• Phạm vi nghiên cứu: Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, do giới hạn về thời gian, kinh phí và khả năng của sinh viên thực hiện nên đề tài chỉ tập trung lập trình điều khiển và thiết k
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Giới thiệu chung
2.1.1 Lịch sử phát triển của xe máy
Thế kỷ 19: Những phát minh đời đầu Lịch sử của xe gắn máy có thể coi như sự kết hợp giữa động cơ nổ và xe hai bánh Về động cơ rất phức tạp, do nhiều người phần nhiều là vô danh làm Thật ra động cơ đốt trong đầu tiên do kỹ sư Pháp Etienne Lenoir chế tạo thành công chiếc Michaux-Perreaux vào năm 1860
Hình 2.1: Chiếc xe gắn máy đầu tiên Michaux-Perreaux
Từ đó các nhà thiết kế luôn luôn nghĩ đến việc đặt động cơ lên xe ngựa và xe đạp Tuy vậy mãi đến năm 1870 chiếc xe đạp được gắn động cơ hơi nước với nồi súp de đốt bằng rượu cồn do kỹ sư Pháp Perrot sáng chế là chiếc xe gắn máy đầu tiên Năm 1884 một động cơ nổ 2 xy lanh gắn lên xe 3 bánh do người Anh Edward Butler sáng chế
Năm 1885: Gottlieb Daimler và Wilhelm Maybach, hai kỹ sư người Đức, phát triển chiếc xe máy đầu tiên được gọi là "Reitwagen" (nghĩa là "xe cưỡi"), chạy bằng động cơ xăng
Hình 2.2: Chiếc xe gắn máy đầu tiên Reitwagen
Do tình trạng điều khiển khó khăn vì máy chạy chậm, không có ly hợp nên xe hai bánh phát triển chậm Mãi đến thế kỷ XX xe hai bánh mới dùng nhiều, nhất là ở châu Âu Đầu thế kỷ 20: Sự ra đời của ngành công nghiệp xe máy
1901: Indian Motorcycle Manufacturing Company - một trong những hãng xe máy lâu đời nhất, được thành lập tại Mỹ
1902: Triumph - một hãng xe máy nổi tiếng của Anh, sản xuất chiếc xe máy đầu tiên của họ
Cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21: Hiện đại hóa và công nghệ mới
Thập niên 1990: Xe máy thể thao phân khối lớn, như Honda CBR900RR và Suzuki GSX- R750, trở nên phổ biến
Thập niên 2000: Các công nghệ như hệ thống phun xăng điện tử (EFI), chống bó cứng phanh (ABS), và hệ thống kiểm soát lực kéo (TCS) được tích hợp vào các dòng xe máy mới Năm 2010 trở đi: Sự phát triển của xe máy điện với những tên tuổi như Zero Motorcycles và Harley-Davidson LiveWire Xe tay ga và xe phân khối lớn cũng được cải tiến với động cơ mạnh mẽ hơn, tích hợp nhiều tính năng an toàn và công nghệ hiện đại
Vị trí máy đầu tiên được đặt ngay trục bánh xe dần đưa vào giữa khung xe như hiện nay, vị trí này thuận lợi nhất và tạo nên sự cân bằng cho xe Về truyền lực đầu tiên dùng dây cu roa, về sau sên được phổ biến, một số xe dùng lap truyền và các đăng
Khung xe ngày càng được cải tiến Đầu tiên xe không có nhúng như xe đạp hiện nay
Từ từ xuất hiện nhún trước rồi đến nhún sau, nhún bằng lò xo rồi đến nhún dầu (thủy lực)
Hệ thống ly hợp, hộp số ngày càng phát triển để xe dễ điều khiển, tốc độ ngày càng cao Hệ thống phanh cũng được cải tiến dần đa số dùng phanh đùm và gần đây chuyển sang dùng
Riêng động cơ vẫn dùng loại 2 thì hoặc 4 thì, dung tích xy lanh có thể từ 50 - 1300 cm 3 Chỉ có những cải tiến nhỏ vì nó trang bị cho xe gắn máy gần như đạt đến mức cao nhất của công suất
Hiện nay xe gắn máy có vài cải tiến mới như dùng đĩa thắng, phun xăng điện tử, hộp số nhiều cấp, trang bị loại niềng chỉ có khoảng 7 - 8 cây căm to thay vì nhiều căm nhỏ như trước đây Nhằm cho việc điều khiển xe trở nên dễ dàng, hệ thống ly hợp tự động được dùng phổ biến ở các loại xe tay ga
Lịch sử phát triển của xe máy cho thấy sự tiến bộ không ngừng từ các phát minh ban đầu cho đến các công nghệ hiện đại ngày nay Từ động cơ hơi nước đến động cơ xăng, rồi đến động cơ điện và các tính năng kết nối thông minh, xe máy đã và đang thay đổi liên tục để đáp ứng nhu cầu và xu hướng mới của xã hội
Xe gắn máy là gọi chung cho tất cả các xe 2 bánh có gắn động cơ Thực ra danh từ xe gắn máy được hiểu vận hành bằng cơ chế tự đẩy của động cơ xăng hoặc điện mà không cần sự can thiệp trực tiếp từ sức người
Ngày nay xe gắn máy phân loại chủ yếu dựa vào động cơ Theo tính năng ta có hai loại chính là động cơ 4 thì và động cơ 2 thì:
- Loại 4 thì dùng cho xe có lòng xy - lanh từ 50 - 1300 cm 3
- Loại 2 thì dùng cho xe có lòng xy - lanh từ 50 - 250 cm 3 Tối đa là 350 cm 3 vì loại này tiêu hao nhiều nhiên liệu
Dựa vào thiết kế động cơ thì ta có:
- Động cơ máy đứng (Honda CB 350)
- Động cơ máy nằm (Honda C50, BMW)
- Động cơ hình chữ V (Harley Davidson)
Dựa vào dung tích xy lanh ta có:
- Động cơ loại 49cc ( Honda C50)
