Hệ thống nhận biết phân loại người ngồi

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.2. Cấu tạo các bộ phận chính và nguyên lý hoạt động của ghế chỉnh điện

2.2.7. Hệ thống nhận biết phân loại người ngồi

2.2.7.1. Sơ lược về hệ thống

Khi túi khí trở thành thiết bị bắt buộc trên tất cả ô tô của Hoa Kỳ vào những năm 1990, chúng thể hiện một bước tiến lớn về an tồn cho xe. Nhưng bên cạnh đó, dữ liệu từ Cơ quan quản lý an tồn giao thơng đường cao tốc Hoa Kỳ cho biết gần 300 người đã chết do tác động của túi khí kể từ năm 1990. Phần lớn trong số đó là những chiếc xe được trang bị hệ thống túi khí quá nhạy cảm, và hầu hết những trường hợp tử vong là trẻ em và trẻ sơ sinh.

Đối với trẻ em và những người có tầm vóc nhỏ, tác động của túi khí bung ra với vận tốc hơn 200 dặm/giờ có thể gây ra chấn thương đầu và cột sống vĩnh viễn hoặc tử vong. Đây là lý do mà các tài xế được cho là để đưa những hành khách nhỏ hơn vào ghế sau. Đó là

24 luật ở một số tiểu bang. Nhưng nếu chúng ta đang chở một số hành khách ở hàng ghế sau và phải đưa đứa trẻ lên phía trước? Nếu chúng ta lái một chiếc ơ tơ hai chỗ ngồi thì sao?

Vì lý do đó, hệ thống phân loại hành khách (OCS) - một hệ thống cảm biến phát hiện ai đang ngồi trên ghế hành khách đã ra đời. Thay vì dùng cơng tắc bật/tắt túi khí như trước thì OCS sử dụng cơng nghệ máy tính để xác định xem người lớn hay trẻ em đang ngồi trên ghế.

2.2.7.2. Hệ thống hoạt động như thế nào?

Chúng ta hãy xem OCS do Nissan sản xuất. OCS hoạt động kết hợp với các cảm biến ở ghế hành khách phía trước. Các cảm biến nhằm mục đích phát hiện sự hiện diện và phân loại của người ngồi trên xe một cách chính xác và xác định xem túi khí của hành khách phía trước nên được kích hoạt (bung túi khí) hay khơng.

Hình 2.28. Sơ đồ khối hoạt động của bộ OCS

Hệ thống phân loại hành khách (OCS) xác định những người ngồi có kích thước khác nhau, những người ngồi lệch vị trí và phát hiện xem có ghế trẻ em ở ghế hành khách phía trước hay khơng. Bộ điều khiển OCS (hình 2.25) nhận đầu vào từ các cảm biến trọng lượng phân loại hành khách (hình 2.25). Tùy thuộc vào phân loại hành khách, OCS sẽ gửi tín hiệu đến bộ cảm biến chẩn đốn túi khí. Bộ cảm biến chẩn đốn túi khí sử dụng tín hiệu này và tín hiệu cơng tắc khóa dây an toàn (ghế hành khách) để xác định việc triển khai hoặc khơng triển khai túi khí phía trước của hành khách trong trường hợp va chạm. Tùy thuộc vào các tín hiệu nhận được, bộ phận cảm biến chẩn đốn túi khí có thể vơ hiệu hóa hồn tồn túi khí phía trước của hành khách.

25

Hình 2.29. Vị trí Bộ OCS và cảm biến trên ghế

2.2.8. Hệ thống dây đai an toàn. 2.2.8.1. Sơ lược về dây đai an toàn

Ngày nay, dây đai an tồn là trang bị khơng thể thiếu trên những chiếc ơ tơ, nó trở thành một điều bắt buộc từ các tổ chức an tồn giao thơng trên thế giới với các nhà sản xuất ô tô. Thắt dây an toàn và đeo đúng cách là điều cơ bản cho sự an toàn của chúng ta và hành khách. Trong khi va chạm hoặc dừng khẩn cấp, dây an tồn có thể giúp chúng ta khơng bị bay về phía trước và đập vào kính chắn gió của xe, vào những người ngồi khác hoặc ra khỏi xe. Tất nhiên, dây an tồn khơng thể bảo vệ chúng ta hồn toàn trong mọi va chạm. Tuy nhiên, trong hầu hết các trường hợp, thắt dây an toàn làm giảm nguy cơ chấn thương nghiêm trọng và thậm chí có thể cứu sống chúng ta.

