Tính Toán Tiền Xăng Dầu Dùng Vi Điều Khiển

• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật
• Chuyên ngành: Công Nghệ Thông Tin
• Đề tài: Tính Toán Tiền Xăng Dầu Dùng Vi Điều Khiển
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI NÓI ĐẦU
• LỜI CẢM TẠ
• 1. CHƯƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Tầm quan trọng của đề tài
• 1.3. Giới hạn đề tài
• 1.4. Mục đích nghiên cứu
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Phương tiện nghiên cứu
• 1.7. Kế hoạch nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU MỘT SỐ LINH KIỆN
• 2.1. Giới thiệu họ vi điều khiển
• 2.1.1. Lịch sử phát triển của các bộ vi điều khiển
• 2.1.2. Khảo sát vi điều khiển 8031/8051
• 2.1.3. Cấu trúc bên trong 8031/8051
• 2.1.4. Chức năng các chân vi điều khiển
• 2.1.5. Tổ chức bộ nhớ
• 2.1.6. Các thanh ghi chức năng đặc biệt
• 2.1.7. Bộ nhớ ngoài
• 2.1.8. Hoạt động của bộ định thời (Timer)
• 2.1.9. Thanh ghi chế độ timer (TMOD)
• 2.1.10. Thanh ghi điều khiển timer (TCON)
• 2.1.11. Các chế độ timer
• 2.1.12. Nguồn tạo xung nhịp
• 2.1.13. Bắt đầu dừng và điều khiển các timer
• 2.1.14. Khởi động và truy xuất các thanh ghi timer
• 2.1.15. Hoạt động port nối tiếp
• 2.1.16. Thanh ghi điều kiện port nối tiếp
• 2.1.17. Khai báo và huỷ xuất các thanh ghi cổng nối tiếp
• 2.1.18. Tác động bằng port nội tiếp
• 2.1.19. Tổ chức ngắt
• 2.1.20. Ngắt của 8051
• 2.1.21. Tập lệnh của 8031/8051
• 2.1.21.1. Các chế độ đánh địa chỉ
• 2.1.21.2. Các nhóm lệnh của 8031/8051
• 2.2. IC 555
• 2.2.1. Sơ đồ chân
• 2.2.2. Sơ đồ khối bên trong IC 555
• 2.2.3. Một số đặc điểm IC 555
• 2.3. LED HỒNG NGOẠI VÀ PHOTODIODE
• 2.3.1. Khái niệm về tia hồng ngoại
• 2.3.2. Nguồn phát sóng hồng ngoại và phổ của nó
• 2.3.3. Linh kiện thu sóng hồng ngoại
• 2.3.4. Quang điện trở
• 2.3.5. Nguyên lý làm việc
• 2.3.6. Cấu tạo
• 2.3.7. Đặc tuyến
• 3. CHƯƠNG III: THIẾT KẾ
• 3.1. Ý tưởng thiết kế
• 3.2. Phương án thiết kế
• 3.3. Tóm tắt thiết kế
• 3.4. Bàn phím
• 3.5. Bộ tạo xung
• 3.6. Mạch phát hồng ngoại
• 3.7. Mạch thu hồng ngoại
• 3.8. Mạch hiển thị
• 3.9. Mạch điều khiển motor
• 3.10. Giới thiệu họ 78XX
• 3.11. Đặc tính linh kiện
• 4. CHƯƠNG IV: PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN, CHƯƠNG TRÌNH CHÍNH VÀ CÁC LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT
• PHẦN C: KẾT LUẬN HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG
• QUÁ TRÌNH THI CÔNG
• ĐÁNH GIÁ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• PHẦN D: PHỤ LỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Khám Phá Giải Pháp Tính Tiền Xăng Dầu Dùng Vi Điều Khiển

