3.2.1. Sơ đồ khối mạch điều khiển cung cấp LPG và dầu DO
3.2.2. Bộ xử lý trung tõm( ECU )
Bộ xử lý trung tõm cú nhiệm vụ biến đổi cỏc thụng số đầu vào như tớn hiệu từ cảm biến nhiệt độ nước làm mỏt, cảm biến nhiệt độ khớ xả, cảm biến tốc độ động cơ, đưa về để xuất giỏ trị của chỳng ra LCD. Từ cỏc giỏ trị của tốc độ động cơ ta điều khiển cơ cấu chấp hành điều khiển tay ga động cơ, van tiết lưu và đúng mở van điện từ.
Hiện nay cú rất nhiều loại vi điều khiển trờn thị trường đang được sử dụng như 8051, pic, AVR... nhưng loại vi điều khiển AVR hiện nõy đang được sử dụng rất rộng rói vỡ chỳng cú tớnh năng ưu việt hơn cỏc loại vi điều khiển khỏc. Bằng việc kết hợp 1 bộ 8-bit RISC CPU với In-System Self-Programmable Flash trong chỉ nguyờn vẹn 1 chip Atmel Atmega16L là một bộ vi điều khiển mạnh cú thể cung cấp giải phỏp cú tớnh linh động cao, giỏ thành rẻ cho nhiều ứng dụng điều
Cảm biến nhiệt độ khớ xả Bộ phớm điều khiển Cảm biến nhiệt độ nước làm mỏt Cảm biến vị trớ xupỏp hỳt cylinder số 1 Hiển thị LCD Solenoid Valve Cấp LPG Cho cylinder số 1 Solenoid Valve Cấp LPG Cho cylinder số 2 Solenoid Valve Cấp LPG Cho cylinder số 3 ECU
39
khiển nhỳng. Hệ thống nhỳng là một hệ tớnh toỏn nằm trong sản phẩm, tạo thành một phần của hệ thống lớn hơn và thực hiện một số chức năng của hệ thống Atmega16L AVR được hỗ trợ bởi bộ chương trỡnh đầy đủ và cỏc tool (tiện ớch) để phỏt triển hệ thống, bỏo gồm: Bộ biờn dịch C,macro assemblers, program debugger/simulators (chương trỡnh mụ phỏng) in-circuit emulators (mạch mụ phỏng) và evaluation kits (kit phỏt triển). Do đú ta lựa chọn vi điều khiển Atmega16 làm bộ xử lý trung tõm trong mạch điều khiển.
3.2.3. Tổng quan về vi điều khiển ATMEGA 16
Vi điều khiển AVR (Atmel Norway design) thuộc họ vi điều khiển Atmel, nú là họ Vi điều khiển mới trờn thị trường cũng như đối với người sử dụng. Đõy là họ Vi Điều Khiển được chế tạo theo kiến trỳc RISC (Reduced Intruction Set Computer) cú cấu trỳc khỏ phức tạp. Ngoài cỏc tớnh năng như cỏc họ vi điều khiển khỏc, nú cũn tớch hợp nhiều tớnh năng mới rất tiện lợi cho người thiết kế và lập trỡnh. Sự ra đời của AVR bắt nguồn từ yờu cầu thực tế là hầu hết khi cần lập trỡnh cho vi điều khiển, chỳng ta thường dựng những ngụn ngữ bậc cao HLL (Hight Level Language) để lập trỡnh ngay cả với loại chip xử lớ 8 bit trong đú ngụn ngữ C là ngụn ngữ phổ biến nhất. Tuy nhiờn khi biờn dịch thỡ kớch thước đoạn mó sẽ tăng nhiều so với dựng ngụn ngữ Assembly. Hóng Atmel nhận thấy rằng cần phải phỏt triển một cấu trỳc đặc biệt cho ngụn ngữ C để giảm thiểu sự chờnh lệch kớch thước mó đó núi trờn. Và kết quả là họ vi điều khiển AVR ra đời với việc làm giảm kớch thước đoạn m. khi biờn dịch và thờm vào đú là thực hiện lệnh đỳng đơn chu kỳ mỏy với 32 thanh ghi tớch lũy và đạt tốc độ nhanh hơn cỏc họ vi điều khiển khỏc từ 4 đến 12 lần. Vỡ thế nghiờn cứu AVR là một đề tài khỏ lý thỳ và giỳp cho học sinh, sinh viờn biết thờm một họ vi điều khiển vào loại mạnh hiện nay.
