3.3.2.1. Sơ đồ khối chung
Sơ đồ Cảm biến Vi xử lý Khối nguồn Màn hình LCD Đánh lửa Phun xăng Hình 3.14 Sơ đồ khối
3.3.2.2. Khối nguồn
- Vai trị
Biến nguồn điện một chiều 12V thành nguồn điện 1 chiều 5V để nuơi board mạch.
- Sơ đồ mạch điện và linh kiện
- Hoạt động
Nguồn 12 V lấy từ ACCU cho qua diode để bảo đảm an tồn nếu trường hợp mắc nhầm cọc bình. Ở đầu vào, ta đặt hai tụ C1 và C3 để dập xung nhọn bảo đảm an tồn cho ổn áp 7805. Tương tự đầu ra ta đặt hai tụ C2 và C4 để chống nhiểu nguồn. Tụ C1 và C2 là tụ một chiều cĩ giá trị là 104μF. Tụ C1và C4 là hai tụ xoay chiều cĩ giá trị 470μ F. Ở đầu ra của mạch cĩ LED báo nguồn.
3.3.2.3. Khối cảm biến
Cảm biến lƣu lƣợng khí nạp và nhiệt độ nƣớc làm mát
- Vai trị
Nhận biết lưu lượng khí nạp và nhiệt độ nước làm mát. - Sơ đồ mạch điện và linh kiện
Hình 3.16 Sơ đồ tín hiệu cảm biến lưu lượng khí nạp Hình 3.15 Khối tạo nguồn 5V cho vi điều khiển
- Hoạt động
Chân Vcc cấp nguồn 5V từ mạch cấp nguồn. Chân Vs được nối qua tụ C5 trước khi đưa vào kênh ADC của vi điều khiển để lọc nhiễu cho vi điều khiển. Khi ta quay cánh bướm giĩ sẽ làm cho biến trở dịch chuyển phân áp cho chân Vs. Mức điện áp trên chân Vs dịch chuyển trong khoảng từ 0V đến 5V. Vi điều khiển sẽ đo mức điện áp này để nhận ra vị trí cánh bướm giĩ.
Cảm biến vị trí bƣớm ga
- Sơ đồ mạch điện và linh kiện
- Hoạt động
Chân Vcc cấp nguồn 5V từ mạch cấp nguồn. Chân VTA được nối qua điện trở C6 trước khi đưa vào kênh ADC của vi điều khiển để lọc nhiễu cho vi điều khiển. Khi ta quay cánh bướm ga sẽ làm cho biến trở dịch chuyển phân áp cho chân VTA. Mức điện áp trên chân VTA dịch chuyển trong khoảng từ 0V đến 5V. Vi điều khiển sẽ đo mức điện áp này để nhận ra vị trí cánh bướm ga.
Cảm biến nhiệt độ nƣớc làm mát
- Sơ đồ mạch điện và linh kiện
Hình 3.18 Sơ đồ tín hiệu cảm biến nhiệt độ nước làm mát
- Hoạt động
Cảm biến nhiệt độ nước làm mát cĩ hai chân, chân 1 nối mass, chân 2 được nối với điện trở R tạo mạch phân áp trước khi vào ADC của vi điều khiển. Sau đĩ ECU sẽ đọc ADC để biết nhiệt độ nước làm mát.
Cảm biến vị trí piston, cảm biến đo tốc độ động cơ
- Vai trị
Cảm biến vị trí piston nhận biết vị trí piston ở điểm chết trên, cảm biến tốc độ động cơ dùng để đo tốc độ động cơ. Tốc độ động cơ trong board mạch tính như sau:
Trên trục quay được gắn một vấu sắt, cảm biến là một cuộn dây cuốn trên một lõi nam châm, khi trục quay làm vấu sắt quét qua cảm biến, từ trở mạch từ của cuộn dây biến thiên một cách tuần hồn làm xuất hiện trong cuộn dây một suất điện động cĩ tần số tỷ lệ với tốc độ quay.
Tín hiệu G ở đây dùng loại cảm biến điện từ. Cuộn cảm nhận tín hiệu G, gắn trên thân của bộ chia điện. Rơto tín hiệu G cĩ 4 răng sẽ phát 4 xung dạng hình sin trong mỗi vịng quay của trục cam.
Điều khác nhau duy nhất là roto của tín hiệu NE cĩ 24 răng. Cuộn dây cảm biến sẽ phát 24 xung trong mỗi vịng quay của trục bộ chia điện.
Do cảm biến tốc độ động cơ được gắn trên trục của bộ chia điện, do đĩ cứ trục khuỷu động cơ quay được 2 vịng thì trục của delco quay được 1 vịng. Mặt khác, roto của cảm biến cĩ 24 răng được phân bố đều nhau nên ta cĩ thời gian xuất hiện giữu hai xung liên tiếp là như nhau (xét tại thời điểm động cơ đang hoạt động với tốc độ n v/p). Vậy việc đo thời gian giữa 2 lần cĩ xung kích (ms) sẽ tính được tốc độ làm việc của động cơ.
