Đề tài sử dụng công cụ Visual Studio Windows Form để lập trình viết ra một phần mềm, kết hợp với một thiết bị mạch được nhóm thiết kế, nhằm tạo ra một chương trình với mục đích hỗ trợ gi
TỔNG QUAN
Lí do chọn đề tài
Cùng với sự phát triển của khoa học, kỹ thuật và công nghệ, con người đã tiếp cận với nhiều sản phẩm và thiết bị hiện đại hơn, tất cả được tạo ra đều một mục đích giúp con người sử dụng đơn giản, dễ dàng Những sản phẩm này bao gồm các thiết bị di động thông minh, máy tính cá nhân, các thiết bị điện tử trong gia đình và công ty, các hệ thống thông tin và kỹ thuật số, và nhiều hơn nữa,…cùng với đó, các tính năng trong xe ô tô cũng càng ngày càng nhiều và hiện đại hơn Đi đôi với sự phát triển đấy, một vấn đề được đặt ra cho con người trong xã hội hiện nay là cần phải trau dồi thêm kiến thức để phát huy tối đa công dụng của các thiết bị hiện đại, cũng như rèn luyện sự nhanh nhạy trong việc giải quyết các vấn đề để có thể hiểu và điều khiển chúng Các kỹ năng này bao gồm khả năng phân tích, đánh giá và sử dụng các thông tin cũng như khả năng tư duy logic, khả năng giải quyết vấn đề
Qua những vấn đề đã đề cập ở trên, chúng em nhận thấy rằng việc trang bị thật tốt các kiến thức cho bản thân trước khi tiến vào môi trường làm việc là thực sự cần thiết Tuy nhiên, thực trạng hiện nay, sinh viên vẫn còn mơ hồ về các vấn đề về điện trên xe ô tô hay khả năng thực hành, tư duy để giải quyết các lỗi đó Nhận thấy được thực trạng đó, chúng em đã cùng nhau tìm hiểu và xin phép được sự hướng dẫn của giảng viên Nguyễn Thiện Dinh để thực hiện đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình thực tập điện tử cơ bản trên ô tô” nhằm hỗ trợ giảng viên giảng dạy và đưa sinh viên ứng dụng lý thuyết đã học vào gần với thực tế hơn.
Thực trạng hiện tại
Tháng 1 năm 2018, trường Đại học Kỹ thuật ở Hubli, Karnataka, Ấn Độ, một nhóm nghiên cứu sinh bao gồm Prabha Nissimagoudar, Prabha Nissimagoudar, Gireesha.H.M và H.G Wali đã thực hiện một đề tài nghiên cứu “Practicing model based design and industrial approach for a course on automotive electronics” [1] Đề tài này thảo luận về việc áp dụng MATLAB/SIMULINK hoặc LABView ở các cấp độ khác nhau để mô phỏng các mô hình của động cơ ô tô phục vụ cho việc giảng dạy, sau đó sử dụng các số liệu để đánh giá hiệu
2 quả của mô hình thông qua các chỉ số dựa trên khả năng làm việc nhóm, kỹ năng quản lý dự án và năng lực kỹ thuật
Năm 2019, một nhóm nghiên cứu sinh tại Khoa Giáo dục Kỹ thuật Ô tô, Đại học Negeri Yogyakarta, Indonesia bao gồm M.Wakid, T.Usman và B.Sulistyo đã thực hiện nghiên cứu “Project Based Learning Model to Increase the Competency of Automotive Engineering Teachers Candidates” [2] Nghiên cứu này nhằm tạo ra một mô hình học dựa trên dự án cho giáo dục nghề nghiệp (Project-Based Learning model - PjBL) trong việc học thực hành các khóa học về ô tô về điện thân xe Sản phẩm của nghiên cứu này là một mô hình PjBL cho giáo dục nghề nghiệp trong lĩnh vực ô tô đã được đánh giá và khẳng định phù hợp để sử dụng như một mô hình học trong lĩnh vực ô tô của giáo dục nghề nghiệp Những sinh viên tham gia thực nghiệm cũng đã cho các phản hồi rất tích cực về kết quả của nghiên cứu và đánh giá rất cao các hiệu quả mà nghiên cứu mang lại
Tháng 12 năm 2013, nhận thức được tầm quan trọng của việc giảng dạy kết hợp với sử dụng mô hình, ThS Châu Quang Hải tại trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM đã tiến hành nghiên cứu và đề xuất đề tài nghiên cứu khoa học “Mô phỏng hệ thống EDC” để tạo ra một đĩa CD mô phỏng lại hệ thống EDC (Electronic Diesel Control – Hệ thống phun dầu điện tử) [3], giúp sinh viên có thể dễ dàng nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý của hệ thống Thiết kế trên đĩa CD giúp việc trao đổi giữa các người dùng dễ dàng hơn
Nhận thấy rằng việc áp dụng các nội dung Multimedia vào việc giảng dạy trong hệ thống điện ô tô ở nước ta còn hạn hẹp, ThS Đinh Tấn Ngọc của trường Đại học Sư Phạm
Kỹ Thuật TP.HCM đã tiến hành đề tài nghiên cứu “Ứng dụng MULTIMEDIA mô phỏng các hệ thống nhiên liệu trong động cơ Diesel bằng phần phần mềm Flash” [4] Đề tài đã bổ sung được nguồn tài liệu giảng dạy cho bộ môn thực tập động cơ Diesel thêm sinh động, trực quan với những hình ảnh và video thực tế, giúp cho công tác dạy và học được tốt hơn
Tiếp đến tháng 10 năm 2015, ThS Lê Khánh Tân đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thử nghiệm phần mềm chẩn đoán PAN của hệ thống điện điều khiển động cơ” [5] Đề tài đã chế tạo ra được mô hình để chẩn đoán PAN của hệ thống điện điều khiển
3 động cơ, góp phần làm nâng cao hiệu quả giảng dạy và kỹ năng thực hành chẩn đoán của sinh viên
Nối tiếp thành công của đề tài trước, ThS Lê Khánh Tân tiếp tục thực hiện đề tài nghiên cứu chế tạo mô hình ứng dụng IOT trong việc thu thập dữ liệu trên ô tô vào năm
2019 [6] Đề tài đã rất thành công khi sử dụng kết hợp Arduino và các nền tảng của LabVIEW cho ra kết quả là một board mạch thu thập dữ liệu không dây và có thể hiển thị lên máy tính
Qua những nghiên cứu trên, có thể thấy được rằng việc áp dụng mô hình vào việc giảng dạy là một vấn đề đáng được quan tâm và đầu tư nhiều hơn Tuy nhiên, các công trình nghiên cứu trên mặc dù đã đưa ra được những giải pháp, áp dụng được nhiều kỹ thuật nhưng vẫn còn chưa khai thác hết được tiềm năng của phương pháp giảng dạy này Đồng thời, những nghiên cứu trên vẫn chưa khai thác nguồn kiến thức từ bộ môn điện ô tô – một môn học quan trọng của sinh viên ngành ô tô Nắm bắt được điều đó, nhóm đã nghiên cứu và tìm hiểu, tiến hành đề tài có thể kết nối được giữa phần mềm máy tính và thiết bị phần cứng thông qua các phương thức giao tiếp ngoại vi, đồng thời tích hợp được nội dung giảng dạy để giúp cho việc truyền tải kiến thức đi đôi với thực hành, giúp việc học về điện tử trên ô tô trực quan hơn, dễ tiếp cận với sinh viên hơn, cho sinh viên cái nhìn gần với thực tế hơn về các hệ thống trên xe cũng như các vấn đề mà những hệ thống sẽ gặp phải.
