Phân tích các yếu tố vận hành của xe máy trong môi trường giao thông đô thị

1
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU 3
CHƢƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ 4
CHƢƠNG II: THIẾT KẾ CẢM BIẾN VÀ BỘ THU THẬP DỮ LIỆU 8
I. Các số liệu cần thu thập 8
II. Phƣơng án thu thập số liệu 8
2.1. Lƣợng tiêu thụ nhiên liệu 8
2.2. Vận tốc xe 10
2.3. Độ mở bƣớm ga 11
2.4. Vị trí tay số và tín hiệu phanh 12
2.5. Số vòng quay động cơ 12
III. Phƣơng án lƣu trữ số liệu có điều khiển 13
3.1. Sơ lƣợc về giao tiếp MMC/SD Card thông qua chuẩn truyền thông SPI 13
3.2. Sơ lƣợc về FatFs 14
3.3. Keypad 15
IV. Thiết kế các cảm biến 16
4.1. Cảm biến vận tốc 16
4.2. Xác định tốc độ động cơ 19
4.3. Cảm biến vị trí tay ga 22
V. Thiết kế bộ thu thập và lƣu trữ dữ liệu 25
5.1. Các yêu cầu đối với bộ thu thập và lƣu trữ dự liệu 25
5.2. Mạch điều khiển trung tâm 26
CHƢƠNG III: QUY HOẠCH THÍ NGHIỆM 34
I. Hệ thống giao thông đô thị Hà Nội 34
1.1. Bảy trục đƣờng hƣớng tâm 34
1. 2. Ba tuyến vành đai 35
1. 3. Khu vực phố cổ 37
II. Lựa chọn cung đƣờng thí nghiệm 37
III. Xây dựng kịch bản thí nghiệm 39
3.1. Chuẩn bị xe thí nghiệm 39

2
3.4. Tiến hành thí nghiệm 42
CHƢƠNG IV: PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 46
I. Phân tích kết quả số liệu cung đƣờng thuộc đƣờng Đê La Thành 49
1.1. Đánh giá chế độ hoạt động của động cơ 49
1.2. Đánh giá chế độ vận hành của xe 51
1.3. Đánh giá quan hệ năng lƣợng của xe khi vận hành và lƣợng tiêu thụ nhiên
liệu 53
II. Tuyến đƣờng Trƣờng Chinh 57
2.1. Phân tích thông số vòng quay động cơ 57
2.2. Đánh giá vận tốc trung bình của xe 58
2.3. Đánh giá quan hệ phƣơng sai gia tốc của xe và lƣợng tiêu thụ nhiên liệu 59
2.4. Phân tích thông số (va) 60
III. Tuyến đƣờng phố Huế 62
3.1. Phân tích yếu tố số vòng quay động cơ 63
3.2. Đánh giá vận tốc trung bình của xe 64
3.3. Đánh giá quan hệ phƣơng sai gia tốc của xe và lƣợng tiêu thụ nhiên liệu . 65
3.4. Đánh giá quan hệ năng lƣợng của xe khi vận hành và lƣợng tiêu thụ nhiên
liệu 66
IV. Tuyến đƣờng phố Cổ Hàng Đào-chợ Đồng Xuân 68
4.1. Phân tích thông số số vòng quay động cơ 69
4.2. Đánh giá vận tốc trung bình của xe 70
4.3. Đánh giá quan hệ phƣơng sai gia tốc của xe và lƣợng tiêu thụ nhiên liệu . 70
4.4. Phân tích thông số (va) 71
KẾT LUẬN 74


3
LỜI NÓI ĐẦU
Khi chất lƣợng cuộc sống dần đƣợc nâng cao thì số lƣợng phƣơng tiện giao

thông cá nhân ngày càng nhiều. Ở một nƣớc đang phát triển nhƣ Việt Nam, con số
này không ngừng gia tăng mỗi năm, đặc biệt là đối với xe máy. Do đó, tình trạng
phát thải độc hại gây ô nhiễm môi trƣờng ngày càng trở nên nghiêm trọng.
Trong khi hệ thống luật pháp của Nhà nƣớc về những tiêu chuẩn khí thải đối
với các phƣơng tiện giao thông đang lƣu hành, đặc biệt là với xe máy còn chƣa phát
huy hết hiệu lực, thì một thực trạng vẫn đang tiếp diễn là lƣợng khí thải độc hại phát
tán ra môi trƣờng của các phƣơng tiện giao thông ngày càng gia tăng không ngừng.
Thêm vào đó, với điều kiện hạ tầng giao thông còn nhiều hạn chế, tốc độ lƣu thông
chậm và hay xảy ra ùn tắc khiến cho các yếu tố vận hành của xe máy có nhiều thay
đổi so với bình thƣờng. Chính những sự thay đổi này đã tác động tiêu cực đến tính
kinh tế nhiên liệu và làm tăng sự phát thải của xe.
Với mục tiêu một chiếc xe tiết kiệm hơn, “xanh” hơn đòi hỏi cả nhà sản xuất
và ngƣời sử dụng phải có sự thay đổi về thiết kế và cách vận hành. Để thực hiện
mục tiêu này thì việc tìm ra các đặc trƣng vận hành của xe máy trong điều kiện giao
thông đô thị ở nƣớc ta chính là cơ sở dữ liệu cho các nhà thiết kế có những thay đổi
phù hợp với môi trƣờng giao thông, và ngƣời sử dụng biết cách vận hành hiệu quả
nhất.
Xuất phát từ mục đich trên, nhóm sinh viên nghiên cứu đã lựa chọn đề tài
“Phân tích các yếu tố vận hành của xe máy trong môi trƣờng giao thông đô
thị” mà cụ thể ở đây là trong thành phố Hà Nội. Đề tài đƣợc thực hiện dƣới sự
hƣớng dẫn của TS.Đàm Hoàng Phúc và ThS. Nguyễn Thanh Tùng – Bộ môn Ô tô
và Xe chuyên dụng – Viện Cơ khí động lực – Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Nhóm sinh viên chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy đã tạo điều kiện
và giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài tốt nghiệp này.