Việc ứng dụng vi điều khiển vào hệ thống đo lường và tính toán tiền xăng dầu là một bước tiến quan trọng, thay thế các cơ cấu cơ khí truyền thống vốn tồn tại nhiều hạn chế về độ chính xác và tính năng. Luận văn “Thiết Kế và Thi Công Mạch Tính Tiền Xăng Dầu Dùng Vi Điều Khiển” của Trần Tấn Thạnh và Nguyễn Ngọc Thái Hòa (2003) đã đặt nền móng cho việc nghiên cứu và triển khai một hệ thống tự động hóa, gọn nhẹ và hiệu quả. Hệ thống này không chỉ giải quyết bài toán đo đếm mà còn tích hợp các chức năng quản lý thông minh như cài đặt giá, bảo mật bằng mật mã và lưu trữ dữ liệu giao dịch. Sự ra đời của các mạch đo xăng điện tử dựa trên nền tảng lập trình nhúng đã mở ra một kỷ nguyên mới, nơi hiệu suất và độ tin cậy được đặt lên hàng đầu, giải phóng con người khỏi các công việc lặp đi lặp lại và đòi hỏi sự chính xác tuyệt đối.

1.1. Tầm quan trọng của việc tự động hóa đo lường nhiên liệu

Tự động hóa trong đo lường nhiên liệu đóng vai trò then chốt trong việc hiện đại hóa các trạm xăng dầu. Các hệ thống cơ khí cũ thường gặp vấn đề sai số do hao mòn bánh răng và các chi tiết cơ học, dẫn đến thất thoát và thiếu minh bạch. Một hệ thống tự động sử dụng vi điều khiển giúp loại bỏ hoàn toàn các yếu tố này. Nó cho phép tính mức tiêu hao nhiên liệu một cách chính xác đến từng đơn vị nhỏ nhất, hiển thị kết quả tức thời và lưu trữ lịch sử giao dịch. Điều này không chỉ nâng cao sự hài lòng của khách hàng mà còn giúp chủ doanh nghiệp quản lý hiệu quả hơn, chống gian lận và tối ưu hóa quy trình vận hành. Hơn nữa, việc tích hợp các chức năng như cài đặt trước số tiền hoặc số lít giúp tăng tốc độ phục vụ và mang lại trải nghiệm tiện lợi cho người dùng.

1.2. Lịch sử phát triển từ cơ khí đến mạch đo xăng điện tử

Quá trình phát triển của các trạm bơm xăng đã trải qua một chặng đường dài, từ các bơm tay thủ công, đến các cột bơm cơ khí với đồng hồ đo xăng xe máy dạng số lật, và cuối cùng là các mạch đo xăng điện tử hiện đại. Các hệ thống cơ khí, dù đã là một cải tiến lớn, vẫn bộc lộ nhược điểm về độ bền và độ chính xác theo thời gian. Sự ra đời của kỹ thuật số và vi điều khiển đã tạo ra một cuộc cách mạng. Thay vì dùng bánh răng để đếm, các hệ thống điện tử sử dụng cảm biến lưu lượng xăng để tạo ra các xung điện. Mỗi xung đại diện cho một lượng nhiên liệu nhất định. Vi điều khiển sẽ đếm các xung này, thực hiện phép tính và hiển thị kết quả lên màn hình điện tử, điển hình là màn hình LCD 16x2 hoặc LED 7 đoạn. Sự chuyển đổi này không chỉ tăng độ chính xác mà còn cho phép tích hợp nhiều tính năng thông minh không thể có trên hệ thống cơ khí.

II. Thách Thức Kỹ Thuật Khi Đo Lường Xăng Dầu Một Cách Chính Xác

Việc thiết kế một hệ thống đo lường xăng dầu chính xác đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật, từ việc lựa chọn cảm biến phù hợp đến việc xử lý tín hiệu và chống nhiễu. Đối với các hệ thống cơ khí, thách thức lớn nhất là sự mài mòn vật lý và sai số tích lũy. Đối với hệ thống điện tử, vấn đề nằm ở độ nhạy của cảm biến, sự ổn định của mạch điện và khả năng bảo mật của phần mềm. Theo tài liệu gốc, một trong những yêu cầu cốt lõi là hệ thống phải đảm bảo "độ chính xác cao, ít tiêu hao năng lượng, gọn nhẹ, dễ sử dụng". Đồng thời, việc bảo mật đơn giá và dữ liệu tổng bán hàng là cực kỳ quan trọng để ngăn chặn các hành vi gian lận. Giải quyết triệt để các thách thức này đòi hỏi một sự kết hợp hài hòa giữa thiết kế phần cứng bền bỉ và phần mềm điều khiển thông minh, linh hoạt.

