Đồ án TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG NÂNG HẠ KÍNH

Những năm gần đây cùng với sự phát triển chung của xã hội và với sự phát triển như vũ bão về khoa học kỹ thuật, bộ mặt thế giới đã có những thay đổi vô cùng to lớn. Có thể nói khoa học kỹ thuật hiện đại đã đang và sẽ gây ảnh hưởng mạnh mẽ đến toàn nhân loại. Ở nước ta mặc dù là một nước đang phát triển nhưng những năm gần đây cùng với đòi hỏi của sản xuất cũng như hội nhập nền kinh tế thế giới thì việc áp dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật mà đặc biệt là tự động hóa quá trình sản xuất đã có bước phát triển tạo ra sản phẩm có hàm lượng chất xám cao tiến tới hình thành một nền kinh tế tri thức. Kỹ thuật điện tử đã có những bước phát triển mạnh đặc biệt là trong kỹ thuật điều khiển tự động, kỹ thuật vi điều khiển. Đặc biệt là trên ô tô, vi điều khiển được ứng dụng rất nhiều trong các mạch điều khiển các hệ thống trên xe. Trong đó không thể không nói đến hệ thống cửa sổ điện trên xe. Là một hệ thống giúp đóng và mở cửa sổ bằng công tắc. Mô tơ cửa sổ điện quay khi vận hành công tắc cửa sổ điện. Chuyển động quay của mô tơ điện sau đó được chuyển thành chuyển động lên xuống nhờ bộ nâng hạ cửa sổ để mở hoặc đóng cửa sổ.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN Ô TÔ

CHUYÊN NGÀNH: CƠ ĐIỆN TỬ Ô TÔ VÀ XE CHUYÊN DỤNG

TÊN ĐỀ TÀI:

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

HỆ THỐNG NÂNG HẠ KÍNH TRÊN DÒNG XE KIA

Giáo viên hướng dẫn: ThS Luyện Văn Hiếu Sinh viên thực hiện: Nguyễn Chung Đức

Hưng Yên, năm 2015

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT HƯNG YÊN

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC CỘNG HÒA XÃ HỘ CHỦ NGHĨA VIỆT NAMĐộc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ NHÓM ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIÊU KHIỂN

Họ và tên: Nguyễn Chung Đức

Ngày giao: 19/3/2015

Giáo viên hướng dẫn: Luyện Văn Hiếu

Lớp: 121121Ngày hoàn thành: 19/5/2015

Tên đề tài: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG

NÂNG HẠ KÍNH

Số liệu cho trước

 Hệ thống nâng hạ kính trên dòng xe KIA

 Ứng dụng vi điều khiển

Giảng viên hướng dẫn:

