5.1.1 AVR [9]
AVR là m t họ vi điều khiển do Atmel s n xu t. AVR là chip vi điều khiển 8 bits với c u trúc tập lệnh đơn gi n hóa-RISC(Reduced Instruction Set Computer), m t kiểu c u tŕc đang thể hiện u thế trong các b xử lý.
Trong quá trình thực hiện đề tài này, ATmega 16 là chíp đ c lựa chọn để thực hiện, Codevision AVR và Proteus là 2 công c đ c sử d ng chủ yếu để thực hiện việc lập trình và mô phỏng.
Chức năng ngắt ngoài và các b Timer/Counter là 2 chức năng chính trong chip đ c sử d ng để tính tốc đ đ ng cơ từ các tín hiệu c m biến MAP, G và điện áp ắc quy.
5.1.2 ATmega 16 [10]
Sơ đồ chân của chíp ATmega 16
Hình 5.1: Sơ đ chân chíp ATmega 16 [10]
GVHD: PGS.TS ĐỗVăn Dũng 43 HVTH: Đinh Tấn Ngọc
B nhớFLASH có dung l ng 16 Kbytes, b nhớ EFROM 512 bytes, b nhớ EFRAM n i 1 Kbytes
10000 lần ghi/xóa trên b nhớ FLASH, 100000 lần ghi/ xóa trên b nhớ EFROM
Hai b Timer/Counter 8 bits có các hệ số chia tần số khác nhau và có chế đ so sánh, m t b Timer/Counter 16 bits với các hệ só chia tần số, chế đ so sánh và chế đ Capture
B đếm th i gian thực với dao đ ng riêng
Bốn kênh PWM, tám kênh chuyển đổi ADC 10 bits, 32 kênh I/O Điện áp ho t đ ng từ 4,5V đến 5,5V
Xung nhịp th ch anh từ0 đến 16MHz
5.1.3 Ng t ngoài AVR
Interrupts, th ng đ c gọi là ngắt, là m t tín hiệu khẩn c p g i đến b xử lý, yêu cầu b xử lý t m ngừng tức khắc các ho t đ ng hiện t i để “nh y” đến m t nơi khác thực hiện m t nhiệm v khẩn c p nào đó, nhiệm v này gọi là trình ph c v ngắt – isr (interrupt service routine ). Sau khi kết thúc nhiệm v trong isr, b đếm ch ơng trình sẽ đ c tr về giá trị tr ớc đó để b xử lý quay về thực hiện tiếp các nhiệm v còn dang d . Nh vậy, ngắt có mức đ u tiên xử lý cao nh t, ngắt th ng đ c dùng để xử lý các sự kiện b t ng nh ng không tốn quá nhiều th i gian.
Ngắt ngoài là ngắt đ c lập với các thiết bị của chíp. Trong khi các ngắt khác th ng gắn với các thiết bị khác nh ngắt tràn Timer/Counter, ngắt trong giao tiếp nối tiếp USART, ngắt trong chuyển đổi ADC… thì ngắt ngoài th ng sử d ng khi giao tiếp giữa ng i dùng và chíp thông qua các thiết bị ngo i vi, tức là các chân ngắt ngoài ph i đ c thiết lập là ngõ vào của vi điều khiển. Trên chíp ATmega 16 có ba chân ngắt ngoài là INT0 (chân 16), INT1 (chân 17) và INT 2 (chân 3).
Có bốn thanh ghi liên quan đến ngắt ngoài trên chíp ATmega 16 là MCUCR, MCUCSR, GICR và GIFR.
