Thiết kế hệ thống tay ga điện tử cho xe máy nhằm cải thiện tính kinh tế nhiên liệu (Link Cad ở trang cuối)

Ô tô (phương ngữ Bắc Bộ) hay xe hơi (phương ngữ Nam Bộ) hoặc car (tiếng Anh) là loại phương tiện giao thông chạy bằng 4 bánh có chở theo động cơ của chính nó. Tên gọi ôtô được nhập từ tiếng Pháp (automobile), tên tiếng Pháp xuất phát từ từ auto (tiếng Hy Lạp, nghĩa là tự thân) và từ mobilis (tiếng La Tinh, nghĩa là vận động). Từ automobile ban đầu chỉ những loại xe tự di chuyển được gồm xe không ngựa và xe có động cơ. Còn từ ô tô trong tiếng Việt chỉ dùng để chỉ các loại có 4 bánh. Chữ xe hơi bắt nguồn từ chữ Hoa 汽車, phát âm theo Hán Việt là khí xa. Còn người Nhật gọi xe hơi là 自動車 (Tự động xa) nghĩa là xe tự động. Các kiểu khác nhau của xe hơi gồm các loại xe: xe buýt, xe tải.Có khoảng 1,32 tỷ chiếc xe được sử dụng trên toàn thế giới vào năm 2016.2 Khi lần đầu tiên ra mắt, xe hơi được hoan nghênh như một (phương tiện) cải tiến về môi trường so với ngựa. Trước khi nó ra mắt ở thành phố New York; hơn 10,000 tấn phân hàng ngày được dọn khỏi các đường phố. Tuy nhiên, năm 2006, các xe hơi là một trong những nguồn gây ô nhiễm không khí và tiếng ồn cũng như ảnh hưởng tới sức khoẻ trên khắp thế giới.

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 3

CHƯƠNG I ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 4

I ĐẶT VẤN ĐỀ 4

II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 5

CHƯƠNG II THIẾT KẾ CẢM BIẾN VÀ BỘ THU THẬP DỮ LIỆU 8

I CÁC SỐ LIỆU CẦN THU THẬP 8

II PHƯƠNG ÁN THU THẬP SỐ LIỆU 8

2.1 Lượng tiêu thụ nhiên liệu 8

2.2 Số vòng quay động cơ 11

2.3 Vận tốc 12

2.5 Độ mở bướm ga 14

2.6 Vị trí tay số và tín hiệu phanh 14

III THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ 15

3.1 Mạch điều khiển trung tâm 15

3.1.1 Tổng quan 15

3.1.2 Cấu tạo mạch 16

3.2 Module đọc ghi thẻ nhớ MMC/SD 20

3.2.1 Sơ lược về giao tiếp MMC/SD Card thông qua chuẩn truyền thông SPI 20

a Chuẩn truyền thông SPI 20

b Giao tiếp MMC/SD Card 23

3.2.2 Ghi và đọc dữ liệu thí nghiệm vào MMC/SD Card 25

a Ghi dữ liệu 25

b Đọc dữ liệu 29

3.3 Cảm biến vận tốc 31

3.4 Cảm biến gia tốc 34

3.5 Xác định tốc độ động cơ 37

3.6 Cảm biến vị trí tay ga 39

CHƯƠNG III THÍ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH THÍ NGHIỆM 43

I THIẾT KẾ KỊCH BẢN THÍ NGHIỆM 43

II PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 47

2.1 Đánh giá quan hệ giữa gia tốc và lượng tiêu thụ nhiên liệu 48

2.2 Điều khiển chuyển số thích hợp 50

2.3 Số lần khởi động và thời gian nổ máy không tải 53

CHƯƠNG IV NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ 54

I TÍNH TOÁN HÀM TRUYỀN BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 54

II THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH TAY GA ĐIỆN TỬ 58

2.1 Thiết kế mô hình tay ga điện tử 58

2.2 Xây dựng hàm truyền từ tay ga đến động cơ servo 62

III THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TẮT MÁY XE KHI DỪNG ĐÈN ĐỎ 66

KẾT LUẬN 69

PHỤ LỤC 70

Phụ lục 1: Code chương trình chính 70

Phụ lục 2: Code chương trình đọc dữ liệu từ thẻ nhớ ra máy tính 75

Phụ lục 3: Code chương trình điều khiển động cơ Servo 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời đại ngày nay, phương tiện di chuyển cá nhân đang ngàycàng trở nên phổ biến Ở nước ta, số người sử dụng xe máy làm phương tiện

di chuyển cá nhân nhiều vào loại hàng đầu thế giới Và khi đó tính trạng ônhiễm môi trường do phát thải độc hại cũng trở thành một vấn đề nhức nhối.Trong khi hệ thống luật pháp của Nhà nước về những tiêu chuẩn khí thải đốivới các phương tiện giao thông đang lưu hành, đặc biệt là với xe máy cònchưa phát huy hết hiệu lực, thì một thực trạng vẫn đang tiếp diễn là lượng khíthải độc hại phát tán ra môi trường của các phương tiện giao thông ngày cànggia tăng không ngừng Để có được những giải pháp ngăn chặn tình trạng phátthải độc hại ra môi trường, bên cạnh những biện pháp cải tiến kỹ thuật thìnhững biện pháp về cách thức vận hành xe trong một môi trường giao thôngphức tạp như nước ta cũng là một vấn đề đáng quan tâm Cách thức vận hànhhợp lý sẽ nâng cao tính kinh tế nhiên liệu, cũng đồng nghĩa với việc giảmlượng phát thải độc hại ra môi trường

Hai đề tài chúng em lựa chọn đó là “Nghiên cứu các yếu tố vận hành

ảnh hưởng đến tính kinh tế nhiên liệu của xe máy” và “Thiết kế hệ thống tay ga điện tử cho xe máy nhằm cải thiện tính kinh tế nhiên liệu” Mục tiêu

của hai đề tài là: nghiên cứu các yếu tố vận hành trong môi trường giao thôngnước ta, từ đó thiết kế một hệ thống giúp cải thiện các kỹ năng điều khiển xecủa người tham gia giao thông phù hợp với môi trường giao thông Việt Nam,hướng tới lượng tiêu thụ nhiên liệu tối ưu trong các quá trình vận hành

Chúng em xin chân thành cảm ơn TS Đàm Hoàng Phúc, ThS.

