TỔNG QUAN
Lý do chọn đề tài
Ngày nay, ngành công nghiệp ô tô đang phát triển mạnh mẽ với sự nỗ lực không ngừng của các kỹ sư, nhà khoa học và nhà thiết kế trong việc cải thiện tính năng tiện nghi, an toàn, kinh tế và bảo vệ môi trường Một trong những công nghệ điện tử tự động quan trọng nhất hiện nay là hệ thống giám sát áp suất lốp (TPMS), đóng vai trò thiết yếu trong việc nâng cao an toàn và hiệu quả kinh tế cho xe Vì vậy, nhóm chúng tôi đã quyết định thực hiện đề tài "Thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống TPMS".
Mục đích của đề tài
- Thiết kế được mô hình giám sát áp suất lốp trong thực tế, có cảnh báo trên giao diện điện thoại
- Làm cơ sở nghiên cứu cho việc phục vụ giảng dạy và ứng dụng vào thực tế
- Nâng cao kiến thức về điện cũng như khả năng lập trình điện tử
- Đánh giá khả năng vận hành của hệ thống
Tạo cơ hội cho sinh viên trải nghiệm thực hành thực tế, từ đó nâng cao khả năng báo cáo, thuyết trình và làm việc nhóm.
Giới hạn của đề tài
Nghiên cứu và đầu tư kỹ lưỡng từ nhiều nguồn tài liệu trong và ngoài nước, tài liệu đào tạo Toyota và tạp chí ô tô quốc tế đã giúp đề tài giới thiệu cấu tạo, nguyên lý hoạt động, cũng như ưu nhược điểm của hệ thống TPMS Mặc dù kiến thức thực tế còn hạn chế và thời gian thực hiện có giới hạn, đề tài đã hoàn thành việc thiết kế và chế tạo mô hình TPMS, đồng thời tiến hành đánh giá sản phẩm và phân tích kết quả thu được.
Phương pháp nghiên cứu
Trong quá trình thực hiện đồ án, kiến thức được đúc kết từ những hướng sau:
- Vận dụng kiến thức đã được học ở trên lớp và trong giai đoạn thực tập
- Tham khảo các sản phẩm TPMS trên thị trường
- Tận dụng các giáo trình, tài liệu, tạp chí nghiên cứu về TPMS
- Kết hợp quan sát và thực hành sữa chữa, kiểm tra trên mô hình
- Tham khảo ý kiến của thầy cô, bạn bè
Các bước thực hiện
- Nghiên cứu tổng quan, cơ sở lý thuyết về Tyre Pressure Monitoring System
- Thiết kế, thi công mô hình hệ thống Tyre Pressure Monitoring System
- Thực nghiệm, đánh giá sản phẩm nghiên cứu
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Giới thiệu về hệ thống TPMS
Trong bối cảnh Việt Nam hội nhập quốc tế, nền kinh tế phát triển và chất lượng cuộc sống được nâng cao, cơ sở hạ tầng cần đáp ứng các nhiệm vụ mới, trong đó ô tô đóng vai trò quan trọng trong việc phục vụ nhu cầu di chuyển và giải trí của người dân Công nghệ an toàn kỹ thuật trên xe ngày càng được người tiêu dùng quan tâm, với nhiều giải pháp hiện đại giúp cải thiện sự an toàn khi lái xe Các công nghệ ô tô không chỉ đảm bảo an toàn cho người sử dụng mà còn giúp xe trở nên thông minh hơn Hệ thống giám sát áp suất lốp (TPMS) là một trong những công nghệ an toàn hiện đại và hữu ích nhất hiện nay.
Lốp xe đóng vai trò quan trọng trong hệ thống truyền động, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng di chuyển trong các điều kiện đường khác nhau Việc bơm lốp xe không đúng áp suất, quá ít hoặc quá nhiều, sẽ làm giảm áp suất lốp xuống dưới mức tiêu chuẩn, dẫn đến lốp không phẳng khi tiếp xúc với mặt đường và gây ra tình trạng mòn nhanh.
Áp suất không đồng đều giữa các lốp xe có thể gây ra lực cản khác nhau giữa lốp trái và lốp phải, dẫn đến hiện tượng xe bị lạng sang một bên Khi bề mặt lốp bị mòn, việc di chuyển trong điều kiện thời tiết mưa hoặc đường ướt sẽ dễ gây trơn trượt Đặc biệt, vào những ngày nắng nóng, lốp xe nhanh chóng nóng lên do nhiệt độ mặt đường cao và ma sát, làm cho không khí bên trong lốp nở ra và tăng áp suất.
Lốp xe bị mòn không chỉ giảm chất lượng mà còn có nguy cơ nổ khi chịu áp suất cao, gây mất an toàn Áp suất lốp quá thấp làm tăng diện tích tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường, dẫn đến ma sát cao hơn, khiến động cơ phải hoạt động mạnh hơn, từ đó tiêu hao nhiên liệu tăng và gây biến dạng cho lốp như méo, phình hoặc mòn không đều Ngược lại, lốp xe có áp suất quá cao cũng có thể gây ra nguy hiểm khi lái xe.
