Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu, thiết kế hệ thống giám sát nhiên liệu trên ô tô

Đồ án trình bày chi tiết về thiết kế hệ thống giám sát nhiên liệu ô tô, bao gồm cơ sở lý thuyết, thiết kế mô hình và kết quả khảo sát thực tế.

• Tác giả: Phạm Tinh Khôi
• Người hướng dẫn: TS. Lê Thanh Phúc
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật Ô tô
• Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế hệ thống giám sát nhiên liệu trên ô tô
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hệ Thống Giám Sát Nhiên Liệu Trên Ô Tô

Hệ thống giám sát nhiên liệu là một trong những công nghệ quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô hiện đại. Đồ án thiết kế hệ thống này nhằm mục đích nghiên cứu, phát triển và ứng dụng các thiết bị điện tử tiên tiến để giám sát mức nhiên liệu một cách chính xác và hiệu quả. Việc thiết kế hệ thống này giúp người lái xe có thể theo dõi mức nhiên liệu trong bình một cách real-time, từ đó quản lý chi phí nhiên liệu tốt hơn. Đề tài luận văn tốt nghiệp này được thực hiện bởi các sinh viên Khoa Cơ Khí Động Lực, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, dưới sự hướng dẫn của TS. Lê Thanh Phúc. Hệ thống được thiết kế với mục tiêu tạo ra mô hình giám sát nhiên liệu có độ chính xác cao, dễ sử dụng và có tính ứng dụng thực tế trên các loại ô tô khác nhau.

1.1. Lý Do Chọn Đề Tài

Việc quản lý nhiên liệu là vấn đề thực tế mà mọi chủ sở hữu ô tô đều quan tâm. Hệ thống giám sát mức nhiên liệu truyền thống thường có độ chính xác không cao, dẫn đến khó khăn trong việc kiểm soát chi phí. Đề tài này được chọn với mục đích nghiên cứu và phát triển công nghệ giám sát nhiên liệu hiện đại, áp dụng các thiết bị điện tử tiên tiến như cảm biến Capacitive level meter và module GPRS/GSM để tạo ra một hệ thống thông minh, chính xác và có khả năng truyền dữ liệu từ xa.

1.2. Mục Tiêu Và Nhiệm Vụ Nghiên Cứu

Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế hệ thống giám sát nhiên liệu hoàn chỉnh, bao gồm phần cứng và phần mềm. Nhiệm vụ cụ thể bao gồm: (1) Tìm hiểu và phân tích các thiết bị điện tử sử dụng trong hệ thống như cảm biến, vi điều khiển Arduino, module truyền thông; (2) Thiết kế mô hình giám sát nhiên liệu phục vụ nghiên cứu và giảng dạy; (3) Lập trình điều khiển hệ thống và giao tiếp giữa các thiết bị; (4) Tiến hành khảo sát và đánh giá độ chính xác của hệ thống.

II. Cấu Trúc Và Thành Phần Chính Của Hệ Thống

Hệ thống giám sát nhiên liệu được xây dựng từ ba thành phần chính: thiết bị đo lường, mạch điều khiển và module truyền thông. Cảm biến Capacitive level meter và Dinel CLM-40 đóng vai trò phát hiện mức nhiên liệu trong bình, chuyển đổi thông tin vật lý thành tín hiệu điện tử. Vi điều khiển Arduino Uno R3 ATmega32 xử lý tín hiệu từ cảm biến, thực hiện các phép tính toán và điều khiển hệ thống. Module GPRS/GSM SIM900A cho phép truyền dữ liệu từ xa, giúp người dùng theo dõi mức nhiên liệu qua điện thoại hoặc máy tính. Sự kết hợp hài hòa của ba thành phần này tạo nên một hệ thống giám sát nhiên liệu hoàn chỉnh, có khả năng theo dõi real-time và lưu trữ dữ liệu lịch sử.

2.1. Cảm Biến Capacitive Level Meter Và Dinel CLM 40

Cảm biến Capacitive level meter là thiết bị sử dụng nguyên lý điện dung để đo mức chất lỏng. Dinel CLM-40 là model cảm biến tiên tiến với độ chính xác cao và khả năng hoạt động ổn định trong môi trường phức tạp. Cảm biến này có cấu tạo bao gồm electrode, mạch xử lý tín hiệu và đầu nối kết nối. Nguyên lý hoạt động dựa trên thay đổi điện dung khi mức nhiên liệu thay đổi, từ đó cảm biến phát ra tín hiệu điện tương ứng để vi điều khiển xử lý.

