Nghiên cứu, thiết kế mạch đo tốc độ vòng tua động cơ xăng

TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Độc lập-Tự do- Hạnh phúc ------------ ------------ ĐỒ ÁN : TÍCH HỢP MỨC 2 Khóa học : 2011-2013 Ngành học : Điện – Điện tử Lớp : ĐTK9LC2 ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MẠCH ĐO TỐC ĐỘ VÒNG TUA ĐỘNG CƠ XĂNG Nhóm sinh viên thực hiện: Tường Duy Đường Đỗ Đức Hạnh Hoàng Văn Hiếu Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Thành Long Hưng Yên ngày tháng 11 năm 2012 ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MẠCH ĐO TỐC ĐỘ VÒNG TUA ĐỘNG CƠ XĂNG I-Số liệu cho trước: - Dùng cảm biến điện trường BF245A, BF 245B, 2N3458, để thu tín hiệu - Dải tần số từ 50 HZ- 60 HZ - Đo và tốc độ vòng tua động cơ xăng ứng dụng trong sửa chữa ô tô xe máy II-Nội dung cần hoàn thành: Báo cáo về tiến độ thực hiện các công việc theo từng tuần. Thuyết minh đề tài: ( Phân tích yêu cầu, trình bày các phương pháp thực hiện, cơ sở lý thuyết, quá trình thực hiện đồ án,…) Các bản vẽ thiết kế cho từng khối, cho toàn bộ mạch đầy đủ chính xác. Phải đảm bảo tính khả thi, tính ổn định khi làm việc của sản phẩm. Sản phẩm còn phải đảm bảo tính mỹ quan mà vẫn đảm bảo tính kỹ thuật đáp ứng được yêu cầu của giáo viên hướng dẫn. Trình bày được hướng phát trển của đề tài. Ngày giao đề tài: Ngày hoàn thành : NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNGDẪN .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. ............................................................................................................................... ................................................................................................................................ .............................................................................................................................. ................................................................................................................................ ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... .............................................................................................................................. ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ............................................................................................................................... ................................................................................................................................ ............................................................................................................................... ................................................................................................................................ ............................................................................................................................... .............................................................................................................................. ............................................................................................................................... MỤC LỤC CHƯƠNG I : CƠ SỞ LÝ THUYẾT MỞ ĐẦU 1.1 Giới thiệu về đề tài 1.1.1 Cơ sở lựa chọn đề tài. Ngày nay cùng với sự phát triển của công nghiệp điện tử, kỹ thuật thì một số các hệ thống điều khiển đã dần dần được tự động hóa. Với những kỹ thuật tiên tiến như vi điều khiển, PLC … được ứng dụng vào lĩnh vực điều khiển thì các hệ thống điều khiển cơ khí thô sơ, với tốc độ xử lý chậm chạp, ít chính xác đã được thay thế bằng các hệ thống điều khiển tự động với các lệnh chương trình đã được thiết lập trước. Trong quá trình sản xuất ở các nhà máy, xí nghiệp, các gara sửa chữa hiện nay, việc đo tốc đọ vòng tua động cơ xăng yêu cầu phải rất chính xác để có thể sửa chữa được những hư hỏng . Qua đó có những xử lý kịp thời tránh được