Thiết kế mạch hiển thị tín hiệu các cảm biến trong hệ thống điều khiển động cơ đốt trong trên màn hình LCD

Bài viết này đã trình bày các bước thiết kế mạch hiển thị các tín hiệu cơ bản từ các cảm biến trong hệ thống điều khiển động cơ trên màn hình LCD để thuận tiện cho quá trình thực hành thí nghiệm đảm bảo độ chính xác và trực quan.

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 THIẾT KẾ MẠCH HIỂN THỊ TÍN HIỆU CÁC CẢM BIẾN TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG TRÊN MÀN HÌNH LCD DESIGN CIRCUIT TO DISPLAY SIGNALS SENSOR IN COMBUSTION ENGINE CONTROL SYSTEMS ON LCD SCREEN Lê Đức Hiếu1,*, Vũ Ngọc Quỳnh1, Thân Quốc Việt1 TÓM TẮT Động đốt trang bị tơ ngày địi hỏi cao tiêu chuẩn khí thải, nâng cao hiệu suất có ích, hệ thống động phải cải tiến để đáp ứng yêu cầu Ngày nay, khoa học công nghệ phát triển mạnh mẽ nên xu hướng điện tử hóa hệ thống động tất yếu Các hệ thống hoạt động thơng qua lấy tín hiệu từ cảm biến thông qua điều khiển điện tử để tính tốn định thời điểm làm việc tối ưu cho cấu chấp hành Hơn nữa, để thuận tiện cho trình triển khai thí nghiệm xác định thơng số làm việc cảm biến hệ thống điều khiển động cơ, báo trình bày bước thiết kế mạch hiển thị tín hiệu từ cảm biến hệ thống điều khiển động hình LCD để thuận tiện cho q trình thực hành thí nghiệm đảm bảo độ xác trực quan Từ khóa: Cảm biến, điều khiển động cơ, điều khiển điện tử ABSTRACT Vehicle combustion engines are increasingly demanding on emissions standards, improving utility efficiency, requiring engine systems to be improved to meet those requirements Today, science and technology are developing strongly, so the trend of electronicization of systems on engines is an inevitable These systems work by taking signals from the sensors via an electronic controller to calculate and determine the optimal working time for actuators Moreover, in order to facilitate the process of deploying experiments on determining the working parameters of sensors in motor control systems, this paper presents the steps of designing display circuits The basic signals from the sensors in the motor control system on the LCD screen to facilitate the practice of experiments ensure accuracy and visualization Keywords: Sensor, Engine Control, Electronic Control Unit Khoa Cơng nghệ Ơ tơ, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Email: hieuld@haui.edu.vn Ngày nhận bài: 30/11/2020 Ngày nhận sửa sau phản biện: 04/01/2021 Ngày chấp nhận đăng: 25/10/2021 * GIỚI THIỆU Ngày nay, ô tô trang bị nhiều công nghệ đại, hệ thống tơ tích hợp cơng nghệ liên ngành khí, điện điện tử, thủy khí cơng nghệ thơng tin nhằm tăng tính mức độ “thơng minh” như: hệ thống kiểm soát lực kéo TRC, hệ thống cân điện tử VSC, hệ thống tự động cảnh báo va chạm, hệ thống chiếu sáng thông minh AFS, kiểm sốt mơ men xoắn động cơ, điều khiển hệ thống nhiên liệu, kiểm sốt vấn đề khí thải động cơ, hệ thống phân phối khí thơng minh VVT-i, Những hệ thống lấy tín hiệu điều khiển thông qua cảm biến trang bị động tơ làm tín hiệu đầu vào cho điều khiển điện tử ECU, từ ECU định điều khiển cấu chấp hành cho