Luyện Văn Hiếu

Hưng Yên, ngày… tháng… năm 2015

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Giáo viên hướng dẫn

Luyện Văn Hiếu

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 7

1 Tính cấp thiết của đề tài 7

2 Ý nghĩa của đề tài 7

3 Mục tiêu của đề tài 7

4 Đối tượng nghiên cứu và giới hạn của đề tài 8

4.1 Đối tượng: 8

4.2 Phạm vi: 8

5 Phương pháp kế hoạch nghiên cứu 8

5.1 Sự dụng IC điều khiển 8

5.2 Sử dụng cụm công tắc tổ hợp điều khiển: 8

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI 9

1.1 Hệ thống cửa sổ điện 9

1.1.1 Khái quát chung về hệ thống nâng hạ cửa sổ điện 9

1.1.2 Nguyên lý hoạt động 12

1.2 Các thiết bị của hệ thống 15

1.2.1 Công tắc hành trình 15

1.2.2 Vi điều khiển họ 8051 16

1.2.3 Động cơ điện một chiều 18

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 23

2.1 Sơ đồ mạch của hệ thống 23

2.2 Tính chọn thiết bị cho hệ thống 23

2.2.1 Các thông số động cơ 23

2.3 Thiết kế sơ đồ mạch 24

2.3.1 Sơ đồ khối của mạch 24

2.3.2 Sơ đồ nguyên lý trên phần mềm mô phỏng proteus 25

2.3.4 Sơ đồ mạch in 25

2.3.5 Chương trình vi điều khiển AT89c51 26

2.4 Kết quả 28

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 29

1 Ưu điểm 29

2 Nhược điểm 29

3 Tính thực tế hướng cải tiến và phát triển 29

TÀI LIỆU THAM KHẢO 30

DANH MỤC HÌNH VẼ

1 Hình 1.1 Mô tả hệ thống cửa sổ điện

2 Hình 1.2 Chức năng mở bằng công tắc

3 Hình 1.3 Chức năng chống kẹt và điểu khiển

cửa sổ khi tắt chìa khóa điện

4 Hình 1.4 Cấu trúc hệ thống cửa sổ điện

5 Hình 1.5 Bộ nâng hạ kính và motor cửa sổ điện

6 Hình 1.6 Công tắc chính và công công tắc cửa

7 Hình 1.7 Chức năng đóng bằng tay

8 Hình 1.8 Chức năng mở bằng tay

9 Hình 1.9 Đóng cửa sổ tự động bằng một lần ấn

10 Hình 1.10 Mở cửa sổ tự động bằng một lần ấn

11 Hình 1.11 Chống kẹt cửa sổ điện

12 Hình 1.12 Nguyên lý hoạt động chống kẹt cửa sổ

điện

13 Hình 1.13 Điều khiển cửa sổ khi tắt khóa điện

14 Hình 1.14 Sơ đồ chân và chức năng của họ 8051

16 Hình 1.16 Hình trên là cách nối bộ dao động

thạch anh

17 Hình 1.17 Sơ đồ cấu tạo động cơ một chiều

18 Hình 1.18 Đường đặc tính của động cơ kích từ

độc lập và song song

19 Hình 1.19 Đường đặc tính cơ của động cơ kích

22 Hình 1.22 Công tắc hành trình

23 Hình 1.23 Sơ đồ chân công tắc hành trình

24 Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống cửa sổ điện

25 Hình 2.2 Đường đặc tính cơ điện

26 Hình 2.3 Sơ đồ khối của mạch điều khiển

27 Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển

28 Hình 2.5 Sơ đồ mạch in mạch điều khiển

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Những năm gần đây cùng với sự phát triển chung của xã hội và với sự phát triểnnhư vũ bão về khoa học kỹ thuật, bộ mặt thế giới đã có những thay đổi vô cùng tolớn Có thể nói khoa học kỹ thuật hiện đại đã đang và sẽ gây ảnh hưởng mạnh mẽđến toàn nhân loại Ở nước ta mặc dù là một nước đang phát triển nhưng nhữngnăm gần đây cùng với đòi hỏi của sản xuất cũng như hội nhập nền kinh tế thế giớithì việc áp dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật mà đặc biệt là tự động hóa quá trìnhsản xuất đã có bước phát triển tạo ra sản phẩm có hàm lượng chất xám cao tiến tớihình thành một nền kinh tế tri thức Kỹ thuật điện tử đã có những bước phát triểnmạnh đặc biệt là trong kỹ thuật điều khiển tự động, kỹ thuật vi điều khiển Đặc biệt

là trên ô tô, vi điều khiển được ứng dụng rất nhiều trong các mạch điều khiển các hệthống trên xe Trong đó không thể không nói đến hệ thống cửa sổ điện trên xe Làmột hệ thống giúp đóng và mở cửa sổ bằng công tắc Mô tơ cửa sổ điện quay khivận hành công tắc cửa sổ điện Chuyển động quay của mô tơ điện sau đó đượcchuyển thành chuyển động lên xuống nhờ bộ nâng hạ cửa sổ để mở hoặc đóng cửasổ

