nghiên cứu, chế tạo hệ thống thí nghiệm động cơ một xi lanh điều khiển bằng máy tính

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO HỆ THỐNG
THÍ NGHIỆM ĐỘNG CƠ MỘT XI LANH
ĐIỀU KHIỂN BẰNG MÁY TÍNH
S

K

C

0

0

3

9

5

9

MÃ SỐ: T52 - 2008

S KC 0 0 2 1 3 2

Tp. Hồ Chí Minh, 2009


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

ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG
Đề tài:
NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM
ĐỘNG CƠ MỘT XI LANH ĐIỀU KHIỂN BẰNG MÁY TÍNH
MÃ SỐ: T 52 – 2008

THUỘC NHĨM NGÀNH: KHOA HỌC KỸ THUẬT
NGƯỜI CHỦ TRÌ

: LÊ QUANG VŨ

ĐƠN VỊ

: KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

TP. HỒ CHÍ MINH 2009


Trường Đại Học SPKT Tp.HCM

Đề tài NCKH cấp trường

Tóm tắt đề tài
Ngày nay, nền cơng nghiệp ơtơ của Việt Nam đang phát triển mạnh.

Ngành giáo dục và đào tạo của Việt Nam đang trên đà hội nhập với giáo
dục quốc tế, cơng tác đào tạo nguồn nhân lực có tay nghề cao đang được
thúc đẩy nhanh chóng. Nhiều trường trung cấp nghề, cao đẳng nghề đang
thành lập theo hướng cơng nghệ, học đi đơi với thực hành. Trong khi đó,
ngành cơng nghệ ơtơ có đặc thù riêng là hầu hết các thiết bị đo kiểm thường
có giá thành cao và ít có mặt trong các cơ sở đào tạo. Bên cạnh đó các thiết
bị này hầu hết đo lường các thơng số đầu ra hiện hữu của các hệ thống
phục vụ cho cơng tác kiểm định mà khơng đo kiểm các thơng số cơ bản có
liên quan đến lý thuyết tính tốn các thơng số hệ thống và thơng số kỹ thuật
thiết kế. Vì thế việc thiết kế một thiết bị bảo đảm đo và kiểm nghiệm các
thơng số kỹ thuật của các hệ thống điều khiển trên ơtơ là một vấn đề cần
thiết cho ngành cơng nghệ ơtơ ở Việt Nam.
Đề tài “Thiết kế, chế tạo hệ thống thí nghiệm động cơ một xi lanh điều khiển
bằng máy tính” nhằm mục đích đo kiểm, điều chỉnh các thơng số trong hệ
thống điều khiển động cơ nhằm kiểm nghiệm thơng số thiết kế ảnh hưởng
đến chất lượng động cơ, các thơng số được hiển thị và nhập từ một giao
diện trên máy tính để trực quan hóa các đường đặc tính đơng cơ.
Do thời gian còn hạn chế nên đề tài chỉ tập trung nghiên cứu các vấn
đề sau:
-

Khảo sát động cơ một xi lanh trên xe gắn máy

-

Nghiên cứu phần mềm lập trình kỹ thuật Labview

-

Thiết kế mạch đều khiển hệ thống

-

Lập trình cho hệ thống điều khiển

-

Chạy thử nghiệm trên mơ hình

Thiết kế, chế tạo hệ thống thí nghiệm động cơ điều khiển bằng máy tính

1


Trường Đại Học SPKT Tp.HCM

Đề tài NCKH cấp trường

MỤC LỤC
Trang
Tóm tắt đề tài .................................................................................................. 1
Mục lục ............................................................................................................. 2
Phần I

Đặt vấn đề..................................................................................... 3

I. Đối tượng nghiên cứu….. .................................................................................. 4
II. Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước ..................................................... 5
III. Những vấn đề còn tồn tại ............................................................................ 5
Phần II.

Giải quyết vấn đề ................................................................... 6

I. Mục đích nghiên cứu ...................................................................................... 7
II. Thể thức nghiên cứu ..................................................................................... 7
III. Nội dung nghiên cứu .................................................................................... 8
1. Cơ sở lý thuyết về phun xăng và đánh lửa điều khiển bằng điện tử ... 8
2. Cơ sở lý thuết về vi điều khiển AVR và phần mềm Labview............ 14
3. Khảo sát động cơ một xi lanh trên xe gắn máy .................................. 32
4.

Thiết kế, chế tạo mơ hình động cơ một xi lanh ....................................... 36

5.

Thiết kế chế tạo mạch đều khiển động cơ nhận dữ liệu từ máy tính . 40

6.

Lập trình cho hệ thống đều khiển ...................................................... 47

Phần III.

Kết luận và đề nghò. ............................................................... 64

Phụ lục
Tài liệu tham khảo........................................................................................... 66

Thiết kế, chế tạo hệ thống thí nghiệm động cơ điều khiển bằng máy tính

2


Trường Đại Học SPKT Tp.HCM

Đề tài NCKH cấp trường

PHẦN I
ĐẶT VẤN ĐỀ

Thiết kế, chế tạo hệ thống thí nghiệm động cơ điều khiển bằng máy tính

3


Trường Đại Học SPKT Tp.HCM

I.

