2.4.1. Yêu cầu và hướng giải quyết
Yêu cầu của để tài là một hệ thống biển báo LED chạy bằng nguồn điện ắc quy đƣợc nạp bằng động cơ của xe cái hoán. Hệ thống phải có tính linh hoạt cao, dễ dàng bảo dƣỡng sửa chữa, tháo lắp và sử dụng đơn giản và có thể hoạt động đƣợc ở điều kiện thời tiết khắc nghiệt tại Việt Nam, đa phần là nắng nóng và bụi bặm, độ ẩm cao ở các công trƣờng thi công đƣờng bộ, đƣờng cao tốc. Thêm vào đó, các bộ phân của hệ thống biển báo LED phải sẵn có trên thị trƣờng Việt Nam để có thể tìm mua và thay thế. Vì vậy hệ thống biển báo cần đƣợc module hóa một cách tối đa, hệ thống biển báo sẽ đƣợc tạo thành từ các module nhỏ nhƣ các module LED, module công suất, module điều khiển… từ đó có thể dễ dàng thay thế và sửa chữa.
Bộ điều khiển của module sẽ sử dụng vi điều khiển AVR của ATMEL ATMEGA vì vi điều khiên họ AVR đầy đủ tính năng, độ bền bị và phổ biến có thể mua đƣợc trên thị trƣờng Việt Nam
2.4.2. Phương án thiết kế bảng LED
Tổng quan các loại module trên thị trường
Vì tính module hóa cao cũng nhƣ tính sẵn có, bảng LED có thể đƣợc cấu tạo từ các module LED có sẵn trên thị trƣờng, các loại module này rất phong phú từ kích thƣớc module cho đến khoảng cách giữa các điểm ảnh và màu sắc.
Hình vẽ 2. 15: Một module P20 3 màu ngoài trời cơ bản
Các module LED trên thị trƣờng thƣờng đƣợc chế tạo theo các thông số : - Khoảng cách giữa các điểm ảnh : Phổ biến gồm có module P7.62 ; module P10; module P16; module P20 với các khoảng cách tƣơn ứng giữa các điểm anh là 7.62mm, 10mm, 16mm, 20mm.
- Loại module : gồm có trong nhà và ngoài trời, loại module ngoài trời có thêm gioăng cao su chống thấm nƣớc.
- Màu sắc : Gồm 2 loại lớn là LED Full color có thể hiển thị đầy đủ các màu và LED đơn sắc, LED đơn sắc gồm các loại 1 màu ( đỏ, xanh, vàng ) và LED 3 màu (1 điểm anh gồm 2 bóng đỏ và 1 bóng xanh, có thể hiển thị đƣợc 2 màu đơn sắc đỏ và xanh cùng với 1 màu trộn là màu vàng)
- Kích thƣớc bao : Các module đƣợc chế tạo với kích thƣớc 160x320 mm hoặc 80x160 mm. tùy vào khoảng cách điểm ảnh mà số bóng sẽ đƣợc sắp xếp trên module
Cấu tạo của 1 module
Module LED P20 là một tổ hợp các linh kiện bao gồm đèn LED, các IC chức năng hỗ trợ dịch và đệm dữ liệu, mạch công suất, đế module và gioăng cao su chống thấm nƣớc.
Module LED 3 màu P20 có kích thƣớc 160x320mm gồm 8 hàng và 16 cột tƣơng ứng 128 điểm ảnh. Mỗi điểm ảnh gồm 3 bóng LED, 2 bóng màu đỏ và 1 bóng màu lục.
Đầu vào dữ liệu của module là một giắc cắm 32 chân tiêu chuẩn tuy nhiên chỉ sử dụng 7 chân nhƣ hình minh họa 2.30 dƣới đây :
Hình vẽ 2. 16: Sơ đồ chân cắm của giắc dữ liệu đầu vào
- Chân RED và GREEN : chân tín hiệu đầu vào cột cho bóng đỏ và xanh, tín hiệu đầu vào phải là tín hiệu nối tiếp serial từng bit một.
