Ứng dụng arduino điều khiển sang số hộp số tự động

LỜI NÓI ĐẦU
Trong xu thế hội nhập hiện nay, nền cơng nghiệp Việt Nam đang đứng trước nhiều
khó khăn, thử thách và cả những cơ hội đầy tiềm năng. Ngành ôtô Việt Nam cũng không
ngoại lệ. Hiện nay khi công nghệ về sản xuất ôtô của thế giới đã lên tới đỉnh cao chúng ta
mới bắt đầu sửa chữa và lắp ráp. Bên cạnh đó thị trường ơtơ Việt Nam là một thị trường
đầy tiềm năng theo như nhận định của nhiều hãng sản xuất ôtô trên thế giới nhưng hiện
nay chúng ta mới chỉ khai thác được ở mức độ buôn bán, lắp ráp và sửa chữa.
Với sự phát triển mạnh mẽ của tin học trong vai trò dẫn đường, q trình tự động hóa
đã đi sâu vào các ngành sản xuất và các sản phẩm của chúng, một trong số đó là ơtơ, khơng
chỉ làm cho người sử dụng cảm thấy thoải mái, gần gũi với chiếc xe của mình, thể hiện
phong cách của người sở hữu chúng. Mà sự tự động hóa cịn nâng cao hệ số an toàn trong
sử dụng. Đây là lý do tại sao các hệ thống tự động luôn được trang bị cho dòng xe cao cấp
và dần áp dụng cho các loại xe thơng dụng. Vì vậy với đề tài chọn là điều khiển hộp số tự
động bằng Arduino em rất mong với đề tài này em sẽ củng cố tốt hơn kiến thức về vi điều
khiển đã được truyền thụ để khi ra trường em có thể tham gia vào ngành ôtô của Việt Nam
để góp phần vào sự phát triển chung của ngành.
Em xin được bày tỏ sự cảm ơn đến thầy giáo hướng dẫn TS. Lê Thanh Phúc đã giúp
đỡ và sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình giúp em vượt qua những khó khăn vướng mắt trong
q trình thực hiện và hồn thành đồ án của mình. Đồng thời cảm ơn các thấy trong khoa
và xưởng khung gầm đã tạo điều kiện cho em hồn thành mơ hình này.
Tp, Hồ Chí Minh, Ngày

Tháng

Năm 2018

Sinh viên thực hiện

Lê Nguyên Vũ

1

Mục lục
Lời nói đầu ........................................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................................ 7
1.1. Mục đích, lý do chọn đề tài: ...................................................................................... 7
1.2. Nhiệm vụ .................................................................................................................... 7
1.3 Phương pháp nghiên cứu: ........................................................................................... 8
1.3.1. Phương pháp tổng hợp lý thuyết ............................................................................. 8
1.3.2. Phương pháp mơ hình hóa: ..................................................................................... 8
1.4. Giới hạn đề tài ............................................................................................................ 8
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................. 9
2.1. Giới thiệu về hệ thống điều khiển ............................................................................. 9
2.1.1. Giới thiệu về Arduino: ............................................................................................ 9
2.1.1.1. Giới thiệu về mạch Arduino Uno R3 ................................................................... 9
2.1.1.2. Thông số cơ bản của Mạch Arduino UNO R3 .................................................... 10
2.1.1.3. Arduino Uno Board sử dụng vi điều khiển: ......................................................... 11
2.1.1.4. Các chân năng lượng............................................................................................ 11
2.1.1.5. Bộ nhớ sử dụng .................................................................................................... 12
2.1.1.6. Các cổng vào/ra trên Arduino Board ................................................................... 13
2.1.1.7. Lập trình cho Arduino .......................................................................................... 14
2.1.2. Giới thiệu về mạch khuyếch đại công suất (MOSFET IRF3205) .......................... 15
2.1.2.1. Thông số kỹ thuật: ............................................................................................... 15
2.1.2.2. Nguyên lý hoạt động ............................................................................................ 17
2.1.2.3. Ứng dụng của Mosfet .......................................................................................... 17
2.1.3. Giới thiệu về Encorder ............................................................................................ 17

2.1.3.1. Khái niệm: ............................................................................................................ 17
2.1.3.2. Phân loại .............................................................................................................. 18
2.1.3.3. Nguyên lý hoạt động ............................................................................................ 18

2.1.3.4. Ứng dụng của encoder quay ................................................................................ 19
2.1.4. Van điện từ solenoid: .............................................................................................. 20
2.1.4.1. Giới thiệu ............................................................................................................. 20
2.1.4.2. Nguyên lý hoạt động: ........................................................................................... 20
2