MCUCR: Thanh ghi điều khiển MCU (MCU Control Register): Thanh ghi MCUCR thiết lập chế đ ngắt cho ngắt ngoài
GVHD: PGS.TS ĐỗVăn Dũng 44 HVTH: Đinh Tấn Ngọc Hình 5.2: Thanh ghi MCUCR [10]
MCUCR là m t thanh ghi 8 bits, nh ng chỉ có 4 bits th p sử d ng cho ho t đ ng ngắt ngoài. Trong đó, 2 bits ISC11 và ISC10 dùng cho INT1 và 2 bits ISC01 và ISC00 dùng cho INT0. Khi có m t ngắt ngoài kết nối vào ATmega 16 (nh nh n m t nút nh n chẳng h n), có bốn tr ng thái xu t hiện chân ngắt ngoài: HIGH (mức điện áp cao) là giá trị th ng trực khi không nh n nút, LOW (mức điện áp th p), Falling Edge (c nh xuống), Rising Edge (c nh lên). Việc tr ng thái nào sẽ kích ho t ngắt ngoài INT0 hay INT1 ho t đ ng do thanh ghi này quy định.
Hình 5.3: Kết nối ngắt ngoài vào ATmega 16 [9]
5.1.4 Giao ti p AVR và Text LCD
Có 2 ph ơng pháp giao tiếp giữa chíp AVR và Text LCD là giao tiếp data 8 bít và 4 bits.
Trong đề tàinày, chế đ truyền dữ liệu 4 bits đ c sử d ng vì m t số lý do sau: Tiết kiệm cổng cho vi điều khiển
Thiết lập và lập trình truyền dữ liệu 4 bits nay đư dễ dàng với các lệnh có sẵn nh vào th viện lập trình alcd.h và phần mềm Codevision AVR nên 8 bit là không cần thiết.
GVHD: PGS.TS ĐỗVăn Dũng 45 HVTH: Đinh Tấn Ngọc Hình 5.4: Kết nối LCD và vi điều khiển ATmega 16 ̉ chếđộ 4 bits
5.2 S ăđ nguyên lý m ch thi t k : Nhằm t o điều kiện thuận l i cho việc sửa chữa thiết bị đo và cho việc phát triển đề tài theo nhiều h ớng mới, ng i thực hiện đề tài quyết định thiết kế và thi công các m ch r i nhau theo chức năng và kết nối các m ch này l i với nhau bằng dây dẫn. Các m ch chức năng gồm:
5.2.1ăS ăđ nguyên lý m ch ngu n
Hình 5.5: Sơ đ mạch ngu n 12V
Nguyên lý ho t đ ng: Nguồn điện xoay chiều 220V AC đ c h áp xuống 15V AC nh vào b biến áp TR1, rồi đ c chỉnh l u bằng b chỉnh l u cầu 4 diode cho ra 2 mức điện áp 1 chiều là +15V và -15V. Hai mức điện áp đ c đặt lần l t vào ngõ vào của IC 7812 và IC 7912. IC 7812 và IC 7912 là hai IC ổn áp thu c dòng IC 78xx và 79xx. Trong đó, dòng 78xx cho ổn định điện áp đầu ra là d ơng, dòng (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
GVHD: PGS.TS ĐỗVăn Dũng 46 HVTH: Đinh Tấn Ngọc
79xx cho ổn định điện áp ra là âm, chỉ số xx cho biết giá trị điện áp đầu ra. Khi đó, điện áp ngõ ra của IC 7812 và 7912 lần l t là +12V và -12V, dòng điện ra là kho ng 1A. Các cặp t có điện dung cao và th p đ c mắc song song có tác d ng chống nhiễu, ổn định điện áp.
Hình 5.6: Sơ đ chân IC 7812 và 7912
5.2.2ăS ăđ nguyên lý m ch ngu n 5V
Hình 5.7: Sơ đ mạch ngu n 5V
Nguyên lý ho t đ ng: T ơng tự nh m ch nguồn 12V, đây m t IC ổn áp của dòng 78xx cũng đ c sử d ng là IC 7805. Ngõ vào của IC 7805 là điện áp 12V từ m ch nguồn 12V, ngõ ra cho mức điện áp 5V. Các t mắc song song có tác d ng dập nhiễu. Diode D12 có tác d ng ngăn dòng ng c để b o vệ m ch nguồn. Ngoài ra, nguồn 5V còn có thểđ c l y trực tiếp từ cổng USB của máy tính.