2.1. Hạn chế của các phương pháp đo lường cơ khí truyền thống

Phương pháp đo lường cơ khí dựa trên nguyên tắc truyền động trục vít và bánh răng. Mặc dù đơn giản về mặt khái niệm, chúng lại rất phức tạp trong chế tạo và bảo trì. Hạn chế lớn nhất là độ chính xác giảm dần theo thời gian do sự mài mòn của các bộ phận chuyển động. Sự sai số này có thể dẫn đến thiệt hại kinh tế đáng kể cho cả người bán và người mua. Thêm vào đó, hệ thống cơ khí thiếu tính linh hoạt. Việc thay đổi đơn giá là một quy trình thủ công phức tạp. Chúng cũng không có khả năng lưu trữ dữ liệu, thống kê tổng số lít hay tổng số tiền đã bán, gây khó khăn cho công tác quản lý và đối soát. Cuối cùng, kích thước cồng kềnh và khối lượng nặng cũng là một điểm trừ lớn của các thiết bị này.

2.2. Yêu cầu về độ chính xác và bảo mật trong kinh doanh xăng dầu

Trong môi trường kinh doanh xăng dầu, độ chính xác và bảo mật là hai yếu tố sống còn. Một thiết bị giám sát hành trình DIY hay một cột bơm xăng chuyên nghiệp đều phải đáp ứng các tiêu chuẩn nghiêm ngặt. Độ chính xác không chỉ liên quan đến việc đo đúng lượng nhiên liệu mà còn là việc tính đúng số tiền tương ứng. Sai số dù chỉ 1% cũng có thể gây ra tổn thất lớn khi xét trên quy mô hàng ngàn lít mỗi ngày. Về mặt bảo mật, hệ thống phải có cơ chế chống truy cập trái phép để thay đổi đơn giá hoặc xóa dữ liệu giao dịch. Luận văn gốc đã đề xuất giải pháp sử dụng mật mã để truy cập các chức năng quan trọng này, một yêu cầu cơ bản mà bất kỳ hệ thống quản lý bán hàng hiện đại nào cũng cần phải có để đảm bảo tính minh bạch và an toàn.

III. Hướng Dẫn Thiết Kế Phần Cứng Mạch Đo Xăng Dầu Điện Tử DIY

Phần cứng là nền tảng vật lý của toàn bộ hệ thống, quyết định đến sự ổn định và độ bền của thiết bị. Việc thiết kế phần cứng cho một mạch đo xăng điện tử bao gồm nhiều khối chức năng liên kết chặt chẽ với nhau. Khối trung tâm là vi điều khiển, đóng vai trò bộ não xử lý. Khối đầu vào bao gồm bàn phím ma trận để người dùng tương tác và bộ phận cảm biến để chuyển đổi lưu lượng xăng thành tín hiệu điện. Khối đầu ra là hệ thống LED 7 đoạn hoặc màn hình LCD 16x2 để hiển thị thông tin lên LCD. Ngoài ra, không thể thiếu khối nguồn cung cấp điện áp ổn định và khối điều khiển động cơ bơm. Tài liệu nghiên cứu đã trình bày chi tiết sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động, trong đó mỗi khối đều được lựa chọn linh kiện và thiết kế cẩn thận để đảm bảo hệ thống hoạt động đồng bộ và chính xác.