hệ thống hoạt động tối ưu theo chế độ hoạt động động ô tô Sự phát triển khoa học công nghệ môi trường doanh nghiệp mạnh mẽ, vòng đời sản phẩm công nghệ rút ngắn lại, áp lực lớn cho công tác đào tạo thuộc lĩnh vực kỹ thuật đặc biệt lĩnh vực công nghệ kỹ thuật ô tô Mong muốn chương trình đào tạo thu hẹp khoảng cách sở đào tạo với doanh nghiệp, giúp cho người học sau tốt nghiệp tiếp cận nhanh chóng với cơng nghệ trang bị ô tô đời Từ u cầu đó, việc chế tạo mơ hình học cụ phục vụ cho giảng dạy học phần chuyên môn vấn đề cấp bách Hiện nay, có cơng trình nghiên cứu xây dựng thí nghiệm giảng dạy mơn Vật lý [1, 2] Các nghiên cứu tập trung vào xây dựng thí nghiệm sở loại cảm biến, phù hợp với học đơn lẻ Đối với học phần thí nghiệm chuyên sâu lĩnh vực ô tô, cần thấy tổng thể tín hiệu cảm biến hệ thống tiếp cận xe thật tốt Bên cạnh ưu hình thức tiếp cận tơ thật có yếu điểm như: giá thành đắt, cần diện tích phịng học lớn, từ nhược điểm đó, việc xây dựng mơ hình thí nghiệm cảm biến dùng động ô tô nghiên cứu, chế tạo nước nước [1, 3, 4] Các nghiên cứu xây dựng mơ hình phần mềm điều khiển khác Labview, Matlab khó khăn cho việc tiếp cận sinh viên 90 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (10/2021) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Từ thực tiễn giảng dạy học phần thực hành thí nghiệm điện - điện tử tơ, nhóm tác giả nhận thấy xây dựng mơ hình phục vụ học phần thí nghiệm cần thiết cấp bách Trong báo này, nhóm tác giả đưa mơ hình thí nghiệm cảm biến thường dùng ô tô, thiết lập tín hiệu đầu vào cho cảm biến, tín hiệu mơ tín hiệu động tơ tín hiệu từ trục cam, trục khuỷu, vị trí bàn đạp ga, lưu lượng khơng khí, nhiệt độ nước làm mát, tiếng gõ động Tín hiệu đầu cảm biến hiển thị hình LCD thơng qua vi điều khiển STM32F103C8T6, giúp cho người học dễ tiếp cận hơn, chi phí tiếp kiệm hiệu so với mơ hình điều khiển khác PHẦN CỨNG BỘ ĐIỀU KHIỂN 2.1 Bộ điều khiển Hiện nay, cơng nghệ điều khiển có nhiều giải pháp cơng nghệ khác Có thể dùng bo mạch thiết kế sẵn bo mạch ardruino, arduino thức thường sử dụng dòng chip megaAVR, đặc biệt ATmega8, ATmega168, ATmega328, ATmega1280 ATmega2560 Một vài vi xử lý khác sử dụng mạch Aquino tương thích Hầu hết mạch gồm điều chỉnh tuyến tính 5V thạch anh dao động 16MHz (hoặc cộng hưởng ceramic vài biến thể), vài thiết kế LilyPad chạy 8MHz bỏ qua điều chỉnh điện áp onboard hạn chế kích cỡ thiết bị Một vi điều khiển Arduino lập trình sẵn với boot loader cho phép đơn giản upload chương trình vào nhớ flash on-chip, so với thiết bị khác thường phải cần nạp bên Điều giúp cho việc sử dụng Arduino trực tiếp cách cho phép sử dụng máy tính gốc nạp chương trình [5] Tuy có nhiều ưu điểm song bên cạnh cịn có nhược điểm như: giá thành tốc độ xử lý Arduino thấp vi điều khiển STM32 STM32 dòng chip phổ biến ST với nhiều họ thông dụng F0, F1, F2, F3, F4 STM32F103C8T6 thuộc họ F1 với lõi ARM COTEX M3, vi điều khiển 32 bit, tốc độ tối đa 72MHz, giá thành rẻ so với loại vi điều khiển có chức tương tự, mạch nạp ngôn ngữ lập trình đa dạng dễ sử dụng Cấu trúc vi điều khiển STM32F103C8T6 hình Trong báo này, nhóm tác