Mục tiêu của đề tài
- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết phần mềm Visual Studio Windows Forms để xây dựng phần mềm trên hệ điều hành Windows Tiến hành mô phỏng các chức năng của phần mềm và phần cứng trước khi tiến hành thực tế
- Xây dựng được phần mềm hỗ trợ việc giảng dạy của giáo viên và giao tiếp được với phần cứng để giúp cho việc giảng dạy được trực quan hơn
- Thư viện bài học với các bài giảng cơ bản về các hệ thống điện trên ô tô, hỗ trợ cho việc giảng dạy của giảng viên Giảng viên có thể tiếp tục bổ sung những mạch điện ô tô khác dựa trên những linh kiện có sẵn
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Trong đề tài này, nhóm tập trung nghiên cứu các đối tượng:
- Phần mềm Visual Studio Windows Form
- Thiết kế mạch phần cứng trên phần mềm Proteus
- Arduino và cách giao tiếp giữa một phần mềm và mạch điện tử
- Giáo trình giảng dạy về điện tử cơ bản trên ô tô cho sinh viên
Phạm vi nghiên cứu của đề tài này sẽ tập trung vào việc thiết kế phần cứng có thể giao tiếp với máy tính thông qua phần mềm được lập trình WinForms và Arduino Cụ thể, phần cứng này sẽ giao tiếp với board Arduino, và được điều khiển thông qua các lệnh từ phần mềm trên máy tính Bên cạnh đó, nhóm sẽ thiết kế, chế tạo và cấu hình phần cứng nhằm đáp ứng được các loại mạch điện khác nhau trên ô tô cũng như tạo ra sự đa dạng về các lỗi có thể xảy ra trên mạch.
Phương pháp tiếp cận và nghiên cứu
1.5.1 Phương pháp tiếp cận Để đạt được mục tiêu của đề tài, phương pháp tiếp cận của nhóm sẽ gồm:
- Nghiên cứu những kiến thức về ngôn ngữ lập trình C# được dùng trong WinForms để tạo ra một phần mềm có những tính năng cơ bản trong việc học hành và luyện tập
- Áp dụng các kiến thức về linh kiện điện tử đã học và xây dựng mạch nguyên lý hoạt động của phần cứng, từ đó thiết kế mạch trên phần mềm Proteus, sau đó chế tạo mô hình
- Tìm hiểu về các mạch điện cơ bản trên ô tô, nguyên lý hoạt động để kết hợp các linh kiện xây dựng nên một mạch điện tử thích hợp trên phần cứng
- Nghiên cứu các kiến thức khi chẩn đoán, xử lý lỗi của mạch điện, và xây dựng giáo án bài học
- Sử dụng tài liệu từ các nguồn trên Internet để sử dụng phần mềm WinForms và Proteus
- Tham khảo các tài liệu, giáo án từ thư viện, Internet để xây dựng giáo án.
Nội dung nghiên cứu
- Cơ sở lý thuyết về phần mềm Visual Studio Windows Form
- Cơ sở lý thuyết về phần mềm Proteus
- Cơ sở lý thuyết về phần mềm Arduino
- Cách giao tiếp giữa một phần mềm và Arduino thông qua giao tiếp UART
- Thử nghiệm nhiều lần và đánh giá hiệu quả mà chương trình đem lại.
Các nội dung chính trong đề tài
Chương 2: Cơ sở lý thuyết về Visual Studio Windows Forms, Proteus, Arduino
Chương 3: Phần mềm học tập được biên soạn bằng Visual Studio Windows Forms
Chương 4: Thiết kế và chế tạo mô hình thực tập điện tử cơ bản trên ô tô
Chương 5: Kết quả và đánh giá
Chương 6: Kết luận và kiến nghị
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ VISUAL STUDIO WINDOWS FORMS,
Giới thiệu về Visual Studio và Windows Forms
Visual Studio là một môi trường phát triển tích hợp (Integrated Development Environment - IDE) được sản xuất bởi Microsoft Nó cung cấp cho người lập trình một bộ công cụ để phát triển các ứng dụng phần mềm cho nhiều nền tảng, bao gồm Windows, web, di động và đám mây
Visual Studio cung cấp nhiều tính năng hỗ trợ lập trình viên trong quá trình phát triển ứng dụng, bao gồm các trình biên tập mã, gỡ rối, kiểm tra lỗi, xây dựng, triển khai và quản lý mã nguồn Visual Studio hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình, bao gồm C#, Visual Basic, C++, JavaScript, TypeScript, Python, Ruby, và nhiều ngôn ngữ khác Visual Studio là một trong những môi trường phát triển phần mềm phổ biến nhất trên thế giới và được sử dụng rộng rãi trong cộng đồng lập trình viên
Hình 2.1 Logo của phần mềm Visual Studio 2022
Visual Studio Windows Forms là một công cụ lập trình hỗ trợ phát triển ứng dụng Windows Desktop WinForms là viết tắt của Windows Forms, là một phần của Microsoft NET Framework WinForms cung cấp một thư viện các thành phần giao diện người dùng (UI – User Interface) được xây dựng sẵn, giúp người lập trình có thể dễ dàng tạo ra các ứng dụng Windows với các tính năng giao diện đồ họa phức tạp
WinForms cung cấp cho nhà phát triển một số lợi ích như tính đồng nhất của giao diện người dùng, hỗ trợ kéo và thả để dễ dàng thêm các thành phần, và khả năng tương thích với các phiên bản Windows khác nhau Nó cũng cung cấp các công cụ để tạo ra các ứng dụng tương tác với cơ sở dữ liệu, xử lý đa luồng, và tích hợp các thư viện
WinForms được phát triển bằng ngôn ngữ lập trình C# (C Sharp) và được sử dụng trong môi trường phát triển NET Framework C# là một ngôn ngữ lập trình hiện đại, đa nền tảng, được thiết kế để phát triển ứng dụng cho Windows, web và di động C# có cú pháp tương tự như Java và C++, nhưng có thêm một số tính năng mới và được cải tiến để giảm thiểu lỗi lập trình và tăng tính bảo mật Với Winforms, nhà phát triển có thể sử dụng C# để xây dựng các ứng dụng đồ họa mạnh mẽ và chuyên nghiệp cho Windows
Một số thành phần chính của WinForms bao gồm các control như TextBox, Button, Label, ComboBox, DataGridView, ListView, ProgressBar, TabControl, và MenuStrip, cùng với các event và delegate để xử lý các sự kiện như Click, DoubleClick, KeyPress, MouseMove, và FormClosing Ngoài ra, Winforms còn cung cấp các tính năng cho phép thêm hình ảnh, âm thanh và video vào ứng dụng, cũng như cho phép định dạng và hiển thị dữ liệu
Tóm lại, Visual Studio Winforms là một nền tảng phát triển ứng dụng đồ họa mạnh mẽ cho Windows, cung cấp cho nhà phát triển nhiều công cụ và tính năng để tạo ra các ứng dụng tương tác người dùng đa dạng và chuyên nghiệp
Hình 2.2 Giao diện làm việc của Visual Studio Windows Form 2022
2.1.3 Các thành phần để người dùng làm việc của WinForms
Hình 2.3 Giao diện cửa sổ Source Code Window
Trong WinForms, có 2 cửa sổ người soạn thảo phần mềm sẽ làm việc chính trên đó Đầu tiên, với giao diện như trên ảnh, chính là cửa sổ Source Code Window trong WinForms
9 là nơi ta có thể viết và chỉnh sửa mã nguồn của ứng dụng, người dùng có thể thêm các đoạn mã, xử lý sự kiện, tạo lớp, khai báo biến, gọi các phương thức, và thực hiện các tác vụ lập trình khác Sử dụng các tính năng của trình soạn thảo để tăng hiệu suất và sắp xếp mã nguồn một cách dễ dàng