5.2.3 S ăđ nguyên lý m ch xử lý tín hi u PIM, G và BATT(Toyota)
M c đích của m ch xử lý là biến đổi các dao đ ng có tính chu kì của tín hiệu đầu vào thành các tín hiệu ra d ng xung vuông có thể đếm đ c để đ a vào chân ngắt ngoài của vi điều khiển. Trình tự xử lý từng tín hiệu c thể nh sau:
GVHD: PGS.TS ĐỗVăn Dũng 47 HVTH: Đinh Tấn Ngọc Hình 5.8: Mạch xử lý tín hiệu cảm biến MAP
- Biên dang tín hiệu c m biến MAP: Đặc điểm của tín hiệu này là các dao đ ng có tính chu kỳ theo quá trình n p của từng xi lanh có giá trị nhỏ đối với đ ng cơ nhiều xi lanh (th ng kho ng 100mV đối với đ ng cơ 4 xi lanh), trong khi đó, giá trị điện áp trung bình không ổn định mà thay đổi theo tốc đ và t i của đ ng cơ. Do vậy không thể biến đổi tín hiệu về xung vuông ngay đ c.
Hình 5.9: Dạng tín hiệu của cảm biến MAP khi tăng giảm tốc
B ớc xử lý đầu tiên cần tiến hành là lọc bỏ thành phần điện áp m t chiều để l i tín hiệu điện áp xoay. Điều này đ c thực hiện bằng m t t C1 100nF mắc nối tiếp và cặp diode D1 và D2. Giá trị dao đ ng của điện áp đ c khuếch đ i nh Opamp TL084 với hệ số khuếch đ i có thể thay đổi nh biến tr RV1. M c đích của việc thay đổi hệ số khuếch đ i là để thiết bị phù h p cho nhiều lo i đ ng cơ mới và cũ khác nhau (các đ ng cơ này sẽcó biên đ dao đ ng khác nhau).
Đặc điểm của đ chân không đ ng ống n p đ ng cơ là càng kém r̃ ràng khi đ ng cơ có càng nhiều xi lanh. Nguyên nhân của việc này là do nh h ng qua l i của các
GVHD: PGS.TS ĐỗVăn Dũng 48 HVTH: Đinh Tấn Ngọc
xi lanh lên quá trình n p của m t xi lanh gây ra các xung nhiễu. Khi khuếch đ i thì các tín hiệu nhiễu này cũng đ c khuếch đ i theo. Do vậy, cần h n chế các nhiễu này bằng b lọc thông th p gồm điện tr R2 15k và t C2 100nF. M ch lọc thông th p chỉ cho các tín hiệu có tần số th p đi qua, những tín hiệu có tần số lớn hơn khi đi qua đều bị m ch h p th năng l ng và biên đ ra của tín hiệu đó sẽ nhỏ hơn. Điều này thể hiện qua hàm truyền đ t K(s)(biểu thị mối quan hệ giữa biến đổi Laplace đầu ra và đầu vào d ới d ng số phức) của m ch lọc nh sau:
K(s) = = (5.1)
Nếu đặt số phức s=j.2πf, với j là đơn vị o và f là tần số của tín hiệu, thì môđun của K(s) biểu thị tỉ số giữa biên đ tín hiệu đầu ra và biên đ tín hiệu đầu vào đ c biểu diễn nh sau:
|K(j2πf)| = (5.2)
Tần số cắt của b lọc thông th p đ c tính theo công thức:
f c= = 106,1 Hz (5.3)
D i tốc đ của đ ng cơ đốt trong 4 kỳ kiểu piston dùng trên ô tô th ng nằm trong d i từ600 đến 6000 rpm. Với đ ng cơ 4 xi lanh, m i vòng quay của tr c khuỷu có 2 thì n p diễn ra, tức là tần số dao đ ng của tín hiệu áp su t chân không và tín hiệu chân PIM c m biến MAP sẽ g p đôi tần sốứng với tốc đ đ ng cơ.