- Động cơ loại 150cc (Vespa 150)
- Động cơ loại 250cc (Yamaha 250,…)
Dựa vào nhu cầu sử dụng ta có:
- Xe tay ga (Scooter): Attila, Honda @, Honda Click, SH, Nouvo, Spacy,…
- Xe số (Underbone): Dream, Future, Wave, Jupiter, Sirus,…
Thông dụng nhất hiện nay vẫn là loại xe gắn máy 100cc, 125cc, 150cc chỉ có 1 lòng xy lanh đa số là xe 2 thì Peugeot, Mobtlette (Pháp), Suzuki, Yamaha… và xe 4 thì như Honda Dream, Sirius, Suzuki Viva,
2.1.3 Cấu tạo tổng quát của xe gắn máy Wave Alpha đời 2017
Thông thường xe gồm những bộ phận sau: Động cơ Động cơ trên xe là loại động cơ xăng xylanh đơn 4 thì, với dung tích xylanh là 109,1(cc) Là bộ máy gồm nhiều chi tiết và hệ thống lắp ghép liên hệ mật thiết với nhau, là nơi đốt chát nhiên liệu tỏa nhiệt biến thành cơ năng rồi sinh ra động lực truyền sang hệ thống truyển chuyển động làm cho xe di chuyển Vậy trong động cơ phải có các chi tiết và hệ thống sau:
Các chi tiết cố định và di động
- Xi-lanh (Cylinder): Khối kim loại cố định trên thân máy, chứa piston hoạt động bên trong
- Nắp xi-lanh (Cylinder Head): Nắp trên cùng của xi-lanh, chứa các van và trục cam
- Gioăng (Gasket): Đệm làm kín giữa xi-lanh và nắp xi-lanh, giữa xi-lanh và thân máy
- Thân máy (Crankcase): Vỏ bọc bên ngoài chứa trục khuỷu, trục cam, và các bánh răng
- Lọc gió (Air Filter): Bộ phận lọc không khí trước khi vào chế hòa khí
- Bugi (Spark Plug): Bộ phận đánh lửa, lắp vào nắp xi-lanh
- Ống xả (Exhaust Pipe): Đường dẫn khí thải từ buồng đốt ra bên ngoài
- Piston: Di chuyển lên xuống trong xi-lanh để nén và giải phóng khí đốt
- Trục khuỷu (Crankshaft): Biến đổi chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay
- Thanh truyền (Connecting Rod): Kết nối piston với trục khuỷu, truyền chuyển động lên xuống của piston thành chuyển động quay
- Bánh răng (Gears): Truyền lực từ trục khuỷu đến trục cam và các bộ phận khác
- Hộp số (Gearbox): Thay đổi tỷ số truyền để phù hợp với tốc độ và tải trọng
Các chi tiết của hệ thống phân phối khí
Hệ thống phân phối khí trên xe Honda Wave Alpha 2017 được thiết kế để điều chỉnh quá trình nạp và thải khí trong động cơ Hệ thống này bao gồm các chi tiết giúp đóng/mở van nạp và van xả theo một chu trình chính xác, đảm bảo hiệu suất động cơ cao và tiêu thụ nhiên liệu hiệu quả Bao gồm các chi tiết như: Trục cam, xích cam, bánh răng cam, van nạp, van xả, cò mổ, lò xo van, con đội, bánh dẫn hướng xích cam…
Hệ thống bôi trơn, làm mát
Hệ thống bôi trơn giúp cung cấp dầu nhớt đến các bộ phận chuyển động trong động cơ, giảm ma sát và mài mòn Các chi tiết bao gồm: Bơm dầu, lọc dầu, cacte dầu, đường dầu…
THIẾT KẾ MÔ HÌNH
Lựa chọn vật tư
Cảm biến tốc độ xe máy là một thiết bị đo lường tốc độ di chuyển của xe và sử dụng các cảm biến vật lý để đo tốc độ quay của bánh xe và tính toán tốc độ di chuyển của xe
Hình 3.1: Cảm biến tốc độ
Cảm biến tốc độ là thiết bị đo lường tốc độ chuyển động của một vật thể Cấu tạo của cảm biến tốc độ có thể thay đổi tùy theo loại và nguyên lý hoạt động, nhưng sẽ bao gồm các thành phần chính sau:
Vỏ cảm biến: Bảo vệ các bộ phận bên trong khỏi bụi bẩn, nước và các tác động bên ngoài Cảm biến: Là bộ phận chính của cảm biến tốc độ, có chức năng đo lường tốc độ chuyển động
Có nhiều loại cảm biến tốc độ khác nhau, mỗi loại sử dụng một nguyên lý hoạt động riêng Một số loại cảm biến phổ biến bao gồm:
Cảm biến từ: Sử dụng từ trường để đo tốc độ quay của bánh xe
Cảm biến quang học: Sử dụng tia sáng để đo tốc độ quay của bánh xe
Cảm biến hiệu ứng Hall: Sử dụng hiệu ứng Hall để đo tốc độ quay của bánh xe
Mạch điện tử: Xử lý tín hiệu từ cảm biến và chuyển đổi thành tín hiệu điện tử có thể đọc được bởi
26 các thiết bị khác như đồng hồ tốc độ, ECU (bộ điều khiển điện tử),
Dây dẫn: Kết nối cảm biến với các thiết bị khác
Ngoài ra, một số cảm biến tốc độ còn có thể bao gồm các bộ phận khác như:
Bộ khuếch đại: Khuếch đại tín hiệu từ cảm biến để đảm bảo độ chính xác
Bộ lọc: Loại bỏ nhiễu từ tín hiệu cảm biến
Nhóm em chọn sử dụng cảm biến tốc độ xe loại Hall để đo tín hiệu vận tốc của xe
Giới thiệu cảm biến Hall
Cảm biến Hall hay còn được gọi là hiệu ứng Hall là hiện tượng xuất hiện khi một dòng điện chạy qua một dây dẫn đặt trong từ trường vuông góc với dòng điện dẫn đến sự hình thành một điện áp vuông góc với cả dòng điện và từ trường
Cảm biến Hall được phân loại dựa trên yếu tố tín hiệu đầu ra có 2 loại:
Cảm biến Hall cho đầu ra dạng Analog
