nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình giao tiếp giữa máy tính và hệ thống điều khiển động cơ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP BỘ NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH GIAO TIẾP GIỮA MÁY TÍNH VÀ HỆ THỐ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP BỘ

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO

MÔ HÌNH GIAO TIẾP GIỮA MÁY TÍNH

VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

MÃ SỐ: B2006-22-10

Tp Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2009

S 0 9

S KC 0 0 2 6 9 7

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM

  

ĐỀ TÀI NCKH CẤP BỘ

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH GIAO TIẾP GIỮA MÁY TÍNH VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

MÃ SỐ: B2006-22-10

Thuộc nhóm ngành : Khoa học Kỹ thuật Người chủ trì : ThS Huỳnh Quốc Việt Người tham gia : ThS Nguyễn Văn Long Giang

ThS Lý Vĩnh Đạt Đơn vị : ĐH SPKT TP HCM

Tp Hồ Chí Minh, tháng 11/2009

MỤC LỤC

1.1

1.2

Đặt vấn đề

Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1 2 1.3 Mục tiêu và nhiệm vụ 2

1.4 Phạm vi nghiên cứu 3

1.5 Đối tượng nghiên cứu 3

1.6 Phương pháp nghiên cứu 4

1.7 Ứng dụng thực tiễn 4

1.8 Tính cấp thiết của đề tài 4

1.9 Bố cục của đề tài 4

Chương 2 VI ĐIỀU KHIỂN 6 2.1 Đặt điểm của họ vi điều khiển AVR 6

2.2 Cấu trúc phần cứng của họ vi điều khiển AVR 8

2.3 Giới thiệu về vi điều khiển atmega16 10

2.4 2.5 Giới thiệu về vi điều khiển atmega8

Giới thiệu về các card giao tiếp của LabVIEW

15 22 Chương 3 ĐỘNG CƠ 24 3.1 Giới thiệu về động cơ 24

3.2 3.3 3.4 Cảm biến

Bộ điều khiển

Các tín hiệu điều khiển

24 27 27 Chương 4 LABVIEW 36 4.1 Những khái niệm cơ bản 36

4.2 Kỹ thuật lập trình Labview 38

4.3 Kỹ thuật lập trình nâng cao trong Labview 48

Chương 5 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ GIAO TIẾP 58 5.1 Sơ đồ tổng quát 58

5.2 Bộ giao tiếp 62

5.3 Thi công mạch giao tiếp 70

Chương 6 THIẾT KẾ GIAO DIỆN GIAO TIẾP 73 6.1 Giao diện người sử dụng 73

6.2 Cửa sổ chương trình 77

Chương 7 THỰC NGHIỆM 83 7.1 7.2 Mục tiêu thí nghiệm

Phương pháp thí nghiê ̣m

83

83

7.3 Sơ đồ thí nghiệm 84

7.4 Phương pháp vận hành 86

7.5 Kết quả thí nghiệm 87

7.6 Ứng dụng 91

7.7 Nhận xét kết quả thực nghiệm 94

Chương 8 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 95 8.1 Kết luận 95

8.2 Kiến nghị 95

8.3 Hướng phát triển của đề tài 96

Phụ lục Các bài thực hành

TÓM TẮT

Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình giao tiếp giữa máy tính và hệ

thống điều khiển động cơ

Mã số: B2006-22-10

Chủ nhiệm đề tài: Huỳnh Quốc Việt Tel.: 0987799346 E-mail: vietckd@yahoo.com

Cơ quan chủ trì đề tài: Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh

Cơ quan và cá nhân phối hợp thực hiện: ThS Nguyễn Văn Long Giang

ThS Lý Vĩnh Đạt Thời gian thực hiện: từ 06/2006 đến 03/ 2008

1 Đối tượng:

 Nghiên cứu hệ thống điều khiển động cơ

 Nghiên cứu cấu trúc, hoạt động của vi điều khiển AVR và các linh kiện điện tử liên quan Ứng dụng ngôn ngữ lập trình C trong xử lý, điều khiển bộ giao tiếp