Cửa sổ Source Code Window cung cấp các tính năng như tô sáng cú pháp (syntax highlighting), gợi ý mã (code suggestion), kiểm tra lỗi cú pháp (syntax error checking), và điều hướng nhanh giữa các phần của mã nguồn Nó cũng cho phép người dùng thực hiện các tác vụ như tìm kiếm và thay thế, đánh dấu (bookmark) các đoạn mã quan trọng, ghi chú giải thích trong quá trình soạn thảo code ,và thực hiện kiểm tra đơn vị (unit testing)
Phía bên phải của ảnh minh họa trên là cửa sổ Solution Explorer, nơi hiển thị cấu trúc cây của Solution mà người dùng đang làm việc và cho phép ta tạo mới hay duyệt qua các dự án, thư mục và tệp bằng cách click chọn các dự án mà ta muốn kiểm tra trong Solution này Khi đặt chuột lên các cạnh của cửa sổ, phần mềm cho phép ta có thể mở rộng và thu gọn các nút để xem cấu trúc chi tiết của các thành phần
Hình 2.4 Giao diện cửa sổ Solution Explorer
Thông qua cửa sổ Solution Explorer, ta có thể thực hiện các tác vụ quan trọng như:
- Tạo mới dự án và tệp tin: Tạo mới các dự án, lớp, giao diện người dùng, các tệp tin mã nguồn và tài nguyên khác trong Solution
- Tạo và quản lý các thư mục: Tạo và quản lý các thư mục để sắp xếp và nhóm các tệp tin liên quan trong Solution
- Chỉnh sửa và xóa tệp tin: Mở và chỉnh sửa mã nguồn, tệp tin thiết kế giao diện và tài nguyên khác trực tiếp từ cửa sổ Solution Explorer Ta cũng có thể xóa các tệp tin không cần thiết trong Solution
- Quản lý thuộc tính và tài nguyên: Chỉnh sửa các thuộc tính của các thành phần, quản lý tài nguyên (như hình ảnh, biểu đồ, văn bản) và liên kết chúng với dự án của mình
- Xây dựng và biên dịch: Xây dựng và biên dịch các dự án trong Solution từ cửa sổ Solution Explorer, cho phép kiểm tra lỗi, tạo tệp thực thi và các tệp đầu ra khác
Cửa sổ Solution Explorer giúp người soạn thảo tổ chức và quản lý mã nguồn, tài nguyên và các thành phần của ứng dụng WinForms một cách thuận tiện Nó là một công cụ quan trọng để tạo và phát triển các dự án trong môi trường phát triển Visual Studio
Hình 2.5 Giao diện cửa sổ Design
Bên cạnh cửa sổ Source Code, cửa sổ Design (hay còn gọi là "Form Designer" hoặc
Giới thiệu về Proteus
Proteus là một phần mềm mô phỏng mạch điện tử và thiết kế mạch in (PCB – Printed Circuit Board) được phát triển bởi công ty Labcenter Electronics Phần mềm này cho phép người dùng thiết kế, mô phỏng và kiểm tra mạch điện tử một cách dễ dàng và hiệu quả
Các thành phần chính của Proteus bao gồm:
- Schematic Capture: Cho phép người dùng thiết kế mạch điện tử bằng cách vẽ sơ đồ mạch trên một màn hình đồ họa Người dùng có thể chọn từ một thư viện rộng lớn các linh kiện điện tử để sử dụng trong thiết kế
- ISIS Simulator: Cho phép người dùng mô phỏng mạch điện tử để kiểm tra tính đúng đắn của mạch trước khi chuyển sang thiết kế PCB Proteus hỗ trợ nhiều loại mô phỏng, bao gồm mô phỏng nguồn điện, mô phỏng ngõ vào/ra, mô phỏng tín hiệu analog và kỹ thuật số
- PCB Layout: Cho phép người dùng thiết kế mạch in dựa trên thiết kế mạch điện tử đã được hoàn thành Proteus cung cấp các công cụ để vẽ PCB và định vị các linh kiện trên một bản mẫu PCB
- ARES PCB Simulator: Cho phép người dùng mô phỏng mạch in của họ trên một bản mẫu PCB để kiểm tra độ chính xác và phù hợp với thiết kế của họ
Proteus cũng hỗ trợ nhiều tính năng khác, bao gồm tích hợp với các ứng dụng mô phỏng khác như Spice, tính năng gỡ rối trực tiếp trên mạch điện tử, và tính năng xuất file định dạng cho phép người dùng chia sẻ mạch điện tử và PCB của họ với người khác Proteus được sử dụng rộng rãi trong ngành điện tử và là một trong những phần mềm thiết kế mạch điện tử và PCB phổ biến nhất trên thế giới
Hình 2.8 Giao diện cửa sổ Schematic Capture của phần mềm Proteus
Giới thiệu về Arduino
Arduino là một nền tảng phát triển thiết bị điện tử được thiết kế để dễ dàng sử dụng, giúp cho người dùng có thể tạo ra các thiết bị điện tử và các ứng dụng IoT (Internet of Things) một cách nhanh chóng và dễ dàng Arduino gồm các module phần cứng có thể được lắp ráp với nhau để tạo ra các mạch điện tử đơn giản hoặc phức tạp, và được lập trình thông qua một phần mềm chuyên dụng
Mỗi board Arduino đều có một bộ vi xử lý, các cổng kết nối Input/Output và các module phần cứng khác như giao tiếp USB, Ethernet, Wifi, Bluetooth, cảm biến, màn hình, đèn LED, motor, và nhiều thứ khác Người dùng có thể lập trình Arduino thông qua các ngôn ngữ lập trình như C/C++ hoặc các ngôn ngữ lập trình khác dựa trên đó Arduino được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng IoT, các dự án điện tử tại nhà hoặc trường học, và cả trong các ứng dụng thực tiễn như trong đo lường, kiểm soát, và quản lý tài nguyên Arduino là một nền tảng mạnh mẽ và đa dụng, giúp người dùng thực hiện các ứng dụng điện tử của riêng mình
Hình 2.9 Giao diện phần mềm Arduino IDE 2.3.2 Board Arduino Mega
Hình 2.10 Mô tả Arduino Mega 2560
Arduino Mega 2560 là một trong những board phổ biến và mạnh mẽ nhất trong hệ thống Arduino Nó cung cấp nhiều chân kết nối và tài nguyên phong phú, thường được dùng trong các dự án phức tạp và đa dạng
Dưới đây là một số thông tin cơ bản về board Arduino Mega:
- Vi xử lý: Arduino Mega được trang bị vi xử lý ATmega2560 Đây là một vi xử lý 8-bit với tốc độ 16 MHz, cho phép xử lý nhanh chóng các tác vụ và điều khiển ngoại vi khác
- Chân kết nối: Arduino Mega có tổng cộng 54 chân kết nối digital (đầu vào và đầu ra), trong đó có 15 chân có thể sử dụng làm đầu ra PWM Ngoài ra, nó còn có 16 chân kết nối analog và 4 chân UART (Serial), 1 chân I2C và 1 chân SPI
- Bộ nhớ: Arduino Mega có bộ nhớ Flash 256 KB, trong đó khoảng 8 KB được sử dụng cho việc lưu trữ chương trình Nó cũng có bộ nhớ SRAM 8 KB và EEPROM 4 KB, cho phép lưu trữ và truy cập dữ liệu trong quá trình hoạt động
- Nguồn điện: Board hỗ trợ nguồn điện từ 7 đến 12V thông qua cổng nguồn DC hoặc từ 5V thông qua cổng USB Nguồn điện được cung cấp cho các ngoại vi thông qua các chân kết nối
- Hỗ trợ phần mềm: Arduino Mega được hỗ trợ bởi Arduino IDE, môi trường lập trình dễ sử dụng và phổ biến Người dùng có thể viết mã, tải lên và chạy chương trình trên board Arduino Mega thông qua giao diện đơn giản của IDE
- Ứng dụng: Với khả năng kết nối mạnh mẽ và tài nguyên phong phú, Arduino Mega thích hợp cho các dự án đòi hỏi nhiều chân kết nối, chức năng phức tạp và xử lý dữ liệu
Nó được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực điều khiển robot, hệ thống tự động hóa, đèn LED, máy in 3D và nhiều ứng dụng khác.