Nguyễn Thanh Tùng cùng toàn thể các Thầy trong Bộ môn Ô tô và Xe

chuyên dụng – Viện Cơ khí động lực – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đãtạo điều kiện và giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài tốt nghiệp này!

Theo một kết quả thí nghiêm tại Thụy Sỹ để so sánh hệ số phát thải của

xe mô tô, gắn máy không lắp thiết bị xử lý khí thải với ô tô con đạt tiêu chuẩnEuro 3 cho thấy: phát thải trung bình trên một quãng đường đi (g/km) của xe

mô tô, xe gắn máy cao hơn ô tô gấp 8 hoặc 18 hoặc 39 lần đối với CO, 23hoặc 74 hoặc 222 lần đối với HC; 1,7 hoặc 4 hoặc 7,8 lần đối với NOx tùytheo điều kiện giao thông là trên đường trong đô thị hoặc đường đồng bằnghoặc đường cao tốc

Theo kết quả nghiên cứu của Tổng cục Môi trường, hệ số phát thải CO,

HC của xe môtô gấp 6,4 lần xe ôtô hạng nhẹ Việt Nam hiện nay là nước cólượng xe mô tô, xe gắn máy đang lưu hành chỉ đứng thứ 3 thế giới sau haiquốc gia đông dân nhất là Trung Quốc và Ấn Độ Phần lớn các xe đang lưuthông đều sử dụng hệ thống chế hòa khí không có điều khiển như các xe sửdụng hệ thống phun xăng điện tử hiện đại FI Bên cạnh đó, môi trường giao

thông ở nước ta hiện nay là một môi trường chưa hoàn thiện và còn tồn tạinhiền vấn đề phức tạp Ngoài việc hệ thống giao thông công chính chưa đượchoàn chỉnh, tình trạng tắc đường ở các thành phố lớn là rất phổ biến, thì yếu

tố người tham gia giao thông cũng là một yếu tố rất khó kiểm soát Một bộphận lớn người tham gia giao thông có kỹ năng điều khiển phương tiện thamgia giao thông còn kém Những yếu tố trên là nguyên nhân trực tiếp dẫn đếnviệc giảm tính kinh tế nhiên liệu và tăng lượng phát thải độc hại ra môitrường, không chỉ riêng với các xe sử dụng hệ thống chế hòa khí truyền thống

mà cả các xe sử dụng hệ thống phun xăng điện tử có điều khiển Vì hệ thốngphun xăng điện tử tuy có ưu điểm là đã cải thiện được tính kinh tế nhiên liệu

và giảm phát thải độc hại, nhưng mới chỉ can thiệp vào kết cấu và cách điềukhiển động cơ Trong khi đó, môi trường giao thông ở Việt Nam như đã đềcập ở trên là rất phức tạp và hệ thống phun xăng điện tử chưa thể đáp ứngđược hết các yêu cầu về tính kinh tế nhiên liệu và phát thải độc hại

Do vậy, yêu cầu cần có một hệ thống có thể đáp ứng được hai yêu cầu:

“tăng tính kinh tế nhiên liệu và giảm phát thải độc hại ra môi trường” trongđiều kiện không can thiệp kết cấu của động cơ của nhà sản xuất, và có thể ápdụng trên cả hai hệ thống chế hòa khí truyền thống và phun xăng điện tử cóđiều khiển

II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Trên thực tế, các yếu tố vận hành xe máy tác động nhiều đến tính kinh

tế nhiên liệu của xe Do vậy, việc thiết kế hệ thống điều khiển xe tự động cóquan tâm đến các yếu tố vận hành là giải pháp làm tăng tính kinh tế nhiên liệucủa xe và đồng thời giải pháp này mang tính thực thi cao vì nó không canthiệp vào kết cấu động cơ của nhà sản xuất Để thực hiện được việc điều

khiển xe tự động thì trước hết phải tìm hiểu được các yếu tố vận hành có ảnhhưởng trực tiếp đến tính kinh tế nhiên liệu Các yếu tố này bao gồm:

+ Chế độ khởi hành: Khởi hành ở các tay số khác nhau từ thấp đến cao

có ảnh hưởng như thế nào đến lượng tiêu thụ nhiên liệu

+ Gia tốc xe: Kỹ năng tăng tốc của người lái tốt hay không tốt

+ Vận tốc của xe: Khi xe vận hành ở các vận tốc khác nhau: nhanh và

ổn định hay chậm và không ổn định, ứng với từng tay số khác nhau thì lượngtiêu hao nhiên liệu ở giá trị vận tốc và tay số nào là tốt

