Nghiên cứu thiết bị chỉ báo góc lái tàu thủy, ứng dụng xây dựng mô hình vật lý của thiết bị chỉ báo góc lái dùng vi điều khiển

Ngày nay công nghệ vi xử lý phát triển, với ưu điểm về tốc độ, độ chínhxác, tính linh hoạt và ổn định, thì việc xây dựng một hệ thống chỉ báo góc lái bằng vi điều khiển hoàn toàn có thể

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kếtquả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳcông trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ

rõ nguồn gốc

Tác giả luận văn

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin chân thành cảm ơn các Thầy giáo, cô giáo ở khoa Điện –Điện tử tàu biển, trường đại học Hàng Hải Việt Nam, đã đóng góp nhiều ý kiến quan trọng để tác giả hoàn thành bản luận văn này

Tác giả xin chân thành cảm ơn các Thầy, cô giáo của khoa đào tạo Sau Đại Học đã tạo điều kiện và khích lệ để tác giả hoàn thành bản luận văn này

Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy PGS TS LƯU KIM THÀNH của

khoa Điện – Điện tử trường đại học Hàng Hải đã tận tình hướng dẫn và khích lệ tácgiả hoàn thành bản luận văn này

Tác giả xin cảm ơn các Thầy giáo, các anh chị em phòng thí nghiệm, trườngđại học Hàng hải Việt Nam đã tạo điều kiện về cơ sở vật chất để tác giả thực hiệnthành công bản luận văn

Những lời cảm ơn chân thành tiếp theo xin được đến tới gia đình và bạn bè,những người đã luôn động viên, khuyến khích và chia sẻ khó khăn trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu khoa học của mình

DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

ADC Analog digital converter

PWM Pulse width modultion

DANH MỤC CÁC BẢNG

2.1 Thông số màn hình GLCD 240x128 26

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ

1.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống lái điện - cơ 51.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống lái điện – thủy lực 6

1.4 Sơ đồ cấu trúc của chế độ lái tự động 121.5 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống lái tàu thủy 131.6 Các loại đồng hồ kim hiển thị góc bẻ lái 151.7 Các loại đồng hồ số hiển thị góc bẻ lái 162.1 Cấu trúc của thiết bị chỉ báo góc lái tàu thủy 172.2 Thiết bị chỉ báo góc lái dạng điện trở 182.3 Sơ đồ nguyên lí của thiết bị chỉ báo góc lái dùng xen xin 19

2.5 Sơ đồ mạch cấp nguồn cho vi điều khiển 21

2.7 Sơ đồ nguyên lý của khối xử lý trung tâm 222.8 Sơ đồ chân và hình ảnh thực tế của chíp ATmega16 232.9 Sơ đồ nguyên lý màn hình GLCD 240x128 25

2.12 Sơ đồ kết nối GLCD với vi điều khiển 28

2.14 Sơ đồ cầu điện trở Wheatstone của Ic HMC1501 29

2.16 Sơ đồ bố trí nam châm vĩnh cửu với HMC 1501 302.17 Đường đặc tính điện áp ra của HMC 1501 31

2.20 Sơ đồ nguyên lý của Module xây dựng trên phần mềm

3.5 Sơ đồ chân và hình ảnh của vi mạch MAX485 413.6 Sơ đồ kết nối các điểm đầu cuối sử dụng mạng RS485 41

3.9 Góc bánh lái lệch phải 19 độ 43

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU iii

DANH MỤC CÁC BẢNG iv

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ v

PHẦN MỞ ĐẦU 1

2 Mục đích chung và nhiệm vụ của đề tài 1

3 Đối tượng nghiên cứu của đề tài 1

4 Phương pháp nghiên cứu 1

5 Ý nghĩa khoa học của đề tài 2

CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU NGUYÊN LÍ CỦA HỆ THỐNG LÁI TRÊN TÀU THỦY 3

1.1 Chức năng, đặc điểm, phân loại, yêu cầu cơ bản đối với hệ thống lái 3

1.2 Các chế độ hoạt động của hệ thống lái 10

CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN, XÂY DỰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ THIẾT BỊ CHỈ BÁO GÓC LÁI TRÊN TÀU THỦY 17