Lốp xe quá căng có thể gây ra cảm giác khó chịu và dẫn đến tình trạng mòn giữa lốp nhanh chóng do tải trọng cao, làm giảm tuổi thọ của lốp Để tiết kiệm nhiên liệu và đảm bảo an toàn khi lái xe, việc điều chỉnh áp suất lốp phù hợp là rất quan trọng Duy trì áp suất lốp chính xác không chỉ đảm bảo an toàn trong suốt quá trình di chuyển mà còn là yếu tố then chốt để hệ thống lái và hệ thống phanh hoạt động hiệu quả.
Việc kiểm soát áp suất lốp là rất quan trọng, do đó, trang bị hệ thống giám sát áp suất lốp (TPMS) trên xe là cần thiết Hệ thống này giúp cảnh báo người lái khi có ít nhất một lốp bị giảm áp suất, có thể dẫn đến nguy hiểm Một số TPMS còn theo dõi nhiệt độ lốp, cung cấp thông tin về áp suất thực tế hoặc cảnh báo bằng đèn hiệu.
Hình 2.1: Sơ đồ bố trí TPMS trên xe
TPMS, hay Hệ thống Giám sát Áp suất Lốp, là một công nghệ điện tử giúp theo dõi áp suất không khí trong lốp ô tô Hệ thống này sẽ cảnh báo người lái bằng đèn tín hiệu khi áp suất lốp giảm xuống dưới 25% so với mức tiêu chuẩn Hầu hết các nhà sản xuất ô tô hiện nay đều trang bị TPMS cho các mẫu xe của họ.
Ký hiệu cảnh báo màu vàng hình móng ngựa với dấu chấm than ở giữa xuất hiện trên đồng hồ đo áp suất, cho biết rằng áp suất của ít nhất một trong bốn bánh xe không đạt yêu cầu.
Hình 2.2: Ký hiệu cảnh báo trên bảng đồng hồ khi áp suất không đạt
Cảm biến áp suất lốp (TPMS) giúp người lái dễ dàng theo dõi tình trạng lốp xe, nâng cao an toàn bằng cách hạn chế nguy cơ nổ lốp, bảo vệ cả hành khách và tài sản Khi lốp bị xì, hệ thống TPMS thông báo cho người lái về mức áp suất, đảm bảo lốp luôn trong định mức an toàn.
2.1.2 Lịch sử phát triển TPMS
Hệ thống cảnh báo áp suất lốp TPMS đã trở nên phổ biến trên ô tô bên cạnh hệ thống chống bó cứng phanh ABS TPMS lần đầu tiên xuất hiện trên chiếc Porsche 959 vào năm 1986 và sau đó được các thương hiệu xe sang như BMW, Audi, và Mercedes áp dụng Tuy nhiên, trong giai đoạn đầu, TPMS chưa nhận được sự quan tâm đáng kể từ các nhà sản xuất ô tô trong việc nghiên cứu và phát triển.
Hình 2.3: Porsche 959 (1986) chiếc xe đầu tiên trang bị hệ thống TPMS
Hệ thống giám sát áp suất lốp (TPMS) đã trải qua nhiều cải tiến và phát triển, với cột mốc quan trọng bắt đầu từ cuối những năm 1990 Cụ thể, vào năm 1996, hãng Renault đã tiên phong trong việc áp dụng hệ thống PAX-Michelin, đánh dấu bước ngoặt trong công nghệ TPMS.
1999 PSA Peugeot Citroởn quyết định ỏp dụng TPMS làm hệ thống tiờu chuẩn trờn Peugeot
Cuối thế kỷ 20, Mỹ ghi nhận nhiều vụ tai nạn giao thông do nổ lốp Theo thống kê của Cục An toàn Giao thông Vận tải Hoa Kỳ (NHTSA), 1 trong 11 vụ tai nạn liên quan đến áp suất lốp không đạt tiêu chuẩn, chiếm 9% tổng số vụ tai nạn giao thông.
Vào năm 1999, sự việc trở nên nghiêm trọng khi chiếc Ford Explorer sử dụng lốp Firestone thường xuyên gặp sự cố Theo thống kê của NHTSA, vụ va chạm liên quan đến Ford Explorer lắp lốp Firestone đã khiến gần 200 người thiệt mạng và gần 3.200 người bị thương trong một năm Cả Firestone và Ford đều bị đưa ra tòa, nhưng họ lại đổ lỗi cho nhau Cuối cùng, Firestone đã phải thu hồi 6,5 triệu lốp, trong khi doanh số của Ford giảm mạnh trong những năm tiếp theo.