Vậy tốc độ động cơ được xác định theo cơng thức sau:
1 1 1 5 . 24 120 2 24 . 60 t t t ne (3.8)
- Sơ đồ mạch điện và linh kiện
Hình 3.20 Sơ đồ tín hiệu cảm biến vị trí piston
- Hoạt động
Để vi điều khiển hiểu và làm việc được thì tín hiệu vào từ cảm biến vị trí trục cam, tốc độ động cơ phải được khuếch đại lên ngưỡng điện áp làm việc của vi điều khiển và phải ở dạng tín hiệu số. Mạch chuyển đổi này dung IC LM358 để chuyển
đổi, cĩ nhiệm vụ khuếch đại điện áp (khoảng 2V) tại đầu ra của cảm biến lên mức 5V và chuyển đổi từ tín hiệu tương tự dạng sin sang tín hiệu số (mức 1 và mức 0), sử dụng 2 biến trở 3 chân để điều chỉnh tín hiệu. Sử dụng 2 đèn LED để nhận biết tín hiệu.
Sau khi xác định được tốc độ đơng cơ thì việc điều chỉnh gĩc đánh lửa sớm dl theo tốc độ động cơ như sau.
- Yêu cầu về thay đổi gĩc đánh lửa sớm (θ) theo tốc độ động cơ (Ne) sẽ được thực hiện dựa vào tín hiệu từ cảm biến tốc độ động cơ, và sử dụng 2 bộ định thời (sau đây gọi là các Timer) của vi điều khiển:
Timer 1 được sử dụng để đo thời gian t1 (s), qua đĩ tốc độ động cơ được xác định theo cơng thức sau:
Dựa vào tốc độ đo được và giá trị điện áp VTA của cảm biến vị trí bướm ga báo về ECU, ECU sẽ tra bảng và tìm ra gĩc đánh lửa sớm (θ) hợp lý.
Timer 2 được sử dụng để xác định thời gian chờ từ khi cĩ xung kích G (1500 trước điểm chết trên) đến thời điểm đánh lửa (θ). Thời gian chờ được xác định như sau:
tdelay = t150 – (tdtt +tcb+ thc) (3.9)
Trong đĩ:
t150: Là thời gian mà trục khuỷu động cơ quay được một gĩc là 1500 tại thời điểm tốc độ động cơ là n (v/p), t150 xác định theo cơng thức sau:
) ( 360 . 150 . 10 . 60 3 150 ms n t (3.10)
tdtt : Là thời gian ngậm điện thực (tức thời gian mà transistor cơng suất dẫn bão hịa).
tcb : Là thời gian mà trục khuỷu động cơ quay được một gĩc là gĩc đánh lửa sớm hiệu chỉnh (θcb) tại thời điểm tốc độ động cơ là n (v/p), tcb xác định theo cơng thức sau: ) / ( 5 1 phút vịng t ne
) ( 360 . . 10 . 60 3 ms n t cb cb (3.11)
thc : Là thời gian mà trục khuỷu động cơ quay được một gĩc là gĩc đánh lửa sớm hiệu chỉnh (θhc), tại thời điểm tốc độ động cơ là n (v/p), thc xác định theo cơng thức sau: ) ( 360 . . 10 . 60 3 ms n t hc hc (3.12)
Mỗi khi cĩ một xung kích G mới, vi điều khiển sẽ chờ một khoảng thời gian tdelay (ms), rồi mới tiến hành đưa ra xung IGT để điều khiển transistor cơng suất chuyển sang trạng thái dẫn (khoảng thời gian mà transistor cơng suất chuyển sang trạng thái dẫn là khoảng thời gian tăng trưởng dịng điện cuộn sơ cấp trên bobine hay cịn gọi là thời gian ngậm điện của bobine tdtt) ứng với thứ tự nổ của từng máy. Trong board mạch này cứ xuất hiện một xung kích G là điều khiển đánh lửa một máy.
Tín hiệu khởi động
- Vai trị
Xác định động cơ hoạt động hay chưa.
Hình 3.21 Giản đồ mơ tả nguyên lý đo tốc độ động cơ và điều khiển thời điểm đánh lửa
- Sơ đồ mạch điện và linh kiện
- Hoạt động
Tín hiệu khởi động và là tín hiệu điện nên ta dùng các điện trở R6, R7, để hạn dịng và bảo vệ ECU.
3.3.2.4. Khối vi điều khiển atmega16
Khối vi điều khiển atmega16 là trung tâm xử lý tín hiệu và quyết định điều khiển.
