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
Hình 3.5: Module Buck DC-DC 12A
Điện áp đầu vào: DC 5-40V
Điện áp đầu ra: DC 1.25-36V (Điều chỉnh đƣợc) Dòng ra: DC 0-12A, 100W
Nhiệt độ hoạt động: -40°c đến +85°c Tần số hoạt động: 300KHz
Hiệu suất chuyển đổi: lên tới 95%
Bảo vệ ngắn mạch: Có (dòng ngắn mạch tối đa 14A)
Bảo vệ quá nhiệt: Có (khi nhiệt độ tăng quá cao sẽ tự động ngắt dòng đầu ra) Bảo vệ ngƣợc dòng: Không
Lắp đặt: Sử dụng 4 vít 3mm Kích thƣớc module: 60x52x20mm
Lƣu ý: trên module Buck DC-DC 12A có một biến trở, trƣớc khi tiến hành lắp đặt cần hiệu chỉnh biến trở để với nguồn đầu vào là 12VDC thì điện áp đầu ra đạt 5VDC.
3.2.3. Bài toán sạc a.Yêu cầu a.Yêu cầu
Sử dụng nguồn xoay chiều 220V từ máy phát điện để sạc cho ắc quy 12VDC.
Bộ sạc đáp ứng đƣợc dung lƣợng ắc quy (25Ah).
Khi sạc đầy, cần xuất ra đƣợc tín hiệu điện để có thể xử lý.
b. Giải pháp
Sử dụng bộ sạc Hitech Power 12V 100Ah - một bộ sạc tự ngắt thông minh với 3 chế độ sạc.
Hình vẽ 3. 6: Sơ đồ 3 chế độ sạc của bộ sạc Hitech Power 12V 100Ah
Sạc đẳng dòng ( sạc dòng cố định ) đến khi ắc quy đầy tới 90% dung lƣợng của bình.
Sạc đẳng áp 14,8 VDC cho đến khi bình đầy 100%.
Chế độ ngắt và sạc bảo dƣỡng để chống tiêu hao điện áp và bảo vệ ắc quy ngƣỡng duy trì an toàn 13.4 VDC.
Nhƣ vậy bằng việc theo dõi hai mốc điện áp 14,8V và 13,4 V ta có thể xác định đƣợc thời điểm sạc đầy.
c. Kết luận
Sử dụng bộ sạc Hitech Power 12V 100Ah
Hình vẽ 3.7: Bộ sạc ắc quy tự ngắt Hitech Power 12V 100Ah 3.3. Các bài toán về máy phát điện
3.3.1. Chọn máy phát điện a. Yêu cầu a. Yêu cầu
Máy phát điện có khả năng đề nổ (phục vụ cho nhiệm vụ điều khiển máy phát điện).
Máy phát điện chạy bằng nguyên/nhiên liệu dễ tìm, giá thành rẻ (giúp giảm chi phí vận hành).
Đáp ứng đủ các tiêu chuẩn về an toàn, chất lƣợng.
3.1.2. Giải pháp
Chọn máy phát điện IG3000 vì những đặc điểm nổi trội: Chế độ thông minh tiết kiệm nhiên liệu: 395 g (0,28 lít)/ kWh Hệ thống khởi động: Giật khởi động và khởi động điện
Thời gian liên tục chạy: 6 giờ Tần số (Hz): 50 60
Điện áp định mức (V) : 230 120/240 Công suất ( kVA) : 2.8
DC đầu ra : 12V- 5.0A Loại nhiên liệu: Xăng Dung tích bình xăng: 13 lít
Mức độ tiếng ồn (không tải - đầy tải) dB (A) / 7m: 63-67
Kích thƣớc tổng (mm): Chiều dài 684; Chiều rộng 440; Chiều cao 505. Trọng lƣợng tịnh: 57 kg
Công suất định mức [ kW ( Hp) / ( r / min) : 4.0/3600 Hệ thống đánh lửa: T.C.I
Bugi WR7DC
3.3.2. Thiết kế cung cấp điện a. Nhiệm vụ a. Nhiệm vụ
Cung cấp tín hiệu báo khởi động xong.
Cung cấp điện cho hệ thống biển báo LED đồng thời sạc cho ắc quy. Cung cấp điện cho mạch điều khiển khởi động.
b. Giải pháp
Đầu ra 12VDC cung cấp tín hiệu báo khởi động xong.
