L ỜI NĨI ĐẦU
3.3.1 Nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển
Sơ đồ hệ thống điều khiển gồm 3 khối chính là khối đầu vào, khối xử lý trung tâm và khối đầu ra. Nhiệm vụ của khối đầu vào bao gồm việc thu thập các tín hiệu đo lường từ các cảm biến, tín hiệu điều khiển từ thiết bị điều khiển
ECU
Cảm biến tốc độ Cảm biến nhiệt độ khí xả
Cơ cấu chấp hành điều khiển tay ga động cơ Bộ phím điều khiển Hiển thị LCD Cảm biến vị trí tay ga Ví dụ 3
và gửi tới bộ xử lý trung tâm. Bộ xử lý trung tâm sau khi nhận tín hiệu sẽ tiến hành chuyển đổi, tính tốn, phân tích và xuất các tín hiệu điều khiển cho khối đầu ra. Khối đầu ra bao gồm thiết bị hiển thị và các mạch điều khiển các cơ cấu chấp hành.
3.3.1.1 Khối đo thơng số đầu vào:
- Cảm biến tốc độ: cĩ nhiệm vụ báo tín hiệu cho ECU khi động cơ làm việc, trên cơ sở số vịng quay đo được ECU sẽ tính tốn giá trị của tốc độ quay, tốc độ quay của động cơ được tính tốn theo cơng thức sau:
t
d d
n = j
Trong đĩ: n – tốc độ quay (rad/s) dφ – gĩc đo được (rad)
dt – thời gian ứng với gĩc đo(s).
Tốc độ n là giá trị thực đo được trên động cơ, căn cứ vào giá trị này mà ECU sẽ quyết định mức cơng suất cung cấp cho động cơ phối trộn trên cơ sở tham chiếu giá trị tốc độ mong muốn được cài đặt trước đĩ.
- Cảm biến nhiệt độ: cĩ nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu của nhiệt độ mơi trường thành tín hiệu điện đưa tới ECU. Các cảm biến nhiệt độ cĩ trên thị trường thường cĩ độ phân giải thấp. Vì vậy để tín hiệu truyền đến ECU đủ lớn ta phải thiết kế thêm 1 mạch khuyếch đại tín hiệu.
3.3.1.2 Bộ xử lý trung tâm –ECU:
Để đảm bảo khả năng điều khiển mềm dẻo của hệ thống ta lựa chọn phương án xây dựng bộ xử lý trung tâm bằng vi điều khiển. Các vi điều khiển thích hợp cho các thiết kế nhỏ, với các thành phần thêm vào tối thiểu nhằm thực hiện các hoạt động hướng điều khiển. Một vi điều khiển là một mạch đơn chứa bên trong một CPU và các mạch khác để tạo nên một hệ máy tính đầy đủ. Ngồi CPU, các bộ vi điều khiển cịn chứa bên trong chúng các RAM, ROM, mạch giao tiếp nối tiếp, mạch giao tiếp song song, bộ định thời và các mạch điều khiển ngắt. Tất cả đều hiện diện bên trong một vi mạch. Một đặc trưng quan trọng của bộ vi điều khiển là hệ thống ngắt được thiết kế bên trong chip. Vì
vậy, trong các thiết kế hướng điều khiển các bộ vi điều khiển đáp ứng với các tác động bên ngồi (các ngắt) theo thời gian thực.
Với tính năng điều khiển được thiết lập bằng lập trình trên phần mềm cho phép dễ dàng sửa đổi giải thuật cũng như khả năng thay đổi chương trình nhằm thích ứng với các đối tượng đầu vào là các động cơ cĩ cơng suất cũng như chủng loại khác nhau. Điều này thật sự thuận tiện cho quá trình chuyển giao cơng nghệ sau này.
3.3.1.3 Khối đầu ra:
- Hiển thị LCD: cho phép hiển thị các giá trị tức thời của các thơng số khi động cơ làm việc như chế độ làm việc: auto hay manual, vị trí % tay ga, tốc độ quay n, nhiệt độ khí xả Tx.
