Ứng dụng nền tảng Arduino và Labview trong thu thập dữ liệu động cơ

Cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 và công nghệ điều khiển thông minh qua máy tính sẽ dẫn đến việc điều khiển ô tô thông qua máy tính ngày càng phát triển mạnh. Đề tài này sẽ ứng dụng phần mềm LabVIEW và Arduino để xây dựng thiết bị thu thập dữ liệu trên động cơ Toyota Yaris 2SZ-FE phục vụ cho nhu cầu giảng dạy, học tập và nghiên cứu của sinh viên.

44 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 51 (01/2019) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh ỨNG DỤNG NỀN TẢNG ARDUINO VÀ LABVIEW TRONG THU THẬP DỮ LIỆU ĐỘNG CƠ APPLYING ARDUINO AND LABVIEW PLATFORM IN AUTOMOTIVE ENGINE DATA ACQUISITION Lê Khánh Tân Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, Việt Nam Ngày soạn nhận 27/11/2018, ngày phản biện đánh giá 24/12/2018, ngày chấp nhận đăng 15/01/2019 TÓM TẮT Cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 công nghệ điều khiển thơng minh qua máy tính dẫn đến việc điều khiển tơ thơng qua máy tính ngày phát triển mạnh Việc điều khiển xe máy tính giúp người giảm bớt thao tác vận hành, đồng thời việc xử lí cố xảy xác nhanh Để làm điều việc thu thập liệu từ động máy tính quan trọng, sau tín hiệu dùng để xử lí thực thi mệnh lệnh người điều khiển mục đích cuối giúp động hoạt động ổn định theo mong muốn Đề tài ứng dụng phần mềm LabVIEW Arduino để xây dựng thiết bị thu thập liệu động Toyota Yaris 2SZ-FE phục vụ cho nhu cầu giảng dạy, học tập nghiên cứu sinh viên Từ khóa: Hệ thống điều khiển; thu thập liệu; điều khiển máy tính; LabVIEW; Arduino; cảm biến; cấu chấp hành ABSTRACT The 4.0 industrial revolution and computer-controlled intelligent technology will lead to the development of controlling automobiles through computers Controlling the car by computer will help people reduce working while operating, and the treatment of the incident in the street is also accurate and faster To this, it is important to collect data from the automotive to the computer, then these signals will be used to process and execute the command of the operator and the ultimate goal is to keep the engine working stable according to all conditions This project will use LabVIEW and Arduino software to build a data acquisition device on the Toyota Yaris 2SZ-FE engine for serving of teaching, learning and research of students Keywords: Control system; data acquisition; computer control; LabVIEW; Arduino; sensor; actuators GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI Với mục tiêu tạo điều kiện cho người học dễ dàng tiếp cận với thiết bị học tập, rèn luyện kỹ kiểm tra, chẩn đoán, thu thập thông tin theo hướng ứng dụng công nghệ thông tin vào chuyên ngành ô tô Xuất phát từ nhu cầu thực tế trên, tác giả nghiên cứu định thực đề tài “Ứng dụng tảng Arduino LabVIEW thu thập liệu ô tô” với mong muốn tạo mơ hình áp dụng vào giảng dạy học phần mà đảm trách Sản phẩm đề tài sau hoàn thành cung cấp cho người học mơ hình thu thập liệu điều khiển từ máy tính liệu hoạt động động Qua người học tiếp cận nhanh ứng dụng tốt vào thực hành nghiên cứu khoa học Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 51 (01/2019) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 45 THIẾT KẾ THIẾT BỊ THU THẬP DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN 2.1 Sơ lược động