Đầu ra 220VDC cấp điện cho bảng LED (5V-12W), hệ thống điều khiển hiện thị (5V), sạc cho ắc quy (12V).
Nhƣ vậy cần sử dụng thêm bộ chuyển đổi 220VAC-5VDC và bộ sạc ắc quy.
Hình vẽ 3. 8: Thiết kế cung cấp điện của máy phát điện
IbảngLED=P/U=12/5=2,4 A. Tuy nhiên để hệ thống có thể làm việc đƣợc với
các thiết bị có công suất lớn hơn trong thời gian dài liên tục, lựa chọn bộ chuyển đổi 220VAC-5VDC Mean well SE-100-5 100W.
3.2.3 Kết luận
- Sử dụng bộ sạc ắc quy Hitech Power 12V 100Ah
Hình vẽ 3. 10: Bộ chuyển đổi nguồn Mean well SE-100-5
Lƣu ý: Bộ chuyển đổi nguồn Mean well SE-100-5 có một biến trở để điều chỉnh điện áp đầu ra. Trƣớc khi lắp đặt, vận hành cần hiệu chỉnh biến trở để điện áp đầu ra đạt giá trị 5V.
3. 3.3. Bài toán điều khiển máy phát điện a. Phân tích a. Phân tích
Điều khiển hoạt động máy phát điện bao gồm điều khiển khởi động, điều khiển tắt khởi động và điều khiển tắt máy. Bằng việc nghiên cứu về mạch khởi động của máy phát điện IG 3000, ta thấy công việc điều khiển hoạt động của máy phát điện sẽ dựa trên việc đóng cắt các cặp tiếp điểm của khóa điện.
Hình vẽ 3. 51 Sơ đồ mạch điện máy phát điện IG 3000
Có thể thấy chỉ cần can thiệp (đóng cắt) tƣơng ứng từng cặp tiếp điểm 1-3, 2- 5, 5- 4 của khóa điện ta có thể điều khiển hoạt động của máy phát. “OFF” - tƣơng ứng với nối tiếp điểm 1 và 3. “ON” - nối tiếp điểm 2 và 5. START - nối tiếp điểm 2, 5, 4 với nhau.
b. Giải pháp
i. Sử dụng các module relay để điều khiển đóng cắt các tiếp điểm. Nhƣ vậy cần dủng 3 relay để đóng cắt các cặp tiếp điểm 1-3, 2-5, 5-4 tƣơng ứng sẽ tạo ra ba chế độ OFF, ON, START của máy phát điện.
Hình 3.12 Mô tả khóa điện
ii. Ta có thể ngắt liên kết giữa các tiếp điểm trong máy phát điện với khóa điện để điều khiển đóng cắt các tiếp điểm, tuy nhiên để vẫn có thể sử dụng khóa điện để khởi động, tồn tại một vấn đề là khóa điện luôn ở một trong 3 vị trí OFF, ON, START, do đó sẽ luôn có 1 cặp tiếp điểm đƣợc nối cứng với nhau. Giả sử khóa điện đang ở OFF (1’ nối với 3’) ta có bảng mô tả nhƣ trên.
iii. Giải pháp để có thể sử dụng khóa điện và điều khiển tự động hoạt động của máy phát đó là sử dụng module 4 relay để đóng cắt 4 cặp tiếp điểm 1-3, 2-5, 5-4, 1-1’. Khi đóng relay nối cặp tiếp điểm 1- 1’ có thể sử dụng khóa điện để khởi động, tắt khởi động máy phát điện. Khi relay ngắt cặp tiếp điểm 1-1’ có thể điều khiển hoạt động của máy phát điện bằng vi xử lý đã lập trình.
iv. Vi xử lý đƣợc lựa chọn là ATmega 8
Hình vẽ 3. 63: Chip ATmega 8
Lựa chọn ATmega8 vì những ƣu điểm:
- Có 23 cổng vào ra khả trình, mức logic thấp (0V), cao (5V). - Có 6 kênh chuyển đổi ADC (tƣơng tự -số) với sai số 10 bit. - Điện áp 4.5 V – 5.5 V.
- Nhận thạch anh ngoài 0-16 MHz, có thể sử dụng thạch anh nội lên tới 8MHz.