Hình 3.23 Các chân tín hiệu vào và các chân tín hiệu ra điều khiển Hình 3.22 Sơ đồ tín hiệu khởi động
Khối reset
Các CPU cần cĩ một xung reset sau khi điện áp nguồn nuơi đạt đến giá trị ổn định. Yêu cầu này được đặt ra để khởi tạo các thanh ghi bên trong và mạch điều khiển. Sau một khoảng thời gian xác định nào đĩ, gọi là chu kỳ reset khi bật nguồn thì bộ xử lý bắt đầu thực thi các lệnh trong bộ nhớ chương trình. Nút nhấn cho phép reset lại mạch bằng tay khi cần. R8và C6 cĩ nhiệm vụ tạo thời gian trễ cho tín hiệu Reset đặt vào chân Reset cho đến khi điện áp nguồn đã đạt giá trị ổn định
Hình 3.24 Khối mạch RESET cho vi điều khiển
Ở đây, điện trở R8 cĩ cơng dụng kéo chân RESET xuống mass
Khối tạo xung nhịp dao động
Bộ dao động cộng hưởng thạch anh dùng để tạo ra tần số dao động hay tín hiệu giữ xung nhịp. Tần số giữ xung nhịp cho bộ xử lý quy định tốc độ mà chương trình sẽ thực hiện lệnh. Hai tụ điện C6 và C7 cĩ nhiệm vụ bảo đảm cho mạch chắc chắn dao động.
Hình 3.25 Khối tạo xung nhịp dao động cho vi điều khiển.
Ở đây, khối tạo xung nhịp dao động cho vi điều khiển dùng bộ dao động thạch anh 11Mhz và 2 tụ điện 18pF.
Màn hình LCD 16 × 2
- Vai trị
Cĩ nhiệm vụ hiển thị như tốc độ động cơ, nhiệt độ nước…
Bảng 3.8 Chức năng các chân LCD 16 × 2
Chân Ký hiệu Mơ tả
1 Vss
Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với GND của mạch điều khiển
2 VDD
Chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với VCC=5V của mạch điều khiển
3 VEE Điều chỉnh độ tương phản của LCD.
4 RS
Chân chọn thanh ghi (Register select). Nối chân RS với logic “0” (GND) hoặc logic “1” (VCC) để chọn thanh ghi. Logic “0”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của LCD (ở chế độ “ghi” - write) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của LCD (ở chế độ “đọc” - read). Logic “1”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên trong LCD.
5 R/W
Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write). Nối chân R/W với logic “0” để LCD hoạt động ở chế độ ghi, hoặc nối với logic “1” để LCD ở chế độ đọc.
6 E
Chân cho phép (Enable). Sau khi các tín hiệu được đặt lên bus DB0-DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi cĩ 1 xung cho phép của chân E.
Ở chế độ ghi dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào (chấp nhận) thanh ghi bên trong nĩ khi phát hiện một xung của tín hiệu chân E.
Ở chế độ đọc dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khi phát hiện cạnh lên (low-to-high transition) ở chân E và được LCD giữ ở bus đến khi nào chân E xuống thấp.
7 -14
Tám đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thơng tin với MPU. Cĩ 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này :
Chế độ 8 bit : Dữ liệu được truyền trên cả 8 đường, với bit MSB là bit DB7.
Chế độ 4 bit : Dữ liệu được truyền trên 4 đường từ DB4 tới DB7, bit MSB là DB7
15 Nguồn dương cho đèn nền
3.3.2.5. Khối điều khiển ra phun xăng, đánh lửa (Khối cơng suất)
Vai trị
Dùng để đĩng và ngắt vịi phun, bobine theo tín hiệu điều khiển, vịi phun, bobine sẽ nhận tín hiệu độc lập theo sự điều khiển của ECU.
- Sơ đồ mạch điện và linh kiện phun xăng
Hình 3.26 Màn hình LCD 16 × 2
Hình 3.27 sơ đồ mạch khối ra điều khiển vịi phun hoạt động như sau:
Mạch này dung cách ly quang với 5 con OPTO: OPTO5, OPTO6, OPTO7, OPTO8, OPTO9. Với 5 con OPTO này sẽ cách ly điện áp giữa bo mạch của vi điều khiển với mạch lực bên ngồi. Tức là 5 con opto cĩ chức năng bảo vệ vi điều khiển. Các con linh kiện Q6, Q7, Q8, Q9, Q10 (các IRF540N/TO) là các con transistor cơng suất cĩ tần số đĩng/ngắt cao. IRF540 được điều khiển đĩng ngắt bằng điện áp 12V mà điện áp ra của vi điều khiển là 0V vì vậy 4 con linh kiện opto như một cái khố chuyển điện áp từ mức 0V sang 12V và đưa trực tiếp nguồn 12V đến chân 1 IRF540 để thực hiện điều khiển đĩng/ngắt con transtor cơng suất này.