giả sử dụng vi điều khiển STM32F103C8T6, có thơng số kỹ thuật bảng Bảng Thông số kỹ thuật vi điều khiển STM32F103C8T6 STT Tên thông số CPU Bộ nhớ Clockmax ADCmax Timermax Giao tiếp Điện áp hoạt động Giá trị 32 bit-Cotex M3 64 Kb (Flash) + 20 Kb (SRAM) 72MHz 12 kênh (12 bit) Timer UART (3), SPI (2), I2C (2), CAN (1), USB (1) 2,0 - 3,6V Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Hình Vi điều khiển STM32F103C8T6 Ngơn ngữ lập trình viết cho boarduino thương dùng ngôn ngữ C, C++ ngơn ngữ thường dùng cho lập trình vi xử lý 2.2 Mạch nguồn cho vi điều khiển hình LCD Khối nguồn sử dụng điện áp 12V hạ áp IC3 78M05 hạ áp từ 12V xuống 5V cấp cho ngoại vi, IC2 AMS1117-3.3V hạ từ 5V xuống 3,3V cung cấp cho vi điều khiển hình Mạch nguyên lý khối nguồn hình Hình Mạch nguyên lý khối nguồn 2.3 Bộ hiển thị LCD NOKIA 5110 Trong báo sử dụng hình LCD NOKIA 5110 để thị thơng số cảm biến, cấu tạo hình LCD NOKIA 5110 hình Hình Sơ đồ hình LCD NOKIA 5110 Vol 57 - No (Oct 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 91 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Thơng số kỹ thuật LCD NOKIA5110 bảng Bảng Thông số kỹ thuật LCD NOKIA5110 STT Tên thơng số Kích thước hình Độ phân giải IC điều khiển PCD Chuẩn giao tiếp Điện áp nguồn 2.4 Mạch in Giá trị 43,25mm x 43,25mm 84 x 84 pixel 8544 SPI 3,3V Mạch thiết kế phần mềm Altium Designer phiên 17.1.5 phần mềm chuyên nghiệp dành cho thiết kế mạch điện tử nhiều kỹ sư nhà máy giới sử dụng Mạch in có thơng số sau: phíp FR4, độ dày đường mạch oz, mạch dây hai lớp phủ xanh, số hình ảnh mạch in hình 4, THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN Để xây dựng thuật tốn điều khiển hiển thị thơng số số cảm biến cần biết mối liên hệ đại lượng vật lý với Đối với cảm biến MAP MAF mối liên hệ đại lượng theo công thức sau: p = a* U + b (1) Q = k*U – d (2) Trong đó: p áp suất khí nạp, đơn vị bar; U điện áp đo được, đơn vị V; a, b, k, d hệ số thực nghiệm, phụ thuộc vào loại cảm biến Đối với cảm biến nhiệt độ, giá trị nhiệt độ có mối liên hệ với giá trị điện trở thu sau: R = R0 [1+ .(t – t0)] (3) o Trong đó: R0 điện trở suất 20 C; là hệ số nhiệt điện trở MƠ HÌNH BỘ THÍ NGHIỆM Hình Hình ảnh 3D lớp lớp Mơ hình thí nghiệm mơ tả hình Trên mơ hình thể cảm biến, ECU động cơ, hình hiển thị thông tin cảm biến Khi cảm biến, ECU động cấp nguồn chiều với điện 5V, 12V thông qua biến đổi nguồn từ điện xoay chiều sang điện chiều có dải từ 5V đến 12V Các tín hiệu đầu vào cảm biến tích hợp mơ đun cảm biến, thơng qua triết áp điều chỉnh thông số đầu vào cảm biến thay đổi tốc độ, lưu lượng, nhiệt độ Sau chạy mơ hình, có kết thể bảng 3, 4, Bảng Kết đo chế độ không tải Loại cảm biến Thông số đo tua Giá trị hiển thị LCD Giá trị đọc máy GSCAN Sai số 607 RPM 620 RPM 2,04% 3,9V 4,05V 3,7% Cảm biến vị trí trục khuỷu Vịng máy Cảm biến lưu lượng Điện áp Cảm biến vị trí bướm ga Độ mở bướm ga 6,45% 6,59% 2,2% Cảm biến nhiệt độ nước làm mát Nhiệt độ 73,9oC 75,5oC 2,18% Hình Đường mạch lớp 92 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (10/2021) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 qua vi điều