2.2. Vi Điều Khiển Arduino Uno R3 ATmega32

Arduino Uno R3 là vi điều khiển phổ biến, dễ sử dụng và có khả năng xử lý dữ liệu mạnh mẽ. Nó được trang bị chip ATmega32 với tần số xung nhịp 16MHz, 14 chân digital I/O và 6 chân analog input. Vi điều khiển này nhận tín hiệu từ cảm biến nhiên liệu, xử lý dữ liệu, hiển thị kết quả và điều khiển module truyền thông GPRS/GSM để gửi dữ liệu đến máy chủ hoặc điện thoại người dùng.

III. Thiết Kế Mô Hình Và Sơ Đồ Kết Nối Hệ Thống

Thiết kế mô hình giám sát nhiên liệu là bước quan trọng để xác minh khả năng hoạt động của hệ thống trước khi ứng dụng trên ô tô thực tế. Mô hình được xây dựng với vật liệu nhựa PVC để mô phỏng bình xăng, trong đó lắp đặt cảm biến Dinel CLM-40 nhằm đo mức nhiên liệu một cách chính xác. Sơ đồ kết nối hệ thống bao gồm việc kết nối cảm biến đến vi điều khiển Arduino, từ đó kết nối đến module GPRS/GSM SIM900A để truyền dữ liệu. Thông số thiết kế mô hình được tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo sự chính xác của phép đo và tính độc lập của các thành phần. Quá trình thiết kế này giúp người nghiên cứu hiểu rõ hơn về cách hoạt động của hệ thống giám sát nhiên liệu và chuẩn bị cho việc ứng dụng thực tế.

3.1. Thiết Kế Và Vật Liệu Sử Dụng

Mô hình bình xăng được thiết kế từ vật liệu nhựa PVC chống ăn mòn và có độ bền cao. Kích thước mô hình được xác định dựa trên thông số thiết kế để phù hợp với việc thử nghiệm và giảng dạy. Cảm biến Dinel CLM-40 được lắp đặt theo hướng dẫn kỹ thuật để đảm bảo độ chính xác tối đa. Các đường ống kết nối được chọn từ vật liệu chống thấm nước, đảm bảo hệ thống không bị rò rỉ. Vật liệu chữa chính là các linh kiện điện tử chất lượng cao từ các nhà sản xuất uy tín.

3.2. Sơ Đồ Kết Nối Và Giao Tiếp Giữa Các Thiết Bị

Sơ đồ kết nối chi tiết cho thấy cách mà cảm biến nhiên liệu kết nối đến chân analog input của Arduino thông qua mạch chuyển đổi tín hiệu. Vi điều khiển Arduino nhận tín hiệu và xử lý thông qua chương trình firmware được lập sẵn. Sau đó, dữ liệu được gửi đến module GPRS/GSM SIM900A thông qua giao tiếp UART (Serial Communication). Giao thức truyền thông sử dụng các lệnh AT để điều khiển module gửi SMS hoặc dữ liệu qua mạng di động.

IV. Khảo Sát Đánh Giá Và Ứng Dụng Thực Tế

Quá trình khảo sát hệ thống được thực hiện qua nhiều lần kiểm tra để đánh giá độ chính xác và hiệu năng. Các số liệu khảo sát được ghi lại chi tiết, từ đó so sánh với giá trị lý thuyết để xác định sai số của hệ thống. Kết quả cho thấy độ chính xác của cảm biến Dinel CLM-40 đạt mức cao, với sai số trong phạm vi cho phép. Nhận xét về hệ thống bao gồm những ưu điểm như độ chính xác cao, dễ sử dụng, khả năng truyền dữ liệu từ xa; và một số nhược điểm cần cải thiện trong việc tối ưu hóa mã nguồn và cải thiện hiệu suất pin. Ứng dụng thực tế của hệ thống có thể mở rộng đến quản lý đội xe, tiết kiệm nhiên liệu và phát hiện xăng cắt.

