Nghiên cứu mô phỏng hệ thống cảnh báo va chạm MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CẢNH BÁO VA CHẠM TRÊN PHẦN MỀM PROTEUS Cảm biến siêu âm Ardunio Led Loa ...
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CẢNH BÁO VA CHẠM
Giới thiệu về hệ thống cảnh báo va chạm
Ngày nay, ở nước ta dưới thời của cuộc cách mạng công nghệ số (cách mạng 4.0) mọi ngành nghề đều đua nhau phát triển đặc biệt là các khối ngành về khoa học, công nghệ và kỹ thuật Ngành công nghiệp ô tô cũng không phải là một ngoại lệ, theo thống kê vào tháng 6 năm 2020 thì Việt Nam có hơn 350 doanh nghiệp sản xuất liên quan đến ô tô, với tổng công suất lắp ráp thiết kế khoảng 680.000 xe/năm Trong số 350 doanh nghiệp sản xuất liên quan đến ô tô đó, có hơn 40 doanh nghiệp sản xuất, láp ráp ô tô; 45 doanh nghiệp sản xuất khung gầm, thân xe, thùng xe; 214 doanh nghiệp sản xuất linh kiện, phụ tùng, phụ trợ ô tô với sản lượng sản xuất, lắp ráp đáp ứng khoảng 70% nhu cầu xe dưới 9 chỗ trong nước Dự kiến ngành công nghiệp ô tô sẽ phát triển bùng nổ vào năm 2025 Đi đôi với sự phát triển đó thì các hệ thống đảm bảo an toàn cho người sử dụng ô tô cũng rất quan trọng Bên cạnh các tính năng an toàn tiêu chuẩn trên xe như: Dây đai an toàn, túi khí, phanh ABS thì còn có thêm các trang bị điện tử thông minh như: Hệ thống kiểm soát hành trình (Cruise Control), Hệ thống phanh tự động (Auto Emergency Brake - AEB), Hệ thống hỗ trợ lực phanh khẩn cấp (Brake
Assist – BA), Hệ thống cảnh báo va chạm (Pre - Collision System - PCS) Trong đó hệ thống cảnh báo va chạm được đánh giá cao và được các hãng xe lớn chú trọng phát triển bởi vì lợi ích mà nó mang lại là rất lớn, nó không chỉ làm giảm thiểu các vụ tai nạn giao thông do người lái mất tập trung, phương tiện, người đi bộ hay vật cản xuất hiện đột ngột,… mà còn làm giảm căng thẳng và lo lắng cho người lái, đồng thời góp phần xây dựng một môi trường giao thông thông minh và hiệu quả hơn, mang lại lợi ích to lớn cho cả người lái và xã hội Với những phân tích như trên thì nhóm nghiên cứu đã quyết định chọn hệ thống cảnh báo va chạm (Pre- Collision System) làm đề tài báo cáo Vậy hệ thống cảnh báo va chạm được hiểu là gì?
Hình 1.1: Hệ thống cảnh báo va chạm
Hệ thống cảnh báo va chạm (Pre-Collision System) là một đột phá trong lĩnh vực an toàn giao thông, là công nghệ an toàn được trang bị trên ô tô nhằm phát hiện và cảnh báo cho tài xế về nguy cơ xảy ra va chạm Hệ thống này hoạt động dựa trên các cảm biến được đặt ở phía trước đầu xe, phát ra sóng radio hoặc sóng hồng ngoại để phát hiện các chướng ngại vật Khi phát hiện có chướng ngại vật, hệ thống sẽ phát ra cảnh báo bằng âm thanh, hình ảnh hoặc cả hai.