Đề tài NCKH cấp trường

ĐỐI TƯNG NGHIÊN CỨU
Ngày nay chúng ta đang bước vào thế kỷ mới, thế kỷ của nền kinh tế tri

thức, thế kỷ mà có sự phát triển vượt bậc về khoa học kỹ thuật trong tất cả mọi
lónh vực như nguyên tử, chinh phục vũ trụ, kỹ thuật vô tuyến điện tử… với tốc độ
phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật nhiều sản phẩm công nghệ cao được
tích hợp với mật độ ngày càng nhỏ và tinh vi. Các thiết bò đo lường trong công
nghiệp ngày càng nhiều với mức độ chính xác và tin cây ngày càng được cải thiện.
Sự ra đời của hàng loạt máy tính công nghiệp và sự can thiệp sâu mạnh của công

nghệ thông tin vào sản xuất báo hiệu một thời kỳ mới trong nền sản xuất bắt đầu
bùng nổ. Thời đại công nghiệäp tin học sắp ra đời. Song song với sự phát triển này,
chúng ta chứng kiến hàng loạt các công ty phần mềm trên thế giới chạy đua nhau
sản xuất các loại Kit điều khiển trong công nghiệp. Trong số đó ta phải nhắc tới là
hãng National Instruments. National Instruments là công ty chuyên sản xuất máy
tính công nghiệp với phần mềm hỗ trợ là Labview rất được tin cậy. Không đứng
ngoài sự phát triển chung của nhân loại, ngành công nghiệp ôtô cũng đã có những
tiến bộ vượt bậc về công nghệ, đặc biệt là các công nghệ mới ứng dụng lên xe
nhằm đem lại sự tiện nghi, sang trọng, kinh tế… Ngành công nghiệp ôtô ngày càng
thu hút các ngành công nghiệp khác tham gia. Trong đó có thể nói công nghệ thông
tin là ngành mới mẽ nhất gia nhập ngành công nghệ ôtô với sư kiện Microsoft
thành lập khu phần mềm chuyên về ôtô ở Trung Quốc, các máy tính mini có mặt
trong các hệ thống trên ôtô để nối mạng truyền tin cho nhau và trong tương lai
hướng công nghệ này còn phát triển mạnh mẽ.
Về ngành công nghiệp ôtô Việt Nam là ngành công nghiệp còn non trẻ, thò
phần chủ yếu là thò trường trong nước với tất cả các linh kiện phụ tùng nhập khẩu
theo hình thức CKĐ. Hệ thống cơ sở đào tạo và các viện nghiên cứu, phòng thì
nghiệm còn sơ sài nhưng đã bắt đầu phát triển mạnh trong những năm gần đây.
Thiết kế, chế tạo hệ thống thí nghiệm động cơ điều khiển bằng máy tính

4


Trường Đại Học SPKT Tp.HCM

Đề tài NCKH cấp trường

Tuy nhiên các thiết bò đo lường kiểm nghiệm còn nhiều bất cập không theo kòp với
thời cuộc trên toàn thế giới. Lý thuyết đào tạo chưa được kiểm nghiệm bằng thực
tế mà chỉ là tính toán thiết kế. Trước tình hình bất cập như thế người làm đề tài đã

quyết đònh nghiên cứu, xây dựng một giao diện tên máy tính trên cơ sở phần mềm
Labview của National Instruments. Giao diện được hỗ trợ bởi phần cứng là hệ
thống điều khiển động cơ. Với mục tiêu dùng máy tính đo lường các thông số hoạt
động của độâng cơ để kết hợp với máy đo khiểm đònh kiểm nghiệm kết quả với lý
thuyết tính toán.
II.

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

Việc điều khiển động cơ bằng giao diện trên máy tính kết hợp với board mạch như
một bộ chấp hành ở các phòng thí nghiệm trong ngành ơtơ ở Việt Nam là một vấn đề
trương đối mới mẽ. Sự kết hợp của cơng nghệ thơng tin trong lĩnh vực điều khiển vào
ngành cơng nghệ ơtơ còn có nhiều bất cập. Bên cạnh đó phần mềm lập trình kỹ thuật
Labview là một phần mềm mạnh mới được du nhập vào nước ta trong các phòng thí
nghiệm cơ điện tử. Vì thế việc kết hợp Labview vào điều khiển động cơ đốt trong là
một lĩnh vực mới chưa được quan tâm nhiều.

Thiết kế, chế tạo hệ thống thí nghiệm động cơ điều khiển bằng máy tính

5


Trường Đại Học SPKT Tp.HCM

Đề tài NCKH cấp trường

PHẦN II
GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

Thiết kế, chế tạo hệ thống thí nghiệm động cơ điều khiển bằng máy tính

6


Trường Đại Học SPKT Tp.HCM

I.

Đề tài NCKH cấp trường

MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

Hiện nay các hệ thống đo lường bằng máy tính ra đời với độ chính xác rất cao Vấn đề
tiếp theo mà đề tài này muốn hướng tới là xây dựng ma trận tính kích thước cảnh
báo, dự đoán sự cố và hổ trợ tài xế khi đậu xe vào bải. Do cơ sở hạ tầng bến bải ở
việt nam chật hẹp, vì thế khoảng cách giữa các xe đậu sát nhau trong bải xe là rất
nhỏ. Vấn đề tày tạo cho tài xế một khó khăn không nhỏ trong lúc đưa xe vào bải
đậu. Để giải quyết vấn đề này, chúng ta đặt mỗi góc của kích thước hình học xe
một cảm biến để cảnh báo tầm nguy hiểm
II.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:
Trong q trình thực hiện đề tài các phương pháp nghiên cứu sau đây đã được
sử dụng:
-

Phương pháp nghiên cứu tài liệu

-

Phương pháp thực nghiệm

-

Phương pháp thiết kế mạch

-

Phương pháp lập trình vi điều khiển

-

Phương pháp thu thập dữ liệu quan cổng com của Labview

Nội dung nghiên cứu bao gồm:
-

Cơ sở lý thuyết về phần mềm Labview và vi điều khiển AVR

-

Khảo sát động cơ một xi lanh trên xe gắn máy

-

Chế tạo mơ hình động cơ xe gắn máy

-

Thiết kế chế tạo mạch điều khiển động cơ nhận dữ liệu từ máy tính

-

Thiết kế giao diện điều khiển trên máy tính với phần mềm Labview

-

Lập trình cho mạch điều khiển bằng ngơn ngữ Assembler

Thiết kế, chế tạo hệ thống thí nghiệm động cơ điều khiển bằng máy tính

7


Trường Đại Học SPKT Tp.HCM

-

Đề tài NCKH cấp trường

Chạy thử nghiệp trên mơ hình

Thiết kế, chế tạo hệ thống thí nghiệm động cơ điều khiển bằng máy tính

8


Trường Đại Học SPKT Tp.HCM

III.