2.1 Cấu trúc, chức năng và giới thiệu một số thiết bị chỉ báo góc lái tàu thủy. 17

2.1.1 Chức năng, cấu trúc thiết bị chỉ báo góc lái tàu thủy 17

2.1.2 Giới thiệu một số thiết bị chỉ báo góc lái 18

2.2 LỰA CHỌN, XÂY DỰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ THIẾT BỊ CHỈ BÁO GÓC LÁI TRÊN TÀU THỦY 20

2.2.1 Các tài nguyên sử dụng trong mô hình 21

2.3 Xây dựng module thiết bị chỉ báo góc lái 32

2.3.1 Xây dựng mạch in 32

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ GIAO TIẾP VỚI MÁY TÍNH CỦA MÔ HÌNH THIẾT BỊ CHỈ BÁO GÓC LÁI 35

3.1 Xây dựng chương trình điều khiển cho thiết bị chỉ báo góc lái tàu thủy 36

3.1.1 Đề xuất lưu đồ thuật toán đo góc quay bánh lái tàu thủy 36

3.2 Xây dựng chương trình truyền, nhận dữ liệu 38

3.2.1 Đề xuất lưu đồ thuật toán truyền, nhận dữ liệu 38

3.2.2 Giới thiệu về chuẩn truyền thông RS 485 40

3.2.3 Hoạt động của thiết bị chỉ báo góc lái dùng vi điều khiển 42

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 44

TÀI LIỆU THAM KHẢO 45

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Tàu thủy là một trong những phương tiện giao thông được dùng rộng rãi và

có lịch sử lâu đời nhất Tàu thủy có khả năng chở hàng hóa, hành khách với khốilượng lớn và độ tin cậy cao So với vận tải đường bộ và đường không thì vận tảibằng đường thủy có độ tin cậy cao và giá thành thấp hơn Một trong những hệthống cơ bản của tàu thuỷ đó là hệ thống lái Hệ thống lái của tàu thuỷ giúp địnhhướng tàu theo hướng nhất dịnh hoặc thay đổi hướng đi theo ý muốn của ngườiđiều khiển Một hệ thống lái muốn kiểm soát được góc lái trong chế độ lái lặphoặc lái tự động cần có một hệ thống chỉ báo góc lái với độ chính xác cao và tincậy

Ngày nay công nghệ vi xử lý phát triển, với ưu điểm về tốc độ, độ chínhxác, tính linh hoạt và ổn định, thì việc xây dựng một hệ thống chỉ báo góc lái bằng

vi điều khiển hoàn toàn có thể thực thi dưới dạng mô hình làm tiền đề cho việcphát triển thành các sản phẩm thương mại trên tàu thủy

2 Mục đích chung và nhiệm vụ của đề tài

Nghiên cứu thiết bị chỉ báo góc lái tàu thủy, ứng dụng xây dựng mô hình vật

lý của thiết bị chỉ báo góc lái dùng vi điều khiển

3 Đối tượng nghiên cứu của đề tài

Đối tượng nghiên cứu là thiết bị chỉ báo góc lái, cảm biến Hall, vi điều khiểnAVR

Phạm vi nghiên cứu của đề tài tập trung nghiên cứu thiết bị chỉ báo góc lái,cảm biến Hall, vi điều khiển AVR, chuẩn truyền thông RS 485

4 Phương pháp nghiên cứu

Trên cơ sở tìm hiểu hoạt động của các loại thiết bị chỉ báo góc lái, hoạt độngcủa các loại cảm biến Tác giả đã kế thừa và phát triển kinh nghiệm của mình choviệc nghiên cứu mang tính ứng dụng cho thiết bị cụ thể

5 Ý nghĩa khoa học của đề tài

Đề tài được ứng dụng dùng trong các hệ thống chỉ báo góc lái Thuật toán và

mô hình đề xuất cũng cho phép có thể áp dụng trên tàu thủy

Đề tài cũng là tài liệu tham khảo cho những ai quan tâm đến thiết bị chỉ báogóc lái, vi điều khiển AVR, chuẩn truyền thông RS 485

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT VỀ THIẾT BỊ CHỈ BÁO GÓC LÁI

TÀU THỦY.

