3.4.1.1. Arduino Uno
Arduino Uno là 1 bo mạch thiết kế với bộ xử lý trung tâm là vi điểu khiển AVR Atmega328. Cấu tạo chính của Arduino Uno bao gồm các phần sau:
43
Hình 3.8 Arduino Uno
Cổng USB: đây là loại cổng giao tiếp để ta upload code từ PC lên vi điều khiển. Đồng thời nó cũng là giao tiếp serial để truyền dữ liệu giữa vi điều khiển và máy tính.
Jack nguồn: để chạy Arduino thỉ có thể lấy nguồn từ cổng USB ở trên, nhưng không phải lúc nào cũng có thể cắm với máy tính được . Lúc đó ta cần một nguồn từ 9V đến 12V. Có 14 chân vào/ra số đánh số thứ tự từ 0 đến 13, ngoài ra có một chân nối đất (GND) và một chân điện áp tham chiếu (AREF).
Vi điều khiển AVR: đây là bộ xử lí trung tâm của toàn bo mạch. Với mỗi mẫu Arduino khác nhau thì con chip là khác nhau. Ở con Arduino Uno này thì sử dụng ATMega328.
Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V. Thường thì cấp nguồn bằng pin vuông 9V là hợp lí nhất nếu bạn không có sẵn nguồn từ cổng USB. Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, bạn sẽ làm hỏng Arduino Uno.
Các chân năng lượng:
- GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO. Khi bạn dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau.
-5V: cấp điện áp 5V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.
-3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA.
-Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND.
-IORF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được đo ở chân này. Và dĩ nhiên nó luôn là 5V. Mặc dù vậy bạn không được lấy nguồn 5V từ chân này để sử
44 dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn.
-RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.
Lưu ý: Arduino UNO không có bảo vệ cắm ngược nguồn vào. Do đó bạn phải hết sức cẩn thận, kiểm tra các cực âm – dương của nguồn trước khi cấp cho Arduino UNO. Việc làm chập mạch nguồn vào của Arduino UNO sẽ biến nó thành một miếng nhựa chặn giấy. Nên dùng nguồn từ cổng USB nếu có thể.
- Các chân 3.3V và 5V trên Arduino là các chân dùng để cấp nguồn ra
cho các thiết bị khác, không phải là các chân cấp nguồn vào. Việc cấp nguồn sai vị trí có thể làm hỏng board. Điều này không được nhà sản xuất khuyến khích.
- Cấp nguồn ngoài không qua cổng USB cho Arduino UNO với điện áp
dưới 6V có thể làm hỏng board.
- Cấp điện áp trên 13V vào chân RESET trên board có thể làm hỏng vi
điều khiển ATmega328.
-Cường độ dòng điện vào/ra ở tất cả các chân Digital và Analog của Arduino UNO nếu vượt quá 200mA sẽ làm hỏng vi điều khiển.
- Cấp điệp áp trên 5.5V vào các chân Digital hoặc Analog của Arduino
UNO sẽ làm hỏng vi điều khiển.
- Cường độ dòng điện qua một chân Digital hoặc Analog bất kì của
Arduino UNO vượt quá 40mA sẽ làm hỏng vi điều khiển. Do đó nếu không dùng để truyền nhận dữ liệu, bạn phải mắc một điện trở hạn dòng.
Các thông số chi tiết của Arduino Uno:
Bảng 3.1. Thông số Arduino Uno
Vi xử lý Atmega328
Điện áp hoạt động: 5V
Điện áp đầu vào: 7 – 12V
Điện áp đầu vào (Giới hạn): 6 – 20V
Chân vào/ra (I/O) số: 14 ( 6 chân có thể cho đầu ra PWM)
45
Chân vào tương tự: 6
Dòng điện trong mỗi chân I/O: 40mA Dòng điện chân nguồn 3.3V: 50mA
Bộ nhớ trong: 32 KB (Atmega328)
SRAM: 2 KB (Atmega328)
EEPROM: 1 KB (Atmega328)
Xung nhịp: 16MHz
Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu. Chúng chỉ có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA. Ở mỗi chân đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển ATmega328 (mặc định thì các điện trở này không được kết nối).