Giao tiếp UART
UART (Universal Asynchronous Receiver – Transmitter) là một giao diện hoạt động trong việc truyền và nhận dữ liệu trong hệ thống điện tử Nó được sử dụng để giao tiếp giữa các thành phần điện tử, chẳng hạn như vi xử lý, vi điều khiển, cảm biến và thiết bị ngoại vi
UART hoạt động dựa trên nguyên tắc truyền thông không đồng bộ, tức là không cần tín hiệu đồng hồ chung giữa nguồn gửi và nguồn nhận Nó sử dụng hai chân truyền thông dữ liệu là chân TX (Transmit) để gửi dữ liệu và chân RX (Receive) để nhận dữ liệu Thay vì tín hiệu đồng hồ, UART truyền thêm các bit start và stop vào gói dữ liệu được chuyển Các bit này xác định điểm bắt đầu và điểm kết thúc của gói dữ liệu để UART nhận biết khi nào bắt đầu đọc các bit Khi UART nhận phát hiện một bit start, nó bắt đầu đọc các bit đến ở một tần số cụ thể được gọi là tốc độ truyền (baud rate) Tốc độ truyền là thước đo tốc độ truyền dữ liệu, được biểu thị bằng bit trên giây (bps – bit per second) Cả hai UART đều phải hoạt động ở cùng một tốc độ truyền Tốc độ truyền giữa UART truyền và nhận chỉ có thể chênh lệch khoảng 10% trước khi thời gian của các bit bị lệch quá xa [7]
Hình 2.11 Giao tiếp giữa 2 UART
UART được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng như giao tiếp máy tính với thiết bị ngoại vi (ví dụ: truyền dữ liệu từ máy tính tới máy in), giao tiếp giữa các vi xử lý, vi điều khiển và các module hoặc cảm biến ngoại vi, cũng như trong các ứng dụng mạng (ví dụ: RS-232, RS-485)
Giao tiếp UART cung cấp một phương pháp đơn giản và linh hoạt để truyền và nhận dữ liệu trong các hệ thống điện tử, và nó vẫn được sử dụng phổ biến cho các ứng dụng nhỏ và trung bình Ưu điểm:
- Chỉ sử dụng hai dây để truyền dữ liệu
- Không cần tín hiệu đồng hồ
- Có một bit chẵn lẻ để cho phép kiểm tra lỗi
- Cấu trúc của gói dữ liệu có thể được thay đổi miễn là cả hai bên được thiết lập
- Phương pháp truyền đơn giản, giá thành thấp
- Kích thước của khung dữ liệu được giới hạn tối đa là 9 bit
- Không hỗ trợ nhiều hệ thống slave hoặc nhiều hệ thống master
- Tốc độ truyền của mỗi UART phải nằm trong khoảng 10% [8]
Virtual Serial Port
Trong quá trình biên soạn phần mềm, việc kiểm tra và thử nghiệm mã code là rất quan trọng Tuy nhiên, phần mềm được thiết lập luôn bắt buộc có kết nối giữa phần cứng và phần mềm để có thể hoạt động Điều này có thể gây phiền toái khi phải duy trì kết nối trong quá trình biên soạn mã Để giải quyết vấn đề này, nhóm đã tìm ra giải pháp là sử dụng phần mềm Virtual Serial Port Phần mềm này cho phép tạo các cổng COM ảo trên máy tính, giúp phần mềm được biên soạn có thể sử dụng các cổng COM này để kết nối thông qua giao tiếp UART Nhờ đó, quá trình phát triển và kiểm tra phần mềm sẽ tiện lợi hơn khi không cần thiết lập kết nối vật lý với phần cứng
Hình 2.12 Giao diện trang chủ tải xuống phần mềm Virtual Serial Port
Với phần mềm này, nhóm sử dụng tính năng Local Bridge để tạo ra một liên kết giữa 2 cổng COM 1 và COM 2 Phần mềm sẽ tạo ra 2 COM ảo trên và cho chúng ta sử dụng để trao đổi mô phỏng giữa hai phần mềm
Hình 2.13 Tạo cổng COM theo kiểu kết nối Local Bridge
Hình 2.14 Các lựa chọn tạo cổng COM
PHẦN MỀM HỌC TẬP ĐƯỢC BIÊN SOẠN BẰNG VISUAL STUDIO
Sử dụng phần mềm với quyền “Sinh viên”
3.1.1 Đăng nhập với quyền “Sinh viên”
Bước 1: Mở phần mềm học tập trên thiết bị
Bước 2: Nhập thông tin đăng nhập Tại 2 ô này, sinh viên nhập “Tên đăng nhập” và “Mật khẩu” sẽ được cấp sau khi giảng viên tạo tài khoản cho từng sinh viên
Bước 3: Nhấn vào nút “Đăng nhập” để truy cập vào phần mềm
Hình 3.1 Trang chủ đăng nhập của phần mềm BAE
3.1.2 Giới thiệu các chức năng chính của phần mềm với quyền “Sinh viên”
Phần mềm được kết hợp với phần cứng để tạo ra các bài giảng và bài thực hành tương tác giúp giảng dạy và học tập cho sinh viên Do đó, phần mềm được thiết kế với tính năng bắt buộc yêu cầu người dùng thiết lập một kết nối vật lý giữa phần mềm và mô hình trước khi sử dụng các chức năng khác của phần mềm
Hình 3.2 Tính năng bắt buộc người dùng phải có kết nối vật lý giữa phần mềm và mô hình trước khi sử dụng phần mềm
Các thành phần trong khung được mô tả ở ảnh trên là:
- Cổng COM: (Communications Port): Địa chỉ cổng COM mà phần cứng kết nối với máy tính của người dùng
- BAUDRATE: Quy định tốc độ truyền dữ liệu giữa phần mềm và phần cứng (được chọn theo Arduino Mega: 9600 bps)
Ba chức năng quan trọng của phần mềm được tạo ra với mục đích học tập của sinh viên là:
- Chức năng “Bài học”: Đây là tính năng cho phép sinh viên học và nắm vững kiến thức cơ bản cũng như nâng cao về các mạch điện trên ô tô Nó cung cấp nền tảng cho sinh viên tiếp thu kiến thức và từ đó tự rèn luyện thông qua các bài thực hành và kiểm tra
- Chức năng “Thực hành kiểm tra lỗi”: Từ các tình huống đã được giảng dạy, phần mềm và phần cứng sẽ tạo ra các lỗi trên mạch điện để sinh viên thực hành, tìm hiểu và xác định các lỗi để rèn luyện và củng cố kiến thức
- Chức năng “Kiểm tra”: Đây là phần kiểm tra để đánh giá khả năng thực hành của sinh viên sau quá trình học tập và thực hành
Hình 3.3 Các chức năng học tập của sinh viên
Ngoài ra, hai nút “Đăng xuất” và “Thoát” giúp người dùng chuyển đổi sang một tài khoản khác hoặc thoát hoàn toàn ứng dụng, kết thúc quá trình học
Sau khi chọn chức năng “Bài học” từ giao diện chính, một cửa sổ phụ sẽ hiện lên, cho phép sinh viên được chủ động chọn bài học, phần mềm cũng sẽ tự ghi nhớ tiến độ của sinh viên nên cho phép sinh viên được tiếp tục quay lại bài học cuối của lần đăng nhập trước
Nút chọn “Chọn bài học bất kỳ” sẽ tạo ra một cửa sổ, cho phép chúng ta chọn Chương và Hoạt động mong muốn được học
Hình 3.4 Các bước để chọn bài học
Sau khi hoàn thành các bước chọn bài học, người dùng sẽ được chuyển đến giao diện để hiển thị bài học của phần mềm Các bài học trên phần mềm được xây dựng kết hợp cả lý thuyết lẫn thực tế bằng cách giao tiếp với phần cứng, để cho sinh viên có thể vừa học vừa thực hành, dễ dàng tiếp thu hơn Để có thể làm tốt được việc đó, trước khi bắt đầu một chương mới, phần mềm sẽ yêu cầu người dùng tiến hành nối dây tạo thành mạch để phục vụ cho việc giảng dạy