Vào năm 2000, chính phủ Hoa Kỳ đã ban hành "Đạo luật TREAD" dưới sự ký kết của Tổng thống Clinton, nhằm kiểm soát các sản phẩm bị lỗi Luật này yêu cầu các nhà sản xuất ô tô phải cung cấp thông tin đầy đủ và chính xác về sản phẩm của họ.
Khi phát hiện sản phẩm bị lỗi, việc thu hồi cần được thực hiện nghiêm ngặt, không chỉ trong nội địa mà còn ở cả nước ngoài Các hãng sản xuất phải chịu trách nhiệm pháp lý và báo cáo các trường hợp thương tích hoặc tử vong liên quan đến sản phẩm của họ Kể từ năm 2008, chính phủ Hoa Kỳ đã siết chặt quy định về an toàn, yêu cầu tất cả các phương tiện, bao gồm xe du lịch, xe bán tải (trọng tải dưới 14.000 lbs.) và xe tải sản xuất sau năm 2008, phải được trang bị hệ thống cảnh báo áp suất lốp.
Phân loại TPMS
Theo nguyên lý hoạt động, hệ thống cảnh báo áp suất lốp được chia làm hai loại: loại trực tiếp (dTPMS) và loại gián tiếp (iTPMS)
2.2.1 Hệ thống TPMS trực tiếp Đúng như cách gọi của nó, hệ thống giám sát áp suất lốp trực tiếp (dTPMS) đo áp suất của các bánh xe thông qua các cảm biến được đặt trong một van được thiết kế đặc biệt gọi là van đo áp suất lốp Hệ thống này cũng có một thiết bị báo chỉ số áp suất lốp thông qua sóng vô tuyến (ở 433MHz hoặc 315MHz) và hiển thị nó trên đồng hồ đo cho người lái Hệ thống giám sát áp suất lốp gửi tất cả dữ liệu này trực tiếp đến một mô-đun điều khiển trung tâm, nơi nó phân tích, diễn giải và xác định xem áp suất lốp có thấp hơn áp suất cần thiết hay không nên dữ liệu sẽ được gửi trực tiếp đến bảng điều khiển của bạn, nơi đèn báo sẽ sáng Mỗi cảm biến có một số sê-ri duy nhất Hệ thống không chỉ phân biệt giữa chính nó và các hệ thống khác trên xe mà còn giữa các giá trị áp suất cho từng lốp xe riêng Van cảm biến áp suất lốp gắn trên bánh xe được chạy bằng pin chất lượng cao, tuổi thọ rất cao 5- 7 năm hoặc tùy theo số km xe chạy
Hình 2.4: TPMS loại trực tiếp
Nhiều nhà sản xuất ô tô áp dụng công nghệ độc quyền để phát triển hệ thống TPMS riêng biệt, do đó, việc thay thế TPMS cho xe của bạn cần có sự can thiệp của một kỹ thuật viên có chuyên môn cao.
2.2.1.1 Van cảm biến áp suất lốp
Cảm biến TPMS hiện đại trên ô tô sử dụng pin để đo áp suất và nhiệt độ bên trong lốp Những cảm biến này được trang bị mạch phát RF, cho phép truyền tải dữ liệu về áp suất và nhiệt độ một cách hiệu quả.
TPMS được thiết kế với mục tiêu tiết kiệm năng lượng tối đa để kéo dài tuổi thọ pin, sử dụng mạch công suất rất thấp và truyền dữ liệu hiệu quả Công suất tiêu thụ của TPMS chỉ khoảng 250 µW Hệ thống này bao gồm hai loại cảm biến áp suất lốp: van cảm biến trong và van cảm biến ngoài.
2.2.1.1.1 Van cảm biến gắn trong
Hình 2.5: Van cảm biến gắn trong
Van cảm biến áp suất lốp được lắp bên trong lốp, bên ngoài không khác gì so với van bình thường Để phân biệt, bạn có thể lắc đế van; nếu đế van làm bằng kim loại, đó là van cảm biến, còn nếu làm bằng cao su, thì đó là van thông thường.
Hình 2.6: Cấu tạo của van cảm biến gắn trong Ưu điểm:
Cảm biến áp suất lốp van trong có ưu điểm nổi bật là các van cảm biến được giấu kín bên trong lốp xe, giúp tăng cường an toàn cho trẻ em hiếu động và ngăn chặn hành vi phá hoại, trộm cắp.
Đầu van lồi ra được thiết kế để thay thế van lốp cũ, cho phép bơm hơi cho lốp một cách dễ dàng như khi chưa lắp cảm biến Việc bơm căng lốp không khó khăn như van ngoài, chỉ cần sử dụng cờ lê để mở van.
