Đồ án môn thiết kế hệ thống cơ Điện tử Đề tài mô hình mạch Điều khiển Đèn pha ô tô

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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH DOANH VÀ CÔNG NGHỆ HÀ NỘI KHOA CƠ ĐIỆN TỬ VÀ Ô TÔ

— -OOO -ĐỒ ÁN MÔN: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI: MÔ HÌNH MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐÈN PHA Ô TÔ

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Ngọc Tân

Mã sinh viên: 2520216404

Lớp: DO25.01

Giáo viên hướng dẫn: Phó GSTS Phạm Hữu Nam

PHIẾU GIAO ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Tên học phần: Đồ án tính toán kết cấu ô tô Mã học phần: 191022074

Tên đX án: Mạch điều khiển đèn pha ô tô khi trời tối và khi xe đi bình thường

Tên giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Phạm Hữu Nam

Tên sinh viên: Nguyễn Ngọc Tân

Lớp : DO25.01 MSV : 2520216404

Các nội dung thực hiện:

a Thuyết minh tính toán

1 Phân tích sơ đồ, nguyên lý hoạt động của mô hình hệ thống điều khiển đèn pha

ô tô

2

- Mô hình toán học sơ đồ tín hiệu vào ra của hệ thống

- mô phỏng trên phần mềm proteus

3 Thiết kế mạch đèn ô tô

b Bản vẽ, mô hình

1 Bản vẽ sơ đồ khối tín hiệu vào ra và sơ đồ đi dây

2 Bản vẽ sơ đồ mạch và lắp ghép

Ngày giao đX án: ………

Ngày hoàn thành đX án: ………

Mục lục Lời mở đầu 4

Chương1: Phân tích sơ đX, nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển đèn pha ô tô 5

1.1Giới thiệu về hệ thống điều khiển đèn pha ô tô 5

1.2 Sơ đồ tín hiệu vào ra và nguyên lý hoạt động của hệ thống 10

Chương 2 Mô hình toán học, sơ đX thuật toán và mô phỏng trên phần mềm proteus 11

2.1 Mô hình toán học của hệ thống 11

2.2 Mô phỏng trên proteus 12

Chương 3: Xây dựng mô hình 13

3.1 Phương án xây dựng mô hình 13

3.2 Lựa chọn linh kiện 14

3.3 Sơ đồ đi dây của mạch 19

3.4 Sơ đồ thuật toán điều khiển 20

3.5 Hoàn thiện mô hình 22

3.6 Hướng dãn sử dụng mô hình 22

Kết Luận 23

Cam kết 23

Lời cảm ơn 24

Lời mở đầu

Ô tô, từ lâu đã trở thành một phương tiện giao thông không thể thiếu trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta Sự tiện lợi và linh hoạt của ô tô đã đóng góp lớn vào sự phát triển của xã hội Trong khi sự phổ biến của ô tô mang lại nhiều lợi ích, thì cũng đặt ra những thách thức đối với an toàn giao thông Trong danh sách những yếu tố cần được chú ý để đảm bảo an toàn, hệ thống đèn pha của ô tô đóng một vai trò quan trọng Hệ thống điều khiển đèn pha không chỉ giúp lái xe nhìn rõ hơn trong điều kiện ánh sáng yếu, mà còn là một phần quan trọng của việc hiệu quả quản lý và phản ứng đúng đắn trong các tình huống giao thông phức tạp tránh gây ra những rủi ro khi tham gia giao thông Trong đồ án này, chúng tôi tập trung vào việc nghiên cứu và phát triển một hệ thống đèn pha ô tô tự động, giúp lái xe không cần phải lo lắng về việc điều chỉnh đèn pha trong các tình huống khác nhau

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 khi lái xe Chúng tôi tin rằng việc phát triển hệ thống đèn pha ô tô tự động không chỉ mang lại lợi ích to lớn trong việc nâng cao trải nghiệm lái xe mà còn góp phần quan trọng vào mục tiêu giảm tai nạn giao thông

và tăng cường an toàn trên đường

Chương1: Phân tích sơ đồ, nguyên lý hoạt động của

hệ thống điều khiển đèn pha ô tô.