4
CHƢƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ
Xe máy hiện nay là một loại phƣơng tiện di chuyển cá nhân rất phổ biến ở
nhiều quốc gia trên thế giới đặc biệt là ở Việt Nam. Bên cạnh đó, giao thông ở Việt
Nam có những đặc thù riêng: trong vòng 5 năm trở lại đây, số lƣợng xe mô tô, xe

gắn máy đã tăng rất nhanh với tốc độ trên 10%/năm. Hệ quả tất yếu của việc gia
tăng số lƣợng phƣơng tiện di chuyển cá nhân quá nhanh đó là tình trạng phát thải
độc hại ra môi trƣờng.
Tại Thụy Sỹ, những thí nghiệm so sánh hệ số phát thải của xe môtô gắn máy
không lắp thiết bị xử lý khí thải với ô tô con đạt tiêu chuẩn Euro 3 đã cho thấy: phát
thải trung bình trên một quãng đƣờng đi (g/km) của xe mô tô, xe gắn máy cao hơn ô
tô gấp 8 hoặc 18 hoặc 39 lần đối với CO, 23 hoặc 74 hoặc 222 lần đối với HC; 1,7
hoặc 4 hoặc 7,8 lần đối với NOx tùy theo điều kiện giao thông là trên đƣờng trong
đô thị hoặc đƣờng đồng bằng hoặc đƣờng cao tốc.
Theo kết quả nghiên cứu của Tổng cục Môi Trƣờng Việt Nam: hệ số phát
thải CO, HC của xe môtô ở nƣớc ta gấp 6,4 lần xe ôtô hạng nhẹ. Việt Nam hiện nay
là nƣớc có lƣợng xe mô tô, xe gắn máy đang lƣu hành chỉ đứng thứ 3 thế giới sau
hai quốc gia đông dân nhất là Trung Quốc và Ấn Độ. Phần lớn các xe đang lƣu
thông đều sử dụng hệ thống chế hòa khí không có điều khiển nhƣ các xe sử dụng hệ
thống phun xăng điện tử hiện đại FI.
Ngoài ra, còn phải kể đến điều kiện hạ tầng giao thông nƣớc ta hiện nay còn
rất yếu kém và tồn tại nhiều vấn đề khó khăn. Là một trong số các trung tâm kinh tế
lớn nhất cả nƣớc, vì vậy hệ thống giao thông Hà Nội có những đặc điểm chung của
giao thông đô thị Việt Nam.
Theo số liệu thống kê năm 2011, diện tích đất dành cho phát triển giao thông
ở 7 quận nội thành Hà Nội chỉ chiếm 5,2km
2
, tƣơng đƣơng 6,18% tổng diện tích
mặt bằng. Trong khi đó, ở các nƣớc phát triển, con số này là 25%. Giao thông Hà
Nội cũng là một hệ thống rất phức tạp với gần 7400km đƣờng giao thông.20% trong
số này là tổng chiều dài các tuyến đƣờng chính bao gồm bảy trục hƣớng tâm và ba
tuyến vành đai. Phần còn lại là các cung đƣờng phụ nối ghép những tuyến đƣờng
chính trên. Có các tuyến đƣờng phân làn hoặc không phân làn, đƣợc phép lƣu thông
5
hai chiều hoặc một chiều. Có nhiều nút giao cắt là các ngã ba, ngã tƣ, hoặc ngã

năm. Tại các điểm giao cắt này có thể có hoặc không có đèn tín hiệu giao thông.
Hiện nay, do nhu cầu công ăn việc làm tại Hà Nội nên lƣợng phƣơng tiện
giao thông đổ về thành phố ngày càng tăng. Theo số liệu thống kê năm 2011, Hà
Nội có khoảng 4,3 triệu phƣơng tiện giao thông đang lƣu hành, và hơn 90% trong
số đó là xe máy (khoảng 4 triệu chiếc). Với tốc độ phát triển nhƣ hiện nay, thì con
số này vẫn không ngừng tăng thêm từ 10% đến 15% sau mỗi năm.
Một thành phố với mạng lƣới đƣờng xá chằng chịt, tiết diện lƣu thông nhỏ
hẹp, lƣợng phƣơng tiện đông đúc và chủ yếu là xe máy, thêm vào đó là ý thức
ngƣời tham gia giao thông vẫn còn chƣa tốt. Những yếu tố này khiến cho mật độ
giao thông luôn ở mức cao, và thƣờng xuyên xảy ra ùn tắc, đặc biệt là trong những
giờ cao điểm. Đây cũng chính là nguyên nhân ảnh hƣởng đến các chế độ vận hành
của động cơ, gây ra các tác động tiêu cực đến tình trạng kỹ thuật, làm giảm tính
kinh tế nhiên liệu, đồng thời gia tăng sự phát thải độc hại của xe máy.
Trong khi việc phát triển cơ sở hạ tầng giao thông vẫn còn là một bài toán
nan giải, với mục tiêu là một chiếc xe hoạt động tốt hơn, “xanh” hơn, và tiết kiệm
hơn, đòi hỏi các nhà sản xuất cần có những thay đổi trong thiết kế, đồng thời ngƣời
sử dụng phải biết cách vận hành để chiếc xe phù hợp hơn với các điều kiện giao
thông hiện nay. Để làm đƣợc việc này thì cả nhà thiết kế và ngƣời sử dụng cần biết
đƣợc quy luật thay đổi của các thông số vận hành của xe trong những điều kiện này.
Để thực hiện những mục đích trên, thì ở bƣớc đi đầu tiên chúng ta cần phải
tiến hành các thí nghiệm thu thập những thống số vận hành, sau đó phân tích và đƣa
ra các nhận xét để xây dựng nên một cơ sở dữ liệu tin cậy cho các nhà sản xuất có
thể tham khảo. Từ đó, họ sẽ có điều chỉnh hợp lý trong thiết kế, và đƣa ra những lời
khuyên chính xác cho ngƣời sử dụng vận hành xe một cách hiệu quả nhất.
Thực hiện đề tài này, nhóm sinh viên đã sử dụng phƣơng pháp nghiên cứu
thực nghiệm để thu thập dữ liệu, sau đó phân tích các thông số này, so sánh chúng
với nhau để rút ra các quy luật thay đổi.
6