• Pin khá trâu, dùng được 4-5 năm mới phải thay
• Về hình thức thì gọn gàng, đẹp
• Cần tháo lốp để lắp van cảm biến, mất nhiều thời gian ra lốp
• Cần cân bằng động sau khi lắp van
• Không thể tự kiểm tra, thay pin được (cần đi garage)
• Bạn nên nhắc thợ thay lốp cẩn thận, vì đôi khi thợ thiếu kinh nghiệm không biết rằng có van TPMS bên trong
2.2.1.1.2 Van cảm biến gắn ngoài
Hình 2.7: Van cảm biến gắn ngoài
Giống như nắp chụp van ô tô, thiết bị này dễ dàng lắp đặt mà không cần tháo lốp, chỉ cần vặn vào đầu van Một số loại cảm biến van ngoài còn được trang bị tính năng chống trộm, mang lại sự an tâm cho người sử dụng.
Hình 2.8: Cấu tạo van cảm biến gắn ngoài Ưu điểm
• Không cần tháo lốp để lắp van cảm biến nên ai cũng có thể làm được
• Không cần cân bằng động sau khi lắp van
• Không cần can thiệp vào xe
• Có thể tự thay pin cảm biến
• Các đầu cảm biến được lắp trực tiếp bên ngoài van lốp Vì vậy mà những kẻ nghịch ngợm có thể phá hủy và đánh cắp chúng
• Việc bơm lốp phức tạp hơn, mất nhiều thời gian hơn do phải vặn mở đầu van bằng cờ lê chuyên dụng
• Pin có tuổi thọ khoảng 2 năm ngắn hơn so với loại cảm biến van gắn trong
• Hình dạng thì lộn xộn hơn so với cảm biến được đặt trong lốp
• Độ chính xác thấp hơn so với lốp gắn cảm biến van gắn trong do ảnh hưởng từ môi trường
Khi bơm hơi cho lốp, việc xác định áp suất lốp chính xác trở nên khó khăn nếu van đã bị tháo ra Mặc dù có đồng hồ trên máy bơm ô tô, nhưng việc này vẫn không đảm bảo độ chính xác trong quá trình bơm.
12 thông thường áp suất thực tế hiển thị trên màn hình cảm ứng sau khi bơm căng cả 4 bánh xe vẫn không đồng đều
Van xe thường được làm bằng cao su, và khi lắp van ngoài vào van lốp, cần vặn vít chắc chắn để tránh cháy ren Tuy nhiên, trong quá trình bơm, có nguy cơ làm hỏng van cao su của lốp.
• Khi lốp đi vào đường hẹp, có chướng ngại vật hai bên, lốp gần thành có thể làm hỏng van và rách cao su đế van
Hình 2.9: So sánh ưu nhược điểm của cảm biến áp suất lốp van trong và van ngoài
Cảm biến van ngoài có nhiều nhược điểm, trong khi cảm biến áp suất lốp van trong lại thể hiện nhiều ưu điểm vượt trội Thực tế cho thấy, mức tiêu thụ cảm biến áp suất lốp van ngoài đã giảm đáng kể trong những năm gần đây, trong khi van trong đang chiếm ưu thế trên thị trường Sự thay đổi trong nhu cầu tiêu thụ giữa hai loại van cảm biến này cho thấy sự đa dạng trong lựa chọn, tuy nhiên, quyết định sử dụng van ngoài hay van trong vẫn phụ thuộc vào nhu cầu, sở thích và khả năng tài chính của từng cá nhân.
2.2.1.2 Màn hình hiển thị áp suất lốp
Tất cả các cảm biến áp suất lốp (TPMS) đều được trang bị màn hình hiển thị để theo dõi áp suất Màn hình này sử dụng năng lượng từ pin xe hoặc nguồn điện của xe Đối với loại màn hình chạy bằng pin, người dùng có thể sạc qua bộ sạc tẩu, sạc bên ngoài hoặc sử dụng năng lượng từ các tấm pin mặt trời.
Một số hệ thống cảm biến lốp TPMS không có màn hình hiển thị riêng, mà thay vào đó kết nối với màn hình tích hợp của đĩa, như màn hình công tơ mét ODO, màn hình Android hoặc DVD Wince Chúng cũng có thể cho phép người dùng xem thông tin qua điện thoại hoặc thiết bị hiển thị như đồng hồ thông minh Ví dụ, mẫu cảm biến i3 cho phép theo dõi áp suất lốp trong khi bơm và có thể được cấu hình hoàn toàn trên điện thoại.
Hình 2.10: Một số kiểu màn hình hiển thị áp suất lốp
2.2.1.3 Cục xử lý trung tâm
Bộ phận xử lý trung tâm có nhiệm vụ giao tiếp với các van cảm biến và truyền tải thông tin đến màn hình Trong các hệ thống có màn hình tích hợp, bộ phận xử lý tín hiệu được tích hợp trong bo mạch của màn hình Đối với các hệ thống sử dụng màn hình rời, cục xử lý tín hiệu hoạt động tương tự.