3.1. Lựa chọn vi điều khiển AT89S51 và các linh kiện phụ trợ

Trung tâm của hệ thống là vi điều khiển AT89S51 (thuộc họ 8051), một lựa chọn phổ biến vào thời điểm nghiên cứu nhờ tính ổn định, chi phí thấp và cộng đồng hỗ trợ lớn. Nó có đủ các cổng I/O để giao tiếp với bàn phím, màn hình hiển thị và cảm biến. Các linh kiện phụ trợ quan trọng bao gồm IC giải mã BCD sang 7 đoạn (7447) để điều khiển LED, IC chốt (74573) để lưu trạng thái hiển thị, và IC giải mã 4 sang 16 (74154) để thực hiện kỹ thuật quét LED, giúp tiết kiệm chân cho vi điều khiển. Ngày nay, các dự án IoT tương tự có thể sử dụng các nền tảng mạnh mẽ hơn như Arduino đo mức tiêu thụ nhiên liệu hoặc ESP32 giám sát xăng dầu, vốn tích hợp sẵn nhiều ngoại vi và có khả năng kết nối không dây, giúp đơn giản hóa thiết kế phần cứng.

3.2. Xây dựng bộ cảm biến lưu lượng xăng và mạch tạo xung

Bộ phận cảm biến là trái tim của việc đo lường. Trong thực tế, người ta thường dùng cảm biến lưu lượng xăng chuyên dụng (ví dụ YF-S201) hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall. Tuy nhiên, luận văn đã đề xuất một giải pháp sáng tạo và tiết kiệm chi phí: sử dụng một đĩa tròn có đục lỗ gắn vào trục quay của dòng chảy. Một cặp LED hồng ngoại và photodiode được đặt hai bên đĩa. Khi đĩa quay, các lỗ sẽ cho tia hồng ngoại đi qua, tạo ra các xung tín hiệu ở photodiode. Các xung này sau đó được đưa qua một IC 555 để chuẩn hóa thành xung vuông sạch, sẵn sàng cho bộ đếm của vi điều khiển. Phương pháp này mô phỏng chính xác nguyên lý hoạt động của các cảm biến Hall, biến chuyển động cơ học thành tín hiệu số một cách hiệu quả.

IV. Phương Pháp Lập Trình Vi Điều Khiển Tính Toán Mức Tiêu Thụ

Phần mềm điều khiển là linh hồn của hệ thống, biến các linh kiện phần cứng thành một thiết bị thông minh và hoạt động theo đúng mục đích. Việc lập trình nhúng cho vi điều khiển đòi hỏi phải xây dựng một logic chặt chẽ, từ việc khởi tạo hệ thống, quét bàn phím, xử lý ngắt, cho đến việc thực hiện các thuật toán tính toán phức tạp. Chương trình phải có khả năng quản lý nhiều chế độ hoạt động khác nhau như bơm tự do, bơm theo số tiền hoặc số lít cài đặt trước. Luận văn đã trình bày chi tiết các lưu đồ giải thuật cho từng chức năng, minh họa rõ ràng luồng xử lý dữ liệu từ khi nhận tín hiệu xung từ cảm biến cho đến khi hiển thị kết quả cuối cùng lên màn hình. Đây là một ví dụ điển hình về việc áp dụng kỹ thuật lập trình C/C++ cho vi điều khiển để giải quyết một bài toán thực tế.

4.1. Lưu đồ giải thuật và cấu trúc chương trình điều khiển chính

Chương trình chính được cấu trúc theo một vòng lặp vô tận, bắt đầu bằng việc khởi tạo các biến, thiết lập chế độ cho bộ định thời (timer) và cho phép các ngắt cần thiết. Sau đó, chương trình sẽ liên tục quét bàn phím để chờ lệnh từ người dùng. Dựa trên phím được nhấn (A, B, C, E), chương trình sẽ rẽ nhánh đến các chương trình con tương ứng: đếm bình thường, cài đặt tiền, cài đặt lít, hoặc hiển thị tổng. Luồng điều khiển được thiết kế rõ ràng, đảm bảo hệ thống luôn ở trạng thái sẵn sàng và phản hồi nhanh chóng với các thao tác của người sử dụng. Việc sử dụng ngắt ngoài (external interrupt) cho các chức năng như nút xóa (reset) giúp hệ thống có thể xử lý các sự kiện ưu tiên cao mà không làm gián đoạn luồng chính.