Cách đánh giá chế độ vận hành của xe và rút ra quy luật đƣợc thực hiện dựa

trên việc phân tích một số thông tin vận hành. Đánh giá chế độ hoạt động của động
cơ thông qua tốc độ động cơ. Đánh giá chế độ vận hành của xe thông qua các thông
số vận tốc và gia tốc của xe. Đánh giá năng lƣợng vận hành của xe và tính kinh tế
nhiên liệu thông qua tích số vận tốc và gia tốc (v.a) và lƣợng tiêu thụ nhiên liệu.
Ngoài ra, cần phải xác định thêm các thông số tay ga, vị trí số, và tín hiệu phanh.
Nhƣ vậy, để có đƣợc những thông tin cần thiết này, bƣớc đầu chúng em đã
thiết kế một bộ thu thập dữ liệu để lƣu trữ các thông số vận hành cơ bản của xe
trong quá trình thí nghiệm: tốc độ động cơ, vận tốc, độ mở bƣớm ga, vị trí tay số,
tín hiệu phanh, và lƣợng tiêu thụ nhiên liệu.
Tiếp theo, là việc quy hoạch thí nghiệm lựa chọn các cung đƣờng và giờ thí
nghiệm để xây dựng nên một kịch bản thí nghiệm đặc trƣng cho giao thông đô thị
Hà Nội. Cuối cùng là lắp đặt các thiết bị cần thiết lên xe thí nghiệm và kiếm tra.
Tuy bộ thu thập dữ liệu đã lƣu trữ các thông tin vận hành của xe, nhƣng chúng em
Hình 1.1: Sơ đồ phương pháp nghiên cứu
THỰC
NGHIỆM
PHÂN
TÍCH
QUY
LUẬT
Số liệu
So sánh
Tiến hành thí nghiệm:
lắp đặt linh kiện lên
xe, sheet báo cáo
Quy hoạch thí
nghiệm: chọn đường,
giờ thí nghiệm
Bộ thu thập dữ liệu
vận hành: Ne, vận

tốc, ga, số, phanh…
Đề xuất các chỉ số
đánh giá chế độ vận
hành của xe: V
tb
,
a
tb
, phương sai vận
tốc, gia tốc,…
So sánh các chỉ số
7
cũng lập thêm các sheet báo cáo để ghi lại những vấn đề phát sinh trong quá trình
làm thí nghiệm. Nhƣ vậy, chúng em đã chuẩn bị đầy đủ các thiết bị và phƣơng pháp
để tiến hành thí nghiệm.
Sau khi đã lấy đƣợc các số liệu cần thiết từ quá trình thực nghiệm, chúng em
đề xuất ra các chỉ số để đánh giá chế độ vận hành của xe nhƣ: vận tốc trung bình và
phƣơng sai vận tốc; gia tốc trung bình và phƣơng sai gia tốc; phần trăm thời thời
gian động cơ hoạt động ở số vòng quay thấp, trung bình và cao;phần trăm thời gian
tích số vận tốc và gia tốc (va) ở mức thấp, trung bình và cao… Xây dựng các đồ thị
mô tả sự thay đổi của những chỉ số này.
Công việc cuối cùng là quan sát sự thay đổi của những chỉ số trên thông qua
các đồ thị, so sánh để rút ra các nhận xét, quy luật thay đổi của chúng.
Nhƣ vậy, với một phƣơng pháp nghiên cứu rõ ràng, chúng em có đầy đủ cơ
sở để thực hiện đề tài.