- Cơ cấu chấp hành: Xuất tín hiệu điều khiển tới cơ cấu chấp hành, thay đổi vị trí tay ga nhiên liệu của động cơ.
3.3.2 Lựa chọn thiết bị cho hệ thống. 3.3.2.1. Cảm biến nhiệt độ khí xả
Cảm biến nhiệt độ khí xả cĩ nhiệm vụ lấy thơng số nhiệt của khí xả đưa về khối điều khiển trung tâm. Khối điều khiển trung tâm sẽ xử lý và xuất ra giá trị nhiệt độ khí xả ra LCD. Giá trị nhiệt độ này được cập nhật liên tục, vi điều khiển căn cứ vào giá trị nhiệt độ này , so sánh, xử lý và đưa ra quyết định điều khiển vị trí tay ga động cơ. Hiện nay cĩ rất nhiều loại cảm biến nhiệt độ như cặp nhiệt điện, nhiệt điện trở, thermistor, bán dẫn ( Diode, các loại IC: LM35, LM335, LM45 ,….). Ngồi ra cịn cĩ loại đo nhiệt khơng tiếp xúc ( hỏa kế- Pyrometer ). Dùng hồng ngoại hay lazer. Nguyên tắc chung của chúng là nhiệt độ từ mơi trường sẽ được cảm biến hấp thu, tại đây tùy theo cơ cấu của cảm biến sẽ biến đại lượng nhiệt này thành một đại lượng điện nào đĩ. Như thế một yếu tố hết sức quan trọng đĩ là “ nhiệt độ mơi trường cần đo” và “nhiệt độ cảm nhận của cảm biến”.
Cảm biến nhiệt độ mà ta sử dụng là cặp nhiệt điện ( Thermocouples ). Đây là một loại cảm biến dùng rất rộng rãi và cĩ thang đo nhiệt độ khá cao. - Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính một đầu.
- Nguyên lý: Nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi ( mV). - Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao.
- Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số. Độ nhạy khơng cao. - Thường dùng: Lị nhiệt, mơi trường khắt nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,… - Tầm đo: -100 D.C <1400 D.C
Cặp nhiệt điện gồm 2 dây kim loại khác nhau được hàn dính 1 đầu gọi là đầu nĩng ( hay đầu đo), hai đầu cịn lại gọi là đầu lạnh ( hay là đầu chuẩn ). Khi cĩ sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nĩng và đầu lạnh thì sẽ phát sinh 1 sức điện động V tại đầu lạnh. Một vấn đề đặt ra là phải ổn định và đo được nhiệt độ ở đầu lạnh, điều này tùy thuộc rất lớn vào chất liệu. Do vậy mới cho ra các chủng loại cặp nhiệt độ, mỗi loại cho ra 1 sức điện động khác nhau: E, J, K, R, S, T.
Hình 3-19. Cấu tạo cặp nhiệt điện
Dây của cặp nhiệt điện thì khơng dài để nối đến bộ điều khiển, yếu tố dẫn đến khơng chính xác là chổ này, để giải quyết điều này chúng ta phải bù trừ cho nĩ ( offset trên bộ điều khiển ).
Hình 3-20. Cặp nhiệt điện
3.3.2.2 Cảm biến tốc độ quay của động cơ.
Cảm biến tốc độ cĩ nhiệm vụ đo tốc độ của động cơ, dựa vào tốc độ động cơ và nhiệt độ khí xả đo được, bộ xử lý trung tâm nắm được thơng số về trạng thái của máy, từ đĩ đưa ra quyết định điều khiển vị trí tay ga động cơ.