4.2. Thuật toán xử lý xung tính toán số lít và thành tiền

Thuật toán tính toán là lõi xử lý của phần mềm. Vi điều khiển sử dụng một trong các bộ định thời (Timer) của nó ở chế độ đếm (Counter mode) để nhận xung từ mạch đo vận tốc và quãng đường (trong trường hợp này là cảm biến lưu lượng). Mỗi khi nhận một xung, bộ đếm sẽ tự động tăng giá trị. Phần mềm sẽ định kỳ đọc giá trị của bộ đếm này, sau đó thực hiện phép chia cho một hằng số (số xung trên mỗi lít) để tính ra số lít đã bơm. Tiếp theo, chương trình thực hiện phép nhân giữa số lít vừa tính được với đơn giá đã lưu để ra tổng số tiền. Các kết quả này sau đó được chuyển đổi sang định dạng BCD (Binary-Coded Decimal) để dễ dàng hiển thị thông tin lên LCD hoặc LED 7 đoạn.

V. Đánh Giá Hiệu Năng Và Các Ứng Dụng Thực Tiễn Mở Rộng

Kết quả thực nghiệm từ luận văn cho thấy mạch hoạt động ổn định và đáp ứng đầy đủ các yêu cầu thiết kế ban đầu. Hệ thống có khả năng nhập và thay đổi đơn giá với mật mã, bơm theo các chế độ cài đặt và tự động dừng, cũng như xem và xóa tổng số liệu bán hàng. Đây là một minh chứng rõ ràng cho tính khả thi của việc sử dụng vi điều khiển 8051 cho các ứng dụng đo lường và điều khiển công nghiệp nhỏ. Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ, các nguyên lý từ dự án này có thể được nâng cấp và mở rộng thành các dự án IoT phức tạp hơn, mang lại nhiều giá trị thực tiễn hơn cho cả người dùng cá nhân và doanh nghiệp.

5.1. Kết quả thi công và kiểm thử mạch trong môi trường thực tế

Mạch sau khi thi công đã được kiểm thử và cho kết quả rất khả quan. Chức năng đếm xung hoạt động chính xác, việc nhập liệu từ bàn phím được xử lý tốt với cơ chế chống dội phím. Các chế độ cài đặt trước số tiền và số lít đều tự động dừng đúng tại giá trị mong muốn. Chức năng bảo mật bằng mật mã cũng hoạt động hiệu quả, ngăn chặn việc thay đổi thông tin nhạy cảm. Quá trình hiển thị bằng phương pháp quét LED tỏ ra mượt mà và rõ nét. Mặc dù chỉ là một mô hình thử nghiệm với bộ tạo xung giả lập, nhưng kết quả đã khẳng định tính đúng đắn của cả thiết kế phần cứng và giải thuật phần mềm.

5.2. Mở rộng dự án IoT Giám sát xăng dầu từ xa với ESP32

Nền tảng của dự án này là một khởi đầu tuyệt vời cho các ứng dụng IoT hiện đại. Bằng cách thay thế vi điều khiển 8051 bằng một board mạch mạnh mẽ hơn như ESP32 giám sát xăng dầu, hệ thống có thể được bổ sung khả năng kết nối Wi-Fi. Điều này cho phép gửi dữ liệu về lượng xăng tiêu thụ, tổng doanh thu, và trạng thái của cột bơm lên một máy chủ đám mây. Người quản lý có thể theo dõi hoạt động của toàn bộ chuỗi cửa hàng xăng dầu từ xa thông qua một ứng dụng web hoặc di động. Thậm chí, có thể tích hợp các tính năng như cập nhật đơn giá từ xa, khóa cột bơm khi có sự cố, và phân tích dữ liệu tiêu thụ để đưa ra các chiến lược kinh doanh.

