ỨNG DỤNG PHẦN MỀM PROTEUSAVR MÔ PHỎNG MẠCH đo ĐIỆN áp MÁY PHÁT VÀ DÒNG ĐIỆN CẤP CHO TẢI TRÊN ô TÔ đời MỚI

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ Ô TÔ  BÀI TẬP LỚN THUỘC HỌC PHẦN : CƠ ĐIỆN TỬ Ô TÔ TÊN CHỦ ĐỀ NGHIÊN CỨU : ỨNG DỤNG PHẦN MỀM PROTEUSAVR MÔ PHỎNG MẠCH ĐO ĐIỆN ÁP MÁY PHÁT VÀ DÒNG ĐIỆN CẤP CHO TẢI TRÊN Ô TÔ ĐỜI MỚI GVHD : Th.S LÊ HỮU CHÚC Nhóm sinh viên : Nhóm 10 Gồm : NGUYỄN QUANG ANH BÙI TRUNG LẬP CHU HOÀI NAM NGUYỄN TRỌNG NAM NGUYỄN THÀNH QUANG Khóa : 13 -2018605510 -2018605212 -2018605395 -2018605620 -2018605304 Hà Nội , tháng 05/2021 Bài tập lớn Cơ điện tử Mục Lục Mục Lục Danh mục hình ảnh LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1.Sơ đồ nguyên lí: 1.2.Mô tả vi điều khiển Atmega16 1.3.Khối thị 10 CHƯƠNG TÍNH TỐN, MƠ PHỎNG MẠCH ĐO ĐIỆN ÁP MÁY PHÁT VÀ DÒNG ĐIỆN CẤP CHO TẢI 17 2.1.Tìm hiểu điều áp IC máy phát điện xe ôtô 17 2.2.Đo điện áp 25 2.3.Để tính tốn thực tế .26 CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN .31 Danh mục hình ảnh Hình 1:Vi điều khiển Atmega16 .4 Hình : Sơ đồ khối cấu trúc bên Atmega 16 Hình : Sơ đồ chân Atmega1 Hình 4:Hình ảnh LCD 16x2 thực tế .11 Hình 5: Nguyên lý điều chỉnh điều áp .17 Hình 6: Hai kiểu điều áp 18 Hình 7: Sơ đồ nguyên lý làm việc điều chỉnh chưa nổ máy 19 Hình 8: Sơ đồ nguyên lý làm việc điều áp máy phát phát điện (điện áp thấp điện áp điều chỉnh) 20 Hình 9: Sơ đồ nguyên lý làm việc điều áp máy phát phát điện (điện áp cao điện áp điều chỉnh) .21 Hình 10:Sơ đồ nguyên lý làm việc điều áp mạch nạp có cố 24 Hình 11: Sơ đồ nguyên lý làm việc điều áp loại nhận biết máy phát 24 Hình 12: Sơ đồ nguyên lý làm việc điều áp IC có cực M 25 Bài tập lớn Cơ điện tử LỜI NÓI ĐẦU Công nghệ ô tô ngành khoa học kỹ thuật phát triển nhanh chóng tồn cầu Sự tiến thiết kế, vật liệu kỹ thuật sản xuất góp phần tạo xe tơ đại với đầy đủ tiện nghi, tính an toàn cao, việc ứng dụng vi điều khiển, vi xử lý ngày phát triển rộng rãi thâm nhập ngày nhiều vào lĩnh vực kỹ thuật đời sống xã hội Với xu hướng tất yếu với phát triển mạnh mẽ công nghệ chế tạo, người ta tạo vi điều khiển có cấu trúc mạnh hơn, đáp ứng thời gian thực tốt hơn, chuẩn hóa so với vi điều khiển bit trước Với phát triển mạnh mẽ khoa học, đặc biệt ngành điện, điện tử, phát minh linh kiện điện tử ngày đáp ứng yêu cầu hệ thống Ưu điểm việc sử dụng linh kiện điện tử làm cho hệ thống linh hoạt đa dạng hơn, giá thành thấp độ xác cao Đó ý tưởng để nhóm em tìm hiểu thực đề tài “Ứng dụng phần mềm ProteusAVR mô mạch đo điện áp máy phát dòng điện cấp cho tải ô tô đời ” Bên cạnh em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo: Th.S Lê Hữu Chúc, người trực tiếp hướng dẫn em tận tình chu đáo trình hoàn thiện đồ án Mặc dù cố gắng học hỏi nhiều, kiến thức kinh nghiệm thân hạn chế nên đề tài nhóm em khơng thể tránh khỏi sai sót Rất mong nhận góp ý, dẫn từ thầy cô Bài tập lớn Cơ điện tử CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Điện áp dịng điện hai thơng số quan trọng điện năng. Dự án dạy bạn tạo đồng hồ đo vôn-amp đơn giản vi điều khiển avr. Dự án khơng cho phép bạn xây dựng công cụ đo lường cao cấp dự án tự làm tốt giúp bạn hiểu rõ chuyển đổi A / D vi điều khiển. Đồng hồ có khả đo điện áp từ đến 30V dòng điện từ đến 5A. Phải cẩn thận sử dụng để đầu vào không vượt thông số kỹ thuật 1.1.Sơ đồ nguyên lí: Hình 1:Vi điều khiển Atmega16 - Vi điều khiển nhận tín hiệu từ Encoder đếm động cơ, đếm số xung Encoder hiển thị tốc độ động lên hình LCD - Vi điều khiển cịn nhận tín hiệu từ bàn phím để điều khiển động quay thuận nghịch, tăng tốc giảm tốc, dừng động hiển thị kết lên LCD Vi điều khiển Atmega16 thuộc họ AVR, họ vi điều khiển hãng Atmel sản xuất Đây họ vi điều khiển bit, xử lý nhanh tiêu thụ lượng (< 1.1mA 3v-1Mhz ) Ngồi cịn tích hợp thêm mạch ADC, ngõ điều rộng xung, giao tiếp I2C, nhớ EEPROM, USART, Bài tập lớn Cơ điện tử WATCHDOG, dao động nội lập trình hệ thống ISP Thêm vào AVR cịn hỗ trợ mạnh mẽ phần mềm lập trình CodeVisionAVR, Bascom, AVR Studio… làm giảm độ phức tạp thân thiện với ngơn ngữ người Do AVR ngày ứng dụng rộng rãi đời sống giáo dục đào tạo 1.2.Mô tả vi điều khiển Atmega16 - Hiệu cao, tiêu thụ lượng - Kiến trúc RISC: + 131 lệnh – hầu hết lệnh thực thi chu kỳ máy + 32 ghi bit đa + Tốc độ thực lên tới 16 triệu lệnh giây (tần số 16MHz) - Các nhớ chương trình nhớ liệu: 32KB nhớ Flash có khả tự lập trình hệ thống - Có thể thực 10.000 lần ghi xóa + Vùng mã Boot tùy chọn với bit khóa độc lập + Lập trình hệ thống chương trình on-chip boot + Thao tác đọc ghi nghỉ + 1024 Byte EEPROM - KB SRAM nội - định thời/bộ đếm bit với chia tần số độc lập chế độ so sánh Một định thời/bộ đếm 16 bit với chia tần số, chế độ so sánh chế độ bắt mẫu (Capture) - Bộ đếm thời gian thực với dao động độc lập - Bốn kênh PWM - Bộ ADC kênh 10 bit - Bộ truyền liệu đồng bộ/bất đồng USART - Bộ truyền liệu chuẩn SPI - Watchdog timer khả trình với dao động nội riêng biệt Bài tập lớn Cơ điện tử - Bộ so sánh Analog - Các đặc điểm khác: + Power-on Reset phát Brown-out khả trình + Bộ tạo dao động nội + Nguồn ngắt nội ngoại - chế độ ngủ: Idle, ADC noise reduction, Power-save, Power-down, Standby Extended Standby - Ngõ vào/ra: có 32 ngõ vào - Điện áp hoạt động: + 2.7V ÷ 5.5V Atmega16L + 4.5V ÷ 5.5V Atmega16 - Tần số hoạt động: + ÷ 8MHz Atmega16L + ÷ 16MHz Atmega16 Bài tập lớn Cơ điện tử Hình : Sơ đồ khối cấu trúc bên Atmega 16 Phần lõi AVR kết hợp tập lệnh phong phú với 32 ghi đa dụng Toàn 32 ghi kết nối trực tiếp với ALU (Arithmetic Logic Unit), cho phép truy cập ghi độc lập với lệnh thực thi chu kỳ xung nhịp Cấu trúc đạt có tốc độ xử lý nhanh gấp 10 lần so với vi điều khiển CISC thơng thường Với tính nêu trên, chế độ nghỉ (Idle), CPU cho phép chức khác hoạt động như: USART, giao tiếp dây, chuyển đổi A/D, SRAM, đếm/bộ định thời, cổng SPI chế độ ngắt Chế độ Power-down lưu giữ nội dung ghi làm ngừng tạo dao động, thoát khỏi chức chip có ngắt ngồi reset phần cứng Trong chế độ Power-save, đồng hồ đồng