1.1Giới thiệu về hệ thống điều khiển đèn pha ô tô

Hệ thống điều khiển đèn pha ô tô là công nghệ có chức năngđiều chỉnh hệ thống chiếu sáng trên xe ô tô Trong điều kiện thiếuánh sáng đèn pha giúp người lái có một tầm quan sát tốt khi đangtham gia giao thông đem lại trải nghiệm lái xe an toàn cho người lái

Hình 1.1 Công nghệ đèn chiếu sáng trên ô tô

Hiện nay các hãng xe đã cho ra mắt hàng lọat công nghệ thông minh cho hệ thống điều khiển đèn pha, công nghệ điều chỉnh độ sáng của đèn thông qua công tắc điều chỉnh vẫn luôn phổ biến rộng rãi Công tắc đèn pha tự động trên

xe ô tô cụm công tắc đèn pha ô tô thường được lắp ở vị trí bên trái vô lăng, và thường sẽ được tích hợp thêm các công tắc điều khiển đèn khác Các chế độ của công tắc cũng tùy thuộc vào loại đèn mà xe đang sử dụng, việc dùng công tắc điều chỉnh mang lại

sự thuận tiện cho người lái xe bên cạnh những ưu điểm mang lại cũng có những hạn chế cho người lái xe Cho nên việc phát mình

trong việc đảm bảo chất lượng cảu người tiêu dùng khi sử dụng

xe và tham gia giao thông an toàn

Hình 1.2 Cần công tắc điều chỉnh đèn pha

Đi cùng với đó, sự xuất hiện của hệ thống đièu khiển đèn pha tự động cũng ngày một được phát triển một cách rộng rãi với

sự hữu ích và những ưu điểm tuyệt về tính hữu dụng mà hệ thốngđem lại cho người sử dụng đem đến sự an toàn cũng như một trải nghiệm tuyệt vời cho người sử dụng

Cấu tạo của hệ thống điều khiển đèn pha tự động

Hệ thống điều khiển đèn pha tự động bao gồm các bộ phận chính như sau:

 Hệ thống cảm biến ánh sáng

 Vi điều khiển

 Cơ cấu chấp hành điều khiển đèn pha

Hình 1.3 Đèn pha ô tô vào ban đêm.

Hệ thống điều khiển có nhiệm vụ tự động chuyển đổi từ đèn pha sáng đèn cos và ngược lại sau khi tiếp nhận dữ liệu từ bộ phận cảm biến Tùy thuộc vào từng tình huống khác nhau, các phương tiện khác di chuyển ngược chiều hay cùng chiều, điều kiện phát sáng xung quanh khu vực xe đi qua tốt hay kém và hệ thống tự điều chỉnh đèn sao cho phù hợp Khoảng sáng của đèn pha cũng được giới hạn nhất định Đây là hệ thống đèn thiết yếu và quantrọng được gắn ở phần trước xe, có chức năng bảo đảm an toàn cho người lái khi

di chuyển trên đường, đặc biệt là trong điều kiện ánh sáng yếu hoặc vào ban đêm Đèn pha có hai chế độ: "cos" để chiếu sáng gần (tầm khoảng 50m - 75m) và "pha"

để chiếu sáng xa (tầm khoảng 180m - 250m).Chế độ "cos" sử dụng công suất khoảng 35W - 40W, cung cấp đủ ánh sáng để người lái quan sát môi trường mà không gây chói mắt cho người đi ngược chiều Còn chế độ "pha" có công suất từ 45W - 70W, cung cấp ánh sáng mạnh hơn để chiếu xa, nhưng cần được sử dụng cẩn thận khi gặp phương tiện đi ngược chiều để tránh làm chói mắt

Nguyên lý hoạt động của đèn pha tự động trên xe ô tô

Cảm biến điều khiển đèn tự động sẽ xác định độ mạnh, yếu của ánh sáng xung quanh xe khi xe đang hoạt động Từ đó phát

ra một tín hiệu xung bộ điều khiển đèn sẽ dựa vào kết quả mà cảm biến thu được để điều khiển đèn pha.

Bộ điều khiển đèn sẽ tự động bật tắt đèn pha khi dữ liệu do cảm biến điều khiển đèn truyền tới ở môi trường xung quanh cũng như về ánh sáng từ đèn các xe đi đối điện và điều chỉnh đènpha chiếu ở chế độ phù hợp tránh gây chói cho người lái và cho

cả phương tiện đối diện

Ngoài ra trong trường hợp đó, hệ thống đèn pha tự động có thể phản ứng bằng cách điều chỉnh góc chiếu của đèn để tránh làm mất phản xạ lại các xe khác Điều này có thể thực hiện bằng cách sử dụng cảm biến ánh sáng để phát hiện sự xuất hiện của ánh sáng từ các xe đi ngược chiều Khi cảm biến phát hiện ánh sáng này, hệ thống có thể điều chỉnh góc chiếu của đèn pha để tránh chiếu trực tiếp vào mắt của người lái hoặc các tài xế khác Một ví dụ cụ thể có thể là khi cảm biến ánh sáng phát hiện ánh sáng từ xe đi ngược chiều, hệ thống sẽ tự động điều chỉnh góc chiếu của đèn pha để hướng chúng xuống hoặc sang một hướng khác, tránh ánh sáng đi vào mắt của người lái hoặc các tài