khiển STM32F103C8T6 Đảm bảo tính trực quan có độ xác cao với sai số trung bình 2,53% Hướng phát triển báo cáo liên kết mô đun cảm biến, ECU với hệ thống điện - điện tử ô tô phục vụ cho học phần mô điều khiển giám sát hệ thống đánh lửa, phun nhiên liệu, kiểm sốt mơ men xoắn động cơ, cải tiến thuật toán điều khiển hiển thị để nâng cao chất lượng hình ảnh, giảm sai số q trình đo, kết nối điều chỉnh thông số đầu vào mơ hình máy tính Hình Mơ hình sản phẩm Bảng Kết đo chế độ 50% tải Loại cảm biến Thông số đo tua LỜI CẢM ƠN Giá trị hiển thị LCD Giá trị đọc máy GSCAN Sai số 1342 RPM 1370 RPM 2,04% Cảm biến vị trí trục khuỷu Vịng máy Cảm biến lưu lượng Điện áp 3,9V 4,05V 3,7% Cảm biến vị trí bướm ga Độ mở bướm ga 48,9% 50% 2,2% Cảm biến nhiệt độ nước làm mát Nhiệt độ 80,7oC 82,5oC 2,18% Giá trị hiển thị LCD Giá trị đọc máy GSCAN Sai số 2165 RPM 2210 RPM 2,04% 3,9V 4,05V 3,7% Cảm biến vị trí bướm Độ mở bướm ga ga 97,41% 99,6% 2,2% Cảm biến nhiệt độ Nhiệt độ nước làm mát 80,7oC 82,5oC 2,18% Bảng Kết đo chế độ tồn tải Loại cảm biến Thơng số đo Cảm biến vị trí trục Vịng tua máy khuỷu Cảm biến lưu lượng Điện áp Nghiên cứu tài trợ trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đề tài mã số 13-2019-RD/HĐ-ĐHCN TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ngo Minh Nhut, Mai Hoang Phuong, 2015 Constructing some experiments using ultrasonic sensors with Labview software to teach Kinetics in grade 10 Physics Ho Chi Minh City University of Education Journal of Science, Vol (74), 60-69 [2] D S Hien, L H Phuc, L Q Dung Research and manufacture sensor KIT with NI DAQ PCI 6024E 2nd National Conference on Applied Physics, Ho Chi Minh City [3] W Tsai, Z Wu, P Yu, S Chang, 2011 Design of Electrical Driving Circuits for a High-pressure Fuel Injector and Control of Fuel Injection Quantities by using the Polynomial Curve Fitting Method International Journal of Intelligent Information Processing, 2, 60-73 [4] B Ashok, S Denis Ashok, C Ramesh Kumar, 2016 A review on control system architecture of a SI engine management system Annual Reviews in Control, 41, 94-118 [5] Adruino, 2020 KẾT LUẬN AUTHORS INFORMATION Nội dung báo trình bày mơ hình thí nghiệm để đo thơng số cảm biến động ô tô, thị đồng thời 04 thơng số hình LCD thông Le Duc Hieu Vu Ngoc Quynh, Than Quoc Viet Faculty of Automobile Technology, Hanoi University of Industry Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol 57 - No (Oct 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 93 ... tiếp kiệm hiệu so với mơ hình điều khiển khác PHẦN CỨNG BỘ ĐIỀU KHIỂN 2.1 Bộ điều khiển Hiện nay, cơng nghệ điều khiển có nhiều giải pháp cơng nghệ khác Có thể dùng bo mạch thiết kế sẵn bo mạch ardruino,... là hệ số nhiệt điện trở MƠ HÌNH BỘ THÍ NGHIỆM Hình Hình ảnh 3D lớp lớp Mơ hình thí nghiệm mơ tả hình Trên mơ hình thể cảm biến, ECU động cơ, hình hiển thị thơng tin cảm biến Khi cảm biến, ECU động. .. vi điều khiển hình Mạch nguyên lý khối nguồn hình Hình Mạch nguyên lý khối nguồn 2.3 Bộ hiển thị LCD NOKIA 5110 Trong báo sử dụng hình LCD NOKIA 5110 để thị thông số cảm biến, cấu tạo hình LCD