 Nghiên cứu cấu trúc máy tính và phương pháp kết nối với thiết bị ngoại vi

 Nghiên cứu phương pháp thiết kế giao diện giao tiếp và phương pháp truyền

dữ liệu nối tiếp bằng phần mềm LabVIEW

2 Mục tiêu của đề tài là thiết kế, chế tạo bộ giao tiếp giữa máy tính và ECU điều khiển động cơ kết hợp với thiết kế giao diện giao tiếp bằng phần mềm LabVIEW Từ

đó, thiết lập giao thức truyền dữ liệu giữa động cơ và máy tính thông qua cổng nối tiếp RS-232, sao cho, trên giao diện người sử dụng có thể quan sát sự thay các thông

số động cơ Mặt khác, họ có thể thay đổi các thông số đầu vào để thấy được các đáp ứng của các tín hiệu điều khiển cơ cấu chấp hành Ngoài ra, người sử dụng cũng có thể điều khiển nguồn cung cấp cho động cơ, khởi động động cơ và truy xuất mã lỗi bằng máy tính

3 Kết quả

 Từ những nội dung nghiên cứu đó tác giả đã thiết kế bộ giao tiếp, viết chương trình xử lý cho vi điều khiển và giao diện giao tiếp LabVIEW

 Kiểm tra độ chính xác của bộ giao tiếp, bằng thực nghiệm trên động cơ 4S-FE Toyota Camry và so sánh với kết quả của máy chẩn đoán DCN-PRO

 Sản phẩm của đề tài ứng dụng trong giảng dạy kỹ thuật đạt hiệu quả cao

 Sản phẩm này còn có thể ứng dụng trong thí nghiệm để xác định bản đồ dữ liệu của động cơ

SUMMARY

Project Title: Researching, designing and manufacturing the interface

communicator between personal computer and engine mangament system

Code number: B2006-22-10

Coordinator: MSc Huynh Quoc Viet

Implementing Institution: Universty of Technical Education HCMC

Cooperating Institution(s): MSc Nguyen Van Long Giang - MSc Ly Vinh Đat

Duration: from Jun 2006 to March 2008

1 Objectives

 Studying in engine management sytems

 Examining structure, operation of microcontroller AVR and some related electronic components programming in C language for processing and controlling the communicator

 Examining the structure of personal computer and the method of connecting with external devides

 Examining the method to design the interface and the way to transfer serial data by LabVIEW software

2 Main contents: The purpose of this thesis is to design the interface communicator

between computer and ECU by mean of LabVIEW software Thenceforth, it could lay out the protocol of data transferring between the engine and computer through the serial port RS-232, so that the user could observe the change of the engine parameters from the interface One the other hand, the user could also change one of those input parameters to see the response of actuators Besides, the user could also use computer

to turn off/turn on, to start or access code of the engine

3 Result obtained:

 Base on above-mentioned tasks, an interface communicator and program for both microcontroller and communicator have been designed by the author

 Providing the experiment on the engine of 4S-FE Toyota Camry to check the exact of communicator and comparing with the diagnostic engine tester DCN-PRO

 Products of thesis are applied in teaching techniques to achieve high efficiency

 The product also can be applied in experiments to determine the map's data engine

Chương 1 Dẫn Nhập Trang 1

1.1 Đặt vấn đề

Đã hơn 118 năm kể từ khi chiếc ô tô đầu tiên trên thế giới ra đời, đến nay ô tô

đã trở thành một phương tiện vận chuyển cần thiết không gì thay thế được trong xã hội loài người So với các phương tiện giao thông khác, ô tô có vị trí vô cùng quan trọng vì tỉ lệ hành khách tham gia giao thông bằng đường bộ cao hơn hẳn so với các loại phương tiện giao thông khác, hằng năm tỷ lệ tăng trưởng trong sản xuất ôtô đạt xấp xỉ 3%