2 Ý nghĩa của đề tài

Giúp cho sinh viên năm ba củng cố kiến thức, tổng hợp và nâng cấp những kiếnthức chuyên ngành cũng như kỹ năng chuyên ngành vững chắc hơn

Từ những kết quả thu thập được giúp cho việc nâng cao kiến thức cùng sự chỉ

bảo đóng góp từ GVHD Luyện Văn Hiếu, em đã mạnh dạn lựa chọn và thực hiện

đề tài:

“Tính toán và thiết kế mạch điều khiển hệ thống nâng hạ kính”

3 Mục tiêu của đề tài

Trên nền tảng điều khiển bởi ngôn ngữ lập trình C với các IC điều khiển.

4 Đối tượng nghiên cứu và giới hạn của đề tài

5 Phương pháp kế hoạch nghiên cứu

5.1 Sự dụng IC điều khiển

Nguyên lý điều khiển:

Đóng mở cửa sổ: IC nhận tín hiệu từ công tắc đóng mở cửa sổ → xử lý bêntrong IC đưa ra tín hiệu điện → cấp dòng cho cuộn hút của cặp relay điều khiểnmotor nâng hạ kính → đóng ngắt các tiếp điểm thực hiện nối mạch cấp nguồn chomotor nâng hạ kính hoạt động

Hành trình cửa sổ: IC nhận tín hiệu phải hồi tử cảm biến hành trình cửa sổ → xử

lý và đưa ra tín hiệu điện → ngắt dòng điều khiển cặp relay điều khiển motor nâng

hạ kính → bảo vệ an toàn cho hệ thống

5.2 Sử dụng cụm công tắc tổ hợp điều khiển:

Nguyên lý điều khiển:

Motor nâng hạ kính được điều khiển trực tiếp bởi cụm công tắc tổ hợp → thựchiện nối các cặp tiếp điểm → thông mạch cho motor nâng hạ kính làm việc

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI

1.1 Hệ thống cửa sổ điện

1.1.1 Khái quát chung về hệ thống nâng hạ cửa sổ điện

Hình 1.1: Mô tả hệ thống cửa sổ

điện

 Mô tả

 Hệ thống điều khiển cử sổ điện làmột hệ thống để mở và đóng cáccửa sổ bằng công tắc

 Mô tơ cửa sổ điện quay khi vậnhành công tắc điện cửa sổ điện

 Chuyển động quay của mô tơ điệncửa sổ này sau đó được chuyểnthành chuyển động lên xuống nhờ

bộ nâng hạ cửa sổ điện để mở hoặcđóng cửa sổ

 Hệ thống có các chức năng sauđây:

 Chức năng đóng mở bằng tay

 Chức năng tự động đóng mở cửa sổbằng một lần ấn

 Chức năng khóa cửa sổ

 Chức năng tự động đóng mở cửa

sổ bằng một lần ấn

 Khi ấn công tắc điều khiển cửa sổ

bị kéo lên hoặc đẩy xuống hoàntoàn, thì cửa sỏ sẽ đóng và mởhoàn toàn

 Một số xe chỉ có chức năng mở tựđộng và một số xe chỉ có chứcnăng đóng mở tự động cho cửa sổ

Hình 1.3: Chức năng chống kẹt

và điểu khiển cửa sổ khi tắt chìa

khóa điện

phía người lái

 Chức năng khóa cửa sổ

 Khi bật công tắc khóa cửa sổ, thìkhông thể mở hoặc đóng tất cả cáccửa kính trừ cửa sổ phía người lái

 Chức năng chống kẹt cửa sổ

 Trong quá trình đóng cửa sổ tựđộng nếu có vật thể lạ kẹt vào cửakính thì chức năng này sẽ tư độngdừng cửa kính và dịch chuyển nóxuống khoảng 50mm