tiếp tục chạy cho phép chương trình giữ đồng thời gian thiết bị Bài tập lớn Cơ điện tử lại trạng thái ngủ Chế độ ADC Noise Reduction dừng CPU tất thiết bị lại ngoại trừ đồng hồ đồng ADC, giảm thiểu nhiễu ADC hoạt động Ở chế độ Standby, tạo dao động chạy thiết bị lại trạng thái ngủ Những đặc điểm cho phép vi điều khiển khởi động nhanh chế độ tiêu thụ công suất thấp AVR sản xuất sử dụng công nghệ nhớ cố định mật độ cao Atmel Bộ nhớ On-chip ISP Flash cho phép lập trình lại vào hệ thống thơng qua giao diện SPI lập trình nhớ cố định truyền thống chương trình On-chip Boot chạy lõi AVR Chương trình Boot sử dụng giao diện để download chương trình ứng dụng nhớ Flash Phần mềm vùng Boot Flash tiếp tục chạy vùng Application Flash cập nhật, giúp tạo thao tác Read-While-Write thực Nhờ việc kết hợp 8bit RISC CPU với In-System-SelfProgrammable Flash chip, Atmega16 vi điều khiển mạnh cung cấp giải pháp có tính linh động cao, giá thành rẻ cho nhiều ứng dụng điều khiển nhúng Atmega16 hỗ trợ đầy đủ với công cụ hỗ trợ phát triển lập trình, bao gồm: trình biên dịch C, Macro Assembler, mơ phỏng/dị lỗi lập trình, mơ mạch điện kit thí nghiệm Hình : Sơ đồ chân Atmega1 Bài tập lớn Cơ điện tử - Ý nghĩa chân: GND: chân nối mass VCC: chân điện áp nguồn Port A (PA0 ÷ PA7): ngõ vào/ra port A Các chân Port A ngõ vào analog chuyển đổi A/D Chân PA7: Ngõ vào ADC7 Chân PA6: Ngõ vào ADC6 Chân PA5: Ngõ vào ADC5 Chân PA4: Ngõ vào ADC4 Chân PA3: Ngõ vào ADC3 Chân PA2: Ngõ vào ADC2 Chân PA1: Ngõ vào ADC1 Chân PA0: Ngõ vào ADC0 Port B (PB0 ÷ PB7): ngõ vào Port B Các chức khác Port B: Chân Chức PB7 SCK (Chân Clock SPI) PB6 MISO (Master Input/Slave Output SPI) PB5 MOSI (Master Output/Slave Input SPI) PB4 SS (Ngõ vào chọn Slave SPI) PB3 AIN1 (Ngõ vào Negative so sánh analog) OC0 (Ngõ so sánh Timer/Counter 0) PB2 AIN0 (Ngõ vào Positive so sánh analog) INT2 (Ngõ vào ngắt 2) PB1 T1 (Ngõ vào đếm Counter 1) PB0 T0 (Ngõ vào đếm Counter 0) XCK (Chân I/O Clock USART) Bài tập lớn Cơ điện tử Port C (PC0 ÷ PC7): ngõ vào/ra port C Các chức khác Port C Chân Chức PC7 TOSC2 (Chân dao động Timer) PC6 TOSC1 (Chân dao động Timer) PC5 TD1 (Chân data in Test JTAG) PC4 TD0 (Chân data out Test JTAG) PC3 TMS (Chân chọn mode Test JTAG) PC2 TCK (Chân Clock Test JTAG) PC1 SDA (Chân Data I/O giao thức Two-Wire) PC0 SCL (Chân clock giao thức Two-Wire) Port D (PD0 ÷ PD7): ngõ vào/ra Port D Các chức khác Port D Chân Chức PD7 OC2 (Ngõ so sánh Timer/Counter 2) PD6 ICP1 (Chân bắt mẫu Timer/Counter 1) PD5 OC1A (Ngõ so sánh A Timer/Counter 1) PD4 OC1B (Ngõ so sánh B Timer/Counter 1) PD3 INT1 (Ngõ ngắt 1) PD2 INT0 (Ngõ ngắt 0) PD1 TXD (Ngõ USART) PD0 RXD (Ngõ vào USART) Bài tập lớn Cơ điện tử phát điện xoay chiều, ắc quy mạch nạp Ắc quy dùng để cung cấp điện cho xe tích trữ điện Máy phát điện tạo nguồn điện cung cấp cho thiết bị nạp cho ắc quy Mạch nạp làm nhiệm vụ kết nối máy phát ắc quy Trên ô tô, máy phát điện ln quay với động Trong đó, tốc độ động lại thay đổi liên tục Để đảm