L ỜI CẢM Ơ N ii
2.2.Thiết kế mạch điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG (ELC) 36
i. Mục đ ích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tà 3
2.2.Thiết kế mạch điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG (ELC) 36
Mạch điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG trên động cơ diesel (ELC - Electronic LPG Control) được thiết kế bao gồm 4 khối chính: Khối nguồn, khối xử
lí tín hiệu từ các cảm biến, khối điều khiển trung tâm, khối điều khiển các có cấu chấp hành và khối kết nối với máy tính.
2.2.1. Khối cung cấp nguồn điện cho ELC
1 2 12V NGUON 12V D1 0 IN 1 2 OUT 3 GND 7805 U3 GND GND VCC 1 25V NGUON 5V LED 5V D9 390R R30 GND 470uF C23 GND GND 0.1uF C24 VCC Hình 2.16. Sơđồ nguyên lý tạo nguồn 5V
Khối cung cấp nguồn điện cho ELC gồm có điốt an toàn, các tụ lọc nguồn, IC
ổn áp LM7805, đèn LED báo nguồn 5V.
Điện áp nguồn 12V được lấy từắc qui thông qua công tắc điện và cầu chì chính của mạch, khi bật khóa điện thì nguồn 12V cấp cho mạch nguồn của ELC. Điốt
được lắp vào mạch nguồn có tác dụng chống dòng ngược trong quá trình lắp ráp hoặc sử dụng, khi đấu nhầm cực trong thời gian ngắt điốt sẽ có tác dụng ngắn mạch, do đó tránh được dòng ngược đi vào các linh kiện trong mạch, làm hỏng các linh kiện. Do các thành phần, linh kiện trong ELC sử dụng điện áp 5V nên điện áp 12V
được qua IC ổn áp LM7805 cho ra điện áp 5V (4,98V). Các tụ điện được sử dụng
để san phẳng những dao động điện áp nhỏ (nếu có).
- 37 -
2.2.2.1. Xử lý tín hiệu cảm biến tốc độđộng cơ
Tín hiệu tốc độ qua IC thuật toán LM358 nhằm tạo ra xung vuông đưa về vi xử lý. Cầu điện trở gồm R23 và R24 có cùng giá trị trở kháng 1K để tạo ra mức
điện áp 2,5V. Khi tín hiệu điện áp từ cảm biến tốc độ có biên độ lớn hơn 2,5V thì
điện áp ra ở chân số 7 của LM358 ở mức
cao (5V), ngược lại khi biên độđiện áp từ cảm biến tốc độ có biên độ nhỏ hơn 2,5V thì điện áp ra ở chân số 7 ở mức thấp (0V), do đây thực chất là một mạch so sánh không đảo. Tụ lọc C20 có tác dụng lọc nhiễu cho tín hiệu tốc độ.
2.2.2.2. Xử lý tín hiệu cảm biến đo lưu lượng, áp suất LPG, nhiệt độ LPG và van
đóng mở LPG
a) Tín hiệu cảm biến đo lưu lượng LPG
Việc xác định lưu lượng nhiên liệu LPG rất cần thiết trong quá trình điều khiển hệ thống cung cấp nhiên liệu LPG. Trên hình 2.18, tín hiệu từ cảm biến đo lưu lượng sẽđược đưa về chân CB.LL_LPG, qua mạch chuyển đổi tín hiệu đểđưa về vi xử lý thông qua chân LL_LPG. Các điện trở R1 và R2 có tác dụng điều chỉnh điện áp đưa về vi xử lý. Tụ C1, C2 và điốt D1 có tác dụng chống nhiễu cho tín hiệu.
Lượng nhiên liệu LPG, cũng như khả năng chuyển hóa từ dạng lỏng sang dạng hơi phụ thuộc rất nhiều vào áp suất của LPG. Đối với cảm biến đo lưu lượng LPG
được thiết kếđể đo lưu lượng ở chếđộ chuẩn (áp suất 1at và nhiệt độ 293K), do đó khi xác định lưu lượng LPG ở điều kiện thực tế cần phải xác định được áp suất để
hiệu chỉnh lại lượng LPG đúng với giá trị thực của thí nghiệm.
b) Tín hiệu cảm biến đo áp suất LPG
Tín hiệu từ cảm biến áp suất được đưa về chân CB.Asuat LPG của mạch ELC, thông qua điện R4 đưa tới chân Asuat_LPG của vi xử lý. Ban đầu thông qua mạch treo điện áp VCC-R3-R4 sẽ tạo điện áp +5V tại chân vi xử lý Asuat_LPG. Khi lắp cảm biến vào mạch, giá trị áp suất mà cảm biến đo được sẽ làm thay đổi điện áp đưa về vi xử lý. Giá trịđiện áp thay đổi tỷ lệ với giá trị áp suất cảm biến đo được.