Tín hiệu đầu ra là một tín hiệu điện áp liên tục thay đổi và tỉ lệ thuận với cường độ từ trường Ứng dụng: Đo lường chính xác cường độ từ trường, vị trí và dòng điện
Cảm biến Hall cho đầu ra dạng số (Digital Hall Sensors):
Tín hiệu đầu ra là dạng một tín hiệu nhị phân (binary signal) chỉ có hai trạng thái: bật (ON) và tắt (OFF), tương ứng với mức điện áp cao (high) và thấp (low) Điều này có nghĩa là tín hiệu đầu ra chỉ có thể là 0 hoặc 1, không có giá trị trung gian nào khác Ứng dụng: Công tắc từ, cảm biến vị trí và tốc độ trong các thiết bị điện tử và ô tô
Từ đó, nhóm em chọn sử dụng loại cảm biến Hall có đầu ra dạng số (Digital Hall Sensors) để đọc được tín hiệu tốc độ xe
Hình 3.2: Cấu tạo cảm biến Hall đầu ra dạng Digital
Cấu tạo của cảm biến Hall Digital
Mạch cảm biến Hall có 3 chân: Chân cấp nguồn, chân Mass và chân Out (chân tín hiệu)
- Mạch ổn áp (Voltage Regulator) Đảm bảo cung cấp điện áp ổn định cho toàn bộ cảm biến, giúp hoạt động chính xác và ổn định
- Bộ phận cảm biến Hall (Hall Element): Đây là thành phần chính của cảm biến, nơi hiệu ứng Hall xảy ra Nó thường được làm từ các vật liệu bán dẫn như gallium arsenide (GaAs) hoặc indium antimonide (InSb)
Tín hiệu điện áp sinh ra từ hiệu ứng Hall thường rất nhỏ, do đó cần có mạch khuếch đại để tăng cường tín hiệu này trước khi xử lý
Khi chất bán dẫn tiếp xúc vuông góc hoặc không vuông góc với dòng điện với tốc độ nhanh, cho ra tín hiệu nhanh và mật độ tín hiệu lúc lớn lúc nhỏ thì cảm biến sẽ không nhận biết được Khi đó, mạch trễ có tác dụng giữ lại những tín hiệu lớn (Tín hiệu vuông góc với chất bán dẫn) và bỏ qua những tín hiệu nhỏ (Không vuông góc với chất bán dẫn) Vì vậy mạch trễ có tác dụng làm ổn định tín hiệu đầu ra ngăn chặn hiện tượng rung tiếp điểm
- Đầu ra Digital (Digital Output) Đầu ra của cảm biến Hall dạng Digital thường là một tín hiệu số, với hai trạng thái: 0 (low) và 1 (high)
Khi một dòng điện chạy qua chất bán dẫn trong cảm biến Hall, các điện tử bắt đầu di chuyển từ cực âm đến cực dương
Khi cảm biến Hall được đặt trong một từ trường vuông góc với dòng điện chạy qua chất bán dẫn, lực Lorentz sẽ tác động lên các điện tử di chuyển, đẩy chúng sang một bên của chất bán dẫn Kết quả là một điện áp Hall được tạo ra giữa hai bề mặt của chất bán dẫn Điện áp Hall này được phát hiện bởi các điện cực đặt trên chất bán dẫn Độ lớn của điện áp Hall tỷ lệ với cường độ của từ trường
Trong cảm biến Hall đầu ra dạng số, điện áp Hall được so sánh với một ngưỡng xác định bởi mạch so sánh tích hợp bên trong cảm biến Khi điện áp Hall vượt qua ngưỡng này, mạch so sánh sẽ chuyển tín hiệu đầu ra từ trạng thái thấp (OFF) sang trạng thái cao (ON)
Tín hiệu đầu ra của cảm biến Hall dạng số là dạng số (digital output), có hai trạng thái rõ ràng:
ON (1): Khi từ trường vượt qua ngưỡng xác định, điện áp Hall lớn hơn ngưỡng, tín hiệu đầu ra ở trạng thái cao
OFF (0): Khi từ trường dưới ngưỡng xác định, điện áp Hall nhỏ hơn ngưỡng, tín hiệu đầu ra ở trạng thái thấp
Hình 3.3: Tín hiệu đầu Out của cảm biến
Cảm biến Hall đầu ra dạng số là thiết bị lưỡng ổn định Chỉ có thể bật hoặc tắt Mỗi trạng thái có hai giá trị đặt trước cho biết mức từ thông sẽ chuyển qua tín hiệu cao hoặc thấp Điện áp đầu ra có thể nằm trong khoảng từ 0 đến điểm bão hòa Điểm bão hòa được xác định bởi điện áp nguồn
Cảm biến này sử dụng cấu hình Sideways Detection: Nam châm sẽ di chuyển qua trái hoặc phải ở phía trước cảm biến Tín hiệu yếu khi nam châm đến gần, mạnh nhất khi nam châm đến ngay trước mặt cảm biến, tín hiệu yếu dần khi nam châm tiến về một bên
Cảm biến tốc độ thường được lắp đặt ở hộp lap, bánh trước hoặc sau của xe nhằm tạo xung gửi đến cụm đồng hồ hay đếm ECM để hỗ trợ các chức năng như: dừng cầm chừng, gửi tiến hiệu đến đồng hồ để đồng hồ báo công tơ mét…
Cảm biến tốc độ hoạt động dựa trên nguyên lý đo lường tốc độ quay của bánh xe Khi xe di chuyển, cảm biến tốc độ sẽ gửi tín hiệu tương ứng với số vòng quay của bánh xe Tốc độ quay của bánh xe được chuyển đổi thành tín hiệu điện tử bởi cảm biến Tín hiệu điện tử này được gửi đến ECU hoặc các thiết bị khác để hiển thị tốc độ trên đồng hồ tốc độ hoặc sử dụng cho các mục đích khác
Cảm biến tốc độ điện tử sử dụng cảm biến từ trường hoặc cảm biến quang học để đo tốc độ quay của bánh xe
3.1.2 Motor nâng hạ kính xe oto
Linh kiện điện tử