8
CHƢƠNG II: THIẾT KẾ CẢM BIẾN VÀ BỘ THU THẬP DỮ LIỆU
I. Các số liệu cần thu thập
Mục đích nghiên cứu của đề tài gồm có

- Đánh giá chế độ hoạt động của động cơ đƣợc nghiên cứu thông qua tốc độ
động cơ
- Đánh giá chế độ vận hành của xe đƣợc nghiên cứu thông qua các thông số
vận tốc và gia tốc của xe, gia tốc của xe đƣợc tính qua phép đạo hàm vận tốc.
- Năng lƣợng khi vận hành của xe và tính kinh tế nhiên liệu đƣợc nghiên cứu
thông qua tích số vận tốc và gia tốc (va) và lƣợng tiêu thụ nhiên liệu (Fuel
Consumption – FC)
- Ngoài ra, để biết đƣợc ảnh hƣởng của kỹ năng ngƣời lái đến chế độ vận hành
của xe cần phải xác định thêm các thông số vị trí tay ga, vị trí chân số, và tín
hiệu phanh.
Nhƣ vậy, các số liệu cần thu thập bao gồm:
- Lƣợng tiêu thụ nhiên liệu
- Vận tốc
- Tốc độ động cơ
- Vị trí tay ga
- Vị trí tay số
- Tín hiệu phanh
II. Phƣơng án thu thập số liệu
Với các số liệu yêu cầu cần thu thập ở trên, cần đề ra một phƣơng án để thu
thập. Với từng loại tín hiệu, cần có một phƣơng án thu thập cụ thể với yêu cầu: tín
hiệu thu nhận đƣợc là chính xác và không ảnh hƣởng đến kết cấu cũng nhƣ quá
trình vận hành xe.
2.1. Lƣợng tiêu thụ nhiên liệu
Các phƣơng án đo lƣợng tiêu thụ nhiên liệu
9
- Đo khối lượng: sử dụng cân tiểu ly điện tử và bình xăng phụ, cân khối lƣợng
nhiên liệu trong bình xăng phụ sau mỗi quãng đƣờng chạy, từ đó xác định
đƣợc lƣợng tiêu thụ nhiên liệu trên quãng đƣờng đó.
- Đo thể tích: sử dụng phễu chiết chia vạch làm bình xăng phụ bằng cách dùng
van ba ngả, từ lƣợng nhiên liệu hao hụt [ml] ta xác định đƣợc lƣợng tiêu thụ

nhiên liệu sau mỗi quãng đƣờng.
Thông số lƣợng tiêu thụ nhiên liệu đƣợc xác định qua thông số FC
[lit/100km], để xác định đƣợc thể tích này ta lựa chọn biện pháp lắp thêm một hệ
thống nhiên liệu phụ bao gồm phễu chiết và van ba ngả, cho phép xác định đƣợc
mức hao hụt nhiên liệu sau từng thời điểm cụ thể mà không làm thay đổi kết cấu cơ
bản của xe.
a/ Phễu chiết

- Phễu chiết quả lê khóa thủy tinh: thủy tinh borosilicate chịu nhiệt.
- Thể tích: 100 [ml]
- Đƣờng kính lỗ khóa: 2 [mm]
Với phễu chiết bằng thủy tinh nhƣ trên:
- Hoàn toàn chịu đƣợc xăng, không bị ăn mòn, phá hủy bởi xăng.
- Phễu chiết có khóa bằng thủy tinh chịu đƣợc xăng, cho phép đo lƣợng tiêu
thụ nhiên liệu dễ dàng.
- Phễu chiết có nắp nên giảm đƣợc ảnh hƣởng của lƣợng nhiên liệu bị bay hơi
Hình 2.1: Phễu chiết
10
- Phễu có đầu ống thủy tinh cho phép đấu nối dễ dàng.
- Phễu bằng thủy tinh mỏng, dễ bị vỡ, cần có vỏ đệm bảo vệ tránh va chạm.
b/ Van ba ngả

Đƣờng ống dẫn xăng yêu cầu phải chịu đƣợc xăng và chịu đƣợc nhiệt. Với
các thành phần của hệ thống bình nhiên liệu phụ, ta tạo đƣợc hệ thống bình chứa lắp
song song với bình xăng chính thông qua một van ba ngả. Việc đóng hoặc mở các
van trên đƣờng xăng từ bình xăng chính và phụ cho phép sử dụng nhiên liệu từ một
trong hai nguồn độc lập và không ảnh hƣởng lẫn nhau.
2.2. Vận tốc xe
Các phƣơng pháp xác định vận tốc của xe
- Xác định vận tốc trực tiếp: sử dụng GPS

- Xác định vận tốc thông qua vận tốc tròn của bánh xe
 Dùng đồng hồ công tơ mét
 Dùng động cơ encoder đo số vòng quay
 Dùng cảm biến quang và đĩa lỗ sáng gắn trên bánh xe để đo số vòng
quay của bánh xe
 Dùng cảm biến từ và nam châm gắn trên bánh xe để đo số vòng quay
của bánh xe
Hình 2.2: Van ba ngả
11
Để có đƣợc tín hiệu điện để đƣa về vi điều khiển, trong đề tài sử dụng
phƣơng pháp sử dụng cảm biến quang và đĩa lỗ sáng gắn trên bánh xe để xác định
vận tốc bánh xe, qua đó xác định vận tốc xe qua công thức:
 
1
/
3,6. .
bx
v km h
r


(2.1)
Trong đề tài sử dụng một cảm biến thu phát LED đôi Opto-Isolator. Tận
dụng hàng lỗ tản nhiệt trên đĩa phanh bánh trƣớc (lỗ sáng) để làm tín hiệu cho cảm
biến nhận biết. Khi cảm biến bị che (chỗ không có lỗ) thì tín hiệu điện áp gửi về vi
điều khiển là 0V. Khi cảm biến không bị che (ở vị trí lỗ tản nhiệt) thì giá trị điện áp
vi điều khiển nhận đƣợc là +5V. Giá trị điện áp này sẽ đƣợc đƣa vào một bộ ngắt
trong vi điều khiển. Bộ ngắt sẽ đếm đƣợc số lần giá trị điện áp thay đổi với chu kỳ
0.5 (giây).