PHÂN LOẠI AVR
+ AT90S8535: Khụng cú lệnh nhõn hoặc chia trờn thanh ghi.
+ ATMEGA 8, 16, 32 (AVR loại 8 bit, 16 bit, 32 bit): Là loại AVR tốc độ cao, tớch hợp sẵn ADC 10 bit.
40
+ AVR cú tớch hợp SC (power stage controller): AT90PWM thường dựng trong cỏc ứng dụng điều khiển động cơ hay chiếu sỏng nờn chỳng gọi là lighting AVRIS
+ Attiny11, 12, 15: AVR loại nhỏ. Cỏc đặc điểm chớnh
1- Kiến trỳc RISC ( cú nghĩa là mỏy tớnh dựng tập lệnh rỳt gọn, bộ vi xử lý kiểu này thực hiện ớt lệnh hơn những bộ vi xử lý khỏc ) với hầu hết cỏc lệnh cú chiều dài cố định, truy nhập bộ nhớ nạp – lưu trữ và 32 thanh ghi đa năng.
2- Cú nhiều bộ phận ngoại vi ngay trờn chip, bao gồm: Cổng vào/ra số, bộ biến đổi ADC, bộ nhớ EEFROM, bộ định thời, bộ điều chế độ rộng xung (PWM), …
3- Hầu hết cỏc lệnh đều thực hiện trong một chu kỳ xung nhịp.
4- Hoạt động với chu kỳ xung nhịp cao, cú thể lờn đến 20 MHz tuỳ thuộc từng loại chip cụ thể.
5- Bộ nhớ chương trỡnh và bộ nhớ dữ liệu được tớch hợp ngay trờn chip. 6- Khả năng lập trỡnh được trong hệ thống, cú thể lập trỡnh được ngay khi đang được cấp nguồn trờn bản mạch khụng cần phải nhấc chip ra khỏi bản mạch.
41
Hỡnh 3.9 Sơ đồ kiến trỳc AVR
Để tối đa hoỏ hiệu năng tớnh năng và song song, AVR sử dụng kiến trỳc Harvard với bộ nhớ riờng biệt và cỏc BUS cho chương trỡnh và dữ liệu. Cỏc cõu lệnh trong bộ nhớ chương trỡnh được hoạt với một đường ống lệnh mức đơn. Trong khi một lờnh đang thực hiện, lệnh tiếp theo sẽ được nạp trước vào từ bộ nhớ chương trỡnh. Điều này làm cho cỏc lệnh được thực hiện trong mọi chu kỳ đồng hồ. Bộ nhớ chương trỡnh 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 phộp ALU hoạt động trong một chu kỳ đơn. Một thao tỏc điển hỡnh với 2 toỏn hạng được của ALU, 2 toỏn hạng được lấy ra từ tệp thanh ghi để thực hiện, và là kết quả được lưu trữ lại trong tệp thanh ghi trong một chu kỳ đồng hồ. 6 trong số 32 thanh ghi cú thể sử dụng như là 3 thanh ghi con trỏ địa chỉ giỏn tiếp 16 bit để chỉ vào vựng dữ liệu phục vụ cho tớnh toỏn địa chỉ hiệu dụng.
42
3.2.3.1. Đặc điểm của ATMEGA 16
Hiệu năng cao, tiờu thụ năng lượng ớt
Kiến trỳc RISC - Reduce Instruction Set Computer (cú nghĩa là mỏy tớnh dựng tập lệnh rỳt gọn, bộ vi xử lý kiểu này thực hiện ớt lệnh hơn những bộ vi xử lý khỏc )
131 lệnh mạnh, hầu hết cỏc lệnh thực hiện trong một chu kỳ.
