Hệ thống sẽ sử dụng các cảm biến ánh sáng và các thuật toán điều khiển để tự động điều chỉnh cường độ và hướng chiếu của đèn pha, tối ưu hóa hiệu suất chiếu sáng và tăng cường an toàn kh
Giới thiệu về hệ thống điều khiển đèn pha ô tô
Hệ thống điều khiển đèn pha ô tô là công nghệ quan trọng giúp điều chỉnh ánh sáng trên xe, đặc biệt trong điều kiện ánh sáng yếu Đèn pha cung cấp tầm nhìn rõ ràng cho người lái, đảm bảo an toàn khi tham gia giao thông và nâng cao trải nghiệm lái xe.
Hình 1.1 Công nghệ đèn chiếu sáng trên ô tô.
Hiện nay, các hãng xe đã phát triển nhiều công nghệ thông minh cho hệ thống điều khiển đèn pha, trong đó công tắc điều chỉnh độ sáng vẫn rất phổ biến Công tắc đèn pha tự động thường được lắp ở bên trái vô lăng và tích hợp thêm các công tắc điều khiển khác Các chế độ của công tắc phụ thuộc vào loại đèn xe đang sử dụng, mang lại sự thuận tiện cho người lái Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm, công tắc điều chỉnh cũng có những hạn chế nhất định Do đó, việc cải tiến công nghệ này là cần thiết để đảm bảo chất lượng và an toàn cho người tiêu dùng khi tham gia giao thông.
Hệ thống điều khiển đèn pha tự động ngày càng phổ biến nhờ vào tính hữu ích và những ưu điểm vượt trội mà nó mang lại Hệ thống này không chỉ nâng cao sự an toàn cho người lái mà còn mang đến trải nghiệm lái xe tuyệt vời hơn.
Cấu tạo của hệ thống điều khiển đèn pha tự động
Hệ thống điều khiểnđèn pha tự động bao gồm các bộ phận chính như sau:
Hệ thống cảm biến ánh sáng
Cơ cấu chấp hành điều khiển đèn pha.
Hình 1.3 Đèn pha ô tô vào ban đêm.
Hệ thống điều khiển đèn pha tự động chuyển đổi giữa chế độ đèn pha và đèn cos dựa trên dữ liệu từ cảm biến, giúp điều chỉnh ánh sáng phù hợp với từng tình huống giao thông Đèn pha có vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn cho người lái, đặc biệt trong điều kiện ánh sáng yếu hoặc ban đêm Chế độ "cos" chiếu sáng gần với tầm khoảng 50m - 75m và công suất 35W - 40W, trong khi chế độ "pha" chiếu sáng xa với tầm khoảng 180m - 250m và công suất từ 45W - 70W Việc sử dụng đúng chế độ đèn giúp tránh làm chói mắt cho các phương tiện đi ngược chiều, góp phần nâng cao an toàn giao thông.
Nguyên lý hoạt động của đèn pha tự động trên xe ô tô
Cảm biến điều khiển đèn tự động sẽ nhận diện độ sáng xung quanh xe trong quá trình hoạt động, từ đó gửi tín hiệu đến bộ điều khiển Dựa trên thông tin mà cảm biến thu thập được, bộ điều khiển sẽ điều chỉnh đèn pha một cách tự động.
Bộ điều khiển đèn tự động điều chỉnh ánh sáng pha dựa trên dữ liệu từ cảm biến, giúp bật tắt đèn khi có xe đi đối diện Điều này giúp tránh gây chói mắt cho người lái và các phương tiện khác, đảm bảo an toàn khi tham gia giao thông.
Hệ thống đèn pha tự động có khả năng điều chỉnh góc chiếu để tránh làm chói mắt các xe đi ngược chiều Bằng cách sử dụng cảm biến ánh sáng, hệ thống phát hiện sự xuất hiện của ánh sáng từ các phương tiện đối diện và tự động điều chỉnh để bảo vệ an toàn cho người lái và các tài xế khác.
Khi cảm biến ánh sáng phát hiện ánh sáng từ xe đi ngược chiều, hệ thống tự động điều chỉnh góc chiếu của đèn pha để hướng xuống hoặc sang một bên, giúp tránh ánh sáng chiếu vào mắt người lái và các tài xế khác Điều này nâng cao an toàn cho tất cả người tham gia giao thông Hệ thống góc chiếu sáng của đèn pha được tối ưu hóa, hoàn toàn tránh tình trạng hai đèn pha chiếu đối nhau gây lóa mắt cho người lái xe.
Hệ thống đèn pha tự động điều chỉnh độ sáng và góc chiếu sáng khi cảm biến phát hiện ánh sáng từ các xe đi đối diện, như minh họa trong hình 1.4.