- 38 -
Hình 2.18. Mạch xử lý tín hiệu lưu lượng và áp suất LPG c) Tín hiệu cảm biến đo nhiệt độ LPG
Hình 2.19. Mạch xử lý tín hiệu nhiệt độ và công tắc ON/OFF nhiên liệu LPG
Giá trị nhiệt độ LPG có tác dụng đểđiều khiển quá trình hóa hơi của nhiên liệu,
đồng thời giá trị này được sử dụng để tính toán chính xác lượng nhiên liệu LPG cung cấp cho động cơ thông qua cảm biến lưu lượng TF-4000. Tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ được đưa vào chân CB.NDo_LPG của mạch ELC. Khi giá trị điện trở thay
đổi theo nhiệt độ sẽ làm thay đổi giá trị điện áp tại chân CB.NDo_LPG, giá trị này sẽ được đưa vào vi xử lý tại chân NDo_LPG và được chuyển đổi thành tín hệu số
thông qua bộ ADC của vi xử lý để xác định được giá trị nhiệt độ tương ứng.
Quá trình cung cấp LPG trước khi đưa vào bộ hóa hơi được điều khiển thông qua tín hiệu On/Off từ công tắc bên ngoài hoặc thông qua tín hiệu từ máy tính.
d) Tín hiệu cảm biến đo lưu lượng và nhiệt độ khí nạp
Dựa vào đặc tính mối quan hệ giữa điện áp và lưu lượng đi qua cảm biến để
tính được sự thay đổi điện áp tại chân CB.LL_Khi_nap từ đó tính được điện áp tương ứng tại chân LL_Khi_nap tại vi xử lý và thông qua bộ chuyển đổi ADC của vi xử lý sẽ xác định được giá trị số tương ứng. Trên cảm biến đo lưu lượng khí nạp thường được lắp kết hợp với cảm biến đo nhiệt độ khí nạp. Đối với cảm biến này, giá trị điện trở của cảm biến thay đổi theo nhiệt độ của khí nạp, thông qua mạch
- 39 -
thông qua bộ chuyển đổi ADC sẽ xác định được giá trị số tương ứng. Các tụđiện và
điốt trên hình 2.20 có tác dụng chống nhiễu cho tín hiệu từ cảm biến đưa về vi xử
lý. Hình 2.20. Mạch xử lý tín hiệu lưu lượng và nhiệt độ khí nạp e) Tín hiệu cảm biến chân ga và tín hiệu không tải Hình 2.21. Mạch xử lý tín hiệu vị trí chân ga và tín hiệu không tải
Mức tải của động cơđược xác định thông qua tín hiệu cảm biến chân ga đồng thời thông qua cảm biến xác định được chếđộ không tải của động cơ.
Tín hiệu cảm biến chân ga (VT_Chan_Ga) được lấy từ cảm biến vị trí chân ga (CB.VT Chan_ga) (Hình 2.21, trái), thông qua mạch điều điện áp VCC-R7-R8. Tín hiệu điện áp thay đổi từ 0 đến 5v sẽ qua mạch chuyển đổi sang tín hiệu số ADC (tương ứng từ 0 đến 1024) để vi xử lý xác định được tỷ lệ phần trăm chân ga. Các tụ
C7, C8 và điốt D3 có tác dụng chống nhiễu cho tín hiệu của cảm biến này.
Tín hiệu không tải cũng được đưa về chân Khong_tai của mạch ELC (Hình 2.21, phải), thông qua mạch điều chỉnh điện áp VCC-R11-R12, tín hiệu được đưa về chân IDL của vi xử lý. Đây là chân ghi nhận tín hiệu On/Off của vi xử lý nhằm xác định đúng trạng thái không tải của động cơ để đưa ra lượng LPG phù hợp với chếđộ này. Tụ C11 và điốt D4 có tác dụng chống nhiễu cho tín hiệu.
f) Tín hiệu dự phòng
- 40 -
nhiên liệu LPG, trên bản mạch có thiết kế thêm một số chân dự phòng để ghi nhận
được các tín hiệu tương tự hoặc các tín hiệu dạng On/Off.