những hư hỏng có thể xảy ra. Đối với vấn đề đo tốc đọ vòng tua trong các hệ thống máy và ô tô trong công nghiệp hiện nay luôn yêu cầu cần độ chính xác và thời gian đáp ứng , xử lý nhanh nhất bởi vậy trung tâm của chương trình điều khiển thường là những vi điều khiển . Để đáp ứng được yêu cầu đo tốc độ vòng tua động cơ xăng tự động theo yêu cầu thì có rất nhiều phương pháp để thực hiện, qua quá trình học và nghiên cứu về IC 89051 và JFET BF245A, BF245B, 2N3458, 2N3459…… có ứng dụng rất tốt và việc đo tốc đọ vòng tua , như yêu cầu của đề tài và muốn hệ thống chính xác đạt được hiệu quả nhanh nhất thì cần phải có bộ xử lý tín hiệu tốt. Được sự đồng ý của khoa Điện - Điện tử Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Hưng Yên. Nhóm chúng em tiến hành thực hiện đề tài: Nghiên cứu và thiết kế đo tốc độ vòng tua động cơ xăng hiển thị trên LCD. Các hệ thống điều khiển khi thiết kế đều yêu cầu thỏa mãn chất lượng đặt ra,các chỉ tiêu chất lượng phải tốt nhất theo một nghĩa nào đó. Trong trường hợp tổng quát, các chỉ tiêu tối ưu của một hệ thống điều khiển thường được gọi là tiêu chuẩn tối ưu, các tiêu chuẩn tối ưu đó là: + Thời gian hiệu chỉnh ngắn nhất. + Tốc độ điều chỉnh nhanh nhất. + Cấu trúc nhỏ nhất. + Năng lượng tiêu thụ trong hệ thống ít nhất. Việc nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển tự động luôn là chỉ tiêu quan tâm đầu tiên của các nhà thiết kế. 1.1.2 Đối tượng nghiên cứu. Đối tượng nghiên cứu trong đề tài là đo tốc độ vòng tua động cơ xăng : Trong thực tế về cuộc sống và trong công nghiệp , trong sửa chữa cần đo tốc đọ vòng tua của động cơ xăng để bảo dưỡng và sửa chữa những hư hỏng trong động cơ 1.1.3 Nội dung và phạm vi nghiên cứu. Nội dung chính của đồ án đề cập đến những vấn đề chính sau: - Cảm biến điện trường JFET BF245A, BF245B - LCD - AT89xx051 - Tổng quan lý thuyết lập trình C - Khảo sát và mô phỏng 1.1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu. + Thiết kế khối cảm biến thu tín hiệu điện trường + Nghiên cứu về đối tượng điều khiển . + Viết chương trình điều khiển. + Nghiên cứu lý thuyết lập trình C + Xây dựng được sơ đồ, thuật toán và chương trình. 1.1.5 Phương pháp nghiên cứu. - Nghiên cứu lý thuyết để xây dựng thuật toán điều khiển. - Dùng mô phỏng để kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu lý thuyết. - Dùng thực nghiệm để khẳng định kết quả nghiên cứu. - Sơ đồ và chức năng của các khối - Nhiệm vụ từng khối: - Khối CPU: Đây là khối trung tâm của hệ thống. Nó bao gồm AT89C2051 . Khối này làm nhiệm vụ trung tâm điều hành mọi hoạt động của hệ thống. - Khối cảm biến: đo tín hiệu điện trường từ bugi đánh lửa để thu tín hiệu đưa vào IC555 để sửa dạng xung đưa vào khối Vi Xử Lý - Khối LCD (hiển thị): Màn hình tinh thể lỏng 16*2 (16 ký tự và 2 dòng). Cho phép hiển thị các thông số cần thiết. Hiển thị mã ASCII . LCD tạo ra sự tiện lợi, thuận tiện cho người sử dụng. 1.2 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ XĂNG 1.2.1 Cấu tạo động cơ xăng: hình 1.1 cấu tạo động cơ xăng 1.2.2 Nắp máy - Là nơi để gá đặt các chi tiết,cụm chi tiết, bố trí các hệ thống phụ trợl nắp máy dùng để bảo vệ động cơ, 1.2.3 Bugi Hình 1.2 cấu tạo bugi - Bugi dùng để cung cấp tia lửa đốt cháy hỗn hợp khí tạo nên sự cháy trong động cơ. Bugi cần phải đánh lửa đúng thời điểm để hiệu suất của kỳ nổ đạt cao nhất. 1.2.4 Piston hình 1.3 cấu tạo piston - Piston có dạng hình trụ được chế tạo bằng kim loại và chuyển động lên xuống trong xi-lanh 1.2.5 Thanh truyền (tay biên)và hộp trục khuỷu (các-te) hình 1.4 cấu tạo thanh truyền và trục khuỷu - Thanh truyền dùng để nối piston với trục khuỷu của động cơ. Chúng chuyển động vừa quay vừa tịnh tiến để chuyển đổi chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu  - Hộp trục khuỷu bao quanh trục khuỷu và dùng để chứa dầu bôi trơn.  1.2.6 Hệ thống phân phối khí (hệ thống nạp, thải) Hình 1.5 hệ thống phân phối khí - Hệ thống phân phối khí gồm các xu-páp và một hệ cơ khí điều khiển chúng đóng mở đúng thời điểm. Hệ thống đóng, mở được gọi là trục cam. Trục cam có các vấu cam đẩy các xu-páp lên và xuống. - Đa số các động cơ hiện đại sử dụng trục cam đặt trên nắp máy, tức là trục cam được đặt trên các xu-páp, Các vấu cam trên trục cam tác động trực tiếp lên các xu-páp hoặc thông qua một vật liên kết ngắn. Các động cơ cổ điển sử dụng loại trục cam đặt phía dưới gần trục khuỷu. Các thanh nối (còn gọi là đũa đẩy) sẽ truyền lực nâng của vấu cam đến các xu-páp qua các đòn bẩy (còn gọi là “dàn cò”) 1.2.7 Hệ thống nhiên liệu - Hệ thống nhiên liệu bơm nhiên liệu từ thùng và trộn chúng với không khí để tạo điều kiện cháy tốt nhất trong lòng xilanh. Hệ thống nhiên liệu được chia thành 3 loại: Chế hòa khí, phun nhiên liệu gián tiếp và phun nhiên liệu trực tiếp Hình 1.6 Hệ thống nhiên liệu - Hệ thống chế hòa khí có tác dụng hòa trộn không khí với nhiên liệu ngay khi không khí được hút vào trong xilanh. - Trong động cơ phun xăng, một lượng nhiên liệu phù hợp nhất được phun trực tiếp vào trong xilanh của động cơ (direct fuel injection) hoặc phun vào đường ống nạp chung (port fuel injection).  1.2.8 Hệ thống điện - Hệ thống điện gồm có nguồn điện (ắc quy) và máy phát điện. Máy phát điện dẫn động bằng dây đai và sinh ra điện năng để nạp cho ắc quy. Nguồn điện 12 vôn của ắc quy sẽ cung cấp cho toàn bộ hệ thống điện như hệ thống đánh lửa, radio, đèn pha, bộ rửa kính điện, hệ thống đóng cửa điện,... nhờ hệ thống dây điện của xe.  1.2.9 Hệ thống đánh lửa Hình 1.7 Sơ đồ hệ thống đánh lửa - Hệ thống đánh lửa có tác dụng sinh ra nguồn điện cao áp và đưa đến nến điện sinh ra tia lửa đốt cháy nhiên liệu. Bộ chia điện có một đường dây cao áp nối vào trung tâm (còn gọi là dây cao áp chính) và có 4, 6 hoặc 8 dây cao áp nối với các bugi (gọi là dây cao áp con, số dây cao áp con phụ thuộc vào số xilanh của động cơ). Bộ chia điện sẽ phân phối cho mỗi xilanh nhận được nguồn điện cao áp một lần trong một chu trình vào đúng thời điểm thích hợp của kỳ nén để quá trình cháy hoàn hảo nhất, động cơ sẽ hoạt động hiệu quả và êm dịu nhất. 1.2.10 Hệ thống nạp và khởi động Hình 1.8 Hệ thống nạp và khởi động - Đa số các động cơ sử dụng hệ thống nạp bình thường (tức là hút khí tự nhiên nhờ độ chênh áp giữa áp suất của không khí bên ngoài và độ chân không trong xilanh). - Hệ thống khởi động gồm có một động cơ điện và một cuộn dây khởi động từ. Khi bạn bật khoá điện khởi động, động cơ điện làm quay trục khuỷu động cơ vài vòng để tạo nên quá trình nén, nổ. Động cơ khởi động cần phải thắng được những sức cản sau:  - Toàn bộ lực ma sát của động cơ  - Lực nén của xilanh động cơ (đối với xilanh nào đó đang ở quá trình nén)  - Phần năng lượng để trục cam đóng và mở xu-páp  - Tất cả những hệ thống phụ khác như bơm nước làm mát, bơm dầu, máy phát điện,... Vì nguồn điện từ ắc quy của xe chỉ là 12 V trong đó công suất của động cơ điện lại phải rất lớn để thắng được những lực cản trên đây, nên dòng điện sử dụng cho động cơ điện khá cao. Để tăng độ bền cho hệ thống khởi động cần phải giảm tải cho khoá điện bằng cách sử dụng khởi động từ đóng mở dòng điện vào động cơ điện. Như vậy khi bạn bật khoá điện khởi động động cơ, bạn đã cấp điện cho khởi động từ làm việc để đóng mở nguồn điện cho máy khởi động. 1.2.11 Hệ thống bôi trơn - Hệ thống bôi trơn có tác dụng đưa dầu bôi trơn đến các bề mặt của các chi tiết chuyển động của động cơ để chúng di chuyển dễ dàng hơn. Có hai cụm chi tiết chính cần bôi trơn, đó là piston và các ổ bi hoặc bạc trục khuỷu và trục cam của động cơ. Đối với đa số động cơ, dầu bôi trơn được hút từ bình chứa dầu sau đó qua bộ lọc và được nén dưới áp suất cao đến các bề mặt bạc lót và thành xilanh. Sau đó lượng dầu này lại chảy về đáy các-te để tiếp tục một chu