Toyota Yaris 2SZ – FE phương pháp thu thập liệu Động xe Toyota Yaris sử dụng loại động xăng, kỳ, xylanh thẳng hàng Hệ thống đánh lửa sớm điện tử (Electronic Spark Advance - ESA) sử dụng bobine đơn Hệ thống phun xăng điện tử (Electronic Fuel Injection - EFI) [1] Ta thực thu thập tín hiệu từ cảm biến: nhiệt độ nước làm mát, nhiệt độ khí nạp, vị trí bướm ga, cảm biến lưu lượng khí nạp, lấy tín hiệu IGT để đo thời gian ngậm điện bobine tốc độ động cơ, lấy tín hiệu từ chân #10 #20 kim phun ECU động để đo thời gian mà kim phun nhiên liệu với chu kỳ máy [2] Thu thập tín hiệu cảm biến vị trí bàn đạp ga tín hiệu kép loại tuyến tính 2.2 Thiết kế phần cứng thu thập liệu  Sử dụng board Arduino để thu thập liệu từ hệ thống động cơ: Hình Sơ đồ thực tế mạch trích tín hiệu analog từ cảm biến board Arduino Tín hiệu từ cảm biến động đưa qua lọc thông thấp gồm R1 C1 giúp lọc tín hiệu xung gai cao tầng, đồng thời ghim áp diode zener 5V giúp bảo vệ tín hiệu cảm biến khỏi điện áp cao Tổng trở kháng mạch trích tín hiệu analog từ cảm biến động lớn nên phần cứng thu thập liệu đóng vai trị thiết bị đo lọc tín hiệu Thực nghiệm cho thấy hồn tồn khơng gây ảnh hưởng đến thông số làm việc động Tín hiệu góc ngậm đánh lửa tốc độ động lấy từ chân tín hiệu IGT từ ECU xuống bobine thông qua điện trở 1,5KΩ chân digital board Arduino Tín hiệu thời gian phun lấy từ chân tín hiệu #10 #20 #30 #40 sau bốn kim phun qua điện trở 10KΩ chân digital board Arduino [2] Hình Hình vẽ mơ mạch điện tổng thể Tín hiệu ananlog cảm biến vị trí bàn đạp ga số (VPA) (VPA2), cảm biến nhiệt độ khí nạp (THA), cảm biến nhiệt độ nước làm mát (THW), cảm biến khối lượng khí nạp (VG), cảm biến vị trí bướm ga (VTA) thu thập ECU qua điện trở 1,5 KΩ chân analog A0, A1, A2, A3, A4, A5 board Arduino [3]  Thiết kế chế ổn định tín hiệu đầu vào bảo vệ tín hiệu cảm biến khỏi xung nhiễu:  Sử dụng board Arduino IC DAC MCP 4921 để giả tín hiệu cảm biến vị trí bàn đạp ga điều khiển động cơ: Hình Mạch in thiết kế Proteus điều khiển thu thập liệu Tín hiệu analog giả tín hiệu cảm biến vị trí bàn đạp ga (VPA) thu thập từ chân tín hiệu số Microchip MCP 4921 thứ I đưa vào chân A0 board Arduino 46 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 51 (01/2019) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Tín hiệu analog giả tín hiệu cảm biến vị trí bàn đạp ga (VPA2) thu thập từ chân tín hiệu số Microchip MCP 4921 thứ II đưa vào chân A1 board Arduino [3] Mỗi mạch OR gồm diode điện trở 1KΩ Mỗi đầu Anode điốt nối với tín hiệu điều khiển Hai đầu Cathode diode nối với nối với đầu điện trở nối xuống mass Hình Mạch thiết kế 3D Proteus chip DAC MCP4921 Chân số số hai MCP 4921 nối với nối với chân 5V board Arduino Chân số MCP 4921 thứ I nối với chân số 10 board Arduino để nhận xung điều chỉnh Chân số MCP 4921 thứ II nối với chân số board Arduino để nhận xung điều chỉnh Chân số hai MCP 4921 nối với nối chân 13 board Arduino Chân số hai MCP 4921 nối với nối với chân 11 board Arduino Chân số hai MCP 4921 nối với nối chân GND board Arduino Chân số MCP 4921 thứ I đưa tín hiệu điều khiển giả tín hiệu chân VPA cảm biến bàn đạp ga ECU động Chân số MCP 4921 thứ II đưa tín hiệu điều khiển giả tín hiệu chân VPA2 cảm biến bàn đạp ga ECU động [3] Hình Thiết kế hộp thu thập điều khiển động Hình Thiết kế bên ngồi hộp điều khiển 2.3 Thiết kế phần mềm giao