2.3. Độ mở bƣớm ga
Phƣơng án để xác định độ mở bƣớm ga là sử dụng một cảm biến kiểu Hall để
đo vị trí của tay ga. Cảm biến Hall chuyển động trong từ trƣờng của vành nam
châm, điện áp đầu ra của cảm biến Hall sẽ thay đổi trong một dải nhất định. Giá trị
điện áp này đƣợc đƣa vào một bộ chuyển đổi ADC của vi điều 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 đƣợc độ mở của bƣớm ga.
Hình 2.3: Cảm biến vận tốc LED thu phát đôi
2 CẢM BIẾN QUANG
LẮP CẢM BIẾN VÀO ĐĨA PHANH
12


2.4. Vị trí tay số và tín hiệu phanh
Tín hiệu tay số và tín hiệu phanh đƣợc 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 một cầu hạ áp
xuống điện áp +5V trƣớc khi đi vào vi điều khiển. Vi điều khiển sẽ ghi nhận vị trí
chân số cũng nhƣ tín hiệu phanh trong quá trình xe vận hành.
2.5. Số vòng quay động cơ
Để xác định tốc độ động cơ thì có nhiều phƣơng 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 vào các
kết cấu trong xe và không phải lắp đặt thêm các chi tiết phụ mà vẫn đảm bảo độ
chính xác và tin cậy, cũng nhƣ làm việc ổn định của xe thì trong đồ án này chúng
em lựa chọn phƣơng án dùng tín hiệu từ cuộn dây đánh lửa có sẵn trên động cơ,
trích một đƣờng tín hiệu từ cuộn đây đánh lửa và đƣa về vi điều khiển để xử lý.
Tín hiệu đƣợc gửi về đƣợc vi điều khiển sẽ đếm đƣợc số xung đánh lửa trong
mỗi chu kỳ, từ đó có thể tính toán đƣợc số vòng quay động cơ tƣơng ứng.
Hình 2.4: Cảm biến HALL đo % tay ga
VÀNH NAM CHÂM

CẢM BIẾN HALL
DÂY TÍN HIỆU
13
III. Phƣơng án lƣu trữ số liệu có điều khiển
Các phƣơng án lƣu trữ dữ liệu sử dụng vi điều khiển
- Lƣu trữ trên bộ nhớ vi điều khiển ROM/RAM
- Lƣu trữ trực tiếp vào máy tính cá nhân
- Lƣu trữ thông qua các thiết bị lƣu trữ ngoài (SD, USB, HDD)
Do yêu cầu về tình dung lƣợng bộ nhớ lớn và tính di động cao nên đề tài sử
dụng phƣơng pháp lƣu trữ thông qua các thiết bị lƣu trữ ngoài, cụ thể là sử dụng thẻ
nhớ dựa trên nền tảng phần cứng modul thẻ nhớ MMC và giao tiếp MMC/SD với vi
điều khiển đã có sẵn.
Các phƣơng án sử dung lƣu trữ bằng thẻ nhớ
- Ghi dữ liệu kiểu Block thông thƣờng
- Ghi dữ liệu thông qua modul FatFs
Việc lƣu trữ số liệu yêu cầu cần phải đáp ứng việc dễ dàng giao tiếp và cất
giữ thông tin, điều này làm giảm đáng kể thời gian thực nghiệm và nghiên cứu.
Đồng thời lƣu trữ số liệu cũng cần diễn ra một cách có điều khiển và đáp ứng đƣợc
dung lƣợng lƣu trữ vì các thông số cần đƣợc lƣu trữ trên các đoạn đƣờng nhất định
với thời gian dài.
Trong đề tài sử dụng phƣơng pháp ghi dữ liệu vào thẻ nhớ thông qua modul
FatFs do có nhiều ƣu điểm vƣợt trội so với phƣơng pháp ghi block thông thƣờng
nhƣ
- Giảm nhẹ về phần cứng vì không cần mạch đọc dữ liệu trung gian
- Cho phép kiểm soát, điều khiển quá trình ghi dữ liệu dễ dàng
- Tính ổn định cao
Việc điều khiển quá trình lƣu dữ liệu đƣợc thực hiện qua keypad.
3.1. Sơ lƣợc về giao tiếp MMC/SD Card thông qua chuẩn truyền thông SPI
MMC là viết tắt của cụm từ Multi-Media Card và SD là Secure Digital Card.
Nhìn chung MMC và SD giống nhau về mặt cấu trúc vật lý và phƣơng thức giao

tiếp. SD card xuất hiện sau MMC card nên SD card có nhiều tình năng và tốc độ
14
cao hơn MMC card. Tuy nhiên, đối với việc ghi-đọc MMC và SD ở tốc độ thấp
bằng các vi điều khiển (nhƣ AVR) thì sự khác nhau của hai loại card này là không
có nhiều khác biệt.

Về phƣơng thức giao tiếp, MMC và SD card đều có thể đƣợc giao tiếp thông
qua hai chế độ cơ bản là SD/MMC mode và SPI mode. Giao tiếp bằng mode
SD/MMC có tốc độ cao nhƣng đòi hỏi vi điều khiển cũng phải có tốc độ cao. Mode
này không phù hợp với việc giao tiếp bằng vi điều khiển. Ngƣợc lại, mode giao tiếp
SPI tuy có tốc độ thấp hơn nhƣng phù hợp với các vi điều khiển nhƣ AVR.
Trên thị trƣờng hiện nay có bán sẵn các module giao tiếp MMC/SD card, nên
có thể dễ dàng mua và sử dụng.
3.2. Sơ lƣợc về FatFs
FatFs là một mô-đun hệ thống sử dụng bảng cấp phát tập tin dùng cho các hệ
thống nhúng nhỏ. FatFs độc lập với kiến trúc phần cứng. Nó có thể đƣợc đƣa vào vi
điều khiển chi phí thấp, chẳng hạn nhƣ AVR, 8051, PIC, ARM, Z80, 68k và vv ,
mà không cần bất kỳ sự thay đổi nào về mặt cấu trúc
Những ƣu điểm của FatFs
- Nền tảng độc lập, dễ dàng để sử dụng với nhiều phần cứng khác nhau,
phù hợp với các dòng vi điều khiển có thể mua đƣợc trong nƣớc.
- Dễ dàng kiểm soát và điều khiển quá trình ghi dữ liệu
Hình 2.5: Bố trí chân của MMC và SD card