46 Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:
2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive – RX) dữ liệu TTL Serial. Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua 2 chân này. Kết nối bluetooth thường thấy nói nôm na chính là kết nối Serial không dây. Nếu không cần giao tiếp Serial, bạn không nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết.
Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với độ phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm analogWrite(). Nói một cách đơn giản, bạn có thể điều chỉnh được điện áp ra ở chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chân khác.
Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Ngoài các chức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác.
LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L). Khi bấm nút Reset, bạn sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu. Nó được nối với chân số 13. Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng.
Arduino UNO có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V. Với chân AREF trên board, bạn
có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog. Tức là nếu bạn cấp điện áp 2.5V vào chân này thì bạn có thể dùng các chân analog để đo điện áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit. Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác.
3.4.1.2. Transistor công suất TIP142
Thông số kỹ thuật:
Điện áp cực đại: UC = 100V Dòng cực đại: 10A
Hệ số khuếch đại: >50
Nhiệt độ làm việc: -65oC ~ 150oC
Transistor TIP142 là một phiên bản bổ sung cho TIP147, là transistor lưỡng cực – BJT. TIP42 có cấu tạo và hoạt động phân cực ngược NPN.
47 Transistor TIP142 được đóng gói theo chuẩn TO-220, thứ tự chân từ trái qua phải là B C E. TIP142 là transistor công suất có hệ số khuếch đại >50, công suất lên đến 150W.
TIP142 được ứng dụng rộng rãi trong các mạch điện tổng quát, mạch khuếch đại âm thanh, mạch khuếch đại công suất tuyến tính.
Hình 3.10. Transistor công suất TIP142. 3.4.1.3. Mạch so sánh LM358
LM358 là bộ khuếch đại thuật toán kép công suất thấp, bộ khuếch đại này có nhiều ưu điểm hơn so với các bộ khuếch đại thuật toán chuẩn trong các dùng nguồn đơn. Chúng có thể hoạt động ở nguồn điện áp thấp từ 3V đến 32V, với dòng tĩnh khoảng 1/5 dòng tĩnh của MC1741. Trong nhiều ứng dụng, dải điện áp lối vào đồng pha gồm cả nguồn âm, do đó có thể l cần thiết của các thành phần thiên áp bên ngoài trong nhiều ứng dụng áp lối ra cũng có thể bao gồm nguồn điện áp âm.
48 Các đặc trưng của IC LM358:
- Công suất cực máng thấp.
- Có 2 bộ khuyếch đại thuật toán bên trong IC, có độ lợi cao. - Tương thích với nhiều loại dạng mạch logic.
- Các chân lối ra tương thích với khuếch đại thuật toán kép MC1558. IC LM358 tương ứng với 1 nửa IC LM324.
Hình 3.12. Ký hiệu mạch IC khuếch đại thuật toán LM358.
Các tính năng của khuếch đại thuật toán: - Bảo vệ quá áp lối ra.
- Tầng khuếch đại vi sai lối vào. - Dòng cung cấp lối vào thấp. - Bù nội.
- Dải tín hiệu cùng pha mở rộng tới nguồn âm.
- Hoạt động với nguồn đơn(3V - 32V) hoặc nguồn đối xứng ±16V) Sơ đồ chân của vi mạch:
- Chân V+: Đầu vào tín hiệu không đảo. - Chân V-: Đầu vào tín hiệu đảo.
- Chân Vs+: Chân nguồn nuôi điện áp dương. - Chân Vs-: Chân nguồn nuôi điện áp âm. - Vout: Chân xuất tín hiệu điện áp ra.
49
Hình 3.13. Sơ đồ chân IC khuếch đại thuật toán LM358. 3.4.2. Tín hiệu từ động cơ để điều khiển bình điện phân
3.4.2.1. Bobin đánh lửa
Bô bin tạo ra điện áp cao đủ để phóng tia hồ quang giữa hai điện cực của bugi. Các cuộn sơ cấp và thứ cấp được quấn quanh lõi. Số vòng của cuộn thứ cấp lớn hơn cuộn sơ cấp khoảng 100 lần. Một đầu của cuộn sơ cấp được nối với IC đánh lửa, còn một đầu của cuộn thứ cấp được nối với bugi. Các đầu còn lại của các cuộn được nối với ắc quy.