5.3. So sánh và khả năng tích hợp với công nghệ kết nối OBD II

Đối với ứng dụng trên xe ô tô, một hướng phát triển thú vị là tích hợp hệ thống với cổng kết nối OBD-II (On-Board Diagnostics II). Trong khi hệ thống DIY này đo lường trực tiếp dòng chảy nhiên liệu, cổng OBD-II cung cấp quyền truy cập vào dữ liệu từ ECU (Engine Control Unit) của xe, bao gồm cả thông tin về mức tiêu thụ nhiên liệu. Việc kết hợp dữ liệu từ cảm biến lưu lượng xăng gắn ngoài với dữ liệu từ OBD-II có thể giúp hiệu chỉnh và tăng cường độ chính xác. Một thiết bị giám sát hành trình DIY có thể sử dụng cả hai nguồn dữ liệu này để cung cấp một bức tranh toàn diện về hiệu suất động cơ và thói quen lái xe, giúp người dùng tối ưu hóa việc sử dụng nhiên liệu.

VI. Kết Luận Và Hướng Phát Triển Cho Thiết Bị Đo Nhiên Liệu

Dự án "Thiết Kế và Thi Công Mạch Tính Tiền Xăng Dầu Dùng Vi Điều Khiển" đã thành công trong việc xây dựng một hệ thống đo lường tự động, chính xác và đa chức năng dựa trên vi điều khiển 8051. Nó không chỉ giải quyết được những nhược điểm cố hữu của hệ thống cơ khí mà còn đặt nền tảng cho nhiều ứng dụng tiên tiến sau này. Nghiên cứu đã chứng minh rằng, ngay cả với những linh kiện cơ bản, việc áp dụng đúng đắn các nguyên lý về điện tử và lập trình có thể tạo ra những sản phẩm có giá trị thực tiễn cao. Hướng phát triển trong tương lai là vô cùng rộng mở, tập trung vào việc thu nhỏ thiết bị, tăng cường khả năng kết nối và ứng dụng trí tuệ nhân tạo để phân tích dữ liệu.

6.1. Tổng kết những ưu điểm vượt trội của hệ thống vi điều khiển

So với phương pháp cơ khí, hệ thống dựa trên vi điều khiển mang lại nhiều ưu điểm vượt trội. Thứ nhất, độ chính xác cao và ổn định theo thời gian do không có sự hao mòn cơ học. Thứ hai, tính linh hoạt cao, cho phép dễ dàng thay đổi các tham số vận hành như đơn giá chỉ bằng vài thao tác trên bàn phím. Thứ ba, khả năng tích hợp các tính năng thông minh như bảo mật, lưu trữ và thống kê dữ liệu. Thứ tư, thiết bị có kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lượng hơn. Cuối cùng, chi phí sản xuất hàng loạt có thể thấp hơn do sử dụng các linh kiện điện tử tiêu chuẩn. Tất cả những yếu tố này làm cho giải pháp dùng vi điều khiển trở thành lựa chọn tối ưu cho các hệ thống đo lường hiện đại.

6.2. Hướng đi tương lai Tích hợp GPS IoT và trí tuệ nhân tạo

Tương lai của các thiết bị đo lường nhiên liệu nằm ở sự hội tụ của IoT, GPS và trí tuệ nhân tạo (AI). Một thiết bị trong tương lai có thể tích hợp module GPS để ghi lại vị trí tiêu thụ nhiên liệu, rất hữu ích cho các công ty vận tải quản lý đội xe. Dữ liệu từ hàng ngàn thiết bị có thể được thu thập và đưa vào một mô hình AI để phân tích các xu hướng tiêu dùng, dự đoán nhu cầu, phát hiện các hoạt động bất thường, và thậm chí đề xuất lịch trình bảo trì tối ưu cho các phương tiện hoặc cột bơm. Việc lập trình nhúng sẽ ngày càng phức tạp hơn, không chỉ xử lý tín hiệu đơn thuần mà còn phải chạy các thuật toán AI thu gọn ngay trên thiết bị (Edge AI) để đưa ra các quyết định tức thời.