Đồ án: tốt nghiệp thiết kế trạm xăng thông minh dùng arduino

Đồ án nghiên cứu tốt nghiệp thiết kế trạm xăng thông minh dùng arduino, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán .

• Tác giả: Phạm Hoàng Vũ
• Người hướng dẫn: Thạc Sĩ Nguyễn Đình Phú
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử - Truyền Thông
• Đề tài: Thiết Kế Trạm Xăng Thông Minh Dùng Arduino
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Đồ án Thiết kế Trạm Xăng Thông Minh

Đồ án tốt nghiệp thiết kế trạm xăng thông minh là một dự án được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, khoa Điện - Điện tử, bộ môn Điện tử Công nghiệp. Dự án này nhằm mục đích tạo ra một hệ thống trạm xăng hiện đại sử dụng công nghệ Arduino, kết hợp các cảm biến thông minh và công nghệ RFID. Đề tài được hướng dẫn bởi ThS. Nguyễn Đình Phú và hoàn thành vào tháng 7 năm 2016. Hệ thống này giải quyết các vấn đề trong quy trình bán hàng bơm xăng dầu truyền thống, nâng cao hiệu suất hoạt động và an toàn cho người dùng. Đây là một ứng dụng thực tiễn của công nghệ điện tử truyền thông vào ngành công nghiệp năng lượng.

1.1. Mục tiêu và Ý nghĩa của Đề tài

Mục tiêu chính của đồ án thiết kế trạm xăng thông minh là xây dựng một giải pháp tự động hóa cho các trạm xăng dầu hiện đại. Hệ thống được thiết kế nhằm tối ưu hóa quy trình bán hàng, cải thiện trải nghiệm khách hàng và tăng cường an toàn. Ý nghĩa của dự án nằm ở việc ứng dụng công nghệ Arduino và cảm biến thông minh vào thực tế, giúp giáo dục kỹ thuật điện tử có gắn liền với ứng dụng công nghiệp.

1.2. Phương pháp Tiếp cận và Công nghệ Sử dụng

Phương pháp thiết kế của dự án áp dụng quy trình từ lý thuyết đến thực hành, bao gồm nghiên cứu cấu tạo trạm xăng, tính toán thiết kế mạch điện và lập trình vi điều khiển. Công nghệ chính bao gồm Arduino Uno/Mega, cảm biến DHT11, cảm biến khí gas MQ2, công nghệ RFID RC522, module Ethernet, và màn hình LCD/GLCD để hiển thị dữ liệu. Hệ thống sử dụng chuẩn truyền UART, SPI, I2C và giao thức TCP/IP để kết nối và truyền tải thông tin.

II. Cấu tạo và Nguyên lý Hoạt động Hệ thống

Hệ thống trạm xăng thông minh được thiết kế với các thành phần cơ bản bao gồm thiết bị đầu vào, đầu ra, bộ điều khiển trung tâm và thiết bị lưu trữ. Nguyên lý hoạt động của hệ thống dựa trên việc nhận dữ liệu từ các cảm biến, xử lý qua vi điều khiển Arduino, sau đó điều khiển các thiết bị đầu ra như màn hình hiển thị và hệ thống bơm. Hệ thống có khả năng theo dõi nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ khí gas trong môi trường trạm xăng, đồng thời quản lý giao dịch thông qua công nghệ RFID cho phép truy cập và thanh toán tự động. Quy trình làm việc được tối ưu hóa để giảm thời gian bán hàng và tăng độ chính xác.

2.1. Cấu tạo của Trạm Xăng Thông Minh

Cấu tạo hệ thống bao gồm ba khối chính: khối đầu vào với cảm biến DHT11, MQ2, RFID RC522; khối xử lý với Arduino Uno/Mega và module Ethernet; khối đầu ra với màn hình LCD 16x2, GLCD 128x64 và đèn LED 7 đoạn. Hệ thống sử dụng IC mở rộng port PCF8574 và 74HC595 để quản lý nhiều thiết bị. Thiết bị lưu trữ bao gồm thẻ nhớ SD và IC thời gian thực DS1307 để ghi chép dữ liệu giao dịch và thời gian.