Hoạt động của bô bin:
- Dòng điện trong cuộn sơ cấp: Khi động cơ chạy, dòng điện từ ắc quy chạy qua IC đánh lửa, vào cuộn sơ cấp, phù hợp với tín hiệu thời điểm đánh lửa (IGT) do ECU động cơ phát ra. Kết quả là các đường sức từ trường được tạo ra chung quanh cuộn dây có lõi ở trung tâm.
- Ngắt dòng điện vào cuộn sơ cấp: Khi động cơ tiếp tục chạy, IC đánh lửa nhanh chóng ngắt dòng điện vào cuộn sơ cấp, phù hợp với tín hiệu IGT do ECU động cơ phát ra. Kết quả là từ thông của cuộn sơ cấp giảm đột ngột. Vì vậy, tạo ra một sức điện động theo chiều chống lại sự giảm từ thông hiện có, thông qua tự cảm của cuộn sơ cấp và cảm ứng tương hỗ của cuộn thứ cấp. Hiệu ứng tự cảm tạo ra một thế điện động khoảng 500 V trong cuộn sơ cấp, và hiệu ứng cảm ứng tương hỗ kèm theo của cuộn thứ cấp tạo ra một sức điện động khoảng 30 kV. Sức điện động này làm cho bugi phát ra tia lửa. Dòng sơ cấp càng lớn và sự ngắt dòng sơ cấp càng nhanh thì điện thế thứ cấp càng lớn.
50
Hình 3.14. Sơ đồ hoạt động của bobin đánh lửa. 3.4.2.2. Tín hiệu đánh lửa IGT
ECU động cơ tính toán thời điểm đánh lửa tối ưu theo các tín hiệu từ các cảm biến khác nhau và truyền tín hiệu IGT đến IC đánh lửa.
Tín hiệu IGT được bật ON ngay trước khi thời điểm đánh lửa được bộ vi xử lý trong ECU động cơ tính toán, và sau đó tắt đi. Khi tín hiệu IGT bị ngắt, bugi sẽ đánh lửa.
Hình 3.15. Tín hiệu IGT. 3.4.3. Điều khiển bình điện phân
Theo tính toán lưu lượng HHO cần thiết ở công thức (3.16). Lưu lượng HHO cần thiết sẽ phụ thuộc vào công suất định mức Pđm và tốc độ động cơ. Ở dải tốc độ thấp hơn sẽ cần lưu lượng HHO thấp hơn, do đó không thể sử dụng nguồn cố định để đưa vào bình điện phân mà cần phải sử dụng nguồn thay đổi dựa trên tốc độ động cơ và có thể điều
51 chỉnh trên mức độ lưu lượng HHO cần thiết của xe thực tế. Do đó, nguồn ắc quy sử dụng cho bình điện phân sẽ qua bộ điều khiển trung gian. Bộ điều khiển này được em tự chế gồm có những thiết bị điện tử đã được giới thiệu phía trên.
Bộ điều khiển trung tâm là bo mạch Arduino sẽ nhận tín hiệu đầu vào là tín hiệu đánh lửa IGT ở dạng xung, nhưng do tín hiệu có điệp áp và cường độ dòng điện cao nên không thể đi trực tiếp vào bo mạch arduino để xử lý và cũng như để tránh các tín hiệu bị nhiễu từ tín hiệu IGT, do đó tín hiệu từ bobin sẽ đi qua IC so sánh điện áp LM358 để so sánh với một điện áp khác và xuất ra dòng điện có tín hiệu tương tự như tín hiệu của IGT. Để làm được điều đó, cần xác định được các điện áp đầu vào của tín hiệu IGT và điện áp cần so sánh với nó. Tín hiệu IGT được đo bằng VOM, vì ở dạng xung nên giá trị đo dược dao động từ 11V đến 13V, do đó tín hiệu so sánh với IGT sẽ phải ở mức từ 1 đến 10Vôn và sẽ đi vào chân số 2, IGT ở chân số 3 của IC LM58. Để sử dụng cả 2 tín hiệu trên từ nguồn ắc quy có giá trị điện áp xấp xỉ 12V, ta sử dụng mạch cầu phân áp cho 2 nguồn với giá trị như Hình 3.13, từ tín hiệu IGT sẽ đi qua cầu phân áp và đi vào chân số 3 với giá trị điện áp dao động từ 11
3 ÷13
3 V, tín hiệu điện áp so sánh từ ắc quy qua cầu phân áp sẽ giảm còn 3V.
Hình 3.16. Sơ đồ mạch cầu phân áp.