2.2. Giới thiệt về hộp số tự động: ..................................................................................... 21
2.2.1. Giới thiệu: ............................................................................................................... 21
2.2.2. Cấu tạo: ................................................................................................................... 22
2.2.3. Phân loại hộp số tự động ......................................................................................... 22
2.2.3.1. Theo hệ thống sử dụng điều khiển ...................................................................... 22
2.2.3.2. Theo vị trí đặt trên xe ........................................................................................... 22
2.2.3.3. Theo cấp số tiến của xe ....................................................................................... 23
2.2.4. Nguyên lý hoạt động hộp số tự động ..................................................................... 24
2.2.4.1. Giới thiệu bộ truyền hành tinh hộp số tự động ................................................... 24
2.2.4.2. Các dãy số ............................................................................................................ 26
2.2.4.2.1. Dãy “D” hoặc “2” số 1 ...................................................................................... 26
2.2.4.2.2. Dãy “D” số 2 ..................................................................................................... 27
2.2.4.2.3. Dãy “D” số 3 ..................................................................................................... 28
2.2.4.2.4. Dãy “D” số truyền tăng OD .............................................................................. 29
2.2.5. Hệ thống điều khiển thủy lực và điện tử ở hộp số tự động ................................... 31
2.2.5.1. Khái quát .............................................................................................................. 31
2.2.5.1.1 Hệ thống điều khiển thủy lực ............................................................................. 31
2.2.5.1.2.. Hệ thống điều khiển điện tử ............................................................................. 32
2.2.5.2. Hệ thống điều khiển thủy lực ............................................................................... 33
2.2.5.2.1. Chức năng, nhiệm vụ của hệ thống điều khiển thủy lực................................... 33
2.2.5.3. Hệ thống điều khiển điện tử ................................................................................. 41
2.2.5.3.1. Chức năng, nhiệm vụ của hệ thống điều khiển điện tử..................................... 41
2.2.5.3.2. Các cảm biến và con tắc ................................................................................... 41

2.2.5.3.3. Các điều khiển chính......................................................................................... 48
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH VÀ CHƯƠNG TRÌNH ............................................... 53
3.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống mạch dầu hộp số tự động: ................................................ 53
3.2. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển ................................................................................. 54
3.3. Sơ đồ nối dây: ............................................................................................................ 55
3.4. Sơ đồ sang số dạng bậc thang ................................................................................... 56
3.5. Các cấu trúc lệnh dung trong chương trình ............................................................... 58
3.6. Chương trình điều khiển ............................................................................................ 60
3


CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM XỬ LÝ SỐ LIỆU .......................................................... 69
4.1. Tay số 1: ..................................................................................................................... 69
4.2. Tay số 2: ..................................................................................................................... 70
4.3. Tay số 3: ..................................................................................................................... 71
4.4. Tay số O/D: ................................................................................................................ 72
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN ................................................................................................ 74
5.1. Kết luận: ..................................................................................................................... 74
5.2 Hướng phát triển đề tài: .............................................................................................. 74
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................ 75

4


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2.1. Mạch Arduino Uno R3 ..................................................................................... 7
Hình 2.2. Giao diện lập trình của Arduino ....................................................................... 11
Hình 2.3. Sơ đồ chân Mosfet IRF3205 ........................................................................... 12
Hình 2.4. Cấu tạo của Mosfet ngược Kênh N .................................................................. 13
Hình 2.5. Sơ đồ chân tương ứng với Transitor ................................................................. 14

Hình 2.6. Cấu tạo chung encoder ..................................................................................... 16
Hình 2.7: Van điện từ trạng thái ( ON – OFF )................................................................ 17
Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý van solenoid .......................................................................... 18
Hình 2.9. Sơ đồ trạng thái đóng – mở .............................................................................. 18
Hình 2.10 Sơ đồ vị trí của hộp số tự động trên xe .......................................................... 20
Hình 2.11 Sơ đồ bố trí các bộ truyền hành tinh hộp số tự động ................................... 22
Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý làm việc ở dãy “D” hoặc “2” số 1 .................................................. 24
Hình 2.13. Sơ đồ nguyên lý làm việc ở dãy “D” số 2 .............................................................. 25
Hình 2.14. Sơ đồ nguyên lý làm việc ở dãy “D” số 3 ................................................................ 26
Hình 2.15. Sơ đồ nguyên lý làm việc ở dãy “D” số truyền tăng OD ........................................ 27
Hình 2.16: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thủy lực hộp số tự động ....................................... ..28
Hình 2.17 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển điện tử hộp số tự động .......................................... . 29
Hình 2.18 Cấu tạo bơm dầu ...................................................................................................... 30
Hình 2.19 Van điều khiển ......................................................................................................... 31
Hình 2.20. Van điều áp sơ cấp ................................................................................................... 31
Hình 2.21 Van điều áp thứ cấp ................................................................................................. 32
Hình 2.22 Van bướm ga ........................................................................................................... 33
Hình 2.23 Van chuyển số 1 – 2 ............................................................................................... . 34
Hình 2.24 Van điện từ .............................................................................................................. 35
Hình 2.25 Van rơle khóa biến mơ và van tín hiệu khóa biến mơ ............................................. 35
Hình 2.26 Van ngắt giảm áp ..................................................................................................... . 36
Hình 2.27 Biểu đồ thay đổi áp suất điều biến bướm ga .......................................................... . 37
Hình 2.28 Bộ tích năng ............................................................................................................... 37
Hình 2.29 Cảm biến vị trí bướm ga loại tuyến tính .................................................................... 39
Hình 2.30 Cách gửi tín hiệu từ cảm biến vị trí bướm ga kiểu gián tiếp ..................................... 39
Hình 2.31 Cảm biến tốc độ xe và cảm biến tốc độ trục thứ cấp40
5