bảo điện áp tạo từ máy phát có giá trị khơng đổi với chế độ cơng tác động máy phát trang bị điều áp Bộ điều áp điều chỉnh cách thay đổi dịng kích từ cấp vào rơto máy phát điện áp máy phát trì tốc độ quay máy phát dịng tải thay đổi Hình 5: Ngun lý điều chỉnh điều áp Về mặt cấu tạo, IC điều áp gồm có: IC, cánh tản nhiệt giắc nối Việc sử dụng IC giúp cho kích thước điều áp nhỏ gọn nên bố trí phía máy phát với chỉnh lưu Bộ điều áp có loại: Loại nhận biết máy phát loại nhận biết ắc quy Hình 6: Hai kiểu điều áp 17 Bài tập lớn Cơ điện tử  Loại nhận biết máy phát: Xác định điện áp bên máy phát để điều chỉnh  Loại nhận biết ắc quy: Xác định điện áp ắc quy thông qua cực S để lấy điều chỉnh Ngoài chức điều chỉnh điện áp, điều áp cịn có tác dụng cảnh báo (bật sáng đèn báo nạp) cho người dùng biết máy phát khơng phát điện có cố mạch nạp như: đứt ngắn mạch cuộn dây rô to, cực S bị ngắt, cực B bị ngắt, điện áp tăng cao đột ngột ngắn mạch hai cực E, F Các chế độ làm việc điều chỉnh điện áp mơ tả sau (trên loại nhận biết ắc quy): * Chế độ hoạt động bình thường: + Khi bật khóa điện vị trí ON động chưa nổ máy Khi bật khố điện lên vị trí ON, điện áp ắc qui đặt vào cực IG Kết mạch M.IC kích hoạt Tranzisto Tr1 mở làm cho dịng kích từ chạy cuộn dây rơto Ở trạng thái dòng điện chưa tạo điều áp làm giảm phóng điện ắc qui đến mức thấp cách đóng ngắt Tranzisto Tr1 ngắt quãng Ở thời điểm điện áp cực P = mạch M.IC xác định trạng thái truyền tín hiệu tới Tranzisto Tr2 để bật đèn báo nạp Hình 7: Sơ đồ nguyên lý làm việc điều chỉnh chưa nổ máy + Khi máy phát phát điện (điện áp thấp điện áp điều chỉnh) 18 Bài tập lớn Cơ điện tử Động khởi động tốc độ máy phát tăng lên, mạch M.IC mở Tranzisto Tr1 dịng kích từ qua điện áp tạo Ở thời điểm điện áp cực B lớn điện áp ắc qui, dịng điện vào ắc qui để nạp cung cấp cho thiết bị điện Kết điện áp cực P tăng lên Do mạch M.IC xác định trạng thái phát điện thực truyền tín hiệu đóng Tranzisto Tr2 để tắt đèn báo nạp Hình 8: Sơ đồ nguyên lý làm việc điều áp máy phát phát điện (điện áp thấp điện áp điều chỉnh) + Khi máy phát phát điện (điện áp cao điện áp điều chỉnh) Nếu Tranzisto Tr1 tiếp tục mở, điện áp cực B tăng lên Sau điện áp cực S vượt điện áp điều chỉnh, mạch M.IC xác định tình trạng đóng Tranzisto Tr1 Kết dịng kích từ cuộn dây rơto giảm dần thông qua điốt Đ1 hấp thụ điện từ ngược điện áp cực B (điện áp tạo ra) giảm xuống Sau điện áp cực S giảm xuống tới giá trị điều chỉnh mạch M.IC xác định tình trạng mở Tranzisto Tr1 Do dịng kích từ cuộn dây rơto tăng lên điện áp cực B tăng lên Bộ điều áp IC giữ cho điện áp cực S (điện áp cực ắc qui) ổn định (điện áp điều chỉnh) cách lặp lặp lại trình 19 Bài tập lớn Cơ điện tử Hình 9: Sơ đồ nguyên lý làm việc điều áp máy phát phát điện (điện áp cao điện áp điều chỉnh) *Chế độ hoạt động có cố: + Khi cuộn dây Rơto bị đứt (Hình 6a) Khi máy phát quay, cuộn dây Rơto bị đứt máy phát khơng sản xuất điện điện áp cực P = Khi mạch M.IC xác định tình trạng mở Tranzisto