Hình 2.11 Một số bộ xử lý trung tâm 2.2.2 Hệ thống TPMS gián tiếp
TPMS gián tiếp là hệ thống cảm biến áp suất lốp không sử dụng phương pháp vật lý để đo áp suất Thay vào đó, nó dựa vào cảm biến bánh xe được tích hợp trong hệ thống chống bó cứng phanh, đo lường tốc độ vòng quay của từng bánh Hệ thống này so sánh tốc độ của các bánh với nhau và với các thông số hoạt động khác của xe như vận tốc để xác định tình trạng áp suất lốp.
Ưu nhược điểm của TPMS
Khi đánh giá Hệ thống giám sát áp suất lốp (TPMS), việc xem xét các ưu và nhược điểm của từng loại TPMS là rất quan trọng để lựa chọn phù hợp với nhu cầu Hiểu rõ những nhược điểm này sẽ giúp các chuyên gia và chủ xe tránh được những cạm bẫy của công nghệ này, từ đó đưa ra quyết định thông minh hơn khi đầu tư vào hệ thống TPMS.
2.3.1 Ưu nhược điểm của TPMS trực tiếp
Hình 2.12: Ưu điểm TPMS trực tiếp
• Cung cấp thông tin áp suất lốp chính xác từ bên trong lốp
• Không bị ảnh hưởng bởi việc thay hoặc hoán đổi lốp
• Có thể hiệu chỉnh lại sau mỗi lần thay hoặc hoán đổi lốp
• Pin cảm biến thường có tuổi thọ khoảng 10 năm
• Chúng có thể được coi là phụ tùng của xe
• Nhìn chung, chi phí cao hơn TPMS gián tiếp
• Mặc dù đơn giản, việc đồng bộ hóa lại hệ thống đòi hỏi các công cụ đắt tiền
• Pin thường không thể tái sử dụng, vì vậy khi chúng chết, toàn bộ cảm biến phải được thay thế
• Việc lắp đặt và bảo trì và thay thế là một vấn đề mất nhiều thời gian và khó khăn đối với khách hàng và kỹ thuật viên
• Cảm biến dễ hỏng trong quá trình lắp đặt và tháo gỡ
2.3.2 Ưu nhược điểm của TPMS gián tiếp
• Giá thành rẻ hơn so với TPMS trực tiếp
• Ít phải bảo dưỡng và cài đặt qua thời gian hơn TPMS trực tiếp
• Ít bảo trì lắp đặt hơn TPMS trực tiếp
Hình 2.13: Ưu điểm TPMS gián tiếp
• Có thể không cho kết quả chính xác nếu bạn mua phải loại lốp lớn hoặc nhỏ hơn
• Có thể không chính xác nếu các lốp bị mòn không đều
• Phải thiết lập lại sau mỗi lần điều chỉnh áp suất từng lốp
• Phải cài đặt lại mỗi lần đảo lốp
Lý do ô tô nên trang bị cảm biến áp suất lốp TPMS
• Kiểm tra và duy trì áp suất lốp chính xác
Bằng mắt thường và khi sờ vào lốp, rất khó để nhận biết sự thay đổi của áp suất và nhiệt độ, trừ khi lốp bị bơm căng quá 25% Theo thống kê tại Mỹ, năm
Năm 2002, nước Mỹ ghi nhận 260.000 vụ tai nạn đường bộ liên quan đến lốp xe, chiếm 70% tổng số vụ tai nạn ô tô Nguyên nhân chính gây nổ lốp khi xe đang di chuyển là do lốp quá mềm (57%), tiếp theo là áp suất lốp quá cao (20%), và phần còn lại do vật sắc nhọn đâm thủng.
Khi lốp quá mềm, diện tích tiếp xúc với mặt đường tăng, dẫn đến ma sát cao hơn và nhiệt độ lốp tăng lên Điều này làm hỏng liên kết giữa các miếng đệm, cuối cùng gây ra hiện tượng thủng lốp.
Nếu lốp xe quá căng, các sợi đay sẽ chịu lực kéo lớn, đặc biệt khi lốp tiếp xúc với mặt đường hoặc khi lái xe trên đường không bằng phẳng, điều này có thể dẫn đến tình trạng xì lốp.
• Giảm thiệt hại khi áp suất lốp không đạt tiêu chuẩn
Lốp mềm xảy ra khi áp suất trong lốp thấp hơn tiêu chuẩn từ 0.40 đến 0.60 bar trong thời gian dài, dẫn đến tuổi thọ lốp giảm từ 25% đến 50% và khả năng chịu tải của xe giảm khoảng 100 kg nếu áp suất giảm 0.50 bar Ngược lại, nếu áp suất lốp cao hơn 25% so với tiêu chuẩn, tuổi thọ lốp cũng bị giảm từ 15% đến 20%.