Hình 2.32 Khi các tín hiệu tốc độ đều giống nhau ..................................................................... 40

Hình 2.33. Khi các tín hiệu tốc độ khác nhau............................................................................. 41
Hình 2.34 Cách gửi tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ nước làm mát động cơ .................................. 42
Hình 2.35 Cơng tắc khởi động trung gian .................................................................................. 43
Hình 2.36 Cơng tắc chọn chế độ hoạt động ................................................................................ 43
Hình 2.37 Cơng tắc đèn phanh và mạch điện ................................................................... 44
Hình 2.38. Cơng tắc chính OD ................................................................................................... 45
Hình 2.39 ECU điều khiển chạy tự động.................................................................................... 45
Hình 2.40 Sơ đồ khối điều khiển thời điểm chuyển số ................................................................ 46
Hình 2.41 Sơ đồ khối điều khiển khóa biến mơ ......................................................................... 47

Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống mạch dầu hộp số tự động ....................................... 50
Hình 3.2: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển ....................................................................... 51
Hình 3.3: Sơ đồ đi dây hệ thống ...................................................................................... 52
Hình 3.4: Bảng đồ sang số ............................................................................................... 53
Hình 4.1. Kết quả ở tay số 1 ............................................................................................. 66
Hình 3.2. Kết quả ở tay số 2 ............................................................................................. 67
Hình 3.3. Kết quả ở tay số 3 ............................................................................................. 69
Hình 4.4. Kết quả ở tay số O/D ........................................................................................ 70

6


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Hoạt động của phanh và ly hợp trong hộp số tự động ..................................... 27
Bảng 2.2 Chức năng dự phòng van điện từ ..................................................................... 49
Bảng 3.1: Giá trị sang số ở các tay số ứng với vị trí mở bướm ga (%) và tốc độ trục thứ
cấp(v/p) ............................................................................................................................ 55
Bảng 4.1: Trạng thái đóng mở van điện từ ở tay số 1 ...................................................... 66
Bảng 4.1: Trạng thái đóng mở van điện từ ở tay số 2 ...................................................... 67
Bảng 4.1: Trạng thái đóng mở van điện từ ở tay số 3 ...................................................... 68

Bảng 4.1: Trạng thái đóng mở van điện từ ở tay số O/D ................................................. 70

7


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Mục đích, lý do chọn đề tài:
Hiện nay các phương tiện giao thông vận tải là một phần không thể thiếu trong cuộc
sống con người. Cũng như các sản phẩm của nền công nghiệp hiện nay, ô tô được tích hợp
các hệ thống tự động lên các dòng xe đã và đang sản suất với chiều hướng ngày càng tăng.
Hộp số tự động sử dụng trong hệ thống truyền lực của xe là một trong số những hệ thống
được khách hàng quan tâm hiện nay khi mua xe ô tô, đặc biệt là ở thị trường Mỹ và Châu
Âu vì những tiện ích mà nó mang lại khi sử dụng. Việc nghiên cứu hộp số tự động sẽ giúp
chúng ta nắm bắt những kiến thức cơ bản để nâng cao hiệu quả khi sử dụng, khai thác, sửa
chữa và cải tiến chúng. Ngồi ra nó cịn góp phần xây dựng các nguồn tài liệu tham khảo
phục vụ nghiên cứu trong q trình học tập và cơng tác.
Các dòng xe ra đời với các bước đột phá về nhiên liệu mới và tiêu chuẩn khí thải đựợc
chấp thuận trong ngành sản xuất ô tô nhằm bảo vệ mơi trường thì bên cạnh đó cơng nghệ
sản xuất khơng ngừng ngày càng nâng cao, công nghệ điều khiển và vi điều khiển ngày
càng được ứng dụng rộng rãi thì việc địi hỏi phải có kiến thức vững vàng về tự động hóa
của cán bộ kỹ thuật trong ngành cũng phải nâng lên tương ứng mới mong có thể nắm bắt
các sản phẩm được sản xuất cũng như dây chuyền đi kèm, có như vậy mới có thể có một
cơng việc vững vàng sau khi ra trường.
Khi xem những chiếc xe ô tô của các nước sản xuất em không chỉ ngỡ ngàng và thán
phục nền công nghiệp sản xuất ô tô của thế giới mà em còn tự hỏi: Bao giờ Việt Nam chúng
ta cũng sẽ sản xuất được những chiếc xe như thế? Đây là câu hỏi em hy vọng thế hệ trẻ
chúng em sẽ trả lời được dưới sự giúp đỡ tận tình của các Thầy và các bậc đàn anh đi trước.
Vì những lý do trên em chọn đề tài "Điều khiển hộp số tự động bằng Arduino" để làm
đề tài tốt nghiệp
1.2. Nhiệm vụ

-

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về
+

Hộp số tự động, nguyên lý hoạt động điều khiển thủy lực thông qua các van
điện từ và các van chuyển số.