Lịch sử và xu thế phát triển
Hệ thống cảnh báo va chạm được phát triển lần đầu tiên vào năm 1990 bởi công ty Autoliv Tuy nhiên, hệ thống này chỉ được sử dụng trên các dòng xe cao cấp và có giá thành rất cao Đến năm 2003, Mercedes-Benz đã giới thiệu hệ thống Pre - Safe trên dòng sedan cao cấp S-class Hệ thống này không chỉ cảnh báo cho tài xế mà còn có thể phanh để tránh va chạm Kể từ đó, hệ thống cảnh báo va chạm đã được phát triển và phổ biến rộng rãi trên các dòng xe ô tô Thậm chí giữa các hãng xe còn diễn ra một cuộc đua thực sự về công nghệ mang đến nhiều lợi ích cho người dùng Ví dụ có thể kể đến hãng xe Mazda với công nghệ an toàn của gói i-Activesense Hệ thống này sử dụng sóng radar milimet và camera để hỗ trợ quá trình điều khiển giúp người lái kiểm soát hành trình, nguy hiểm, làn đường,
Hãng xe Toyota cũng đã cho ra mắt gói công nghệ an toàn TSS (Toyota Safety Sense) vào tháng 3/2015, trong đó có hệ thống cảnh báo tiền va chạm (PCS) được kết hợp bởi camera 360 độ cùng với cảm biến va chạm xung quanh xe được coi là điểm nhấn về công nghệ an toàn trên hãng xe này
1.2.2 Xu thế phát triển trong tương lai
Hệ thống cảnh báo va chạm đang ngày càng được cải tiến và nâng cao tính năng Các hệ thống hiện đại có thể phát hiện được nhiều loại chướng ngại vật hơn, bao gồm người đi bộ, xe đạp, xe máy, Ngoài ra, các hệ thống này còn có thể tự động phanh để tránh va chạm trong nhiều tình huống khác nhau, bao gồm cả khi tài xế không phản ứng
Dưới đây là một số xu thế phát triển của hệ thống cảnh báo va chạm trong tương lai:
- Tăng khả năng phát hiện chính xác chướng ngại vật: Các hệ thống cảnh báo va chạm hiện đại sử dụng nhiều cảm biến hơn, giúp phát hiện được nhiều loại, chướng ngại vật hơn, bao gồm cả các vật thể nhỏ, và ở xa
- Kết hợp với hệ thống phanh lái để đưa ra hướng xử lý tối ưu nhất để giảm thiểu nguy hiểm cho người lái và xe
- Tích hợp với các hệ thống an toàn khác: Các hệ thống cảnh báo va chạm sẽ được tích hợp với các hệ thống an toàn khác, chẳng hạn như hệ thống hỗ trợ giữ làn đường, hệ thống hỗ trợ phanh khẩn cấp, để tăng cường khả năng bảo vệ cho người lái và hành khách.
Mục đích nghiên cứu hệ thống cảnh báo va chạm
Hệ thống cảnh báo va chạm là một trong những đột phá về công nghệ an toàn trên xe hơi, nó góp phần phát triển xe tự hành một cách toàn diện trong tương lai với những ưu điểm có thể kể đến như:
- Giúp người sử dụng quan sát được toàn cảnh xung quanh, ngay cả những vị trí khó thấy như điểm mù hoặc góc chết
- Giúp giảm thiểu thấp nhất các tình huống va chạm, tai nạn đáng tiếc thông qua việc nhận biết, phát hiện sớm các chướng ngại vật, phát ra tín hiệu cảnh báo đến người lái
- Có độ nhạy cao nên thòi gian phản hồi, độ chính xác gần như tuyệt đối khi sai số chỉ rơi vào khoảng là 0.15% trong khoảng cách 2m
Tuy nhiên, bài tập lớn này tập chung nghiên cứu các chế độ lựa chọn cảnh báo khi đi trên đường cao tốc hoặc đường đô thị, với vận tốc cao và vận tốc thấp Hệ thống sẽ hiển thị khoảng cách an toàn khác nhau trong từng trường hợp đảm bảo rằng hệ thống làm việc tối ưu nhất, chính xác nhất, người lái và xe được an toàn
Khi vượt quá khoảng cách an toàn cho phép, hệ thống sẽ đưa ra các tín hiệu cảnh báo bằng ánh sáng để cho người lái có thể kết hợp phanh để tránh va chạm phải chướng ngại vật phía trước và bật tín hiệu để xe phía sau đang đi tới kịp thời né trành nếu có xảy ra va chạm.