trình tuần hoàn mới.  1.3 Nguyên lý làm việc của đông cơ xăng - Nguyên tắc hoạt động của động cơ 4 thì gồm: kỳ hút, kỳ nén, kỳ cháy, kỳ xả. 1.3.1 Kỳ hút (kì nạp) Hình 1.9 kỳ hút nhiên liệu - Pittông còn nằm ở điểm chết trên. Lúc này trong thể tích buồng cháy còn đầy khí sót của chu trình trước, áp suất khí sót bên trong xilanh cao hơn áp suất khí quyển. Khi trục khuỷu quay, thanh truyền làm chuyển dịch pittông từ điểm chết trên đến điểm chết dưới, xuppap nạp mở thông xilanh với đường ống nạp. Cùng với sự tăng tốc của pittông, áp suất môi chất trong »pk Thể tích không gian trong xilanh trở nên nhỏ dần hơn so với áp suất trên đường ống nạp pk ( 0,01- 0,03Mpa). Sư giảm áp suất bên trong xilanh so với áp suất của đường ống nạp tạo nên quá trình nạp (hút) môi chất mới (không khí) từ đường ống nạp vào xilanh. Áp suất môi chất đối với động cơ bằng với áp suất khí quyển.  1.3.2 Kỳ nén Hình 1.10 kỳ nén - Pittông chuyển dịch từ điểm chết dưới đến điểm chết trên, các xupap hút và xả đều đóng, môi chất bên trong xilanh bi nén. để hoàn thiện quá trình nạp người ta vẫn để xupap nạp tiếp tục mở . Việc đóng xupap nạp là nhằm để lợi dụng sự chênh áp giữa xilanh và đường ống nạp cũng như động năng của dòng khí đang lưu động trên đường ống nạp để nạp thêm môi chất mới vào xilanh. Sau khi đóng xupap nạp, chuyển động đi lên của pittông sẽ làm áp suất và nhiệt độ của môi chất tiếp tục tăng lên. Giá trị của áp suất cuối quá trình nén, phụ thuộc vào tỷ số , độ kín của buồng đốt, mức độ tản nhiệt của thành vách xilanh . Việc tự bốc cháy của hỗn hợp khí phải cần một thời gian nhất định, mặc dù rất ngắn. Muốn sử dụng tốt nhiệt lượng do nhiên liêu cháy sinh ra thì điểm bắt đầu và điểm kết thúc quá trình cháy phía ở lân cận điểm chết trên. Do đó việc phun nhiên liệu vào xilanh động cơ đều được thực hiện trước khi pittông đến điểm chết trên 1.3.3 Kỳ cháy và giãn nở Hình 1.11 kỳ cháy và giãn nở - Đầu kỳ cháy và giãn nở, hỗn hợp không khí-nhiên liệu được tạo ra ở cuối quá trình nén được bốc cháy nhanh. Do có một nhiệt lượng lớn được toả ra, làm nhiệt độ và áp suất môi chất tăng mạnh, mặt dù thể tích làm việc có tăng lên chút ít. Dưới tác dụng đẩy của lực do áp suất môi chất tạo ra, pittông tiếp tục đẩy xuống thực hiện quá trình giãn nở của môi chất trong xilanh. Trong quá trình giãn nở môi chất đẩy pittông sinh công, do đó kỳ cháy và giãn nở được gọi là hành trình công tác (sinh công).  1.3.4 Kỳ xả Hình 1.12 kỳ xả - Kỳ thải trong kỳ này, động cơ thực hiện quá trình xả sạch khí thải ra khỏi xilanh. Pittônng chuyển dịch từ điểm chết dưới đến điểm chết trên đẩy khí thải ra khỏi xilanh qua đường xupap thải đang mở vào đường ống thải, do áp suất bên trong xilanh ở cuối quá trình thải còn khá cao, nên xupap xả bắt đầu mở khi pittông còn cách điểm chết dưới 430 góc quay của trục khuỷu. nhờ vậy, giảm được lực cản đối với pittông trong quá trình thải khí và nhờ sự chênh áp lớn tạo sự thoát khí dễ dàng từ xilanh ra đường ống thải, cải thiện được việc quét sạch khí thải ra khỏi xilanh động cơ. Kỳ thải kết thúc chu trình công tác, tiếp theo pittông sẽ lặp lại kỳ nạp theo trình tự chu trình công tác động cơ nói trên. Để thải sạch sản phẩm cháy ra khỏi xilanh, xupap xả không đóng tại vị trí điểm chết trên mà chậm hơn một chút, sau khi pittông qua khỏi điểm chết trên 170 góc quay trục khuỷu, nghĩa là khi đã bắt đầu kỳ một. Để giảm sức cản cho quá trình nạp, nghĩa là cửa nạp phải được mở dần trong khi pittông đi xuống trong kỳ một, xupap nạp cũng được mở sớm một chút trước khi pittông đến điểm chết trên 170 góc quay trục khuỷu. Như vậy vào cuối kỳ thải và đầu kỳ nạp cả hai xupap nạp và xả đều mở. Quá trình lặp lại như kỳ nạp. 1.4 Phương pháp đo tốc độ vòng tua của động cơ (revolution per minute) 1.4.1 Hệ thống đánh lửa Hình 1.13 Hệ thống đánh lửa Đo tốc độ bằng cách lấy tín hiệu từ cuộn kích mỗi