2.2. Nguyên lý Hoạt động Chi tiết

Quy trình hoạt động bắt đầu khi khách hàng sử dụng thẻ RFID để xác thực danh tính. Cảm biến DHT11 liên tục theo dõi nhiệt độ và độ ẩm, còn cảm biến MQ2 phát hiện nồng độ khí gas. Vi điều khiển Arduino xử lý dữ liệu từ các cảm biến, kiểm tra an toàn trước khi cho phép bơm. Giao thức TCP/IP cho phép truyền dữ liệu qua Ethernet để báo cáo tới máy chủ. Màn hình LCD/GLCD hiển thị thông tin lượng xăng, giá tiền và tình trạng giao dịch.

III. Thiết kế Phần Cứng và Lập trình Hệ thống

Thiết kế phần cứng của trạm xăng thông minh bao gồm sơ đồ nguyên lý toàn mạch, tính toán các thông số điện và chọn lựa các linh kiện phù hợp. Sơ đồ khối hệ thống được thiết kế để đảm bảo tính module và khả năng mở rộng. Thi công hệ thống bao gồm lắp ráp khối hiển thị LED 7 đoạn, kết nối các cảm biến, và đóng gói bộ điều khiển. Phần mềm lập trình được viết cho vi điều khiển Arduino bằng ngôn ngữ C/C++, xử lý các sự kiện từ cảm biến, quản lý giao dịch và truyền dữ liệu. Phần mềm máy tính được phát triển để giám sát và quản lý các trạm xăng thông minh từ xa.

3.1. Tính toán và Thiết kế Mạch Điện

Quá trình tính toán xác định các thông số như điện áp, dòng điện và công suất cho mỗi thành phần. Cảm biến DHT11 cần nguồn 3.3V-5.5V với dòng điện 2.5mA. Cảm biến MQ2 được kết nối qua module chuyển đổi ADC để đọc giá trị tương tự. Sơ đồ nguyên lý bao gồm các mạch tách biệt cho cảm biến, bộ vi điều khiển và thiết bị đầu ra. IC MAX232 được sử dụng để chuyển đổi chuẩn TTL sang RS232 cho giao tiếp serial.

3.2. Lập trình Vi điều khiển và Máy tính

Chương trình vi điều khiển Arduino sử dụng thư viện DHT11, MQ2 để đọc dữ liệu cảm biến. Giao thức SPI được dùng để giao tiếp với module RFID RC522 và thẻ SD. Chuẩn I2C kết nối IC PCF8574 để mở rộng port. Chương trình máy tính được viết bằng ngôn ngữ lập trình như Python hoặc Java, thiết lập kết nối TCP/IP với module Ethernet để nhận dữ liệu thời gian thực.

IV. Kết quả Đánh giá và Hướng Phát triển

Kết quả của đồ án tốt nghiệp cho thấy hệ thống trạm xăng thông minh hoạt động ổn định với độ chính xác cao. Thử nghiệm lý thuyết chứng minh rằng tất cả các thành phần phối hợp hoạt động đúng theo thiết kế. Kết quả thi công cho thấy hệ thống có thể điều khiển quá trình bơm xăng, theo dõi nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ khí gas và quản lý giao dịch hiệu quả. Đánh giá chung cho rằng dự án đã đạt được mục tiêu ban đầu, tạo ra một giải pháp tự động hóa trạm xăng có tính thực tiễn cao. Hướng phát triển bao gồm tích hợp thanh toán điện tử, ứng dụng mobile để kiểm soát từ xa, và nâng cao khả năng an toàn với hệ thống báo động tự động.

4.1. Kết quả Đạt được

Dự án đạt được hệ thống hoàn chỉnh với tất cả các chức năng cơ bản: xác thực khách hàng qua RFID, giám sát môi trường bằng cảm biến, kiểm soát quá trình bơm, hiển thị thông tin trên LCD/GLCD. Hệ thống có khả năng ghi chép dữ liệu giao dịch vào thẻ nhớ SD, truyền dữ liệu qua mạng Ethernet. Chất lượng thi công tốt với các linh kiện lắp ráp chặt chẽ, đảm bảo độ tin cậy trong hoạt động.

