TỔNG QUAN
Lý do chọn đề tài
Công nghiệp ô tô Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ nhờ vào sự tiến bộ nhanh chóng của công nghệ ô tô và xu hướng hội nhập hiện nay.
Các nước phát triển đang tích cực tham gia vào cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, trong đó công nghệ thông tin và kết nối xe hơi qua Internet of Things (IoT) đóng vai trò quan trọng Những chiếc xe hơi được kết nối Internet có khả năng tự động truyền và nhận thông tin, giúp chúng ngày càng thông minh và có khả năng xử lý tình huống mà không cần sự can thiệp của con người Ngoài ra, xe hơi có thể giao tiếp với nhau và với các vật thể xung quanh, nhờ vào việc thu thập dữ liệu quan trọng Qua đó, xe sẽ tự chẩn đoán và phân tích để đảm bảo an toàn và ổn định Thêm vào đó, thông qua Internet, xe hơi có thể gửi và nhận thông tin về tình trạng kỹ thuật từ nhà sản xuất.
Trong bối cảnh cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, ứng dụng Internet of Things (IoT) đang trở thành một bước tiến quan trọng Việc thu thập dữ liệu trên xe cũng đóng vai trò thiết yếu trong quá trình này Chính vì vậy, nhóm chúng tôi đã quyết định nghiên cứu đề tài “Ứng dụng IoT để thu thập dữ liệu trên xe Toyota Camry 5S-FE”.
Chúng tôi hy vọng rằng đề tài này sẽ là động lực để nhóm nghiên cứu sâu hơn về công nghệ thông tin, đặc biệt là ứng dụng của IoT trong các xe hơi hiện đại và thông minh hiện nay.
Giới hạn đề tài
- Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình thu thập tín hiệu trên xe Toyota Camry 5S-FE
- Xử lý tín hiệu thu được thông qua ứng dụng của Arduino và sau đó gửi tín hiệu lên máy tính
Sử dụng phần mềm LabVIEW trên máy SERVER cho phép hiển thị tín hiệu từ máy tính được truyền đến bởi Arduino Dữ liệu tín hiệu này sau đó được truyền đi qua máy tính khác thông qua giao thức TCP/IP qua mạng Internet.
- Sử dụng hai Router Vigor2925 có hỗ trợ mở PORT qua đường hầm VPN để truyền dữ liệu
- Máy CLIENT nhận tín hiệu từ máy SERVER truyền đến xử lý và hiện thị chúng.
Mục tiêu và nhiệm vụ đề tài
Đọc và hiển thị các tín hiệu thu thập từ cảm biến và xung qua giao diện thực tế, đồng thời truyền tải chúng giữa hai máy tính qua mạng Internet.
- Tìm hiểu sử dụng được các ứng dụng cơ bản nhất của hai phần mềm Arduino và LabVIEW
- Ôn lại kiến thức chuyên ngành về điều khiển động cơ và các cảm biến có trên xe Toyota Camry 5S-FE 1997
- Lập trình chương trình thu thập tín hiệu được yêu cầu trên xe bằng Arduino
Thiết kế phần cứng là yếu tố quan trọng để đảm bảo an toàn trong việc kết nối board Arduino với các tín hiệu từ cảm biến và xung cần thu thập, nhằm truyền tải dữ liệu lên máy tính một cách hiệu quả.
- Tìm hiểu các ứng dụng của IoT sau đó ứng dụng vào đề tài
- Thiết kế giao diện phần mềm LabVIEW trên máy tính SERVER và CLIENT để hiển thị và truyền tín hiệu đi bằng giao thức TCP/IP qua mạng Internet.
Phương pháp thực hiện
Bài nghiên cứu bắt đầu từ việc khám phá các ứng dụng cơ bản của hai phần mềm Arduino và LabVIEW, sau đó tiến dần đến mục tiêu chính là thu thập tín hiệu trên xe.
Nhóm đã tham khảo nhiều nguồn tài liệu từ mạng và sách giáo trình liên quan đến phần mềm và giao tiếp của IoT Đặc biệt, sự hướng dẫn tận tình từ thầy và việc trao đổi kiến thức với các nhóm khác cùng các anh khóa trước đã giúp nhóm có đủ cơ sở kiến thức để thực hiện đề tài này.
Kế hoạch nghiên cứu
Với sự định hướng của giáo viên hướng dẫn, nhóm đã thực hiện đề tài theo các giai đoạn sau:
Giai đoạn 1: Nghiên cứu các tài liệu phần mềm liên quan đến đề tài
- Lập trình về Arduino làm các ứng dụng cơ bản có liên quan đến đề tài
- Lập trình về LabVIEW thực hiện hiển thị kết quả đơn giản
- Nắm cơ bản các hệ thống liên quan trên mạch điện xe Toyota Camry 5S-FE 1997
- Ôn lại kiến thức về hệ thống điều khiển động cơ và các cảm biến
Giai đoạn 2: Thiết kế phần cứng, phần mềm cho đề tài nghiên cứu và nghiên cứu IoT
- Thiết kế phần cứng là bộ thu tín hiệu và board Arduino
Thiết kế phần mềm bao gồm việc phát triển chương trình trên nền tảng Arduino nhằm thu thập dữ liệu một cách ổn định và hiển thị kết quả trên phần mềm LabVIEW của hai máy tính.
- Tìm hiểu về công nghệ IoT để sử dụng trong việc truyền tải dữ liệu
Giai đoạn 3: Tiến hành thu thập tín hiệu và viết thuyết minh
- Nổ máy xe và thực hiện thu thập và truyền dữ liệu
- Làm video về quá trình thực hiện kết quả đề tài thực nghiệm
- Viết thuyết minh bằng Word
- Viết báo cáo bằng Powerpoint để thuyết trình
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Lý thuyết cảm biến
2.1.1 Cảm biến vị trí bướm ga (Throttle position sensor)
Cảm biến bướm ga chuyển đổi góc mở thành tín hiệu điện áp gửi đến ECU, với phần lớn cảm biến sử dụng cấu trúc tuyến tính 3 dây Một số xe được trang bị cảm biến 4 dây để hỗ trợ công tắc vị trí không tải Các cảm biến này đảm nhiệm nhiều chức năng quan trọng trong hệ thống điều khiển động cơ.
Điều chỉnh tỉ lệ hỗn hợp nhiên liệu theo tải của động cơ là rất quan trọng Ở tốc độ cầm chừng, hỗn hợp hơi cần phải giàu để đảm bảo hiệu suất tối ưu Khi động cơ hoạt động ở tải lớn, việc làm giàu hỗn hợp là cần thiết để đạt công suất tối đa Đối với tải trung bình, cần điều chỉnh để động cơ hoạt động tiết kiệm nhiên liệu.
Khi giảm tốc, ECU sẽ sử dụng thông tin từ cảm biến số vòng quay động cơ và cảm biến vị trí bướm ga để ngắt nguồn cung cấp nhiên liệu, giúp tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
Khi ấn ga đột ngột từ vị trí cầm chừng, ECU sẽ cung cấp nhiều nhiên liệu hơn để làm giàu hỗn hợp, giúp động cơ tăng tốc nhanh chóng.
Mạch điện và cảm biến vị trí bướm ga
Hình 2.1: Cấu tạo và mạch điện cảm biến
Cảm biến xác định vị trí mở của cánh bướm ga hoạt động liên tục theo quy luật đường thẳng, mang lại độ chính xác cao hơn trong việc nhận biết góc mở của bướm ga.
Cảm biến bao gồm một điện trở và nhận nguồn điện áp 5V từ ECU, với con trượt di chuyển theo góc mở của cánh bướm ga Tín hiệu điện áp VTA từ con trượt gửi về ECU giúp xác định độ mở của cánh bướm ga Hình ảnh của cảm biến được hiển thị cả khi rời và lắp trên xe.
Hình 2.2: Cảm biến vị trí bướm ga
Hình 2.3: Đường đặc tuyến cảm biến vị trí bướm ga 2.1.2 Cảm biến nhiệt độ
Trong các hệ thống điều khiển động cơ và ô tô hiện đại, cảm biến đo nhiệt độ đóng vai trò quan trọng, bao gồm cảm biến nhiệt độ động cơ (ECT - Engine Coolant Temperature), nhiệt độ dầu (EOT - Engine Oil Temperature), nhiệt độ nắp máy (CHT - Cylinder Head Temperature) và nhiệt độ khí nạp (IAT - Intake Air Temperature hay MAT - Manifold Air Temperature).
Cảm biến nhiệt độ hoạt động dựa trên sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ, dẫn đến sự thay đổi điện áp ở cầu phân áp Điện trở nhiệt, được làm từ vật liệu bán dẫn với hệ số nhiệt điện trở âm (NCT), là phần tử chính cảm nhận sự thay đổi này Khi nhiệt độ tăng, điện trở giảm và ngược lại Mặc dù các loại cảm biến nhiệt độ khác nhau hoạt động theo nguyên lý tương tự, nhưng mức hoạt động và sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ có sự khác biệt.
Sự thay đổi giá trị điện trở sẽ làm thay đổi giá trị điện áp được gửi đến ECU trên nền tảng cầu phân áp
Cảm biến nhiệt độ động cơ (nhiệt độ nước làm mát):
Hình 2.4: Cảm biến nhiệt độ động cơ
Cảm biến này đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển lượng xăng phun, góc đánh lửa sớm, tốc độ không tải và quạt làm mát két nước thông qua tín hiệu gửi đến ECU Điện áp 5V được cung cấp qua điện trở chuẩn không đổi theo nhiệt độ đến cảm biến, sau đó trở về ECU qua mass (-) Sự kết hợp giữa điện trở chuẩn và nhiệt điện trở trong cảm biến tạo thành một cầu phân áp, và điện áp giữa cầu này được chuyển đổi thành tín hiệu số thông qua bộ chuyển đổi ADC (analog to digital converter).
Khi động cơ ở nhiệt độ thấp, điện trở cảm biến cao dẫn đến điện áp gửi đến bộ biến đổi ADC lớn Tín hiệu điện áp này được chuyển đổi thành xung vuông và được bộ vi xử lý giải mã, thông báo cho ECU rằng động cơ đang lạnh Ngược lại, khi động cơ nóng lên, điện trở cảm biến giảm, làm giảm điện áp, từ đó ECU nhận biết động cơ đang ở trạng thái nóng.
ECU dùng nhiệt độ chuẩn là 80 0 C Khi nhiệt độ nước làm mát bé hơn 80 0 C, ECU sẽ điều khiển tăng lượng phun
Khi nhiệt độ nước làm mát thay đổi, điện áp tại cực THW thay đổi theo và ECU dùng tín hiệu này để hiệu chỉnh lượng phun nhiên liệu
Hình 2.5: Mạch điện cảm biến nhiệt độ nước làm mát
Lượng nhiên liệu phun phụ thuộc lớn vào nhiệt độ nước làm mát Khi cảm biến bị hở mạch, điện áp tại cực THW tăng cao, dẫn đến lượng nhiên liệu phun gia tăng mạnh, khiến động cơ bị ngộp xăng và không thể hoạt động Ngược lại, khi cảm biến bị ngắn mạch, điện áp tại cực THW giảm thấp nhất, làm cho động cơ hoạt động không ổn định, đặc biệt là khi nhiệt độ động cơ dưới 80°C.
Bảng 2.1: Giá trị đặc tính cảm biến nhiệt độ nước làm mát
Hình 2.6: Đường đặc tính cảm biến nhiệt độ
Cảm biến nhiệt độ không khí nạp, THA hoặc TA, MAT:
Hình 2.7: Cảm biến nhiệt độ
Cảm biến nhiệt độ không khí nạp vào động cơ đóng vai trò quan trọng trong việc xác định mật độ không khí Mật độ này thay đổi theo nhiệt độ, ảnh hưởng trực tiếp đến khối lượng không khí được nạp vào động cơ Việc hiểu rõ mối liên hệ giữa nhiệt độ và mật độ không khí giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của động cơ.
Cảm biến được lắp đặt ở phía trước họng bướm ga, trong bộ đo gió hoặc trên đường ống nạp, với phần chính là một điện trở có trị số nhiệt điện trở âm ECU coi nhiệt độ 20°C là mức chuẩn, từ đó điều chỉnh lượng nhiên liệu phun: giảm khi nhiệt độ không khí nạp tăng cao và tăng khi nhiệt độ không khí dưới 20°C Phương pháp này giúp đảm bảo tỉ lệ hỗn hợp nhiên liệu theo nhiệt độ môi trường.
Hình 2.8: Mạch điện cảm biến khí nạp
Cảm biến nhiệt độ không khí hoạt động tương tự như cảm biến nhiệt độ động cơ, nó thu thập tín hiệu từ cầu phân áp với điện trở chuẩn trong ECU và nhiệt điện trở trên cảm biến.
Bảng 2.2: Giá trị đặc tính cảm biến nhiệt độ không khí nạp
Hình 2.9: Đường đặc tính cảm biến nhiệt độ không khí nạp
2.1.3 Cảm biến áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp
Cảm biến áp suất đường ống nạp là thiết bị quan trọng trong hệ thống EFI kiểu D, có chức năng đo lường áp suất trong ống nạp Cảm biến này được lắp đặt sau họng bướm ga, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của động cơ.
Điều khiển động cơ
Thời điểm đánh lửa sớm tối ưu của động cơ bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như hình dạng buồng cháy và nhiệt độ bên trong, bên cạnh tốc độ và độ chân không Do đó, bộ đánh lửa sớm chân không và ly tâm không thể tạo ra thời điểm lý tưởng cho động cơ Tuy nhiên, hệ thống đánh lửa sớm điện tử (Electronic Spark Advance - ESA) giúp động cơ gần đạt được đặc tính thời điểm đánh lửa lý tưởng, và hệ thống này đã được TOYOTA áp dụng trên chiếc Camry 1997 5S-FE.
So với các hệ thống đánh lửa trước đó, hệ thống đánh lửa với cơ cấu đánh lửa sớm bằng điện tử có những ưu điểm sau:
- Góc đánh lửa sớm được điều chỉnh tối ưu cho từng chế độ hoạt động của động cơ
Góc ngậm điện được điều chỉnh liên tục dựa trên tốc độ động cơ và hiệu điện thế của Accu, đảm bảo rằng hiệu điện thế thứ cấp luôn duy trì ở mức cao trong mọi thời điểm.
- Động cơ khởi động dễ dàng, cầm chừng êm dịu, tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm khí thải
- Công suất và đặc tính động học của động cơ được cải thiện rõ rệt
- Có khả năng điều khiển chống kích nổ cho động cơ
- Ít bị hư hỏng, có tuổi thọ cao và không cần bảo dưỡng
Hệ thống đánh lửa điện tử kết hợp với phun xăng đã hoàn toàn thay thế hệ thống đánh lửa bán dẫn truyền thống nhờ vào những ưu điểm vượt trội, đáp ứng yêu cầu ngày càng cao về độ độc hại của khí thải.
Hệ thống ESA sử dụng ECU động cơ để xác định thời điểm đánh lửa dựa trên tín hiệu từ các cảm biến khác nhau, giúp tối ưu hóa góc đánh lửa sớm Số lượng tín hiệu vào càng nhiều, độ chính xác trong việc xác định góc đánh lửa càng cao Hệ thống đánh lửa điện tử được chia thành ba thành phần chính: tín hiệu vào (input signals), ECU và tín hiệu điều khiển Igniter (output signals).