Ví dụ như hiện nay trên một số xe như Honda CRV sử dụng hệ thống đèn pha thích ứng tương tự như sau:
Nguyên lý hoạt động của hệ thống đèn pha thích ứng tự động (AHB)
Hìn h1.5 Hệ thống hoạt động dựa vào cảm biến hoặc camera.
Đèn pha thích ứng tự động có cấu trúc tương tự như hệ thống đèn chiếu sáng thông thường, nhưng được trang bị thêm camera hoặc cảm biến để thu thập dữ liệu giao thông và nhận diện phương tiện di chuyển phía trước Khi phát hiện xe trong vùng chiếu sáng cường độ cao, đèn pha sẽ tự động chuyển sang chế độ chiếu gần Khi đường thông thoáng, hệ thống sẽ tự động chuyển trở lại chế độ chiếu xa Hệ thống này giúp người lái không cần thao tác với cần điều khiển đèn và thường hoạt động hiệu quả ở tốc độ từ 60 km/h trở lên, rất phù hợp cho việc di chuyển trên quốc lộ hoặc tỉnh lộ ngoài thành phố.
Công nghệ điều khiển đèn pha ô tô thông minh hiện đang đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô, mang lại tính ổn định và an toàn cho người sử dụng Hệ thống này không chỉ nâng cao trải nghiệm lái xe mà còn đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng về một chiếc xe được trang bị công nghệ tiên tiến.
Sơ đồ tín hiệu vào ra và nguyên lý hoạt động của hệ thống
Hình 1.6 Sơ đồ tín hiệu vào ra của hệ thống.
Nguyên lý hoạt động của sơ đồ:
Ta có sơ đồ với cấu tạo gồm cảm biến ánh sáng, vi điều khiển và hệ thống điều chỉnh góc, độ sáng của đèn.
Vai trò của từng bộ phận trên sơ đồ như sau.
Cảm biến ánh sáng là thiết bị quan trọng trong hệ thống, có nhiệm vụ thu thập tín hiệu ánh sáng từ môi trường và các phương tiện xung quanh Vào ban đêm, cảm biến này nhận diện ánh sáng từ các xe đi đối diện, cùng chiều và ngược chiều, sau đó gửi thông tin về vi điều khiển.
Vi điều khiển có vai trò nhận thông tin từ cảm biến, xử lý tín hiệu sau đó truyền tín hiệu ra cơ cấu chấp hành.
Cơ cấu chấp hành (Đèn pha):
Mô hình toán học, sơ đX thuật toán và mô phỏng trên phần mềm proteus
Mô hình toán học của hệ thống
Ví dụ về sơ đồ mạch đèn tự động chiếu xa chiếu gần sử dụng relay.
Hình 2.1 Sơ đồ mạch điều khiển đèn tự động chuyển pha/cos
Vào điều kiện trời tối, điện trở của cảm biến ánh sáng đo được là 6MΩ 6×10 6 Ω
Từ định luật Ohm ta có:
Cường độ dòng điện không đủ để kích hoạt bóng bán dẫn , khi đó bóng đèn pha sáng, đèn cos không sáng
Trường hợp khi có ánh sáng từ xe đối diện chiếu vào khoảng
800 lumen Điện trở đo được vào khoảng 1k Ω.
Dòng điện đủ để kích hoạt bóng bán dẫn, đi đến relay và bóng đèn cos sáng
Hình 2.2 Mạng phân chia dòng điện.
- U1 là điện áp co sở của bóng bán dẫn.
- R1 là điện trở cơ sở bóng bán dẫn.
- Rt là điện trở của cảm biến.
Xét ở trường hợp có ánh sáng từ xe đối diện là 800 lumen.
Ánh sáng phát ra từ bóng đèn có giá trị cố định, chẳng hạn như 800 lumen Độ sáng sẽ thay đổi tùy thuộc vào khoảng cách chiếu sáng Để tính toán độ sáng ở từng khoảng cách khác nhau, có thể sử dụng công thức cụ thể.
- I là độ sáng tại một khoảng cách cụ thể (lux)
- F là độ sáng ban đầu của nguồn sáng (lumen)
- d là khoảng cách từ nguồn sáng đến vật được chiếu (m).
Với bóng đèn có cường độ sáng là 800 lumen, chiếu vật ở khoảng cách 5m
Công thức tính độ sáng của đèn là 4 π 5 2 ≈ 4 π × 25 800 ≈ 100 800 π ≈ 2,55 (lux) Các khoảng cách khác nhau cũng sẽ có cách tính tương tự Đối với công suất tiêu thụ của các loại bóng đèn, chiều dài và tiết diện của dây dẫn phụ thuộc vào công suất của đèn Ví dụ, với đèn xenon có công suất tiêu thụ điện áp 70W và dòng điện từ acquy là 12V, ta có thể áp dụng công thức tính phù hợp.