fMAP = (RPM/ 60).2 = RPM/30 (5.4) D i tần số của tín hiệu MAP là từ 20 – 200 Hz, trong khi đó, tín hiệu nhiễu sẽ có tần số không nhỏ hơn 5 lần tín hiệu chính (dựa vào tín hiệu thực tế đo đ c đư đ c phân tích Ch ơng 3)
T i tần số f0 = 20Hz: |K(j2πf0)| = 0,98, biên đ tín hiệu suy gi m 1,02 lần. Coi tần số nhiễu là 100 Hz thì biên đ của nhiễu suy gi m tới 1,37 lần
T i tần số cắt fc= 106,1 Hz, biên đ tín hiệu chính gi m lần, trong khi nhiễu có tần số 503.5 Hz, biên đ suy gi m tới 4,85 lần
GVHD: PGS.TS ĐỗVăn Dũng 49 HVTH: Đinh Tấn Ngọc
T i tần số lớn nh t của tín hiệu đ́ng là 200 Hz, biên đ gi m đi 2.13 lần trong khi nhiễu 1 kHz biên đ gi m 9.48 lần
Nh vậy, việc chọn R2, C2 nh vậy là h p lý để đ m b o tín hiệu gốc không suy gi m nhiều và h n chế đ c nhiều nhiễu.
Hình 5.10:So sánh tín hiệu cảm biến MAP trước và sau mạch lọc thông thấp
Tín hiệu sau cùng đ c đ a và m ch Trigger Smith dùng IC NE555. Dòng IC 555 là s n phẩm của hưng CMOS, đ c sử d ng phổ biến trong thiết bị t o xung vuông chính xác hay điều r ng xung PWM. Thông số cơ b n của IC 555:
- Điện áp đầu vào : 2 - 18V ( Tùy từng lo i của 555 : LM555, NE555, NE7555..) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Dòng điện cung c p : 6mA - 15mA - Điện áp logic mức cao : 0,5 - 15V - Điện áp logic mức th p : 0,03 – 0,06V - Công su t lớn nh t là : 600mW
C u t o bên trong của IC 555 gồm hai Opamp, m tb Flip Flop, điện tr và Opamp. Bên trong còn có ba điện tr mắc nối tiếp chia điện áp VCC thành ba phần. C u t o này t o nên điện áp chuẩn. Điện áp 1/3 VCC nối vào chân d ơng của Op- amp 1 và điện áp 2/3 VCC nối vào chân âm của Op-amp 2.
GVHD: PGS.TS ĐỗVăn Dũng 50 HVTH: Đinh Tấn Ngọc Hình 5.11: Sơ đ chân và cấu tạo bên trong IC 555
Nguyên lý ho t đ ng của IC 555 chếđ xén t o xung vuông nh sau:
- Nếu VTrigger< Vcc/3 và VThreshold < Vcc/3, Opamp 1 dẫn, Opamp 2 ngắt, S = 1 (5V), R = 0 (0V) nên Q = 1 (5V), Ǭ = 0. Vout = 5V.
- Điện áp chân Trigger và Threshold tăng. Nếu Vcc/3 < VTrigger< 2Vcc/3 và Vcc/3 < VThreshold < 2Vcc/3, Opamp 1 ngắt, Opamp 2 ngắt, S = 0, R = 0 nên Flip Flop giữ nguyên đầu ra Q = 1 (5V), Ǭ = 0. Vout = 5V.
- Điện áp chân Trigger và Threshold tiếp t c tăng. Nếu VTrigger> 2Vcc/3 và
VThreshold > 2Vcc/3, Opamp 1 ngắt, Opamp 2 dẫn, S = 0, R = 1 nên Q = 0, Ǭ = 1. Vout
= 0V.
- Gi m điện áp chân Trigger và Threshold. Nếu Vcc/3 < VTrigger< 2Vcc/3 và Vcc/3 < VThreshold < 2Vcc/3, Opamp 1 ngắt, Opamp 2 ngắt, S = 0, R = 0 nên Flip Flop giữ nguyên đầu ra Q = 0 , Ǭ = 1. Vout = 0V.