4.1. Kết Quả Khảo Sát Và Đánh Giá Chất Lượng

Khảo sát hệ thống được thực hiện bằng cách nạp các mức chất lỏng khác nhau vào mô hình bình xăng và ghi lại tín hiệu từ cảm biến. Dữ liệu thu được được so sánh với mức chất lỏng thực tế để tính sai số. Kết quả cho thấy độ chính xác của hệ thống đạt khoảng 95-98%, điều này chứng minh rằng cảm biến Dinel CLM-40 có hiệu suất tốt và phù hợp để giám sát mức nhiên liệu trên ô tô.

4.2. Kết Luận Và Đề Nghị Cải Thiện

Hệ thống giám sát nhiên liệu đã được thiết kế, xây dựng và kiểm chứng thành công với độ chính xác cao và khả năng ứng dụng thực tế rõ ràng. Kinh nghiệm rút ra từ đề tài bao gồm tầm quan trọng của lựa chọn thành phần chất lượng cao và kiểm thử kỹ lưỡng. Đề nghị cải thiện bao gồm: (1) Tối ưu hóa tiêu thụ điện năng của hệ thống; (2) Phát triển ứng dụng di động để theo dõi dữ liệu dễ dàng hơn; (3) Bổ sung tính năng cảnh báo khi mức nhiên liệu thấp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

TR NG IH CS PH M K THU T TH NH PH H CH MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT NHIÊN LIỆU TRÊN Ô TÔ SVTH: PHẠM TINH KHÔI MSSV: 14145125 SVTH: TRẦN ĐÌNH QUÂN MSSV: 14145219 GVHD: TS. LÊ THANH PHÚC TP.Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2018 LỜI CẢM ƠN Trước tiên chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới các thầy cô giáo trong trường Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM nói chung và các thầy cô giáo trong Khoa Cơ Khí Động Lực nói riêng đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho chúng em những kiến thức, kinh nghiệm thật quý báu trong suốt thời gian chúng em học tại trường. ặc biệt, chúng em xin gửi lời cảm ơn tới thầy TS. Lê Thanh Phúc lời cảm ơn chân thành nhất, thầy đã tận tình giúp đỡ, trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn chúng em trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp.

Trong thời gian làm việc với các thầy, chúng em không ngừng tiếp thu thêm nhiều kiến thức bổ ích mà còn học tập được tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệu quả, đây là những điều rất cần thiết cho chúng em trong quá trình học tập và công tác sau này. Chúng em xin chân thành cảm ơn toàn bộ quý thầy cô ngành Công nghệ kỹ thuật Ô tô, Trường ại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Mình. Quý thầy cô đã truyền đạt những kiến thức rất quý báu và luôn tạo điều kiện tốt nhất để chúng em có thể nghiên cứu và hoàn thành đồ án. Xin được cảm ơn các anh chị sinh viên khóa trước và các bạn sinh viên cùng khóa hỗ trợ và góp ý trong suốt quá trình thực hiện đồ án.

Sau cùng, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè đã động viên đóng góp ý kiến và giúp đỡ trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành đồ án tốt nghiệp. Dù đã rất cố gắng để thực hiện đồ án nhưng do hạn chế về trình độ, thời gian và nguồn tài liệu tham khảo nên nhóm không thể tránh khỏi những thiếu xót. Nhóm em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến từ Quý thầy cô để đồ án được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn! TP.HCM, ngày 17 tháng 07 năm 2018 Nhóm thực hiện Phạm Tinh Khôi Trần Đình Quân i TÓM TẮT ĐỀ TÀI Với mục tiêu nghiên cứu và thiết kế hệ thống giám sát nhiên liệu trên ô tô, việc đầu tiên cần làm là tìm kiếm tài liệu về các thiết bị điện tử và tìm hiểu kỹ về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của chúng.

Việc tìm hiểu giúp chúng ta dễ nắm bắt được vấn đề, đề ra mục tiêu và phương hướng làm đề tài sao cho sát với mục tiêu đề ra, cùng với đó phát triển những sáng kiến mới để hoàn thiện đề tài cách tốt hơn, tránh bị lạc đề, lan man. Nội dung bao gồm: ề tài nghiên cứu đã giới thiệu tổng quan về các thiết bị Capacitive level meter và Dinel CLM –40, mạch điều khiển Adruino Uno R3 ATmega32, module GPRS/GSM SIM900A. Trong đó đưa ra được cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các thiết bị, các chân và một vài các thông số kỹ thuật. Mục đích giúp người đọc nắm được những điều cơ bản của các thiết bị và và có cái nhìn tổng quan hơn về đề tài.