Cấu tạo của hệ thống cảnh báo va chạm
Cấu tạo hệ thống bao gồm: cảm biến sóng siêu âm, model Arduino, màn hình hiển thị LCD, biến trở và đèn led
Hình 1.2: Cảm biến siêu âm HC-SR04
Cảm biến siêu âm bao gồm bộ phận có thể phát ra sóng siêu âm bởi một đầu dò công suất nhỏ có khả năng phát ra tín hiệu Đầu dò siêu âm có nhiều dạng khác nhau được chia thành đầu dò thẳng (sóng dọc) và đầu dò ngang (sóng ngang), đầu dò sóng bề mặt, đầu dò kép (1 cái phát tín hiệu – 1 cái nhận tín hiệu) …Tuỳ vào mục đích sử dụng người ta chọn đầu dò cảm biến siêu ậm phù hợp nhất Tất cả đều có chung cấu tạo cảm biến siêu âm như sau:
Cấu tạo của cảm biến siêu âm:
– Máy phát: Rung bằng máy rung (thường được làm từ chất liệu gốm có đường kính khoảng 15 mm) để tạo sóng siêu âm và lan truyền vào không khí
– Máy thu: Khi máy rung nhận sóng siêu âm, nó tạo ra rung động cơ học tương ứng theo sóng siêu âm và chuyển đổi thành năng lượng điện ở đầu ra của máy thu
Hình 1.3: Cấu tạo cảm biến siêu âm
- Điều khiển: Điều khiển truyền siêu âm của máy phát bằng cách sử dụng mạch tích hợp và đánh giá xem máy thu có nhận được tín hiệu (sóng siêu âm) và kích thước của tín hiệu thu được hay không
- Nguồn điện: Cảm biến siêu âm thường được cung cấp bởi nguồn điện DC bên ngoài với điện áp là PCB ± 10% hoặc 24 V ± 10% và được cung cấp cho cảm biến thông qua mạch ổn áp bên trong
Nguyên lý hoạt động: Cảm biến siêu âm hoạt động dựa trên quá trình phát và thu nhận tín hiệu; hệ thống cảm biến sẽ liên tục phát ra các sóng âm có tần số cao hơn mức mà con người có thể nghe và có tốc độ lan truyền nhanh, mạnh Khi các sóng âm này gặp phải bề mặt vật cản như chất rắn hay chất lỏng thì sẽ tạo ra các bước sóng phản xạ lại Thiết bị cảm biến sẽ tiếp nhận sóng phản xạ, phân tích và xác định chính xác khoảng cách từ cảm biến đến vật cản
Hình 1.4: Cách thức hoạt động của cảm biến sóng âm
Cảm biến HC-SR04 có 4 chân là Vcc, Trig, Echo, GND
Bảng 1.1: Chân cảm biến HC-SR04
Chân cảm biến HC-SR04 Tác dụng
GND Nối mát Để đo khoảng cỏch, cảm biến sẽ phỏt 1 xung rất ngắn (5 microSeconds - às) từ chân Trig
Sau đó, cảm biến sẽ tạo ra 1 xung HIGH ở chân Echo cho đến khi nhận lại được sóng phản xạ ở pin này
- Khái niệm Arduino: Arduino là nền tảng mã nguồn mở giúp con người xây dựng các ứng dụng điện tử có khả năng liên kết, tương tác với nhau tốt hơn
Arduino có thể xem như một chiếc máy tính thu nhỏ giúp người dùng lập trình, thực hiện các dự án điện tử không cần tới công cụ chuyên biệt phục cho quá trình nạp code
Hình 1.6: Cấu tạo Arduino UNO R3
Cấu tạo Arduino UNO R3 gồm có: 1 cổng USB, 1 cổng cấp nguồn điện, chân reset, chân nguồn 3.3 V, chân nguồn 5V, chân nối đất, nguồn vào, 5 chân tín hiệu Analog (0-5), IC điều khiển Atmega 328p, chân ICSP của Atmega 328p, nút reset, cổng vào (RX), cổng ra (TX), chân tín hiệu số (2-13)
Trong đó bộ phận quan trọng nhất là IC điều kiển Atmega 328
Bảng 1.2: Thông số kỹ thuật Atmega328P
Vi điều khiển Atmega328P Điện áp hoạt động 5V Điện áp cấp (hoạt động tốt) 7 – 12 V Điện áp cấp (giới hạn) 6 – 12 V
Chân I/O digital 14 (có 6 chân xuất xung PWM)
Dòng điện mỗi chân I/O 20 mA
Bộ nhớ Flash 32 kB (Atmega328P) – trong đó 0.5 kB dùng cho bootloader
Tốc độ xung nhịp 16 MHz
Khi làm quen, tìm hiểu về một model Arduino, chúng ta cần chú ý tới thông số kỹ thuật đầu tiên Điều này giúp chúng ta có được một thói quen tốt để làm việc
Các thông số chính như: Vi điều khiển, điện áp cấp/điện áp hoạt động, chân digital/analog, tốc độ xung nhịp, bộ nhớ, …
Sơ đồ chân của vi điều khiển ATmega328P:
Hình 1.7: Sơ đồ chân Arduino - Digital : Các chân I/O digital (chân số 2 – 13) được sử dụng làm chân nhập, xuất tín hiệu số thông qua các hàm chính: pinMode (), digitalWrite (), digitalRead () Điện áp hoạt động là 5V, dòng điện qua các chân này ở chế độ bình thường là 20mA, cấp dòng quá 40mA sẽ phá hỏng vi điều khiển
- Analog : Uno có 6 chân Input analog (A0 – A5), độ phân giải mỗi chân là 10 bit (0 – 1023) Các chân này dùng để đọc tín hiệu điện áp 0 – 5V (mặc định) tương ứng với 1024 giá trị, sử dụng hàm analogRead()
- PWM : các chân được đánh số 3, 5, 6, 9, 10, 11; có chức năng cấp xung PWM (8 bit) thông qua hàm analog Write()
- UART : Atmega328P cho phép truyền dữ liệu thông qua hai chân 0 (RX) và chân 1 (TX)
- Nguồn: Có hai cách cấp nguồn chính cho bo mạch Uno: cổng USB và jack DC
Giới hạn điện áp cấp cho Uno là 6 – 20V Tuy nhiên, dải điện áp khuyên dùng là 7 – 12 V (tốt nhất là 9V) Lý do là nếu nguồn cấp dưới 7V thì điện áp ở ‘chân
5V’ có thể thấp hơn 5V và mạch có thể hoạt động không ổn định; nếu nguồn cấp lớn hơn 12V có thể gấy nóng bo mạch hoặc phá hỏng
Các chân nguồn trên Uno:
- Pin: chúng ta có thể cấp nguồn cho Uno thông qua chân này Cách cấp nguồn này ít được sử dụng
- 5V: Chân này có thể cho nguồn 5V từ bo mạch Uno Việc cấp nguồn vào chân này hay chân 3.3 V đều có thể phá hỏng bo mạch
- 3.3V: Chân này cho nguồn 3.3 V và dòng điện maximum là 50mA
1.4.3 Màn hình hiển thị LCD
Nhiệm vụ của khối hiển thị là nhận tín hiệu từ vi điều khiển để hiển thị tốc độ, độ rộng xung, chiều quay của động cơ lên màn hình LCD.Hiện nay trên thị trường có nhiều loại LCD với mẫu mã và hình dạng khác nhau Dựa trên kích cỡ và hiển thị có thể chia LCD ra làm hai loại chính: LCD hiển thị kí tự (Character LCD) có các kích cỡ: 16x1, 16x2, 16x4… Mỗi kí tự được tạo thành bởi một ma trận các điểm sáng kích thước 5x7 hoặc 5x10 điểm ảnh LCD hiển thị đồ họa (Graphic LCD) đen trắng hoặc màu, gồm các kích thước 1.47 inch (128x128 điểm ảnh), 1,8 inch (128x160 điểm ảnh), 2 inch (176x220 điểm ảnh), 2,2 inch (240x320 điểm ảnh), 2,4 inch (240x320 điểm ảnh), 3,5 inch (320x240 điểm ảnh), 4,3 inch (480x272 điểm ảnh ), 7 inch (800x480 điểm ảnh), 8 inch (800x600 điểm ảnh)
Loại LCD này được dùng nhiều trong điện thoại di động, máy ảnh số, camera
- Ý nghĩa các chân của LCD:
+ Chân VCC, VSS cấp dương nguồn +5V và nối đất tương ứng Chân VEE được dùng để điều khiển độ tương phản cho LCD
+ Chân chọn thanh ghi RS (Register Select): Có 2 thanh ghi rất quan trọng bên trong LCD, chân RS được dùng để chọn 2 thanh ghi này như sau: nếu RS = 0 thì thanh ghi mã lệnh được chọn để cho phép người dùng gửi đến một lệnh như xóa màn hình, đưa con trỏ về đầu dòng… Nếu RS = 1 thì thanh ghi dữ liệu được chọn cho phép người dùng gửi dữ liệu cần hiển thị lên LCD
+ Chân đọc/ghi RW: Đầu đọc/ghi cho phép người dùng gửi thông tin trên LCD
Khi RW = 0 thì ghi, RW = 1 thì đọc
+ Chân cho phép E (Enable): Chân cho phép E được sử dụng bởi LCD để chốt thông tin hiện hữu trên chân dữ liệu của nó, khi dữ liệu được cấp đến chân dữ liệu thì một mức xung từ cao xuống thấp phải được áp đến chân này để LCD chốt dữ liệu trên các chân chốt dữ liệu Xung này phải rộng tối thiểu 450ns
Nguyên lý hoạt động của hệ thống cảnh báo va chạm
Hệ thống cảnh báo va chạm hoạt động thông qua cảm biến siêu âm Các cảm biến này thường được đặt ở đầu xe và liên tục phát sóng radar
Khi gặp chướng ngại vật, sóng radar sẽ dội ngược lại cảm biến Căn cứ vào thời gian sóng di chuyển và dội ngược lại, bộ xử lý trung tâm ECU của xe sẽ tính được khoảng cách, thời gian từ xe đến vật chướng ngại Khi khoảng cách giữa hai xe không đảm bảo an toàn, hệ thống này có khả năng đưa ra cảnh báo cho tài xế