Cùng với xu hướng phát triển của thế giới, khoa học kỹ thuật và công nghệ cũng phát triển không ngừng, nhiều thành tựu nổi bật góp phần thúc đẩy sự phát triển các ngành công nghiệp Nền công nghiệp ô tô cũng không nằm ngoài quy luật đó, từ những năm 80 của thế kỷ XX, công nghệ điện tử đã được ứng dụng trên ô tô dần dần thay thế các cơ cấu điều khiển bằng cơ khí Qua nhiều thập niên, điện tử trở thành một trong những nhân tố quan trọng không thể thiếu được trên ô tô Nó không những giúp động cơ ô tô điều khiển chính xác hơn nhằm giảm ô nhiễm môi trường, tiết kiệm nhiên liệu, tăng công suất động cơ mà còn là thước đo giá trị về tính êm dịu, mức độ tiện nghi của chiếc ô tô hiện đại, từ đó, quyết định khả năng sống còn của chiếc ô tô

đó

Song song với việc hiện đại hóa chiếc ô tô ngày càng hoàn hảo hơn thì vấn đề bảo trì, chẩn đoán, sửa chữa cũng ngày càng phức tạp hơn Với những chiếc ô tô hiện đại hiện nay, lượng dữ liệu điều khiển xe ngày càng nhiều Vì vậy, chẩn đoán, sửa chữa theo phương pháp thủ công đã trở nên hết sức khó khăn nếu không muốn nói là không tưởng Do đó, để giúp cho người kỹ thuật viên thực hiện tốt công việc chẩn đoán và sữa chữa, các ô tô đời mới đã trang bị hệ thống tự chẩn đoán Tuy nhiên, hệ thống tự chẩn đoán chỉ phát hiện được lỗi hệ thống khi các tín hiệu nằm ngoài khoảng xác định cho phép Vì thế, khi tín hiệu đó sai lệch với thực tế nhưng vẫn nằm trong khoảng xác định đó thì hệ thống tự chẩn đoán vẫn không phát hiện được Điều này dẫn đến động cơ hoạt động không đạt hiệu quả cao

Mặt khác, với cương vị là người giáo viên kỹ thuật, người nghiên cứu luôn mong muốn đạt hiệu quả cao trong công tác giảng dạy Ngoài kiến thức chuyên môn, lòng say mê công việc cộng với phương pháp sư phạm hiện đại thì thiết bị dạy học cũng góp phần rất lớn trong việc nâng cao hiệu quả giảng dạy, đặc biệt là giảng dạy

kỹ thuật Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình dạy học là một minh chứng cụ thể và

đề tài này cũng không ngoài mục đích đó Sản phẩm của đề tài là mô hình dạy học minh họa sự thay đổi các thông số động cơ và đặc biệt là ảnh hưởng của các tín hiệu đầu vào đến hoạt động của động cơ như thế nào

Song song với công tác giảng dạy, công tác nghiên cứu của người giáo viên kỹ thuật cũng không kém phần quan trọng Hầu hết các dữ liệu điều khiển động cơ được

Chương 1 Dẫn Nhập Trang 2

xác định từ thực nghiệm Nhưng do tín hiệu đầu vào khá nhiều, thiết bị trong nước còn khiêm tốn nên chúng ta không thể xác định được sự ảnh hưởng của từng tín hiệu đến các chế độ hoạt động của động cơ Điều này ảnh hưởng rất lớn đến công tác nghiên cứu

Với những trăn trở, khúc mắt trong chuyên môn cùng với khát vọng nâng cao trình độ, cải tiến, phát triển kỹ thuật Nhóm nghiên cứu đã tìm được hướng giải quyết

trong đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mạch giao tiếp giữa máy tính và hệ

thống điều khiển động cơ “ Đề tài này được thực hiện với ba nội dung chính:

 Nghiên cứu lý thuyết về giao tiếp giữa máy tính và động cơ bằng LabVIEW

 Thiết kế, chế tạo bộ giao tiếp giữa máy tính cá nhân và ECU điều khiển động cơ

 Thiết kế giao diện giao tiếp giữa máy tính cá nhân và ECU điều khiển động cơ

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Với công nghệ tiên tiến hiện nay, rất nhiều đề tài ứng dụng công nghệ thông tin vào điều khiển, tuy nhiên, ở Việt Nam chúng ta chỉ dừng lại ở việc khai thác, bảo trì, chẩn đoán, sửa chữa mà không thể nghiên cứu đến việc thiết kế hay cải tiến tối ưu bỡi chúng ta thiếu các phòng thí nghiệm để tìm được các thông số tối ưu cho động cơ Với sự hỗ trợ của các phần mềm giao tiếp, tính toán, mô phỏng hiện nay chúng ta có thể thực hiện được các phép tính và mô phỏng hoạt động trước khi thiết kế, chế tạo sản phẩm thật LabVIEW là một phần mềm mạnh được nhóm nghiên cứu chọn lựa để thực hiện giao tiếp điều khiển động cơ

Hiện nay, trong những nghiên cứu của các chuyên gia nước ngoài thì LabVIEW được ứng dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm, cũng như các dự án nghiên cứu lớn, tuy nhiên, các nghiên cứu thực hiện cho điều khiển động cơ vẫn còn giới hạn Tại Việt Nam LabVIEW chỉ được sử dụng trong những năm gần đây nên hầu như chưa công trình nào thực hiện việc điều khiển giao tiếp với động cơ

Trong hướng nghiên cứu này, gần đây ở Việt Nam có luận văn cao học của Thạc sỹ Huỳnh Quốc Việt năm 2005 ứng dụng Matlab trong điều khiển giao tiếp, luận văn cao học của Thạc Sỹ Trần Thế Liên năm 2009 ứng dụng LabVIEW trong điều khiển giao tiếp Do đó, với đề tài này nhóm tác giả hy vọng là một trong những nghiên cứu tiếp tục thúc đẩy sự phát triển trong lĩnh vực nghiên cứu này; trong vấn đề tính toán, thí nghiệm xây dựng được bảng đồ dữ liệu hoàn thiện của động cơ

1.3 Mục tiêu và nhiệm vụ

Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mạch giao tiếp giữa máy tính và hệ

thống điều khiển động cơ “ nhằm thiết kế và chế tạo mạch giao tiếp hai chiều giữa

máy tính và ECU điều khiển động cơ nhằm hiển thị các thông số hoạt động của động

Chương 1 Dẫn Nhập Trang 3

cơ, đồng thời, điều khiển động cơ từ máy tính Việc tính toán mô phỏng và điều khiển động cơ được thực hiện thông qua phần mềm LabVIEW Trên cơ sở mạch giao tiếp này, ta có thể phát triển thành các thiết bị chẩn đoán và sửa chữa động cơ

Các bước thực hiện đề tài:

 Nghiên cứu cấu trúc vi điều khiển

 Nghiên cứu nguôn ngữ lập trình C

 Nghiên cứu cấu trúc máy tính cá nhân

 Khảo sát các dạng dữ liệu của động cơ

 Nghiên cứu về truyền dữ liệu nối tiếp trong LabVIEW

 Nghiên cứu, thiết kế giao diện giao tiếp bằng LabVIEW

 Nghiên cứu, thiết kế phần cứng bộ giao tiếp

 Lập trình vi điều khiển bằng ngôn ngữ C

 Lập trình điều khiển giao diện giao tiếp bằng LabVIEW

 Thực nghiệm và kiểm tra độ chính xác của của thí nghiệm thông qua máy chẩn đoán

1.4 Phạm vi nghiên cứu

Do chủng loại động cơ khá đa dạng và thời gian thực hiện đề tài có hạn, người nghiên cứu chỉ tập trung thực hiện trong phạm vi sau:

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về linh kiện thiết kế bộ giao tiếp và ngôn ngữ lập trình C