4.2. Hướng Phát triển Tiếp theo

Phát triển trong tương lai có thể bao gồm tích hợp hệ thống thanh toán qua thẻ tín dụng, ví điện tử. Ứng dụng Android/iOS cho phép khách hàng đặt trước, theo dõi giá xăng và quản lý tài khoản. Hệ thống quản lý bán hàng tập trung giúp chuỗi trạm xăng kiểm soát tồn kho. Nâng cao an toàn bằng hệ thống báo động tự động khi phát hiện rò rỉ hoặc quá tải.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. TỔNG QUAN  Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 4 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ ĐỘNG CỦA MỘT TRẠM XĂNG 2.1 Cấu tạo của một trạm xăng Các bộ phận chính của một trạm xăng gồm có: bồn chứa xăng, động cơ bơm xăng từ bồn lên, bộ phận đo lường chứa đĩa xung dùng để do lượng xăng chảy trong ống dây, bộ phận cò, CPU dùng để tính toán dữ liệu và hiển thị các thông số và bộ nguồn cấp điện cho toàn hệ thống.1: Cấu tạo cơ bản của một trạm xăng thực tế 2.2 Nguyên lý hoạt động của trạm xăng ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 5 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Máy bơm bơm xăng từ bồn lên, máy bơm hoạt động liên tục để duy trì một áp lực trong đường ống khi ta bóp cò thì xăng chảy ra ngoài với một lưu lượng nhất định, xăng chảy trong ống sẽ làm quay bộ đĩa xung, thiết bị đọc xung sẽ truyền số xung về CPU, từ đó CPU sẽ tính toán được số lít xăng chảy ra sẽ tương ứng với số xung nhất định, số lít xăng, tiền sẽ được CPU cho hiển thị lên màn hình led thông báo cho người đổ xăng biết mình đã đổ được bao nhiêu lít, bao nhiêu tiền. Khi ta ngừng bóp cò thì xăng ngưng chảy, dĩa xung ngừng quay, số lít, số tiền trên bộ hiển thị cũng ngừng đếm.2 QUY TRÌNH BÁN HÀNG BƠM XĂNG DẦU TRUYỀN THỐNG Bước 1: Lấy vòi bơm ra khỏi vị trí treo trên cột. Bước 2: Đưa chỉ thị cột đo hàng tổng lít, tổng tiền về vị trí “0” trước bơm. Bước 3: Cài đặt hiện tổng tiền hoặc tổng lít theo yêu cầu của khách hàng nếu có.

Tiến hành bơm xăng, dầu. Nếu số tiền trên màn hình đến đúng số tiền khách yêu cầu thì ngừng bơm, nếu đã cài đặt tiền trước đó thì vòi bơm tự ngưng bơm. Bước 4: Dừng bơm và treo vòi bơm lại vị trí ban đầu sau đó tiền hành thanh toán tiền (hoặc thẻ cho khách).3 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 2.1 Thiết bị đầu vào Các thiết bị đầu vào của trạm xăng thông minh bao gồm bàn phím 4x4, cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, đầu đọc thẻ RFID, cảm biến khí gas, encoder.1 Bàn phím 4x4 ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 6 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.2: Bàn phím ma trận 4x4 Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý của bàn phím ma trận 4x4 Nguyên lý hoạt động của bàn phím ma trận: Một bàn phím ma trận cơ bản là một bộ sưu tập của 16 phím được sắp xếp theo các hình thức của một ma trân 4x4.

Bàn phím ma trận thường có các phím đại diện cho các số từ 0 – 9 và ký tự từ A đến D. Sơ đồ đơn giản của bàn phím ma trận được thể hiện trong hình trên. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 7 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Bàn phím ma trận có 8 đường tín hiệu được chia làm 4 hàng và 4 cột.

Để xác định phím được nhấn thì dùng phương pháp quét cột hoặc quét hàng. Trong phương pháp này một hàng cụ thể được giữ mức thấp, các hàng khác giữ mức cao, các cột sẽ được kiểm tra cao hay thấp. Nếu 1 cột được tìm thấy là thấp tức là có sự kết nối giữa cột đó và hàng tương ứng hay một phím kết nối cột đó và hàng tương ứng đang được ép. Ví dụ hàng R1 được giữ mức thấp, các hàng khác mức cao, trong quá trình kiểm tra các cột thì nếu cột C1 được tìm thấy là thấp thì có nghĩa là phím 1 được nhấn.