15
- Sử dụng ít bộ nhớ.
- Sử dụng đƣợc với các phần cứng có nhiều thiết bị lƣu trữ
CÁC ỨNG DỤNG
Modul FatFs
Các thiết bị lƣu trữ ngoài

(SD, USB, ATA, NAND )
Hiển thị thời gian thực
Đặc biệt ƣu điểm lớn nhất của FatFs trong dự án này là cho phép điều khiển
trực tiếp quá trình lƣu trữ dữ liệu trên thẻ nhớ , kết quả của quá trình lƣu trữ dự liệu
là tạo ra những file text một cách có điều khiển. Việc này giúp cho việc lấy thông
tin từ thẻ nhớ diễn ra dễ dàng và nhanh hơn rất nhiều so với cách truyền thống.
Các hàm cơ bản của FatFs:
Tên hàm
Chức năng
f_mount
Khai báo vùng ổ đĩa làm việc
f_open
Mở và tạo file
f_close
Đóng file
f_read
Đọc file
f_write
Ghi dữ liệu vào file
f_rename
Đổi tên file
f_gets
Đọc một chuỗi
f_putc
Ghi một ký tự
f_puts
Ghi một chuỗi
f_printf
Ghi một chuỗi định dạng
f_size

Đọc kích cỡ ổ đĩa
f_error
Kiểm tra lỗi trong quá trình sử dụng
3.3. Keypad
Keypad là một "thiết bị nhập" chứa các nút nhấn cho phép ngƣời dùng nhập
các chữ số, chữ cái hoặc ký hiệu vào bộ điều khiển.
16

Các chân của keypad đƣợc kết nối với một port của vi điều khiển và việc đọc
tín hiệu keypad sẽ đƣợc thực hiện thông qua việc đọc giá trị của port này.
Do vậy mà có thể sử dụng keypad để truyền đạt mong muốn của ngƣời sử
dụng tới vi điều khiển.
IV. Thiết kế các cảm biến
4.1. Cảm biến vận tốc
Đĩa chắn sáng, cùng với cảm biến photodiode là thành phần cơ bản tạo nên
bộ đo vận tốc góc của bánh xe trong quá trình vận hành xe. Tuy nhiên do việc sử
dụng xe máy có sẵn nên việc chế tạo và lắp thêm đĩa chắn sáng gặp nhiều khóc
khăn trong quá trình lắp giáp thêm đĩa lên xe. Vì vậy ta sƣ dụng đĩa phanh trên xe
với đặc điểm có lỗ tản nhiệt có sẵn trên đĩa phanh. Những lỗ này nhƣ 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 cao trên chan ra của cảm biến,
ngƣợc lại khi đia phanh nằm che giữa hai mắt cuả cảm biến thì điện áp trên chân ra
của cảm biến xuống mức điện áp thấp. Nhờ tín hiệu đầu ra của cảm biến nhƣ vậy thì
ECU của bộ đô nhận đƣợc và xủ lí để đƣa ra vận tốc góc tại thời điểm hiện tại của
bánh xe từ đó suy ra vận tốc dài của xe.
Trong việc tính toán thiết kế bộ đo vận tốc cho đề tài, có một số vấn đề cần
tập trung giải quyết là: độ chính xác và khả năng đáp ứng trong phép đo vận tốc,
khả năng chế tạo và lắp đặt mà không ảnh hƣởng nhiều tới kết cấu có sẵn của xe và
cuối cùng là độ tin cậy trong điều kiện làm việc của xe.
Hình 2.6: Nguyên lý của Keypad 4.4

17
Vấn đề về độ chính xác, khả năng đáp ứng của phép đo vận tốc liên quan tới
tín hiệu mà cảm biến đo đƣợc, tín hiệu này một phần phụ thuộc vào kích thƣớc và
hình dạng của đĩa chắn sáng và số lƣợng cảm biến.
Trong khuôn khổ đồ án, ta xử dụng loại cảm biến quang nhƣ hình dƣới với
đặc điểm sử dụng đơn gản , giá thành thấp, độ tin cậy cao.

Nguyên lý hoạt động:
- Khi không có vật cản giữa bên thu và bên phát khi đó transistor thông làm
cho điện áp chân tới vi xử lí đƣợc 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 hạ xuống 0V.
Nhƣ vậy dựa vào đặc điểm hoạt động của loại cảm biên này và kết hợp với
các lỗ tản nhiệt trên đĩa phanh ta tạo ra đƣợc bộ đo tốc độ của xe.
Tín hiệu cảm biến đƣa về ECU là dạng tín hiệu điện dạng xung vuông

Các thông số cần tính toàn bao gồm số lỗ sáng và số lƣợng cảm biến để đảm
bảo đo đúng vận tốc cảu xe ở trong dải vận tốc chuyển động rộng (nằm trong
Hình 2.8: Tín hiệu ra của cảm biến vận tốc

Hình 2.7: Cảm biến photodiode T880

18
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 nhạy của cảm biến, trong
khi ở vùng vận tốc thấp, khả năng này phụ thuộc chủ yếu vào số lỗ sáng và số lƣợng
cảm biến.
Số lỗ sáng và số cảm biến có liên quan tới độ chính xác của phép đo vận tốc
của xe. Số lỗ sáng càng lớn thì độ chính xác càng lớn, tuy nhiên do đĩa phanh đã

đƣợc chế tạo sẵn lên số lƣợng lỗ là hữu hạn khó tăng lên đƣợc nhƣ vậy để tăng độ
chính xác của phép đô vaanh tốc cúng tang căn tăng số lƣợng cảm biến lắp trên xe.
Sai số hệ thống của phép đo vận tốc sử dụng cảm biến tốc độ và đĩa chắn
sáng trên xe thử nghiệm do số lƣợng lỗ sáng gây ra đƣợc tính theo công thức.
 