lần có áp dương là nó kích cho bugi phóng điện 1 lần. số vòng tua bằng số lần kích chia cho 2 Đo tốc độ bằng cách thu tín hiệu từ bugi của xe: do sợ dây gắn với bugi của xe có điện trương rất cao ở thời điểm bugi đánh lửa nên ta dùng MOSFET để thu tin hiệu. Kết luận : Sau khi tìm hiểu và tham khảo để đo được tốc đọ vòng tua đơn giản và chính xác đó là chúng ta đo tín hiệu điện trường từ hệ thống đánh lửa của động cơ xăng , đó là khi mỗi lần bugi đánh lửa đốt cháy nhiên liệu sẽ có một tín hiệu điện trường phát ra , lúc này chúng ta sẽ dùng JFET để thu tín hiệu điện trường phát ra từ bugi đưa vào mạch xử lý để thực hiện sửa dạng xung sau đó đưa vào vi xử lý để xử lý tín hiệu 1.5 Khái quát về vi điều khiển 1.5.1 Giới thiệu chung -Chíp 89C051- 40 kích thước to lại vừa đắt tiền thì bạn có thể thay thế bằng cách dùng con chíp 89C2051-20 chân vừa nhỏ gọn vừa tiết kiệm tiền bạc mà vẫn đầy đủ các tính năng như chíp 89C51. Chíp 89C2051 rất nhỏ gọn nên nó được sử dụng rất nhiều trong các ứng dụng nhỏ. các ứng dụng cụ thể, qua các dự án thực tế để phát triển 89C2051, 89C4051…với ngôn ngữ lập trình Assembly 1.5.2 Một số đặc tính - Đây là một vi điều khiển của hãng atmel, đầy đủ các tính năng như chip 89C51. - Chip này chỉ có 20 chân.15 đường xuất nhập - Điện áp làm việc từ 2,7v → 6v ( thường là 5 v ) - Tần số làm việc: Tần số dao động thạch anh từ 0 tới 24M hz. - ROM : 2Kbyte Flash ROM - RAM : 128 bytes. - Hai bộ định thì 16-bit. - Lập trình tuần tự bằng kênh UART. - Có 6 nguồn ngắt. - Có 2 mức khóa bộ nhớ chương trình. - Có cổng nối tiếp. - Hai bộ so sánh Analog tích hợp sẵn trên chip. - Trực tiếp tiếp điều khiển ngõ ra 1.5.3 Sơ đồ chân Hình 1.14 Sơ đồ chân IC 89c2051 Port 1: Từ chân 12 → 19 xuất nhập dữ liệu , từ P1.2 → P 1.7 được dùng để kéo lên bên tron . P1.0 và P1.1 tương ứng với mức logic cao và thấp cho 2 đầu vào AIN0 và AIN1 tương ứng của bộ so sánh chính xác tên chíp . Port 1 bộ khuyêch đại đệm đầu ra có thể hạ xuống 20 mah và có thể điều khiển LED hiển thị trực tiếp. Chỉ cần 1s để chuyển những chân của Port 1 sử dụng như những đầu vào. Khi chân P1.2 → P1.7 được sử dụng như những đầu vào, chúng sẽ là những nguồn dòng I vì được kéo lên bên trong Port1cũng nhận được mã dữ liệu chương trình FLASH và thực hiện . - PORT 3: Chân số 2, 3 , 6, 7, 8, 9, 11, những chân này đã có điện trở kéo lên. P3.6 được nối cố định giữa đường xuất nhập trên bộ so sánh của chip và không thể truy cập . Chỉ cần 1s để chuyển những chân của Port 3 lên mức cao bởi sự kéo lên bên trong và có thể sử dụng như những đầu vào, chúng sẽ là những nguồn dòng I vì được kéo lên bên trong Port 3 cũng phục vụ cho các chức năng của nhiều tính năng đặc biệt của 89C2051 như sau: Port 3 cũng nhận được tín hiệu điều khiển từ Flash và thực hiện . - Vcc : Chân số 20: điện áp vào khoảng → 6v ( thường dùng ở mức 5V) - GND : Chân số 10: chân nối mass. - RST : Xác lập lại trạng thái ban đầu . RST=0: Chíp hoạt động bình thường. - RST = 1 chíp được thiết lập lại trạng thái ban đầu . - XTAL1: Ngõ vào mạch tạo xung clock trong chip và ngõ vào bộ khuếch đại đảo chiều. - XTAL2: Ngõ ra từ bộ khuếch đại đảo chiều. - Để tham khảo thêm về AT89xx chúng ta có thể tham khảo và đọc thêm sách về họ vi xử lý của Thầy Tống Văn On , Giáo trình vi xử lý 1 - Nguyễn Đình Phú… - Kết luận : Sau quá trình tìm hiểu và nghiên cứu về vi điều khiển chúng em đã nhận thấy IC 89C2051 có thể đáp ứng được tất cả những xử lý mà các IC khác có thể làm được với ưu điểm nhỏ gọn và giá thành rẻ , phương thức lập trình không khác gì với những IC khác mà kích thước to và giá thành đắt hơn 1.6 Tổng quan về IC 555 - Như chúng ta đã biết IC 555 có chức năng là để sửa dạng xung đầu vào từ bất dạng xung bất kỳ thành xung vuông - Xung đầu vào nhiễu làm ảnh hưởng đến tín hiệu xung đưa vào vi xử lý vì vậy trong những mạch điều khiển bằng dạng xung vuông thì chúng ta thường sử dụng IC555 để sửa dạng xung đầu vào để cho dạng xung được ổn định và giá thành khi mua cũng rẻ và dễ tìm kiếm ngoài thị trường , cách thiết kế và sử dụng rất đơn giản vì đã tích hợp IC số Công thức tính tần số điều chế độ rộng xung của 555: + Tần số của tín hiệu đầu ra là : f = 1/(ln2.C.