+ Kỹ năng chuyển số: Người vận hành nên chuyển số ở giá trị vận tốc

và số vòng quay động cơ là bao nhiêu thì sẽ nâng cao được tính kinh tế nhiênliệu

+ Thời gian chạy không tải: Khi dừng xe (dừng đèn đỏ) trong trườnghợp nào thì nên tắt máy và trong trường hợp nào thì không nên tắt

Có thể mô hình hóa quá trình điều khiển các loại xe mô tô, xe gắn máyhiện nay như sau:

Hình 1.1: Sơ đồ mạch điều khiên hệ thống người - xe

Với cả xe sử dụng hệ thống phun xăng điện tử (FI) và hệ thống chế hòakhí (CHK) truyền thống, khi người lái có tác động điều khiển tay ga (Ph) sẽđiều khiển lượng nhiên liệu cấp đến động cơ (ĐC) tạo ra mômen qua hệ thốngtruyền lực (HTTL) đến bánh xe để sinh ra vận tốc của xe (V) Việc vận hành

tác động trực tiếp đến tính kinh tế nhiên liệu của xe Để loại bỏ các tác độngxấu của việc vận hành đến tính kinh tế nhiên liệu, bộ điều khiển sẽ được đặtsau tác động của tay ga người lái để hiệu chỉnh tối ưu chế độ vận hành tay ga.Phương án thiết kế mạch điều khiển nối tiếp này sẽ độc lập với các hệ thốngđiều khiển có sẵn trên xe và không can thiệp vào kết cấu của xe nên có thểứng dụng ngay trên xe sử dụng chế hòa khí và xe phun xăng điện tử.

Hình 1.2: Sơ đồ mạch điều khiển tay ga điện tử

Trong sơ đồ trên, “Bộ điều khiển tay ga điện tử” (BĐK) được đặt ở vịtrí sau tác động của người lái và trước khi đi tác động vào hệ thống chế hòakhí hoặc phun xăng điện tử Giải pháp này sẽ cho phép điều khiển xe giảmphụ thuộc vào yếu tố điều khiển của người vận hành, cải thiện được chế độđiều khiển với những người có kỹ năng điều khiển xe không tốt

CHƯƠNG II THIẾT KẾ CẢM BIẾN VÀ BỘ

II PHƯƠNG ÁN THU THẬP SỐ LIỆU

Với các số liệu yêu cầu cần thu thập ở trên, cần đề ra phương án để thuthập Với từng loại tín hiệu cần có một phương án thu thập cụ thể với yêu cầu:tín hiệu thu nhận được là chính xác và không ảnh hưởng đến kết cấu cũng nhưquá trình vận hành của xe

2.1 Lượng tiêu thụ nhiên liệu

Để đo lượng tiêu thụ nhiên liệu, ta lựa chọn biện pháp lắp thêm mộtbình xăng phụ cho phép đo được lượng nhiên liệu tiêu thụ

Hệ thống nhiên liệu phụ bao gồm:

Với phễu chiết bằng thủy tinh như trên:

- Hoàn toàn chịu được xăng không bị ăn mòn, phá hủy bởi xăng

- Phễu chiết có khóa bằng thủy tinh chịu được xăng Phễu có khóa chophép việc đo lượng nhiên liệu dễ dàng

- Phễu chiết có nắp nên giảm được ảnh hưởng của việc nhiên liệu bịbay hơi.

- Phễu có đầu ống thủy tinh cho phép đấu nối dễ dàng

- Phễu bằng thủy tinh mỏng nên dễ bị vỡ nên cần có vỏ bảo vệ

2 Ống đong nhiên liệu

Hình 2.2: Ống đong nhiên liệu

-Ống đong làm bằng thủy tinh

- Thể tích : 100 ml

- Đường kính ống : 31 mm

-Chiều cao : 250 mm

-Vạch chia :1 ml

3 Khóa xăng và đường ống dẫn

Với đường ống dẫn xăng yêu cầu phải chịu được xăng và chịu đượcnhiệt

Hình 2.3: Van ba ngả

Với các thành phần của hệ thông bình nhiên liệu phụ, ta tao được hệthống bình chứa lắp song song với bình xăng chính thông qua một van ba ngả.Việc đóng hoặc mở các van trên đường xăng từ bình chính và bình phụ chophép sử dụng nhiên liệu từ một trong hai nguồn độc lập và không ảnh hưởnglẫn nhau

Hình 2.4: Sơ đồ bố trí bình xăng phụ

2.2 Số vòng quay động cơ

Để xác định tốc độ động cơ thì có nhiều phương pháp khác nhau, có thể

đo tốc độ của truc khuỷu đông cơ, trục cam của động cơ…

Tuy nhiên do ta sử dụng mẫu xe máy có sẵn nên để tránh can thiệp vàocác kết cấu trong xe và không phải lắp đặt thêm các chi tiết phụ mà vẫn đảmbảo độ chính xác và tin cậy, cũng như làm việc ổn định của xe thì trong đồ ánnày chúng em lựa chọn phương án dùng tín hiệu từ cuộn dây đánh lửa có sẵntrên động cơ, trích một đường tín hiệu từ cuộn đây đánh lửa và đưa về vi điềukhiển để xử lý

Tín hiệu được gửi về được vi điều khiển sẽ đếm được số xung đánh lửatrong mỗi chu kỳ, từ đó có thể tính toán được số vòng quay động cơ tươngứng

Hình 2.5: Trích tín hiệu từ IC đánh lửa

có lỗ) thì tín hiệu điện áp gửi về vi điều khiển là 0V Khi cảm biến không bịche (ở vị trí lỗ tản nhiệt) thì giá trị điện áp vi điều khiển nhận được là +5V.Giá trị điện áp này sẽ được đưa vào một bộ ngắt trong vi điều khiển Bộ ngắt

sẽ đếm được số lần giá trị điện áp thay đổi với chu kỳ 0.5 (giây)

Hình 2.6: Cảm biến vận tốc LED thu phát đôi

trình và xử lí tín hiệu từ cảm biến để vi điều khiển xử lí trở lên đơn giản và dễdàng hơn.