Hình 3.5 Giao diện hướng dẫn đấu mạch điện
Sau khi nối dây tạo mạch điện ở phần cứng, sinh viên tiếp tục học tập với các nội dung chính được trình bày trong giao diện sau:
Hình 3.6 Bố cục của giao diện bài học
Giao diện của “Bài học” bao gồm:
+ A – Khung lý thuyết: Là vị trí được dùng để hiển thị các nội dung của bài học
+ B – Khung hình ảnh: là nơi hiển thị các hình ảnh minh hoạ cho bài giảng
+ C – Khung câu hỏi trắc nghiệm: Trong quá trình học tập, phần mềm sẽ có những câu hỏi chèn vào để củng cố kiến thức vừa học
+ D – Khung tiến độ bài học: Hiển thị cho sinh viên biết bố cục của một chương, tiến độ học tập tại chương đó
Ngoài ra, tùy vào nội dung giảng dạy mà phần mềm sẽ xuất hiện các khung để xuất hiện một chuỗi các hình ảnh để minh họa cho nguyên lý của các mạch điện
Hình 3.7 Giao diện của khung hiển thị loạt ảnh
3.1.4 Chức năng “Thực hành kiểm tra lỗi”
Hình 3.8 Giao diện bắt đầu của chức năng Thực hành
Bước 1: Sinh viên chọn chương muốn được thực hành
Hình 3.9 Giao diện chọn chương thực hành
Sau khi chọn chương xong, khung hình ảnh kế bên sẽ tự thay đổi theo mạch điện ở chương sinh viên đã lựa chọn
Hình 3.10 Giao diện sau khi chọn chương thực hành
Bước 2: Người dùng nhấn nút “Tạo lỗi” để có thể tạo lỗi ngẫu nhiên trong mạch điện được chọn
Lúc này phần mềm sẽ tạo một lỗi gửi sang mạch phần cứng, và sẽ xuất hiện bảng trả lời cho sinh viên lựa chọn sau khi đã chẩn đoán xong
Bước 3: Lựa chọn đáp án
Hình 3.11 Khung trả lời đáp án
Sau khi xác nhận được lỗi, sinh viên cần chọn hai câu trả lời là linh kiện bị lỗi và loại lỗi để hoàn thành và nhấn chọn “Đáp án” để biết kết quả
Sau quá trình học tập và thực hành, sinh viên sẽ tiến hành thực hiện kiểm tra theo yêu cầu của giảng viên để đánh giá kết quả học tập
Hình 3.12 Giao diện của chức năng Kiểm tra
- Chương: chọn nội dung chương muốn kiểm tra
- Số câu hỏi: chọn số câu hỏi mong muốn
Hình 3.13 Thiết lập cho bài kiểm tra
Sau khi chọn xong 2 thông số của đề kiểm tra, nhấn nút “Tạo đề” để phần mềm và phần cứng tạo đề cho sinh viên theo từng câu Nhấn nút “Bắt đầu” để thực hiện kiểm tra
Hình 3.14 Giao diện làm bài của chức năng Kiểm tra từng chương
Ngoài ra, giảng viên còn có thể cho sinh viên kiểm tra tổng hợp giữa các chương thông qua chức năng “Kiểm tra tổng hợp”
Hình 3.15 Nút chọn đổi hình thức Kiểm tra
Tương tự như ở Kiểm tra từng chương, tuy nhiên ở đây, người dùng sẽ phải làm kiểm tra theo các chương ngẫu nhiên Giao diện và cách thức hoạt động của “Kiểm tra tổng hợp” gần như không thay đổi so với hình thức với “Kiểm tra từng chương”
Hình 3.16 Giao diện làm bài của chức năng Kiểm tra tổng hợp
Sử dụng phần mềm với quyền “Giảng viên”
3.2.1 Đăng nhập với quyền “Giảng viên”
Bên cạnh các chức năng cơ bản của một phần mềm hỗ trợ học tập, phần mềm còn cung cấp khả năng quản lý sinh viên cho các giảng viên khác nhau
Bước 1: Mở phần mềm trên thiết bị
Bước 2: Tại giao diện đăng nhập, đăng nhập bằng tài khoản quản lý với tên đăng nhập và mật khẩu lần lượt là: “admin” và “123”
Hình 3.17 Đăng nhập với quyền “Giảng viên”
Hình 3.18 Các chức năng chính dành cho giảng viên
Tại giao diện này, người giảng viên sẽ có thể sử dụng hai chức năng quản lý, bao gồm:
- Quản lý thông tin sinh viên: Kiểm tra tiến độ học tập, thêm, sửa, xoá lớp học và sinh viên, …
- Tạo mã lỗi: Giảng viên có thể tạo lỗi trên mạch theo ý muốn của mình dựa vào sơ đồ các mã lỗi
3.2.2 Chức năng “Quản lý thông tin sinh viên”
Phần mềm cho phép người quản lý có thể tạo nhiều lớp học với nhiều sinh viên khác nhau, phù hợp theo thời gian, lịch trình của giảng viên hoặc sự sắp xếp của nhà trường, khoa…
Hình 3.19 Bố cục của trang quản lý sinh viên
Với mỗi giảng viên sẽ có một danh sách sinh viên khác nhau, và giảng viên có thể thêm các lớp, tạo tài khoản sinh viên sau đó cung cấp tài khoản cho sinh viên để truy cập vào phần mềm
Bên cạnh đó, chức năng “Xem tiến độ” sẽ giúp cho giảng viên nắm bắt được tiến độ học tập của từng sinh viên đối với tổng thể bài học, để có thể nắm rõ, làm cơ sở cho việc đánh giá kết quả học tập
Hình 3.20 Tiến độ học tập của sinh viên 3.2.3 Chức năng “Tạo mã lỗi”
Chức năng này cho phép giảng viên tạo ra các mã lỗi theo ý của giảng viên để chủ động hơn trong việc giảng dạy Chức năng này bao gồm:
- Một bảng điều khiển giúp tạo mã lỗi cho mạch phần cứng Ở phần này, giảng viên cũng cần phải kết nối vật lý giữa phần mềm và mô hình thực tập để tạo mã lỗi
Hình 3.21 Bảng điều khiển nhập mã lỗi để tạo lỗi cho phần cứng
- Sơ đồ các lỗi trên mạch: vị trí của lỗi tại các linh kiện nằm trong mạch, nhờ vào sơ đồ này giảng viên có thể chủ động tạo lỗi để cho sinh viên quan sát hiện tượng hoặc kiểm tra sinh viên
Hình 3.22 Sơ đồ lỗi tại các linh kiện trong mạch thực hành
Giáo án bài học của các chương
Chương 1: Các sự cố trên mạch điện
- Cung cấp sơ đồ mạch điện và yêu cầu sinh viên đấu dây tạo mạch
Hình 3.23 Sơ đồ mạch điện gồm các điện trở nối tiếp
- Hướng dẫn cách sử dụng đồng hồ VOM với các thang đo khác nhau như OHM, VOLT và AMPE để đo đạc và tính toán các thông số trên mạch điện
- Các câu hỏi củng cố kiến thức đã học về ba cách sử dụng thang đo của đồng hồ VOM được dạy
- Giải thích về kiến thức điện áp rơi trên tải và cách tính toán điện áp rơi trong mạch điện
- Cho một mạch điện cơ bản và hướng dẫn sinh viên tiến hành đo đạc giá trị điện áp rơi trên các tải Phối hợp với các câu hỏi tương tác, giúp sinh viên hiểu bài chắc hơn
- Giải thích về lỗi “Hở mạch”: Nguyên nhân xuất hiện lỗi, cách chẩn đoán và xác định vị trí xảy ra lỗi
- Tạo một lỗi “Hở mạch” trên mạch thực hành để cho sinh viên thực tập kiến thức vừa được dạy ở trước Sinh viên vận dụng các kiến thức đã học để tìm ra vị trí và lỗi của mạch
LƯU Ý: Nhắc nhở sinh viên về cách sử dụng đồng hồ VOM để đảm bảo an toàn mạch điện
- Giải thích về lỗi “Điện trở không mong muốn”: Nguyên nhân xuất hiện lỗi, cách chẩn đoán và xác định vị trí xảy ra lỗi