32 Thanh ghi 8-bit đa năng.
Tốc độc thực hiện lờn tới 16 triệu lệnh trong 1 giõy với tần số 16MHz
Cú 2 bộ nhõn, mỗi bộ thực hiện trong thời gian 2 chu kỳ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Cỏc bộ nhớ chương trỡnh và dữ liệu cố định.
16 Kb bộ nhớ flash cỳ khả năng tự lập trỡnh trong hệ thống.
Cú thể thực hiện được 10.000 lần ghi/xúa.
Vựng mà Boot tuỳ chọn với những bit khỏc độc lập.
Lập trỡnh trờn trong hệ thống bởi chương trỡnh on-chip Boot.
Thao tỏc đọc trong khi ghi thực sự.
512 bytes EEFROM.
1Kb SRAM bờn trong.
Lập trỡnh khúa an ninh phần mềm.
Giao diện nối tiếp đồng bộ ( chuẩn IEEE stđ.1149.1). Khi thực hiện trao đổi với cỏc dữ liệu tương thớch thỡ khung dữ liệu 8 bit giữa hai thiết bị được truyền đồng bộ ( cựng xung nhịp đồng hồ).
Lập trỡnh bộ nhớ Flash, EPROM, ngắt, khúa, bit thụng qua giao diện JTAG.
43
44
Ghộp nối ngoại vi:
2 bộ định thời/ bộ đếm 8 bit với cỏc chế độ tỷ lệ định trước và chế độ so sỏnh.
1 bộ định thời/ bộ đếm 16 bit với cỏc chế độ tỷ lệ định trước riờng biệt, chế độ so sỏnh và chế độ bắt giữ.
Bộ thời gian thực với bộ tạo dao động riờng biệt.
4 kờnh PWM.
8 kờnh, ADC 10 bit.
Giao điện nối tiếp 2 dõy hướng tới byte.
Bộ truyền tin nối tiếp USART khả trỡnh.
Giao diện SPI chủ / tớ.
Watchdog Timer khả trỡnh với bộ tạo dao động bờn trong riờng biệt.
Mỏy so mẫu tương tự bờn trong. Cỏc đặc điểm đặc biệt khỏc.
Power-on Reset và d. Brown-out khả trỡnh.
Bộ tạo dao động được định cỡ bờn trong.
Cỏc nguồn ngắt bờn trong và bờn ngoài.
6 chế độ ngủ: Nhàn rỗi, giảm ồn ADC, tiết kiệm năng lượng, giảm năng lượng tiờu thụ, giảm năng lượng tiờu thụ, chờ, đúng băng trạng thỏi.
I/O và cỏc loại.
32 đường I/O khả trỡnh. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Điện ỏp hoạt động: 2.7 - 5.5 V.
Nhiệt độ hoạt động: -40oC - 85oC Cỏc tốc độ:
0-8 MHz khi điện ỏp 2.7 - 5.5 V, 0 – 16 MHz khi điện ỏp 4.5 - 5 V.
Tiờu thụ năng lượng tại 1 MHz, 3V, 25oC đối với ATmega16L.
Hoạt động tớch cực: 1.1mA.
45
Chế độ năng lượng thấp: <1 μA khi điện ỏp 2.7V.
Kiến trỳc AVR cú 2 khụng gian bộ nhớ chớnh bao gồm bộ nhớ chương trỡnh và bộ nhớ dữ liệu. Thờm vào đú, Atmega16L cú một bộ nhớ EEPROM để lưu trữ dữ liệu. Tất cả 3 khụng gian này là tuyến tớnh và như thường lệ.
Bộ nhớ chương trỡnh Flash cú thể lập trỡnh lại nằm bờn trong vi xử lớ.
Atmega16L chứa 16K bytes bộ nhớ Flash cú thể lập trỡnh lại được nằm trong chip để chứa chương trỡnh. Từ khi tất cả cỏc lệnh của AVR là 16 hoặc 32 bit thỡ Flash được tổ chức thành 8Kx16. Vỡ lớ do an toàn phần mềm nờn bộ nhớ chương trỡnh Flash được chia thành 2 vựng: Vựng nạp chương trỡnh boot (chương trỡnh khởi động) và vựng chương trỡnh ứng dụng.