Arduino Nano là một bo mạch phát triển thông minh, được thiết kế để tạo ra các nguyên mẫu nhanh hơn với kích thước nhỏ gọn nhất Arduino Nano, là thành viên lâu đời nhất của gia đình Nano, cung cấp đủ các giao diện cho các ứng dụng thân thiện với breadboard của bạn Tại trung tâm của bo mạch là vi điều khiển ATmega328 hoạt động với tần số 16 MHz, có các chức năng tương tự như Arduino Duemilanove Bo mạch cung cấp 20 chân đầu vào/đầu ra kỹ thuật số, 8 chân analog và một cổng mini-USB
Arduino Nano không chỉ là một công cụ tuyệt vời cho những người mới bắt đầu học lập trình và phát triển phần cứng, mà còn là lựa chọn lý tưởng cho các nhà phát triển chuyên nghiệp muốn tạo ra các dự án với kích thước nhỏ gọn nhưng đầy đủ chức năng Với thiết kế nhỏ gọn, bo mạch này dễ dàng tích hợp vào các dự án DIY (Do It Yourself) và các thiết bị nhúng, cho phép bạn tiết kiệm không gian và tối ưu hóa thiết kế của mình
Arduino Nano cũng hỗ trợ một loạt các thư viện và cộng đồng người dùng rộng lớn, giúp việc phát triển và chia sẻ các dự án trở nên dễ dàng hơn Bạn có thể sử dụng nó để điều khiển đèn LED, động cơ, cảm biến và nhiều thiết bị khác, mở ra vô vàn khả năng sáng tạo và phát triển ứng dụng
Tóm lại, Arduino Nano là sự kết hợp hoàn hảo giữa kích thước nhỏ gọn, khả năng mạnh mẽ và sự linh hoạt, đáp ứng mọi nhu cầu từ việc học tập, nghiên cứu đến phát triển các sản phẩm thương mại
Các tính năng nổi bật của Arduino Nano bao gồm:
+ Bộ xử lý 8-bit hiệu suất cao, tiêu thụ năng lượng thấp
+ Đạt được đến 16 MIPS với tần số xung nhịp 16 MHz
+ Bộ nhớ chương trình 32 kB, trong đó 2 kB được sử dụng bởi bootloader
+ 32 thanh ghi làm việc đa dụng 8-bit
+ Bộ đếm thời gian thực với bộ dao động riêng biệt
+ Giao tiếp nối tiếp USART có thể lập trình
+ Giao diện SPI nối tiếp Master/Slave
+ Nguồn cung cấp bên ngoài không được điều chỉnh từ 7-15V (chân 30)
+ Nguồn cung cấp bên ngoài được điều chỉnh 5V (chân 27)
Bảng 3.1: Điều kiện hoạt động được đề xuất
Giới hạn nhiệt độ an toàn cho toàn bộ bo mạch
Bảng 3.2: Tiêu thụ năng lượng
Symbol Description Min Typ Max Unit
USB VCC Nguồn cấp từ USB TBC mW
VIN Nguồn cấp từ chân Vin TBC mW
Sự vận hành của arduino nano:
Getting started – IDE: Nếu bạn muốn lập trình cho Arduino Nano khi không có kết nối internet, bạn cần cài đặt Arduino Desktop IDE Để kết nối Nano với máy tính của bạn, bạn sẽ cần một cáp USB TYPE-C Cáp này cũng cung cấp nguồn cho bo mạch, được chỉ thị bằng đèn LED
Getting started – Arduino Web Editor: Tất cả các bo mạch Arduino, bao gồm cả Arduino Nano, hoạt động ngay khi sử dụng trình chỉnh sửa Arduino Cloud Editor chỉ bằng cách cài đặt một plugin đơn giản Trình chỉnh sửa Arduino Cloud Editor được lưu trữ trực tuyến, do đó nó sẽ luôn được cập nhật với các tính năng mới nhất và hỗ trợ cho tất cả các bo mạch Hãy truy cập để bắt đầu viết mã trên trình duyệt và tải các bản phác thảo của bạn lên bo mạch
Sample sketches: Bạn có thể tìm thấy các bản phác thảo mẫu cho bo mạch trong menu
"Examples" của Arduino IDE hoặc trong Tài liệu Arduino
Online Resources: Bây giờ bạn đã nắm được những kiến thức cơ bản về những gì bạn có thể làm với bo mạch, bạn có thể khám phá vô vàn khả năng mà nó cung cấp bằng cách kiểm tra các dự án thú vị trên Arduino Project Hub, Tham khảo Thư viện Arduino và cửa hàng trực tuyến, nơi bạn có thể bổ sung thêm các cảm biến, bộ truyền động và nhiều thiết bị khác cho bo mạch của mình
Hình 3.8: Bảng mã chân kết nối
Bố trí các chân trên Arduino Nano
1 D0/TX0 Digital Digital pin 0/GPIO
2 D1/TX1 Digital Digital pin 1/GPIO
Hình 3.9: Đường viền của bảng và lỗ lắp ráp
Cho phép điện áp xoay chiều (AC) đi qua và chắn điện áp một chiều (DC): Tụ điện hoạt động như một bộ lọc, cho phép các tín hiệu AC truyền qua trong khi ngăn chặn các tín hiệu
DC, giúp bảo vệ các linh kiện nhạy cảm trong mạch
Lọc nguồn và lọc nhiễu: Tụ điện giúp loại bỏ các tín hiệu nhiễu và các biến động không mong muốn trong nguồn điện, đảm bảo mạch hoạt động ổn định và hiệu quả Bằng cách làm mịn các biến động trong điện áp, tụ điện giữ cho dòng điện đầu ra ổn định và giảm thiểu các nhiễu gây ảnh hưởng đến các thành phần khác trong mạch
Phân loại: Tụ CBB - Tụ
Dung lượng: 1uF Điện áp đánh thủng: 400V
Nhiệt độ hoạt động: -40 đến 100°C
Domino kết nối dây là một linh kiện quan trọng, thường xuyên được sử dụng trong các bo mạch điện tử để làm jack nối nguồn cho các thiết bị có yêu cầu điện áp và công suất lớn Dưới đây là những ưu điểm nổi bật của việc sử dụng domino kết nối dây:
Khả năng chịu tải cao: Domino kết nối dây được thiết kế để chịu được điện áp và dòng điện lớn, đảm bảo an toàn và ngăn ngừa nguy cơ quá tải hoặc hư hỏng thiết bị
Dễ dàng tháo lắp: Việc kết nối và tháo rời dây điện trở nên đơn giản và nhanh chóng, không cần các công cụ phức tạp, thuận tiện cho quá trình bảo trì, sửa chữa và nâng cấp hệ thống Kết nối ổn định và tin cậy: Domino cung cấp kết nối chắc chắn giữa các dây điện, giảm thiểu nguy cơ mất kết nối hoặc tiếp xúc kém, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu cho thiết bị
Module Relay 4 kênh 5V là thiết bị điều khiển đầu ra chuyên nghiệp, thiết kế phù hợp cho các hệ thống điện tử và IoT Với khả năng chịu tải tối đa 220VAC/10A và 30VDC/10A, module này cho phép điều khiển đa dạng các thiết bị điện Hoạt động ở điện áp 5V và nhận tín hiệu từ các đầu vào IN1, IN2, IN3, và IN4, module này dễ dàng tích hợp và điều khiển từ
42 nhiều loại vi điều khiển khác nhau
Module được trang bị mạch kích relay với IC cách ly quang và transistor, cung cấp cách ly hoàn toàn giữa mạch vi điều khiển và các rơ le Điều này đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn, giúp người dùng yên tâm khi sử dụng sản phẩm trong mọi ứng dụng Ngoài ra, thiết kế module bao gồm khả năng cách điện và chống nhiễu tốt, cùng với các header và lỗ bắt vít tiện lợi, giúp việc kết nối và lắp đặt trở nên nhanh chóng và dễ dàng
Bằng cách nhấn mạnh vào sự an toàn, tính năng tiện lợi và khả năng tương thích cao, đây là sự lựa chọn lý tưởng cho bất kỳ ai cần một giải pháp điều khiển đáng tin cậy trong lĩnh vực điện tử nhúng và IoT
- Kích thước: 76mm (dài) * 56mm (rộng) * 18.5mm (cao)
- Có 4 lỗ để bắt vít cố định có đường kính 3.1mm, dễ dàng lắp đặt trong hệ thống
- Opto cách ly, chống nhiễu tốt Có đèn báo đóng ngắt trên Relay
- Sử dụng điện áp nuôi DC 5V
- Đầu ra điện thế đóng ngắt tối đa: DC 30V / 10A, AC 250V / 10A
- IN1, IN2, IN3, IN4: Tín hiệu đầu vào, hoạt động mức thấp
Hình 3.13: Sơ đồ mạch điện của Module 4 relay 5V
Thành phần và vai trò của các linh kiện của sơ đồ mạch điện của Module 4 relay 5V
- J5: Đầu nối nguồn cấp điện cho mạch (VCC và JD-VCC)
- J6: Đầu nối tín hiệu đầu vào và nguồn điện (VCC, IN1, IN2, IN3, IN4, GND)
- J1, J2, J3, J4: Đầu ra của các rơ le (K1, K2, K3, K4) để kết nối với các tải hoặc mạch bên ngoài
- R1, R4, R5, R8 (1kΩ): Điện trở hạn dòng cho LED của optocoupler, đảm bảo LED hoạt động ổn định
- 817C (U1, U2, U3, U4): Optocoupler, cách ly tín hiệu điều khiển từ mạch chính, ngăn chặn nhiễu điện và bảo vệ mạch điều khiển
- LEDs (IN1, IN2, IN3, IN4): Đèn LED báo hiệu, cho biết tín hiệu đầu vào hiện tại đang kích hoạt
- R2, R3, R6, R7 (510Ω): Điện trở hạn dòng cho cực B của transistor, điều chỉnh dòng điện vào để transistor hoạt động ổn định
- Q1, Q2, Q3, Q4: Transistor NPN, khuếch đại dòng điện để điều khiển cuộn dây rơ le
- D1, D2, D3, D4: Diode bảo vệ, bảo vệ transistor khỏi điện áp ngược sinh ra khi cuộn dây rơ le tắt
- K1, K2, K3, K4: Các rơ le, thiết bị chuyển mạch điện điều khiển tải hoặc mạch điện bên ngoài
Nguyên lý hoạt động của mạch
Mỗi mạch con hoạt động theo nguyên lý tương tự Dưới đây là phân tích chi tiết của mạch con 1 (IN1 điều khiển K1):
- Kích hoạt Tín hiệu Đầu vào:
Khi có tín hiệu đầu vào tại IN1, LED tương ứng (IN1) sáng lên, phát ra ánh sáng kích thích phototransistor bên trong optocoupler U1
- Hoạt động của Optocoupler: Ánh sáng từ LED làm cho phototransistor trong optocoupler U1 dẫn điện Điều này kéo cực
B của transistor Q1 xuống mức thấp, làm cho Q1 dẫn điện
- Kích hoạt Transistor và Rơ le:
Khi Q1 dẫn điện, dòng điện từ nguồn JD-VCC chạy qua cuộn dây của rơ le K1 và qua transistor Q1 xuống đất (GND)
Dòng điện qua cuộn dây kích hoạt rơ le K1, làm thay đổi trạng thái của các tiếp điểm của rơ
45 le (đóng hoặc mở mạch điện bên ngoài)
- Bảo vệ Transistor bằng Diode:
Tính toán bền cho cơ cấu
3.3.1 Xác định trọng lượng xe và tải trọng
- Trọng lượng bản thân của 2 cơ cấu: Khối lượng của cơ cấu nâng hạ bánh xe phụ, bánh xe phụ:
Khối lượng bánh xe phụ: 2 (kg)
Khối lượng cơ cấu nâng hạ: 5 (kg)
Khối lượng các bộ phận khác (cảm biến, motor, ốc vít): 3 (kg)
Khối lượng tổng thể: m1 = 2 + 5 + 3 = 10 (kg)
Trọng lượng cơ cấu sẽ được tính như sau:
- Tải trọng cố định từ xe: Trọng lượng của xe và hành khách
Khối lượng tác dụng: m2 = 97 + 90 = 187 (kg)
