Nghiên cứu thiết kế chế tạo thử nghiệm hệ thống đèn pha tích cực cho xe máy

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đề tài nghiên cứu riêng hướng dẫn PGS TS Hồ hữu Hải Đề tài thực Bộ môn ô tô xe chuyên dụng, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Kết trình bày luận văn hồn tồn trung thực chưa công bố cơng trình Học Viên Trần Đức Thịnh MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ LỜI NÓI ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐÈN PHA TRÊN ÔTÔ VÀ XE MÁY .8 1.1 KHÁI QUÁT 1.2 CÁC LOẠI BÓNG ĐÈN PHA .8 1.2.1 Bóng đèn sợi đốt 1.2.2 Bóng đèn Halogen .10 1.2.3 Bóng đèn Xenon .11 1.2.4 Bóng đèn LED 20 1.3 HỆ THỐNG ĐÈN PHA TÍCH CỰC (AFS) .24 1.3.1 Hệ thống đèn liếc tĩnh 24 1.3.2 Hệ thống đèn liếc động 25 1.4 Đèn pha xe máy 35 1.5 Mục tiêu nội dung đề tài luận văn 40 1.5.1 Mục tiêu 40 1.5.2 Nội dung đề tài .40 CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ MƠ HÌNH HỆ THỐNG VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN 42 2.1 Các phương án thiết kế 42 2.2 Mơ hình hệ thống đèn pha tích cực cho xe máy 42 2.2.1 Xây dựng mơ hình 42 2.2.2 Chế tạo mơ hình .48 2.3 Thiết kế điều khiển đèn pha tích cực cho xe máy .51 2.3.1 Yêu cầu làm việc mạch điện điều khiển .52 2.3.2 Sơ đồ mạch điện xe 52 2.3.3 Xây dựng sơ đồ nguyên lý mạch điện điều khiển .54 2.3.4 Xây dựng mạch mơ máy tính 63 2.3.5 Thiết kế mạch in .65 CHƢƠNG 3: CHƢƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ MƠ PHỎNG HOẠT ĐỘNG HỆ THỐNG ĐÈN PHA TÍCH CỰC CHO XE MÁY .68 3.1 Thuật toán điều khiển .68 3.2 Mơ tả chương trình 69 3.3 Mô hoạt động hệ thống 70 KÊT LUẬN CHUNG 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 PHỤ LỤC 77 PHỤ LỤC 80 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Tên hình vẽ TT Trang Hình 1.1 Bóng đèn sợi đốt Hình 1.2 Bóng đèn Halogen 10 Hình 1.3 Bộ đèn xenon tăng áp 11 Hình 1.4 Cấu tạo chóa đèn bóng đèn D2S 13 Hình 1.5 Cấu tạo chóa bóng đèn D2R 14 Hình 1.6 Cấu tạo bóng đèn D1S UltraBlue 14 Hình 1.7 Cấu tạo bóng đèn D1R 15 Hình 1.8 Sự bố trí quang học đèn pha projector 17 Hình 1.9 Vai trò phản xạ cho phân bố chiếu ánh sáng 17 10 Hình 1.10 Nguyên tắc phản xạ 18 11 Hình 1.11 Tính chất trực chuẩn thấu kính phi cầu tính chất 18 trực chuẩn thấu kính hình cầu 12 Hình 1.12 Kết cấu thấu kính màu (hình phía trên) 19 ngun tắc sửa chữa (hình phía dưới) 13 Hình 1.13 Ngun lý hoạt động đèn LED 21 14 Hình 1.14a hệ thống ánh sáng đèn LED phía trước xe 22 Fioravanti Yak 15 Hình 1.14b mảng đèn LED loại 5mm cho hệ thống chiếu 22 sáng phía trước 16 Hình 1.15 Hiệu chiếu sáng hệ thống đèn liếc tĩnh 24 17 Hình1.16 Đèn chiếu sáng góc cua tắt thẳng 25 18 Hình 1.17 Đèn chiếu sáng góc cua bật lên với đèn xi nhan 25 19 Hình 1.18 Đèn chiếu sáng góc cua 25 20 Hình 1.19 Cả hai đèn chiếu sáng góc cua 25 21 Hình 1.20 Xoay đèn chiếu gần hướng cua 26 22 Hình 1.21 Đèn liếc động thay đổi vùng sáng gương 26 23 Hình 1.22 Đèn liếc động thay đổi vùng sáng cách di chuyển 26 chóa đèn phản xạ 24 Hình 1.23 Sơ đồ hệ thống đèn pha tích cực (AFS) 27 25 Hình1.24 CL- Ánh sáng ngoại thị, ML- Ánh sáng đường cao tốc, 28 HB - Chùm tia chính, FFL - Sương mù nhẹ, AWL - Thời tiết không tốt, TL - Ánh sáng nội thị, BL - Ánh sáng vào cua 26 Hình 1.25 Loại C (cơ bản) hình chiếu chùm tia gần (phía 29 bên trái),Loại C (cơ bản) hình chiếu đứng chùm tia gần 27 Hình 1.26 Hình chiếu loại V (nội thị) chùm tia gần 30 28 Hình 1.27 Hình chiếu lớp E (đường cao tốc) chùm tia xa 31 ‘trái’; Hình chiếu đứng loại E (đường cao tốc) chùm tia xa Khu vực ánh sáng màu vàng cho thấy chùm tia tăng 0,250 cho phạm vị mở rộng 29 Hình 1.28 Hình chiếu loại W (đường ướt) chùm tia gần 31 30 Hình 1.29 Hình chiếu cho loại T (nội thị) Chùm tia gần 32 31 Hình 1.30 Hình chiếu loại T (nội thị) chùm tia gần 32 32 Hình 1.31 Màn đo cho xe có chùm sáng chiếu gần đối xứng 34 33 Hình 1.32 Màn đo cho xe mơtơ có chùm sáng chiếu gần khơng đối xứng 34 Hình 1.33 Một số loại xe có đèn pha lắp cố định với tay lái 36 35 Hình 1.34 Một số loại xe có đèn pha lắp cố định với khung xe 36 36 Hình 1.35 Hệ thống đèn pha tích hợp thấu kính số xe máy 37 37 Hình 1.36 Đèn xenon kết hợp thấu kính tự chế xe SH 37 38 Hình 1.37 Mẫu xe motor K1600 GT / K 1600 GTL BMW 38 với hệ thống đèn pha thơng minh 39 Hình 1.38 Một số chế độ làm việc đèn pha thơng minh xe motor K1600 GT 39 40 Hình 2.1 Sơ đồ khối mơ hình 43 41 Hình 2.2 Cấu tạo chóa đèn bóng đèn xe Airblade 44 42 Hình 2.3 Hệ thống quang học đèn pha xe Airblade 45 43 Hình 2.4 Xác định vị trí lắp bóng hỗ trợ góc quay vịng 46 44 Hình 2.5 Bóng đèn pha cốt xe Wave 110 47 45 Hình 2.6 Khung mơ hình 48 46 Hình 2.7 Chóa đèn Airblade khoan vị trí lắp đèn hỗ trợ chiếu 49 sáng vào đường vịng 47 Hình 2.8 Sơ đồ mạch điện xe Honda Airblade 50 48 Hình 2.9 Sơ đồ mạch hệ thống chiếu sáng 54 49 Hình 2.10 Mạch bật đèn chiếu sáng phụ tín hiệu xi nhan 56 50 Hình 2.11 Mạch tự động điều chỉnh cường độ sáng đèn 58 51 Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý hệ thống đèn pha tích cực cho xe máy 60 52 Hình 2.13 Sơ đồ mạch điều khiển đèn pha tích cực cho xe máy 61 53 Hình 2.14 Sơ đồ điểm đấu nối dây xe Airblade nguyên 62 54 Hình 2.15 Mạch mô tự động điều chỉnh cường độ sáng 63 đèn PWM 55 Hình 2.16 Sơ đồ mạch in điều khiển đèn 66 56 Hình 2.17 Mạch in điều khiển đèn 66 57 Hình 2.18 Mạch khoan chân linh kiện 67 58 Hình 3.1 Mơ hình hệ thống đèn pha tích cực 70 59 Hình 3.2 Khi chưa bật cơng tắc đèn nấc pha/cốt 71 60 Hình 3.3 Đèn phụ trái sáng bật xi nhan phải 71 61 Hình 3.4 Đèn phụ phải sáng bật xi nhan trái 72 62 Hình 3.5 Khi cường độ ánh sáng phía trước xe thay đổi 73 LỜI NÓI ĐẦU Đèn pha xe phận quan trọng giúp cho lái xe thuận lợi tham gia giao thơng vào ban đêm điều kiện sương mù Tuy nhiên vào đoạn đường vịng phải nhiều xe bộc lộ hạn chế góc chiếu sáng khơng theo hướng rẽ xe khiến người lái xe bị hạn chế tầm nhìn rễ gây tai nạn Khi hoạt động vào ban đêm, gặp xe chạy ngược chiều (có ánh đèn pha chiếu vào), cần thiết hướng chiếu sáng đèn thấp xuống điều chỉnh hạn chế độ sáng đèn nhằm tránh gây chói mắt cho người điều khiển xe ngược chiều Hơn xe chạy đường có hệ thống đèn chiếu sáng việc chiếu sáng hết cơng suất bóng pha cốt khơng cần thiết Xét thấy xe máy chiếm tỷ lệ lớn phương tiện tham gia giao thơng nước ta, số có nhiều xe sử dụng đèn pha quay theo hướng quay tay lái Việc nghiên cứu thiết kế chế tạo thử nghiệm hệ thống đèn pha tích cực cho xe máy có ý nghĩa khoa học thực tiễn cho việc phát triển hoàn thiện hệ thống chiếu sáng xe máy Luận văn tiến hành nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm kiểm chứng mơ hình thực cơng việc: - Nghiên cứu tổng quan đèn pha ô tô, xe máy - Xây dựng mơ hình hệ thống điều khiển đèn pha tích cực cho xe máy - Xây dựng chương trình điều khiển đèn pha tích cực cho xe máy - Mô phỏng, đánh giá hệ thống đèn pha tích cực xe máy Trong thời gian làm luận văn, tác giả có nhiều cố gắng tích cực chủ động học hỏi, vận dụng kiến thức học tìm hiểu kiến thức Dưới hướng dẫn trực tiếp PGS TS Hồ Hữu Hải thầy Bộ môn ô tô xe chuyên dụng, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, đề tài hoàn thành mục tiêu nhiệm vụ đặt Tuy nhiên điều kiện có hạn, lại nghiên cứu đa ngành nên luận văn tránh khỏi sai sót Rất mong Thầy đóng góp ý kiến để luận văn hoàn thiện Hà Nội, ngày 24 tháng 09 năm 2013 Tác giả CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐÈN PHA TRÊN ÔTÔ VÀ XE MÁY 1.1 KHÁI QUÁT - Đèn pha xe máy lắp phía trước xe, mục đích chiếu sáng đường phía trước suốt thời gian xe chạy mà tầm nhìn người lái xe bị giới hạn không gian như, trời tối, trời mưa Nếu đèn pha mà khơng đáp ứng tầm nhìn người lái xe tai nạn giao thơng xẩy lúc Nhưng đèn pha ơtơ q sáng làm chói mắt phương tiện người ngược chiều điều gây nên tai nạn giao thông - Mọi người thấy tầm quan trọng chiếu sáng xe máy di chuyển bóng tối Đèn pha trải qua 120 năm lịch sử, từ đèn khổng lồ cổ lỗ Bi-Xenon hay LED ngày - Theo thông tin từ tờ báo công ty ôtô NISSAN đưa tin, khoảng 70% xe tai nạn đường xảy vào ban đêm cho người ảnh hưởng tầm nhìn người lái xe đèn pha khơng đáp ứng tầm nhìn 1.2 CÁC LOẠI BĨNG ĐÈN PHA 1.2.1 Bóng đèn sợi đốt Hình 1.1 Bóng đèn sợi đốt Với phát triển bóng đèn sợi đốt đời loại máy phát điện gọn nhẹ lắp đặt xe ơtơ vào năm 1910 loại bóng đèn sợi đốt sử dụng để chiếu sáng xe ôtô Năm 1913, công ty điện Bosch, Đức, tiếp cận hợp lý vấn đề đưa sản phẩm „Bosch Light‟ Đây hệ thống tích hợp đèn pha, máy phát điện chiều điều chỉnh để tránh gây phiền phức cho khách hàng mua phầntử rời rạc Tuy nhiên, xuất tranh cãi xung quanh đèn pha sử dụng điện đại đèn pha hệ cũ sử dụng gas Một giải pháp kết hợp đèn pha chạy nhiên liệu với đèn pha điện Các loại đèn pha tồn sau chiến tranh giới lần thứ Năm 1920, điện chiếm ưu không đèn pha mà cịn cơng nghệ chế tạo xe Cấu tạo bóng đèn dây tóc gồm vỏ bóng đèn làm thủy tinh, bên có chứa dây điện trở volfram Dây volfram đặt vào mức điện áp định nung nóng lên đến nhiệt độ 23000C sinh luồng ánh sáng trắng Ở nhiệt độ thấp ánh sáng sinh yếu hơn, ngược lại cung cấp điện áp đặt vào hai đầu dây volfram lớn mức, nhiệt độ điện trở volfram lớn làm cho dây volfram bốc nhanh gây nên tượng đen bóng đèn đốt cháy dây tóc làm dây tóc bị đứt Trong bóng đèn người ta hút hết khơng khí để mơi trường chân khơng hạn chế tượng oxy hóa dây điện trở volfram làm dây volfram dễ đốt cháy Để dây tóc bóng đén phát sáng nhiệt độ cao, đặt vào bóng đèn điện áp cao hơn, người ta bơm vào bóng đèn khí Argon với áp suất thấp Với cách cường độ chiếu sáng bóng đèn tăng thêm khoảng 40% Đèn pha ôtô sử dụng loại sợi đốt có tuổi thọ thấp, cường độ ánh sáng thấp so với loại đèn khác công suất, tiêu tốn nhiều điện nên xe máy đời người ta sử dụng - Đèn chiếu gần (low - beam) đời thời kỳ này: Lái xe đêm bị ảnh hưởng vấn đề cũ gây chói mắt xe ngược chiều Các kỹ sư cố gắng nhiều năm giải vấn đề cách sử dụng thiết bị chống lóa mắt tìm phương pháp lắp đặt đèn pha Hai đèn chiếu riêng biệt với hai chùm ánh sáng