2.2.8.2. Dây đai an toàn hoạt động như thế nào?

Công việc của dây an tồn là phân phối lực qn tính của cơ thể khi chuyển động ở vận tốc cao và dừng đột ngột vào phần chắc chắn của cơ thể đó là xương lồng ngực và phần hông để giảm tối thiểu nguy hiểm.

26 Kiểu dây an toàn truyền thống là lapbelt (thường kéo qua hông của bạn) hoặc shoulder belt (kéo qua vai). Hai loại dây an toàn này được buộc chặt với thân xe để giữ thân người cột chặt vào ghế của họ.

Hình 2.30. Kiểu đai an tồn Lap belt/Shoulder belt

Khi dây an tồn được thắt chính xác, chúng sẽ cung cấp tồn bộ lực dừng vào lồng ngực hoặc vùng xương chậu, là những vùng chịu lực khoẻ nhất của cơ thể. Bởi vì dây an toàn tác dụng lên một dải rộng ngang theo cơ thể người nên lực dừng không tập trung vào một vùng nhỏ mà được phân tán, vì vậy khơng gây nguy hiểm lớn. Hơn nữa, dây an toàn được chế tạo bằng vật liệu mềm dẻo nên chúng có thể kéo căng được một một chút, nghĩa là sự dừng sẽ khơng q đột ngột. Vì vậy nếu xảy ra va chạm bạn chỉ có thể dịch chuyển được một chút, và đương nhiên là vẫn không rời chiếc ghế của chúng ta. Các dây an tồn của xe có khả năng co giãn rất tốt. Bạn có thể ngả người về trước trong khi sợi dây vẫn đang ở trạng thái căng. Nhưng nếu có va chạm, dây an tồn sẽ đột ngột giữ bạn chặt hơn vào ghế. Giãn và co: hai yếu tố tiên quyết trong hệ thống dây an tồn bình thường, một dải vải được nối với một cơ cấu căng dây. Yếu tố trung tâm của cơ cấu căng dây là một ống xoay gắn với đầu cuối của sợi dây. Bên trong của bộ căng dây là một lò xo cung cấp một lực để xoay ống xoay. Nhờ vậy, ống xoay lập tức cuộn cho sợi dây căng lại bất cứ khi nào dây trùng đi.

27

Hình 2.31. Ống xoay kèm lò xo

Khi chúng ta kéo dây ra để thắt vào người, ống xoay sẽ quay ngược chiều kim đồng hồ và nó sẽ làm quay lò xo hồi vị xoay đi cùng chiều. Thực tế, ống xoay làm việc để giải phóng sức căng của lò xo. Lò xo thì ln muốn giữ lại hình dạng lúc đầu của nó, vì vậy nó chống lại chuyển động xoắn vào. Nếu chúng ta giải phóng sợi dây vải, lò xo sẽ kéo chặt lại, xoay ống xoay cùng chiều kim đồng hồ đến khi dây an toàn đạt đến một độ căng nào đó. Bộ căng dây có một cơ cấu khố để khơng cho ống xoay bị xoay đi khi chiếc xe va chạm. Hiện nay, có hai hệ thống khố thơng thường:

• Hệ thống được kích hoạt bằng chuyển động của chiếc xe. • Hệ thống được kích hoạt bằng chuyển động của dây an toàn.

28 Hệ thống thứ nhất sẽ khoá ống xoay khi chiếc xe giảm tốc đột ngột (khi đâm phải chướng ngại vật chẳng hạn). Sơ đồ trên (hình 2.32) cho biết kiểu đơn giản nhất của thiết kế này. Nhân tố làm việc trung tâm của cơ cấu này là một quả nặng. Khi chiếc xe dừng lại đột ngột, quán tính của vật nặng làm nó lắc về trước. Một vấu nằm ở đầu kia của vật nặng lập tức chèn vào các răng của bánh răng kết nối với ống xoay. Vì bị vấu cam giữ lại nên bánh răng không thể xoay theo ngược chiều kim đồng hồ nên không thể làm cho ống xoay xoay theo được. Khi dây an toàn bị lỏng ra sau va chạm, bánh răng lại xoay cùng chiều kim đồng hồ và vấu cam được giải phóng ra khỏi bánh răng.