(R1 + 2R2))+ Chu kì của tín hiệu đầu ra : t = 1/f+ Thời gian xung ở mức H (1) trong một chu kì : t1 = ln2 .(R1 + R2).C+ Thời gian xung ở mức L (0) trong 1 chu kì : t2 = ln2.R2.CNHư vậy trên là công thức tổng quát của 555. Tôi lấy 1 ví dụ nhỏ là : để tạo được xung dao động là f = 1.5Hz . Đầu tiên tôi cứ chọn hai giá trị đặc trưng là R1 và C2 sau đó ta tính được R1. Theo cách tính toán trên thì ta chọn : C = 10nF, R1 =33k --> R2 = 33k (Tính toán theo công thức 1.7 Datasheet một số linh kiện Rating Symbol Value Unit Drain–Source Voltage VDS ±30 Vdc Drain–Gate Voltage VDG 30 Vdc Gate–Source Voltage VGS 30 Vdc Drain Current ID 100 mAdc Forward Gate Current IG(f) 10 mAdc Total Device Dissipation @ TA = 25°C Derate above 25°C PD 350 2.8 mW mW/°C Storage Channel Temperature Range Tstg –65 to +150 °C Hình 1.14 : JFET BF245b 1.8 Các phương pháp hiển thị - Như chúng ta đã biết LCD có tác dụng để hiện thị những thông tin để người đọc có thể nhìn thấy được nội dung của một chương trình điều khiển nào đó một cách dễ dàng , và trực quan nhất , có rất nhiều cách để hiện thị nội dung của mạch điều khiển như : led đơn , led ma trận , nhưng LCD là cách hiện thị mà người đọc và người lập trình có thể có thể tương quan một cách chính xác nhất , mà khi thiết kế mạch cũng nhỏ gọn , giá thành rẻ , dễ dàng tìm kiếm và thay thế , phương pháp lập trình đơn giản . - Chúng ta có thể dễ dàng tìm hiếm tài liệu tham khảo về LCD trên mạng internet CHƯƠNG II : THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH 2.1 Sơ đồ khối chung 2.1.1 Sơ đồ Hiển thị Xử lý trung tâm Cảm biến Xử lý tín hiệu Nguồn Bàn phím Hình 2.1 Sơ đồ khối 2.1.2 Nguyên lý sơ đồ khối - Khi bugi của động cơ xăng đánh lửa để đốt cháy hỗn hợp oxi và nhiên liệu ở gần bugi có một điện trường cao nhờ cảm biến sẽ thu tín hiệu đó từ mỗ lần bugi đánh lửa , sau đó đưa vào bộ xử lý tín hiệu để xử lý tín hiệu ở sơ đồ khối này mạch xử lý tín hiệu là để sửa dạng xung đầu vào thành dạng xung vuông để đưa vào bộ vi xử lý tín hiệu trung tâm để thực hiện xử lý sau đó hiển thị ra ngoài màn hình LCD , bán phím có tác dụng để điều khiển các trạng thái của mạch như : start , stop , hold 2.1.3 Chức năng của từng khối a, Cảm biến - Dùng JFET để thu nhận tín tiệu từ bugi , vì JFET được ứng dụng và sử dụng rất nhiều trong những mạch thu đòi hỏi độ nhạy lớn , trong mạch này để đo được tốc độ vòng tua động cơ xăng thì JFET 2N3458 là đáp ứng tốt nhất tín hiệu từ bugi mỗi lần đánh lửa JFET sẽ cảm biến , thu nhận tín hiệu để đưa vào bộ vi xử lý trung tâm để thực hiện b, Xử lý tín hiệu - Để tín hiệu đưa vào bộ xử lý trung tâm để làm việc chính xác thì trước khi đưa vào chúng ta phải xử lý tín hiệu trước , tín hiệu thu được chưa xử lý rất nhiễu và có những thành phần không mong muốn . Vì thế đưa vào bộ vi xử lý trung tâm sẽ không thể làm việc được . Vì vậy phải có mạch xử lý tín hiệu trước khi đưa vào vi xử lý trung tâm Hình 2.4 Sơ đồ mạch xử lý tín hiệu IC NE555 N gồm có 8 chân. - chân số 1(GND): cho nối mase để lấy dòng cấp cho IC - chân số 2(TRIGGER): ngõ vào của 1 tần so áp.mạch so áp dùng các transistor PNP. Mức áp chuẩn là 2*Vcc/3. - Chân số 3(OUTPUT): Ngõ ra .trạng thái ngõ ra chỉ xác định theo mức volt cao(gần bằng mức áp chân 8) và thấp (gần bằng mức áp chân 1) Chân số 4(RESET): dùng lập định mức trạng thái ra. Khi chân số 4 nối masse thì ngõ ra ở mức thấp. Còn khi chân 4 nối vào mức áp cao thì trạng thái ngõ ra tùy theo mức áp trên chân 2 và 6. - Chân số 5(CONTROL VOLTAGE): dùng làm thay đổi mức áp chuẩn trong IC 