Ít nhất 45% ô tô hiện nay đang sử dụng lốp không đạt tiêu chuẩn do việc kiểm tra áp suất lốp bằng mắt và tay không chính xác, cùng với việc sử dụng đồng hồ đo gây bất tiện và tốn thời gian Vấn đề này có thể được khắc phục hiệu quả nhờ vào việc trang bị cảm biến áp suất lốp, thiết bị này giúp hiển thị áp suất của từng bánh xe trực tiếp trên đồng hồ, tạo điều kiện thuận lợi cho việc theo dõi và kiểm tra Hơn nữa, người dùng sẽ nhận được cảnh báo kịp thời nếu áp suất lốp không đạt yêu cầu, đặc biệt trong trường hợp lốp xe bị xẹp.
• Cảm biến áp suất lốp giúp tiết kiệm năng lượng
Áp suất lốp thấp dẫn đến ma sát tăng với mặt đường, gây tiêu hao năng lượng Hệ thống giám sát áp suất lốp (TPMS) giúp duy trì áp suất lốp ở mức tiêu chuẩn, từ đó tiết kiệm 1-2% nhiên liệu so với khi sử dụng lốp xẹp.
• TPMS ngăn ngừa hư hỏng bất thường của lốp
Lốp xe bị căng quá mức có thể dẫn đến phản ứng mặt đường gia tăng, gây sốc quá mức và làm mỏi lò xo giảm xóc cùng các chi tiết chịu lực trong hệ thống treo Hệ thống giám sát áp suất lốp (TPMS) sẽ giúp kiểm soát và giảm thiểu những nguy hiểm này.
Đánh giá hệ thống TPMS hiện đang được trang bị trên các hãng xe ngày nay
Hệ thống TPMS hiện nay không chỉ xuất hiện trên xe cao cấp mà còn được trang bị cho các dòng xe bình dân Tất cả các nhà sản xuất ô tô lớn trên toàn cầu đều phát triển hệ thống TPMS dựa trên những nguyên tắc chung Tuy nhiên, mỗi công ty lại áp dụng những phương pháp riêng để tạo ra phong cách độc đáo và riêng biệt cho sản phẩm của mình.
Hình 2.14: TPMS trên Huyndai Tucson
Hình 2.15: TPMS trên Toyota Lexus
Hình 2.16: TPMS trên Ford Everest
Các hãng xe hiện nay thường sử dụng hệ thống TPMS loại trực tiếp, cho phép theo dõi áp suất của cả 4 lốp xe và hiển thị thông tin trên màn hình cùng lúc Chủ xe có thể dễ dàng xem thông số áp suất chi tiết cho từng bánh, với cảm biến nhạy bén cập nhật dữ liệu theo thời gian thực Điều này không chỉ giúp hạn chế nguy cơ nổ lốp mà còn tiết kiệm nhiên liệu, tăng tuổi thọ lốp xe và giảm chi phí bảo trì.
Cơ sở lí thuyết truyền dữ liệu không dây
2.6.1 Cách thức truyền dữ liệu qua bluetooth
Bluetooth là công nghệ truyền dữ liệu không dây, cho phép trao đổi thông tin giữa các thiết bị điện tử trong khoảng cách ngắn Nó hỗ trợ kết nối giữa các thiết bị di động như điện thoại, máy tính bảng, và laptop, cũng như với các thiết bị cố định mà không cần sử dụng dây cáp.
Hình 2.17: Bluetooth truyền dữ liệu qua các thiết bị di động
Bluetooth hoạt động trên tần số sóng vô tuyến 2,4 GHz, giống như công nghệ Wi-Fi, nhưng không gây mâu thuẫn vì Bluetooth sử dụng tần số bước sóng ngắn hơn.
Bluetooth là một tiêu chuẩn điện tử bắt buộc mà các nhà sản xuất phải tuân thủ để tích hợp tính năng này vào sản phẩm của họ Những thông số kỹ thuật này đảm bảo khả năng khám phá và tương tác giữa các thiết bị sử dụng công nghệ Bluetooth.
Tính năng nổi bật nhất của Bluetooth có lẽ là khả năng truyền tệp, nhưng nó còn nhiều ứng dụng khác Các ứng dụng Bluetooth đáng chú ý bao gồm:
Điều khiển không dây giúp kết nối hiệu quả giữa điện thoại di động và tai nghe không dây, mang lại trải nghiệm âm thanh tiện lợi Hơn nữa, mạng không dây giữa các PC có thể hoạt động mượt mà ngay cả trong không gian hạn chế, đảm bảo sự linh hoạt và tiện ích trong việc chia sẻ dữ liệu.
• Giao tiếp không dây với các thiết bị đầu vào và đầu ra của máy tính như chuột, bàn phím và máy in
Thay thế giao tiếp nối tiếp có dây truyền thống giữa các thiết bị như đồng hồ đo, thiết bị định vị, thiết bị y tế, máy quét mã vạch và thiết bị kiểm soát giao thông bằng công nghệ hiện đại giúp nâng cao hiệu suất và tính linh hoạt trong việc truyền tải dữ liệu.