Hình 2.16: Sơ đồ khối điều khiển đánh lửa của ECU
1 Tín hiệu tốc độ động cơ (NE)
2 Tín hiệu vị trí piston (G)
4 Tín hiệu vị trí bướm ga (VTA)
5 Tín hiệu nhiệt độ nước làm mát (THW)
6 Tín hiệu điện áp Accu
Các tín hiệu vào từ cảm biến nhiệt độ khí nạp, cảm biến tốc độ xe và cảm biến oxy có vai trò quan trọng trong việc điều khiển động cơ ECU động cơ sẽ nhận các tín hiệu này và tính toán thời điểm đánh lửa tối ưu, được lưu trữ trong bộ nhớ để phù hợp với từng chế độ hoạt động của động cơ Sau đó, ECU gửi tín hiệu đánh lửa thích hợp đến IC đánh lửa để đảm bảo hiệu suất hoạt động tốt nhất.
Trong các tín hiệu ngõ vào, tín hiệu tốc độ động cơ, vị trí piston và tín hiệu tải là những yếu tố quan trọng nhất Để xác định tốc độ động cơ, cảm biến có thể được lắp đặt trên các bộ phận như vành răng, bánh đà, đầu cốt cam hoặc delco Đối với việc xác định tải của động cơ, ECU sử dụng tín hiệu áp suất trong đường ống nạp hoặc tín hiệu lượng khí nạp Sự thay đổi áp suất trong đường ống nạp khi tải thay đổi sẽ dẫn đến sự biến đổi tín hiệu điện áp gửi về ECU, từ đó ECU xử lý và xác định mức tải tương ứng để điều chỉnh góc đánh lửa sớm.
Hình 2.17: Đồ thị đường đặc tính góc đánh lửa sớm
Trong các hệ thống đánh lửa truyền thống, việc điều chỉnh góc đánh lửa sớm thường được thực hiện bằng phương pháp cơ khí, dẫn đến độ chính xác thấp Đường đặc tính đánh lửa lý tưởng phức tạp và phụ thuộc vào nhiều yếu tố Tuy nhiên, với hệ thống đánh lửa điện tử, góc đánh lửa sớm được hiệu chỉnh gần sát với đặc tính lý tưởng, nhờ vào việc kết hợp hai đặc tính đánh lửa theo tốc độ và theo tải Hệ thống này lưu trữ khoảng 1000 đến 4000 điểm đánh lửa sớm, tạo ra bản đồ góc đánh lửa lý tưởng.
Hệ thống đánh lửa trên xe Toyota Camry 1997 không sử dụng bộ chia điện và áp dụng 2 Bobine đôi cho 4 máy Hai Bobine này kết nối với 2 bougie của các máy song hành: Bobine thứ nhất nối với bougie máy 1 và 4, trong khi Bobine thứ hai nối với bougie máy 2 và 3 Khi có dòng điện cảm ứng trong cuộn dây thứ cấp của Bobine thứ nhất, quá trình phân phối đánh lửa cho máy 1 và máy 4 được thực hiện hiệu quả.
𝑈 𝑡𝑐 – hiệu điện thế của cuộn thứ cấp
𝑈 1 𝑣à 𝑈 4 – hiệu điện thế đặt vào khe hở của bougie số 1 và số 4
Điện trở của khe hở bougie số 1 và số 4, ký hiệu là 𝑅 1 và 𝑅 4, có sự khác biệt đáng chú ý Khi đến thời điểm đánh lửa, cả xylanh số 1 và số 4 đều ở gần điểm thượng, nhưng do chúng thuộc hai thì khác nhau, nên điện trở của khe hở bougie cũng không giống nhau: 𝑅 1 ≠ 𝑅 4.
Trong quá trình nén, xylanh số 1 có điện trở 𝑅 1 rất lớn, trong khi xylanh số 4 đang thoát có điện trở 𝑅 4 rất nhỏ do sự xuất hiện của nhiều ion từ phản ứng cháy và nhiệt độ cao Điều này dẫn đến 𝑅 1 >> 𝑅 4, từ đó suy ra 𝑈 1 ≈ 𝑈 𝑡𝑐 và 𝑈 4 ≈ 0, nghĩa là tia lửa chỉ xuất hiện ở bougie số 1 Ngược lại, nếu 𝑅 1