L ỜI NĨI ĐẦU
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
- Giao diện nối tiếp đồng bộ. Khi thực hiện trao đổi với các dữ liệu tương thích thì khung dữ liệu 8 bit giữa hai thiết bị được truyền đồng bộ ( cùng xung nhịp đồng hồ).
- Lập trình bộ nhớ Flash, EPROM, ngắt, khĩa, bit thơng qua giao diện JTAG.
Ghép nối ngoại vi:
- 2 bộ định thời/ bộ đếm 8 bit với các chế độ tỷ lệ định trước và chế độ so sánh.
- 1 bộ định thời/ bộ đếm 16 bit với các chế độ tỷ lệ định trước riêng biệt, chế độ so sánh và chế độ bắt giữ.
- Bộ thời gián thực với bộ tạo dao động riêng biệt. - Kênh PWM.
- Giao điện nối tiếp 2 dây hướng tới byte. - Bộ truyền tín nối tiếp USART khả trình. - Giao diện SPI chủ / tớ.
- Watchdog Timer khả trình với bộ tạo dao động bên trong riêng biệt. - Máy so mẫu tương tự bên trong.
Các đặc điểm đặc biệt khác.
- Power-on Reset và d. Brown-out khả trình. - Bộ tạo dao động được định cỡ bên trong. - Các nguồn ngắt bên trong và bên ngồi.
6 chế độ ngủ: Nhàn rỗi, giảm ồn ADC, tiết kiệm năng lượng, giảm năng lượng tiêu thụ, giảm năng lượng tiêu thụ, chờ, đĩng băng trạng thái . - I/O và các loại.
- 32 đường I/O khả trình.
- Điện áp hoạt động: 2.7 - 5.5 V. - Nhiệt độ hoạt động: -40oC - 85oC
Các tốc độ:
- 0-8 MHz khi điện áp 2.7 - 5.5 V, 0 – 16 MHz khi điện áp 4.5 - 5 V. - Tiêu thụ năng lượng tại 1 MHz, 3V, 25oC đối với ATmeLPG16L. - Hoạt động tích cực: 1.1mA.
- Chế độ nghỉ ở 0.35 mA.
Hình 3-25: Sơ đồ nguyên lý của ATmeLPG16
Kiến trúc AVR cĩ 2 khơng gián bộ nhớ chính bao gồm bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu. Thêm vào đĩ, AtmeLPG16L cĩ một bộ nhớ EEPROM để lưu trữ dữ liệu. Tất cả 3 khơng gian này là tuyến tính và như thường lệ.
3.3.2.6 Cơ cấu chấp hành- động cơ trợ động
Cĩ hai phương án sử dụng động cơ cho cơ cấu chấp hành: động cơ bước và động cơ servo
- Phương án sử dụng động cơ bước. Động cơ bước khơng quay một cách liên tục, mà từng gĩc nhỏ một, mỗi bước như vậy ứng với 360/n độ và vị trí của trục động cơ được xác định bằng tín hiệu xung đưa vào từ mạch điều khiển. Tất cả các mạch đảo phải được điều khiển bên ngồi bởi bộ điều khiển, và đặc biệt, các động cơ và bộ điều khiển được thiết kế để động cơ cĩ thể giữ nguyên bất kỳ vị trí cố định nào cũng như là quay đến bất kỳ vị trí nào.
Hầu hết các động cơ bước cĩ thể chuyển động ở tần số âm thanh, cho phép chúng quay khá nhanh, và với một bộ điều khiển thích hợp, chúng cĩ thể khởi động và dừng lại dễ dàng ở các vị trí bất kỳ. Động cơ bước điều khiển bằng xung, thường là xung nhiều pha.
Hình 3-26: Hình ảnh động cơ bước
- Phương án điều khiển tay ga dùng servo:
Động cơ servo motor là động cơ trợ động nĩi chung. Đĩ là cơ cấu thừa hành quay. Nĩ ra đời từ rất lâu, lúc các mạch khuếch đại đèn điện tử chân khơng cịn thịnh hành. Lúc đĩ, hệ điều khiển cịn hồn tồn là analog. Nĩ điều khiển liên tục, gĩc quay bất kỳ. Khơng bị giới hạn 360/n như motor bước.
Động cơ servo motor được thiết bị điều khiển từ kiểm sốt, chúng được sử dụng để cung cấp cho các hệ thống khác nhau, điều khiển cơ khí như tay lái
Hình 3-27. Phương án điều khiển tay ga dùng động cơ bước.
xe hơi, cánh máy bay đồ chơi. Servo bao gồm một động cơ điện được nối với một bộ bù áp. Sự biến điệu xung rộng tín hiệu được gửi đến servo.
Do cĩ khả năng làm việc tốt, độ tin cậy cao, và điều khiển đơn giản bằng vi xử lý, servo thường được sử dụng ở quy mơ nhỏ các ứng dụng robot.