+
-

Vi điều khiển và điều khiển van điện từ bằng ngơn ngữ lập trình C

Xây dựng mơ hình hóa thực hiện điều khiển mơ hình bằng Arduino.
8


1.3 Phương pháp nghiên cứu:
1.3.1. Phương pháp tổng hợp lý thuyết
Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về hộp số tự động và ngơn ngữ lập trình C cơ bản
1.3.2. Phương pháp mơ hình hóa:
Xây dựng mơ hình với các thiết bị giả lập
1.4. Giới hạn đề tài
Đề tài chỉ tập trung điều khiển đơn giản van điện từ trong hệ thống điều khiển thủy
lực của hốp số tự động bằng vi điều khiển Arduino, đồng thời tìm hiểu các phương thức
hoạt động của van trong hệ thống thủy lực.

9

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Giới thiệu về hệ thống điều khiển
2.1.1. Giới thiệu về Arduino:
Arduino là một bo mạch vi xử lý được dùng để lập trình tương tác với các thiết
bị phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn hoặc các thiết bị khác. Đặc điểm nổi bật
của Arduino là môi trường phát triển ứng dụng cực kỳ dễ sử dụng, với một ngơn ngữ
lập trình có thể học một cách nhanh chóng ngay cả với người ít am hiểu về điện tử và
lập trình.
Phân loại Arduino:
-

Arduino Mega 2560 R3

-

Arduino Due

-

Arduino Uno R3

-

Arduino Leonardo

-

Arduino Uno R3 SMD (chip dán)

-

Arduino Nano

-

Arduino Pro Micro

-

Arduino Pro Mini
2.1.1.1. Giới thiệu về mạch Arduino Uno R3
Mạch Arduino Uno là dòng mạch Arduino phổ biến, khi mới bắt đầu làm quen,

lập trình với Arduino thì mạch Arduino thường nói tới chính là dịng Arduino UNO.
Hiện dòng mạch này đã phát triển tới thế hệ thứ 3 (Mạch Arduino Uno R3).
Arduino Uno R3 là dòng cơ bản, linh hoạt, thường được sử dụng cho người mới
bắt đầu. Bạn có thể sử dụng các dịng Arduino khác như: Arduino Mega, Arduino
Nano, Arduino Micro… Nhưng với những ứng dụng cơ bản thì mạch Arduino Uno
là lựa chọn phù hợp nhất.

10


Hình 2.1. Mạch Arduino Uno R3
2.1.1.2. Thơng số cơ bản của Mạch Arduino UNO R3
-

Vi điều khiển

ATmega328P

-

Điện áp hoạt động

5V

-

Điện áp đầu vào (khuyên dùng)

7-12V

-

Điện áp đầu vào (giới hạn)

6-20V

-

Chân Digital I/O

14 (Với 6 chân PWM output)

-

Chân PWM Digital I/O

6

-

Chân đầu vào Analog

6

-

Dòng sử dụng I/O Pin

20 mA

-

Dòng sử dụng 3.3V Pin

50 mA

-

Bộ nhớ Flash

32 KB (ATmega328P) với 0.5KB dùng bởi
bootloader

-

SRAM

2 KB (ATmega328P)

-

EEPROM

1 KB (ATmega328P)
11


-

Clock Speed

16 MHz

-

LED_BUILTIN

13

-

Chiều dài

68.6 mm

-

Chiều rộng

53.4 mm

-

Trọng lượng

25 g

2.1.1.3. Arduino Uno Board sử dụng vi điều khiển:
Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là: ATmega8 (Board
Arduino Uno r2), ATmega168, ATmega328 (Board Arduino Uno r3). Bộ não này có
thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho
xe điều khiển từ xa, điều khiển động cơ bước, điều khiển động cơ serve, làm một trạm
đo nhiệt độ – độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD,… hay những ứng dụng khác.
Mạch Arduino UNO R3 với thiết kế tiêu chuẩn sử dụng vi điều khiển
ATmega328. Tuy nhiên nếu yêu cầu phần cứng của bạn không cao hoặc túi tiền khơng
cho phép, có thể sử dụng các loại vi điều khiển khác có chức năng tương đương nhưng
rẻ hơn như ATmega8 (bộ nhớ flash 8KB) hoặc ATmega168 (bộ nhớ flash 16KB).
Arduino UNO R3 có thể được cấp nguồn 5V thơng qua cổng USB hoặc cấp
nguồn ngồi với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC hoặc điện áp giới hạn là 6-20V.
Thường thì cấp nguồn bằng pin vng 9V là hợp lí nhất nếu bạn khơng có sẵn nguồn
từ cổng USB. Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, sẽ làm hỏng Arduino
UNO.
2.1.1.4. Các chân năng lượng
-

GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO. Khi dùng các
thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối

với nhau.

-

5V: cấp điện áp 5V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.

-

3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA.

-

Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, nối cực dương của
nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND.

-

IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được đo
ở chân này. Và dĩ nhiên nó ln là 5V. Mặc dù vậy không được lấy nguồn - 5V
từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó khơng phải là cấp nguồn.
12


-

RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với
việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.

Lưu ý:
-

Arduino UNO khơng có bảo vệ cắm ngược nguồn vào. Do đó phải hết sức cẩn
thận, kiểm tra các cực âm – dương của nguồn trước khi cấp cho Arduino UNO.
Việc làm chập mạch nguồn vào của Arduino UNO sẽ biến nó thành một miếng
nhựa chặn giấy. mình khuyên nên dùng nguồn từ cổng USB nếu có thể.