- Giải thích về lỗi “Ngắn mạch nối đất”: Nguyên nhân xuất hiện lỗi, cách chẩn đoán và xác định vị trí xảy ra lỗi
- Giới thiệu về linh kiện “cầu chì ngắt mạch”, công dụng và cách hoạt động của linh kiện này
- Ôn tập lại các kiến thức về các vấn đề cơ bản trên mạch điện
- Giảng dạy về định luật OHM trong mạch nối tiếp, song song, hỗn hợp
- Cho các trường hợp mạch cụ thể trên mạch thực hành và yêu cầu sinh viên đo các giá trị điện áp, cường độ dòng điện,…Có các câu hỏi trắc nghiệm kiểm tra giá trị đo đạc của sinh viên
- Tạo một lỗi “Ngắn mạch nối đất” trước linh kiện số 7 và yêu cầu sinh viên vận dụng kiến thức đã học để xác định lỗi
- Tương tự, tạo thêm 2 lỗi lần lượt là lỗi “Điện trở không mong muốn” ở linh kiện số 4 và lỗi “Hở mạch” tại linh kiện số 3 Có các câu hỏi trắc nghiệm kiểm tra giá trị đo đạc của sinh viên
Chương 3: Mạch còi trên xe ô tô
- Hướng dẫn đấu dây cho mạch còi trên ô tô được mô phỏng trên mạch thực hành Giới thiệu về mạch và hướng dẫn sinh viên cách vận hành mạch
Hình 3.24 Sơ đồ mạch còi
- Thực hiện các bước ngắt dây nối giữa các linh kiện trong mạch để sinh viên nắm rõ hơn về hoạt động của mạch, giúp hiểu sâu hơn các lỗi có thể xảy ra để phục vụ việc chẩn đoán
- Bài giảng về phương pháp “Nối tắt dây dẫn” trong chẩn đoán mạch điện
- Tạo các lỗi gây ảnh hưởng đến hoạt động của mạch và hướng dẫn cho sinh viên chẩn đoán để tìm ra vị trí lỗi Có sử dụng các câu hỏi để tương tác với sinh viên
Chương 4: Mạch đèn lùi trên xe ô tô
- Hướng dẫn đấu dây cho mạch đèn lùi trên ô tô được mô phỏng trên mạch thực hành Giới thiệu về mạch và hướng dẫn sinh viên cách vận hành mạch
Hình 3.25 Sơ đồ mạch đèn lùi
- Bài giảng về các loại công tắc khác nhau và các cách sử dụng khác nhau của chúng trên xe ô tô Có câu hỏi tương tác với sinh viên
- Hướng dẫn sinh viên thực hành chẩn đoán bằng các lỗi trên mạch thực hành qua việc ngắt dây hay phần mềm tạo lỗi để sinh viên chẩn đoán và rèn luyện phân tích dưới sự hướng dẫn của phần mềm
Chương 5: Mạch đèn hậu và đèn phanh
- Hướng dẫn đấu dây cho mạch đèn hậu và đèn phanh trên ô tô được mô phỏng trên mạch thực hành Giới thiệu về mạch và hướng dẫn sinh viên cách vận hành mạch
Hình 3.26 Sơ đồ mạch đèn lùi và đèn hậu
- Sinh viên tiến hành đo đạc các giá trị như cường độ dòng điện, điện áp rơi tại các tải của mạch điện khi mạch điện vận hành
- Bài giảng về cách hoạt động của đèn hậu và đèn phanh trên xe
- Bài giảng về hiện tượng mạch đèn hậu và đèn phanh khi thiếu mass
- Cho sinh viên thực hành tìm hiểu lỗi thiếu mass đã học
- Hướng dẫn đấu dây cho mạch máy khởi động trên ô tô được mô phỏng trên mạch thực hành Giới thiệu về mạch và nguyên lý hoạt động của mạch
Hình 3.27 Sơ đồ mạch khởi động
- Hướng dẫn sinh viên tạo các sự cố trên mạch thực hành và hiện tượng của mạch khi có lỗi, tương tác củng cố kiến thức bằng các câu hỏi trắc nghiệm đan xen bài giảng
- Tạo các lỗi ngẫu nhiên trên mạch và yêu cầu sinh viên vận dụng các phương pháp đã học để chẩn đoán các lỗi
Chương 7: Mạch đèn báo rẽ và đèn đỗ
- Hướng dẫn đấu dây cho mạch đèn báo rẽ trên ô tô được mô phỏng trên mạch thực hành
Hình 3.28 Sơ đồ mạch đèn báo rẽ và đèn đỗ
- Bài giảng về nguyên lý hoạt động của mạch đèn báo rẽ
- Giới thiệu về các lỗi thường gặp trên thực tế của mạch đèn báo rẽ và hiện tượng của mạch điện khi có lỗi
- Vận hành mạch, đo đạc các thông số và trả lời các câu hỏi để kiểm tra giá trị đo được
- Bài giảng về nguyên lý hoạt động của mạch đèn đỗ
- Vận hành cả hai mạch cùng một lúc để biết được sự liên quan của hai mạch, đo đạc điện áp tại các đèn
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH THỰC TẬP ĐIỆN TỬ CƠ BẢN TRÊN Ô TÔ
Thiết lập mô phỏng giao tiếp UART giữa phần mềm và Proteus
Hình 4.1 Mô hình phần cứng hoàn thiện
Mạch thực hành là mạch nằm ngay phía trên hộp, là nơi để sinh viên thực hành trực tiếp bằng cách nối dây và đo đạc Mạch gồm 17 linh kiện, các linh kiện này khi được nối dây hợp lý sẽ kết hợp và tạo thành mạch mô phỏng của các mạch điện cơ bản trên ô tô
17 linh kiện này bao gồm: cầu chì ngắt mạch, các nút nhấn, các điện trở với giá trị điện trở khác nhau, công tắc gạt 2 cực, công tắc gạt 3 cực, relay, đèn và motor Trên mạch có dùng một linh kiện đặc biệt có tên IDE34
- Cầu chì ngắt mạch: Là một linh kiện rất quan trọng trong mạch vì nó bảo vệ các linh kiện và mạch điện khi có dòng vượt quá 0.8A chạy trong mạch
Hình 4.2 Cầu chì ngắt mạch
- Nút nhấn: Khi nhấn giữ sẽ nối tiếp điểm, chuyển sang chế độ BẬT với dòng định mức 0.5A
- Công tắc gạt: có thể gạt 2 nấc với 2 vị trí TẮT – BẬT, hoạt động được với điện áp 125VAC dòng 6A hoặc 250VAC dòng 3A
Hình 4.4 Công tắc gạt 3 chân 2 vị trí TẮT – BẬT
- Công tắc gạt 3 vị trí:
Hình 4.5 Công tắc gạt 3 vị trí 8 chân
- Bóng đèn sợi đốt BA9S: với điện áp định mức 12V và dòng 0.1A
Hình 4.6 Bóng đèn sợi đốt BA9S
- Relay Songle 8 chân: với 2 cặp tiếp điểm NO – NC, điện áp hoạt động là 12V và dòng điện tối đa 16A
- Động cơ DC mini 500TB: điện áp hoạt động 12V với dòng điện 42mA, tốc độ không tải 4300 vòng/phút
Hình 4.8 Động cơ DC mini 500TB
- Ngoài ra, trong mạch còn có một linh kiện đặc biệt và quan trọng khác đó là IDE34 IDE34 là một loại jack kết nối dùng cho mạch điện và linh kiện này có tới 34 chân để kết nối, vì số lượng linh kiện trên mạch thực hành khá nhiều nên cũng cần một số lượng jack kết nối lớn, IDE34 đáp ứng được số jack và làm cho mạch điện gọn gàng hơn Trên mạch thực hành và mạch tạo lỗi mỗi mạch đều có một IDE34 đóng vai trò là cầu nối giúp liên kết hai mạch, khi ta gắn dây dẫn để kết nối 2 IDE nằm trên 2 mạch, lúc đó 2 mạch cũng sẽ được kết nối với nhau
Hình 4.10 Linh kiện điện trở nằm trên mạch thực hành