Hệ thống chỉ báo góc lái là một hệ thống riêng biệt so với hệ thống lái, hệthống này chỉ thực hiện chức năng hiển thị góc lệch của bánh lái so với vị trí mặtphẳng đối xứng Theo qui định IMO thì trong mỗi hệ thống lái bắt buộc phải có hệthống chỉ báo góc lái Hệ thống chỉ báo góc lái được yêu cầu lắp đặt tại các vị tríđiều khiển hệ thống lái, và được đặt tại vị trí lái sự cố trong buồng máy lái

1.1 Chức năng, phân loại, yêu cầu cơ bản của hệ thống chỉ báo góc lái.

1.1.1 Chức năng của hệ thống chỉ báo góc lái

Trong quá trình điều khiển tàu phải luôn luôn xác định và kiểm soát được vị trí củabánh lái Việc xác định vị trí bánh lái phải được thực hiện trên buồng lái Để phục

vụ cho việc điều khiển tàu vì khoảng cách từ buồng lái đến buồng máy lái phụ là

xa nên người ta sử dụng hệ thống chỉ báo góc lái Có hai hệ thống chỉ báo góc láiphổ biến là: Hệ thống chỉ báo góc lái sử dụng Xenxin, hệ thống chỉ báo góc lái sửdụng cầu điện trở

Thiết bị chỉ báo góc lái có nhiệm vụ nhận dữ liệu từ bộ đo góc lái và hiển thịgóc quay lái thực của bánh lái đến người điều khiển quan sát để điều khiển hướng

đi của tàu

1.1.2 Phân loại của hệ thống chỉ báo góc lái

Theo dạng hiển thị: Thiết bị chỉ báo góc lái trong thực tế thường gặp có 2 dạng là

dạng hiển thị tương tự (analog) và hiển thị dạng số (digital)

Dạng tương tự (analog) (hình 1.1) là dạng hiển thị ngay góc quay bằng cácđồng hồ kim quay, không phải xử lí gì thêm về tín hiệu

Hình 1.1 Các loại đồng hồ kim hiển thị góc bẻ lái

Dạng số (digital) (hình 1.2 ) là dạng hiển thị góc quay bằng màn hình LCD hoặc led 7 đoạn

Hình 1.2 Các loại đồng hồ số hiển thị góc bẻ lái Theo loại cảm biến:

Chỉ báo góc lái loại dùng cầu điện trở

Chỉ báo góc lái loại dùng xenxin

Chỉ báo góc lái loại dùng động cơ bước

1.1.2 Yêu cầu của hệ thống chỉ báo góc lái

Hoạt động tin cậy, chắc chắn

Độ chính xác cao

Thuận lợi, dễ sử dụng

Theo quy định đăng kiểm: thiết bị chỉ báo góc lái phải hoạt động tin cậy với độ

1.2 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống chỉ báo góc lái

Sơ đồ khối của hệ thống chỉ báo góc lái trên tàu thủy được thể hiện như hình 1.3

Hình 1.3 Sơ đồ khối của hệ thống chỉ báo góc lái tàu thủy

Cấu trúc của hệ thống chỉ báo góc lái bao gồm:

Khối nguồn đồng bộ dùng để cấp nguồn cho khối phát và khối thu của hệthống

Khối phát được nối với bánh lái dùng để phản ánh góc quay của bánh lái vàgửi tín hiệu góc quay thực của bánh lái tới khối thu

Khối thu trong hệ thống thực hiện chức năng nhận tín hiệu từ khối phát sau

đó tiến hành biến đổi, sau đó thực hiện truyền đến các đồng hồ để thực hiện chỉbáo

Khối chỉ báo thực hiện chức năng hiển thị góc lệch của bánh lái so với vị trímặt phẳng đối xứng Khối chỉ báo này được gắn ở nhiều vị trí khác nhau trên tàu

Trong thực tế sơ đồ cấu trúc của một hệ thống chỉ báo góc lái được thựchiện như hình 1.4