P = U×I Suy ra cường độ dòng điện I bằng:
Từ đó ta tính tiết diện dây dẫn đồng bằng công thức sau:
- S là tiết diện dây dẫn ( mm 2 ).
- I là cường độ dòng diện (A).
- J Là mật độ dòng điện cho phép (A/ mm 2 ).
Với mật độ dây dẫn đông cho trước J = 6 A/ mm 2
Chiều dài dây dẫn được tính như sau. l = R × S ρ = U
- L là chiều dài của dây dẫn(m)
Với bóng đèn công suất 70W, dây dẫn phù hợp với chiều dài 11m và tiết diện 1 mm 2
Mô phỏng trên proteus
Xây dựng mô hình
Phương án xây dựng mô hình
Mô hình điều khiển đèn pha ô tô sử dụng Arduino giúp nhận tín hiệu từ cảm biến ánh sáng, từ đó điều chỉnh góc chiếu và điều khiển đèn pha một cách tự động.
Sơ đồ bố trí mô hình
Hình 3.1 Sơ đồ bố trí mô hình Nguyên lý làm việc của mô hình:
Arduino nhận tín hiệu từ 4 cảm biến ánh sáng vào ban đêm, khi xe di chuyển và phát hiện ánh sáng từ các xe xung quanh Hệ thống sẽ điều chỉnh góc chiếu và độ sáng của đèn pha để tránh chói mắt cho người lái xe Khi ánh sáng chiếu vào cảm biến, tín hiệu sẽ được gửi về Arduino Uno, nơi bộ xử lý sẽ điều khiển động cơ để điều chỉnh góc chiếu đèn Nếu ánh sáng từ xe đối diện chiếu vào, hệ thống sẽ tự động điều chỉnh góc chiếu và giảm độ sáng, giúp lái xe duy trì tầm nhìn rõ ràng mà không bị chói Sơ đồ sử dụng 4 cảm biến cho phép phân tích các tình huống khác nhau khi nhận tín hiệu từ cảm biến, đảm bảo an toàn cho người lái.
Lựa chọn linh kiện
Arduino Uno là vi điều khiển phổ biến ngày nay, Arduino Uno đi kèm với dây dẫn USB, có 6 chân analog và 14 chân digital với gồm 6 chân xung PWM ( 3,
Arduino Uno có thể được kết nối qua cổng USB hoặc nguồn từ 5V-12V Thiết bị này kết nối với máy tính thông qua giao tiếp USB để lập trình Hệ thống điều khiển đèn pha sử dụng cảm biến ánh sáng, cho phép Arduino Uno nhận tín hiệu qua các chân analog (A0 đến A5) và xuất tín hiệu ra các chân digital (D1 đến D14), với 6 chân tạo xung để điều chỉnh mức độ sáng của đèn.
Arduino Uno có nhiệm vụ đọc tín hiệu từ cảm biến ánh sáng qua chân Analog và điều khiển góc chiếu cùng độ sáng của đèn pha thông qua phần mềm Arduino IDE Giá trị từ cảm biến sẽ được mã hóa để phát lệnh điều khiển cho động cơ và đèn.
Thông số kĩ thuật cảu Arduino Uno R3.
Điện áp vào khuyên dùng 7-12V
Điện áp vào giới hạn 6-20V
Digital I/O pin 14 (trong đó 6 pin có khả năng băm xung)
Cường độ dòng điện trên mỗi I/O pin 20 mA
Cường độ dòng điện trên mỗi 3.3V pin 50 mA
Flash Memory 32 KB (Atmega328P) 0.5 KB được sử dụng bởi bootloader
Vi điều khiển Arduino được lập trình thông qua hệ thống lập trình Arduino, cho phép chúng ta nhập các thông tin cần thiết theo yêu cầu của hệ thống.
Cảm biến ánh sáng đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điều khiển đèn pha ô tô, giúp thu thập thông tin ánh sáng từ các xe đối diện Tín hiệu thu được sẽ được gửi về vi xử lý qua chân tín hiệu A0, cho phép vi điều khiển đọc và xử lý tín hiệu từ cảm biến một cách chính xác.
Hình 3.3 Modun cảm biến ánh sáng.
Thông sô kỹ thuật của modul cảm biến quang trở
Một biến trở 10K ohm dùng để điều chỉnh độ nhạy sáng
Tích hợp sẵn bộ so sánh opamp LM393
Chân tính hiệu A0 và D0 của cảm biến được nốt với chân tín hiệu analog của Arduino giúp cảm biến truyền lại tín hiệu nhận được cho vi điều khiển
Mạch điều khiển đèn pha chạy ổn định với mức điện áp 5V nên vì thế việc lắp IC LM7805 làm ổn định dòng điện ở mức 5V
LM7805 có định mức dòng vào lên đến 32V, cho phép sử dụng nguồn cấp lớn để chuyển đổi sang dòng 5V, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định.