-

Các chân 3.3V và 5V trên Arduino là các chân dùng để cấp nguồn ra cho các
thiết bị khác, không phải là các chân cấp nguồn vào. Việc cấp nguồn sai vị trí
có thể làm hỏng board. Điều này khơng được nhà sản xuất khuyến khích.

-

Cấp nguồn ngồi khơng qua cổng USB cho Arduino UNO với điện áp dưới 6V
có thể làm hỏng board.

-

Cấp điện áp trên 13V vào chân RESET trên board có thể làm hỏng vi điều khiển
ATmega328.

-

Cường độ dòng điện vào/ra ở tất cả các chân Digital và Analog của Arduino
UNO nếu vượt quá 200mA sẽ làm hỏng vi điều khiển.

-

Cấp điệp áp trên 5.5V vào các chân Digital hoặc Analog của Arduino UNO sẽ

làm hỏng vi điều khiển.

-

Cường độ dòng điện qua một chân Digital hoặc Analog bất kì của Arduino UNO
vượt quá 40mA sẽ làm hỏng vi điều khiển. Do đó nếu không dùng để truyền
nhận dữ liệu, phải mắc một điện trở hạn dòng.
2.1.1.5. Bộ nhớ sử dụng

Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn sử dụng trên Arduino uno r3 có:
-

32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ
Flash của vi điều khiển. Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ được
dùng cho bootloader nhưng đừng lo, hiếm khi nào cần quá 20KB bộ nhớ này
đâu.

-

2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến khai báo khi
lập trình sẽ lưu ở đây. Khi khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều bộ nhớ
RAM. Tuy vậy, thực sự thì cũng hiếm khi nào bộ nhớ RAM lại trở thành thứ
mà phải bận tâm. Khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất.
13


-

1KB cho EEPROM: Đây giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi có thể đọc và
ghi dữ liệu của mình vào đây mà khơng phải lo bị mất khi cúp điện giống như

dữ liệu trên SRAM.
2.1.1.6. Các cổng vào/ra trên Arduino Board
Mạch Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu. Chúng

chỉ có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA. Ở
mỗi chân đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển
ATmega328 (mặc định thì các điện trở này khơng được kết nối).
Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:
-

2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive
– RX) dữ liệu TTL Serial. Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông
qua 2 chân này. Kết nối bluetooth thường thấy nói nơm na chính là kết nối Serial
không dây. Nếu không cần giao tiếp Serial, không nên sử dụng 2 chân này nếu
không cần thiết

-

Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với độ
phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm
analogWrite(). Nói một cách đơn giản, bạn có thể điều chỉnh được điện áp ra ở
chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những
chân khác.

-

Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Ngoài các chức
năng thơng thường, 4 chân này cịn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức
SPI với các thiết bị khác.

-

LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L). Khi bấm nút
Reset, bạn sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu. Nó được nối với chân số 13.
Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng.
Arduino UNO Broad có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín

hiệu 10bit (0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V. Với
chân AREF trên board, bạn có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các
chân analog. Tức là nếu bạn cấp điện áp 2.5V vào chân này thì bạn có thể dùng các
chân analog để đo điện áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit.

14


Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI
với các thiết bị khác.
2.1.1.7. Lập trình cho Arduino
Các thiết bị dựa trên nền tảng Arduino được lập trình bằng ngơn riêng. Ngơn
ngữ này dựa trên ngôn ngữ Wiring được viết cho phần cứng nói chung. Và Wiring
lại là một biến thể của C/C++. Một số người gọi nó là Wiring, một số khác thì gọi là
C hay C/C++. Riêng mình thì gọi nó là “ngôn ngữ Arduino”, và đội ngũ phát triển
Arduino cũng gọi như vậy. Ngôn ngữ Arduino bắt nguồn từ C/C++ phổ biến hiện nay
do đó rất dễ học, dễ hiểu. Nếu học tốt chương trình Tin học 11 thì việc lập trình
Arduino sẽ rất dễ thở đối với bạn.
Để lập trình cho Mạch Arduino, nhà phát triển cung cấp một mơi trường lập
trình Arduino được gọi là Arduino IDE (Intergrated Development Environment) như
hình dưới đây.

Hình 2.2. Giao diện lập trình của Arduino

15


2.1.2. Giới thiệu về mạch khuyếch đại công suất (MOSFET IRF3205)
2.1.2.1. Thông số kỹ thuật:
-

Điện áp đánh thủng là 55V.

-

Điện áp VGS = +/-20V

-

Dịng chịu đựng trung bình là 110A.

-

Nhiệt độ hoạt động: -55oC ~ 175oC.

-

Công suất: 200W
Mosfet IRF3205 là mosfet kênh N hay mosfet ngược.
Mosfet IRF3205 là Transistor hiệu ứng trường (Metal Oxide Semiconductor

Field Effect Transistor) là một Transistor đặc biệt có cấu tạo và hoạt động khác với
Transistor thơng thường. Mosfet thường có cơng suất lớn hơn rất nhiều so với
BJT, Mosfet IRF3205 có cơng suất là 220W. Đối với tín hiệu 1 chiều thì nó coi như

là 1 khóa đóng mở.