Thu

chỉ báo

nguồn đồng bộ

Phát Bánh lái

chỉ báo O

Hình 1.4 Cấu trúc của thiết bị chỉ báo góc lái tàu thủy

Trong cấu trúc của thiết bị chỉ báo góc lái hình 2.1 bao gồm một khối phát tínhiệu góc quay thực của bánh lái Bộ phát này lấy tín hiệu góc quay thực của bánhlái sau đó thực hiện biến đổi thành tín hiệu điện sau đó gửi tới các thiết bị thu(đồng hồ chỉ báo) để hiển thị, các đồng hồ chỉ báo góc lái được đặt tại trung tâmbuồng lái và hai bên cánh gà trái, cánh gà phải Để thực hiện lấy tín hiệu góc quaythực của bánh lái trong thực tế ta có thể thực hiện bằng: biến trở, xen xin hoặcdùng động cơ bước, cảm biến đo góc dựa theo sự thay đổi của từ trường (cảm biếnHall)…

Các đồng hồ chỉ báo góc lái được đặt tại nhiều vị trí trên tàu như: đặt tạibuồng lái, buồng điều khiển trung tâm, buồng thuyền trưởng, buồng máy lái…tất

cả các đồng hồ và bộ phát tín hiệu phải được cấp nguồn từ nguồn đồng bộ

1.3 Giới thiệu nguyên lý làm việc của thiết bị chỉ báo góc lái dạng điện trở, xenxin.

Hình 1.5 Sơ đồ cấu trúc hệ thống chỉ báo góc lái

Bộ đo góc lái là mạch điện có nhiệm vụ đo góc bẻ lái và biến đổi thành tínhiệu điện áp hoặc dòng điện có thể đo và xử lí được Tín hiệu này được gia côngthành các dạng chuẩn để đưa đến bộ chỉ thị góc lái hiển thị cho người điều khiểnbiết Để đo góc bẻ lái có thể dùng các loại cảm biến như: cảm biến điện thế kế điệntrở, cảm biến điện cảm, cảm biến điện dung, cảm biến dựa theo nguyên lí thay đổi

từ trường, cảm biến xenxin…

1.3.1 Thiết bị chỉ báo góc lái dạng điện trở.

Thiết bị chỉ báo góc lái dạng điện trở [1] có sơ đồ nguyên lý như hình 1.6

Hình 1.6 Thiết bị chỉ báo góc lái dạng điện trở

Thiết bị bao gồm một biến trở được cấp nguồn một chiều, con chạy của biếntrở được gắn cơ khí với bánh lái Khi bánh lái quay sang trái hoặc sang phải sẽ làmcho con chạy a dịch chuyển sang trái hoặc sang phải, khi con chạy a dịch chuyển

sẽ làm cho ∆Uaa’ (điện thế giữa a và a’) thay đổi cả về dấu và trị số Khi đó đồng hồ

sẽ chỉ theo chiều trái hoặc chiều phải Trong hệ thống này đồng hộ được sử dụng làđồng hồ chỉ điện áp nhưng trên mặt đồng hồ ta tiến hành khắc vạch chia độ để hiểnthị góc lệch của bánh lái

1.3.2 Thiết bị chỉ báo góc lái dùng xen xin.

Thiết bị chỉ báo góc lái dùng xen xin ở chế độ chỉ báo [1] được thể hiện như hình1.7

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lí của thiết bị chỉ báo góc lái dùng xen xin

Thiết bị gồm nhiều xen xin, trong đó có 1 xen xin phát và có thể có hai haynhiều xen xin thu Xen xin phát có trục rotor được gắn cơ khí với bánh lái, khibánh lái quay sẽ làm cho trục rotor xenxin phát quay, trục của rotor xen xin thuđược gắn vào một mặt đồng hồ được khắc vạch chia độ và bên trên được gắn kim

để thực hiện chỉ báo góc quay bánh lái

Các cuộn dây một pha của các xen xin được nối với nhau và cấp bằng 1 nguồnđồng bộ xoay chiều U, các cuộn ba pha của các xen xin cũng được nối với nhau

Nguyên lý làm việc:

Khi bánh lái ở vị trí 0 tức rotoe xen xin phát lúc này ở vị trí 0 thì rotor của xenxin thu chỉ 0 Khi đó cuộn dây một pha cảm ứng sang stato những giá trị suất điệnđộng EF, ET như nhau làm cho từ thông 1 pha và từ thông 3 pha tác động lẫn nhautạo Mq = 0.Tức là khi 2 rôto của XX ở vị trí O (là vị trí cân bằng) thì sự chênh giữacác cuộn 3 pha của xen xin phát và các xen xin thu ΔE=0 E=0

Nếu rôto xen xin phát lệch 1 góc δ thì xuất hiện ΔE=0 E = EF = ET làm cho từ thông

1 pha sinh ra trên các cuộn 1 pha sẽ tương tác với từ thông 3 pha của các cuộn 3pha sinh ra momen quay Mq , Mq sẽ làm cho rotor xen xin thu quay Rotor xen xin

thu sẽ quay 1 góc δ’ đúng bằng góc δ của xen xin phát, khi đó ET = EF →ΔE=0→ΔE=0 E=0→ΔE=0→

Mq=0

1.4 Giới thiệu một số hệ thống chỉ báo góc lái điển hình

1.4.1 Hệ thống chỉ báo góc lái của Nunotani.

Hệ thống chỉ báo góc lái của Nunotani bao gồm một bộ phát tín hiệu gócquay bánh lái và một thu Bộ phát được gắn cơ khí với bánh lái thông qua cơ cấuđòn bẩy Thông qua cơ cấu đòn bẩy bộ phát sẽ được quay cùng hướng với bánhlái, khi đó cơ cấu quay trong bộ phát sẽ được quay với góc quay tương ứng củabánh lái, và nó cũng thực hiện làm quay cơ cấu quay trong khối thu đồng bộ vềgóc với khối phát

Cấu trúc của hệ thống chỉ báo góc lái của Nunotani như hình 1.8

Hình 1.8 Hệ thống chỉ báo góc lái của Nunotani

Hệ thống chỉ báo góc lái của Nunotani có các thông số kĩ thuật như sau:

Điện áp nguồn cấp: 100/110V, 200/220V, 50/60Hz, 1ø

Công suất: 25VA

Tín hiệu vào: Tín hiệu đồng bộ xoay chiều

Tín hiệu đầu ra:

Tín hiệu áp: 0 đến +5V, +1V đến +5V, 0 đến +10V, 5V đến +5V, 10V đến +10V

-Tín hiệu dòng: 4 đến 20mA

Hỗ trợ chuẩn truyền thông RS – 422S

1.4.2 Hệ thống chỉ báo góc lái ST60 hãng RAYMARINE

Hệ thống chỉ báo góc lái ST60 được chế tạo để có thể công tác trong mọi điều kiệnthời tiết, ST60 được trang bị một màn hình Analog (hình 1.9) có độ nhạy và độ ổnđịnh rất cao để cung cấp thông tin về góc quay bánh lái một cách chính xác nhấttrong mọi điều kiện thời tiết, trạng thái mặt biển…

Hình 1.9 Màn hình hiển thị dạng analog của hệ thống ST60

ST60 có thể được sử dụng hoặc là một thiết bị hoạt động độc lập hoặc như

Hệ thống ST60 chỉ được kết nối với bánh lái để thực hiện hiển thị góc quaybánh lái hoặc cũng có thể được dùng để cung cấp thông tin cho các thiết bị kháctrong hệ thống lái.