1 1 1
% 2 100% % 10%
tZ
  

      

(2.2)
Trong đó:

%

là sai số tính theo % của phép đo vận tốc.

t
là thời gian lấy mẫu của ECU.
Z
là lỗ sáng trên đĩa chắn sáng

là tốc độ quay của đĩa.
 
%

là sai số % cho phép.
Ta thấy rằng số Z càng lớn, thì sai số đo càng nhỏ. Kết quả cũng tƣơng 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 phép của phép đo vận
tốc bánh xe nếu nhƣ không muốn sai số vƣợt quá mức cho phép. Ở vận tốc giới hạn
5km/h, tốc độ quay của đĩa chắn sáng bằng với vận tốc bánh xe theo công thức.
x
1
3,6
b
v
r


(2.3)
Trong đó:
v
là vận tốc chuyển động của trục bánh xe (km/h),
 
5/v km h

19
Thay vào ta đƣợc:
 
x
1 5 1
5,1 d /
3,6 3,6 0,275
b
v

ra s
r

    

Thay

tính đƣợc vào công thức tính sai số trên ta đƣợc bất đẳng thức.
 
2 1 1 1 1
% 100% 2 100 % 10%
5,1
12
Z t t Z
Z
t

  

         
 



Với tần số lấy mẫu
 
0,5ts
ta có:
12 12
24

0,5
Z
t
  

(răng).
So sánh với số lƣợng lỗ sáng trên đĩa phanh là 16, thì ta cần sử dụng 2 cảm
biến đặt cách nhau một góc 10
o

Các thông số cơ bản cảu bộ đo vặn tốc:
Tên
Số lƣợng
Đĩa chắn sáng (đĩa phanh)
1
Lỗ sáng trên đĩa
16
Cảm biến photodiode
2

4.2. 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 đƣợc tốc độ đánh lửa thông qua cảm biến đánh lửa lắp trên xe.
Các loại xe Honda thông thƣờng đƣợc trang bị hệ thống đánh lửa điện tử
không dùng bộ vít lửa, đƣợc gọi là hệ thống CDI hay đánh lửa điện dung. Ƣu 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.
20

Hệ thống đánh lửa này có nguồn điện nguồn cung cấp cho CDI đánh lửa là từ
ắc qui hoặc dòng điện một chiều từ dòng điện xoay chỉnh lƣu và ổn áp của bộ chỉnh
lƣu của xe. Việc điều khiển đánh lửa lấy từ cảm biến đánh lửa láp trên bánh đà của
động cơ.
Cảm biến đánh lửa của động cơ sử dụng loại cảm biến điện từ kết hợp với
vấu răng trên bánh đà. Nguyên lí hoạt động cuả cảm biến nhƣ sau tín hiệu này một
phần phụ thuộc vào kích thƣớc và hình dạng của vành răng.

Tín hiệu từ cảm biến đánh lửa có dạng:
Hình 2.10: Nguyên lí làm việc bộ cảm biến-vành răng

Hình 2.9: Hệ thống đánh lửa DC-CDI

21

Tín hiệu cảm biến đƣa về ECU là dạng tín hiệu điện dao động tuần hoàn, có
thể đƣợc mô tả gần đúng bằng một hàm sin nhƣ sau.
 
0
sin 2 [ ]u a ft V


(2.4)
Trong đó:
u
là điện áp đầu ra cảm biến.
0
a
là biên độ dao động.
f

là tần số dao động của tín hiệu.
t
là thông số thời gian.
Các thông số trên ảnh hƣởng tới tín hiệu ra của cảm biến, và do vậy ảnh
hƣởng tới quá trình đo vận tốc bánh xe. Thông số a
0
cẩn phải lớn hơn một giá trị
ngƣỡng dƣới a
0min
để ECU có thể nhận biết sự thay đổi điện áp ứng với thời điểm
các răng trên vành chạy ngang qua đầu cảm biến. Khi đo, thông số này tỉ lệ với đạo
hàm bậc nhất theo thời gian của từ thông qua cuộn dây trong cảm 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 hình dạng vành răng và tốc độ các răng
trên vành chạy ngang qua đầu cảm biến. Các thông số hành dạng và kích thƣớc của
vành răng ảnh hƣởng tới tín hiệu ra của cảm biến khi đo bao gồm: hình dạng răng,
chiều sâu răng, khoảng cách răng.
Tuy nhiên với chiếc xe đã có sẵn nên cảm biến đã đƣợc lắp đặt sẵn trên xe và
số vẫu trên bánh là là cố định là 1 nên chúng ta không tính toán về số lƣợng vấu
răng.
Hình 2.11: tín hiệu cảm biến