Hình 2.7: Module cảm biến gia tốc MMA7260

2.5 Độ mở bướm ga

Hình 2.8: Cảm biến Hall đo vị trí tay ga

Phương án để xác định độ mở bướm ga là sử dụng một cảm biến kiểuHall để đo vị trí của tay ga Cảm biến Hall chuyển động trong từ trường củavành nam châm, điện áp đầu ra của cảm biến Hall sẽ thay đổi trong một dảinhất định Giá trị điện áp này được đưa vào một bộ chuyển đổi ADC của viđiều khiển, từ đó vi điều khiển sẽ ghi nhận vị trí của tay ga theo giá trị điện áp

mà cảm biến Hall gửi về Từ vị trí của tay ga sẽ suy ra được độ mở của bướmga

2.6 Vị trí tay số và tín hiệu phanh

Tín hiệu tay số và tín hiệu phanh được trích trực tiếp từ chân báo đèn số

và đèn phanh Tín hiệu điện áp của các đèn này là +12V nên cần đi qua mộtcầu hạ áp xuống điện áp +5V trước khi đi vào vi điều khiển Vi điều khiển sẽghi nhận vị trí chân số cũng như tín hiệu phanh trong quá trình xe vận hành

Hình 2.9: Trích tín hiệu đèn số và phanh

III THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ

3.1 Mạch điều khiển trung tâm

Hình 2.10 là sơ đồ mạch nguyên lý

Có thể chia mạch thành các khối chính như sau:

1 Khối nguồn gồm: chân cắm nguồn +12V, IC nguồn LM7805 tạonguồn +5V, IC nguồn LM1117-3.3 tạo nguồn +3.3V, năm chân cắm nguồn+5V và ba chân cắm nguồn 3.3V

2 Khối xử lý trung tâm gồm: vi điều khiển Atmega32, thạch anh tạodao động 12MHz, công tắc Reset

3 Các chân cắm lấy tín hiệu cảm biến được nối với các chân của viđiều khiển

4 Các cổng giao tiếp SPI, IDC và UART

3.1.2 Cấu tạo mạch

a Khối nguồn

Nguồn điện cấp cho hệ thống là nguồn điện một chiều +12V lấy từ quy qua một giắc cắm DC Điện áp sẽ được đi qua một IC nguồn LM7805 đểtạo ra nguồn +5V Sau đó lại tiếp tục đi qua một IC nguồn LM1117-3.3 để tạo

Ác-ra nguồn +3.3V Hai điện áp +5V và +3.3V này sẽ được nối với các chân cắmnguồn được tích hợp sẵn trên board mạch, cung cấp điện áp phù hợp cho cácmodule cảm biến

Tụ C5, C6 và C7 là các tụ hóa dùng để lọc điện áp Hai tụ lọc nhiễu tần

số cao C3 và C4 là các tụ gốm, các tụ này lọc lọc các thành phần nhiễu trênđầu vào và đầu ra, đảm bảo cho mạch hoạt động bình thường Diode D1 cótác dụng bảo vệ hiện tượng lắp ngược nguồn điện Mạch có thêm một đènLED báo nguồn đang hoạt động

Hình 2.11: Khối nguồn

b Khối xử lý trung tâm

Vi xử lý trung tâm sử dụng là vi xử lý AVR Atmega32 Vi xử lý kết nốivới thạch anh ngoài 8MHz, một nút bấm Reset Điện áp cấp cho vi xử lý là+5V Các PORT chờ được kết nối như trong Hình 2.12

Hình 2.12: Khối xử lý trung tâm

c Các chân tín hiệu cảm biến

Với yêu cầu của thí nghiệm cần có 15 chân dành cho các tín hiệu cảmbiến chia thành 3 dãy

Dãy SV7 gồm có 4 chân dành cho các tín hiệu đánh lửa, gia tốc, tay ga

và vận tốc Mỗi chân đều có lắp thêm các tụ và điện trở có tác dụng chốngnhiễu cho tín hiệu đi vào vi xử lý Tín hiệu đánh lửa được đưa vào một ICkhuếch đại thuật toán LM324 Chức năng cụ thể của bộ khuếch đại thuật toánLM324 sẽ được trình bày trong mục khác

Hình 2.13: Các chân tín hiệu cảm biến

Dãy SV6 gồm có 6 chân, là các chân thu nhận tín hiệu tay số và tín hiệuphanh Mỗi tín hiệu trước khi đi vào vi điều khiển đều được phân áp và cómột tụ điện lọc nhiễu