xế khác trên đường Điều này giúp cải thiện an toàn cho tất cả các người tham gia giao thông an toàn Đối với hệ thống góc chiếu sáng của đèn pha sẽ được đảm bảo ở góc độ tối ưu hoàn toàn tránh các trường hợp 2 đèn pha chiếu đối nhau gây lóa cho người lái xe

Hình 1.4 Đèn pha chỉnh góc và độ sáng so với xe đi đối diện.

Ở trường hợp cảm biến nhận biết ánh sáng từ các xe đi đối diện hệ thống sẽ điều chỉnh độ sáng và góc độ chiếu sáng của đèn nhue ví dụ trên hình 1.1.4

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)

Hình1.5 Hệ thống hoạt động dựa vào cảm biến hoặc camera.Cấu trúc của đèn pha thích ứng tự động không có nhiều điểm quá khác biệt so với một hệ thống đèn chiếu sáng thông

thường khác, nhưng sẽ được trang bị thêm\camera7hoặc\cảm biến\thu thập dữ liệu giao thông, nhận diện được các phương tiện

di chuyển phía trước bao gồm cả ngược chiều hay cùng chiều Khi

hệ thống phát hiện có xe di chuyển trong vùng chiếu sáng cường

độ cao thì đèn pha sẽ tự động được chuyển thành đèn chiếu gần, sau đó nếu đường trốn thì hệ thống đèn pha (đèn chiếu xa) sẽ tự được mở trở lại Hệ thống này hoạt động cơ bản sẽ giúp người lái không cần thao tác đối với cần điều khiển đèn, và chúng cũng thường được kích hoạt ở tốc độ cao (khoảng từ 60 km/h trở lên), phù hợp đi những quốc lộ hoặc tỉnh lộ bên ngoài thành phố.\Cho thấy hiện nay tầm quan trọng và tính hữu dụng của công nghệ điều khiển đèn pha ô tô thông minh đang chiếm vai trò vô cung quan trong trong nghành công nghệ ô tô hiện nay Vềtính ổn định, sự an toàn mà hệ thống mang lại cho người sử dụng khi tham gia giao thông luôn đóng vai trò quan trọng đến trải

nghiệm cũng như nhu cầu mà người tiêu dùng cần cho một chiếc

xe được trang bị hệ thống này

1.2 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 áng sáng:

Cảm biến ánh sáng đóng vai trò và nhiệm vụ quan trọng trong hệ thống, cảm biến đảm nhận vai trò thu thập tín hiệu ánh sáng từ môi trường và các phương tiện xung quanh Ở điều kiện vào ban đêm cảm biến sẽ nhận dạng ánh sáng từ những xe đi đốidiện, cùng, ngược chiều và gửi về vi điều khiển

Ở cơ cấu chấp hành khi nhận được tín hiệu từ vi điều khiển đèn sẽ được điều khiển ở độ sáng cũng như góc chiếu phù hợp vớithống tin và điệu kiện môi trường ánh sáng mà cảm biến thu thậpđược góc pha và độ sáng của đèn sẽ được tùy chỉnh để không gây chói lóa khi có phương tiện đi ngược chiều đồng thời chiếu trực tiếp vào phương tiện.

Chương 2 Mô hình toán học, sơ đồ thuật toán và

mô phỏng trên phần mềm proteus

2.1 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/cosVào điều kiện trời tối, điện trở của cảm biến ánh sáng đo được là 6MΩ= 6×106 Ω

Từ định luật Ohm ta có:

I=U=12×10−6 Ω = 2×10−6 A

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

- U Là điện áp nguồn.