Hệ thống chỉ báo góc lái chỉ vị trí thực của bánh lái bằng cách hiển thịthông tin lên màn hình hiển thị, thang đo của hệ thống là từ - 400 đến + 400

Sơ đồ kết nối các đồng hồ của ST60 được thể hiện như hình 1.10 Khi kếtnối các thiết bị cân lưu ý đảm bảo được điện áp nguồn là 12VDC và nguồn nàyđược bảo vệ bằng cầu chì 5A

Hình 1.10 Sơ đồ kết nối các đồng hồ của ST60

Thông số kĩ thuật của hệ thống ST60 như sau:

Điện áp nguồn cấp: 12VDC

Dải đo: -40 đến 400

1.4.3 Thiết bị chỉ báo góc lái RI 35 hãng SIMRAD

Thiết bị chỉ báo góc lái RI 35 (hình 1.11) được thiết kế để làm việc với tín hiệu áp hoặc tần số được tạo ra bởi thiết bị phản hồi của hệ thống lái tự động

Thiết bị tương thích với tín hiệu goc quay bánh lái NMEA Bên trong mỗi thiết bị được gắn một khối dùng để biến đổi tín hiệu và một khối dùng để hiển thị

Nó cũng cấp liên tục vị trí thực của bánh lái, góc chỉ tối đa có thể lên đến 450

Hình 1.11 Thiết bị chỉ báo góc lái RI35 hãng SIMRAD

Các thiết bị RI35 có thể tương thích với các tín hiệu điện áp hoặc tần số được phát ra từ các khối phản hồi góc bánh lái Sơ đồ kết nối giữa các thiết bị RI35 với nhau và với khối phản hồi góc bẻ lái được thể hiện như hình 1.12

Hình 1.12 Sơ đồ ghép nối các thiết bị RI35 với tín hiệu vào là tín hiệu áp/ tần số.

Trong các thiết bị RI35 đều được trang bị cổng NMEA, Các cổng NMEA

được sử dụng với một thiết bị phản hồi góc quay bánh lái xuất dữ liệu NMEA(RSA), 20Hz

Hình 1.13 Ghép nối các thiết bị RI 35 với nhau và với thiết bị phản hồ góc quay

bánh lái qua cổng NMEA

1.4.4 Thiết bị chỉ báo góc lái hãng SEAFIRST.

Thiết bị chỉ báo góc lái Seafirst (hình 1.14) bao gồm cảm biến góc, hộp phân phối và thiết bị chỉ báo góc lái

Hình 1.14 Hệ thống chỉ báo góc lái hãng SeaFirst

CHƯƠNG 2 ĐỀ XUẤT XÂY DỰNG CẤU HÌNH THIẾT BỊ

CHỈ BÁO GÓC LÁI TRÊN TÀU THỦY

Trong nội dung luận văn tác giả tiên hành lựa chọn và xây dựng mô hình vật

lý của thiết bị chỉ báo góc lái trên tàu thủy sử dụng cảm biến đo góc dựa theo sựthay đổi của từ trường (cảm biến Hall), góc bánh lái sẽ được hiển thị trên các mànhình GLCD của mô hình và được hiển thị trên máy tính thông qua truyền thông RS485

2.1 Đề xuất sơ đồ cấu trúc của thiết bị chỉ báo góc lái.

Sơ đồ cấu trúc chung của mô hình được thể hiện như hình 2.1

Khối điều khiển

Khối nguồn

Bánh lái Transmiter

Khối hiển thị

Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc của thiết bị chỉ báo góc lái tàu thủy.

Trong cấu trúc này vi điều khiển thực hiện chức năng lưu trữ chương trình

Tín hiệu góc quay bánh lái được đưa về vi điều khiển thông qua cảm biếnHall, khi có tín hiệu đưa về vi điều khiển thực hiện tính toán góc quay thực củabánh lái sau đo thực hiện hiển thị lên trên khối hiển thị, đồng thời cũng gửi tín hiệugóc quay của bánh lái đến hiển thị trên các khối hiển thị khác và trên máy tính.

Mô hình vật lý thiết bị chỉ báo góc lái được xây dựng như hình 2.4

Hình 2.2 Mô hình hệ thống chỉ báo góc lái

Trong đó:

1: Khối trung tâm xử lí tín hiệu và màn hình GLCD

2: Cảm biến đo góc (cảm biến Hall được gắn trong 2)

Hình 2.3 Sơ đồ mạch cấp nguồn cho vi điều khiển

Với mạch nguồn thiết kế như hình vẽ 2.5 đầu vào của nguồn có thể là điện ápxoay chiều từ 12V đến 24V, đầu ra ta có mức điện áp một chiều ổn định là 5V cấpcho vi điều khiển