Hình 1.12: Nguyên lý làm việc của hệ thống cảnh báo va chạm
Hệ thống an toàn trên xe ôtô không chỉ giới hạn ở việc cảnh báo va chạm phía trước Khi khoảng cách giữa hai xe không đảm bảo an toàn, hệ thống này có khả năng đưa ra cảnh báo cho tài xế
Tuy nhiên, nếu tài xế không phản ứng kịp thời hoặc không thể kiểm soát tình huống, hệ thống có thể tự động can thiệp thông qua các công nghệ khác như hệ thống phanh tự động hoặc căng dây an toàn tự động để giảm thiểu mức độ nghiêm trọng của va chạm
Ngoài ra, nhiều hãng xe hiện nay còn trang bị cho các mẫu xe cao cấp có khả năng cảnh báo và phát hiện va chạm từ phía sau và từ bên hông xe Điều này tạo ra một lớp bảo vệ đặc biệt hữu ích trong tình hình di chuyển trong khu vực giao thông đông đúc.
Kết luận chương 1
Hệ thống cảnh báo va chạm, một công nghệ tiên tiến được tích hợp trên ô tô, với mục tiêu giảm thiểu tai nạn giao thông và giảm độ nghiêm trọng của các vụ va chạm Trên chương một đã tìm hiểu về sự phát triển của hệ thông va chạm từ lúc Mercedes trang bị cho các xe dòng cao cấp S-class năm 2003 cho đến hiện nay hệ thống cảnh báo va chạm có thể coi là một trang bị không thể thiếu trên các mẫu xe hiện đại của các hãng xe và một vài dự đoán về sự phát triển của hệ thống va chạm trên những chiếc xe không người lái Trên chương một cũng giới thiệu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống Trong hệ thống cảnh báo va chạm, cảm biến siêu âm đóng vai trò rất quan trọng, nó giúp phát hiện ra chưỡng ngại vật và tính toán khoảng cách gửi về arduino, aduino sẽ sử dụng các thuật toán để đưa ra cảnh báo an toàn cho người lái Tất cả những hoạt động của cảm biến hay aduino đều hoạt động đều dựa trên các cơ sở lý thuyết ở chương kế tiếp
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Mô hình toán học
Cảm biến siêu âm HC-SR04 (Ultrasonic Sensor) sử dụng sóng siêu âm và có thể đo khoảng cách trong khoảng từ 2 -> 300cm
Cảm biến siêu âm tính toán khoảng cách bằng cách:
- Phát xung kích hoạt 10 μs tới chân Trig của cảm biến
- Khi nhận được xung này, cảm biến sẽ gửi 8 xung sóng âm 40kHz và chờ sườn lên tại chân Echo
- Khởi tạo Timer tại sườn lên của chân Echo và chờ sườn xuống của chân Echo - Khi bắt được sườn xuống của chân Echo, đọc giá trị Timer đếm được và tính toán các khoảng cách đến đối tượng
Hình 2.1: Lược đồ thời gian
Công thức tính khoảng cách:
- Khoảng cách = vận tốc (sóng âm) x Thời gian (s) Trong đó:
- Vận tốc âm thanh = 343 m/s = 34300 cm/s
2 = 17150 × 𝑇𝑖𝑚𝑒𝑟 - Timer sẽ đo thời gian Echo ở mức cao
Lưu đồ thuật toán
Hình 2.2: Lưu đồ thuật toán
Kết luận chương 2
Chương 2 cho biết cơ sở lý thuyết của hệ thống cảnh báo va chạm Cảm biến sóng âm dựa trên công thức vật lý để tính khoảng cách giữa xe và chướng ngại vật với 1 đại lượng vận tốc âm thanh bằng một hằng số và đếm thời gian từ khi phát sóng đến khi sóng phản xạ lại Có thể nói cảm biến sóng siêu âm có độ chính xác rất cao và độ trễ không đáng kể rất tin cậy trong một hệ thống an toàn trên xe ô tô Từ dữ liệu từ cảm biến sóng siêu âm chuyển về Arduino Tại đây Arduino xử lý tín hiệu so sánh với khoảng cách an toàn cho phép và đưa ra tín hiệu cảnh báo một cách nhanh nhất và chính xác nhất theo lưu đồ thuật đoán Tiếp đến để hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động của hệ thống cảnh báo va chạm, bài tập lớn này sẽ mô phỏng hệ thống trên phần mềm Proteus ở chương 3.
MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CẢNH BÁO VA CHẠM TRÊN PHẦN MỀM PROTEUS
Giới thiệu phần mềm mô phỏng proteus
Phần mềm Proteus cho phép mô phỏng hoạt động của mạch điện tử bao gồm phần thiết kế mạch và viết chương trình điều khiển cho các họ vi điều khiển như MCS-51, PIC, AVR, …Proteus là phần mềm mô phỏng mạch điện tử của Labcenter Electronics, mô phỏng cho hầu hết các linh kiện điện tử thông dụng, đặc biệt hỗ trợ cho cả các MCU như PIC, 8051, AVR, Motorola
Phần mềm bao gồm 2 chương trình: ISIS (Intelligent Schematic Input System) cho phép mô phỏng mạch và ARES (Advanced Routing and Editing Software) dùng để vẽ mạch in
3.1.1 Các tính năng của phần mềm Proteus
- Vẽ sơ đồ nguyên lý
Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý
Bạn có thể dễ dàng vẽ được các sơ đồ mạch điện tử trên Proteus một cách dễ dàng và nhanh chóng Bạn lấy linh kiện mong muốn từ thư viện của Proteus, sau đó kết nối các linh kiện lại với nhau để tạo ra một mạch điện tử hoàn chỉnh
Hình 3.2: Chức năng mô phỏng
Khả năng ứng dụng chính của Proteus là mô phỏng, phân tích các kết quả từ các mạch nguyên lý Proteus giúp người sử dụng có thể thấy trước được mạch thiết kế chạy đúng hay sai trước khi thi công mạch
Các công cụ phục vụ cho việc phân tích mạch có độ chính xác khá cao như vôn kế đo điện áp, ampe kế đo dòng điện, máy đao động ký Đối với các bạn yêu thích điện tử thì đây là công cụ tuyệt vời Nó giúp cho các bạn tự học, tự nghiên cứu và thiết kế thử các mạch điện tử và chạy mô phỏng để kiểm tra kết quả từ đó rút ra được những bài học hữu ích Điều này sẽ giúp bạn tiết kiệm được thời gian và tiền bạc khi bạn không có điều kiện mà lại ham học và nghiên cứu
- Thiết kế mạch in PCB
Hình 3.3: Thiết kế mạch in PCB
Là tính năng dễ sử dụng trong Proteus Bạn có thể tự tạo bản thiết kế hoặc bắt
Proteus làm hộ bạn Tự tạo bản thiết kế rất dễ dàng chỉ cần bạn đặt những chi tiết vào sơ đồ và vẽ đường mạch điện chạy qua Đừng lo lắng về việc vi phạm bất kỳ quy tắc thiết kế nào bởi vì nó sẽ tự động phát hiện ra lỗi Còn nếu muốn Proteus làm thay bạn thì chỉ cần đặt các chi tiết vào vị trí tương ứng rồi cho chạy tự động
Nó sẽ vẽ ra các cách đặt đường mạch và lựa bản tốt nhất Và hiện nay còn có một tùy chỉnh nữa “Auto placer”, nó yêu cầu bạn xác lập kích thước bảng bằng cách vẽ hình dáng và kích cỡ bản mạch Sau đó, nó tự động đặt các chi tiết vào trong khuôn Sau đó, tất cả việc bạn phải làm là lập sơ đồ mạch
Ngoài ra, trong quá trình thiết kế mạch in bạn cũng có thể xem hình 3D Tính năng này rất hữu ích, nó cho phép bạn thiết ra những board mạch in đẹp theo mong muốn của mình
Hình 3.4: Chức năng thiết kế mạch in 3.1.2 Ưu và nhược điểm của Proteus
- Dễ dạng tạo ra một sơ đồ nguyên lý từ đơn giản đến phức tạp
- Dễ dàng chỉnh sữa các đặc tính của linh kiện trên sơ đồ nguyên lý
- Hỗ trợ kiểm tra lỗi thiết kế trên sơ đồ nguyên lý Có thể xem và lưu lại phần báo lỗi