tiếp thu thập liệu điều khiển từ máy tính tảng Arduino LabVIEW  Lập trình Arduino  Thiết kế mạch OR để ghép nối bảo vệ cảm biến bàn đạp ga: Arduino sau thu thập liệu qua chân board Arduino gửi liệu qua giắc nối USB type B Arduino đầu cáp nối đến đầu nối lại USB type A máy tính [3] Hình Các chế độ hoạt động cổng OR Hình Giao tiếp máy tính Arduino Hình Mạch “OR” thiết kế mơ hình thật Hình 10 Sơ đồ khối đọc tín hiệu từ chân tín hiệu Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 51 (01/2019) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 47 Các tín tiện cảm biến đưa chân Analog từ A0 đến A5 board mạch Arduino [3] Hình 11 Sơ đồ khối đọc tín hiệu xung IGT Tín tiện thời gian tích trữ lượng hệ thống đánh lửa (thời gian ngậm) IGT đưa chân digital để đếm xung xác định số vịng quay động Tín hiệu Điều khiền kim phun đưa chân digital board mạch Arduino để xác định thời gian phun  Lập trình giao tiếp board arduino LabVIEW Hình 14 Mơ tả khối hàm chuyển đổi mảng Sau nhận tín hiệu truyền đến từ giao tiếp RS232, bóc tách riêng biệt gói liệu đặt tên code Arduino để tiến hành xử lý, đọc hiển thị biểu đồ, thông số qua tính tốn Sub VI [5] Cách giao tiếp RS232 sử dụng LabVIEW: Hình 12 Sơ đồ khối giao tiếp Arduino LabVIEW Việc lập trình LabVIEW bắt đầu với việc khởi tạo khối hàm VISA Đây khối hàm chức xây dựng sẵn nhằm giúp LabVIEW kết nối với phần cứng bên [4] Hình 15 Mơ hình khối tách tín hiệu LabVIEW [5] THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 3.1 Thử nghiệm với động hoạt động cầm chừng Động hoạt động với chế độ cầm chừng không tải Bướm ga đóng hồn tồn với góc mở 0% Bàn đạp ga đóng hồn tồn với góc đạp 0% Hình 13 Mơ hình khối giao tiếp VISA LabVIEW Các liệu sau truyền máy tính chuyển đổi thành mảng (array) [4] Động nằm xưởng động với nhiệt độ môi trường xưởng bình thường Tín hiệu bàn đạp ga dạng Volt hiển thị qua biểu đồ đồng hồ góc mở bàn đạp ga 0% [6] 48 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 51 (01/2019) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Hình 16 Giao diện chương trình lúc khơng tải (VTA %) Hình 18 Giao diện chương trình lúc động khơng tải (~1500 rpm) KẾT QUẢ KẾT QUẢ Kết đo thể đầy đủ giao diện LabVIEW máy tính với tín hiệu đo thử nghiệm sau: Kết đo thể đầy đủ giao diện LabVIEW máy tính với tín hiệu đo thử nghiệm sau: Tốc độ động cơ: ~700 rpm Góc mở bướm ga: ~ % Thời gian ngậm: 2.6 millis Thời gian phun: ~2.6 millis Cảm biến khối lượng khí nạp: Volt Góc mở bàn đạp: ~0% Tín hiệu bàn đạp VPA: 0.78 Volt Tín hiệu bàn đạp VPA2: 1.52 Volt Khi kéo Pedal góc đạp bàn đạp ~20%: tốc độ động cơ: ~1600 rpm, thời gian ngậm: 2.2 millis, thời gian phun 2.5 millis, VG: volt, tín hiệu bàn đạp ga: VPA = 1.27 volt, VPA2 = 2.01 volt Khi bật cơng tắt Returrn ON: tín hiệu bàn đạp giảm dần vị trí volt cầm chừng, kéo bàn đạp giao diện LAbVIEW hồi %, tín hiệu giảm giá trị cầm chừng Ý NGHĨA Kiểm tra sơ tất tín hiệu cảm biến động thu thập lên máy tính Hình 19 Bảng đồ thị kết chương trình lúc khơng tải (~1500 rpm) Hình 17 Bảng đồ thị kết chương trình lúc khơng tải (VTA %) 3.2 Thử nghiệm với động hoạt động số vòng quay từ 1500 – 2000 vòng/phút Xe hoạt động với chế độ không tải Tốc độ động khoảng 1500 – 2000 vòng/phút Động nằm xưởng động với nhiệt độ môi trường xưởng bình thường [6] Ý NGHĨA Cơ chế tự trả bật cơng tắt giữ ngun góc bàn đạp công