Tr2 để bật đèn báo nạp để cảnh báo + Khi cuộn dây Rơto bị chập (ngắn mạch) (Hình 6b) Khi máy phát quay cuộn dây rôto bị chập điện áp cực B đặt trực tiếp vào cực F dòng điện mạch lớn Khi mạch M.IC xác định tình trạng đóng Tranzisto Tr1 để bảo vệ đồng thời mở Tranzisto Tr2 bật đèn báo nạp để cảnh báo + Khi cực S bị ngắt (Hình 6c) Khi máy phát quay, cực S tình trạng bị hở mạch mạch M.IC xác định khơng có tín hiệu đầu vào từ cực S mở Tranzisto Tr2 để bật đèn báo nạp Đồng thời mạch M.IC, cực B làm việc thay cho cực S để điều chỉnh Tranzisto Tr1 điện áp cực B điều chỉnh ( 14V) để ngăn chặn tăng điện áp khơng bình thường cực B + Khi cực B bị ngắt (Hình 6d) Khi máy phát quay, cực B tình trạng bị hở mạch, ắc qui khơng nạp điện áp ắc qui (điện áp cực S) giảm dần Khi điện áp cực S giảm, điều áp IC làm tăng dịng kích từ để tăng dòng điện tạo Kết điện áp cực B tăng lên Tuy nhiên mạch M.IC điều chỉnh dòng 20 Bài tập lớn Cơ điện tử kích từ cho điện áp cực B khơng vượt 20 V để bảo vệ máy phát điều áp IC Khi điện áp cực S thấp (11 tới 13 V) mạch M.IC điều chỉnh để ắc qui khơng nạp Sau mở tranzito Tr2 bật đèn báo nạp điều chỉnh dòng kích từ để cho điện áp cực B giảm, đồng thời bảo vệ máy phát điều áp IC + Khi có ngắn mạch cực F cực E (Hình 6e) Khi máy phát quay, có ngắn mạch cực F cực E điện áp cực B nối thông với mát từ cực E qua cuộn dây rôto mà không qua cực Tranzisto Tr1 Kết điện áp máy phát trở lên lớn dịng kích từ khơng điều khiển Tranzisto Tr1 trí điện áp cực S vượt điện áp điều chỉnh Nếu mạch M.IC xác định tình trạng mở Tranzisto Tr2 bật đèn báo nạp để cảnh báo (a) 21 Bài tập lớn Cơ điện tử (b) (c) (d) 22 Bài tập lớn Cơ điện tử (e) Hình 10:Sơ đồ nguyên lý làm việc điều áp mạch nạp có cố Hoạt động điều áp loại nhận biết máy phát Bộ điều loại hoạt động tương tự loại nhận biết ắc quy Tuy nhiên, khơng có cực S để nhận biết điện áp ắc quy nên mạch M.IC nhận biết điện áp trực tiếp từ máy phát thơng qua cực B để từ điều chỉnh điện áp máy phát điều khiển đèn báo nạp Hình 11: Sơ đồ nguyên lý làm việc điều áp loại nhận biết máy phát Bộ điều áp có cực M Đối với xe có phận sưởi điện PTC - phận sưởi đặt lõi sưởi dùng để hâm nóng nước làm mát động hiệu suất sưởi không đủ Khi phận sưởi PTC sử dụng trạng thái khơng tải động điện tiêu thụ lớn 23 Bài tập lớn Cơ điện tử điện máy phát tạo Vì lý điều áp trang bị thêm cực M Cực M truyền tình trạng phát điện máy phát tới ECU động thông qua Tranzisto Tr3 lắp đồng với Tranzisto Tr1 để điều khiển dịng kích từ ECU động điều khiển chế độ không tải động phận sưởi điện PTC theo tín hiệu truyền từ cực M Khi sưởi PTC làm việc Khi sưởi PTC không làm việc Hình 12: Sơ đồ nguyên lý làm việc điều áp IC có cực M 24 Bài tập lớn Cơ điện tử 2.2.Đo điện áp Một chia điện đơn giản sử dụng để đo điện áp. Bộ chia điện thiết lập theo cách cung cấp đầu 5v đầu vào 30v áp dụng cho điện áp đầu vào cấp cho AVR phải nhỏ 5V Công thức thiết lập điện trở chia tiềm Vout = Vin x R2 / (R1 + R2) Chúng biết Vout phải