Cĩ nhiều phương pháp đo tốc độ nhưng thơng dụng nhất hiện nay dùng cảm biến quang. Đây là phương pháp đo dễ sử dụng, dễ dàng lắp đặt, bố trí trên động cơ. Tín hiệu từ cảm biến ra các dạng xung vuơng cĩ tần số thay đổi vào
tốc độ động cơ. Do đĩ các xung vuơng này được đưa vào bộ vi xử lý để đếm số xung trong khoảng thời gian cho phép từ đĩ ta cĩ thể tính được giá trị vận tốc của động cơ. Đây cũng là phương pháp mà người ta sử dụng để ổn định tốc độ động cơ hay điều khiển nhanh chậm.
Cảm biến tốc độ mà ta chọn là photointerrupter. Đây là loại cảm biến được sử dụng nhiều trong đo tốc độ quay. Nĩ làm việc tin cậy và sử dụng dễ dàng trong ứng dụng vi xử lý để chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang số.
Nguyên lý làm việc
Photointerrup cấu tạo gồm một mắt phát và mắt thu. Để đo tốc độ ta sử dụng một tấm nhơm mỏng gắn trên bánh đà của động cơ, khi bánh đà quay nĩ sẽ quay cùng với bánh đà. Khi tấm nhơm quay qua rãnh của photointerrup thì nĩ sẽ đĩng vai trị là vật cản chắn ánh sáng đi qua photointerrup, nĩ phá vỡ các chùm tia giữa mắt phát và mắt thu. Do đĩ tín hiệu qua mắt phát và mắt thu bị gián đoạn khi cĩ vật cản đi qua..
Hình 3-21. Hình ảnh minh họa phototransistor
Khi quay ánh sáng chiếu đến phototransistor lúc bị ngăn lại, lúc khơng bị ngăn lại làm cho tín hiệu ở cực colector là một chuỗi xung, Số xung đếm được và tăng lên nĩ tính bằng số lần ánh sáng bị cắt. Khi đĩ tín hiệu được truyền về bộ vi xử lý và chuyển thành số vịng quay.
Ký hiệu Thơng số Tối đa Đơn vị
Pd Năng lượng tiêu thụ 60 mW
VR Điện áp đảo chiều 5 V
Đầu vào I
F Cường độ dịng điện chuyển tiếp 50 mA
IC Cường độ dịng điện collector 20 mA
Đầu ra VCEO Điện áp collector-emiter 30 V
Bảng 3-5 Các thơng số của photointerupter ITR-H-0115
3.3.2.3. Cảm biến nhiệt độ nước làm mát
Cảm biến nhiệt độ mà ta sử dụng là cặp nhiệt điện ( Thermocouples )
3.3.2.4 Thiết bị hiển thị.
Hiện nay trên thị trường cĩ nhiều thiết bị hiển thị khác nhau như: led 7 đoạn, LCD (liquid crystal display), … sử dụng LCD cho phép hiển thị nhiều dịng một lúc và tiện lợi hơn là LCD khơng chiếm quá nhiều tài nguyên của vi điều khiển và nhiều khơng gian của bảng điều khiển. Chọn LCD Hitachi HD44780 20 kí tự x 4 dịng cho phép hiển thị đồng thời các thơng số đầu vào và đầu ra theo yêu cầu điều khiển.
Thơng số của Hitachi HD44780 như sau: ·1 Điện áp cung cấp: 2,7 ÷ 5,5 VDC. ·2 Dịng tiêu thụ: 2.5 mA. ·3 Nhiệt độ làm việc: 50 0C. Hình 3-22: LCD 3.3.2.5 ECU
Bộ xử lý trung tâm cĩ nhiệm vụ biến đổi các thơng số đầu vào như tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ nước làm mát, cảm biến nhiệt độ khi xả, cảm biến tốc độ động cơ, đưa về để xuất giá trị của chúng ra LCD. Từ các giá trị của tốc độ động cơ ta điều khiển cơ cấu chấp hành điều khiển tay LPG động cơ, van tiết lưu và đĩng mở van điện từ.