Hình 2.33. Cơ cấu khoá ống xoay khi giật mạnh dây đai

Hệ thống thứ hai khố ống xoay khi có vật gì đó giật mạnh sợi dây. Yếu tố làm việc chính của thiết kế này là một ly hợp ly tâm – đòn bẩy (1) có chốt xoay được lắp đặt với ống xoay. Khi ống xoay quay chậm, đòn bẩy khơng quay quanh trục của nó. Một lò xo giữ nó ở ngun vị trí. Thế nhưng, nếu dây an tồn bị giật đột ngột, làm xoay mạnh ống xoay, lực ly tâm làm cho vật nặng cuối đòn bẩy bắn ra ngoài. Đòn bẩy văng ra đẩy một vấu cam (5) vào một không gian của cơ cấu căng. Cam này được nối với một chốt hãm bởi một chốt trượt trong rãnh nhỏ (4). Khi cam di chuyển sang trái, chiếc chốt di chuyển dọc theo đường rãnh của chốt hãm. Điều này đã kéo chốt hãm vào một bánh răng cóc (2) ăn khớp với ống

29 xoay. Chốt hãm lập tức khố các răng của bánh cóc khơng cho nó quay ngược chiều kim đồng hồ, giữ ống xoay không cho dây trùng đi.

Nhiều năm nay, dây an toàn đã chứng tỏ chắc chắn là một thiết bị an toàn quan trọng nhất trên các xe ô tơ. Tuy vậy cũng khơng có nghĩa là chúng bảo đảm được an toàn 100% cho chúng ta. Trong tương lai, những chiếc xe sẽ được cung cấp những dây an tồn, túi khí tốt hơn với những cơng nghệ an tồn hồn tồn mới. Tuy nhiên, chính phủ sẽ phải chú tâm tới vấn đề lớn hơn, đó là việc buộc mọi người phải sử dụng các thiết bị an toànkhi sử dụng.

2.2.9. Sơ đồ mạch điện ghế chỉnh điện

30

2.3. Arduino Mega 2560 và các linh kiện điện tử liên quan. 2.3.1. Arduino Mega 2560 2.3.1. Arduino Mega 2560

Hiện nay để lập trình một thuật tốn điều khiển tùy theo nhu cầu làm việc của mỗi người chúng ta có thể lựa chọn rất nhiều board Arduino trên thị trường như Arduino UNO, Arduino Nano, Arduino Due, Arduino Mega,… Với khối lượng công việc đòi hỏi rất nhiều chân tín hiệu được cung cấp từ Arduino, nhóm chúng em đã quyết định chọn board Arduino Mega 2560 với số lượng chân tín hiệu vơ cùng lớn (54 chân digital và16 chân analog).

2.3.1.1. Giới thiệu Arduino

Hình 2.35. Board Arduino Mega 2560

Arduino là một nền tảng mã nguồn mở được sử dụng để xây dựng các ứng dụng điện tử tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn.

Arduino giống như một máy tính nhỏ để người dùng có thể lập trình và thực hiện các dự án điện tử mà khơng cần phải có các cơng cụ chun biệt để phục vụ việc nạp code. Arduino Mega2560 là một vi điều khiển bằng cách sử dụng ATmega2560.