Nội dung tiếp theo của đề tài là thiết kế mô hình giám sát nhiên liệu. Trong đó đưa ra được cách thiết kế và các vật liệu sử dụng, thông số thiết kế mô hình, sơ đồ kết nối giữa mô hình và các thiết bị điện tử. Mục đích là tạo ra mô hình phục vụ cho đề tài và giảng dạy, cho người đọc liên tưởng đến thực tế và ứng dụng của chúng, là bước đầu cho việc nghiên cứu, thiết kế và phát triển hệ thống trên ô tô trong thực tế. Kế tiếp, đề tài trình bày cách kết nối mô hình với các thiết bị điện tử và cách điều khiển.

Trong đó đưa ra được cách thiết lập để giao tiếp, kết nối giữa các thiết bị với nhau để mô tả chi tiết hơn cách chúng hoạt động trong thực tế. Mục đích là giúp hiểu chi tiết về cách chúng hoạt động và giao tiếp với nhau, kết hợp các thiết bị lại nhằm mục đích giám sát mức nhiên liệu và có thể là bước đệm để nghiên cứu nhiều hệ thống khác dựa trên các thiết bị, chương trình, cách giao tiếp được sử dụng trong đề tài. Sau đó, đề tài trình bày việc thực hiện khảo sát và nhận xét về mô hình. Trong đó đưa ra các số liệu của việc khảo sát.

Mục đích là để đánh giá độ chuẩn xác và chất lượng của thiết bị sử dụng trong đề tài, đưa ra những nhận xét về kết quả thu được. Phần cuối cùng của đề tài là kết luận và đề nghị. Từ việc nghiên cứu, thiết kế, khảo sát đưa ra kết luận về đề tài, rút ra các kinh nghiệm và ưu nhược điểm của các thiết bị, đưa ra đề nghị cá nhân về các vấn đề gặp trong đề tài. ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .ii MỤC LỤC .iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU.

v DANH MỤC CÁC HÌNH .vii DANH MỤC CÁC BẢNG. ix CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN. Lý do chọn đề tài. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu.

Phương pháp nghiên cứu. Giới hạn của đề tài. Kế hoạch nghiên cứu. Các bước thực hiện.

3 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT HỆ THỐNG GIÁM SÁT NHIÊN LIỆU TRÊN Ô TÔ. Giới thiệu tổng quan về thiết bị Capacitive level meter và Dinel CLM–40. Cấu tạo của thiết bị Capacitive level meter và Dinel CLM–40. Nguyên lý hoạt động của thiết bị Capacitive level meter và Dinel CLM–40.

Giới thiệu tổng quan về mạch điều khiển Adruino Uno R3. Cấu tạo của mạch điều khiển Adruino Uno R3. Sơ lược về các chân nguồn năng lượng và tín hiệu của mạch điều khiển Adruino Uno R3 ATmega328P. Giới thiệu tổng quan về module GPRS/GSM SIM900A.

Cấu tạo, vị trí các chân và cách điều khiển cơ bản của module GPRS/GSM SIM900A. 12 iii CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG GIÁM SÁT NHIÊN LIỆU TRÊN Ô TÔ. Thiết kế mô hình giám sát nhiên liệu.

Kết nối mô hình mô phỏng bình chứa nhiên liệu và các thiết bị điện tử. Giao tiếp giữa mô hình với Adruino Uno, giao diện tương tác Matlab GUI và Callback 20 3. Giao tiếp giữa mô hình với Adruino Uno. Giao diện tương tác Matlab GUI và Callback.

Kết nối với modul GPRS/GSM SIM900A và gửi dữ liệu lên trang web. Kết nối sim điện thoại với module GPRS/GSM SIM900A và thử nghiệm một số chức năng của module. Thiết lập kết nối GPRS cho module GPRS/GSM SIM900A và gửi dữ liệu lên trang web. 38 CHƢƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ MÔ HÌNH GIÁM SÁT NHIÊN LIỆU.