Trong mạch nguồn đã thiết kế sử dụng một số linh kiện bán dẫn:

Đi ốt D1 có tác dụng chống ngược nguồn cấp vào module

C1, C2, C3, C4, L1 tạo thành mạch lọc thông thấp, loại bỏ các thành phầnnhiễu đầu vào

C6, C7, C8, C9, C10, C11, L2 tạo thành mạch lọc đầu ra duy trì điện áp ổnđịnh

LM7805: IC ổn áp, duy trì điện áp ổn định ở 5V ± 5%,

Với những mạch điện không đòi hỏi độ ổn định của điện áp quá cao, sửdụng IC ổn áp thường được người thiết kế sử dụng vì mạch điện khá đơn giản Cácloại ổn áp thường được sử dụng là IC 78xx - 79xx, với xx là điện áp cần ổn áp Ví

dụ 7805 ổn áp 5V,7808 ổn áp 8V, 7812 ổn áp 12V hay ổn áp điện áp âm có 7905

ổn áp điện áp -5V,7912 ổn áp -12V Việc dùng các loại IC ổn áp 78xx tương tựnhau hay đối với 79xx cũng tương tự, dưới đây là minh họa cho IC ổn áp 7805

Họ 78xx là họ cho ổn định điện áp đầu ra là dương Còn xx là giá trị điện ápđầu ra nhứ 5V, 6V

78xx gồm có 3 chân :

1 : Vin - Chân nguồn đầu vào

Hình 2.4 là một IC ổn áp họ 78xx

Hình 2.4 IC ổn áp họ 78xx

2.2.2 Khối xử lý trung tâm

Để thực hiện chức năng lưu trữ chương trình điều khiển và giao tiếp trựctiếp với các modul mở rộng, với máy tính, với “thế giới thực”, hoặc gián tiếp quamạng với các modul mở rộng, đồng thời cho phép lưu trữ trạng thái hoạt động củacác động cơ thực hiện khi nguồn động lực bị mất Ở hệ thống này vi điều khiển

AVR Atmega16L là trung tâm điều khiển [3],[8], nó thu thập dữ liệu nhận được từ

các đối tượng, xử lý tín hiệu theo chương trình đã được lập trình, và xuất tín hiệu

ra điều khiển đối tượng và hiển thị các trạng thái của đối tượng Do đó thuật toánthực hiện và điều khiển đối tượng có thể được thay đổi một cách mềm dẻo bằngphần mềm Sơ đồ nguyên lý của khối xử lý trung tâm như hình vẽ 2.7

2 7

( T O S C 1 ) P C 6 2 8( T O S C 2 ) P C 7A V C C 2 9

3 0

G N D 1A V E F 3 1

3 2

( A D C 0 ) P A 0 4 0( A D C 1 ) P A 1 3 9( A D C 2 ) P A 2 3 8( A D C 3 ) P A 3 3 7( A D C 4 ) P A 4 3 6( A D C 5 ) P A 5 3 5( A D C 6 ) P A 6 3 4( A D C 7 ) P A 7 3 3

1 O u F

D A T A _ I N 0

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý của khối xử lý trung tâm

AVR là họ vi điều khiển do hãng Amtel ( Mỹ ) sản xuất Là chip vi điều khiển

8 bit với cấu trúc tập lệnh đơn giản hóa RISC (Reduced Instruction SetComputer), một kiểu cấu trúc đang thể hiện ưu thế trong các bộ xử lí, với nhữngtính năng rất mạnh, nó mạnh ngang hàng với các họ vi điều khiển 8 bit khác nhưPIC, Pisoc Do ra đời muộn hơn nên họ vi điều khiển AVR có nhiều tính năng mới

đáp ứng tối đa nhu cầu của người sử dụng, so với họ 8051, 89xx sẽ có độ ổn định,khả năng tích hợp, sự mềm dẻo trong việc lập trình và rất tiện lợi.