 Chức năng đièu khiển cửa sổ khitắt khóa điện

 Chức năng này cho phép điềukhiển hệ thống đóng cửa sổ điệntrong khoảng thời gian 45 giây saukhi tắt khóa điện về vị trí ACChoặc LOCK, nếu cửa xe phíangười lái không mở

b Cấu trúc hệ thống và các cụm thiết bị cửa sổ điện

Hình 1.4: Cấu trúc hệ thống cửa

sổ điện

 Hệ thống cửa sổ điện bao gồm các

bộ phận sau:

1 Bộ nâng hạ cửa sổ

2 Các motor điều khiển cửa sổ điện

3 Công tắc chính cửa sổ điện

4 Các công tắc cửa sổ điện

5 Khóa điện

6 Công tắc cửa phía người lái

 Cấu tạo

1 Bộ nâng hạ cửa sổ(1) Chức năng

 Chuyển động quay của motor điềukhiển cửa sổ được chuyển thànhchuyển động lên xuống để đóng

mở cửa sổ

(2) Cấu tạo

 Cửa kính được đỡ bằng đòn nâng

hạ của bộ nâng hạ cửa sổ Đòn nàyđược đỡ bằng cơ cấu đòn chữ Xnối với đòn điều chỉnh của bộnâng hạ cửa sổ

Hình 1.5: Bộ nâng hạ kính và

motor cửa sổ điện

 Cửa sổ được đóng mở nhờ sự thayđổi chiều cao cơ cấu đòn chữ X

2 Motor điều khiển cửa sổ điện(1) Chức năng

 Motor điều khiển cửa sổ điện quaytheo hai chiều để dẫn động bộnâng hạ cửa sổ

(2) Cấu tạo

 Motor điều khiển cửa sổ gồm có

ba bộ phận: motor, bộ truyền bánhrăng, và cảm biến Motor thay đổichiều quay nhờ công tắc Bộtruyền bánh răng truyền chuyểnđộng quay củ motor tới bộ nâng hạcửa sổ

 Cảm biến bồn có công tắc hạn chế

và cảm biến tốc độ để điều khiểnchống kẹt cửa sổ

3 Công tắc chính cửa sổ điện

 Công tắc chính cửa sổ điện điềukhiển toàn bộ hệ thống cửa sổđiện

 Công tắc khóa cửa sổ ngăn khôngcho đóng và mở cửa sổ trừ cửa sổphía người lái

 Việc xác định kẹt cửa sô được xácđịnh dựa trên tín hiệu của cảmbiến tốc độ và công tắc hạn chế từmotor điều khiển cửa sổ phíangười lái (các loại xe có chức năngchống kẹt cửa sổ)

4 Công tắc cửa sổ điện

 Công tắc cửa sổ điện điều khiểndẫn động motor điều khiển cửa sổđiện của cửa sổ phía hành kháchphía trước và phía sau Mỗi cửa cómột công tắc điện điều khiển

5 Khóa điện

 Khóa điện truyền các tín hiệu vị trí

ON, ACC hoặc LOCK tới công tắcchính cửa sổ điện để điều khiểnchức năng cửa sổ khi tắt khóađiện

6 Công tắc cửa xe

Hình 1.6: Công tắc chính và công

công tắc cửa

 Công tắc cửa xe truyền tín hiệuđóng hoặc mở cửa xe của người lái(mở cửa: ON, đóng cửa: OFF) tớicông tắc chính cửa sổ điện để điềukhiển chức năng cửa sổ điện khitắt khóa điện

Relay UP: ONRelay DOWN: Tiếp MassKết quả là motor điều khiển cửa

sổ điện phía người lái quay theohướng UP Khi thả công tắc ra,relay UP tắt và động cơ dừng lại.Khi ấn công tắc điều khiển cửa sổđiện phía người lái xuống nửachừng, tín hiệu DOWN bằng tayđược truyền tới IC và xảy ra sựthay đổi sau:

Tranzisto Tr: ONRelay UP: Tiếp MassRelay DOWN: ONKết quả là motor điều khiển cửa

sổ phía người lái quay theo hướng

Hình 1.8: Chức năng mở bằng tay

Hình 1.9: Đóng cửa sổ tự động

bằng một lần ấn

Hình 1.10: Mở cửa sổ tự động

bằng một lần ấn

DOWN

b Chức năng đóng mở cửa sổ tự độngbằng một lần ấn

 Mô tảKhi khóa điện ở vị trí ON và côngtắc cửa sổ điện phía người láiđược kéo lên hoàn toàn, tín hiệu

UP tự động được truyền tới IC Vì

IC có mạch định thời và mạch này

sẽ duy trì trạng trái ON lớn nhấtkhoảng 10 giây khi tín hiệu UP tựđộng được đưa vào, nên motorđiều khiển cửa sổ điện phía ngườilái tiếp tục quay cả khi công tắcđược thả ra Motor điều khiển cửa

sổ điện dừng lại khi cửa sổ phíangười lái đóng hoàn toàn và ICxác định được tín hiệu khóa motor

từ cảm biến tốc độ và công tắchạn chế của motor điều khiểnhoặc khi mạch định thời tắt Cóthể dừng thao tác đóng mở tựđộng bằng cách nhấn vào công tắccửa sổ điện phía người lái

c Chưc năng chống kẹt cửa sổ

 Mô tảCửa sổ bị kẹt được xác định bởihai bộ phận Công tắc hạn chế vàcảm biến tốc độ trong motor điềukhiển cửa sổ điện

Cảm biến tốc độ chuyển tốc độmotor thành tín hiệu xung Sự kẹtcửa sổ được xác định dựa vào sựthay đổi chiều dài của song xung.Khi đai của vành răng bị đứng im,công tắc hạn chế sẽ phân biệt sựthay đổi chiều dài sóng của tínhiệu xung trong trường hợp cửa

sổ bị kẹt với chiều dài sóng xungtrong trường hợp cửa sổ đónghoàn toàn

 Nguyên lý hoạt động

Hình 1.11: Chống kẹt cửa sổ điện

Hình 1.12: Nguyên lý hoạt động

chống kẹt cửa sổ điện

Hình 1.13: Điều khiển cửa sổ khi

tắt khóa điện

Khi công tắc chính cửa sổ nhậnđược tín hiệu là có một cửa sôt bịkẹt từ motor điều khiển cửa kính,

nó tắt relay UP và bật relayDOWN khoảng 1 giây và mở cửakính khoảng 50 mm để ngăn chocửa sổ tiếp tục đóng

d Chức năng điều khiển cửa sổ khi tắtkhóa điện

 Mô tảChức năng điều khiển cửa sổ khitắt khóa điện điều khiển sự hoạtđộng của relay chính cửa sổ điệndựa trên hệ thống điều khiển khóacửa

Khi tắt khóa điện từ vị trí ON về

vị trí ACC hoặc LOCK, thì relay

tổ hợp xác định sự thay đổi này sẽkích hoạt mạch định thời và giữrelay chính điều khiển cửa sổ ởtrạng thái bật khoảng 45 giây

1.2 Các thiết bị của hệ thống

sự thay đổi như sau:

Tiếp điểm thường đóng→ Mở

Tiếp điểm thường mở→Đóng

Hình 1.22: Công tắc hành trình

b Sơ đồ chân

Hình 1.23: Sơ đồ chân công tắc hành trình

1.2.2 Vi điều khiển họ 8051

a Sơ đồ chân và chức năng của họ 8051

Họ vi điều khiển này có 128 byte RAM, 4kbyte ROM, hai bộ định thời, mộtcổng nối tiếp và 4 cổng ra/vào song song và là 1 bộ vi xử lý 8 bit

Hình 1.14: Sơ đồ chân và chức năng của họ 8051

Hình 1.15: Sơ đồ chân Port 2

 Port 3 (P3.0- P3.7)