mang lại hiệu cao hơn, đèn chiếu xa chiếu gần - Bóng đèn bilux – giải pháp tất một: Năm 1924, chuyên gia đèn Osram đưa giải pháp kỹ thuật nhằm giảm chói mắt cho xe ngược chiều dùng bóng đèn có hai sợi đốt, kết hợp chùm tia chiếu gần xa gương phản xạ Thay phải dùng nguồn sáng với hai chóa đèn riêng biệt cho chế độ chiếu xa chiếu gần - Đèn chiếu gần khơng đối xứng - sáng phía bên phải: Năm 1957, đèn chiếu gần không đối xứng xuất Loại đèn có cường độ sáng cao phía bên tay phải, nơi hay có người xe đạp mà lái xe thường khó phát đêm Và quyền đức thức cơng nhận việc sử dụng đèn chiếu gần không đối xứng tơ 1.2.2 Bóng đèn Halogen Được sử dụng phổ biến ô tô vào thời kỳ (1960- 1990) Hình 1.2 Bóng đèn Halogen Ngành cơng nghiệp tơ chứng kiến xâm nhập chiếm ưu đèn sử dụng khí Halogen (gồm khí Flo, Clo) Một ưu điểm lớn công nghệ hiệu chiếu sáng tuổi thọ làm việc cao Trong đó, đèn sợi đốt thông thường, kim loại bốc từ sợi đốt tập trung bề mặt làm xám đen Khí Halogen có tác dụng làm hạn chế bốc kim loại từ sợi đốt làm cho bóng đèn trở nên sáng Ngồi giúp đốt nóng sợi đốt cách mạnh mẽ cho nguồn ánh sáng tốt Công nghệ đèn pha Halogen làm cho sợi đốt Vonfram sản xuất ánh sáng hiệu đèn sợi đốt bình thường, bóng đèn Halogen sử dụng xe ôtô H1, giới thiệu vào năm 1962 tập đồn bóng đèn Châu Âu nhà sản xuất đèn pha Bóng đèn có sợi đốt tiêu thụ 10 PHỤ LỤC CÁC LINH KIỆN ĐIỆN- ĐIỆN TỬ CƠ BẢN SỬ DỤNG TRONG MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐÈN PHA TÍCH CỰC CHO XE MÁY Vi điều khiển Atmega16 Atmelga16L có đầy đủ tính họ AVR, giá thành so với loại khác giá thành vừa phải nghiên cứu làm cơng việc ứng dụng tới vi điều khiển Tính năng: - Bộ nhớ 16K(flash) - 512 byte (EEPROM) - K (SRAM) - Đóng vỏ 40 chân , có 32 chân vào liệu chia làm PORT A,B,C,D Các chân có chế độ pull_up resistors - Giao tiếp SPI - Giao diện I2C - Có kênh ADC 10 bit - so sánh analog - kênh PWM - timer/counter bit, timer/counter1 16 bit - định thời Watchdog - truyền nhận UART lập trình * Mơ tả chân: - Vcc GND chân cấp nguồn cho vi điều khiển hoạt động - Reset chân reset cứng khởi động lại hoạt động hệ thống - chân XTAL1, XTAL2 chân tạo dao động cho vi điều khiển, chân nối với thạch anh (hay sử dụng loại 4M), tụ gốm (22p) - Chân Vref thường nối lên 5v(Vcc), sử dụng ADC chân sử dụng làm điện so sánh, chân phải cấp cho điện áp cố 77 định, sử dụng diode zener: - Chân Avcc thường nối lên Vcc sử dụng ADC chân nối qua cuộn cảm lên Vcc với mục đích ổn định điện áp cho biến đổi Mosfet IRF 540 Mosfet IRF 540 mosfet kênh N, thường dùng điều khiển công suất, đa số dùng chế độ đóng ngắt - Hình dáng ký hiệu chân: 78 - Các thông số làm việc IRF 540: Quang trở Trong mạch điều khiển sử dụng loại quang trở NORP-13 hình vẽ: Bảng thơng số kỹ thuật 79 PHỤ LỤC CODE CHƢƠNG TRÌNH NẠP CHO ATMEGA 16 TRONG MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐÈN PHA TÍCH CỰC /***************************************************** This program was produced by the CodeWizardAVR V2.05.0 Professional Automatic Program Generator © Copyright 1998-2010 Pavel Haiduc, HP InfoTech s.r.l http://www.hpinfotech.com Project : Code điều khiển đèn pha tích cực cho xe máy Version : Date : 20/08/2013 Author : Trần Đức Thịnh Company : Đại học bách khoa Hà Nội Comments: No Chip type : ATmega16 Program type : Application AVR Core Clock frequency: 8,000000 MHz Memory model : Small External RAM size :0 Data Stack size : 256 *****************************************************/ #include // Khai báo loại chíp sử dụng Atmega 16 #include // Khai báo sử dụng hàm trễ delay #define ADC_VREF_TYPE 0x00 unsigned int gtadc; float ap; // Read the AD conversion result 80 unsigned int read_adc(unsigned char adc_input) // đọc giá trị adc { ADMUX=adc_input | (ADC_VREF_TYPE & 0xff); // Delay needed for the stabilization of the ADC input voltage delay_us(10); // Start the AD conversion ADCSRA|=0x40; // Wait for the AD conversion to complete while ((ADCSRA & 0x10)==0); ADCSRA|=0x10; return ADCW; } // Declare your global variables here void main(void) // chươnng trình { // Declare your local variables here // Input/Output Ports initialization // Port A initialization // Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In // State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T PORTA=0x00; DDRA=0x00; // Port B initialization // Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In // State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T PORTB=0x00; DDRB=0x00; // Port C initialization // Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In 81 // State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T PORTC=0x00; DDRC=0x00; // Port D initialization // Func7=In Func6=In Func5=Out Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In // State7=T State6=T State5=0 State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T PORTD=0x00; DDRD=0x20; // xuất tín hiệu xung chân PD5(OC1A) // Timer/Counter initialization // Clock source: System Clock // Clock value: Timer Stopped // Mode: Normal top=0xFF // OC0 output: Disconnected TCCR0=0x00; TCNT0=0x00; OCR0=0x00; // Timer/Counter initialization // Clock source: System Clock // Clock value: 1000,000 kHz // Mode: Fast PWM top=ICR1 // OC1A output: Non-Inv // OC1B output: Discon // Noise Canceler: Off // Input Capture on Falling Edge // Timer1 Overflow Interrupt: Off // Input Capture Interrupt: Off // Compare A Match Interrupt: Off // Compare B Match Interrupt: Off 82 TCCR1A=0x82; TCCR1B=0x1A; TCNT1H=0x00; TCNT1L=0x00; ICR1H=0x4E; ICR1L=0x20; OCR1AH=0x03; OCR1AL=0xE8; OCR1BH=0x00; OCR1BL=0x00; // Timer/Counter initialization // Clock source: System Clock // Clock value: Timer2 Stopped // Mode: Normal top=0xFF // OC2 output: Disconnected ASSR=0x00; TCCR2=0x00; TCNT2=0x00; OCR2=0x00; // External Interrupt(s) initialization // INT0: Off // INT1: Off // INT2: Off MCUCR=0x00; MCUCSR=0x00; // Timer(s)/Counter(s) Interrupt(s) initialization TIMSK=0x00; // USART initialization // USART disabled 83 UCSRB=0x00; // Analog Comparator initialization // Analog Comparator: Off // Analog Comparator Input Capture by Timer/Counter 1: Off ACSR=0x80; SFIOR=0x00; // ADC initialization // ADC Clock frequency: 1000,000 kHz // ADC Voltage Reference: AREF pin // ADC Auto Trigger Source: ADC Stopped ADMUX=ADC_VREF_TYPE & 0xff; ADCSRA=0x83; // chọn tần số xung nhịp cho ADC 1000,000 kHz // SPI initialization // SPI disabled SPCR=0x00; // TWI initialization // TWI disabled TWCR=0x00; while (1) { gtadc=read_adc(0); // đọc giá trị chân adc(0) ap=0.00488*gtadc; //tinh ap o chan ADC0; 0.00488 = 5/1024 if((ap>0.00)&&(ap