Hỡnh 3.11 Sơ đồ chõn của vi điều khiển ATMEGA 16
46
3.2.3.2. Lưu đồ thuật toỏn chương trỡnh chớnh
RESET
Khởi tạo cỏc khối chức năng phần cứng, cỏc bộ định thời, cỏc ngắt ngoài, cỏc bộ chuyển đổi
ADC
Vũng lặp vụ tận
Khởi tạo cỏc biến chớnh:
n - tốc độ quay của động cơ (V/ph), T1- nhiệt độ nước làm mỏt (C0), T2- nhiệt độ khi xả (C0),
thời gian phun LPG,và cỏc biến trung gian
Đọc giỏ trị vị trớ của volum điều khiển thời gian phun, tinh toỏn và xuất xung PWM để điều khiển vũi phun
Gọi chương trỡnh kiểm tra bàn phớm Cập nhật dữ liệu T1, T2 If T1>T1_max xuất tớn hiệu cảnh bỏo If T2>T2_max xuất tớn hiệu cảnh bỏo
Ngừng cấp LPG
Xuất dữ liệu ra LCD
Đúng van Solenoid 1, van solenoid 2, van solenoid 3 cho phộp cấp nhiờn liệu
47 Trở về chương trình chính Ngắt ngoài 0 n_t = n_t +1 Khởi động bộ định thời 0
Tớnh toỏn khoảng thời gian dt, tớnh giỏ trị vũng quay trung bỡnh n, tớnh toỏn thời
điểm phun n_t = 1 n_t = 5 Dừng bộ định thời 0 True True False False
48
3.2.3.3. Thiết kế chế tạo hộp điều khiển. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Vi mạch điều khiển được thiết kế sử dụng chip ATMEGA 16 của hóng Atmel sản xuất, cú bộ nhớ EEPROM 8K thuận tiện cho việc lập trỡnh điều khiển; tốc độ và khả năng xử lớ nhanh đỏp ứng được yờu cầu của hệ thống điều khiển. Ngoài ra cũn cú bộ chuyển đổi ADC 0804, mạch cụng suất IRF540, ULN2803 và 1 số linh kiện khỏc để chuyển đổi cỏc tớn hiệu tương tự: nhiệt độ, tốc độ vào vi điều khiển xử lý.
Tấc cả cỏc thụng số của nhiệt độ khớ xả, nhiệt độ nước làm mỏt,tốc độ quay của động cơ,thời gian phun LPG đều chip xử lý và xuất ra LCD 4 dũng.
Hộp điều khiển gồm 2 cụng tắc POWER( ON-OFF) , LPG( ON-OFF) và nỳm vặn Tf ( điều khiển thời gian phun LPG ) giỳp qua trỡnh điều khiển dễ dàng.
Cập nhật dữ liệu cho T1 & T2
True
Bắt đầu chuyển đổi
Hoàn tất chuyển đổi
False
Đọc kết quả chuyển đổi ADC cho T1 và T2
Lưu vào RAM
49
A. Mạch điều khiển trung tõm B. mạch cụng suất
Hỡnh 3.12 Hộp điều khiển. ATEMEGA 16 IRF 540 Lấy nguồn chung từ acquy 12v Jack cắm cảm biến nhiệt độ Đế cắm sensor vị trớ xuppap LCD Nỳm điều chỉnh Tf LPG ON/OF POWER ON/OFF
50
51
52
Bộ điều khiển sẽ thu thập cỏc tớn hiệu từ cỏc cảm biến nhiệt độ ,cảm biến vị trớ đúng mở của xuppap nạp từ đú tớnh toỏn đưa ra xung điều khiển đúng mở seloniod van cung cấp LPG cho động cơ.
Tớnh thời điểm phun và thời gian phun LPG.