Hình 2.22. Mạch xử lý tín hiệu dự phòng (option)
2.2.3. Khối điều khiển cơ cấu chấp hành
2.2.3.1. Điều khiển vòi phun LPG
Quá trình điều khiển vòi phun LPG
được lập trình trong vi xử lý. Tín hiệu từ vi xử lý điều khiển vòi phun thông qua chân
DK_phun (Hình 2.23). Điện áp tại chân
điều khiển DK_phun luôn ở hai mức 0V hoặc 5V. Trong khi đó điện áp đểđóng mở
vòi phun là 12V. Do đó, để mở được vòi
phun thì tín hiệu điều khiển phải điều khiển để đóng mở transitor (dạng MOSFET) IRF540N. Khi điện thế 5V từ vi xử lý được đưa ra chân DK_phun và truyền tới cực G của IRF540N, thì transistor dạng MOSFET sẽ được phân cực thuận làm thông mạch qua IRF540N, nhờ đó điện áp +12V đi qua cuộn dây của vòi phun tới chân
Phun_LPG và đến chân mát GND, tạo ra dòng điện đi qua cuộn dây của vòi phun và sinh ra lực điện từđể nâng kim phun của vòi phun LPG.
Quá trình phun kết thúc khi tín hiệu điện áp từ vi xử lý đưa ra chân DK_phun là 0V. Khi đó IRF540N không thông mạch, dẫn đến dòng điện đi qua vòi phun bị cắt, lúc này lực điện từ của cuộn dây của vòi phun không thắng được lực lò xo tỳ lên kim phun làm cho kim phun đóng kín vòi phun.
Trên hình 2.23, điện trở R32 có tác dụng giảm dòng tác dụng lên IRF540N, giúp giảm nhiệt tỏa ra từ transitor trong quá trình điều khiển vòi phun. Điện trở R33 có tác dụng giúp cho quá trình ngắn mạch của IRF540N diễn ra nhanh và chính xác
Hình 2.23. Mạch xử lý tín hiệu điều khiển vòi phun LPG
- 41 -
hơn. Điốt D11 có tác dụng dập giao động điện áp của vòi phun trong quá trình kết thúc phun, đồng thời có tác dụng ngăn dòng điện đánh thủng tác dụng lên transitor IRF540N.
2.2.3.2. Điều khiển van điện từđóng mởđường LPG
Trên đường cung cấp nhiên liệu LPG có sử dụng van điện từ để đóng mở quá trình cung cấp nhiên liệu LPG trước khi vào bộ hóa hơi. Quá trình đóng mở được thực hiện từ vi xử lý thông qua tín hiệu từ máy tính gửi vào vi xử lý. Để đóng mở được van điện từ, trên mạch ELC có gắn thêm mạch xử lý tín hiệu điều khiển van
điện từ. Mạch xử lý tín hiệu này được thiết kế với nguyên lý tương tự mạch điều khiển vòi phun LPG. Đồng thời ELC còn được trang bị các mạch điều khiển rơle phục vụ các yêu cầu khác nếu cần thiết.
Hình 2.24. Mạch xử lý tín hiệu điều khiển van điện từ và rơle đóng mở LPG
2.2.4. Khối vi xử lý ELC
- 42 -
Mạch ELC được thiết kế bao gồm các khối xử lý tín hiệu chính như: 1 vi xử lý loại Atmega32 của hãng Atmel, mạch tạo xung nhịp dao động thạch anh bên ngoài và mạch reset vi xử lý khi bắt đầu cấp nguồn cho vi xử lý. Với vi xử lý trang bị trên mạch ELC cho phép người điều khiển lập trình các thuật toán nhận tín hiệu từ cảm biến và từ đó đưa ra các tín hiệu điều khiển cơ cấu chấp hành một cách hợp lý và phù hợp với yêu cầu.
2.2.4.1. Khối tạo xung nhịp dao động
Thạch anh 8MHz được sử dụng để giữ nhịp dao
động của vi xử lý. Thực tế vi xử lý AVR có nguồn dao động bên trong có thể đạt tới 8MHz. Như vậy có thể không cần sử dụng nguồn dao động ngoài, vi xử lý vẫn làm việc được. Tuy nhiên, nguồn dao
động bên trong của vi xử lý có sai số khá cao (có thể
tới 5%), do vậy thạch anh ngoài vẫn được sử dụng trong mạch để duy trì xung nhịp dao động với độ chính xác cao hơn (sai số gần như 0%). Hai tụđiện C21 và C22 có giá trị 27pF nhằm duy trì dao động của thạch anh. Việc tạo ra xung nhịp dao động nhằm mục đích tính toán thời gian trong vi xử lý
được chính xác.
2.2.4.2. Khối mạch Reset
Mạch Reset có tác dụng reset lại vi xử lý bằng cách bật tắt lại khóa điện, khi đó sẽ có điện áp kích vào chân RESET (chân số 9) của vi xử lý. Quá trình
reset giúp vi xử lý khởi động lại và tránh được hiện tượng bị treo vi xử lý.
2.2.4.3. Vi xử lý chính
Vi xử lý chính được lựa chọn và sử dụng là Atmega32L-8PU(16PU) hiện đang rất phổ biến trên thị trường, và giá thành của vi xử lý cũng phù hợp trong nghiên cứu và ứng dụng (Hình 2.28).