Dãy ACC_SEN là 5 chân điều khiển cho module cảm biến gia tốc

d Các cổng giao tiếp

Các cổng giao tiếp được tích hợp trên board mạch chính nhằm thựchiện các chức năng giao tiếp với máy tính Có 3 cổng giao tiếp được tích hợptrên mạch là IDC, UART và SPI Chức năng của các cổng sẽ được giới thiệu

cụ thể trong các phần khác

Hình 2.14: Các cổng giao tiếp

3.2 Module đọc ghi thẻ nhớ MMC/SD

3.2.1 Sơ lược về giao tiếp MMC/SD Card thông qua chuẩn truyền thông SPI

a Chuẩn truyền thông SPI

Chuẩn giao tiếp truyền thông SPI (Serial Peripheral Bus) là một chuẩntruyền thông nối tiếp tốc độ cao do hãng Motorola đề xuất Đây là kiểu truyềnthông Master-Slave, trong đó có một chip Master điều phối quá trình truyềnthông và các chip Slave được điều khiển bởi chip Master vì thế truyền thôngchỉ xảy ra giữa Master và Slave SPI là một cách truyền “song công” (fullduplex), nghĩa là tại cùng một thời điểm quá trình truyền và nhận có thể xảy

ra đồng thời SPI đôi khi được gọi là chuẩn truyền thông “4 dây” vì có bốnđường truyền giao tiếp trong chuẩn này đó là: SCK (Serial Clock), MISO(Master Input – Slave Output), MOSI (Master Output – Slave Input) và SS(Slave Select) Hình 2.15 thể hiện một kết nối giữa 1 chip Master và 3 chipSlave thông qua 4 đường

SCK: Xung giữ nhịp cho giao tiếp SPI, vì SPI là chuẩn truyền đồng bộnên cần một đường giữ nhịp, mỗi nhịp trên chân SCK báo 1 bit dữ liệu đếnhoặc đi Đây là điểm khác biệt với truyền thông không đồng bộ mà chúng ta

đã biết trong chuẩn truyền thông UART Sự tồn tại của chân SCK giúp quá

trình truyền ít bị lỗi và vì thế tốc độ truyền SPI có thể đạt rất cao Xung nhịpchỉ được tạo ra bởi chip Master.

MISO – Master Input-Slave Output: nếu là chip Master thì đây làđường Input, còn nếu là chip Slave thì MISO là Output MISO của Master vàcác Slave được nối trực tiếp với nhau

Hình 2.15: Giao diện truyền thông SPI

MOSI – Master Output-Slave Input: nếu là chip Master thì đây làđường Output, còn nếu là chip Slave thì MOSI là Input MOSI của Master vàcác Slave được nối trực tiếp với nhau

SS – Slave Select: SS là đường chọn Slave cần giao tiếp, trên các chipSlave thì đường SS sẽ ở mức cao thì không là việc Nếu chip Master kéođường SS của một Slave nào đó xuống mức thấp thì việc giao tiếp sẽ xảy ragiữa Master và Slave đó Chỉ có một đường SS trên mỗi Slave nhưng có thể

có nhiều đường điều khiển SS trên Master, tùy thuộc vào thiết kế của ngườidùng

Hoạt động: Mỗi chip Master hay Slave có một thanh ghi dữ liệu 8 bits.

Cứ mỗi xung nhịp do Master tạo ra trên đường giữ nhịp SCK, một bit trongthanh ghi dữ liệu của Master được truyền qua Slave trên đường MOSI, đồngthời một bit trong thanh ghi dữ liệu của chip Slave cũng được truyền quaMaster trên đường MISO Do hai gói dữ kiệu trên hai chip được gửi qua lạiđồng thời nên quá trình truyền nhận dữ liệu này được gọi là “song công”.Hình 2 mô tả quá trình truyền một gói dữ liệu thực hiện bởi module SPI trongAVR, bên trái là chip Master và bên phải là chip Slave

Hình 2.16: Truyền dữ liệu SPI

Cực của xung giữ nhịp, phase và các chế độ hoạt động: cực của xunggiữ nhịp (Clock Polarity) được gọi tắt là CPOL là khái niệm dùng chỉ trạngthài của chân SCK ở trạng thái nghỉ Ở trạng thái nghỉ (Idle), chân SCK có thểgiữ ở mức cao (CPOL=1) hoặc thấp (CPOL=0) Phase (CPHA) dùng để chỉcách mà dữ liệu được lấy mẫu (sample) theo xung giữ nhịp Dữ liệu có thểđược lấy mẫu ở cạnh lên của SCK (CPHA=0) hoặc cạnh xuống (CPHA=1)

Sự kết hợp của SPOL và CPHA làm nên bốn chế độ hoạt động của SPI Nhìnchung việc chọn một trong bốn chế độ này không ảnh hưởng đến chất lượngtruyền thông mà chỉ cốt sao cho có sự tương thích giữa Master và Slave

b Giao tiếp MMC/SD Card

MMC là viết tắt của cụm từ Multi-Media Card và SD là Secure DigitalCard Nhìn chung MMC và SD giống nhau về mặt cấu trúc vật lý và phươngthức giao tiếp SD card xuất hiện sau MMC card nên SD card có nhiều tìnhnăng và tốc độ cao hơn MMC card Tuy nhiên, đối với việc ghi-đọc MMC và

SD ở tốc độ thấp bằng các vi điều khiển (như AVR) thì sự khác nhau của hailoại card này là không có nhiều khác biệt

Về phương thức giao tiếp, MMC và SD card đều có thể được giao tiếpthông qua hai chế độ cơ bản là SD/MMC mode và SPI mode Giao tiếp bằngmode SD/MMC có tốc độ cao nhưng đòi hỏi vi điều khiển cũng phải có tốc

độ cao Mode này không phù hợp với việc giao tiếp bằng vi điều khiển.Ngược lại, mode giao tiếp SPI tuy có tốc độ thấp hơn nhưng phù hợp với các

vi điều khiển như AVR

Về hình dáng bên ngoài, MMC và SD có cùng kích thước và cấu trúcchân gần như nhau, được thể hiện trong hình 3

Hình 2.17: Bố trí chân của MMC và SD card

Như trình bày trong Hình 2.17, MMC card (bên phải) có 7 chân trongkhi SD card (bên trái) có 9 chân Các chân thêm 8 và 9 trên SD card là các

chân dữ liệu của mode SD/MMC nên không quan trọng khi giao tiếp ở modeSPI Ngoài ra 7 chân còn lại trên SD card hoàn toàn giống với MMC Dướiđây là mô tả chức năng của 7 chân sử dụng trong mode SPI.