Đề tài NCKH cấp trường

NỘI DUNG

1. Cơ sở lý thuyết về phun xăng và đánh lửa điều khiển bằng điện tử
a) Lý thuyết đánh lửa CDI-AC
Với hệ thống đánh lửa điện dung, năng lượng đánh lửa được tích lũy dưới dạng điện
trường giữa hai bản cực của tụ điện C:
Wc=

C.U 2
2

Trong đó:
C: điện dung của tụ điện (F)
U: điện áp trên tụ điện (V)
Vậy năng lượng đánh lửa tỉ lệ thuận với C và tỉ lệ thuận với U2 . Để tăng năng lượng
đánh lửa ta có thể tăng C hoặc tăng U. Nếu tăng C thì Wc chỉ tăng theo quan hệ đường
thẳng.Trong khi nếu tăng U thì Wc sẽ tăng theo quan hệ đường cong bậc hai. vậy tăng
U có lợi hơn tăng C.

Hình 1.1 .Sơ đồ khối hệ thống CDI-AC

Hệ thống này được sử dụng rộng rãi trên xe gắn máy, nó bao gồm hai bộ phận
chính là bộ phận phát điện tạo áp khoảng 200V đến 400V hay còn gọi là bobin lửa. Bộ
phận thứ hai là bộ CDI hay còn gọi là IC đánh lửa.
Bộ phận phát điện:
Nó bao gồm một cuộn dây quấn quanh một lỏi sắt đặt trên mâm lửa. Khi quay trục
khuỷu, bánh đà quay theo làm thay đổi từ thơng xun qua cuộn dây dẫn tới xuất hiện

suất điện động cảm ứng trên cuộn dây. Tùy theo số vòng dây quấn kết hợp với tốc độ
động cơ chúng ta có điện áp sinh ra theo mong muốn.
Bộ CDI:
Bộ phận chính bao gồm một tụ điện C và một SCR điều khiển đóng mở tụ. SCR được
điều khiển nhờ tín hiệu từ xung kích. Sau đây là một số sơ đồ ngun lý làm việc của
hệ thống CDI-AC

Thiết kế, chế tạo hệ thống thí nghiệm động cơ điều khiển bằng máy tính

8


Trường Đại Học SPKT Tp.HCM

Đề tài NCKH cấp trường

Hình 1.2 Sơ đồ ngun lý mạch đánh lửa CDI trên xe gắn máy (D3 // SCR)

Dòng điện từ máy phát N sau khi đi qua diode D1 và được chỉnh lưu bán kỳ nạp
vào tụ C. Khi có tín hiệu đánh lửa từ cuộn kích K, dòng điện kích chạy từ K đi qua D2
qua R1, R2 và về mass. Một dòng khác sau khi qua R1 chạy qua SCR đổ về mass. Dòng
này sẽ mở SCR để xả tụ C. Dòng xả này băng qua cuộn sơ cấp bobin đột ngột làm cho
cuộn thứ cấp sinh ra suất điện động cảm ứng phóng qua bugi đánh lửa. Dòng sơ cấp
sau đó nạp lại cho tụ C và xả ngược lại đóng SCR.
Tại thời điểm bắt đầu nạp tụ:
Uc(0)=0V
(1)
Khi tụ nạp đầy:
Uc(đ)=UB (2)
Với sơ đồ mạch tương đương sau đây ta có phương trình.

UB(t)=Rt.i(t) +Uc(t)



UB(t)=Rt.i(t)+

1
i(t )dt
C

(3)

Hình 1.3 Sơ đồ tương đương

Giải phương trình vi phân (3) với điều kiện biên (1) và (2) ta được:
t

uc=UB(1- e  ) với
ic=C. u c' (t)
 ic =

C.U B



t

.e



t

U
= B .e 
Rt

Chọn Rt = 100, C=2,2.10-6F, UB= 400V, sử dụng phần mềm Exell ta vẻ đường đặc
tính nạp tụ như sau:

Hình 1.4 Đặc tính điện thế nạp tụ U=f(t)

Thiết kế, chế tạo hệ thống thí nghiệm động cơ điều khiển bằng máy tính

9


Trường Đại Học SPKT Tp.HCM

Đề tài NCKH cấp trường

Hình 1.5 Đặc tính dòng nạp tụ I= f(t)

Nhìn vào đường đặc tính nạp của tụ điện ta thấy trong khoảng thời gian đầu bắt đầu từ
thời điểm SCR đóng và tụ bắt đầu nạp đến 2 ms sau điện áp đã có thế tăng đến 300 V
và dòng điện trung bình khoảng 0.6 A. Như vậy diode D1 có thể chọn loại có dòng
chỉnh lưu trung bình khoảng 1 A. Với tốc độ động cơ lớn nhất khoảng 10000(v/p) thời
gian cho một chu trình là 6 mS như vậy tụ đã có thể nạp đầy nếu như thời gian mở
SCR là 300μS. Vậy mỗi chu trình của động cơ đánh lửa 2 lần vào cuối thì nén và cuối
thì xả vẫn đủ thời gian cho tụ nạp đầy.

Khi phóng điện, tụ C trở thành nguồn điện với điện áp Uc= 400V, SCR được
nối tắt coi như là dây dẫn có tổng điện trở của cuộn sơ cấp là Rd. Với loại có diode
mắc song song với SCR. Trong bán kỳ ngược thì mạch là mạch dao động R-C. Vậy
trong thời gian SCR mở, quy luật tăng trưởng dòng điện và điện áp giống như mạch
dao động R-C. Dòng điện và điện áp lệch pha nhau và chúng có dạng dao động tắt dần
nếu thời gian mở SCR dài hơn thời gian nạp tụ C

Hình 1.6 Đặc tính phóng, nạp tụ C trong khi SCR mở

Trên một số mạch điện, để tăng thời gian nạp tụ, người ta mắc diode song song với
cuộn sơ cấp.

