F/F ở mức thấp và nhờ cấu trúc bên trong

nên ngõ ra Q ở mức cao Qua cổng đảo ngõ ra chân 3 có mức điện áp thấp gần 0V

Đồng thời ngõ ra Q ở mức cao làm cho transistor T1 dẫn bảo hòa nhịp chân số 7

xuống mass Mạch sẽ ổn định trạng thái này nếu không có sự thay đổi trên chân số 2

của IC 555 Khi xuất hiện sườn âm trên chân số 2, ngõ ra của Opamp2 sẽ thay đổi từ

mức thấp sang mức cao Chân S của bộ F/F ở mức cao làm thay đổi trạng thái của

ngõ ra Q từ mức cao sang mức thấp điều này làm cho ngõ ra chân số 3 chuyển từ

mức thấp sang mức cao và transistor T1 ngắt Lúc này xuất hiện dòng nạp tụ C1 làm

cho điện áp trên chân số 7 và số 6 tăng dần từ 0 lên 2/3Vreff Trong quá trình này

chân số 3 vẩn dữ nguyên trạng thái Khi điện áp trên chân số 6 vượt mức 2/3Vreff ,

ngõ ra Opamp1 chuyển từ mức thấp sang cao Chân R chuyển lên mức cao làm cho

ngõ ra Q của bộ F/F thay đổi trạng thái từ thấp sang cao làm cho chân số 3 xuống

mức thấp đồng thời transistor T1 dẩn xả nhanh tụ C1 và mạch dữ nguyên trạng thái

nếu chân số 2 không tiếp tục được tác động Trong trường hợp khi tụ C1 đang nạp,

điện áp trên chân số 6 chưa vượt qua ngưỡng 2/3Vreff mà trên chân số 2 xuất hiện

sườn âm xung kích thì transistor T1 dẩn bảo hòa làm tụ C1 xả nhanh làm cho điện áp

trên chân số 6 trở về 0V Tụ C1 được nạp trở lại đồng thời ngỏ ra trên chân số 3 vẩn

được dữ ở mức cao Điều này có nghĩa là chân số 3 luôn ở trạng thái điện áp cao khi

chu kỳ kích sườn âm trên chân số 2 nhỏ hơn khoảng thời gian tụ C1 nạp đến ngưỡng

điện áp 2/3Vreff Chúng ta sẽ thấy rõ điều này trên giản đồ xung sau:

Hình 6 Giản đồ xung trên chân 2,3,6

Chân ngõ ra số 3 của IC 555 sẽ điều khiển Transistor công suất kích hoạt màng

bơm Hình sau là sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển

Hình 7 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển

Chương 2

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN BƠM XĂNG

Từ tính năng sẳn có trên mạch điều khiển bơm như đã khảo sát trên Chúng ta thiết

kế mạch điều khiển bơm bảo đảm các tính năng kỹ thuật sau:

- Kích thước mạch đủ nhỏ để bố trí mạch vào trong bơm bảo đảm độ an toàn

- Mạch nhận biết sự hoạt động của động cơ thông qua tín hiệu đánh lửa từ âm

bobbin

- Cải tiến một số tính năng hoạt động của bơm như: Cho bơm hoạt động trong

một khoảng thời gian ngắn khi bật chìa khóa để điền đầy xăng lên chế hòa khí

đề phòng cho trường hợp xe để lâu không hoạt động hay hết xăng Thay đổi

tốc độ bơm để điều chỉnh lưu lượng xăng phù hợp với tốc độ động cơ …

Yêu cầu quan trọng trong mạch điều khiển bao gồm ba bộ phận chính là:

bơm thông qua lá chắn gắn trên cần bơm Để làm được yêu cầu này chúng ta

sử dụng transistor NPN C1815 và một cảm biến quang có cấu trúc đặc biệt

phù hợp với vị trí đặt mạch trên bơm

Transistor C1815:

Là một transistor điều khiển tín hiệu nhỏ có đặc điểm sau:

Hình: 8 Transistor C1815

Thông số kỹ thuật:

 Điện áp hai đầu cực thu và cực nền : VOBC(max) =50 V

 Điện áp hai đầu cực thu và cực phát : VCEO(max) = 50 V

Là một cảm biến chuyên dụng hoạt được sản xuất và đóng trong một vỏ nhựa

có rảnh và khe hở như hình bên dưới

Hinh 9 cảm biếnn quang

Thông số kỹ thuật:

 Kích thước vỏ:

Chiều dài: 15 mm Chiều rộng: 10 mm Chiều cao: 12 mm

 Kích thước khe hở

Bề rộng khe hở: 2.5 mm Chiều sâu khe hở: 10 mm

 Dòng kích: 100 mA

 Tần số đáp ứng: 50 Hz

2 Bộ phận chấp hành

Bộ phận chấp hành có nhiệm vụ nhận tín hiệu bơm từ vi điều khiển và mở cho

dòng qua kích cuộn dây kéo màng hút nhiên liệu Do hoạt động của cuộn dây

cần một dòng điện khá lớn nên Tip122 là một sự lựa chọn khả thi

 Điện áp hai đầu cực thu và cực nền : VCBO = 100 V

 Điện áp hai đầu cực thu và cực phát :VCEO = 100 V

 Dòng điện cực thu : IC = 5 A

 Dòng điện cực góp : IB = 120 mA

3 Bộ phận xử lý

Do yêu cầu của mạch là phải giữ nguyên đặc tính kỹ thuật của mạch cũ và cải tiến

một số đặc điểm mới nên phải sử dụng vi điểu khiền vào mạch điều khiển là một

phương án khả thi cần được lựa chọn.Với yêu cầu mạch điều khiển phải nhỏ gọn để

có thể bố trí vào trong bơm xăng nên vi điều khiển Atiny15 của hãng ATMEL là

một phương án khả quan cho yêu cầu này

Tổng quan về Atiny15

Atiny15 là bộ vi xử lý RISC với kiến trúc Harvard thuộc họ AVR được sản xuất

bởi Cty ATMEL với tính năng mạnh mẽ Có 90 lệnh mạnh xử lý hầu hết trong một

chu kỳ xung nhịp Với 1 Kbyte bộ nhớ flash có thể xóa lập trình được và có thể chịu

được 10000 lần ghi xóa Có 32 thanh ghi đa năng 8 bit, 64 byte bộ nhớ EEPROM

tích hợp trên chip chịu được 100000 ghi xóa và 1 kbyte SRAM nội Có hai bộ

Timer/counter 8 bit với bộ chia tần lập trình được, một kênh điều xung PWM với

tần số lên tới 150 Khz, 4 kênh lối vào chuyển đổi ADC với độ phân giải 10 bit

Atiny15 có 8 chân, trong đó có 6 cổng vào ra Nguồn nuôi từ 2.7 đến 5.5 đối với

Atiny15L và từ 4.5 đến 5.5 đối với Atiny15, làm việc tiêu thụ dòng 3.6mA Sử dụng

xung nội bên trong với tần số lên tới 1.6 MHz

Hinh 11 Sơ đồ chân ATiny15

Chức năng các chân:

Vi điều khiển Atiny15 chỉ có một cổng vào ra không hoàn chỉnh là PortB Là một

cổng vào ra 6 bit lập trình được Các chân của cổng có điện trở pull-up được lựa

chọn cho mỗi bit Các chân của cổng B từ PB,0 tới PB,4 có thể cho dòng kích tới

20mA và có thể kích trực tiếp được led hiển thị Chân PB5 là chân reset ngoài và chỉ

có thể kích được dòng 12mA Tất cả các chân này đều có thể làm nuồn dòng khi điện

trở pull-up được kích hoạt

Chân vi điều khiển Chức năng

PB4 ADC3 ( Ngõ vào của kênh 3 bộ chuyển đổi A_D)

PB5 RESET ( Chân reset ngoài)

ADC0 ( Ngõ vào của kênh 0 bộ chuyển đổi A_D)

Sau đây là sơ đồ khối cấu trúc của Atiny15

Hinh 12 Sơ đồ khối Atiny15

Do cấp độ của đề tài chỉ khai thác và sử dụng một số chức năng của Atiny15 như

xuất nhập cổng, Timer0 và ngắt INT0, ngắt Timer0 nên ở đây chỉ tập trung trình bày

những vấn đề này của Atiny15 mà thôi

Cổng vào ra :

Atiny là vi điều khiển thuộc họ AVR nên có cấu trúc cổng vào ra rất đặc biệt Hầu

hết các cổng vào ra của họ này được trang bị rất đầy đủ các bộ phận chống nhiễu để

bảo đảm khả năng hoạt động ổn định rất cao giúp cho Atiny có khả năng đáp ứng cao

và dễ dàng sử dụng trong môi trường gây nhiễu như trên ôtô

Hinh 13 Cấu trúc phần cứng cổng vào ra

Hinh 14 Cấu trúc Logic cổng vào ra

Để điều khiển cổng vào ra cho Atiny chúng ta cần phải tác động tới 3 thanh ghi

bao gồm: Thanh ghi dữ liệu PORTB nằm ở địa chỉ $18, thanh ghi trạng thái DDRB

nằm ở địa chỉ $17 và thanh ghi trạng thái vật lý PINB nằm ở địa chỉ $16

Thanh gi DDRB là thanh ghi trạng thái cổng B là cổng vào hay cổng ra Nếu một

bit trên thanh ghi này được set lên 1 thì chân tương ứng với bit đó là ngõ ra còn bit

đươc clear bằng 0 thì chân tương ướng với bit đó là ngõ vào

Ví dụ :