22
Với tín hiệu có dạng nhƣ trên thì chƣa thể sử dụng để đƣa ngay về bộ vi xử lí
để sử dụng ngay đƣợc. Ta cần sử lí tín hiệu này về dạng xung vuông để đƣa về
ECU.
4.3. Cảm biến vị trí tay ga
Tín hiệu về vị trí tay ga cho ta biết mức độ mở của bƣớm ga trong quá trình

xe vận hành. Trong quá trình vận hành xe trên đƣờng, khi ngƣời lái tăng hoặc giảm
ga, sự thay đổi độ mở bƣớm 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 tính kinh tế nhiên liệu,
mà yếu tố ảnh hƣởng trực tiếp ở đây chính là quá trình tăng giảm ga của ngƣời lái.
Quá trình tăng giảm ga của ngƣời lái không tuân theo một quy luật nhất định hay
phụ thuộc vào cung đƣờng chạy thí nghiệm, mà có thể thay đổi phụ thuộc nhiều yếu
tố nhƣ: kỹ năng vận hành, điều kiện tâm lý, điều kiện đƣờng xá, điều kiện môi
trƣờng xung quanh… Việc thu thập dữ liệu về vị trí tay ga trong quá trình vận hành,
với điều kiện xe thí nghiệm chạy trên một cung đƣờng cố định cho phép có thể tính
toán đƣợc.
Việc thu thập tín hiệu về vị trí tay ga đƣợc thực hiện bằng một cảm biến kiểu
Hall. Cảm biến kiểu Hall có tác dụng nhƣ một bộ biến đổi giá trị điện áp đầu ra
tƣơng ứng với sự thay đổi từ trƣờng. Cảm biến này hoạt động dựa trên nguyên lý
hiệu ứng Hall. Hiệu ứng Hall là một hiệu ứng vật lý đƣợc thực hiện khi áp dụng một
từ trƣờng vuông góc lên một bản làm bằng kim loại hay chất bán dẫn (hoặc các
chấy dẫn điện nói chung – thanh Hall) đang có dòng điện chạy qua. Khi đó, sẽ xuất
hiện một hiệu điện thế (hiệu điện thế Hall) sinh ra tại hai mặt đối diện của thanh
Hall.
23

Hiệu ứng đƣợc giải thích dựa vào bản chất của dòng điện chạy trong vật liệu
dẫn điện. Dòng điện này chính là sự chuyển động của các điện tích. Khi chạy qua từ
trƣờng, các điện tích chịu lực Lorentz và bị đẩy về một trong hai phía của thanh
Hall, tùy theo điện tích chuyển động đó mang điện tích âm hay dƣơng. Sự tập chung
các điện tích về một phía tạo nên sự tích điện trái dấu ở hai mặt của thanh Hall gây
ra hiệu điện thế Hall. Tỷ số giữa hiệu điện thế Hall và dọng điện chạy qua thanh
Hall gọi là điện trở Hall, đặc trƣng cho vật liệu làm nên thanh Hall. Hiệu ứng Hall
đƣợc khám phá bởi Edwin Harbert Hall vào năm 1879. Hình 2.12 thể hiện nguyên
lý hiệu ứng Hall.
Dựa trên nguyên lý của hiệu ứng Hall ta có thể sử dụng cảm biến kiểu Hall

để đo vị trí của tay ga theo sự biến thiên từ trƣờng. Hình 2.13 là sơ đồ nguyên lý
hoạt động của cảm biến kiểu Hall sử dụng để đo vị trí tay ga.


Hình 2.12: Hiệu ứng Hall
1-Electron; 2-Thanh Hall; 3-Nam châm vĩnh cửu; 4-Từ
trường; 5-Nguồn điện

24

Điện áp cung cấp cho cảm biến là điện áp một chiều +5V, đầu OUT chính là
tín hiệu điện áp ra của cảm biến. Điện áp này thay đổi tùy theo vị trí của cảm biến
trong từ trƣờng. Khi thay đổi vị trí của tay ga (vành tròn) thì vị trí của cảm biến Hall
trong từ trƣờng sẽ thay đổi, và điện áp đầu ra của cảm biến sẽ thay đổi trong một dải
giá trị nhất định. Giá trị điện áp này sẽ đƣợc đƣa vào một bộ chuyển đổi ADC của
vi điều khiển trung tâm và lƣu trữ vào thẻ nhớ. Dựa vào giá trị điện áp thay đổi đọc
đƣợc sẽ biết đƣợc vị trí tay ga tƣơng ứng trong các trƣờng hợp xe chuyển động trên
đƣờng.

Hình 2.14: Bố trí cảm biến vị trí tay ga trên xe
Hình 2.13: Sơ đồ nguyên lý và cấu tạo cảm biến kiểu Hall trên tay ga điện
25

V. Thiết kế bộ thu thập và lƣu trữ dữ liệu
5.1. Các yêu cầu đối với bộ thu thập và lƣu trữ dự liệu
Bộ thu thập và lƣu trữ dự liệu cần đáp ứng đƣợc các yêu cầu sau:
- Bộ thu thập dữ liệu phải thu thập đƣợc 5 dữ liệu (độ mở bƣớm ga, vị trí chân
số, phanh, số vòng quay động cơ, vận tốc xe),
- Bộ thu thập dữ liệu có thể lƣu trữ đƣợc thông tin các dữ liệu thu thập theo
các thời điểm cụ thể.

- Bộ thu thập dữ liệu có khả năng thông báo cho ngƣời sử dụng biết trạng thái
hoạt động của việc ghi dữ liệu để kịp thời phát hiện hƣ hổng và điều chỉnh.
Việc lựa chọn vi điều khiển phụ thuộc vào yếu tố này, vi điều khiển yêu cầu
phải có tối thiểu các chức năng sau :
- Có tính năng ngắt trong và ngoài (interrupt)
- Có chuyển đổi ADC, ghi nhận các tín hiệu điện áp
- Có giao tiếp SPI cho phép nạp chƣơng trình và giao tiếp với modul MMC
- Cho phép kết nối với thiết bị báo lỗi
- Cho phép kết nối với keypad
- Cho phép kêt nối với các cảm biến lấy tín hiệu.
- Chi phí thấp.
Hình 2.15: Đặc tính tay ga điện tử thí
nghiệm