555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối mase. Tuy nhiên trong hầu hết các mạch ứng dụng chân số 5 nối masse qua 1 tụ ,các tụ có tác dụng lọc bỏ nhiễu giữ cho mức áp chuẩn ổn định. - Chân số 6(THRESHOLD) : là ngõ vào của 1 tầng so áp khác .mạch so sánh dùng các transistor NPN .mức chuẩn là Vcc/3 điều khiển bỡi tầng logic .khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóa này đóng lại.ngược lại thì nó mở ra. Chân 7 tự nạp xả điện cho 1 mạch R-C lúc IC 555 dùng như 1 tầng dao động . - Chân số 8 (Vcc): cấp nguồn nuôi Vcc để cấp điện cho IC.Nguồn nuôi cấp cho IC 555 trong khoảng từ +5v ÷ +15v và mức tối đa là +18V tính toán thời gian có xung và không có xung. Chọn tần số dao động là 200Hz chọn tụ C4 = 1uF chon R3 = R2 Ton = 2Toff Mà T = Ton + Toff suy ra T = 3Toff => Toff = T/3 Ta có T = 1/f = 1/200 = 0,005 (s) = 5 (ms) Toff = T/3 = 5/3 = 1,67ms Ton = T - Toff = 5 – 1,67 = 3,33ms Toff = 0,693*R3*C1 =>R3 = Toff/(0,693*10^-6) = 1,67*10^-3/(0,693*10^-6) =2409 Ω Chọn R3 = R2 = 2,2k - Kết quả mô phỏng Hình 2.5 Dạng sóng đầu ra của mạch c , Bàn phím - Bàn phím có nhiệm vụ để điều khiển cho mạch , bàn phím được sử dụng như các nút bấm để thay đổi các trạng thái của mạch : Start , Stop , Reset, Hold d, Hiển thị - Có rất nhiều cách để hiện thị thông số của mạch khi chúng ta cần hiển thị nội dung của mạch như : hiển thị bằng led đơn , led 7 thanh ….. để gọn nhẹ và thuận tiện cho việc lập trình thì chúng ta chon LCD để hiển thị thông tin của mạch đo , dễ dàng có thể đọc được nôi dung ngay trên LCD 1 cách trực quan nhất e, Khối nguồn Hình 2.2 Khối nguồn - Để đảm bảo cho mạch hoạt động ổn định thì ta cần có 1 khối nguồn ổn định 78xx là loại linh kiện dùng để biến đổi từ điện áp cao xuống điện áp thấp tùy thuộc vào đặc điểm của từng loại họ 78xx. - L7805T là loại linh kiện dùng để tạo ra điện áp +5V. - Dải điện áp lối vào từ +7 ÷ 35 (V) - Điện áp ra là : +5 (V) - Dòng ra từ : 0 ÷ 1 (A) - Công suất lớn nhất ở đầu ra là : P = UI = 5*1 = 5 (w) 2.2.4 Sơ đồ mô phỏng Hình 2.6 Sơ đồ mô phỏng Chức năng linh kiện: Q1 khóa điện tử Ăngten dùng để thu tín hiệu từ bugi. R2 điện trơ tải và hạn dòng cho cực D của Q1. C2 dùng để lọc nhiễu giữ cho điện áp ở mức ổn định. C1 có tác dụng phóng nạp. IC555 dùng để sửa dạng xung. Y1 tạo dao động. C3,C4 đùng để lọc nhiễu. AT89c2051 dùng để xử lí thông tin. LCD đùng để hiển thị. Nguyên lí hoạt động: - Khi bugi của động cơ xăng đánh lửa để đốt cháy hỗn hợp oxi và nhiên liệu ở gần bugi có một điện trường cao nhờ ăngten sẽ thu tín hiệu đó từ mỗ lần bugi đánh lửa - Khi ăng ten thu đươc tín hiệu sẽ làm cho Q1 dẫn từ +9V qua R2 qua tiếp giáp DS của Q1 về mass, tín hiệu đươc lấy ra trên cực D của Q1 xấp xỉ 0V. khi bugi không đánh lửa không ăngten không thu được tín hiệu làm Q1 khóa. Tín hiệu lấy ra trên cực D của Q1 xấp xỉ +9V - Tín hiệu lấy ra trên cực D của Q1 được dưa vào chân số 2 của IC 555. Ic 555 sẽ thực hiện sửa dạng sóng rồi lấy ra tại chân số 3 là xung vuông. - Xung vuông sẽ đưa vào chân P3.5 của AT89c2051, AT89c2051 sẽ thực hiện đếm số xung đưa vào và hiển thị ra LCD số vòng tua của động cơ xăng. - Khi ấn nút hold (P3.4) sẽ dừng đếm xung đưa vào chân P3.5 nhưng vẫn hiển thị số xung tại thời điểm ấn nút hold. 2.3 Lưu đồ thuật toán và chương trình điều khiển 2.3.1 Lưu đồ thuật toán Start Start= 0 Đ S Đ Main khởi tạo LCD Count đếm số xung 1s = TH1*256 + TL1 tốc độ = số xung * 60 tt Hiển thị Hold =0 S Dừng bộ định thời TR1 =0 , TR0 =1 Đ Đ 1 End 2.3.2 Chương trình điều khiển #include #include #define delay_LCD 400 sbit HOLD = P3_4; sbit STOP = P3_7; sbit START = P3_3; sbit RS_LCD = P3_0; sbit RW_LCD = P3_1; sbit E_LCD = P3_2; char x; int l=0,dem,n=0,a=0; float tocdo=0,xung; unsigned char array[60]; void delay(long t) { int i; for(i=0;i<=t;i++) { ; } } void busy_flag(void) //Kiem tra co ban LCD// { P1 = 0xff; RS_LCD = 0; RW_LCD = 1; do { E_LCD= 1; delay(10); E_LCD= 0; x = P1; x = x&0x80; } while(x!