Hình 1.7 Sơ đồ mạch có diode mắc song song cuộn sơ cấp

Với sơ đồ này hầu như tồn bộ năng lượng đánh lửa trên tụ được chuyển hết
sang cuộn sơ cấp, trong khi SCR mở khơng còn tồn tại dao động R-C. Trong thời gian

Thiết kế, chế tạo hệ thống thí nghiệm động cơ điều khiển bằng máy tính

10


Trường Đại Học SPKT Tp.HCM

Đề tài NCKH cấp trường

nạp tụ, dòng nạp khơng đi qua cuộn dây mà nạp trực tiếp xuống mát thơng qua diode
này. Hiệu điện thế trên cuộn sơ cấp được xác định theo cơng thức:
U2m=Uc.

C1
.
C2

Trong đó:






U2m : Hiệu điện thế cực đại trên cuộn sơ cấp
Uc : Hiệu điện thế lúc bắt đầu phóng
C1 : Điện dung tụ nạp
C2 : Điện dung ký sinh trên bobin
 : Hệ số kể đến mất mát

Với phương pháp này, đường đặc tính phóng của tụ điện qua cuộn sơ cấp của bobin có
sự cải thiện đáng kể :

Hình 1.8 Đặc tính phóng điện qua cuộn sơ cấp

Từ đường đặc tính trên ta thấy trong khoảng thời gian t1 điện áp giảm rất nhanh.
Sau khoảng thời gian t2, điện áp ngược trên cuộn sơ cấp bị dập tắt bởi diode nên điện
áp hầu như bằng khơng và khơng còn tồn tại hiện tượng dao động. Tồn bộ năng
lượng đánh lửa được tích trữ trước đó dưới dạng điện trường được chuyển hồn tồn
thành năng lượng đánh lửa.
b) Lý thuyết điều khiển phun nhiên liệu bằng máy tính
Khi đốt kiệt 1kg nhiên liệu, các thành phần c của C, h của H2 sẽ chuyển thành CO2 và
H2O theo các phương trình phản ứng sau:

C  O2  CO2  406976kJ

1
H 2  O2  H 2 O  287000kJ
2

Giả sử 1kg nhiên liệu lỏng gồm có: c kg C, h kg H2 và Onl kg O2, ta có thể viết:
12kg C +32kg O2 = 44kg CO2
2kg H2 + 16kg O2 = 18kg H2O
Từ đó ta có:

Thiết kế, chế tạo hệ thống thí nghiệm động cơ điều khiển bằng máy tính

11


Trường Đại Học SPKT Tp.HCM

Đề tài NCKH cấp trường

8
11
ckgC  ckgO2  ckgCO2
3
3
hkgH 2  8hkgO2  9hkgH 2 O

Nếu gọi Oo' (kg/kg) là lượng O2 lý thuyết cần thiết đốt cháy kiệt 1kg nhiên liệu, ta có:
8
OO'  c  8h  Onl (kg/kg nhiên liệu)

3

(4.1)

Lượng O2 dùng để đốt nhiên liệu trong buồng cháy động cơ là lượng O2 trong khơng
khí. Khơng khí gồm hai thành phần chính là: O2 và N2. Tính theo thành phần khối
lượng khơng khí khơ: O2 chiếm 0,232 (23,2%) còn N2 chiếm ≈ 76,8%. Do đó lượng
khơng khí lý thuyết cần để đốt cháy 1kg nhiên liệu là L0 (kg khơng khí/kg nhiên liệu)
sẽ là:
Lo 

Oo'
1 8


 c  8h  Onl  (kg khơng khí/kg nhiên liệu)
0,232 0,232  3


(4.2)

Với cơng thức này ta tính cho một loại nhiên liệu đại điện làm ví dụ. Ta chon
nhiện liệu ví dụ là LPG bởi vì đây là nhiên liệu có trử lượng lớn và chưa được sữ dụng
đúng mức. Nhiên liệu LPG gồm có 50% Propane (C3H8) và 50% Butane (C4H10) nên
thành phần khối lượng của C và H là: 0,823 C và 0,177 H, khơng có thành phần Oxy
trong nhiên liệu nên Onl = 0.
Thay vào cơng thức (3.3) ta được:
L0 

1 8


 x0,823  8 x0,177  0   15,5 (kg khơng khí/kg nhiên liệu)
0,232  3


Nếu lượng khơng khí thực tế đưa vào động cơ để đốt 1kg nhiên liệu là L (kg khơng
khí/kg nhiên liệu), gọi  là hệ số dư lượng khơng khí, thì:


L
L0

Gọi maLPG là khối lượng khơng khí nạp vào trong xy lanh dùng để đốt cháy LPG, mLPG
là khối lượng nhiên liệu LPG cung cấp vào xy lanh. Khi đó, để phản ứng đốt cháy
nhiên liệu xảy ra hồn tồn theo lý thuyết thì:
mLPG 

maLPG
(kg nhiên liệu)
15,5

Dựa vào cảm biến khối lượng khí nạp, ta có thể xác định lượng khí nạp tức thời đi qua
cảm biến m a dựa vào tính hiệu điện áp đầu ra của cảm biến. Khối lượng khí nạp trên
xy lanh được tính tốn bằng cách tích phân lưu lượng khí nạp m a trong một chu kỳ.
tb

ma   m a dt
ta

Cận thời gian bắt đầu ta và thời gian kết thúc tb của phép tính tích phân được cho bởi:

t a  tb 

2
n.CYL

Hệ số 2 trên tử của phân số là do khơng khí chỉ được nạp ở mỗi hai chu kỳ trong q
trình hoạt động củ động cơ 4 kỳ. Gọi fp là tần số dao động của dòng khơng khí nạp thì:

Thiết kế, chế tạo hệ thống thí nghiệm động cơ điều khiển bằng máy tính

12


Trường Đại Học SPKT Tp.HCM

Đề tài NCKH cấp trường

fp 

n.CYL
2

Vì thế lượng khí nạp cho một xy lanh trong một chu kỳ là:
1
fp

ma 

 m dt
a

0

Giả sử như lưu lượng khơng khí là cố định m a  const thì:
ma 

m a .2
n.CYL

Ta có: maLPG  ma  madiesel .
Lượng nhiên liệu cung cấp được điều khiển bằng thời gian phun tinj, trong suốt thời
gian đó van kim phun mở ra. Vì thế, lượng nhiên liệu trong một lần phun vào một xy
lanh có thể được tính tốn theo cơng thức sau cho trường hợp lưu lượng khơng khí cố
định m a  const
mLPG 

maLPG
m .2
1
ma  madiesel   1  a  madiesel 

Lst 
Lst 
Lst   n.CYL


Trong đó Lst là khối lượng khơng khí tại điểm hòa khí lý tưởng, Lst=L0=15,5. Lượng
nhiên liệu phun mLPG tỉ lệ thuận với thời gian phun tinj và căn bậc hai của chênh lệch
cáp suất p giữa ống phân phối nhiên liệu và đường ống nạp trong trường hợp phun
trên đường ống nạp, còn ở hệ thống phun trực tiếp thì p là sự chênh lệch áp suất giữa

ống phân phối và buồng cháy. Tỉ trọng của nhiên liệu  LPG và diện tích mở có ích của
van kim phun Aeff được xem như hằng số:
m LPG   LPG . Aeff . 2

p

 LPG

.dt inj

tinj

mLPG   m LPG dt inj   LPG . Aeff . 2
0

p

 LPG

.t inj

(4.3)

Nên thời gian phun được tính là :
t inj 

m LPG

 LPG . Aeff . 2

p

 LPG

Áp dụng cơng thức (3.5), ta có khối lượng nhiên liệu tính theo thời gian nhấc kim
(bảng 3.4). Trong đó, đối với nhiên liệu LPG:
 LPG 

 propane   bu tan
2





 2,354 kg / m 3 (theo bảng 2.1)

p=6kg/cm2=05,346.105MPa
Aeff=(R2-r2)=3,14(52-22)=65,94 mm2

Thiết kế, chế tạo hệ thống thí nghiệm động cơ điều khiển bằng máy tính

13


Trường Đại Học SPKT Tp.HCM

tinj(m
s)

Đề tài NCKH cấp trường

mLPG(x105
g)

tinj(m
s)

mLPG(x105
g)

1

10,4612

6

62,7672

2

20,9224

7

73,2284

3

31,3836

8

83,6896

4

41,8448

9

94,1508

5

52,3060

10

10,4612

2. Cơ sở lý thuết về vi điều khiển Atmega8 và phần mềm Labview
a) Cơ sở lý thuyết vi điều khiển Atmega8
Atmega8 là bộ vi xử RISC với kiến trúc Harvard thuộc họ AVR được sản xuất bởi
Cty ATMEL với tính năng mạnh mẽ. Có 130 lệnh mạnh xử lý hầu hết trong một chu
kỳ xung nhịp. Có 8Kbyte bộ nhớ flash có thể xóa lập trình được và có thể chịu được
10000 lần ghi xóa. Có 32 thanh ghi đa năng 8 bit, 512 byte bộ nhớ EEPROM tích hợp
trên chíp, có 1 kbyte SRAM nội. Có hai bộ Timer/counter 8 bit và một bộ
timer/counter 16 bit với bộ chia tần lập trình được. Có ba kênh điều xung, 6 kênh lối
vào chuyển đổi ADC với độ phân giải 10 bit. Atmega8 có 28 chân, trong đó có 23

cổng vào ra. Nguồn ni từ 2.7 đến 5.5 đối với Atmega8L và từ 4.5 đến 5.5 đối với
Atmega8, làm việc tiêu thụ dòng 3.6mA. Sử dụng mạch dao động ngồi từ 0 đến 8
Mhz với Atmega8L và từ 0 đến 16 Mhz với Atmega8. Ngồi ra chíp Atmega8 còn có
bộ xung nội bên trong có thể lập trình chế độ xung nhịp.

Hình 2.1 Sơ đồ chân vi điều khiển Atmega8

Thiết kế, chế tạo hệ thống thí nghiệm động cơ điều khiển bằng máy tính

14


Trường Đại Học SPKT Tp.HCM

Đề tài NCKH cấp trường

Hình 2.2 Sơ đồ chân vi điều khiển Atmega8

b) Cơ sở lý thuyết về phần mềm lập trình kỹ thuật Labview
Labview (Virtual Instrument Engineering Workbench) là một mơi trường lập trình phát
triển dựa trên ngơn ngữ lập trình đồ hoạ, thường được sử dụng cho các mục đích đo lường,
kiểm tra, đánh giá, xử lý và điều khiển các tham số của thiết bị.
Trong năm 1983, NI bắt đầu nghiên cứu tìm kiếm một cách thức để tối thiểu hóa thời
gian cần thiết để lập trình một hệ thống thiết bị. Thơng qua sự nỗ lực này mà cơng cụ ảo
LabView vói Front Panel trực quan và Block Diagram tân tiến đã ra đời. LabView version 1
được đưa ra năm 1986 chỉ dung trên hệ Macintosh. Tuy nhiên Mac đã khơng được sử dụng
rộng rải trong những ứng dụng và cơng cụ đo lường. Chức năng đồ họa của nó hỗ trợ tốt nhất
cho kỹ thuật của Labview cho tới khi hệ thống thong dụng hơn có thể hỗ trợ. Năm 1980 NI đã
viết lại LabView kết hợp với nhiều cơng nghệ phần mềm mới với những đóng góp phản hồi
sau nhiều năm của những người sử dụng. Quan trọng hơn nữa LabView 2 còn được nâng cấp