Chip AVR được sử dụng trong module là dùng loại Atmega16L, Atmega16L đónggói dưới dạng 40chân, 2hàng Sơ đồ chân như hình 2.5

Hình 2.6 Sơ đồ chân và hình ảnh thực tế của chíp ATmega16

So với các chip vi điều khiển 8 bits khác, AVR có nhiều đặc tính hơn hẳn, hơn

cả trong tính sử dụng ( dễ sử dụng ) và đặc biệt là các chức năng :

Ngoài ra, họ AVR còn có một số tính năng :

Giao diện SPI đồng bộ;

Các đường dẫn vào/ra (I/O) lập trình được;

Giao tiếp I2C;

Bộ biến đổi ADC 10 bit;

Các kênh băm xung PWM;

Các chế độ tiết kiệm năng lượng như sleep, stand by vv;

Bộ nhớ flash được tích hợp ngay trên chip có khả năng lập trình ngay trên hệthống được sử dụng làm bộ nhớ chương trình Điều này có nghĩa là ta không cầnphải dùng đến các bộ nhớ EEPROM hoặc ROM bên ngoài để chứa mã chươngtrình Hơn nữa bộ nhớ chương trình có thể nạp được chương trình trong khi bộ vi

xử lý vẫn ở nguyên trên bản mạch, không cần nhấc ra ngoài để nạp

Bộ nhớ dữ liệu ngay trên chip loại EEPROM và RAM có trong hầu hết cácthành viên của họ AVR Đơn vị CPU có kiến trúc Harvard, còn có các bộ nhớEEPROM và RAM được nhìn nhận như là bộ nhớ dữ liệu và được dùng để cất giữcác hằng và biến

Hoạt động với xung giữ nhịp có tần số từ 0 đến 10 MHz Hầu hết lệnh đượcthực hiện trong 1 chu kì đồng hồ làm cho tốc độ xử lý lớn hơn khoảng 10 lần sovới 8501 ở cùng tần số của đồng hồ giữ nhịp Có mạch đặt lại trạng thái mỗi khicấp lại nguồn điện cho hệ thống

Có bộ định thời ngày trên chip và lập trình được với mạch chia tần số tách biệt

Bộ định thời này được sử dụng cho các ứng dụng cần có sự phân định thời giancủa các sự kiện

Có các nguồn ngắt bên trong và bên ngoài Có bộ định thời watchdog ngay trênchip và lập trình được với bộ dao động độc lập

2.2.3 Khối hiển thị

Để thực hiện chức năng hiển thị góc quay thực của bánh lái trong mô hình tác giảlựa chọn màn hình GLCD 240x128 [10],[11], sơ đồ nguyên lý của khối hiển thịGLCD được thể hiện như hình 2.7

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý màn hình GLCD 240x128

Graphic LCD (gọi tắt là GLCD) loại chấm không màu là các loại màn hìnhtinh thể lỏng nhỏ dùng để hiển thị chữ, số hoặc hình ảnh Khác với Text LCD,GLCD không được chia thành các ô để hiển thị các mã ASCII vì GLCD không có

bộ nhớ CGRAM (Character Generation RAM) GLCD 240x128 có 240 cột và 128hàng tương ứng có 240x128=30720 chấm (dot) Mỗi chấm tương ứng với 1 bit dữliệu, và như thế cần 30720 bits hay 3840 bytes RAM để chứa dữ liệu hiển thị đầymỗi 240x128 GLCD Tùy theo loại chip điều khiển, nguyên lý hoạt động củaGLCD có thể khác nhau, trong đồ án này em dùng loại GLCD 240x128 chấm,không màu được điều khiển bởi chip T6963C của TOSHIBA

Thông số kĩ thuật của GLCD 240x128.

Các thông số của màn hình GLCD 240x128 được thể hiện như bảng 2.1

Bảng 2.1 Thông số màn hình GLCD 240x128

Khi thực hiện xây dựng phần cứng với màn hình GLCD ta cần lưu ý đến thứ

tự và sơ đồ chân của màn hình (hình 2.9), sơ đồ chân của màn hình GLCD đượcthể hiện như hình 2.11 và bảng 2.2

Hình 2.9 Sơ đồ chân GLCD 240x128.

Chức năng của các chân của màn hình GLCD được mô tả như bảng 2.2