Như vậy khi chưa có tín hiệu IGT chân số 3 có giá trị 0V thấp hơn giá trị của chân số 2 từ tín hiệu so sánh. Do đó LM358 sẽ xuất ra giá trị ở mức Low 0V. Khi có có tín hiệu từ chân IGT, chân số 3 nhận giá trị dao động từ 11
3 ÷13
52 LM358 sẽ xuất ra giá trị ở mức Hight 5V (sử dụng nguồn điện của Arduino). Nhờ vậy Arduino sẽ nhận được tín hiệu dạng xung tương tự như tín hiệu của IGT ở tốc độ cầm chừng như Hình 3.14 và khi tăng tốc như Hình 3.15.
Hình 3.17. Tín hiệu xung IGT ở tốc độ cầm chừng.
Hình 3.18. Tín hiệu IGT khi tăng tốc.
Mặc dù tần số tín hiệu IGT khi tăng tốc lớn hơn tần số khi ở chế độ cầm chừng. Tuy nhiên độ rộng xung của tín hiệu khi tăng tốc khá nhỏ và không đồng nhất với lưu lượng HHO cần thiết theo công thức (3.16) để đáp ứng trên động cơ nên tín hiệu trên cần phải được chuyển đổi biên dạng xung bằng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM.
53 Để điều chế độ rộng xung, trong mã lập trình code Arduino, em sử dụng phương pháp lưu trữ thời gian (millis) tại thời điểm kích (sử dụng hàm ngắt Interrupt ở trạng thái
RISING) và sử dụng hàm độ trễ (Delay) để lưu trữ biến thời gian và thay đổi nó theo mức độ điện phân cần thiết như Hình 3.16 và Hình 3.17. Sau đó vi điều khiển sẽ xuất xung PWM đã chuyển đổi này đến chân tạo xung số 10 trên Arduino, và chân số 10 sẽ kích transistor Tip142 cho dòng điện đi qua bình điện phân từ nguồn ắc qui.
Hình 3.19. Xung PWM sau khi chuyển đổi ở tốc độ cầm chừng.
54 Mặc dù ta đã xuất ra được giá trị xung vuông như yêu cầu, tuy nhiên trong thực tế bo mạch cần một khoảng thời gian (độ trễ) đễ có thể đưa được tín hiệu từ thấp lên cao. Trong quá trình chuyển từ thấp lên cao, dòng điện của xung PWM sẽ đủ lớn để có thể kích transistor (0,5A), dung sai ở một tốc độ rất nhanh khoảng vài micro giây nên rất khó để tính toán chính xác thời điểm transistor bị kích. Lưu lượng theo tính toán cũng có sự sai biệt với thực tế, do đó lượng HHO sẽ được điều khiển theo thực nghiệm bằng cách thay đổi giá trị biến thời gian trong mã lập trình.
55
3.4.3. Mô hình thực tiễn của đề tài
56
Hình 3.23. Bộ điều khiển điện phân.
57
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN 4.1. Kết quả đạt được
Sau một thời gian tiếp nhận và tìm hiểu về đề tài thì nhóm cũng đã thu nhận một số kết quả khả quan. Nhóm đã tìm hiểu cũng như nắm bắt lý thuyết về khí HHO cũng như về việc điều chế và ứng dụng khí HHO vào động cơ một cách có hiệu quả. Về phần mô hình, nhóm xây dựng hướng phát triển để ứng dụng mô hình vào động cơ xe gắn máy cũng như kiểm soát và điều khiển quá trình điện phân.
4.2. Khó khăn và những vấn đề còn tồn tại
Do trình độ chuyên môn chưa cao nên việc đưa vào thực tiễn còn nhiều sai sót,