làm cho tốc độ của các VI ngang bằng với các chương trình viết bằng ngơn ngữ C và được
cấp bằng sang chế cho những đổi mới trong cơng nghệ LabView.
Năm 1992 Labview dành cho Window và Sun được giớ thiệu với kiến trúc mới linh
động. Laview 3 ra đời năm 1993 dùng cho hệ điều hành Windows, Macintosh và Sun. Với
Labview 3 thì VI viết trên platform này đã có thể chạy trên Platform khác và danh sách các
platform dược hỗ trợ bởi Labview ngày càng nhiều (Windows NT, Power Macs và HP
Workstation).
Năm 1996 LabView 4 được nâng cấp với những khả năng mạnh hơn trong việc hiệu
chỉnh và phát triển khơng gian làm việc của người dùng trong mơi trường LabView , đờ ng thời
hỗ trợ thêm những cơng năng gỡ rối chương trình cao cấp hơn.
Labview 5 và 5.1 tiếp tục được cải tiến hơn nửa với cơng nghệ built _in web server ,
dynamic programming và Control framework (VI Server) … giúp dễ dàng chia sẻ dữ liệu qua
mạng internet hoă ̣c ứng dụng điều khiển qua các mạng.
Sau đó lần lượt LabView 6, 7 được cho ra đời với những cải tiến vượt bậc về tốc độ thực
hiện cũng như những tính năng hỗ trợ mới như giao tiếp phần cứng, điều khiển từ xa, lập trình

Thiết kế, chế tạo hệ thống thí nghiệm động cơ điều khiển bằng máy tính

15


Trường Đại Học SPKT Tp.HCM

Đề tài NCKH cấp trường

nhúng … Và hiện nay chúng ta đang sử dụng bản LabView 8.5, 8.6 là version mới nhất của
Labview.
Labview ngày càng có nhiều ứng dụng trong khoa học kỹ thuật và sản xuất vì nó cho
phép người kỹ sư thiết kế một chương trình trong một thời gian tương đối ngắn mà khơng đòi
hỏi q nhiều kiến thức về ngơn ngữ lập trình. Mặt khác Labview có thể tương thích với hầu

hết các dạng phần cứng và Flatform của Apple, Macsintosh, Sun, Microsoft Window …
Labview là một ngơn ngữ lập trình đa năng, giống như các ngơn ngữ lập trình hiện đại
khác. Labview gồm có các thư vịên thu nhận dữ liệu, một loạt các thiết bị điều khiển, phân
tích dữ liệu, biểu diễn và lưu trữ dữ liệu. Nó còn có các cơng cụ phát triển được thiết kế riêng
cho việc nối ghép và điều khiển thiết bị.
Labview khác với các ngơn ngữ lập trình thơng thường ở điểm cơ bản là: các ngơn ngữ
lập trình khác thường dùng cơ chế dòng lệnh, trong khi Labview dùng ngơn ngữ lập trình
Graphical để trạo ra các chương trình ở dạng sơ đồ khối.
+) VI (Vitual Instrument) - Thiết bị ảo
Lập trình Labview được thực hiện trên cơ sở là các thiết bị ảo ( VI ). Các đối tượng
trong các thiết bị ảo được sử dụng để mơ phỏng các thiết bị thực, nhưng chúng được thêm vào
bởi phần mềm. Các VI (thiết bị ảo) tương tự như các hàm trong lập trình bằng ngơn ngữ.
+) Front Panel và Block Diagram
Một chương trình trong LabView gồm 2 phần chính: một là giao diện với người sử
dụng (Front Panel), hai là giao diện dạng sơ đồ khối cung cấp mã nguồn (Block Diagram) và
các biểu tượng kết nối (Icon/Connector).

Front Panel

Block Diagram
Hình 2.3 Front Panel và Block Diagram

Front Panel là một panel tương tự như panel của thiết bị thực tế. Ví dụ các nút bấm, nút
bật, các đồ thị và các bộ điều khiển. Từ Front Panel người dùng chạy và quan sát kết quả có
thể dùng chuột, bàn phím để đưa dữ liệu vào sau đó cho chương trình chạy và quan sát. Front
Panel thường gồm các bộ điều khiển (Control) và các bộ hiển thị (Indicator):
- Control là các đối tượng được đặt trên Front Panel để cung cấp dữ liệu cho chương
trình. Nó tương tự như đầu vào cung cấp dữ liệu.
- Indicator là đối tượng được đặt trên Front Panel dùng để hiện thị kết quả, nó tương
tự như bộ phận đầu ra của chương trình.

Thiết kế, chế tạo hệ thống thí nghiệm động cơ điều khiển bằng máy tính

16


Trường Đại Học SPKT Tp.HCM

Đề tài NCKH cấp trường

Block Diagram của 1 VI là một sơ đồ được xây dựng trong mơi trường Labview, nó có
thể gồm nhiều đối tượng và các hàm khác nhau để tạo các cấu trúc lệnh để chương trình thực
hiện. Block Diagram là một mã nguồn đồ hoạ của 1 VI. Các đối tượng trên Front Panel được
thể hiện bằng các thiết bị đầu cuối trên Block Diagram, khơng thể loại bỏ các thiết bị đầu cuối
trên Block Diagram. Các thiết bị đầu cuối chỉ mất đi sau khi loại bỏ đối tượng tương ứng trên
Front panel.
Cấu trúc của một Block Diagram gồm các thiết bị đầu cuối (Terminal), Nút (Node) và các
dây nối (wire).
- Terminal: là các cổng mà dữ liệu truyền qua giữa Block Diagram và Front panel, và
giữa các Node trong Block Diagram. Các Terminal dưới dạng các Icon của các
Function.
- Nodes: là các phần tử thực hiện chương trình, chúng tương tự như các mệnh đề, tốn
tử, hàm và các chương trình con trong các ngơn ngữ lập trình thơng thường.
- Wires: là các dây nối dữ liệu giữa các node.
+) Icon & Connector
* Icon (biểu tượng): là biểu tượng của VI, được sử dụng khi từ 1 VI muốn sử dụng chức
năng của 1 VI khác. Khi đó VI đó được gọi là SubVI, nó tương đương như một
chương trình con trong các ngơn ngữ khác.
* Connector (đầu nối): là một phần tử của Terminal dùng để nối các đầu
vào và đầu ra của các VI với nhau khi sử dụng. Mỗi VI có 1 Icon mặc định

hiển thị trong bảng Icon ở góc trên bên phải cửa sổ Front Panel và Block
Diagram.
Mỗi VI có 1 Icon mặc định hiển thị trong bảng Icon ở góc trên bên phải cửa sổ
Front Panel và Block Diagram như hình dưới đây. Ta có thể thay đổi được
Icon và connector.