Mỗi chân trên Port 3 ngoai chớc năng xuất nhập còn có chớc năng riêng, cụ thểnhư sau :

Bit Tên Chức năng

P3.0 RXD Dữ liệu nhận cho port nối tiếp

P3.1 TXD Dữ liệu truyền cho port nối tiếp

P3.2 INT0 Ngắt bên ngoài 0

P3.3 INT1 Ngắt bên ngoài 1

P3.4 T0 Ngõ vào của Timer/counter 0

P3.5 T1 Ngõ vào của Timer/ counter 1

P3.6 /WR Xung ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài

P3.7 /RD Xung đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài

 Chân /PSEN ( Program store Enable)

/PSEN là chân điều khiển đọc chương trình ở bộ nhớ ngoài, nó được nối vớichân /OE để cho phép đọc các byte mã lệnh trên ROM ngoài /PSEN sẽ ở mức thấptrong thời gian đọc mã lệnh Mã lệnh được đọc từ bộ nhớ ngoài qua bus dữ liệu(Port 0) thanh ghi lệnh để được giải mã Khi thực hiện chương trình trong ROM nộithì /PSEN ở mức cao

 Chân ALE (Address Latch Enable)

ALE là tín hiệu điều chỉnh chốt địa chỉ có tần số bằng 1/6 tần số dao động của viđiều khiển Tín hiệu ALE được dùng để cho phép vi mạch chốt bên ngoài như

74373, 74573 chốt byte địa chỉ thấp ra khỏi bus đa hợp địa chỉ / dữ liệu (Port 0)

 Chân /EA (External Access)

Tín hiệu /EA cho phép chọn bộ nhớ chương trình là bộ nhớ trong hay ngoài viđiều khiển Nếu EA ở mức cao (nối với vcc), thì vi điều khiển thi hành chương trìnhtrong ROM nội Nếu /EA ở mức thấp (nối với GND), thì vi điều khiển thi hànhchương trình từ bộ nhớ ngoài

 RST (Reset), VCC, GND

Ngõ vào RST trên chân 9 là ngõ Reset của 8051 Khi tín hiệu này được đưa lênmức cao, các thanh ghi trong bộ vi điều khiển được tải những giá trị thích hợp đểkhởi động hệ thống

8051 dùng nguồn điện áp một chiều có dải điện áp từ 4V đến 5,5V được cấp quachân 20 và 40

 XTAL1, XTAL2

8051 có một bộ dao động trên chíp, nó thường được nối với với bộ dao độngbằng thạch anh có tần số lớn nhất là 33MHZ, thông thường là 12MHZ

Hình 1.16: Hình trên là cách nối bộ dao động thạch anh

1.2.3 Động cơ điện một chiều

a Định nghĩa

Máy điện một chiều là loại máy điện làm việc với dòng điện một chiều, có thể

sử dụng làm máy phát điện hoặc động cơ điện

Máy điện một chiều cho phép điều chỉnh tốc độ trơn trong khoảng rộng vàmomen mở máy lớn vì vậy nó được sử dụng rộng rãi làm động cơ kéo, khi cần điềuchỉnh chính xác tốc độ động cơ trong khoảng rộng, máy điện một chiều còn được

sử dụng rộng rãi làm nguồn nạp ácquy, hàn điện, nguồn cung cấp điện…

b Phân loại động cơ điện một chiều

 Kích từ độc lập

 Kích từ song song

 Kích từ nối tiếp

 Kích từ hỗn hợp

c Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Động cơ điện một chiều có cấu trúc gồm 3 bộ phận chính: phần cảm, phần ứng,

Trong chế độ động cơ, cần cấp điện một chiều cho cuộn kích từ và cuộn dâyphần ứng Dòng điện chạy trong phần ứng sẽ tác dụng với từ trường gây bởi phầncảm tạo thành momen quay rotor

Hình 1.17: Sơ đồ cấu tạo động cơ một chiều

d Đặc tính của động cơ một chiều