- A và B : Các chân này sẽ điều khiển chốt dữ liệu hàng
- Chân CLK và LATCH : nối tƣơng ứng với CLK và LATCH của vi xử lý AVR
- Chân OE : Nối âm, nếu bị kéo lên mức cao sẽ tắt toàn bộ hình ảnh hiển thị
Sử dụng vi điều khiển AVR sử dụng trong chốt dữ liệu
Do đặc thù của module LED đƣợc sử dụng ( đầu vào của chân dữ liệu phải là dữ liệu nối tiếp ) nên ta sẽ sử dụng giao tiếp serial đƣợc tích hợp trong chip.
Các vi điều khiển AVR có sắn giao tiếp SPI là giao tiếp serial, nhƣng do SPI đã đƣợc sử dụng để giao tiếp với thẻ nhớ nên ta sẽ sử dụng một dạng SPI ảo – Bit banging. Cách thức chuyển dữ liệu của Bit banging sẽ mô phỏng quá trình truyền dữ liệu của SPI với đầy đủ các chân DATA, CLK, LATCH tƣơng ứng với các chân MOSI, SCK, SS của giao tiếp SPI, nhờ sử dụng Bit banging ta có thể giả lập giao tiếp SPI với 3 chân thông thƣờng của vi điều khiển.
2.4.3. Phương án thi công bảng LED
Do yêu cầu của đề tài đặt ra biển báo LED phải có tính quan sát tốt hơn biển báo phản quang thông thƣờng, vì vậy kích thƣớc tối thiểu của biển báo LED phải thỏa mãn yêu cầu đầu tiên là tính quan sát.
Quan tham khảo các hệ thống của nƣớc ngoài và thử nghiệm cho thấy, biển báo LED dùng trong giao thông nên sử dụng module có khoảng cách điểm ảnh lớn để có thể nhìn thấy từ xa. Do yêu cầu của đề tài là biển báo đƣợc kéo đi bằng một xe máy cải tiến nên không thể có kích thƣớc chiều ngang quá lớn. Vì vậy, nhóm thực hiện đề tài quyết định sử dụng module P20 cho biển báo LED và sẽ sử dụng 15
module P20 để tạo nên bảng LED. Với tỉ lệ 1:1 so với biển phản quang, phần biển báo đƣợc hiển thị trên bảng LED sẽ chiếm kích thƣớc tƣơng ứng với một tam giác đều mỗi cạnh là 700 mm. Vì vậy ta sẽ sử dụng 15 module LED 3 màu P20 xếp nhƣ mình vẽ minh họa dƣới đây để đảm bảo có thể thể hiện hết đƣợc biển báo
Hình vẽ 2. 17: Cấu hình tấm LED hiển thị của biển báo
Với cấu hình nhƣ trên, kích thƣớc của tấm LED làm biển báo sẽ là 800x960mm.