- Phần mềm chạy mô phỏng và phân tích các tính chất của một mạch điện một cách chính xác
- Proteus cung cấp cho người sử dụng công cụ biên dịch cho các họ vi xử lý như MSC51, AVR, HC11, …qua đó tạo ra các tập tin.hex dùng để nạp cho vi xử lý và tạp tin.dsi dùng để xem và chạy kiểm tra từng bước trong quá trình mô phỏng
- Phần mềm cung cấp rất nhiều mô hình linh kiện có chức năng mô phỏng, từ các vi điều khiển thông dụng đến các link kiện ngoại vi như LED, LCD, Keypad, cổng RS232… cho phép người sử dụng mô phỏng từ một hệ vi điều khiển hoàn chỉnh đến việc xây dựng phần mềm cho hệ thống đáp ứng các giao thức vật lý
Ngoài ra, Proteus còn cho phép bạn tự tạo link kiện tương tác động do đó bạn có thể thực hiện các mô phỏng có tương tác giống như hoạt động của một mạch thật
- Phần vẽ mạch có giao diện không được đẹp và hấp dẫn.
Các bước chuẩn bị mô phỏng
3.2.1 Các linh kiện cần dùng để mô phỏng hệ thống cảnh báo va chạm
Chuẩn bị các linh kiện cần dùng để mô phỏng hệ thống va chạm trên phần mềm Proteus
- Arduino UNO R3 sử dụng chip Atmega 328p:
- Màn hình LCD LM016L kích thước 16x2:
Hình 3.6: Màn hình LCD trên Proteus
Hình 3.7: Biến trở trong Proteus
- Đèn LED: Led xanh lá và Led đỏ
Hình 3.8: Đèn LED trong Proteus
Hình 3.9: Cảm biến siêu âm
3.2.2 Kết nối các linh kiện trên phần mềm Proteus
Sắp xếp các linh kiện và kết nối thành mạch hoàn chỉnh:
Hình 3.11: Mạch hệ thống cảnh báo va chạm trên Proteus Để sắp xếp các linh kiện ta chỉ cần thao tác click chuột trái vào linh kiện muốn di chuyển giữ chuột và kéo linh kiện đến vị trí mới Để kết nối các linh kiện với nhau ta làm như nhau di chuyển con trỏ chuột đến các chân của linh kiện khi nào thấy con trỏ hiển thị xanh ta click chuột rồi kéo đến chân của linh kiện muốn kết nối
Ta kết nối linh kiện lần lượt như sau:
- Kết nối cảm biến siêu âm:
+ Chân Vcc 5V nối với nguồn + Chân GND nối mát
+ Chân Trigger kết nối với chân tín hiệu 3 của Arduino
+ Chân Echo kết nối với chân tín hiệu 2 của Arduino + Chân TestPin kết nối với biến trở như hình 3.11
+ Cấp nguồn và nối mát cho biến trở
Lưu ý: Trên hình vẽ sử dụng Label để thay thế nối dây của chân Trigger và Echo với chân tín hiệu 2, 3 để sơ đồ gọn hơn và dễ nhìn hơn
- Kết nối màn hình LCD 16x2:
+ Nối lần lượt chân dữ liệu D4, D5, D6, D7 của màn hình LCD với chân tín hiệu 5, 6, 7, 8 ở Arduino
+ Nối chân E (Enable – chốt dữ liệu) của màn hình LCD với chân tín hiệu số 8 trên Arduino
+ Nối chân chọn thanh ghi RS với chân tín hiệu số 9 trên Arduino
+ Nối chân đọc/ghi R/W với mass
+ Nối chân Vss (5V) với nguồn điện + Nối chân Vee với mass
+ Nối chân Vdd với biến trở dùng điều khiển màn hình
+ Nối biến trở với nguồn và mát như hình 3.11
- Kết nối Led và loa:
+ Nối cực anot lần lượt của đèn led xanh và đỏ với chân tín hiệu 12, 13 trên arduino Và nối catot của 2 đèn với mát