Trên mạch thực hành, ta thấy mỗi linh kiện đều có những chân cắm dây dẫn để đấu dây, thực tế, các chân này sẽ không liên kết trực tiếp với linh kiện như mô tả được in trên mạch, thay vào đó, chúng sẽ được dẫn qua IDE, kết nối với mạch tạo lỗi sau đó mới từ mạch dưới mới liên kết ngược lại với linh kiện Cầu nối ở mạch dưới là một relay, khi relay chưa được kích hoạt, các chân cắm được thông với linh kiện, nhưng khi có lệnh kích hoạt relay để tạo lỗi, dòng điện từ chân cắm đi qua relay và sẽ được relay tạo một hướng đi khác giúp tạo thành các loại lỗi của mô hình thực tập
Hình 4.11 Mạch thực hành và mạch tạo lỗi được kết nối với nhau qua IDE
Hình 4.12 Sơ đồ nguyên lý mạch thực hành
Mô hình sử dụng nguồn 12V thông qua 1 adapter chuyển đổi 220V thành 12V Các linh kiện trong mạch cũng có điện áp hoạt động là 12V
Hình 4.13 Adapter nguồn của mô hình thực tập
Từ sơ đồ nguyên lý đã hoàn thiện, nhóm thực hiện thiết kế mạch thực hành bằng PCB Layout của Proteus, sau đó thực hiện các bước gia công và cho ra mạch thực hành cuối cùng
Hình 4.14 Mạch thực hành được thiết kế bằng PCB Layout của Proteus
Hình 4.15 Mạch thực hành hoàn chỉnh
Mạch tạo lỗi
Là mạch điện nằm bên trong hộp, đóng vai trò quan trọng trong mô hình, là cầu nối giữa các chân cắm dây dẫn và linh kiện của mạch thực hành, và là nơi để tạo ra các trường hợp mô phỏng lỗi giúp sinh viên nghiên cứu và học tập Để làm được những chức năng trên thì mạch tạo lỗi cần có một linh kiện rất quan trọng đó chính là relay Relay cấu tạo gồm 2 nhánh mạch song song:
+ Nhánh mạch điều khiển cuộn dây relay
+ Nhánh mạch tiếp điểm relay
4.2.1 Nhánh mạch điều khiển cuộn dây relay
Hình 4.16 Sơ đồ các chân của Arduino Mega 2560 R3
Arduino Mega 2560 đảm nhận vai trò giao tiếp giữa phần mềm và phần cứng, nhận tín hiệu tạo lỗi từ phần mềm và điều khiển kích hoạt relay để tạo lỗi Mạch tạo lỗi có 21 trường hợp mô phỏng lỗi, mỗi trường hợp cần một chân digital của Arduino để điều khiển đóng ngắt tiếp điểm relay, vì vậy board Arduino Mega 2560 với số lượng chân digital rất lớn được chọn cho mô hình
Hình 4.17 Relay 5 chân được sử dụng trong mạch tạo lỗi
Relay Songle với điện áp hoạt động là 5V, dòng điện 10A có 5 chân trong đó 2 chân là 2 đầu của cuộn dây, 3 chân cực lần lượt là chân chung, chân tiếp điểm thường đóng (NC) và chân tiếp điểm thường mở (NO)
Hình 4.18 Sơ đồ nguyên lý hoạt động để cấp điện cho cuộn dây relay
Transistor được dùng cho mô hình là transistor A1015 PNP Ở trạng thái relay không hoạt động, các chân digital của Arduino được khởi tạo với điện áp 5V, khi có tín hiệu tạo lỗi từ phần mềm, chân digital sẽ thay đổi điện áp về 0V, khi ấy dòng điện chạy từ nguồn 5V qua 2 cực EB và qua R1 = 1000Ω giúp hạn dòng, về cực âm ở chân digital, tạo ra dòng
IB làm kích hoạt transistor dẫn Lúc này, dòng điện chạy từ nguồn 5V qua 2 cực EC vào cuộn dây relay sau đó về GND, làm kích hoạt relay và relay chuyển tiếp điểm Đây là nguyên lý kích hoạt relay tạo lỗi trong mô hình
Ngoài ra, khi relay chuyển tiếp điểm, tức cuộn dây relay được nhận điện áp và ngắt điện áp, hiện tượng tự cảm sẽ xuất hiện trong cuộn dây, một dòng điện sẽ được sinh ra, dòng điện này tạo ra một suất điện động chạy ngược lên Transistor, điều này có thể làm hư hỏng Transistor Để bảo vệ các linh kiện trong mạch, hai đầu của cuộn dây relay được gắn thêm một diode song song với cuộn dây nhằm ngăn dòng điện ngược từ cuộn dây relay chạy ngược lên Transistor
Thực hiện một mô phỏng trên phần mềm Proteus để kiểm tra hiệu suất và tính ổn định của việc kích hoạt relay Mô phỏng này sẽ giúp kiểm tra khả năng giao tiếp UART giữa phần mềm và phần cứng, đồng thời kiểm tra chất lượng hoạt động của relay
Hình 4.19 Mạch điện mô phỏng giao tiếp UART
Mạch điện mô phỏng bao gồm:
+ 1 Arduino Mega 2560: đóng vai trò làm trung gian kết nối giữa phần mềm và phần cứng Arduino này sẽ đảm nhiệm vai trò nhận giá trị gửi đi từ phần mềm để tạo các tín hiệu 0V hoặc 5V đến relay RL1 để tạo lỗi
+ còi BUZ1 đóng vai trò là tải và 1 công tắc để điều khiển còi
+ Relay RL1 dùng để tạo lỗi khi có tín hiệu từ phần mềm
+ COMPIM P1: là một thành phần mô phỏng giao diện COM (UART) giữa vi điều khiển và máy tính Nó cho phép mô phỏng truyền và nhận dữ liệu thông qua cổng COM ảo trên máy tính Cần thiết lập giá trị Baud Rate của COMPIM bằng đúng giá trị của Arduino
Hình 4.20 Thông số thiết lập cho COMPIM
Dựa vào nguyên lý kích hoạt transistor, cần thiết lập giá trị ban đầu của chân digital trên Arduino Mega là HIGH Khi phần mềm gửi lệnh tạo lỗi, chân digital sẽ chuyển sang giá trị LOW để kích hoạt transistor dẫn Khi lỗi được xóa, điện áp tại chân digital sẽ chuyển về giá trị HIGH
Hình 4.21 Code Arduino mô phỏng giao tiếp UART
Tiến hành cho chạy mô phỏng lần lượt trên Visual Studio và Proteus
Hình 4.22 Khởi chạy mô phỏng WinForms và mạch trên Proteus
Hình 4.23 Gửi mã lỗi để kích hoạt Relay thành công
Quan sát trên Virtual Terminal ta thấy kí tự “a” được gửi từ phần mềm sang Proteus thành công, và Arduino nhận diện kí tự này nên thay đổi điện áp tại chân digital từ HIGH sang LOW để làm transistor dẫn, làm kích hoạt relay chuyển tiếp điểm Kết quả là mạch còi sẽ bị hở mạch, dẫn đến hiện tượng công tắc được đóng nhưng còi không kêu
Hình 4.24 Xóa mã lỗi để tắt Relay thành công
Quan sát trên Virtual Terminal ta thấy kí tự “x” được gửi từ phần mềm sang Proteus thành công, Arduino nhận biết kí tự này và chuyển điện áp tại chân digital về trạng thái
HIGH, làm transistor ngưng dẫn, relay chuyển về tiếp điểm thường đóng, mạch còi hoạt động bình thường
4.2.2 Nhánh mạch tiếp điểm relay
Hình 4.25 Mạch giảm áp LM2596
21 relay được kết nối với nguồn 5V thông qua một mạch chuyển đổi nhỏ nằm phía trong hộp, khi hộp được nối với nguồn điện, thông qua adapter, nguồn điện 12V được cung cấp vào mạch, một đường dây dẫn nguồn này lên phía trên hộp để tạo nguồn cho mạch thực hành, một đường dây là đầu vào của mạch chuyển đổi LM2596 để chuyển từ 12V thành 5V, điện áp 5V này cũng được kết nối vào 2 chân Vin và GND của Arduino Ngoài ra, điện áp 12V còn được dùng với mục đích thứ ba là để phục vụ việc tạo lỗi với đầu dương của điện áp này được kết nối với tiếp điểm thường mở của relay tạo lỗi nối tắt nguồn, còn đầu âm của điện áp được kết nối với tiếp điểm thường mở của relay tạo lỗi nối tắt GND 21 relay trong mạch được tổng hợp từ 4 loại lỗi gồm:
Hình 4.26 Sơ đồ minh họa nguyên lý hoạt động của cách tạo lỗi hở mạch
Khi relay ở trạng thái không hoạt động, dòng điện đi qua các chân cắm và vào chân COM qua chân NC của relay, sau đó đi vào linh kiện, giúp kết nối các chân cắm và linh kiện như mô tả ở mạch thực hành Khi relay hoạt động, dòng điện không còn đi vào linh kiện mà chỉ dừng ở chân NO, lúc này nếu ta đo điện trở giữa 2 đầu chân cắm sẽ thấy điện trở vô cùng hoặc đo điện áp khi mạch có nguồn thì sẽ không có điện áp rơi tại linh kiện, minh họa cho trường hợp linh kiện đã bị đứt
- Điện trở không mong muốn:
Hình 4.27 Sơ đồ minh họa nguyên lý hoạt động của cách tạo lỗi xuất hiện điện trở không mong muốn
Khi relay ở tiếp điểm NC tương tự như trường hợp Hở mạch Với relay ở tiếp điểm
NO, dòng điện đi qua chân cắm dây dẫn vào tiếp điểm NO của relay, qua một điện trở sau đó đi qua linh kiện, điều này sẽ làm xuất hiện một điện trở được mắc nối tiếp với linh kiện Nhờ vậy, khi ghim đồng hồ ở hai chân cắm dây dẫn của linh kiện để kiểm tra điện áp, ta sẽ thấy điện áp rơi tại đây cao hơn bình thường vì có thêm điện trở
Hình 4.28 Sơ đồ minh họa nguyên lý hoạt động của cách tạo lỗi ngắn mạch nối đất kiểu một
Hình 4.29 Sơ đồ minh họa nguyên lý hoạt động của cách tạo lỗi ngắn mạch nối đất kiểu hai
KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ
Kết quả
Sau quá trình nghiên cứu và triển khai thực hiện đồ án, nhóm đã đạt được những kết quả khả quan, đúng như những mục tiêu ban đầu của nhóm đề ra Cả về khía cạnh lý thuyết và sản phẩm, nhóm đã thu được những thành tựu đáng chú ý và có ý nghĩa quan trọng, và là cơ sở để đề tài có thể tiếp tục được nghiên cứu và phát triển xa hơn về sau
5.1.1 Lý thuyết Đề tài của nhóm đã thành công trong việc tổng hợp và cung cấp một nguồn tài liệu toàn diện về các phần mềm phổ biến như Visual Studio, C# Winforms và Arduino, cũng như các kiến thức về điện và điện tử cơ bản trong lĩnh vực ô tô
Bên cạnh đó, đề tài đã tạo ra được một chương trình giảng dạy cho sinh viên, cung cấp cho sinh viên những kiến thức cơ bản về điện – điện tử, về các mạch điện đơn giản trên xe ô tô, cách chẩn đoán, xác định vị trí các lỗi mạch điện thường gặp
Ngoài ra, nhóm còn cung cấp một quy trình hướng dẫn phân tích kiểm tra lỗi sao cho hợp lý nhất, đem lại trải nghiệm thực tế cho sinh viên, giúp sinh viên dễ dàng tiếp thu bài học
Dù một số khó khăn nhất định trong quá trình nghiên cứu và thiết kế, nhóm vẫn đạt được mục tiêu hoàn thiện sản phẩm một cách toàn diện nhất có thể
Nhóm đã thành công trong việc liên kết một phần mềm tự tạo ra với một mô hình, kết nối luôn ổn định trong suốt quá trình sử dụng mô hình, các lệnh từ phần mềm tác động đến mô hình được truyền đi chính xác, ổn định Phần mềm được xây dựng để cung cấp đầy đủ kiến thức và có một giao diện thân thiện, dễ sử dụng, đồng thời cung cấp khả năng quản lý cơ bản cho giảng viên trong việc dạy học
Hình 5.1 Nối dây tạo mạch điện theo hướng dẫn từ phần mềm
Phần cứng của đề tài cung cấp cho giảng viên một công cụ để giúp sinh viên thực hành các kỹ năng, áp dụng kiến thức học được để phân tích và giải quyết vấn đề khi mạch điện gặp lỗi Bên cạnh các lỗi mà chương trình đã chuẩn bị sẵn, mạch thực hành được cung cấp với đa dạng linh kiện khác nhau, cho phép giảng viên sáng tạo và tạo ra các mạch điện ô tô mô phỏng khác để phục vụ việc giảng dạy Điều này giúp sinh viên hiểu sâu hơn về bài học thông qua việc xử lý sơ đồ lỗi
Hình 5.2 Các đèn hoạt động đúng nguyên lý
Hình 5.3 Các đèn hoạt động sai khi có lệnh tạo lỗi từ phần mềm
Khi thực hiện phần “Thực hành kiểm tra lỗi”, phần mềm đã tạo lỗi cho mô hình làm cho đèn trong mạch sáng khi không bật bất kỳ công tắc nào
Hình 5.4 Mạch các điện trở mắc nối tiếp hoạt động khi không có lỗi
Hình 5.5 Motor hoạt động khi có lỗi xuất hiện điện trở không mong muốn
Tính toán giá trị điện áp khi mạch không có lỗi:
- Đoạn mạch trên có 2 điện trở có giá trị 200Ω mắc nối tiếp với nhau sẽ tạo nên một điện trở tương đương: R tđ = 200 + 200 = 400Ω
- Với một nguồn 12V đặt vào hai đầu đoạn mạch: I = U
- Điện áp tại mỗi điện trở là: U 2 = I R 2 = 0,03.200 = 6V
Giá trị tính toán đúng với giá trị đo được bằng đồng hồ
Tính toán giá trị điện áp khi mạch có lỗi xuất hiện điện trở không mong muốn:
- Trên mạch thực hành có 2 điện trở có giá trị 200Ω mắc nối tiếp với nhau, xuất hiện thêm điện trở không mong muốn có giá trị 100Ω, sẽ tạo thành mạch gồm 3 điện trở nối tiếp nên sẽ có một điện trở tương đương: R tđ = 200 + 200 + 100 = 500Ω
- Với một nguồn 12V đặt vào hai đầu đoạn mạch: I = U
- Điện áp tại mỗi điện trở là: U 2 = I R 2 = 0,024.300 = 7,2V
Giá trị tính toán đúng với giá trị đo được bằng đồng hồ
Hình 5.6 Dùng đồng hồ nhận biết lỗi hở mạch trên mạch còi
Phần mềm tạo lỗi hở mạch trên mô hình, dùng đồng hồ VOM với thang đo OHM để kiểm tra và thấy công tắc bị đứt khi đo đồng hồ ra giá trị điện trở vô cùng
Ngoài ra, đề tài cung cấp một mạch tạo lỗi với 21 lỗi đa dạng từ các lỗi phổ biến đến các lỗi trên các linh kiện khác nhau Giảng viên chỉ cần thực hiện một số thao tác đơn giản để thiết lập các lỗi này trên mạch theo ý của mình.
Đánh giá
Phần mềm của nhóm hoạt động ổn định và đáp ứng các nhu cầu cơ bản của một phần mềm hỗ trợ học tập, có khả năng cải thiện cũng như tăng cường kiến thức lý thuyết và kỹ năng thực hành của sinh viên
Mạch thực hành của nhóm được thiết kế đẹp, dễ sử dụng, nhỏ gọn, tiện dụng và dễ lắp đặt
Tuy nhiên, bên cạnh những thành công tích cực đó, sản phẩm của đề tài vẫn còn tồn tại một vài khiếm khuyết nhỏ cần khắc phục:
+ Các thao tác trên phần mềm có một khoảng trễ nhất định
+ Thiết kế giao diện bài học chưa tối ưu
+ Giáo án giảng dạy còn ít so với tiềm năng của đề tài
+ Các linh kiện được dùng trong mô hình vẫn chưa đủ tốt, cần thêm thời gian tìm kiếm trên các thị trường khác để tìm được các linh kiện tốt và phù hợp nhất