Hình 2.3. Sơ đồ chân Mosfet IRF3205
-

G: Gate gọi là cực cổng

-

D: Drain gọi là cực máng

-

S: Source gọi là cực nguồn
16


Mosfet IRF3205 có nguyên tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trường để tạo ra
dòng điện, là linh kiện có trở kháng đầu vào lớn thích hợp cho khuyếch đại các nguồn
tín hiệu yếu.
Mosfet IRF3205 thích hợp cho việc chuyển đổi DC sang AC hay DC. Thường
ứng dụng trong UPS, inverter có biến thế thường.
Mosfet là Transistor hiệu ứng trường (Metal Oxide Semiconductor Field Effect
Transistor) là một Transistor đặc biệt có cấu tạo và hoạt động khác với Transistor
thơng thường mà ta đã biết. Mosfet thường có cơng suất lớn hơn rất nhiều so với BJT.
Đối với tín hiệu 1 chiều thì nó coi như là 1 khóa đóng mở. Mosfet có nguyên tắc hoạt
động dựa trên hiệu ứng từ trường để tạo ra dòng điện, là linh kiện có trở kháng đầu
vào lớn thích hợp cho khuyếch đại các nguồn tín hiệu yếu.

Hình 2.4. Cấu tạo của Mosfet ngược Kênh N

-

G : Gate gọi là cực cổng

-

S : Source gọi là cực nguồn

-

D : Drain gọi là cực máng
Trong đó : G là cực điều khiển được cách lý hồn tồn với cấu trúc bán dẫn cịn

lại bởi lớp điện mơi cực mỏng nhưng có độ cách điện cực lớn dioxit-silic (Sio2). Hai
cực còn lại là cực gốc (S) và cực máng (D). Cực máng là cực đón các hạt mang điện.
Mosfet có điện trở giữa cực G với cực S và giữa cực G với cực D là vơ cùng lớn
, cịn điện trở giữa cực D và cực S phụ thuộc vào điện áp chênh lệch giữa cực G và
cực S ( UGS )
Khi điện áp UGS = 0 thì điện trở RDS rất lớn, khi điện áp UGS > 0 => do hiệu
ứng từ trường làm cho điện trở RDS giảm, điện áp UGS càng lớn thì điện trở RDS
càng nhỏ.
Ký hiệu
17


Hình 2.5. Sơ đồ chân tương ứng với Transitor
Qua đó ta thấy Mosfet này có chân tương đương với Transitor
-

Chân G tương đương với B

-

Chân D tương đương với chân C

-

Chân S tương đương với E

2.1.2.2. Nguyên lý hoạt động
Mosfet hoạt động ở 2 chế độ đóng và mở. Do là một phần tử với các hạt mang
điện cơ bản nên Mosfet có thể đóng cắt với tần số rất cao.
Mạch điện tương đương của Mosfet . Nhìn vào đó ta thấy cơ chế đóng cắt phụ
thuộc vào các tụ điện ký sinh trên nó.
-

Đối với kênh P : Điện áp điều khiển mở Mosfet là Ugs=0. Dòng điện sẽ đi từ S
đến D

-

Đối với kênh N : Điện áp điều khiển mở Mosfet là Ugs >0. Điện áp điều khiển
đóng là Ugs<=0. Dịng điện sẽ đi từ D xuống S.

Do đảm bảo thời gian đóng cắt là ngắn nhất người ta thường : Đối với Mosfet Kênh
N điện áp khóa là Ugs = 0 V cịn Kênh P thì Ugs=~0
2.1.2.3. Ứng dụng của Mosfet
Mosfet có khả năng đóng nhanh với dịng điện và điện áp khá lớn nên nó được
sử dụng nhiều trong các bộ dao động tạo ra từ trường Vì do đóng cắt nhanh làm cho
dịng điện biến thiên. Nó thường thấy trong các bộ nguồn xung và cách mạch điều

khiển điện áp cao.
2.1.3. Giới thiệu về Encorder

2.1.3.1. Khái niệm:
Encoder là đo lường dịch chuyển thẳng hoặc góc. Đồng thời chuyển đổi vị trí
góc hoặc vị trí thẳng thành tín hiệu nhị phân và nhờ tín hiệu này có thể xác định được
18


vị trí trục hoặc bàn máy. Tín hiệu ra của Encoder cho dưới dạng tín hiệu số. Encoder
được sử dụng làm phần tử chuyển đổi tín hiệu phản hồi trong các máy CNC và robot.
Trong máy công cụ điều khiển số, chuyển động của bàn máy được dẫn động từ một
động cơ qua vít me đai ốc bi tới bàn máy. Vị trí của bàn máy có thể xác định được
nhờ encoder lắp trong cụm truyền dẫn.
2.1.3.2. Phân loại
-

Encoder tuyệt đối: sử dụng đĩa theo mã nhị phân hoặc mã Gray

-

Encoder tương đối: có tín hiệu tăng dần hoặc theo chu kỳ
+

Encoder tương đối kiểu thẳng

+

Encoder tương đối kiểu quay

2.1.3.3. Nguyên lý hoạt động:
Nguyên lý cơ bản của encoder: Đó là một đĩa trịn xoay, quay quanh trục. Trên
đĩa có các lỗ (rãnh). Người ta dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa. Khi đĩa quay,
chỗ khơng có lỗ, đèn led khơng chiếu xun qua được. Chỗ có lỗ, đèn led sẽ chiếu
xun qua. Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa, người ta đặt một con mắt thu
(photosensor). Với các tín hiệu có hoặc khơng có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi
nhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay không.