- Chân 1: CS (Chip Select) là chân chọn chip dùng trong mode SPI,chân này nối với chân chọn chip của chip điều khiển

- Chân 2: DI (Data Input) hay là chân MOSI của chuẩn SPI, chân nàyđược nối với chân MOSI trên chip điều khiển

- Chân 3, 6: là các chân GND

- Chân 4: là chân nguồn nuôi thẻ

- Chân 5: CLK là chân giữ nhịp trong mode SPI, chân này sẽ được nốivới SCK trên chip điều khiển

- Chân 7: DO (Data Output) hay chân MISO của chuẩn SPI, chân nàyđược nối với chân MISO trên chip điều khiển

Nguồn nuôi MMC/SD card: đây là điểm cần lưu ý khi sử dụng cardMMC/SD, nguồn cho các card này phải nằm trong khoảng 2.7V đến 3.6V.Điều này thường gây khó khăn khi điều khiển MMC/SD card bằng các vi điềukhiển vì các mạch điều khiển thường dùng mức điện áp 5V Vì thế, khônggiống như các chip điện tử số thông thường, không được phép nối MMC/SDcard trực tiếp với các chip điều khiển có nguồn nuôi 5V Vấn đề này có thểđược giải quyết bằng cách sử dụng IC nguồn LM1117-3.3 cho điện áp ra 3.3Vphù hợp cho nguồn hoạt động của MMC/SD card Kết nối mạch điều khiển

và MMC/SD card có thể thực hiện thông qua các chip buffer, qua transitor,opto-transitor hay cầu chia áp điện trở…

Trên thị trường hiện nay có bán sẵn các module giao tiếp MMC/SDcard, nên có thể dễ dàng mua và sử dụng

Hình 2.18: Module giao tiếp MMC/SD card

Hình 17 là một module giao tiếp MMC/SD card thông qua chuẩn giaotiếp SPI, ngõ giao tiếp được cấu hình sẵn để dễ dàng kết nối với các vi điềukhiển AVR, 8051 và PIC Có tích hợp sẵn điện áp 3.3V bằng IC nguồnLM1117-3.3 và các cầu điện trở chia áp, đảm bảo điện áp giao tiếp giữa viđiều khiển và thẻ nhớ là 3.3V

3.2.2 Ghi và đọc dữ liệu thí nghiệm vào MMC/SD Card

Sơ đồ nguyên lý hoạt động của module ghi-đọc dữ liệu qua thẻ nhớMMC/SD được trình bày trong Hình 2.18.

Hình 2.19: Sơ đồ nguyên lý module MMC/SD card

Các chân từ 1 đến 7 của MMC/SD card được kết nối như trong hình,nguồn 3.3V cấp cho thẻ được cung cấp bởi một IC nguồn LM1117-3.3 Chân

CS được nối trực tiếp tới giắc CN3, ba chân SCK, DO và DI được nối với cácjump J1, J2 và J3 giúp cho việc lựa chọn vị trí các chân này trên giắc CN3được linh hoạt hơn Giắc CN1 là giắc dành cho vi điều khiển PIC nên không

đề cập đến ở đây Dễ dàng nhận thấy ở các chân CS, DI và SCK đều có cáccầu chia áp điện trở nhằm đảm bảo điện áp hoạt động cho thẻ nằm trongkhoảng từ 2.7V đến 3.6V Bốn chân CS, SCK, DI và DO sẽ được kết nối với

vi điều khiển Atmega32 như trong sơ đồ Hình 2.18

Hình 2.20: Sơ đồ kết nối chân MMC/SD card với vi điều khiển

Thuật toán điều khiển mạch điều khiển là chương trình được viết đểđiều khiển hoạt động của vi điều khiển Atmega32 Sau khi chương trình đượcviết và nạp vào vi điều khiển Atmega32, vi điều khiển này sẽ hoạt động vàthực hiện các vai trò của vi điều khiển đã nói ở trên theo ý đồ đã định trước

Để thực hiện được nhiệm vụ thu thấp số liệu hoạt động của vi xử lí theo theocác sơ đồ sau

Sau khi kết nối giao tiếp giữa module MMC/SD card với vi điều khiển,công việc tiếp theo sẽ là lập trình cho việc ghi tín hiệu vào thẻ nhớ

Hình 2.21: Sơ đồ thuật toán ghi dữ liệu vào thẻ nhớ

b Đọc dữ liệu

Sau khi ghi được dữ liệu thí nghiệm vào thẻ nhớ, ta sẽ tiến hành đọc dữliệu từ thẻ nhớ ra máy tính 6 bộ dữ liệu được lưu trữ theo thời gian thínghiệm trong một bảng giá trị cụ thể Việc đọc dữ liệu trong thẻ nhớ được vi

xử lý thực hiện Bằng việc sử dụng một module giao tiếp UART kết nối vớimáy tính thông qua cổng USB, dữ liệu ghi trong thẻ nhớ sẽ được hiển thị lênmàn hình máy tính dưới dạng văn bản thông qua cửa sổ Terminal Từ đó ta cóthể lấy được bộ số liệu thí nghiệm để tiến hành xử lý Hình 7 mô tả cách kếtnối module giao tiếp UART để hiển thị dữ liệu đọc được từ thẻ nhớ lên mànhình Terminal trên máy tính