Từ cấu hình trên, nhóm thực hiện đề tài đã đƣa ra cấu hình của biển báo vẽ trên bảng LED ( các chấm tròn là các bóng LED sẽ đƣợc bật sáng để tạo hình biển và phần chữ chạy phía dƣới biển) nhƣ sau :
Hình vẽ 2. 18: Đƣờng bị hẹp 2 bên
Hình vẽ 2. 20: Chú ý chƣớng ngại vật, vòng tránh sang hai bên
Hình vẽ 2. 21: Biển số 213 - Cầu tạm
Tính dòng điện tiêu thụ
Để tính toán công suất bảng, ta tính dòng điện tiêu thụ khi bảng sáng toàn bộ số bóng LED
Bảng LED gồm 15 module P20 8x16 = 128 điểm ảnh với 3 bóng 1 điểm ảnh
Module sử dụng kiểu quét 1/4 , tức là trong 1 thời điểm sẽ có 1/4 số bóng LED sáng, vậy số bóng LED sáng thƣờng xuyên là n = 384 : 4 =96 bóng
Mỗi bóng LED sẽ tiêu thụ 10-15 mA, ta sử dụng số liệu Iled đơn = 15 mA để tính. Do đó dòng tiêu thụ cho một module sẽ là :
Imodule = Iled đơn .n = 15.10-3.96 = 1,44 (A)
Vì còn mất công suất cho điều khiển và hiệu suất truyền điện cũng nhƣ đơn giản hóa việc tính toán, ta lấy dòng cho 1 module là Imodule =1,5 A
Vậy 15 module sẽ tiêu thụ dòng là Itổng = Imodule. (số module) = 1,5.15 = 22,5 A
Phương án bố trí nguồn
Nguồn cho bảng LED đƣợc cung cấp từ ắc quy hoặc máy phát tùy theo trạng thái sử dụng ắc quy hay máy phát, nếu sử dụng máy phát, nguồn điện sẽ đƣợc lấy trực tiếp từ máy phát qua một bộ chuyển đổi 220v xoay chiều sang 5V 1 chiều ; tuy nhiên khi sử dụng nguồn điện từ ắc quy, lại phải có bộ điều chỉnh điện là các module buck DC to DC để điều chỉnh điện áp từ 12V của ắc quy xuống 5V của các module LED. Từ đó ta đặt ra yêu cầu cần có các tầng công suất khác nhau cho các chế độ hoạt động khác nhau của bảng LED. Khi chạy máy phát, điện máy phát sẽ qua bộ chuyển đổi để cấp nguồn cho bảng LED còn khi sử dụng điện ắc quy ta có 2 phƣơng án bố trí nguồn sau:
- Phƣơng án 1: sử dụng 2 module 12A cho dòng tổng cộng 24A :
15 Module sẽ đƣợc chia làm 2 nửa, do nửa dƣới hiển thị đáy của hình biển hình tam giác nên số bóng sáng sẽ nhiều hơn. Do đó ta lắp song song 7 module phía dƣới thành 1 cụm và 8 module phía trên thành 1cụm.
Phần phía dƣới với 7 module sáng cực đại sẽ tiêu thụ 7.Imodule = 7.1,5 = 10,5 (A)
Phần phía trên với 8 module sáng cực đại sẽ tiêu thụ 8.Imodule = 8.1,5 = 12 (A)
Đánh giá : Phƣơng án này chỉ sử dụng 2 module nguồn khiến cho việc đi dây đơn giản và gọn nhẹ hơn. Thực tế việc sử dụng hết tất cả các bóng LED khiến module gần chạm ngƣỡng dòng cực đại là không bao giờ xảy ra, vì thế không xảy ra hiện tƣợng quá tải dòng của module nguồn
- Phƣơng án 2: sử dụng 5 module 5A cho dòng tổng cộng 25A, mỗi module 5A sẽ cung cấp nguồn cho một hàng của bảng LED
Mỗi hàng của bảng tiêu thụ 3.Imodule = 3.1,5 = 4,5 (A) < 5 (A) tối đa
Đánh giá : Phƣơng án này sử dụng 5 module nguồn dẫn tới việc dòng điện cung cấp đầy đủ và có khả năng thay thế nguồn cho từng hàng của bảng LED khi xảy ra hỏng hóc. Tuy nhiên việc đi dây sẽ phức tạp và đấu nối chồng chéo dẫn tới việc cháy chập dễ xảy ra
Kết luận : Do bảng LED không bao giờ sáng toàn bộ và sự dễ dàng thuận tiện trong việc đi dây nguồn, ta chọn phƣơng án 1 sử dụng 2 module nguồn, mỗi module 12A để cung cấp nguồn cho bảng LED.
Một số hình ảnh led chế tạo thành công
.
Chƣơng III
Chƣơng III
HỆ THỐNG ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN CUNG CẤP CHO BẢNG LED
3.1. Tổng quan về các thiết bị điện trên xe
3.1.1. Các đối tượng của hệ thống điện trên xe a. Biển báo LED
Mục đích của hệ thống cung cấp điện là cấp điện cho biển báo LED hoạt động.