19


Hình 2.6. Cấu tạo chung encoder
2.1.3.4. Ứng dụng của encoder quay
Ứng dụng của encoder quay
-

Trong các bài toán đo tốc độ động cơ.

-

Xác định khoảng dịch chuyển của đối tượng thơng qua xác định số vịng quay
của trục...

-

Ứng dụng rỗng rãi trong nhiều lĩnh vưc: Robot, máy công cụ, hàng không vũ
trụ,…

20

2.1.4. Van điện từ solenoid:
2.1.4.1. Giới thiệu
Van điện từ là một sản phẩm của ngành cơ điện chúng được sử dụng để kiểm
sốt lưu chất như chất lỏng hoặc khí. Van điện từ có tên nước ngồi là Solenid Valve
chúng hoạt động dựa vào dịng điện 220V hoặc 24V thơng qua một cuộn dây. Khi
cuộn dây này có dịng điện chạy qua sẽ xuất hiện từ trường tác động trực tiếp lên pít
tơng và làm pít tơng này dịch chuyển tạo ra các trạng thái đóng hoặc mở van. Khi
dịng điện ngắt van sẽ quay về trạng thái ban đầu khi có nguồn điện vào.

Hình 2.7: Van điện từ trạng thái ( ON – OFF )
Thông số kỹ thuật
-

Áp suất: 0 – 4 bar

-

Điện áp: 12V

-

Điện trở: 11Ohm
2.1.4.2. Nguyên lý hoạt động:
Van solenoid chưa được cấp nguồn điện sẽ ở trạng thái “đóng”, dầu khơng chảy

qua được. Khi được cấp nguồn điện (12V), dây vàng/đen được nối vào chân dương
(+) và chân xanh/vàng được cấp vào chân âm (-), lúc này có dịng điện chạy qua cuộn
dây sẽ sinh ra từ trường và hút con đội vào trong. Ở trạng thái này (“mở”), dòng dầu
được dịch chuyển qua.

21


Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý van solenoid
Các trạng thái đóng mở:

Hình 2.9. Sơ đồ trạng thái đóng – mở
Khi ở trạng thái “đóng” dưới sức đẩy của lị xo, con đội ở trạng thái như hình
nhằm ngan chặn dịng dầu đi qua. Khi được cấp nguồn điện (12V), có dòng điện chạy
qua, cuộn dây sinh từ trường và trở thành nam châm điện. Lúc này lực nam châm lớn
hơn lực lị xo và kéo con đội về phía bên phải tạo độ chênh áp suất làm cho dòng dầu
chảy qua.
2.2. Giới thiệt về hộp số tự động:
2.2.1. Giới thiệu:
Năm 1938, hộp số tự động điều khiển bằng thủy lực đầu tiên ra đời trên xe
Oldsmobile của hãng General Motor.
Việc điều khiển ơtơ được đơn giản hóa bởi vì khơng còn bàn đạp ly hợp. Tuy
nhiên, hộp số thường vẫn được sử dụng phổ biến nhờ kết cấu đơn giản, dễ sửa chữa
22


và giá thành thấp.
Đến những năm 70, hộp số tự động đã thực sự phát triển khi hàng loạt các hãng ôtô
cho ra các loại xe mới với hộp số tự động đi kèm. Từ đó đến nay hộp số tự động đã
phát triển không ngừng và dần thay thế cho hộp số thường. Khi mới ra đời, hộp số
tự động là loại có cấp được điều khiển hồn tồn bằng thủy lực. Đến những năm 80,
nhờ ứng dụng những kỹ thuật điều khiển điện tử hiện đại trên ôtô phát triển vượt
bậc, các hộp số tự động điều khiển bằng điện tử (E-AT) ra đời.
Các nhà sản xuất ôtô cũng đã nghiên cứu, chế tạo và đưa vào sử dụng các loại

hộp số tự động vơ cấp có tỉ số truyền thay đổi liên tục (CVT- Continuously Variable
Transmission) vào những năm cuối của thế kỷ XX.
2.2.2. Cấu tạo:
-

Một bộ truyền bánh răng hành tinh

-

Một bộ phanh đai dùng để khác các phần của bộ truyền bánh răng hành tinh.

-

Một bộ gồm ba mảnh ly hợp ướt làm việc trong dầu dùng để khác các phần của
bộ truyền

-

Một hệ thống thủy lực để điều khiển các ly hợp và phanh đai

-

Một bộ bơm bánh răng lớn để luân chuyển dầu truyền động trong hộp số.