- 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

U1= 12×33 100033

+ = 0.4V

Ánh sáng phát ra từ bóng đèn là một giá trị nhất định như thông số đã cho trên bóng Ví dụ bóng có cường độ sáng 800 lumen Đối với từng khoảng cách chiếu khác nhau độ sáng sé thay đổi Giá trị độ sáng theo từng khoảng cách sẽ được tính bằngcông thức sau

I= F

4π d2

Trong đó:

- 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

Đối với công xuất tiêu thụ của các loại bóng đèn, chiều dài và tiết diện của dây dẫn cũng phụ thuộc vào công xuất của đèn Giả sử với đèn xenon có công xuấttiêu thụ điện áp là 70W Dòng điện từ acquy là 12V Ta có công thức tính sau:

P = U×ISuy ra cường độ dòng điện I bằng:

- S là tiết diện dây dẫn (mm2)

- I là cường độ dòng diện (A)

- J Là mật độ dòng điện cho phép (A/mm2)

Với mật độ dây dẫn đông cho trước J = 6 A/mm2

Chiều dài dây dẫn được tính như sau

l = R × S

ρ = U

I × S

ρ ≈ 12 5,83× 0,9×10

−6

1,68 ×10−7 ≈ 11 mTrong đó :

- L là chiều dài của dây dẫn(m)

Hình 2.3 Mô phỏng proteus

Chương 3: Xây dựng mô hình.

3.1 Phương án xây dựng mô hình

Mô hình điều khiển đèn pha ô tô sử dụng Arduino để nhận tín hiệu từ cảm biến ánh sáng và điều khiển động cơ điều chỉnh góc và đèn pha

Sơ đồ bố trí mô hình

Hình 3.1 Sơ đồ bố trí mô hìnhNguyên lý làm việc của mô hình:

Arduino nhận tín hiệu từ cảm biến ánh sáng, với điều kiện vào ban đêm khi xe di chuyển cảm biến ánh sáng phát hiện ánh sáng từ các xe xung quanh Với hệ thống trên ta dùng 4 cảm biến ánh sáng

để đọc và đưa giá trị về Arduino Uno Với hệ thống khi ánh sáng chiếu vào cảm biến sẽ xuất tín hiệu về arduino và bộ xử lý sẽ điều khiển động có điều chỉnh góc

và đèn phù hợp với điều kiện vào ban đêm, ánh sáng từ các xe đối diện sẽ pha thẳng vào vị trí của người lái xe lúc này hệ thống điều chỉnh góc sẽ điều khiền né góc chiếu pha của xe đi đối diện, và đồng thời làm giảm độ sáng và góc chiếu sángcủa đèn pha để tránh trường hợp chói Với sơ đồ dùng 4 cảm biến sẽ xuất giá trị cùng lúc và vi điều khiển sẽ phân tích các trường hợp khác nhau khi tín hiệu từ cảm biến truyền về Ví dụ như khi ánh sáng chiếu vào 1 bên cảm biến hệ thống sẽ

điều chỉnh góc né ánh sáng đi một góc cố định giúp lái xe vẫn nhìn rõ tầm nhìn và không bị chói.

3.2 Lựa chọn linh kiện

Nhiệm vụ của Arduino Uno là đọc tín hiệu được truyền từ cảm biến ánh sáng từ chân Analog, rồi điều khiển bộ chỉnh góc chiếu và độ sáng đèn pha thông qua phần mền điều khiển Arduino IDE Giá trị đọc được từ các cảm biến sẽ được

mã hóa để đưa ra lệnh điều khiển động cơ và đèn

Hình 3.2 Arduino Uno R3.

Thông số kĩ thuật cảu Arduino Uno R3

 Vi điều khiển ATmega328P

 Điện áp hoạt động 5V

 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)

 PWM Digital I/O Pins 6

 Analog Input Pins 6

 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

3.2.2 Cảm biến ánh sáng.

Cảm biến ánh sáng có nhiệm vụ quan trọng trong hệ thống điều khiển đèn pha ô tô, cảm biến ánh sáng thu thập ánh sáng từ các xe đối diện, xuất tín hiệu về vi xử lý ở chân tín hiệu A0 để vi điều khiển đọc tín hiệu từ cảm biến

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 sángTích hợp sẵn bộ so sánh opamp LM393

LM7805 hoạt động với dòng điện được cấp vào chân 1 ở cực dương, chân 2 nối đất và chân 3 cho dòng điện ổn định vào mạch với 5V, LM7805 duy trì sự ổn định trong mạch tránh gây cháy các linh kiện nếu mạch nhận được một dòng điện lớn hơn định mức 5V.

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

Với động cơ Servo có nhiệu vụ điều chỉnh góc sáng của đèn pha, đông cơ sử dụng chân digital nối với Arduino để nhận tín hiệu truyền ra với tín hiện mà cảm biến truyền vào, động cơ hoạt động với 360 độ, khi cảm biến nhận thông tin từ ánh sáng của các xe đối diện vi đièu khiển sẽ điều khiển đông cơ quay tránh đi hướng chiếu của đèn xe đối diện, động cơ dùng để điều khiển gócpha đèn

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