tắc off lợi việc điều khiển động máy tính: Đem lại chân thực điều khiển bàn đạp máy tính Duy trì hay tăng tốc theo mong muốn mà không cần giữ lâu vào bàn đạp ga máy tính đạp ga mơ hình Là bước phát triển cho việc thiết kế cấu điều khiển động xe qua máy tính cho người khuyết tật chân không đạp bàn đạp Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 51 (01/2019) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 49 3.3 Thử nghiệm mở bướm ga từ 0% đến 100% lúc động không nổ máy người điều khiển không gây hư hại cho hệ thống xe Điều khiển kéo bàn đạp ga giao diện chương trình LabVIEW Có thể phát triển hệ thống điều khiển động theo phương thức điều khiển: gián tiếp máy tính trực tiếp xe Đây sở để thiết kế phương thức điều khiển cho ô tô thông minh sau Bàn đạp ga mở 100% Công tắc ON, động không nổ máy [6] KẾT LUẬN Đề tài thiết kế thi cơng hồn chỉnh mơ hình “Ứng dụng tảng Arduino LabVIEW thu thập liệu động cơ” Đề tài có nhiều ý nghĩa quan trọng công tác đào tạo mặt khoa học thực tiễn Hình 20 Bảng điều khiển bàn đạp ga kéo lên góc mở 100% KẾT QUẢ: Đáp ứng yêu cầu giao tiếp Arduino LabVIEW thông qua giao tiếp RS232 Khi kéo kéo bàn đạp lên 100% tín hiệu bướm ga mở 100% Thiết kế giao diện LabVIEW dễ nhìn, thơng tin rõ ràng, xác Khi đạp bàn đạp ga mơ hình, bướm ga mở 100% Thiết kế board mạch Arduino gọn gàng, dễ dàng lắp đặt kết nối Khi nhả bàn đạp mơ hình, kéo mơ bàn đạp máy tính tín hiệu góc mở ln theo tín hiệu mở có giá trị cao Ý NGHĨA Kiểm tra chế điều khiển thuận tiện hệ thống, tùy chỉnh lựa chọn phương thức điều khiển theo mong muốn Dữ liệu động truyền liên tục lên máy tính việc điều khiển động trở nên dễ dàng máy tính Mơ hình giúp cho người học dễ dàng quan sát, thí nghiệm vận hành thiết bị Điều có ý nghĩa đặc biệt quan trọng cách mạng công nghiệp 4.0 bùng nổ nói chung cơng nghệ xe tự hành nói riêng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đinh Ngọc Ân, “Trang bị điện ô tô máy kéo”, Nhà xuất đại học trung học chuyên nghiệp Hà nội, 1980 [2] PGS-TS Đỗ Văn Dũng, “Trang bị điện điện tử ô tô đại”, NXB Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh, 2004 [3] Michael McRoberts, “Beginning Arduino” second edition, Technology in action, America, 2008 [4] Nationsl Instruments Corporation (2006), “LabVIEW Basic Course Manual”, North Mopac, Austin, Texas [5] S.Sumathi, P.Surekha, “LabVIEW based Advanced Instrumentation System” India, 2007 [6] James D.Halderman, “Diagnosis and Troubleshooting of Automotive Electrical, Electronic and Computer System” New Jersey, America, 2012 Tác giả chịu trách nhiệm viết: Lê Khánh Tân Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Email: tanlk@hcmute.edu.vn ... thu thập liệu điều khiển từ máy tính tảng Arduino LabVIEW  Lập trình Arduino  Thiết kế mạch OR để ghép nối bảo vệ cảm biến bàn đạp ga: Arduino sau thu thập liệu qua chân board Arduino gửi liệu. .. Kỹ Thu? ??t Số 51 (01/2019) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thu? ??t TP Hồ Chí Minh 45 THIẾT KẾ THIẾT BỊ THU THẬP DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN 2.1 Sơ lược động Toyota Yaris 2SZ – FE phương pháp thu thập liệu Động. .. tắc ON, động không nổ máy [6] KẾT LUẬN Đề tài thiết kế thi cơng hồn chỉnh mơ hình ? ?Ứng dụng tảng Arduino LabVIEW thu thập liệu động cơ? ?? Đề tài có nhiều ý nghĩa quan trọng công tác đào tạo mặt