2.2.3. Phân loại hộp số tự động
2.2.3.1. Theo hệ thống sử dụng điều khiển
Theo hệ thống sử dụng điều khiển hộp số tự động có thể chia thành hai loại,
chúng khác nhau về hệ thống sử dụng để điều khiển chuyển số và thời điểm khóa biến
mơ. Một loại là điều khiển bằng thủy lực hồn tồn, nó chỉ sử dụng hệ thống thủy lực
để điều khiển và loại kia là loại điều khiển điện, dùng ngay các chế độ được thiết lập

trong ECU (Electronic Controlled Unit: bộ điều khiển điện tử) để điều khiển chuyển
số và khóa biến mơ, loại này bao gồm cả chức năng chẩn đốn và dự phịng, cịn có
tên gọi khác là ECT (Electronic Controlled Transmission: hộp số điều khiển điện).
2.2.3.2. Theo vị trí đặt trên xe
Ngồi phân loại theo cách điều khiển thủy lực hay điều khiển điện hộp số tự
động cịn được phân loại theo vị trí đặt trên xe. Loại dùng cho các xe động cơ đặt
trước - cầu trước chủ động và động cơ đặt trước - cầu sau chủ động (hình 2.2). Các
23


hộp số được sử dụng trên xe động cơ đặt trước - cầu trước chủ động thiết kế gọn nhẹ
hơn so với loại lắp trên xe động cơ đặt trước - cầu sau chủ động do chúng được lắp
đặt trong khoang động cơ nên bộ truyền động bánh răng cuối cùng (vi sai) lắp ở ngay
trong hộp số, còn gọi là “hộp số có vi sai”. Hộp số sử dụng cho xe động cơ đặt trước
- cầu sau chủ động có bộ truyền động bánh răng cuối cùng (vi sai) lắp ở bên ngồi.

Hình 2.10 Sơ đồ vị trí của hộp số tự động trên xe
a – Dẫn động cầu trước; b – Dẫn động cầu sau;
1 – Mặt trước; 2 – Cụm cầu và hộp số tự động; 3 – Trục dẫn động;
4 – Hộp số tự động; 5 – Trục các đăng; 6 – Truyền động cuối cùng của vi sai.
Cả hai loại động cơ đặt trước - cầu trước chủ động và động cơ đặt trước - cầu
sau chủ động đều được xây dựng và phát triển trên các dòng xe du lịch đầu tiên khi
yêu cầu tự động hóa cho xe ơtơ phát triển, nhưng hiện nay hộp số tự động còn được
dùng cho cả xe tải và xe có hai cầu chủ động hay xe sử dụng ở địa hình khơng có
đường đi.
2.2.3.3. Theo cấp số tiến của xe
Ngồi cách phân loại trên cịn có một số cách phân loại khác như theo cấp số
tiến của hộp số có được đa phần hộp số tự động có 4 cấp và một số nhà sản xuất đang
chuyển dần sang thế hệ hộp số mới 5 cấp, 6 cấp. Và hiện nay số cấp mà hộp số tự
động có được cao nhất là 7 cấp. Phân loại theo thiết kế cho dịng xe lắp đặt chúng

như ơtơ du lịch, xe tải, xe siêu trọng.
Một kiểu hộp số tự động khác hiện đang dần được ứng dụng rộng rãi là hộp số
tự động vô cấp CVT (Continuosly Variable Transmission: hộp số tự động vô cấp).
24


Loại hộp số này sử dụng dây đai bằng kim loại và một cặp pulley với độ rộng có thể
thay đổi để mang lại tỷ số truyền khác nhau, như loại hộp số MMT (Multi-Matic
Transmission) lắp trên mẫu Civic của Honda hay trên mẫu Lancer Gala của
Mitsubishi. Với loại hộp số này, tỷ số truyền được thay đổi tùy thuộc vào vòng tua
của động cơ cũng như tải trọng.
2.2.4. Nguyên lý hoạt động hộp số tự động
2.2.4.1. Giới thiệu bộ truyền hành tinh hộp số tự động
Trong hộp số tự động của TOYOTA sử dụng một bộ bánh răng hành tinh 3 tốc
độ loại SIMPSON và một bộ truyền hành tinh OD loại WILLD cho số truyền tăng
như trên hình 2.11.
Bộ bánh răng hành tinh 3 tốc độ lọai SIMPSON là một bộ truyền có hai bộ bánh
răng hành tinh đơn giản được bố trí trên cùng một trục. Chúng được bố trí ở vị trí
trước và sau trong hộp số và được nối với nhau thành một khối bằng bánh răng mặt
trời. Mỗi bánh răng hành tinh của bộ truyền hành tinh được lắp trên trục hành tinh
của cần dẫn và ăn khớp với bánh răng bao, bánh răng mặt trời của bộ truyền.
Bộ truyền hành tinh cho số truyền tăng được lắp bên cạnh bộ truyền hành tinh
3 tốc độ, nó chủ yếu một bộ truyền hành tinh đơn giản (loại WILLD), một phanh số
truyền tăng (B0) để giữ bánh răng mặt trời, một ly hợp số truyền tăng (C0) để nối bánh
răng mặt trời và cần dẫn, một khớp một chiều cho số truyền tăng (F0) như hình 4.3.
Cơng suất được đưa vào cần dẫn số truyền tăng và đi ra từ bánh răng bao của bộ
truyền hành tinh này.

25