Khảo sát và đánh giá kết quả đo đạc mức nhiên liệu với mô hình. Khảo sát cảm biến đo nhiên liệu. Khảo sát độ phân giải của cảm biến đo nhiên liệu. Thử nghiệm đưa dữ liệu lên trang web với module GPRS/GSM SIM900A.

46 CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 55 iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Chữ cái viết tắt / ký hiệu Cụm từ đầy đủ TT-BKHCN Thông tư Bộ Khoa Học và Công Nghệ T C- L Tổng cục Tiêu chuẩn o lường Chất lượng CLM Capacitive Level Meter GPRS General Packet Radio Service GSM Groupe Special Mobile SIM Subscriber Identity Module AVR Advanced Virtual RISC RISC Reduced Instructions Set Computer ATmega328 1 vi điều khiển thuộc họ AVR do công ty Atmel sản xuất LCD Liquid Crystal Display LED Light Emitting Diode PWM Pulse-Width Modulation AC – DC Alternating Current – Direct Current RAM Random Access Memory SPI Serial Peripheral Interface SS Slave Select v MOSI Master Out Slave IN MISO Master IN Slave Out SCK, SCL Serial Clock AREF Analog Reference I2C/TWI Inter-Intergrated Circuit/ Two Wire Interface SAD Serial Data TCP/IP Transfer Control Protocol/Internet Protocol SMT Surface-Mount Technology IC Integrated Circuit PIC Programmable Intelligent Computer ARM Advanced RISC Machine AT Commands Attention Commands PVC Poly(Vinyl) Chloride IDE Integrated Development Environment vi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 2. Kích thước thiết bị Capacitive level meter và Dinel CLM–40.

Minh hoạ sự thay đổi hằng số điện môi ξ. Adruino Uno R3 ATmega328P trong thực tế. Sơ đồ vị trí các chân trên Adruino Uno R3 ATmega328P. Sơ đồ vị trí các chân trên module GPRS/GSM SIM900A.

Mô hình mô phỏng bình chứa nhiên liệu mặt trước. Mô hình mô phỏng bình chứa nhiên liệu mặt bên. Mô hình mô phỏng bình chứa nhiên liệu mặt trên. Sơ đồ kết nối các thiết bị điện tử với mô hình.

Kết nối thực tế giữa các thiết bị điện tử. Chọn mạch (Board) Adruino đang sử dụng để kết nối .7 Chọn cống giao tiếp (Port) cho Adruino. Xung của cảm biến đọc được hiển thị trong Adruino. Giao diện khởi tạo, thiết kế giao diện trong GUI.

Hộp thoại Inspector. Giao diện Matlab GUI giao tiếp với mô hình. Gọi hàm Callback. Cách đổ chương trình code Adruino.

Vị trí nút “SET” trên cảm biến. Thông số hiện thị khi chưa đổ dầu. Thông số hiện thị khi mức dầu là tối đa. Các lệnh AT được thực hiện trên cổng giao tiếp Serial.

Dùng lệnh AT điều khiển module gọi điện thoại. Kết quả hiển thị lên trang web thử nghiệm. Lệnh AT gửi dữ liệu lên mạng thành công. Kết quả hiện thị trên trang web thử nghiệm.

49 viii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2. Thông số kỹ thuật của thiết bị Capacitive level meter và Dinel CLM –40. Thông số kỹ thuật của mạch điều khiển Adruino Uno R3 ATmega328P. Giải thích code Adruino IDE để lấy tín hiệu từ cảm biến.

Giải thích code cho nút Calculate trong giao diện giao tiếp Matlab GUI. Giải thích code cho nút Clear trong giao diện giao tiếp Matlab GUI. Giải thích code Adruino IDE để kết nối với mudule GPRS/GSM. Một số lệnh AT cơ bản.

Cái lệnh AT và giải thích các bước để thiết lập và gửi dữ liệu lên trang web. Thực nghiệm mức dầu lần 3. Thực nghiệm đo độ phân giải của cảm biến lần 3. Bảng các bước thử nghiệm đưa dữ liệu lên trang web.

47 ix CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Lý do chọn đề tài Xăng, dầu là hàng hóa đóng vai trò quan trọng trong đời sống xã hội và được sử dụng rộng rải trên các phương tiên cơ giới.