Hình 2.4 Vị trí Icon và Connector

Khi các Vi được phân cấp và module hóa thì ta có thể dùng chúng như các chương trình
con. Do đó để xây dựng 1 VI ta có thể chia thành nhiều VI thực hiện các chức năng đơn giản
và cuối cùng kết hợp chúng lại với nhau.
+) Kỹ thuật lập trình trên Lab View:
Việc lập trình trên LabView cần sử dụng các bảng: Tools Palette, Controls Panelette,
Function Palette, các bảng đó cung cấp các chức năng để người sử dụng có thể tạo và thay
đổi trên Font Panel và Block Diagram
Tool Palette:

Thiết kế, chế tạo hệ thống thí nghiệm động cơ điều khiển bằng máy tính

17


Trường Đại Học SPKT Tp.HCM

Đề tài NCKH cấp trường

Tool Panel xuất hiện trên cả Font Panel và Block Diagram. Bảng này cho phép người sử
dụng có thể xác lập các chế độ làm việc đặc biệt của con trỏ chuột. Khi lựa chọn một cơng cụ,
biểu tượng của con trỏ sẽ được thay đổi theo biểu tượng của cơng cụ đó.
Nếu thiết lập chế độ tự động lựa chọn cơng cụ và người sử dụng di chuyển con trỏ qua

các đối tượng trên Front Panel hoặc Block Diagram, Labview sẽ tự động lựa chọn cơng cụ
phù hợp trên bảng Tool Palette
Để truy cập vào Tools paltte ta chọn Menu: Window Show Tools palette. Các cơng
cụ trong Tools palatte gồm có:
Operating tool.
Probe tool.
Positioning tool.
Labeling tool.
Wiring tool.
Object Pop-up Menu tool.
Scroll tool
Breakpoint tool.
Color copy tool.
Color tool.
Hình 2.5 Tools Palette

Controls Palette (bảng điều khiển):
Bảng điều khiển chỉ duy nhất xuất hiện trên Front panel. Bảng điều khiển chứa các bộ
điều khiển (control) và các bộ hiển thị (Indicator). Bảng điều khiển được minh họa như bên
phải.

Hình 2.6 Control Palette

Bảng điều khiển được sử dụng để người sử dụng thiết kế cấu trúc mặt hiển thị gồm các
thiết bị ví dụ: các cơng tắc, các loại đèn, các loại màn hình hiển thị… Với bảng điều khiển
này, người sử dụng có thể chọn các bộ thiết bị chuẩn do hãng sản xuất cung cấp vd cơng tắc

Thiết kế, chế tạo hệ thống thí nghiệm động cơ điều khiển bằng máy tính

18

Trường Đại Học SPKT Tp.HCM

Đề tài NCKH cấp trường

nhưng cũng có thể chọn các thiết bị do người sử dụng tự xây dựng. Bảng điều khiển dùng để
cung cấp dữ liệu đầu vào và hiển thị kết quả đầu ra.
Một số bộ điều khiển và hiển thị trên controls palette
 Numeric Controls/Indicators:

Hình 2.7 Numeric
Bộ cơng cụ này được sử dụng để hiển thị và điều khiển dữ liệu dạng số trong chương trình
của Labview.
 Boolean Controls/Indicators:
Bộ cơng cụ này cung cấp 2 giá trị là True và False. Khi thực hiện chương trình người
sử dụng sử dụng chuột để điều khiển giá trị của thiết bị. Việc thay đổi giá trị của các thiết bị
chỉ có tác dụng khi các thiết bị đó được xác lập ở chế độ là các Control. Còn nếu ở chế độ là
các Indicator thì giá trị khơng thay đổi vì chúng chỉ là các thiết bị hiển thị.

Hình 2.8 Boolean

Thiết kế, chế tạo hệ thống thí nghiệm động cơ điều khiển bằng máy tính

19


Trường Đại Học SPKT Tp.HCM

Đề tài NCKH cấp trường

 String Controls/Indicators:
Các điều khiển này dùng để nhập và hiển thị các ký tự, nó cũng có thể được xác lập ở chế
độ đầu vào hay đầu ra.

Hình 2.9 String và Path



. Functions Palette:
Bảng Functions Palette chỉ xuất hiện trên Block Diagram. Bảng này chứa các VI và các
hàm mà người sử dụng xây dựng để xây dựng nên các khối lưu đồ. Bảng Function palette
được minh họa như trong hình bên phải.

Hình 2.10 Functions Palette

Với bảng Function Palette, người lập trình thực hiện các cú pháp vd phép lặp, phép lựa
chọn thơng qua các nhóm hàm, chức năng đã được cung cấp bên cạnh đó từ bảng này người
sử dụng có thể tạo ra và sử dụng lại các hàm, chức năng mà người sử dụng tự xây dựng. Các
hàm tốn học được minh họa thơng qua các biểu tượng. Khi muốn lựa chọn thực hiện một
hàm nào đó thì người sử dụng chọn biểu tượng thể hiện cho hàm đó và có thể kéo thả ở bất kỳ
vị trí nào trên Block Diagram sau đó xác định những đầu vào và đầu ra cần thiết.