Khảo sát các dạng tín hiệu trên hệ thống điều khiển động cơ

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về cấu trúc máy tính và phương pháp truyền dữ liệu nối tiếp trong LabVIEW Thiết kế giao diện và lập trình giao tiếp bằng LabVIEW

Ứng dụng lý thuyết này, thiết kế, chế tạo bộ giao tiếp giữa máy tính cá nhân và ECU điều khiển động cơ 4S-FE trên xe Toyota Camry với giao diện giao tiếp bằng LabVIEW Sau đó, tiến hành thực nghiệm so sánh với thiết bị đã có để đánh giá khả năng ổn định và mức độ chính xác của thiết bị

1.5 Đối tượng nghiên cứu

Đề tài này liên quan đến bốn đối tượng chính:

 Nghiên cứu hệ thống điều khiển động cơ

 Nghiên cứu cấu trúc, hoạt động của vi điều khiển AVR và các linh kiện điện tử liên quan Ứng dụng ngôn ngữ lập trình C trong xử lý, điều khiển

bộ giao tiếp

 Nghiên cứu cấu trúc máy tính và phương pháp kết nối với thiết bị ngoại vi

Chương 1 Dẫn Nhập Trang 4

 Nghiên cứu phương pháp thiết kế giao diện giao tiếp và phương pháp truyền dữ liệu nối tiếp bằng phần mềm LabVIEW

1.6 Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện đề tài, tác giả đã vận dụng nhiều phương pháp nghiên cứu khác nhau:

Phương pháp tham khảo tài liệu: Từ Internet, các sách chuyên ngành ô tô, điện

tử, tin học, …

Phương pháp thực nghiệm: Đo các thông số từ động cơ thực tế và tiến hành xử

lý số liệu đo

Phương pháp thử và sai: Ứng dụng trong thiết kế mạch, lập trình vi điều khiển

và lập trình LabVIEW

1.7 Ứng dụng thực tiễn

Đề tài hoàn thành là cơ sở lý thuyết (đã qua kiểm chứng là sản phẩm đề tài) của việc ứng dụng điều khiển động cơ bằng máy tính cá nhân với chương trình LabVIEW, là nền tảng cho việc phát triển ứng dụng LabVIEW trong tính toán, mô phỏng, và điều khiển

Sản phẩm của đề tài là mô hình ứng dụng hữu ích, tăng tính trực quan trong công tác giảng dạy kỹ thuật, đặc biệt là vấn đề điều khiển động cơ Vì vậy sản phẩm

có thể ứng dụng rộng rãi cho các trường đại học, cao đẳng, công nhân kỹ thuật, …

Sản phẩm đề tài có thể ứng dụng kiểm tra, chẩn đoán, sửa chữa các xe ô tô hiện đại

Ngoài ra, nếu đề tài được tiếp tục phát triển thì sản phẩm có thể được ứng dụng làm thiết bị thí nghiệm động cơ và ô tô

1.8 Tính cấp thiết của đề tài

Đề tài là bước đột phá trong việc ứng dụng phần mềm LabVIEW, một phần mềm rất mạnh về đồ họa, tính toán, mô phỏng toán học các hệ thống, điều khiển, giao tiếp, … để điều khiển giao tiếp giữa động cơ và máy tính Đề tài này thành công đã

mở cho nhóm nghiên cứu hướng phát triển mới là kết hợp các phần tính toán, điều khiển trong LabVIEW có thể tiến hành đo đạc, lựa chọn thông số tối ưu của động cơ Hay nói cách khác, đề tài có thể phát triển thành thiết bị thí nghiệm để xác định bảng

đồ dữ liệu tối ưu cho động cơ

1.9 Bố cục của đề tài

Với nội dụng đề tài thực hiện, thuyết minh được trình bày theo bố cục sau:

Chương 1 Dẫn nhập

Giới thiệu về đề tài, tầm quan trọng đề tài, giới hạn đề tài

Chương 2 Vi điều khiển