• Thay thế điều khiển hồng ngoại
• Gửi tệp giữa các thiết bị hỗ trợ Bluetooth khác
• Điều khiển từ xa cho máy trò chơi điện tử
• Kết nối Internet cho máy tính với điện thoại di động thay vì modern
Hình 2.18: Ứng dụng của Bluetooth
2.6.1.3 Ưu và nhược điểm của công nghệ Bluetooth Ưu điểm
• Thay thế hoàn toàn dây cáp
• Hoàn toàn không gây hại cho sức khỏe
• Bảo mật với công nghệ mã hóa nội bộ Khi đã kết nối, khó có thiết bị nào có thể do thám hoặc đánh cắp dữ liệu
• Các thiết bị có thể kết nối trong bán kính 20m mà không cần đối diện nhau (hiện tại kết nối Bluetooth lên đến 100m)
• Kết nối điện thoại và tai nghe Bluetooth giúp bạn dễ dàng nghe khi đang lái xe hoặc đang làm việc
• Tiêu thụ điện năng thấp, 0,3 mAh ở chế độ chờ, lên đến 30 mAh ở chế độ truyền dữ liệu
• Không gây nhiễu cho các thiết bị không dây khác
• Khả năng tương thích cao cần được hỗ trợ bởi nhiều nhà sản xuất phần cứng và phần mềm
• Tốc độ thấp, tối đa khoảng 720 kbps
• Khả năng bắt sóng kém khi có vật thể
• Thời gian thiết lập lâu
Kết nối không dây đã trở thành một phần thiết yếu trong cuộc sống hiện đại, cung cấp sự tiện lợi cho người dùng thiết bị di động Mặc dù chưa hoàn hảo, công nghệ này vẫn mang lại nhiều hỗ trợ thiết thực Trong thời kỳ 4.0, bạn sẽ thấy kết nối không dây không chỉ xuất hiện ở các thiết bị điện tử mà còn được áp dụng rộng rãi trong các thiết bị điện gia dụng, nhằm tối ưu hóa trải nghiệm và đáp ứng nhu cầu của con người.
2.6.2 Cách thức truyền dữ liệu qua sóng RF
Sóng RF, hay Radio Frequency, là sóng siêu âm vô tuyến điện với tần số bức xạ điện từ trường thấp nhất trong quang phổ Công nghệ RF được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực truyền hình, phát thanh và máy bộ đàm cầm tay.
2.6.2.2 Cấu tạo cách thức giao tiếp sóng RF
Dễ thấy 2 phần chính trong sơ đồ này là khối phát (Transmitter) – phát đi tín hiệu RF
Và khối thu (Receiver) – thu lại một phần tín hiệu RF
Khối phát truyền tín hiệu tới khối thu qua một kênh sóng vô tuyến (Communication Channel) trong không gian
Hình 2.19: Sơ đồ máy thu và máy phát sóng RF (Sơ đồ RF)
Có 3 kiểu liên lạc phổ biến:
• Simplex (Đơn công VD: Remote điều khiển từ xa)
• Half-duplex (Bán song công VD: Bộ đàm, tại một thời điểm chỉ có một máy phát và một máy thu)
• Full-duplex (Song công VD: Máy điện thoại vừa phát vừa thu – vừa nói vừa nghe)
Do mỗi đầu chỉ sử dụng 1 anten (vừa phát, vừa thu hoặc chỉ để phát hay thu) nên cũng nói thêm về sơ đồ của những loại này:
Kiểu liên lạc đơn công, đây chính là kiểu liên lạc của các remote xe hơi, remote cửa cuốn v…
Cái remote chứa mạch phát tín hiệu chỉ phát RF, còn xe hơi hay cái môtơ chứa mạch chỉ thu RF (Rx-Receiver)
Hình 2.20: Phương thức truyền sóng Simplex – Đơn công
Phương thức half-duplex yêu cầu mỗi bên phải có khối phát (Tx) và khối thu (Rx), đồng thời cần một thiết bị chuyển mạch, chẳng hạn như nút bấm để nói trên bộ đàm.
Hình 2.21: Phương thức Half duplex – Bán song công
Với phương thức full-duplex (Song công) thì mạch điện bên trong hơi phức tạp hơn một tí Cần có bộ điều hướng anten gọi là Circulator
Bộ này có chức năng truyền tín hiệu từ bộ phát Tx lên anten để bức xạ ra không gian, đồng thời thu nhận tín hiệu và chuyển vào bộ thu Rx mà không gây nhiễu lẫn nhau.
Hình 2.22: Phương thức truyền sóng Full Duplex – Song công
2.6.2.3 Nguyên lý làm việc của những khối chức năng
Hình 2.23: Sơ đồ khối phần phát Tx
Low frequency information signals, such as voice or remote control commands, are transmitted alongside high frequency carrier waves to a modulator.
Sau khi điều chế, tín hiệu được đưa lên tầng khuếch đại (Amplifier) để phát ra không gian thông qua anten Đối với các thiết bị phát đơn giản như remote, cả quá trình điều chế và khuếch đại thường được thực hiện trong một linh kiện duy nhất, thường là một transistor.