Đặc điểm chính của vi xử lý:
• Sử dụng kiến trúc RISC AVR với chỉ tiêu chất lượng cao và tiêu thụ ít năng
Hình 2.26. Khối tạo xung nhịp
- 43 -
lượng.
• Chịu được 100.000 lần ghi/ xoá. • Bộ nhớ EEPROM 512 byte. • Điện thế hoạt động: 2,7V- 5,5V. • Các nguồn ngắt ngoài và trong. • Vùng tốc độ làm việc: 0 – 16 MHz. • Có mạch Power-On reset.
• 32x8 thanh ghi làm việc đa năng. • 32 đường vào ra lập trình được.
• 32 kbytes RAM flash lập trình được ngay
trên hệ thống, điều này cho phép thay đổi chương trình điều khiển mà không cần lấy chip ra khỏi mạch.
• Bộ biến đổi ADC 8 kênh, 10 bit tăng độ phân giải khi xử lý các biến tương tự. • Tốc độ xử lý lệnh lên đến 8MIPS ở 8MHz.
• Bộđếm thời gian thực (RTC) với bộ dao động và chếđộđếm tách biệt. • Hai bộđếm / bộđịnh thời 8 bit với chếđộ so sánh và chia tần số tách biệt. • Một bộđếm / bộđịnh thời 16 bit với chếđộ so sánh và chia tần số tách biệt và chếđộ bắt mẫu (Capture).
• Ba kênh PWM (biến điệu độ rộng xung). • Bộ so sánh tương tự có sẵn trên chip. • Bộ truyền nhận UART.
Sau khi xây dựng được các khối ghi nhận tín hiệu từ cảm biến, khối vi xử lý và khối điều khiển cơ cấu chấp hành, mạch thiết kế được in và hàn các linh kiện lên mạch theo sơđồ nguyên lý đã trình bày ở trên.
2.3. Khối mạch giao tiếp với máy tính
Trong quá trình nghiên cứu cần hiển thị các thông số của các cảm biến trên máy tính, cũng nhưđể điều chỉnh được lượng nhiên liệu LPG phun vào trong động cơ... Công việc truyển thông giữa máy tính và vi xử lý này được thực hiện thông qua bộ
truyền nhận nối tiếp UART RS232 (Hình 2.30).
- 44 -
Hình 2.30. Sơđồ nguyên lý mạch kết nối theo chuẩn RS232
Các cổng này giao tiếp theo tiêu chuẩn RS232 trên máy tính PC là COM1 và COM2. Cổng này truyền dữ liệu dưới dạng nối tiếp theo một tốc độ do người lập trình quy định (thường sử dụng 9600 hoặc 19200 bps). Loại truyền này có khả năng dùng cho những khoảng cách lớn. Cổng nối tiếp chuẩn RS232 không phải là một hệ
thống bus, do đó nó cho phép dễ dàng tạo ra liên kết dưới hình thức điểm giữa hai máy cần trao đổi thông tin với nhau. Chiều dài dữ liệu truyền đi có thể là 7 hoặc 8 bit, và kèm theo các bit start, stop, parity để tạo thành một khung truyền (frame). Do việc truyền dữ liệu là nối tiếp nên tốc độ truyền bị hạn chế do đó nó thường không
được sử dụng trong những ứng dụng cần tốc độ truyền cao.
Cổng nối tiếp của vi điều khiển không thể ghép nối trực tiếp với cổng nối tiếp của PC. Lý do là các tín hiệu trên đường truyền RS-232 là tín hiệu hai cực có biên
độ nằm trong khoảng +12V đến -12V, trong khi vi điều khiển ATMega32 chỉ có thể
xử lý các tín hiệu có mức tín hiệu tương thích 0 đến 5V. Thông thường thì tín hiệu trên đường truyền RS-232 được lấy đảo. Tức là khi máy tính PC muốn một mức logic “0” thì điện áp trên đường truyền RS-232 sẽ là +12V, còn khi muốn mức logic “1” thì điện áp trên đường truyền là -12V. Như vậy để tương thích mức logic và điện áp giữa PC và vi điều khiển thì việc trang bị một bộ nhận và đệm đường truyền RS-232 là cần thiết. Bộ nhận và đệm đường truyền RS-232 được dùng phổ
biến nhất là loại MAX232 của công ty Maxim. Vi mạch MAX232 này nhận mức RS232 đã được gửi tới từ máy tính và biến đổi tín hiệu này thành tín hiệu sao cho tương thích với vi điều khiển ATmega32 và nó cũng thực hiện ngược lại là biến đổi tín hiệu của vi điều khiển thành mức +12V, -12V để cho phù hợp với hoạt động của