Hiện nay cĩ rất nhiều loại vi điều khiển trên thị trường đang được sử dụng như 8051, pic, AVR... nhưng loại vi điều khiển AVR hiện nay đang được sử dụng rất rộng rãi vì chúng cĩ tính năng ưu việt hơn các loại vi điều khiển khác. Bằng việc kết hợp 1 bộ 8-bit RISC CPU với In-System Self- Programmable Flash trong chỉ nguyên vẹn 1 chip Atmel AtmeLPG16L là một bộ vi điều khiển mạnh cĩ thể cung cấp giải pháp cĩ tính linh động cao, giá thành rẻ cho nhiều ứng dụng điều khiển nhung.
Hệ thống nhúng là một hệ tính tốn nằm trong sản phẩm, tạo thành một phần của hệ thống lớn hơn và thực hiện một số chức năng của hệ thống AtmeLPG16L AVR được hỗ trợ bởi bộ chương trình đầy đủ và các tool (tiện ich) để phát triển hệ thống, bao gồm: Bộ biên dịch C,macro assemblers, program debugger/simulators (chương trình mơ phỏng) in-circuit emulàtors (mạch mơ phỏng) và evàluation kits (kit phát triển).
Do đĩ ta lựa chọn vi điều khiển AtmeLPG16 làm bộ xử lý trung tâm trong mạch điều khiển.
TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN ATMEGA 16
Vi điều khiển AVR (Atmel Norway design) thuộc họ vi điều khiển Atmel, nĩ là họ Vi điều khiển mới trên thị trường cũng như đối với người sử dụng. Đây là họ Vi Điều Khiển được chế tạo theo kiến trúc RISC (Reduced Intruction Set Computer) cĩ cấu trúc khá phức tạp. Ngồi các tính năng như các họ vi điều khiển khác, nĩ cịn tích hợp nhiều tính năng mới rất tiện lợi cho người thiết kế và lập trình. Sự ra đời của AVR bắt nguồn từ yêu cầu thực tế là hầu hết khi cần lập trình cho vi điều khiển, chúng ta thường dùng những ngơn ngữ bậc cao HLL (Hight Level Lànguage) để lập trình ngay cả với loại chip xử lý 8 bit trong đĩ ngơn ngữ C là ngơn ngữ phổ biến nhất. Tuy nhiên khi biên dịch thì kích thước đoạn mã sẽ tăng nhiều so với dùng ngơn ngữ Assembly. Hãng Atmel nhận thấy rằng cần phải phát triển một cấu trúc đặc biệt cho ngơn ngữ C để giảm thiểu sự chênh lệch kích thước mã đĩ nĩi trên. Và kết quả là họ vi điều khiển AVR ra đời với việc làm giảm kích thước đoạn mã . Khi biên dịch và thêm vào đĩ là thực hiện lệnh đúng đơn chu kỳ máy với 32 thanh ghi tích lũy và đạt tốc độ nhanh hơn các họ vi điều khiển khác từ 4 đến 12 lần. Vì thế nghiên cứu AVR là một đề tài khá lý thú và giúp cho học sinh, sinh viên biết thêm một họ vi điều khiển vào loại mạnh hiện nay.
PHÂN LOẠI AVR
+ AT90S8535: Khơng cĩ lệnh nhân hoặc chia trên thanh ghi.
+ ATMELPG 8, 16, 32 (AVR loại 8 bit, 16 bit, 32 bit): Là loại AVR tốc độ cao, tích hợp sẵn ADC 10 bit.
+ AVR tích hợp sẵn LCD driver : AtmeLPG169,329
+ AVR cĩ tích hợp SC (power stage controller): AT90PWM thường dùng trong các ứng dụng điều khiển động cơ hay chiếu sáng nên chúng gọi là lighting AVRIS
+ Attiny11, 12, 15: AVR loại nhỏ.