Hình vẽ 3. 1: Sơ đồ khối hệ thống biển báo LED
Hệ thống nguồn: cấp điện cho hệ thống điều khiển, hiển thị. Đây cũng chính là hệ thống đƣợc trình bày, là nội dung chính trong phạm vi tài liệu này.
Hệ thống điều khiển: điều khiển hiển thị. Lƣu trữ dữ liệu về biển báo đã qua xử lý, tiếp nhận các thao tác điều khiển để hiển thị ra biển báo mong muốn.
Hệ thống hiển thị: Là một khối gồm 15 module LED 3 màu P20 đƣợc ghép nối với nhau.
Hình vẽ 3. 2: Bảng LED hiển thị
Có thể hình dung đây là một tấm bảng hiển thị gồm 1920 (40x48) điểm ảnh. Mỗi điểm ảnh gồm 2 LED đỏ và 1 LED lục. Dựa vào thuật toán quét LED để điều khiển hiện thị và phối màu.
Hệ thống khung vỏ: bảo vệ các phần tử phía trong. Bên trong tổ hợp hệ thống biển báo LED đa số là các thiết bị điện tử không thể chịu đƣợc các tác động cơ học quá lớn, phần khung vỏ sẽ phải thiết kế sao cho hấp thụ đƣợc hết các lực tác động lên biển báo. Với hệ thống biển báo tự hành, các lực tác dụng sẽ gồm áp lực gió tác dụng lên mặt biển và các lực do mặt đƣờng tác dụng lên xe sau đó truyền lên biển trong khi di chuyển. Đặc biệt do điều kiện làm việc ngoài trời và môi trƣờng công trƣờng, trên đƣờng bộ nên hệ thống khung vỏ phải đƣợc làm kín, có tính chống nƣớc, chống bụi nhất định
b. Ắc quy
Nhằm tiết kiệm chi phí vận hành cho hệ thống biển báo LED, cung cấp nguồn cho hệ thống bằng ắc quy là một giải pháp chiếm nhiều ƣu thế.
c. Máy phát điện
Máy phát điện là nguồn cấp điện còn lại cho hệ thống biển báo LED nhằm nâng cao tính linh hoạt cho hệ thống. Khi ắc quy hết máy phát điện sẽ cung cấp nguồn cho hệ thống đồng thời sạc cho ắc quy cho đến khi ắc quy đầy.
3.1.2. Bài toán a. Khi ắc quy đầy a. Khi ắc quy đầy
Ắc quy giúp tiết kiệm chi phí vận hành, nên ắc quy sẽ là nguồn cấp điện ƣu tiên. Ắc quy đầy sẽ cung cấp điện cho cả hệ thống bảng LED; máy phát điện lúc này ở trạng thái tắt (OFF).
b. Khi ắc quy cạn (hoặc trong trường hợp hệ thống làm việc ở chế độ mở rộng có máy phát)
Máy phát điện sẽ đƣợc khởi động để cung cấp điện cho hệ thống bảng LED đồng thời sạc đầy cho ắc quy.
Trƣờng hợp khởi động lần đầu thành công, máy phát sẽ làm việc ở trạng thái mở (ON), cho đến khi ắc quy đƣợc sạc đầy rồi tắt máy.
Nếu khởi động lần đầu không thành công, máy phát ở trạng thái tắt khởi động (do không thể ở trong trạng thái khởi động - đề quá lâu). Sau thời gian nghỉ tạm thời, tiếp tục khởi động máy phát lần tiếp theo. Cho đến khi máy phát điện khởi động thành công hoặc vƣợt quá số lần khởi động cho phép (dấu hiệu sự cố - cần xử lý sự cố trƣớc khi khởi động lại hệ thống).