Thiết kế, chế tạo hệ thống thí nghiệm động cơ điều khiển bằng máy tính

20


Trường Đại Học SPKT Tp.HCM

Đề tài NCKH cấp trường

Dữ liệu:
Ngơn ngữ lập trình LabView hỗ trợ cho tất cả các dạng dữ liệu. Các kiểu dữ liệu dạng
Boolean, bytes, string, array, file, text, cluster và dạng số có thể được chuyển đổi một cách dễ
dàng sang các dạng cấu trúc. Sau đây chúng ta xem xét một vài dạng dữ liệu:
 Variables (biến):
Trong q trình lập trình cần thiết phải sử dụng tới các biến. Thơng qua các biến,
người lập trình có thể thực hiện được việc xử lý và thay đổi dữ liệu một cách thuận lợi. Trong
Labview, các biến được sử dụng dưới 2 dạng là biến tồn cục (global variables) và các biến
cục bộ (local variables).
- Global variables (biến tồn cục): Biến tồn cục được sử dụng để thực hiện cơng việc
truyền và lưu trữ dữ liệu giữa một vài VI. Biến tồn cục được coi là một đối tượng
trong Labview. Khi ta tạo ra một biến tồn cục Labview sẽ tạo ra một “VI tồn cục”
đặc biệt. Để tạo ra các biến tồn cục, ta lựa chọn chúng trên menu “Structs and
Constants function” sau đó đặt chúng lên Diagram. Tiếp tục cần xác định cho chúng
kiểu dữ liệu thơng qua các kiểu dữ liệu đã sử dụng thơng qua các Controls hoặc các
Indicators. Chúng ta cần chú ý là đối với mỗi biến tồn cục chúng ta cần phải tạo ra 1
VI với một tên riêng duy nhất. Đối với các biến tồn cục chúng ta cũng cần xác định
chế độ chỉ cho phép ghi hoặc chỉ cho phép đọc. Đối với việc truy xuất vào biến tồn
cục sẽ thực hiện rất nhanh chóng đối với các kiểu dữ liệu đơn giản như numerics và
Boolean. Tuy nhiên, khi ta sử dụng biến tồn cục để lưu trữ và xử lý các dữ liệu dưới
dạng mảng (arrays), Clusters hay các sâu (string) lớn thì thời gian cũng như bộ nhớ
cần thiết để xử lý chúng lại sẽ tương đối lớn. Vì nó đòi hỏi một vài dịch vụ quản lý bộ
nhớ mỗi khi các biến đó gọi tới. Khi sử dụng các biến tồn cục cũng như các biến cục
bộ thì một vấn đề có thể gặp phải là “sự tranh chấp dữ liệu”. Biến sử dụng trong
Labview khơng hồn tồn giống như trong các ngơn ngữ lập trình dòng lệnh. Việc
“tranh chấp dữ liệu” xảy ra khi hai hoặc nhiều hơn các đoạn mã lệnh cùng thực hiện
song song cùng thay đổi giá trị của một biến. Đầu ra của VI phụ thuộc vào thứ tự được
thực thi của các dòng lệnh. Bởi vì nếu khơng có sự phụ thuộc dữ liệu giữa các biểu

thức khác nhan thì sẽ khơng xác định được cái nào chạy trước. Nếu sử dụng các biến
tồn cục trong Vis mà được thực hiện song song, thì ta có thể sử dụng một biến tồn
cục thêm vào để xác định khi nào dữ liệu được phép thay đổi và được đọc giá trị mới
- Local variable: cho phép người sử dụng đọc hoặc viết thơng tin lên 1 trong những
thiết bị điều khiển hoặc thiết bị hiển thị trên Front Panel. Để tạo một biến cục bộ, chọn
Local Variable từ bảng Structs & Constant. Khi sử dụng biến cục bộ cần chú ý một
số thơng tin sau:
 Các biến cục bộ chỉ có tác dụng duy nhất trên các thiết bị điều khiển hoặc thiết bị
hiển thị mà cùng ở trên một lược đồ. Ta khơng thể sử dụng biến cục bộ để truy
cập tới 1 điều khiển mà khơng cùng trên một lượt đồ.
 Ta có thể có rất nhiều các biến cục bộ cho mỗi thiết bị điều khiển hoặc thiết bị
hiển thị. Tuy nhiên điều đó có thể gây ra sự phức tạp: cho rằng điều khiển của bạn
thay đổi trạng thái một cách khó hiểu bởi vì bạn ngẫu nhiên lựa chọn sai các phần
tử trong một hoặc nhiều biến cục
 Giống như biến tồn cục, bạn có thể sử dụng biến cục bộ khơng có một “dòng dữ
liệu” hợp lệ khác sử dụng
String:
Kiểu string (chuỗi) là một tập hợp các kí tự. Ta có thể sử dụng chuỗi tham gia tính tốn xử
lý. Để lựa chọn các ơ text lưu trữ dữ liệu kiểu string ta chọn từ ơ “String & path” từ control
palette như hình bên phải.

Thiết kế, chế tạo hệ thống thí nghiệm động cơ điều khiển bằng máy tính

21


Trường Đại Học SPKT Tp.HCM

Đề tài NCKH cấp trường

Hình 2.11 String

LabView cung cấp cho người sử dụng các cơng cụ để thao tác trên LabView như việc tìm
kiếm, xác định độ dài của chuỗi ký tự, chuyển dẫy ký tự thành dạng viết hoa và ngược lại, so
sánh chuỗi, thay một số ký tự trong chuỗi sang một số chuỗi khác.

Hình 2.12 Truy xuất một String

Khơng chỉ vậy có thể thực hiện việc chuyển đổi từ dạng string sang các dạng khác như
dạng số, dạng mảng (array). Trong LabView, đơi khi người sử dụng có thể cần phải tạo ra
hoặc hiển thị một số ký tự trong bảng mã ASCII mà khơng thể hiển thị được vd: Esc, tab…
Để giải quyết vấn đề đó, labview đã cung cấp một số từ đại diện cho các từ đó, khi cần thể
hiện các ký tự đó ta chỉ cần gõ vào những từ đại diện cho chúng trên Front Panel. Sau đây là
một số từ thay thế (Escape Code)
Escape code
\00-\FF
\b
\f
\n
\r
\t

Từ được thay (Interpreted As)
Giá trị dạng Hex của ký tự 8 bít
Backspace
Formfeed
Newline
Return
Tab

Thiết kế, chế tạo hệ thống thí nghiệm động cơ điều khiển bằng máy tính

22