Hình 2.24: Sơ đồ khối phần thu Rx
Tại đầu thu Rx, tín hiệu RF 433Mhz sau khi truyền qua khoảng không gian vào anen đã bị suy giảm sức mạnh và cần được khuếch đại Qua mạch khuếch đại, tín hiệu trở nên đủ rõ ràng để tiếp tục qua bộ giải điều chế (Demodulator).
Sóng mang tần số thích hợp loại bỏ tín hiệu thông tin tần số thấp, sau đó tín hiệu này được khuếch đại (Amplifier) đến mức đủ lớn để có thể giao tiếp hiệu quả đến đầu ra.
2.6.2.4 Ứng dụng của sóng RF
• Sử dụng cho dữ liệu không dây
• Truyền giọng nói, tự động hóa gia đình
• Ứng dụng định hướng ngành
2.6.2.5 Ưu và nhược điểm Ưu điểm
• Hoạt động nhanh hơn và liên tục trong khoảng cách xa hơn so với sóng IR
• Tín hiệu RF có thể lan truyền ngay cả khi có vật cản giữa hệ thống truyền và nhận
• Quy trình giao tiếp khá phức tạp
• Tốt hơn là sử dụng hệ thống dựa trên vi điều khiển
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG TPMS
Phương án thiết kế
Hệ thống cảnh báo áp suất lốp được chia thành hai loại: trực tiếp (dTPMS) và gián tiếp (iTPMS) Với những ưu điểm vượt trội và tính chính xác cao, hệ thống TPMS trực tiếp đã trở thành lựa chọn phổ biến, dẫn đến quyết định thiết kế và chế tạo TPMS loại trực tiếp.
Các bộ phận của mô hình
Hình 3.1: Sơ đồ mô hình
Sau khi hoàn tất việc lựa chọn và nghiên cứu các thiết bị linh kiện điện tử cho mô hình, nhóm chúng tôi đã tiến hành thiết kế mô hình với hai phần chính.
Khối phát dữ liệu trong bánh xe bao gồm Arduino Nano để xử lý dữ liệu, module phát dữ liệu NRF24L01 và cảm biến áp suất, nhiệt độ nhằm đo lường áp suất và nhiệt độ của lốp xe.
Khối thu dữ liệu trên taplo bao gồm các thành phần chính như module xử lý Arduino Nano, module nhận dữ liệu NRF24L01, LCD I2C để hiển thị dữ liệu áp suất và nhiệt độ, cùng với Bluetooth HC-05 giúp truyền dữ liệu lên điện thoại cho người dùng khi ở ngoài xe.
Dựa trên các khối thu và khối phát đã được liệt kê, nhóm đã xác định những linh kiện cần thiết cho việc thiết kế và chế tạo mô hình giám sát áp suất lốp xe (TPMS), được trình bày trong bảng 3.1 dưới đây.
Bảng 3.1: Các linh kiện cần thiết cho mô hình
Tên linh kiện Số lượng
Cảm biến áp suất (0 – 100 PSI) 1
Cảm biến nhiệt độ DS18B20 1
Module truyền nhận dữ liệu bluetooth HC-05 1 Module truyền phát dữ liệu NRF24L01 2
Màn hình hiển thị LCD I2C 1
Cảm biến áp suất là thiết bị giám sát áp suất với độ chính xác cao, giúp tiết kiệm chi phí và thời gian cho người dùng.
Hình 3.2: Cảm biếp áp suất
Cảm biến áp suất chất lỏng 30 có 3 chân kết nối, với điện áp đầu vào tiêu chuẩn 5V và điện áp đầu ra tuyến tính từ 0,5-4,5V Sản phẩm này tương thích với nhiều bộ vi điều khiển như Arduino và STM32, cùng khả năng phát hiện thiết bị hiệu quả.
• Thiết kế công nghệ bù chính xác, linh kiện nhạy cảm, ổn định và đáng tin cậy
• Sai số đầu ra nhỏ 0,5% FS, bao gồm lỗi phi tuyến tính, độ trễ và độ lặp lại
• Trọng lượng nhẹ và kích thước nhỏ, thuận tiện để lắp đặt và vận hành
• Thân cảm biến bằng thép không gỉ, nó có chức năng bảo vệ điện áp tăng áp hoàn chỉnh
• Được sử dụng rộng rãi trong bồn chứa dầu, bồn chứa nhiên liệu và bồn chứa Diesel hoặc để đo áp suất khí, nước hoặc không khí
• Phạm vi rộng, dễ dàng lắp đặt để đáp ứng nhu cầu của sử dụng khác nhau
• Module gồm 3 chân (Signal - VCC - GND)
• Dải đo áp suất: 0~1.6 Mpa
• Điện áp đầu vào: +5VDC
• Cấp độ chống nước: IP68
• Thời gian đáp ứng: