nghiên cứu chế tạo mô hình gạt nước tự động

Công tắc gạt nước có các vị trí OFF dừng, LO tốc độ thấp và HI tốc độ cao và các vị trí khác để điều khiển chuyển động của nó.. Một số xe có vị trí MIST gạt nước chỉ hoạt động khi công t

ĐỀ TÀI NCKH CẤP SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÔ HÌNH

GẠT NƯỚC TỰ ĐỘNG

MÃ SỐ: SV28-2009

S 0 9

S KC 0 0 2 5 2 4

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM



ĐỀ TÀI NCKH SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÔ HÌNH GẠT NƯỚC TỰ ĐỘNG

MÃ SỐ : SV2009-28

TP HỒ CHÍ MINH - 4/2010

PHẦN II: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

I MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI……… 4

II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU……… 4

III NỘI DUNG……… 4

1 Giới thiệu mô hình……… 4

2 Nguyên tắc hoạt động hệ thống gạt nước trên ô tô……… 5

3 Nguyên lý hoạt động … ……… 16

4 Thiết kế và chế tạo mô hình……… 16

5 Chương trình và giải thuật điều khiển……… 25

IV KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC……… 35

PHẦN III: KẾT LUẬN I KẾT LUẬN………36

II ĐỀ NGHỊ……… 36

TÀI LIỆU THAM KHẢO ……… ……… 37

PHẦN I:

ĐẶT VẤN ĐỀ

I ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU:

“ Mô hình gạt nước tự động trên ô tô”

Sự phát triển vũ bão của ngành điện tử trong những thập niên gần đây đã tác động rất lớn đến ngành công nghiệp ôtô Chiếc ôtô ngày nay không còn là 1 sản phẩm thuần cơ khí như mới ngày đầu phát triển, sự kết hợp giữa cơ khí và điện tử đã biến chiếc nó trở thành 1 sản phẩm công nghệ cao, là nơi tập hợp rất nhiều các thiết bị, hệ thống điện tử tân tiến nhất tất

cả nhằm mục đích tạo ra sự vận hành tối ưu cho chiếc xe và đem lại sự thoải mái thuận tiện nhất có thể cho người điều khiển

Một trong những thiết bị đang được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng trong thời gian gần đây là bộ điều khiển gạt nước tự động Đây là thiết bị khá hữu ích và có khả năng ứng dụng cao, nó có khả năng tự phát hiện ra nước, tuyết hoặc bùn bám vào mặt kính trước của ôtô và điều khiển cần gạt nước với tốc độ thích hợp đồng thời nó cũng có thể điều khiển hoạt động của đèn pha khi ánh sáng không đủ Người điều khiển sẽ không cần phải bỏ tay ra khỏi vô lăng, hoặc liên tục điều chỉnh tốc độ của cần gạt khi điều kiện thay đổi, việc lái xe đã trở nên

dễ dàng và an toàn hơn

II TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC:

Bộ điều khiển gạt nước tự động đã được nghiên cứu và phát triển khá thành công ở nước ngoài, và trở thành 1 tùy chọn khi mua xe Một số hãng xe lớn như BMW, Mercedes đưa vào sử dụng vào các seri cao cấp Trên thị trường cũng đã có bán lẻ các thiết bị này với kích thước nhỏ gọn và giá thành khá hợp lý, có thể lắp đặt trên hầu hết các loại xe ôtô

Trong nước ta cũng đã xuất hiện những sản phẩm này với mức giá chấp nhận được tuy nhiên sản phẩm này vẫn còn chưa phổ biến, và hầu hết là hàng nhập khẩu Các công ty và các trường đào tạo kỹ thuật cũng đã đưa vào nghiên cứu để có thể cho ra những sản phẩm chất lượng với giá thành cạnh tranh hơn

Một số hình ảnh của sản phẩm trên thị trường:

Hình 1: Bố trí hệ thống trên xe

III NHỮNG VẤN ĐỀ CÒN TỒN LẠI:

Sản phẩm này tuy đã được nghiên cứu và ứng dụng khá thành công ở nước ngoài nhưng có một số ý kiến cho rằng đây là một phát minh không thật sự cần thiết và con người vẫn có thể điều khiển tốt các thiết bị trên xe một cách chính xác hơn và thời điểm hợp lý hơn

Tuy nhiên đề tài NCKH này nhằm làm cho thiết bị này trở nên thực sự hữu ích, có tính ứng dụng cao hơn, hoạt động chính xác hơn thông minh hơn và giá thành giảm xuống Đồng thời tham gia vào quá trình dạy và học ở các trường có ngành công nghệ ô tô

II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:

Thu thập kiến thức nguyên lý về hệ thống gạt nước từ giáo trình “ Thực tập điện ô tô 2”và tài liệu TEAM21( Tài liệu đào tạo của hãng TOYOTA) Bên cạnh đó ứng dụng các tính năng cơ bản của VĐK , ở đây là VĐK ATMEGA 8 của hãng ATMEL vào quá trình chế tạo

mô hình

III NỘI DUNG:

1 Giới thiệu mô hình:

 Bộ điều khiển gạt nước (ECU J/B phía hành khách)

Hình 3: Các bộ phận của hệ thống gạt nước

2.1 Cấu tạo:

2.1.1 Cần gạt nước/thanh gạt nước:

Cấu trúc của cần gạt nước là một lưỡi cao su gạt nước được lắp vào thanh kim loại gọi là thanh gạt nước Gạt nước được dịch chuyển tuần hoàn nhờ cần gạt Vì lưỡi gạt nước được ép vào kính trước bằng lò xo nên gạt nước có thể gạt được nước mưa nhờ dịch chuyển thanh gạt nước Chuyển động tuần hoàn của gạt nước được tạo ra bởi motor và cơ cấu dẫn động Vì lưỡi cao su lắp vào thanh gạt nước bị mòn do sử dụng

và do ánh sáng mặt trời và nhiệt độ môi trường v.v… nên phải thay thế phần lưỡi cao

không nhìn thấy được gọi là gạt nước che hoàn toàn

Với gạt nước che hoàn toàn nếu nó bị phủ băng tuyết hoặc ở trong các điều kiện khác, thì gạt nước không thể dịch chuyển được Nếu cố tình làm sạch tuyết bằng cách cho

hệ thống gạt nước hoạt động cưỡng bức có thể làm hỏng motor gạt nước Để ngăn ngừa hiện tượng này, phần lớn các mẫu xe có cấu trúc chuyển chế độ gạt nước che hoàn toàn sang chế độ gạt nước che một phần bằng tay Sau khi bật sang gạt nước che một nửa, cần gạt nước có thể đóng trở lại bằng cách dịch chuyển nó theo hớng mũi tên được chỉ ra trên hình vẽ

2.1.2 Công tắc gạt nước và rửa kính:

2.1.2.1.Công tắc gạt nước:

Công tắc gạt nước được bố trí trên trục trụ lái, đó là vị trí mà người lái có thể điều khiển bất kỳ lúc nào khi cần Công tắc gạt nước có các vị trí OFF (dừng), LO (tốc độ thấp) và HI (tốc độ cao) và các vị trí khác để điều khiển chuyển động của nó Một số

xe có vị trí MIST (gạt nước chỉ hoạt động khi công tắc gạt nước ở vị trí MIST (sương mù), vị trí INT (gạt nước hoạt động ở chế độ gián đoạn trong một khoảng thời gian nhất định) và một công tắc thay đổi để điều chỉnh khoảng thời gian gạt nước Trong nhiều trường hợp công tắc gạt nước và rửa kính được kết hợp với công tắc điều khiển

đèn Vì vậy, đôi khi người ta gọi là công tắc tổ hợp

Ở những xe có trang bị gạt nước cho kính sau, thì công tắc gạt nước sau cũng nằm ở công tắc gạt nước và được bật về giữa các vị trí ON và OFF Một số xe có vị trí INT cho gạt nước kính sau Ở những kiểu xe gần đây, ECU được đặt trong công tắc tổ hợp cho MPX (hệ thống thông tin đa chiều)

Hình 6 Công tắc gạt nước

2.1.2.2.Relay điều khiển gạt nước gián đoạn:

Relay này kích hoạt các gạt nước hoạt động một cách gián đoạn Phần lớn các kiểu xe gần đây các công tắc gạt nước có relay này được sử dụng rộng rãi Một relay nhỏ và mạch transistor gồm có tụ điện và điện trở cấu tạo thành relay điều khiển gạt nước

gián đoạn Dòng điện tới motor gạt nước được điều khiển bằng relay theo tín hiệu

được truyền từ công tắc gạt nước làm cho motor gạt nước chạy gián đoạn

Hình 8 Cấu tạo motor gạt nước

Một sức điện động ngược được tạo ra trong cuộn dây phần ứng khi motor quay để hạn chế tốc độ quay của motor

- Hoạt động ở tốc độ thấp: Khi dòng điện đi vào cuộn dây phần ứng từ chổi than tốc

độ thấp, một sức điện động ngược lớn được tạo ra Kết quả là motor quay với vận tốc thấp

- Hoạt động ở tốc độ cao: Khi dòng điện đi vào cuộn dây phần ứng từ chổi tiếp điện

tốc độ cao, một sức điện động ngược nhỏ được tạo ra Kết quả là motor quay với tốc

độ cao

Cơ cấu gạt nước có chức năng dừng thanh gạt nước tại vị trí cố định Do có chức năng này thanh gạt nước luôn được bảo đảm dừng ở dưới cùng của kính chắn gió khi tắt công tắc gạt nước Công tắc dạng cam thực hiện chức năng này Công tắc này có đĩa cam xẻ rãnh chữ V và 3 điểm tiếp xúc Khi công tắc gạt nước ở vị trí LO/HI, điện

áp ắc qui được đặt vào mạch điện và dòng điện đi vào motor gạt nước qua công tắc gạt nước làm cho motor gạt nước quay Tuy nhiên, ở thời điểm công tắc gạt nước tắt, nếu tiếp điểm P2 ở vị trí tiếp xúc mà không phải ở vị trí rãnh thì điện áp của ắc qui vẫn được đặt vào mạch điện và dòng điện đi vào motor gạt nước tới tiếp điểm P1 qua tiếp điểm P2 làm cho motor tiếp tục quay Sau đó bằng việc quay đĩa cam làm cho tiếp điểm P2 ở vị trí rãnh do đó dòng điện không đi vào mạch điện và motor gạt nước

bị dừng lại Tuy nhiên, do quán tính của phần ứng, motor không dừng lại ngay lập tức

và tiếp tục quay một ít Kết quả là tiếp điểm P3 vợt qua điểm dẫn điện của đĩa cam Thực hiện việc đóng mạch như sau:

Hình 9 Hoạt động của công tắc dạng cam

Phần ứng  Cực (+)1 của motor  công tắc gạt nước  cực S của motor gạt nước

 tiếp điểm P1  P3 phần ứng Vì phần ứng tạo ra sức điện động ngược trong mạch đóng này, nên quá trình hãm motor bằng điện được tạo ra và motor được dừng lại tại điểm cố định

2.2 Hoạt động:

2.2.1 Nguyên lý hoạt động khi công tắc gạt nước ở vị trí LOW/MIST

Khi công tắc gạt nước được bật về vị trí tốc độ thấp hoặc vị trí gạt sương, dòng điện

đi vào chổi than tiếp điện tốc độ thấp của motor gạt nước (từ nay về sau gọi tắt là

“LO”) như được chỉ ra trên hình vẽ và gạt nước hoạt động ở tốc độ thấp

Hình 12 Hoạt động của hệ thống gạt nước chế độ LOW

2.2.2 Nguyên lý hoạt động khi công tắc gạt nước ở vị trí HIGH

Khi công tắc gạt nước được bật về vị trí tốc độ cao, dòng điện đi vào chổi tiếp điện cao của motor gạt nước HI như được chỉ ra trên hình vẽ và gạt nước hoạt động ở tốc

độ cao

Hinh13 : Hoạt động của hệ thống gạt nước chế độ HIGH

2.2.3 Nguyên lý hoạt động khi tắt công tắc gạt nước OFF:

Nếu tắt công tắc gạt nước được về vị trí OFF trong khi motor gạt nước đang hoạt động, thì dòng điện sẽ đi vào chổi than tốc độ thấp của motor gạt nước như được chỉ

ra trên hình vẽ và gạt nước hoạt động ở tốc độ thấp Khi gạt nước tới vị trí dừng, tiếp điểm của công tắc dạng cam sẽ chuyển từ phía P3 sang phía P2 và motor dừng lại

Hinh14 : Hoạt động của hệ thống gạt nước chế độ OFF

2.2.4 Nguyên lý hoạt động khi bật công tắc gạt nước đến vị trí “INT”:

 Hoạt động khi transistor bật ON:

Khi bật công tắc gạt nước đến vị trí INT, thì transistor Tr1 được bật lên một lúc làm cho tiếp điểm relay được chuyển từ A sang B Khi tiếp điểm relay tới vị trí

B,dòng điện đi vào motor (LO) và motor bắt đầu quay ở tốc độ thấp

Hình 16 Hoạt động của hệ thống gạt nước ở chế độ INT khi transistor Tr ngắt ON

Hình 16 Hoạt động của hệ thống gạt nước

ở chế độ INT khi transistor Tr ngắt OFF

Tr1 nhanh chóng ngắt ngay làm cho tiếp điểm relay chuyển lại từ B về A Tuy nhiên, khi motor bắt đầu quay tiếp điểm của công tắc cam chuyển từ P3 sang P2, do đó dòng

điện tiếp tục đi vào chổi than tốc độ thấp của motor và motor làm việc ở tốc độ thấp rồi dừng lại khi tới vị trí dừng cố định Transistor Tr1 lại bật ngay làm cho gạt nước tiếp tục hoạt động gián đoạn trở lại ở loại gạt nước có điều chỉnh thời gian gián đoạn, biến trở thay đổi giá trị nhờ xoay công tắc điều chỉnh và mạch điện transistor điều chỉnh khoảng thời gian cấp điện cho transistor và làm cho thời gian hoạt động gián đoạn được thay đổi

2.2.5 Nguyên lý hoạt động khi bật công tắc rửa kính ON:

Khi bật công tắc rửa kính dòng điện đi vào motor rửa kính ở cơ cấu gạt nước có sự kết hợp với rửa kính, transistor Tr1 bật theo chu kỳ đã định khi motor gạt nước hoạt động làm cho gạt nước hoạt động một hoặc hai lần ở cấp tốc độ thấp Thời gian tr1 bật là thời gian để tụ điện trong mạch transistor nạp điện trở lại Thời gian nạp điện của tụ điện phụ thuộc vào thời gian đóng công tắc rửa kính

3 Nguyên lý hoạt động:

Gồm 2 chế độ: Bình thường và tự động

 Chế độ bình thường: ( Công tắc gạt ở vị trí OFF)

Hệ thống gạt nước hoạt động theo các chế độ có sẵn ( tùy theo xe) Bao gồm các chế

độ điều khiển Motor gạt nước : HIGH,LOW và STOP dựa trên sự thay đổi vị trí của cụm công tắc gạt nước

Hình 17: Các chế độ ở trạng thái tự động

4 Thiết kế và chế tạo mô hình:

4.1 Sơ đồ mạch điện của mô hình:

Hình 18: Sơ đồ mạch điện của mô hình

Chế độ Relay hoạt động

STOP Không có Relay nào hoạt động

Hình 19: Bảng trạng thái hoạt động của hệ thống

4.2 Mạch điều khiển:

Hình 20: Sơ đồ khối mạch điều khiển

MẠCH ĐIỀU KHIỂN

CẢM BIẾN MƢA

BIẾN TRỞ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ BƠM

BƠM

TỔ HỢP

lập trình được

 Có ba kênh điều xung PWM

 6 kênh lối vào chuyển đổi ADC với độ phân giải 10 bit

Atmega8 có 28 chân, trong đó có 23 cổng vào ra Nguồn nuôi từ 2.7 đến 5.5 đối với Atmega8L và từ 4.5 đến 5.5 đối với Atmega8, làm việc tiêu thụ dòng 3.6mA Sử dụng mạch dao động ngoài từ 0 đến 8 với Mhz Atemga8L

và từ 0 đến 16 Mhz với Atmega8 Ngoài ra chíp Atmega8 còn có bộ xung nội bên trong có thể lập trình chế độ xung nhịp

Hình 21: Sơ đồ chân ATMEGA 8

Chức năng các chân

 VCC : Điện áp nguồn nuôi

 GND: Chân nối mass

 AREF: Chân mức ngƣỡng chuẩn trên của bộ ADC

 AVCC: Chân cấp nguồn cho bộ analog

 PortB (PB7…PB0):

Cổng B là cổng vào ra 8 bit lập trình được Các chân của cổng có điện trở

pull-up được lựa chọn cho mỗi bit Các chân của cổng B cho dòng 20mA đi qua và

có thể kích trực tiếp led hiển thị PB6, PB7 (XTAL1/XTAL2) là hai ngõ vào của

bộ cộng hưởng dao động từ bên ngoài Chúng ta có thể sử dụng tụ thạch anh bên ngoài để làm bộ dao động dữ nhịp PB5, PB4, PB3 lần lượt là các chân

SCK, MISO, MOSI của bộ giao tiếp ISP Khi được lập trình thì PB3 là chân điều xung của bộ Timer/Counter2, PB2 và PB1 là hai chân điều xung của bộ

Timer/counter1 (OC1A và OC1A) Tương tự khi được lập trình thì PB0 là chân CAPTURER Sau khi được reset, các chân của cổng B được nối lên điện trở Pull-up

 PortC (PC6 … PC0)

Cổng C là cổng vào ra 8 bit lập trình đƣợc Các chân của cổng có điện trở pull-up đƣợc lựa chọn cho mỗi bit Các chân của cổng C cho dòng 20mA đi qua và có thể kích trực tiếp led hiển thị Ngoài ra khi đƣợc lập trình thì các chân này còn là các lối vào đặc biệt PC6 là chân reset, khi chân này đƣợc nối xuống mass thì hệ thống đƣợc reset PC0 … PC5 là các lối vào của 5 kênh ADC bên trong chip

 PortD (PD6 … PD0)

Hình 22: Sơ đồ khối vi xử lý

4.2.2 Mạch nguồn:

Hình 23: Sơ đồ mạch nguồn

Nhiệm vụ:

Tạo ra nguồn 5v ổn định nuôi VXL và cảm biến

4.2.3 Mạch điều khiển cụm relay tổ hợp:

Hình 24: Sơ đồ mạch điều khiển cụm relay

Hình 25: Sơ đồ mạch điều khiển bơm

Nhiệm vụ:

Điều khiển các cấp độ của bơm thông qua biến trở

4.3 Mạch cảm biến:

5v 5v

330ohm 10k ohm

VĐK

LED phát hồng ngoại LED thu hồng ngoại\

Hình 26: Sơ đồ khối mạch cảm biến

 Đây là nguyên lí thu phát của cảm biến mƣa Chúng ta có thể nhận biết đƣợc

lƣợng mƣa nhiều hay ít thông qua nguyên lý này

- Đọc ADC3,4,5(Cảm biến)

Nhận tín hiệu ADC0 điều khiển bơm

Bật LED phát Lấy mẫu giá trị cảm biến = Giá trị 2

Lấy giá trị trung bình của độ chênh lệch,Mỗi lần lớn hơn

MOTOR STOP

//xxxxxxxxxxxxx Define xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

#define ADC_VREF_TYPE 0x20

#define LED_D PORTD.6

#define LED_X PORTD.7

#define DK_BOM PORTB.3

#define SPEED_BOM OCR2

// DK ROLE TO HOP

#define ROLE1 PORTB.0 // LOW

#define ROLE2 PORTB.1 // CONG TAC

#define ROLE3 PORTB.2 // HIGH

// DK LED PHAT

#define LED_P1 PORTD.2

#define LED_P2 PORTD.3

#define LED_P3 PORTD.4

void lcd_xuat(int a1,int a2,int a3,int a4,int a5,int a6,int a7,int a8);

//xxxxxxxxxxxxxxx BIEN TOAN CUC xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx int adc1,adc2,adc3;

int LED_T1,LED_T2,LED_T3;

float tb1,tb2,tb3,tb;

int kt;

unsigned char co_ngat =0;

char str1[10],str2[10],str3[10];

//xxxxxxxxxxx CHUONG TRINH NGAT TIMER0 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

interrupt [TIM0_OVF] void timer0_ovf_isr(void){

// Mode: Fast PWM top=FFh

// OC2 output: Non-Inverted PWM

ASSR=0x00;

//TIMSK=0x01;

// Analog Comparator initialization

// Analog Comparator: Off

// Analog Comparator Input Capture by Timer/Counter 1: Off

ACSR=0x80;

SFIOR=0x00;

// ADC initialization

// ADC Clock frequency: 250.000 kHz

// ADC Voltage Reference: AREF pin

// Only the 8 most significant bits of

// the AD conversion result are used

TIMSK=0x00; // Disable Interrup

//xxxxxxxxxxxxxxxxx Nho tat doan code truoc khi nap vao board