Hình 2.22: Sơ đồ nguyên lý đọc dữ liệu từ thẻ nhớ lên máy tính qua UART

Dữ liệu sau khi được lưu vào thiết bị lưu trữu thì cần phải xuất dữuliệu về máy tính để xử lí về sau

Sơ đồ thuật toán đọc dữu liệu từ thiết bị lưu trữ về mấy tính

Hình 2.23: Sơ đồ thuật toán đọc dữ liệu từ thẻ nhớ ra máy tính

Sau khi kết nối được phần cứng giữa vi điều khiển với module thẻ nhớ

và máy tính, công việc còn lại chỉ là việc lập trình cho vi điều khiển đọc các

dữ liệu từ thẻ nhớ về máy tính dưới định dạng văn bản

3.3 Cảm biến vận tốc

Đĩa chắn sáng, cùng với cảm biến photodiode là thành phần cơ bản tạonên bộ đo vận tốc góc của bánh xe trong quá trình vận hành xe Tuy nhiên doviệc sử dụng xe máy có sẵn nên việc chế tạo và lắp thêm đĩa chắn sáng gặpnhiều khóc khăn trong quá trình lắp giáp thêm đĩa lên xe Vì vậy ta sư dụngđĩa phanh trên xe với đặc điểm có lỗ tản nhiệt có sẵn trên đĩa phanh Những lỗnày như các của sổ đóng mở lien tục giữa bên thu và phát cảu cảm biến để tạo

ra xung vận tốc Khi lỗ qua giữa hai mắt của cảm biến thì tạo ra điện áp caotrên chan ra của cảm biến, ngược lại khi đia phanh nằm che giữa hai mắt cuảcảm biến thì điện áp trên chân ra của cảm biến xuống mức điện áp thấp Nhờtín hiệu đầu ra của cảm biến như vậy thì ECU của bộ đô nhận được và xủ lí đểđưa ra vận tốc góc tại thời điểm hiện tại của bánh xe từ đó suy ra vận tốc dàicủa xe

Trong việc tính toán thiết kế bộ đo vận tốc cho đề tài, có một số vấn đềcần tập trung giải quyết là: độ chính xác và khả năng đáp ứng trong phép đovận tốc, khả năng chế tạo và lắp đặt mà không ảnh hưởng nhiều tới kết cấu cósẵn của xe và cuối cùng là độ tin cậy trong điều kiện làm việc của xe

Vấn đề về độ chính xác, khả năng đáp ứng của phép đo vận tốc liênquan tới tín hiệu mà cảm biến đo được, tín hiệu này một phần phụ thuộc vàokích thước và hình dạng của đĩa chắn sáng và số lượng cảm biến

Trong khuôn khổ đồ án, ta xử dụng loại cảm biến quang như hìnhdưới với đặc điểm sử dụng đơn gản , giá thành thấp, độ tin cậy cao

Hình 2.24: Cảm biến photodiode T880

Nguyên lý hoạt động:

- Khi không có vật cản giữa bên thu và bên phát khi đó transistor thônglàm cho điện áp chân tới vi xử lí được kéo lên +5V

- Khi có vật cản giữ bên thu và bên phát làm transistor bị khóa không

có dòng điện qua điện trở R2 làm điện áp trên chân tới vi điều khiển bị hạxuống 0V

Như vậy dựa vào đặc điểm hoạt động của loại cảm biên này và kết hợpvới các lỗ tản nhiệt trên đĩa phanh ta tạo ra được bộ đo tốc độ của xe

Tín hiệu cảm biến đưa về ECU là dạng tín hiệu điện dạng xung vuông

Hình 2.25: Tín hiệu ra cuả cảm biến vận tốc

Các thông số cần tính toàn bao gồm số lỗ sáng và số lượng cảm biến đểđảm bảo đo đúng vận tốc cảu xe ở trong dải vận tốc chuyển động rộng (nằmtrong khoảng từ 5km/h cho tới 80km/h) Việc đảm bảo cho khả năng đo chính

xác ở vùng tốc độ cao (cực đại là 80km/h) phụ thuộc phần lớn vào độ nhạycủa cảm biến, trong khi ở vùng vận tốc thấp, khả năng này phụ thuộc chủ yếuvào số lỗ sáng và số lượng cảm biến.

Số lỗ sáng và số cảm biến có liên quan tới độ chính xác của phép đovận tốc của xe Số lỗ sáng càng lớn thì độ chính xác càng lớn, tuy nhiên dođĩa phanh đã được chế tạo sẵn lên số lượng lỗ là hữu hạn khó tăng lên đượcnhư vậy để tăng độ chính xác của phép đô vaanh tốc cúng tang căn tăng sốlượng cảm biến lắp trên xe

Sai số hệ thống của phép đo vận tốc sử dụng cảm biến tốc độ và đĩachắn sáng trên xe thử nghiệm do số lượng lỗ sáng gây ra được tính theo côngthức

Ta thấy rằng số Z càng lớn, thì sai số đo càng nhỏ Kết quả cũng tương

tự nếu tốc độ quay  của đĩa Tuy nhiên khi tốc độ quay của đĩa chắn sáng,thì sai số tăng dần, đây chính là lý do phải giới hạn tốc độ nhỏ nhất cho phépcủa phép đo vận tốc bánh xe nếu như không muốn sai số vượt quá mức chophép Ở vận tốc giới hạn 5km/h, tốc độ quay của đĩa chắn sáng bằng với vậntốc bánh xe theo công thức

1

3, 6 b

v r

v

ra s r

Z t

Với tần số lấy mẫu  �t 0,5  s ta có: Z 12t 0,512 24 (răng).