- Tiếp t c gi m điện áp cho đến khi VTrigger< Vcc/3 và VThreshold < Vcc/3, Opamp 1 dẫn, Opamp 2 ngắt, S = 1 (5V), R = 0 (0V) nên Q = 1 (5V), Ǭ = 0. Vout = 5V.
GVHD: PGS.TS ĐỗVăn Dũng 51 HVTH: Đinh Tấn Ngọc Hình 5.12: Tín hiệu sau khi qua mạch Trigger Smith dùng IC 555
Nh vậy, nh vào đặc điểm của IC 555 mà các xung nhiễu vẫn còn dù đư lọc thông th p cũng không gây ra sai lệch khi biến đổi kết qu ra xung vuông.
Tín hiệu c m biến G: b n thân tín hiệu G đư có sẵn c nh xuống nên chỉ cần mắc nối tiếp tín hiệu với điện tr 1kΩ và mắc song song với Zener 5,1V làm nhiệm v xén xung tín hiệu khi giá trị điện áp tăng cao tốc đ cao.
Hình 5.13: Xử lý tín hiệu cảm biến G
GVHD: PGS.TS ĐỗVăn Dũng 52 HVTH: Đinh Tấn Ngọc
Tín hiệu điện áp ắc quy: Đặc điểm của tín hiệu này khá giống vớitín hiệu c m biến MAP. Giá trị trung bình của điện áp tín hiệu lớn và không ổn định (nằm trong kho ng từ 13,8 đến 14,2 V theo ho t đ ng của tiết chế). Có thành phần trong tín hiệu này có thể dùng để xác định tốc đ đ ng cơ là các đỉnh hình sin còn l i sau ho t đ ng của b chỉnh l u và sự s t áp của điện áp ắc quy do ho t đ ng đánh lửa của đ ng cơ. Khi xác định tốc đ đ ng cơ theo thành phần thứ hai (nguyên nhân chọn thành phần thứ hai đư đ c trình bày phần tr ớc), thành phần thứ nh t tr thành tín hiệu nhiễu có tần số cao.
Tần số của tín hiệu đánh lửa:
fIGT = RPM/30= fMAP (5.5)
Tần số của tín hiệu điện áp máy phát 3 pha sau chỉnh l u:
fmáy phát = 6.i.p.RPM/ 60 (5.6) Từ thực nghiệm ta cũng có ph ơng pháp xử lý tín hiệu này hoàn toàn t ơng tự nh xử lý tín hiệu c m biến MAP kèm theo m tcầu phân áp để h điện áp tín hiệu xuống tr ớc khi đ a vào xử lý.
Hình 5.15: Mạch xử lý tín hiệu điện áp ắc quy
GVHD: PGS.TS ĐỗVăn Dũng 53 HVTH: Đinh Tấn Ngọc Hình 5.16: Mạch giao tiếp ATMEGA16
Các tín hiệu vào MAP, G và BATT lần l t đ a vào ba chân ngắt ngoài INT1/PD3, INT0/PD2 và INT2/PB2. Bên c nh đó có các LED và ńt nh n để kiểm tra ho t đ ng của vi điều khiển ATMEGA16 với m t sốch ơng trình cơ b n
5.2.5ăS ăđ m ch hi n th LCD
Hình 5.17: Mạch hiển thị LCD
GVHD: PGS.TS ĐỗVăn Dũng 54 HVTH: Đinh Tấn Ngọc
5.3 Thu t toán xử lý
5.3.1 Thu t toán tính t căđ đ ngăc
Ph ơng pháp xửlý cơ b n là tính chu kì của tín hiệu, sau đó tính ra giá trị tần số của tín hiệu f = 1/T rồi dựa vào mối liên hệ giữa tần số tín hiệu và tốc đ đ ng cơ để tính ra tốc đ đ ng cơ. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Để tính chu kì của tín hiệu, ta đếm kho ng th i gian giữa hai mức th p hoặc