Trọng lượng của xe và hành khách sẽ được tính như sau:
Từ đó ta suy ra tổng trọng lượng tác dụng lên cơ cấu:
𝐺 𝑡ổ𝑛𝑔 = 𝐺 𝑐ơ 𝑐ấ𝑢 + 𝐺 𝑡ả𝑖 𝑡𝑟ọ𝑛𝑔 = 98 + 1832,6 = 1930,6 (𝑁) Gọi d1 là khoảng cách từ bánh xe phụ đến vị trí trọng tâm lắp cơ cấu (mm)
D là khoảng cách từ trục bánh xe chính đến vị trí trọng tâm (mm)
F là phản lực tác dụng lên bánh xe chính (N)
F1 là phản lực tác dụng lên bánh xe phụ (N)
Do d1 < D nên suy ra F1 sẽ chịu tải ít hơn F theo tỉ lệ như sau:
3.3.2 Các thông số cơ bản
Hình 3.16: Tính chất vật lý của thép ASTM A36 Ứng suất kéo – nén cho phép (Tensile – Compressive Strength) là 400 (N/mm 2 ) Ứng suốt uốn cho phép (Yield Strength) là 250 (N/mm 2 ) Ứng suất cắt cho phép (Shear Strength) là 144,25 (N/mm 2 ) Ứng suất xoắn cho phép: 125 (N/mm 2 )
Hình 3.17: Tổng quan cơ cấu 3.3.3 Tìm lực cắt
Hình 3.18: Giải phóng lực cắt tại điểm E
Hình 3.19: Giải phóng liên kết tại điểm B và H
Quay moment tại B ta có:
=> 𝑁 𝐸𝐻 = 1075,3(𝑁) Phương trình cân bằng lực hướng thẳng đứng và phương nằm ngang như sau:
Ta có công thức tính ứng suất cắt như sau: 𝜏 = 𝑄
Q là lực cắt tại chốt đang xét (N)
A là diện tích mặt cắt ngang của chốt
Vì các chốt xoay đều là liên kết đôi nên lực cắt tại các chốt sẽ giảm đi một nửa
Do cơ cấu là hình bình hành do các cạnh đối song song và bằng nhau, lực tác động lên một khớp sẽ được phân tán đều qua các thanh nối tới các khớp khác, giúp phân bổ lực đồng đều trong toàn bộ cơ cấu
Hình x: Giải phóng lực tại mặt cắt B
Ta có phương trình cân bằng tĩnh học tại điểm B:
Vì Mx âm nên cơ cấu sẽ bị căng lớp vật liệt phía dưới và bị nén ở lớp vật liệu phía trên
Hình 3.20: Phân tích mặt cắt ngang của thép ASTM A36
Trên đường trung hòa y = 0 thì ứng suất là 0, càng xa đường trung hòa ở phía bên dưới là phía chịu kéo thì ứng suất sẽ càng lớn và lớn nhất ở ngay mép dưới của mặt cắt ngang Tương tự ở mép trên của đường cắt ngang, xa đường trung hòa nhất nhưng ở vùng nén nên sẽ là ứng suất nhỏ nhất Áp dụng công thức:
Trong đó: 𝑦 𝑚𝑎𝑥 𝑘 : khoảng cách từ đường trung hòa đến điểm xa nhất của vùng kéo
𝑦 𝑚𝑎𝑥 𝑛 : khoảng cách từ đường trung hòa đến điểm xa nhất của vùng nén
I là moment quán tính của mặt cắt ngang đối với đường trung hòa y: khoảng cách tính ứng suất đến đường trung hòa
Tính moment quán tính của mặt cắt ngang
12 = 7872 (𝑚𝑚 4 ) = 7,87 10 −9 (𝑚 4 ) Tính các ứng suất uốn:
- Ứng suất kéo lớn nhất:
- Ứng suất nén lớn nhất:
Hệ số an toàn thường được chọn trong khoảng từ 1.5 đến 3 cho hầu hết các ứng dụng kỹ thuật Chọn hệ số an toàn là 2 là một lựa chọn an toàn và phổ biến trong nhiều tình huống thiết kế kỹ thuật
So sánh ứng suất tính toán với ứng suất cho phép
Vì tất cả các ứng suất tính toán đều nhỏ hơn ứng suất cho phép, cơ cấu được coi là đủ bền và an toàn để sử dụng trong điều kiện thực tế Nên chọn vật liệu là thép ASTM A36 là hợp lý b Ứng suất xoắn của trục quay Ứng suất xoắn là loại ứng suất nội tại phát sinh trong phần tử kết cấu (một vật liệu) khi nó chịu tác động của một moment xoắn (torque), dẫn đến sự xoắn hoặc xoay quanh trục dọc của vật liệu đó Loại ứng suất này phân bố dọc theo mặt cắt ngang của phần tử và thay đổi từ giá trị nhỏ nhất tại trục trung hòa đến giá trị lớn nhất tại bề mặt ngoài của phần tử
Mômen xoắn là đại lượng biểu thị sự xoắn hoặc xoay của một phần tử kết cấu do tác động của lực xoắn
Hình 3.21: Trục quay nâng cơ cấu
Hình 3.22: Các thông số vật lý của Motor
Một đầu thanh trục sẽ nối với bánh răng nên sẽ chịu moment quay (moment xoắn) của motor là 30 (kgf.cm) ≈ 3000 (N.mm)
57 Ứng suất tiếp cho phép của loại thép ASTM A36 là [𝜏] 𝑐ℎ𝑜 𝑝ℎé𝑝 = 125 (N/mm 2 )
Hình 3.23: Đặt chiều moment quay
Công thức tính ứng suất tiếp tại mặt phẳng cắt:
𝐼 𝜌 𝑚𝑎𝑥 (**) Trong đó: MX là moment xoắn nội lực (N.m)
I là moment quán tính của mặt cắt có điểm tính ứng suất
𝜌 𝑚𝑎𝑥 khoảng cách xa nhất từ điểm tính ứng suất tới tâm của mặt cắt
Do tiết diện là hình tròn đặc nên suy ra moment quán tính được tính như sau:
𝐼 = 0,1 𝑑 4 (d là đường kính hình tròn)
Từ công thức (**) ta có:
=> 𝑑 ≥ 4,9 (𝑚𝑚) Vậy chọn thiết kế đường kính trục sao cho 𝑑 ≥ 4,9 (𝑚𝑚) thì cơ cấu an toàn
Hình 3.24: Phân tích chuyển vị của cơ cấu
Ta có phương trình cân bằng tĩnh học tại A:
Biến dạng dài của thanh chịu kéo nén đúng tâm:
𝐸 𝐹 Trong đó: NBC: Lực dọc trên mặt cắt ngang (N)
E: Modul đàn hồi của vật liệu
F: Diện tích mặt cắt ngang
Ta có: - Chuyển vị thẳng đứng của điểm B là 𝑦 𝐵 = 𝐵𝐵 ′ = ∆L ′ BB nên