So sánh với số lượng lỗ sáng trên đĩa phanh là 16, thì ta cần sử dụng 2cảm biến đặt cách nhau một góc 10o

Các thông số cơ bản cảu bộ đo vặn tốc:

 Điện áp hoạt động : 2,4V-3,6V

 Dải làm gia tốc làm việc: 1,5g/2g/4g/6g

 Độ nhạy :800mV/g ở dải đo 1,5g

Hình 2.26: Sơ đồ mạch module cảm biến gia tốc

Nguyên lí hoạt động:

MMA7260 là một cảm biến vi cơ bề mặt (surface-micromachined

integrated-circuit accelerometer) thuộc loại điện dung.

Dưới tác dụng của gia tốc, khoảng cách giữa các vách ngăn thay đổi, sựthay đổi này dẫn đến sự thay đổi giá trị điện dung theo công thức :

.

A C D





Với A là diện tích các miếng ngăn, là hằng số điện môi, D là khoảngcách giữa các tấm

Hình 2.27: Nguyên lý hoạt động của cảm biến gia tốc

Với module này ta có thể lấy ra các tín hiệu gia tốc theo các trục X, Y,

Z trên các chân tương ứng của modul về AVR để xử lí Tín hiệu ra của cảmbiến là dạng điện áp Vi vậy các tín hiệu đưa về được đưa đến các chân ADCcủa vi điều khiển

Với module trên ta cần lựa chọn độ nhạy và miền gia tốc cần đo theobảng dưới đây:

Với xe máy có gia tốc không cao và có yêu cầu về độ nhạy lớn lên talựa chọn chế độ hoạt động của cảm biến là g-Select 1 và 2 đều là 0 để có đọnhạy là 800mV/g và g-Range là 1,5g

Để cảm biến hoạt động ta cần cấp điện áp 3,3V vào chân Sleep của cảmbiến Nếu không cấp điện áp cho chân Sleep của cảm biến thì cảm biến sẽ ởchế độ tạm nghỉ chưa hoạt động

3.5 Xác định tốc độ động cơ

Tốc độ động cơ xác định thông qua tốc độ đánh lảu của động cơ, vì vậy

ta cần xác định được tốc độ đánh lửa thông qua cảm biến đánh lửa lắp trên xe

Các loại xe Honda thông thường được trang bị hệ thống đánh lửa điện

tử không dùng bộ vít lửa, được gọi là hệ thống CDI hay đánh lửa điện dung

Ưu điểm của hệ thống này là hiệu quả đánh lửa cao, ổn định

Hệ thống đánh lửa trên xe bao gồm hai loại đánh lửa AC-CDI và đánh

lửa DC-CDI, trên xe wave 110s sử dụng hệ thống đánh lửa DC-CDI.

Hình 2.29: Nguyên lí làm việc bộ cảm biến-vành răng

Tín hiệu từ cảm biến đánh lửa có dạng:

f là tần số dao động của tín hiệu

t là thông số thời gian

Các thông số trên ảnh hưởng tới tín hiệu ra của cảm biến, và do vậy ảnhhưởng tới quá trình đo vận tốc bánh xe Thông số a0 cẩn phải lớn hơn một giá

trị ngưỡng dưới a0 min để ECU có thể nhận biết sự thay đổi điện áp ứng vớithời điểm các răng trên vành chạy ngang qua đầu cảm biến Khi đo, thông sốnày tỉ lệ với đạo hàm bậc nhất theo thời gian của từ thông qua cuộn dây trongcảm biến Trong khi đó, từ thông qua cuộn dây phụ thuộc vào khe hở từ giữa vành răng và đầu cảm biến, hay nói cách khác là phục thuộc vào hìnhdạng vành răng và tốc độ các răng trên vành chạy ngang qua đầu cảm biến.Các thông số hành dạng và kích thước của vành răng ảnh hưởng tới tín hiệu racủa cảm biến khi đo bao gồm: hình dạng răng, chiều sâu răng, khoảng cáchrăng.

Tuy nhiên với chiếc xe đã có sẵn nên cảm biến đã được lắp đặt sẵn trên

xe và số vẫu trên bánh là là cố định là 1 nên chúng ta không tính toán về sốlượng vấu răng

Với tín hiệu có dạng như trên thì chưa thể sử dụng để đưa ngay về bộ vi

xử lí để sử dụng ngay được Ta cần sử lí tín hiệu này về dạng xung vuông đểđưa về ECU

3.6 Cảm biến vị trí tay ga

Tín hiệu về vị trí tay ga cho ta biết mức độ mở của bướm ga trong quátrình xe vận hành Trong quá trình vận hành xe trên đường, khi người lái tănghoặc giảm ga, sự thay đổi độ mở bướm ga sẽ quyết định tới tốc độ của xe Tốc

độ và sự ổn định tốc độ của xe trong quá trình vận hành quyết định tới tínhkinh tế nhiên liệu, mà yếu tố ảnh hưởng trực tiếp ở đây chính là quá trình tănggiảm ga của người lái Quá trình tăng giảm ga của người lái không tuân theomột quy luật nhất định hay phụ thuộc vào cung đường chạy thí nghiệm, mà cóthể thay đổi phụ thuộc nhiều yếu tố như: kỹ năng vận hành, điều kiện tâm lý,điều kiện đường xá, điều kiện môi trường xung quanh… Việc thu thập dữ liệu