- Có các chế độ tiết kiệm năng lƣợng
- Đáp ứng đƣợc yêu cầu của bài toán điều khiển
c. Kết luận
Sử dụng module relay 5V 4 kênh
Hình vẽ 3. 74: Module relay 5V 4 kênh
Sở dĩ dùng module relay 5V bởi vì nhiều vi xử lý có thể xuất điện áp 5V ở cổng ra dùng cho việc điều khiển đóng cắt relay đồng thời đáp ứng đƣợc các yêu cầu về điều khiển của bài toán.
Hình vẽ 3. 15: Sơ đồ nguyên lý module relay 5V 1 kênh
Có thể thấy nếu chân điều khiển của module relay ở mức thấp (=GND=0V) thì relay đóng, khi chân điều khiển ở mức cao (=VCC=5V) thì relay ngắt.
Hình vẽ 3. 86: Kit phát triển Atmega 8 Socket
Ƣu điểm:
- Dễ kiểm tra, thử nghiệm thuật toán; kiểm soát lỗi. - Thuận tiện cho việc nạp code thay đổi chƣơng trình,
3.4. Xử lý tín hiệu
BÀI TOÁN
Bài toán đặt ra: Khi ắc quy đầy, máy phát điện ở trạng thái tắt (OFF), ắc quy cung cấp nguồn cho hệ thống biển báo LED. Khi ắc quy hết, tự động khởi động máy phát điện để cấp nguồn cho hệ thống đồng thời sạc cho ắc quy, tới khi ắc quy đầy thì tắt máy.
Trọng tâm của bài toán là điều khiển hoạt động của máy phát điện: điều khiển khởi động, điều khiển tắt khởi động, điều khiển tắt khởi động. Do đó vấn đề xử lý tín hiệu, dấu hiệu báo các quá trình khởi động, tắt khởi động, tắt máy phát điện là vấn đề quan trọng cần đƣợc làm rõ.
3.4.1. Tín hiệu khởi động a. Phân tích a. Phân tích
Khởi động máy phát khi ắc quy hết, do đó, dấu hiệu báo cần khởi động máy phát cũng là dấu hiệu ắc quy hết.
Để xác định ắc quy đầy hay cạn có thể dựa vào điện áp giữa hai cực của ắc quy. Nhiệm vụ của ắc quy là cung cấp nguồn cho hệ thống biển báo LED (bao gồm hệ thống bảng LED hiển thị, hệ thống điều khiển hiển thị và hệ thống điều khiển khởi động). Do đó, điện áp của ắc quy không yêu cầu
quá cao về độ chính xác, từ đó có thể chọn ngƣỡng 10,8V làm điện áp báo ắc quy cạn.
Ngƣỡng điện áp 10,8V của ắc quy cần đƣợc vi xử lý đọc để đƣa ra tín hiệu điều khiển khởi động. Vi xử lý ATmega 8 chỉ cho phép đọc các ngƣỡng điện áp không vƣợt quá VCC+0,5V (tức là 5+0.5=5.5V). Do đó cần phải thiết kế thêm mạch chiết áp để láy tỉ lệ điện áp, sau đó đƣa vào một trong 6 kênh ADC của Atmega 8 để xử lý.
b. Thiết kế mạch xử lý tín hiệu
Mạch cần thiết kế là mạch chiết áp.
Hình vẽ 3. 97: Sơ đồ nguyên lý chung mạch chiết áp
Để nâng cao khả năng chịu quá áp đồng thời giảm sai số, ta lấy ngƣỡng điện áp 15V tƣơng ứng với Vref=VrefMAX=VCC=5V. Nhƣ vậy ta có tỉ lệ k=15/5=3. Ngƣỡng điện áp 10,8V sẽ tƣơng ứng với 10,8/k=10,8/3=3,6V < Vref thỏa mãn điều kiện đầu vào của các kênh ADC của Atmega 8.
Với tỉ lệ k=3 có thể lựa chọn 3 điện trở 1/4W có giá trị bằng nhau và bằng 1kΩ (R2=1kΩ, R1=2kΩ). Imax=Umax/R=15/(3.103)=5.10-3A=5mA. Công suất tiêu thụ tối đa trên một điện trở P1MAX=I2max.R=(5.10- 3
)2.1.103=1/40W <1/4 W (thỏa mãn).
Lƣu ý: có thể thay giá trị 1kΩ bằng một trị số khác, tuy nhiên cần phải đảm bảo điện trở đã chọn không bị quá tải. Chọn giá trị điện trở nhỏ dễ gây ra quá tải đồng thời tổn hao công suất lớn do dòng lớn. Nếu