Ta gọi tốc độ quay động cơ là n, gúc phun LPG vào động cơ là cf thỡ khi đú ta cú:
+ số vũng quay động cơ : (v/s) hoặc (v/ph)
+ số lần xupap mở trong 1 giõy bằng hoặc
+ gúc bắt đầu mở của vũi phun LPG là gúc tớnh từ thời điểm xupap nạp mở Cf =(00ữ 340)
+ gúc mở LPG là gúc tớnh từ lỳc bắt đầu mở tới lỳc xupap nạp đúng : 180+43-17- Cf =206- Cf
Khi xupỏp bắt đầu mở, tớn hiệu được nhận và truyền về bộ sử lý trung tõm, ở đõy bắt đầu tớnh thời gian chậm mở của vũi phun tbdp=o, thời gian bắt đầu mở được tớnh theo gúc phun được điều chỉnh từ hộp điều khiển, vậy thời gian bắt đầu phun của vũi phun được tớnh theo cụng thức :
Tbdp = 720 .Cf
Thời gian phun dài nhất là thời gian tớnh từ gúc cf=0 đến hết thời kỳ nạp trừ đi thời gian bắt đầu phun. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tf = 720 . 720 240 . Cf
Với động cơ chạy ở tốc độ định mức: ta cú n = 2200 vũng/phỳt ta cú Thời điểm bắt đầu phun:
Tbdp = 720 34 0 . 2200 60 720 .Cf = 0,001287(s) 1 n 60 n 2 n n 2 1 n
53
Thời gian phun:
Tf= 360 . 360 240 . Cf = 720 34 0 . 2200 60 720 240 . 2200 60 =0,0090,02 (s).
54
CHƯƠNG 4
NGHIấN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1. Mục đớch
Mục đớch của quỏ trỡnh thực nghiệm này là xem xột và đỏnh khả năng đỏp ứng của bộ điều khiển khi động cơ hoạt động.
4.2. Trang thiết bị thớ nghiệm
Để phục vụ cho quỏ trỡnh thớ nghiệm ta cần phải cú cỏc trang thiết bị sau:
- Động cơ Diesel YANMAR 3SM.
- Dầu DO phục vụ cho thớ nghiệm. - Bỡnh nhiờn liệu LPG.
- Đường ống dẫn nhiờn liệu LPG.
- Bộ điều khiển điện tử điều khiển hệ thống phun LPG. - Mỏy đo khớ thải TESTO 350XL.
- Thiết bị đo chị phớ nhiờn liệu. 4.3. Sơ đồ bố trớ thực nghiệm
Hỡnh 4.1 sơ đồ bố trớ thớ nghiệm
Bỡnh LPG
Bẫy lửa Van giảm
ỏp Van 1 chiều Soleniod vanle 1 Soleniod vanle 2 Solenoid vanle 3 Động cơ ECU điều khiển
Thiết bị đo chi phớ nhiờn liệu Mỏy đo và phõn tớch khớ thải
55
Cỏc trang thiết bị được bố trớ tại phũng thực hành động cơ của bộ mụn động lực. Điều kiện khụng gian tại đõy hoàn toàn thớch hợp để chạy thực nghiệm.
Sơ đồ bố trớ cỏc thiết bị thực nghiệm tại phũng động cơ
Hỡnh 4.2 Sơ sồ bố trớ trang thiết bị thực nghiệm
1. ECU điều khiển.
2. Ăc quy 12V cấp nguồn cho ECU. 3. Van 1 chiều.
4. Soleniod van đúng mở LPG vào đường nạp cho xylanh số 3. 5. Soleniod van đúng mở LPG vào đường nạp cho xylanh số 2. 6. Soleniod van đúng mở LPG vào đường nạp cho xylanh số 1. 7. Bỡnh tớch ỏp. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
8. van an toàn.
9. Thiết bị đo chi phớ nhiờn liệu.
10,11. Mỏy đo và phõn tớch khớ thải TESTO 350 XL.
12. 2 Ắc quy 12V mắc nối tiếp cấp nguồn cho động cơ khởi động. 1 2 3 5 8 6 9 4 7 10 11 12
56
Hỡnh 4.3 ECU điều khiển
Hỡnh 4.4 cỏc vị trớ lắp đặt cảm biến
A. Cảm biến thời điểm đúng mở xuppap nạp. B. Cảm biến nhiệt độ khớ xả.
C. Cảm biến nhiệt độ nước làm mỏt. B
C A
57
Hỡnh 4.5 cỏc thiết bị khỏc
a.Mỏy đo chi phớ nhiờn liệu nhiờn liệu b.Mỏy đo khớ thải TESTO 350XL