CÁC ĐẶC ĐIỂM CHÍNH
1- Kiến trúc RISC ( cĩ nghĩa là máy tính dùng tập lệnh rút gọn, bộ vi xử lý kiểu này thực hiện ít lệnh hơn những bộ vi xử lý khác ) với hầu hết các lệnh cĩ chiều dài cố định, truy nhập bộ nhớ nạp – lưu trữ và 32 thanh ghi đa năng.
2- Cĩ nhiều bộ phận ngoại vi nLPGy trên chip, bao gồm: Cổng vào/ra số, bộ biến đổi ADC, bộ nhớ EEFROM, bộ định thời, bộ điều chế độ rộng xung…
3- Hầu hết các lệnh đều thực hiện trong một chu kỳ xung nhịp.
4- Hoạt động với chu kỳ xung nhịp cao, cĩ thể lên đến 20 MHz tùy thuộc từng loại chip cụ thể.
5- Bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu được tích hợp ngay trên chip. 6- Khả năng lập trình được trong hệ thống, cĩ thể lập trình được ngay khi đang được cấp nguồn trên bản mạch khơng cần phải nhấc chip ra khỏi bản mạch.
Hình 3-23: Sơ đồ chân và sơ đồ đĩng gĩi của vi điều khiển Atmega16
Để tối đa hĩa hiệu năng tính năng va song song, AVR sử dụng kiến trúc Harvard với bộ nhớ riêng biệt và các BUS cho chương trình và dữ liệu. Các câu lệnh trong bộ nhớ chương trình được hoạt với một đường ống lệnh mức đơn. Trong khi một lệnh đang thực hiện, lệnh tiếp theo sẽ được nạp trước vào từ bộ nhớ chương trình. Điều này làm cho các lệnh được thực hiện trong mọi chu kỳ đồng hồ. Bộ nhớ chương trình là bộ nhớ In-System Reprogrammable Flash. Tập thanh ghi truy cập nhanh bao gồm 32 thanh ghi đa năng 8 bit với thời gian truy cập là 1 chu kỳ đơn.
Điều này cho phép ALU hoạt động trong một chu kỳ đơn. Một thao tác điển hình với 2 tốn hạng được của ALU, 2 tốn hạng được lấy ra từ tệp thanh ghi để thực hiện, và là kết quả được lưu trữ lại trong tệp thành ghi trong một chu kỳ đồng hồ. 6 trong số 32 thành ghi cĩ thể sử dụng như là 3 thanh ghi con trỏ địa chỉ gián tiếp 16 bit để chỉ vào vùng dữ liệu phục vụ cho tính tốn địa chỉ hiệu dụng.
Hình 3-24: Sơ đồ cấu trúc của vi điều khiển Atmega16
Đặc điểm của ATMELPG 16
1. Kiến trúc RISC - Reduce Instruction Set Computer (cĩ nghĩa là máy tính dùng tập lệnh rút gọn, bộ vi xử lý kiểu này thực hiện ít lệnh hơn những bộ vi xử lý khác )
- 131 lệnh mạnh, hầu hết các lệnh thực hiện trong một chu kỳ. - 32 Thanh ghi 8-bit đa năng.
- Tốc độ thực hiện lên tới 16 triệu lệnh trong 1 giây với tần số 16MHz
- Cĩ 2 bộ nhân, mỗi bộ thực hiện trong thời gián 2 chu kỳ. - Các bộ nhớ chương trình và dữ liệu cố định.
- 16 Kb bộ nhớ flash cĩ khả năng tự lập trình trong hệ thống. - Cĩ thể thực hiện được 10.000 lần ghi/xĩa.
- Vùng mà Boot ta chọn với những bit khác độc lập.
- Lập trình trên trong hệ thống bởi chương trình on-chip Boot. - Thao tác đọc trong khi ghi thực sự.
- 512 bytes EEFROM.
- Cĩ thể thực hiện 100.000 lần ghi /xĩa. - 1Kb SRAM bên trong.
- Lập trình khĩa an ninh phần mềm