Hình 3-28: Hình ảnh động cơ servo
Servo được điều khiển bởi ba dây: dây mát (thường là màu đen / cam), dây dương (đỏ) và dây kiểm sốt (nâu / màu sắc khác). Chuỗi dây này là khơng đúng cho tất cả các servos, ví dụ các Std S03NXF. Servo là dây như nâu (âm), màu đỏ (dương) và cam (tín hiệu).
Hình 3-29. Tay ga động cơ dùng servo
Phân tích lựa chọn cơ cấu chấp hành.
Cả hai loại động cơ đều đảm bảo được tính chính xác trong quá trình điều khiển nhưng chúng cũng cĩ một vài đặc điểm khác nhau.
bước bị phụ thuộc vào hình dạng rotor, cịn khả năng lặp lại vị trí của động cơ servo nĩi chung phụ thuộc vào sự độ ổn định của bộ tắc cơ và các linh kiện analog khác trong mạch hồi tiếp.
Động cơ bước cĩ thể được dùng trong hệ thống điều khiển vịng hở đơn giản. Những hệ thống này đảm bảo cho hệ thống điều khiển gia tốc với tải trọng tĩnh, nhưng khi tải trọng thay đổi hoặc điều khiển ở gia tốc lớn, người ta vẫn dùng hệ điều khiển vịng kín với động cơ bước. Nếu một động cơ bước trong hệ điều khiển vịng mở quá tải, tất cả các giá trị về vị trí của động cơ đều bị mất và hệ thống phải nhận diện lại. Servo motor thì khơng xảy ra vấn đề này. Ta nhận thấy rằng động cơ servo đáp ứng được yêu cầu về độ chính xác, tốc độ phản ứng cũng như độ tin cậy tốt hơn so với động cơ bước.
3.3.3. Thiết kế mạch điều khiển.
Hình 3-31: Bộ điều khiển khi hoàn thành Cơng tắc nguồn Cơng tắc chuyển chế độ AUTO/MAN Volume % tay ga tại chế độ MANUAL Nút nhấn cài đặt giá trị Tx, n Mạch điều khiển trung tâm. Mạch cơng suất. Dây nhận tín hiệu cảm biến tốc độ và dây tới SERVO Dây nhận tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ LCD
CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1.Mục đích
Mục đích của quá trình thực nghiệm này là xem xét và đánh giá khả năng phản ứng của bộ điều khiển khi động cơ hoạt động với mức tải thay đổi.
4.2 Thực nghiệm hoạt động của bộ điều khiển trên động cơ 4.2.1 Trang thiết bị phục vụ thí nghiệm 4.2.1 Trang thiết bị phục vụ thí nghiệm
- Động cơ Diesel 4CH JANMAR. - Dầu Diesel phục vụ cho thí nghiệm - Bộ điều khiển điện tử
- Bộ đo tốc độ, nhiệt độ khí xả của động cơ
- Bộ tạo tải cho động cơ- Phanh thủy lực DYNOmite
- Accu khởi động động cơ (2 bình 12V), accu dùng cho bộ điều khiển (1 bình 12V)
4.2.2 Sơ đồ bố trí thí nghiệm
Bình nhiên
liệu DO Tay ga Động cơ
Bộ tạo tải- Máy đo cơng suất
Bộ điều khiển
Cảm biến nhiệt độ khí xả
Cảm biến tốc độ
Hình 3-35. Servo tay ga động cơ.
Hình 3-34. Vị trí cảm biến nhiệt độ khí xả Hình 3-33. Vị trí cảm biến tốc độ
4.2.3. Quy trình tiến hành thực nghiệm.
1. Bật cơng tắc cho mạch điện tử hoạt động (Vị trí Power ON trên bảng điều khiển)
2. Kiểm tra chế độ điều khiển bằng tay để khởi động, (Vị trí cần gạt MODE MANUAL trên bảng điều khiển) thiết đặt vị trí tay ga động cơ.
3. Cho động cơ khởi động.
4. Để động cơ chạy một thời gian. Mục đích là để động cơ chạy ổn định trước khi chạy thử chế độ AUTO
5. Chuyển sang chế độ AUTO (gạt cần gạt qua vị trí MODE AUTO trên bảng điều khiển
6. Ghi lại tốc độ động cơ , giá trị nhiệt độ khí xả, cơng suất đo được trên màn hình bảng điều khiển ở chế độ khơng tải.
7. Tiến hành thử tải, thay đổi lưu lượng nước cấp vào phanh, theo dõi thời gian ổn định của trạng thái tay ga, ghi lại thơng số tốc độ động cơ, nhiệt độ khí xả, giá trị cơng suất, giá trị % tay ga, lưu lượng nước cấp vào phanh.
Ở mỗi chế độ tải cho động cơ chạy trong vịng 30-40 (s)
8. Tiến hành tắt máy: giảm dần và ngắt nước cấp vào phanh thử tải, chuyển cần gạt sang chế độ MANUAL MODE, đẩy mạnh ga rồi ngắt nhanh bằng cách điều chỉnh vị trí tay ga qua núm xoay FUEL. Mục đích xả sạch khí thải, tránh tạo bù hĩng, kết bụi trong xi lanh động cơ.