LM7805 là một bộ điều chỉnh điện áp giúp cung cấp dòng điện ổn định 5V cho mạch điện Chân 1 của LM7805 kết nối với nguồn dương, chân 2 nối đất, và chân 3 cung cấp điện áp ổn định Bộ điều chỉnh này giữ cho mạch luôn ổn định, ngăn ngừa tình trạng quá tải và bảo vệ các linh kiện khỏi hư hỏng do dòng điện vượt quá mức cho phép.
3.2.4 Động cơ Servo SG90 Động cơ Servo SG90 là động cơ điều chỉnh góc với góc quay lên đến 360 độ Động cơ Servo có 3 chân với 2 chân nguồn, chân đỏ là chân VCC chân nâu là chân GND Chân còn lại là chân cam nối với chân digital của vi sử lý Ở sơ đồ khối cho thấy nguyên lý hoạt động như sau
Hình3.5 Dộng cơ Servo SG90.
Động cơ Servo có nhiệm vụ điều chỉnh góc sáng của đèn pha, kết nối với Arduino qua chân digital để nhận tín hiệu từ cảm biến Động cơ hoạt động với góc quay 360 độ, giúp điều khiển ánh sáng khi cảm biến phát hiện ánh sáng từ các xe đối diện Khi đó, động cơ sẽ quay để tránh hướng chiếu của đèn xe đối diện, từ đó tối ưu hóa góc pha đèn.
Hình 3.6 Đèn led. Ở mô hình chúng ta sử dụng đèn led với mức điện áp 5V. Đèn sẽ hoạt động theo tín hiệu mà cảm biến cấp vào vi xử
Sơ đồ đi dây của mạch
Hình 3.7 sơ đồ đi dây của mạch.
Nguyêm lý hoạt động chi tiết của hệ thống như sau:
Với 4 cảm biến điều khiển 2 dèn vào 1 động cơ servo ta sẽ chia với cảm biến 1 và 2 điều khiển đèn 1, khi giá trị từ cảm biến thay đổi từ 0 lên 1023, tương ưmgs với khi ánh sáng đột ngột vào cảm biết giá trị sẽ thay đổi tuy nhiên với 2 cảm biến ta có khi cả 2 cảm biến đều nhận ánh sáng thì đèn 1 tắt và động cơ chỉnh góc
Trong điều kiện tối tăm, khi không có ánh sáng từ các phương tiện xung quanh, servo sẽ đứng yên và cả hai cảm biến đều ghi nhận giá trị 1023 Lúc này, vi xử lý sẽ điều khiển đèn sáng với cường độ cao nhất Nếu chỉ một trong hai cảm biến phát hiện ánh sáng từ phương tiện đối diện, đèn sẽ giảm độ sáng và động cơ servo sẽ điều chỉnh đèn quay về hướng ngược lại để tránh ánh sáng chiếu trực tiếp vào nhau Tương tự, cảm biến 3 và 4 cũng hoạt động theo cách giống như vậy với đèn và động cơ.
Sơ đồ thuật toán điều khiển
Sơ đồ thuật toán cho phép đọc giá trị từ các cảm biến và truyền chúng vào vi điều khiển để xử lý thông tin Khi điều kiện đúng được xác nhận, vi điều khiển sẽ hiển thị giá trị lên đèn và điều chỉnh góc chiếu Nếu điều kiện không đúng, các bước sẽ được lặp lại nhằm đảm bảo hệ thống hoạt động liên tục và ổn định.
Hình 3.8 Sơ đồ thuật toán
Hướng dãn sử dụng mô hình
Trước khi chạy mô hình cần kiểm tra:
- Các dây nối không bị đứt hoặc bụng mối nối
- Các linh kiện không bị hư hỏng
- Không có những vật lạ rơi vào động cơ
- Các dây nguồn đã chắc chắn
- Các dây tín hiệu của đèn và cảm biến đã được nối đúng trên arduino
- Khi cấp nguồn điện chú ý không bị sai cực âm dươngSau khi kiểm tra hoàn tất cấp cho mô hình động cơ dòng điện từ acquy 12V.
Mô hình hoạt động bình thường khi các cảm biến ánh sáng báo tín hiệu qua đèn, cho thấy chúng đã nhận đủ điện áp Tín hiệu từ cảm biến cũng hiển thị tương tự trên Arduino, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định.
Khi chạy mô hình, giá trị của cảm biến ánh sáng phụ thuộc vào mức độ ánh sáng bên ngoài Khi che tay hoặc đưa mô hình vào nơi tối, cảm biến sẽ hoạt động và gửi giá trị về vi điều khiển Từ đó, đèn sẽ sáng theo tín hiệu mà cảm biến nhận được.