+ Nối một cực của loa với chân tín hiệu số 11 của Arduino, cực còn lại nối mát
3.2.3 Chương trình mô phỏng hệ thống cảnh báo va chạm
Sau khi đã hoàn thiện đấu nối sơ đồ hệ thống cảnh báo va chạm trên Proteus, ta sử dụng phần mềm Arduino IDE để tạo chương trình mô phỏng cho Arduino UNO R3
Hình 3.12: Chương trình mô phỏng hệ thống cảnh báo va chạm
Code mô phỏng hệ thống cảnh báo va chạm:
#define echo 2 LiquidCrystal lcd(9, 8, 7, 6, 5, 4); void setup(){
Serial.begin(9600); pinMode(Led_red,OUTPUT); pinMode(Led_green,OUTPUT); pinMode(Loa,OUTPUT); pinMode(triger,OUTPUT); pinMode(echo,INPUT);
//Thông báo đây là LCD 1602 lcd.begin(16, 2);
} int input_data; int drive; float duration, distance; void Ultra_sonic(){
// Ultra sonic program start digitalWrite(triger,LOW); delay(2); digitalWrite(triger,HIGH); delay(15); digitalWrite(triger,LOW); duration=pulseIn(echo,HIGH); distance=duration*1715/100000;
// end } void loop(){ input_data=analogRead(A0);
Ultra_sonic(); if((distance>=0)&&(distance0)&&(distance300 cm), màn hình LCD hiển thị text “An toàn” và khoảng cách Đồng thời lúc này Led xanh trên bảng taplô sáng để thông báo và chuông báo không hoạt động
Hình 3.13: Trường hợp khoảng cách an toàn
TH2: Nếu xác định khoảng cách nguy hiềm (= 150), ngay lập tức màn hình LCD hiển thị text “Nguy hiểm” cùng với khoảng cách Lúc này đèn Led đỏ sáng để thông báo cho người lái
Hình 3.14: Trường hợp khoảng cách nguy hiểm
TH3: Nếu xác định khoảng cách rất nguy hiểm (< 150), ngay lập tức màn hình LCD hiển thị dòng text “Rất nguy hiểm” cùng với khoảng cách tới chướng ngại vật Lúc này đèn Led đỏ và chuông cảnh báo hoạt động để thông báo tới người lái
Hình 3.15: Trường hợp khoảng cách rất nguy hiểm
Kết luận chương 3
Phần mềm Proteus là một trong những phần mềm được đánh giá cao nhất trpnh việc kiểm tra, đánh giá và mô phỏng mạch điện tử mà không cần phải xây dựng một mô hình thực tế vì nó có rất nhiều ưu điểm phải kể đến như: thư viện linh kiện đa dạng có sẵn các linh kiện điện tử để sử dụng trong quá trình thiết kế
Proteus cung cấp một trình giả lập mạch chính xác, cho phép người dùng đánh giá hoạt động của mạch trước khi thiết kế thực tế Cũng như cho phép người dùng có cái nhìn trực quan hơn về tương tác giữa các linh kiện và xem kết quả mô phỏng trong thời gian thực Những ưu điểm này cho thấy Proteus rất phù hợp để mô phỏng hệ thống cảnh báo trên ô tô Trong chương 3 giới thiệu các linh kiện cần chuẩn bị và cách sắp xếp kết nối chúng với nhau thành một sơ đồ hoàn chỉnh
Phần mềm Arduino IDE được sử dụng để tạo chương trình cho cảm biến và Arduino UNO R3 điều khiển và cho ra kết quả với 3 trường hợp khác nhau Qua quá trình mô phỏng hệ thống có thể thấy hệ thống cảnh báo va chạm rất cần thiết trên những chiếc xe ô tô hiện đại ngày nay vì những ưu điểm của nó mang lại rất lớn, giảm thiểu được những tai nạn không đáng có và tạo cảm giác an toàn cho người sử dụng