3.1.3. Tính khả thi và phương pháp nghiên cứu a. Tính khả thi
Điểm mấu chốt của hệ thống cấp điện linh hoạt đó là có thể điều khiển hoạt động của máy phát điện: khởi động, tắt khởi động, tắt máy. Điều này hoàn toàn có thể đƣợc xử lý không quá khó khăn với loại máy phát điện đề nổ. Bằng việc quản lý các tiếp điểm của khóa điện của máy phát điện đề nổ, chúng ta có thể điều khiển đƣợc các hoạt động của máy phát điện.
b. Phương pháp nghiên cứu
Bằng việc nghiên cứu các đối tƣợng chúng tôi đã tìm ra các giải pháp cho bài toán.
Hệ thống hiển thị và điều khiển thị bảng LED cho các thông tin về công suất để lựa chọn ắc quy.
Nghiên cứu khóa điện của máy phát điện đề nổ để tìm ra giải pháp điều khiển hoạt động máy phát điện. Nghiên cứu các cổng ra của máy phát điện để tìm tín hiệu báo khởi động xong.
Nghiên cứu về ắc quy, hiểu về hoạt động sạc của nó giúp tìm ra cách để xử lý tín hiệu báo sạc đầy.
3.2. Các bài toán về ắc quy
3.2.1. Chọn ắc quy a. Yêu cầu a. Yêu cầu
Ắc quy sạc đầy có khả năng cung cấp đủ năng lƣợng cho hệ thống biển báo LED hoạt động liên tục trong 12h.
Ắc quy dễ tìm trên thị trƣờng đồng thời đáp ứng đủ các tiêu chuẩn về an toàn và chất lƣợng
b. Tính toán công suất
Cấu tạo bảng LED hiển thị: 15 module LED P20 2R1G Thông số cho mỗi module LED P20 2R1G: PMAX=300W/m2. Kích thƣớc bảng LED: 15x(160x320) =800x960 mm. S=0,768m2.
Ptổng=300.0,768=230,4 W.
Ptổng=230,4 W đây là trƣờng hợp tất cả các LED đều sang (toàn bảng LED màu vàng – màu pha trộn giữa 2 đỏ và 1 lục).
Tuy nhiên đối với nhiệm vụ hiển thị biển báo di động, qua tính toán, thực nghiệm, số LED cần sáng chỉ bằng 1/20 đến 1/30 tổng số LED.
Nhƣ vậy, chỉ cần cung cấp công suất: P=230,4/20=11,52 W thì bảng LED đã có thể hiển thị đƣợc tất cả các biển báo giao thông tại Việt Nam. Lấy P=12W (công suất cấp cho bộ điều khiển hiển thị không đáng kể).
c. Thông số ắc quy được chọn
Với công suất cần cung cấp P=12W, để hệ thống biển báo LED hoạt động
liên tục đƣợc trong 12 giờ nhờ ắc quy, ta cần ắc quy với dung lƣợng:
P/T*U=12/12*12=12Ah.
Để đảm bảo ắc quy dung đƣợc trong thời gian dài, đồng thời tiết kiệm chi phí đầu tƣ ban đầu, lựa chọn ắc quy dân dụng 12V 25Ah.
Hình vẽ 3. 3: Ắc quy nƣớc dân dụng N25 - 12V 25Ah
3.2.2. Thiết kế cung cấp điện
- Phía nguồn: Ắc quy 12V - Phía tải:
Bảng LED: 5V, I=P/U=12/5=2,4 A. Bộ điều khiển hiển thị: 5V
Cần một bộ chuyển đổi điện áp DC-DC 12V-5V có thể hoạt động ổn định với dòng 2,4A.
Hình vẽ 3. 4: Sơ đồ khối cung cấp điện dung ắc quy
a. Thông số kỹ thuật
- Để thuận tiện cho việc nâng cấp, cải tiến hệ thống cung cấp điện dành cho việc mở rộng đối với các thiết bị có công suất lớn hơn, lựa chọn module chuyển đổi điện áp Buck DC-DC 12A.
- Thông tin về module Buck DC-DC 12A