- Chuyển vị thẳng đứng của điểm C là 𝑦 𝐶 = 𝐶𝐶 ′
VẬN HÀNH
Hoạt động
Khi công tắc điều khiển trên nắp (công tắc hoạt động) chưa được bật, cơ cấu sẽ tự động thu lại, cho phép xe hoạt động như bình thường mà không gặp bất kỳ cản trở nào Tuy nhiên, khi công tắc này được kích hoạt, hệ thống dừng đỗ xe thông minh sẽ ngay lập tức khởi động Lúc này, hệ thống sẽ điều chỉnh các cơ cấu và cảm biến để hỗ trợ quá trình dừng và đỗ xe máy
Hình 4.1: Công tắc điều khiển cơ cấu
Nếu xe chưa di chuyển hoặc tốc độ dưới 5 km/h, cơ cấu sẽ tự động làm cho hai bánh phụ bật ra, đảm bảo sự ổn định cho xe trong trạng thái tĩnh Trong suốt quá trình di chuyển, hai bánh phụ này giữ nguyên vị trí cho đến khi tốc độ xe vượt qua ngưỡng 5 km/h, lúc này hệ thống sẽ tự động thu lại hai bánh phụ, cho phép xe di chuyển linh hoạt hơn
Hệ thống này đặc biệt hữu ích trong việc duy trì thăng bằng cho người mới tập lái Khi xe nghiêng sang trái hoặc phải và làm cho người lái mất thăng bằng, các cảm biến sẽ nhanh chóng phát hiện sự thay đổi này và gửi tín hiệu đến hộp điều khiển trung tâm Hệ thống sẽ phản ứng tức thì bằng cách tự động hạ bánh phụ xuống để lấy lại thăng bằng, giúp người lái cảm thấy an toàn và tự tin hơn, giảm thiểu nguy cơ ngã xe và các tai nạn liên quan
Sự tích hợp của các cảm biến và hệ thống điều khiển tự động trong xe là một bước đột phá về công nghệ Các cảm biến được bố trí khắp xe có nhiệm vụ phát hiện sự mất thăng
93 bằng và tình trạng nghiêng của xe Khi phát hiện những thay đổi này, cảm biến sẽ gửi tín hiệu đến hộp điều khiển trung tâm Hộp điều khiển sau đó sẽ kích hoạt cơ chế hỗ trợ, nhanh chóng hạ bánh phụ xuống để giữ thăng bằng cho xe
Hệ thống điều khiển tự động này không chỉ đảm bảo an toàn mà còn cải thiện hiệu suất vận hành của xe Nhờ vào sự can thiệp nhanh chóng và chính xác của các cảm biến và hộp điều khiển, xe luôn ở trạng thái vận hành tốt nhất và an toàn nhất Đặc biệt, đối với người mới học lái, hệ thống này cung cấp một mức độ hỗ trợ và bảo vệ cao, giúp họ tự tin hơn trong quá trình điều khiển xe
Việc áp dụng công nghệ tiên tiến này không chỉ nâng cao trải nghiệm lái xe mà còn giúp giảm thiểu rủi ro và tai nạn Hệ thống thông minh này hoạt động mượt mà và hiệu quả, đảm bảo rằng mọi khía cạnh của quá trình lái xe đều được giám sát và điều chỉnh tự động để đạt được sự an toàn tối ưu Đây là một bước tiến quan trọng trong việc phát triển các phương tiện giao thông hiện đại, kết hợp giữa công nghệ tiên tiến và sự tiện lợi, mang lại sự thoải mái và yên tâm cho người sử dụng.
Phân tích tính an toàn của cơ cấu
Cơ cấu hỗ trợ điều khiển dừng và đỗ xe trên xe máy giúp người dùng dễ dàng dừng xe và giữ xe đứng vững mà không cần phải tự mình duy trì thăng bằng Điều này mang lại sự tiện lợi và an toàn cho người dùng trong nhiều tình huống khác nhau a Tăng cường tính an toàn và ổn định khi dừng và đỗ xe
- Cơ cấu tự động hạ xuống khi xe dừng lại và nâng lên khi xe khởi hành, giúp người dùng không cần phải dùng lực để giữ thăng bằng Điều này không chỉ giúp giảm nguy cơ té ngã mà còn mang lại sự an toàn trong quá trình tham gia giao thông Đối với người lớn tuổi hoặc những người có vấn đề về sức khỏe, việc duy trì thăng bằng khi dừng xe có thể là một thách thức đáng kể Hệ thống tự động này giải quyết hoàn toàn vấn đề đó, đảm bảo rằng xe luôn đứng vững mà không cần sự tác động từ người lái
- Việc cơ cấu tự động hạ xuống khi dừng xe cũng đặc biệt hữu ích trong các tình huống giao thông phức tạp, như khi dừng đèn đỏ, trong bãi đỗ xe đông đúc hoặc trên các đoạn đường
94 bấp bênh và không bằng phẳng Khi xe dừng lại, hệ thống sẽ tự động kích hoạt, giúp xe ổn định ngay lập tức, giảm thiểu rủi ro té ngã do mất thăng bằng đột ngột Điều này cũng giúp người lái tập trung hơn vào việc điều khiển xe mà không phải lo lắng về việc giữ thăng bằng, đặc biệt là trong những tình huống khẩn cấp hoặc khi cần dừng xe đột ngột
- Hơn nữa, sự tự động hóa này giúp giảm bớt căng thẳng và mệt mỏi cho người lái, đặc biệt là trong các chuyến đi dài hoặc khi phải dừng xe nhiều lần Việc không phải lo lắng về việc giữ thăng bằng mỗi khi dừng xe giúp người lái cảm thấy thoải mái và tự tin hơn, từ đó tăng cường an toàn tổng thể khi tham gia giao thông Điều này cũng đặc biệt quan trọng đối với những người mới học lái xe, những người có thể chưa quen với việc duy trì thăng bằng trên xe máy b Tiện lợi và dễ sử dụng
- Giảm thao tác phức tạp: Hệ thống hỗ trợ thông minh giúp người dùng không cần phải tự hạ hoặc nâng chân chống, khiến việc dừng và đỗ xe trở nên dễ dàng hơn Điều này giảm thiểu nguy cơ mất thăng bằng và tai nạn do thao tác sai, đặc biệt trong các tình huống cần dừng xe nhanh chóng hoặc khi người lái đang mang nhiều hành lý Bằng cách tự động thực hiện các thao tác này, hệ thống giảm bớt căng thẳng và áp lực cho người lái, góp phần tăng cường an toàn trong quá trình di chuyển
- Hỗ trợ cho người khuyết tật nhẹ: Hệ thống được trang bị cảm biến nghiêng và cảm biến tốc độ, giúp phát hiện khi xe đang dừng lại hoặc khi người lái có dấu hiệu dừng xe Điều này đặc biệt hữu ích cho những người khuyết tật nhẹ gặp khó khăn trong việc thực hiện các thao tác phức tạp, giúp họ duy trì sự an toàn khi dừng và khởi hành xe mà không phải lo lắng về việc mất thăng bằng hoặc tai nạn
- Điều khiển dễ dàng: Người dùng có thể sử dụng nút công tắc điều khiển để kích hoạt hoặc hạ cơ cấu khi xe dừng, đỗ hoặc khởi hành Điều này mang lại sự tiện lợi và an toàn tối đa cho những người mới học lái xe máy, những người thường gặp khó khăn trong việc duy trì sự cân bằng Khả năng điều khiển dễ dàng giúp người lái tập trung hơn vào việc điều khiển xe, giảm bớt nguy cơ tai nạn do thao tác sai hoặc mất tập trung
95 c Nhược điểm và rủi ro tiềm ẩn
- Mặc dù hệ thống hỗ trợ điều khiển dừng và đỗ xe mang lại nhiều lợi ích về an toàn và tiện dụng, nhưng khi xe vào cua với cơ cấu này, tính an toàn có thể bị ảnh hưởng và lộ ra một số hạn chế:
+ Khi xe quẹo cua, do cơ cấu được gắn thấp nên cơ cấu rất dễ chạm đất Điều này gây ra hai vấn đề chính Thứ nhất, việc chạm đất liên tục có thể làm hư hỏng cơ cấu, giảm hiệu suất và tuổi thọ của hệ thống Thứ hai, việc cơ cấu chạm đất làm người lái lo lắng và mất tự tin khi quẹo cua Sự lo ngại về việc cơ cấu có thể chạm đất hoặc bị hỏng có thể khiến người lái không dám quẹo cua theo cách thông thường, làm cho người lái dễ mất thăng bằng, gây ra tình huống nguy hiểm Trong những tình huống cần phải quẹo cua gấp hoặc di chuyển trên những đoạn đường hẹp, sự thiếu tự tin này có thể dẫn đến việc xử lý không đúng cách, làm tăng nguy cơ tai nạn
+ Hơn nữa, việc thường xuyên phải chú ý đến tình trạng của cơ cấu hỗ trợ khi quẹo cua có thể làm người lái mất tập trung vào các yếu tố quan trọng khác của giao thông, như các phương tiện xung quanh và điều kiện đường xá Điều này càng làm tăng thêm mức độ nguy hiểm và tiềm ẩn nhiều rủi ro khi tham gia giao thông Sự bất tiện và lo ngại về việc cơ cấu chạm đất cũng có thể khiến người lái phải chọn những con đường khác, dài hơn hoặc phức tạp hơn, để tránh những đoạn đường dễ gây chạm đất, ảnh hưởng đến hiệu quả và thời gian di chuyển
- Sự cố kỹ thuật: Nếu hệ thống hỗ trợ gặp lỗi hoặc không hoạt động đúng cách, người dùng có thể gặp rủi ro khi dừng hoặc đỗ xe Những sự cố này có thể dẫn đến việc cơ cấu không được kích hoạt đúng lúc, gây ra tình huống nguy hiểm khi xe không được hỗ trợ đúng cách Việc hệ thống không hoạt động như mong đợi có thể làm tăng nguy cơ mất thăng bằng hoặc va chạm, đặc biệt trong các tình huống giao thông phức tạp
- Phụ thuộc vào nguồn điện: Hệ thống hỗ trợ hoạt động dựa trên nguồn điện của xe Nếu hệ thống điện gặp sự cố, cơ cấu sẽ không hoạt động hoặc hoạt động không đúng như thiết kế, gây bất tiện và có thể nguy hiểm Điều này đặc biệt quan trọng trong những tình huống khẩn cấp hoặc khi xe cần dừng đỗ nhanh chóng Sự phụ thuộc vào nguồn điện làm tăng tính dễ
96 tổn thương của hệ thống, và bất kỳ sự cố nào liên quan đến nguồn điện trên xe cũng có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến an toàn của người lái và những người xung quanh d Biện pháp đảm bảo an toàn cho người dùng
- Kiểm tra các cảm biến: Cảm biến đóng vai trò quan trọng trong việc giám sát trạng thái của xe và đảm bảo hệ thống hỗ trợ hoạt động chính xác Do đó, các cảm biến này cần được kiểm tra định kỳ để đảm bảo không bị hư hỏng hoặc lệch chuẩn Việc này giúp phát hiện sớm các vấn đề tiềm ẩn, từ đó có thể xử lý kịp thời trước khi chúng ảnh hưởng đến sự an toàn và hiệu suất của hệ thống
Lắp cơ cấu trên xe
Hình 4.2: Hướng nhìn từ phía trước và sau xe khi bánh xe hạ xuống
Hình 4.3: Hướng nhìn phía trước và sau khi bánh xe nâng lên
Hình 4.4: Vị trí lắp cơ cấu
Hình 4.5: Hộp điều khiển cơ cấu
Hình 4.6: Gắn các linh kiện điện tử
Hình 4.7: Vị trí lắp cảm biến tốc độ