Tương tự cho các trường hợp còn lại.2 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 a. Thông số kỹ thuật:  Điện áp hoạt động: 3.  Đo tốt độ ẩm ở 20% - 80%, sai số độ ẩm 5%.  Đo tốt ở nhiệt độ 0 – 50℃, sai số nhiệt độ 2%.

 Sơ đồ và chức năng chân của DHT11.4: Sơ đồ chân của DHT11 b. Chức năng các chân:  Chân 1: là chân nguồn nối với 5V.  Chân 2: là chân data dữ liệu vào ra. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 8 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT  Chân 3: NC.  Chân 4: là chân GND nối mass (0V).  Nguyên lý hoạt động của DHT11.5: Sơ đồ kết nối DHT11 với MCU c. Nguyên lý giao tiếp với DHT11 với MCU Để giao tiếp với DHT11 theo chuẩn 1 chân, MCU cần thực hiện theo 2 bước: gửi tín hiệu muốn đo (Start) với DHT11, sau đó xác nhận lại, khi đã giao tiếp được với DHT11, cảm biến sẽ gửi lại 5 byte dữ liệu đo được Bước 1: Gửi tín hiệu Start.6: Giản đồ thời gian của tín hiệu Start thừ MCU đến DHT11 MCU thiết lập chân DATA là output kéo chân DATA xuống 0 trong khoảng thời gian >=18 ms.

Khi đó DHT11 sẽ hiểu là MCU muốn đo nhiệt độ, độ ẩm. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 9 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT MCU đưa chân DATA lên 1 sau đó thiết lập lại là chân đầu vào. Sau khoảng thời gian 20 – 40us DHT11 sẽ kéo chân DATA xuống thấp.

Nếu >40us mà chân DATA chưa được kéo xuống thấp nghĩa là chưa giao tiếp được với DHT11. Chân DATA sẽ ở mức thấp 80us sau đó được DHT11 kéo lên múc cao trong 80 us. Bằng việc giám sát chân DATA, MCU có thể biết được có giao tiếp được với DHT11 hay không. Nếu tín hiệu đo được lên cao khi đó hoàn thiện quá trình giao tiếp của MCU với DHT11.

Bước 2: Đọc giá trị trên DHT11 DHT11 sẽ trả giá trị nhiệt độ và độ ẩm về dưới dạng 5 byte trong đó:  Byte 1 giá trị phần nguyên của độ ẩm.  Byte 2 giá trị phần thập phân của độ ẩm.  Byte 3 giá trị phần nguyên của nhiệt độ.  Byte 4 giá trị phần thập phân của nhiệt độ.

 Byte 5 kiểm trả tổng. Nếu Byte 5=Byte1+Byte2+Byte3+Byte4 thì giá trị nhiệt độ và độ ẩm là chính xác còn nếu không thì kết quả đo bị sai. Đọc dữ liệu: sau khi giao tiếp được với DHT11, DHT11 sẽ gửi liên tiếp 40 bit 0 hoặc 1 về MCU tương ứng với 5 byte giá trị nhiệt độ, độ ẩm. Bit 0 ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 10 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.7: Chuỗi dữ liệu được định nghĩa là bit 0 Bit 1 Hình 2.8: Chuỗi dữ liệu được định nghĩa là bit 1 Sau khi tín hiệu được đưa về 0 ta đợi chân DATA của MCU được DHT11 kéo lên 1. Nếu chân 1 DATA trong khoảng 26-28 us thì là 0 còn nếu tồn tại trong khoảng 70 us thì là 1. Do đó trong lập trình ta bắt sườn lên của DATA sau đó delay 50 us. Nếu giá trị đo được là 0 thì đọc được bit 0 nếu giá trị đo được là 1 thì đọc được bit 1cứ thế ta đọc các bit tiếp theo.3 Cảm biến khí gas MQ2 ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 11 CHƯƠNG 2.