Các điện trở R26, R27, R28, R29, R30, dùng hạn chế dịng điện bảo vệ các OPTO, giá trị là 330kΩ. Các điện trở R36, R37, R38, R39, R40 hạn chế dịng qua Q6, Q7, Q8, Q9, Q10, giá trị thường dùng là 20kΩ. Các điện tín hiệu Q6, Q7, Q8, Q9, Q10, dùng để kích các đèn LED5, LED6, LED7, LED8, LED9 . Các đèn điện trở R41, R42, R43, R44, R45, dùng để bảo vệ đèn LED5, LED6, LED7, LED8, LED9, và các LED này dùng để báo hiệu phun xăng khi cĩ tín hiệu phun xăng. Các điện trở R31, R32, R33, R34, R35, dùng để lọc nhiễu, giá trị là 10kΩ. Chân 2 ở giắc cắm MOTOR 2 là các chân ra để kết nối với kim phun. PWM (5,6,7,8,9) là các chân điều khiển tín phun xăng được kết nối với vi điều khiển.
- Sơ đồ mạch điện và linh kiện đánh lửa
Hình 3.28 sơ đồ mạch khối ra điều khiển đánh lửa hoạt động như sau:
Mạch này dùng cách ly quang với 4 con : OPTO1, OPTO2, OPTO3, OPTO4. Với 4 con opto này sẽ cách ly điện áp giữa bo mạch của vi điều khiển với mạch lực bên ngồi. Tức, 4 con opto cĩ chức năng bảo vệ vi điều khiển. Các con linh kiện Q2, Q3, Q4, Q5 ( các IRF540N/TO) là các con transistor cơng suất cĩ tần số đĩng/ngắt cao. IRF540N được điều khiển đĩng ngắt bằng điện áp 12v mà điện áp ra của vi điều khiển là 0V vì vậy 4 con linh kiện opto như một cái khố chuyển điện áp từ mức 0V sang 12V và đưa trực tiếp nguồn 12V đến chân 1 IRF540 để thực hiện điều khiển đĩng/ngắt con transtor cơng suất này. Các điện trở R10, R11, R12, R13, dùng hạn chế dịng điện bảo vệ các OPTO, giá trị là 330kΩ. Các điện trở R18, R19,
R20, R21 hạn chế dịng qua Q2, Q3, Q4, Q5, giá trị thường dùng là 20kΩ. Các điện trở R22, R23, R24, R25, dùng để bảo vệ các đèn LED1, LED2, LED3, LED4, giá trị là 1kΩ. Các đèn LED1, LED2, LED3, LED4. dùng để báo hiệu đánh lửa khi cĩ tín hiệu đánh lửa. Các điện trở R14, R15, R16, R17 dùng để lọc nhiễu, giá trị là 10kΩ. IGT1, IGT2, IGT3, IGT4 là các chân điều khiển tín hiệu đánh lửa được kết nối với vi điều khiển. Chân 2 ở giắc cắm MOTOR 2 là các chân ra để kết nối với bobine.
3.3.3. Quy trình làm board mạch 3.3.3.1. Chuẩn bị + Ý tưởng thiết kế. + Sử dụng phần mềm Proteus, Ocard 10.5. + Chẩn bị các linh kiện. + Chì hàn và các vật dụng khác. 3.3.3.2. Các bƣớc làm board mạch
Bước 1: Vẽ sơ đồ nguyên lý
Thực hiện trên phần mềm Orcad 10.5
Sau khi thiết kế mạch nguyên lý trên phần mềm orcad và việc lên ý tưởng cho việc sắp xếp, bố trí các linh kiện trên board mạch đẹp, nhỏ gọn, thẩm mĩ, tiết kiệm thời gian và kinh tế trước khi tiến hành thi cơng mạch. Chính vì vậy nhĩm đã sử dụng phần mềm Proteus (Layout) để sắp xếp các linh kiện trên board mạch một cách hợp lý, tối ưu nhất về kích thước.
Hình 3.30 Giao diện layout in proteus Hình 3.29 Giao diện phần mềm orcad 10.5
Bước 2: Xuất sơ đồ nguyên lý ra mạch in
Hình 3.31 Linh kiện sắp xếp trên phần mềm proteus
Bước 3: Cắt board mạch
Hình 3.33 Cắt phần layout từ giấy in
Bước 4 : Ủi mạch
Bước 5 : Ngâm mạch
Board sau khi ủi xong đem ngâm vào nước sạch, chờ khoảng 2 phút cho giấy mềm và rã ra. Sau đĩ tiến hành ngâm mạch vào dung dịch chứa bột sắt. Úp mặt board đồng xuống dưới rồi lắc nhẹ, nếu lắc liên tục thì tầm 10p là ta được mạch.