=0x80); } void write_command(unsigned char LCD_command) //Ghi lenh cho LCD// { busy_flag(); P1 = LCD_command; RS_LCD = 0; RW_LCD = 0; E_LCD = 1; delay(50); E_LCD = 0; delay(50); } void write_data(unsigned char LCD_data) //Ghi lenh cho LCD// { busy_flag(); P1 = LCD_data; RS_LCD = 1; RW_LCD = 0; E_LCD = 1; delay(50); E_LCD = 0; delay(50); } void write_string(unsigned char *s) //Ghi ky tu// { while(*s) { write_data(*s); s++; } } void inti(void) //Khoi tao LCD// { write_command(0x03); //Khai bao ma tran 2 dong// write_command(0x38); //Dich con tro sang phai// write_command(0x06); //Bat con tro, nhap nay hien thi// write_command(0x0e);// } void convert(void) { tocdo = xung*60; sprintf(&array[1],"V= %1.0f V/p. ",tocdo); write_string(&array[1]); } void counter(void) { EA = 1; ET1 = 1; ET0 = 1; TMOD = 0x51; TH0 = 0x4b; TL0 = 0xfd; TH1 = TL1 = 0; P3_5 =1; dem = 0; } void main() { delay(delay_LCD); inti(); counter(); while(START == 1); TR0 = TR1 = 1; while(1) { write_command(0x01); write_command(0x80); write_string("DO AN MON HOC 2"); delay(delay_LCD); write_command(0xc0); if(HOLD==0) TR1 = TR0 = 0; if(START==0) TR1 = TR0 = 1; convert(); delay(1000); } } void interruptT0(void) interrupt 1 { dem++; if(dem == 19) { TR1 = 0; xung = TH1*256 + TL1; dem = 0; TH1 = 0; TL1 = 0; TR1 = 1; } TF0 = 0; TH0 = 0x4b; //46083.19453 TL0 = 0xfd; TR0 = 1; } Chương 3 KẾT QUẢ CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM 3.1 Kết quả - Độ chính xác : Sau quá trình nghiên cứu và thiết kế chúng em đã hoàn thành mạch và đã chạy tốt , kết quả đo tương đối chính xác với thực tế , qua những lần đo mỗi khi thay đổi tốc độ ga thì mạch cũng đã đo được những khoảng đo khác nhau - Điện áp làm việc : Điện áp làm việc của mạch rất nhỏ không cần yêu cầu điện áp cao chỉ cần mạch nguồn 5v để cung cấp cho mạch và vi xử lý làm việc để giảm kinh phí và cồng kềnh cho mạch chúng em sử dụng nguồn là pin 9v để cung cấp cho mạch - Thời gian đáp ứng của mạch : Thời gian đáp ứng của mạch rất nhanh và nhạy chỉ cần sau mỗi lần bugi đánh lửa thì mạch có thể bắt được tín hiệu ngay vì JFET có khả năng bắt tín hiệu điện trường rất nhanh và vi xử lý cũng xử lý rất nhanh nên mỗi khi có tín hiệu thì chúng ta có thể đo và hiện thị tốc độ vòng tua của động cơ ngay trên LCD - Công suất của mạch - Giá thành : Mạch thiết kế và lập trình đơn giản nên giá thành rẻ , không tốn kém cồng kềnh , rất có ích trong ứng dụng sửa chữa và bảo dưỡng động cơ xăng 3.2 Thử nghiệm - Sau khi làm và thiết kế xong mạch chúng em đã thử nghiệm trên các động cơ xăng như : xe máy , và 1 số thiết bị sử dụng động cơ xăng dung tích nhỏ để đo tốc độ vòng tua và tất cả đều cho kết quả tương đối chính xác , do thời gian và kinh nghiệm và chưa hiểu sâu hết về động cơ xăng nên kết quả chưa thật chính xác . KẾT LUẬN Với đồ án Vi Điều Khiển giúp cho sinh viên bổ sung thêm kỹ năng về lập trình cũng như làm mạch trong thực tế và xử lý sự cố. Đồ án của chúng em đã làm vế điều khiển động cơ bước ứng dụng cho vi điều khiển họ AT89XX. Với sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy Nguyễn Thành Long cùng sự cố gắng và tìm hiểu chúng em đã thiết kế ứng dụng một số Modul của vi điều khiển trong lĩnh vực điều khiển cơ học. Trong quá trình thực hiện còn một số chỗ chưa thật tối ưu , rất mong được sự góp ý , hướng dẫn của thầy cô và các bạn . Đề tài về “ Điều Khiển Tốc Độ Vòng Tua Động Cơ Xăng ” này chúng em có thể ứng dụng trong sửa chữa xe máy hay ô tô nhưng do có sự hạn chế về thời gian cũng như kiến thức chúng em chưa hoàn thành 1 cách chính xác hoàn toàn .Chính vì vậy mà chúng em muốn phát triển đề tài này lên với thuật toán đơn giản , hiệu quả hơn và có thời gian sử dụng lâu hơn . Chúng em xin chân thành cảm ơn! Nhóm SV thực hiện Tường Duy Đường Đỗ Đức Hạnh Hoàng Văn Hiếu