Giới thiệu MQ2 là cảm biến khí, dùng để phát hiện các khí có thể gây cháy. Nó được cấu tạo từ chất bán dẫn SnO2. Chất này có độ nhạy cảm thấy với không khí sạch. Nhưng khi trong môi trường có chất gây cháy, độ dẫn của nó thay đổi ngay.

Chính nhờ đặc điểm này mà người ta thêm vào mạch đơn giản để biến đổi từ độ nhạy này sang điện áp. Khi môi trường sạch điện áp đầu ra của cảm biến thấp, giá trị điện áp đầu ra càng tăng khi nồng độ khí gây cháy xung quanh MQ2 càng cao. MQ2 hoạt động rất tốt trong môi trường khí hóa lỏng LPG, H2, và các chất khí gây cháy khác. Nó được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng do mạch đơn giản và chi phí thấp.9: Sơ đồ nguyên lý và chân của MQ2 Trong đó:  Chân 1, 3 là A.

ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 12 CHƯƠNG 2. Sơ đồ mạch điện kết nối với MQ2 Hình 2.10: Sơ đồ mạch điện kết nối MQ2 Trong mạch có 2 chân đầu ra Aout và Dout. Trong đó:  Aout: điện áp ra tương tự.5V, phụ thuộc vào khí xung quanh MQ2.  Dout: điện áp ra số, giá trị 0,1 phụ thuộc vào điện áp tham chiếu và nồng độ khí mà MQ2 đo được.

Việc ra chân Dout rất tiện cho ta mắc các mạch có ứng dụng đơn giản, không cần đến vi điều khiển. Khi đó ta chỉ cần chỉnh giá trị biến trở tới giá trị nồng độ ta muốn cảnh báo. Khi nồng độ thấp hơn ngưỡng cảnh báo thì Dout = 1, cao hơn thì Dout = 0. Ta có thể ghép nối vào mạch relay để điều khiển bật tắt đèn, còi, hoặc thiết bị cảnh báo khác.

Một điều khó khan khi làm việc mới MQ2 là chúng ta khó có thể quy từ điện áp Aout về giá trị nồng độ ppm, rồi từ đó hiển thị và cảnh báo theo ppm. Do điện áp trả về từng loại khí khác nhau, lại bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, độ ẩm nữa. Để xác định ngưỡng cảnh báo ta làm khá thủ công, tức là ta cho khí gas rò rỉ, ta ghi lại giá trị Aout và lấy đó làm ngưỡng cảnh báo. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 13 CHƯƠNG 2.4 Công nghệ RFID a.

Tổng quan về công nghệ RFID RFID (Radio Frequency Identification) là kỹ thuật nhận dạng song vô tuyến từ xa, cho phép dữ liệu trên một con chip được đọc một cách “ không tiếp xúc” qua đường dẫn sóng vô tuyến ở khoảng cách gần hoặc xa, tùy theo kiểu của nhãn thẻ RFID. Hệ thống RFID phổ biến gồm 2 thành phần: thứ nhất là những chiếc nhãn thẻ nhỏ (cỡ vài cm) có gắn chip silicon cùng ăng ten radio và thành phần thứ hai là bộ đọc cho phép giao tiếp với nhãn thẻ và dữ liệu tới hệ thống máy tính trung tâm. Bộ nhớ con chip có thể lên đến 2KB dữ liệu, gấp nhiều lần so với mã vạch. Ưu việt hơn, thông tin lưu trữ trên con chip có thể sửa đổi bởi sự tương tác của bộ đọc.

Dung lượng lưu trữ cao của những nhãn thẻ RFID sẽ cho phép chúng ta cung cấp nhiều thông tin đa dạng như thời gian lưu trữ, ngày bày bán, giá, … Bộ đọc phát ra sóng điện từ, thẻ chứa đựng một hệ thống tiếp sóng với một chip nhớ kĩ thuật số lưu giữ một mã sản phẩm điện tử duy nhất và anten của thẻ được đóng gói với một thiết bị truyền tiếp, và thiết bị giải mã phát ra một tín hiệu kích hoạt thẻ RFID. Vì vậy nó có thể đọc và viết dữ liệu lên nó.