Ldi r16,0b00111000

Out ddrb,r16

Sau lệnh này từ chân 0 đến chân 2 là ngõ ra còn chân 3 đến chân 5 là ngõ vào Khi

bột chân là ngõ vào thì nó chỉ cho phép đọc dữ liệu vào còn khi một chân là ngõ ra

thì nó chỉ cho phép xuất dữ liệu

Thanh ghi PORTB là thanh ghi dữ liệu chỉ có thể ghi Trạng thái trên chân này sẽ

quy định điện áp trên chân ra là mức thấp hay mức cao

Thanh ghi PINB là thanh ghi trạng thái vật lý của các chân vi điều khiển Đây là

thanh ghi chỉ cho phép chương trình đọc trạng thái điện áp trên các cổng vào ra

Đồng thời thanh ghi này điều khiển trạng thái điện trở Pull up trên các cổng vào ra

Khi một bit của thanh ghi này được đặt thì có nghĩa là chân tương ứng được đặt điện

trở treo và có thể sử dụng làm nguồn dòng Còn khi một bit trên thanh ghi được clear

xuống mức 0 thì cũng có nghĩa là điện trở Pull up tương ứng với chân đó được loại

bỏ

Ví dụ:

Ldi r16,0b00111000

Out pinb,r16

Sau lệng này các chân PB,0 đến PB,2 bị loại điện trở treo còn các chân từ PB,3

đến PB,5 được đặt điện trở treo

Timer:

Trong Atiny15 có hai bộ timer 8 bit là Timer0 và Timer1 Cả hai đều là bộ định

thời nhưng Timer0 và Time1 có cấu trúc và một số chức năng khác nhau nhưng

chúng hỗ trợ cho nhau cùng hoàn thiệt chức năng như những loại vi điều khiển khác

trong họ AVR

Hinh15 Cấu trúc bộ Timer/Counter0

Với cấu trúc chỉ có ba bit lựa chọn cho bộ chia tần CS0;CS1;CS2 Bộ Timer0 chỉ

có khả năng chia tần như sau CK; CK/8; CK/64; CK/256 và CK/1024 Timer0 có hai

thanh ghi là thanh ghi dữ liệu TCNT0 và thanh ghi điều khiền TCCR0 Hoạt động

của Timer0 có sự liên quan với thanh ghi mặt nạ ngắt TIMSK và thanh ghi cờ ngắt

TIFR theo một cấu trúc phần cứng với sơ đồ khối như sau:

Hinh 16 Sơ đồ khối bộ Timer/Counter0

Thanh ghi điều khiển Timer/Counter0 là thanh ghi 8 bit lập trình được nhưng chỉ

có ba bit có tác dụng chia tần cho bộ Timer và lựa chọn nguồn xung theo bảng liệt kê

sau:

Hinh 17 Bảng chia tần số hoạt động của Timer0

Thanh ghi dữ liệu của bộ Timer/Counter0 là thanh ghi 8 bit có thể đọc, ghi dữ liệu

của bộ timer/Counter0 Khi muốn đọc hay ghi dữ liệu cho Timer0 ta chi việc đọc và

ghi thanh ghi này

Cấu Trúc ngắt:

Atiny15 có 8 nguồn ngắt khác nhau có địa chỉ véc tơ như bảng bên dưới:

Hinh 18 Bảng vector ngắt

Trong đề tài chỉ sử dụng hai nguồn ngắt là nguồn ngắt ngoài INT0 có địa chỉ

vector ngắt là $001 và ngắt Timer0 Overflow ở địa chỉ $005

Để kích hoạt cho phép hai nguồn ngắt này trước hết chúng ta phải khai báo cờ cho

phép ngắt chung (cờ I) trong thanh ghi trạng thái SREG

Để làm việc này chúng ta có thể set bit này lên trong thanh ghi SREG bằng lệnh SEI

Sau khi cờ ngắt chung được đặt để cho phép ngắt ngoài trên chân INT0 ta set

bit INT0 trong thanh ghi mặt nạ ngắt GMISK, là bit cho phép ngắt ngoài

Cũng như thế để sử dụng nguồn ngắt tràn timer0 chúng ta set bit TOIE0 trên

thanh ghi TIMSK, là bit cho phép ngắt tràn timer0

Qua những gì đã khảo sát trên vi điều khiền Atiny15 của hãng Atmel thì vi

điều khiển này hoàn toàn có thể là một lựa chọn tối ưu về kích thước và tính năng sử

dụng trong mạch điều khiển bơm xăng kiểu màng

II Thiết kế mạch điều khiển

Sử dụng phần mềm Eagle 4.01 thiết kế mạch nguyên lý như sau:

Hình 19 Mạch nguyên lý điều khiển bơm sử dụng vi điều khiển

Mạch điều khiển có ba bộ phận quan trọng là bộ phận cấp nguồn, bộ phận

cảm biến và bộ phận chấp hành Bộ phận cấp nguồn ở đây sử dụng ổn áp 7805 dùng

để cấp nguồn cho mạch hoạt động Bộ phận cảm biến là một transistor NPN nhận

biết tín hiệu đánh lửa từ âm bobin để kính hoạt bộ cảm biến quang OK1 Bộ OK1 có

nhiệm vụ nhận biết vị trí màng bơm để điều khiển cơ cấu chấp hành Khi có tín hiệu

đánh lửa, đầu âm bobin xuất hiện suất điện động tự cảm xoay chiều tức thời 300V