2.3.1.2. Một vài thông số của Arduino Mega 2560

Bảng 2.1. Thông số kĩ thuật Arduino Mega 2560

Vi điều khiển ATmega2560

Điện áp hoạt động 5V

31 Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC

Điện áp giới hạn 6-20V DC

Số chân Digital I/O 54 (15 chân hardware PWM) Số chân Analog 16 (độ phân giải 10bit) Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 20mA

Dòng tối đa (3.3V) 50mA

Bộ nhớ flash 256 KB với 8 KB dùng bởi bootloader

SRAM 8 KB (ATmega328) EEPROM 4 KB (ATmega328) LED_BUILTIN 13 Chiều dài 101.52 mm Chiều rộng 53.3 mm Trọng lượng 37 g 2.3.1.3. Năng lượng

Arduino Mega 2560 có thể được cấp nguồn 5V thơng qua cổng USB hoặc cấp nguồn ngồi với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V. Thường thì cấp nguồn bằng pin vng 9V là hợp lí nhất nếu chúng ta khơng có sẵn nguồn từ cổng USB. Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, Arduino Mega 2560 sẽ bị hỏng.

2.3.1.4. Các chân năng lượng

Các chân cấp nguồn và đo kiểm:

• GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino Mega 2560. • 5V: cấp điện áp 5V đầu ra.

• 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra.

• Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino Mega 2560, chúng ta sẽ nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND.

• IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino Mega 2560 có thể được đo ở chân này. Và dĩ nhiên nó ln là 5V. Mặc dù vậy chúng ta không được lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó khơng phải là cấp nguồn.

• RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.

32

2.3.1.5. Bộ nhớ

Vi điều khiển Atmega2560 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng:

• 256KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh khi lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ Flash của vi điều khiển. Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ được dùng cho bootloader nhưng hiếm khi nào cần quá 20KB bộ nhớ này.

• 8KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến khai báo khi lập trình sẽ lưu ở đây. Khi chúng ta khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều bộ nhớ RAM. Khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất.

• 4KB cho EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory): đây giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi chúng ta có thể đọc và ghi dữ liệu của mình vào đây mà khơng phải lo bị mất khi cúp điện giống như dữ liệu trên SRAM.

2.3.1.6. Các cổng vào/ra

Hình 2.36. Các cổng vào/ra (in/out).

Arduino Mega 2560 có 54 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu. Chúng chỉ có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA. Ở mỗi chân đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển ATmega2560 (mặc định thì các điện trở này khơng được kết nối).

33 • Serial: 0 (RX) and 1 (TX); Serial 1: 19 (RX) and 18 (TX); Serial 2: 17 (RX) and 16 (TX); Serial 3: 15 (RX) and 14 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive – RX) dữ liệu TTL Serial. Arduino Mega 2560 có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua 2 chân này. Kết nối bluetooth thường thấy nói nơm na chính là kết nối Serial không dây. Nếu không cần giao tiếp Serial, không nên sử dụng 2 chân này nếu khơng cần thiết.

• Chân PWM (~): 2 đến 13 và 44 đến 46: cho phép xuất ra xung PWM với độ phân giải 8bit bằng hàm analogWrite(). Nói một cách đơn giản, chúng tacó thể điều chỉnh được điện áp ra ở chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chân khác.

• Chân giao tiếp SPI: 50 (MISO), 51 (MOSI), 52 (SCK), 53 (SS). Ngồi các chức năng thơng thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác.

• LED 13: trên Arduino MEGA 2560 có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L). Khi bấm nút Reset, sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu. Nó được nối với chân số 13. Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng.

2.3.2. LCD 20x4 sử dụng giao tiếp I2C

Để hiển thị thông tin lên LCD tùy nhu cầu làm việc chúng ta có thể dùng một trong hai loại LCD phổ biến là LCD 16x2 và LCD 20x4. Với nhu cầu cần hiển thị nhiều thơng tin cùng một lúc, nhóm chúng em chọn LCD 20x4.

2.3.2.1. LCD2004 – LCD 20x4

34 LCD 20x4 được sử dụng để hiển thị trạng thái hoặc các thông số.

Thông số kỹ thuật LCD2004 - LCD 20x4: • Điện áp 5V

• LCD 20x4 có 16 chân trong đó 8 chân dữ liệu (D0 – D7) và 3 chân điều khiển (RS, RW, EN).

• 5 chân còn lại dùng để cấp nguồn và đèn nền cho LCD 20x4.

• Các chân điều khiển giúp ta dễ dàng cấu hình LCD ở chế độ lệnh hoặc chế độ dữ liệu. • Chúng còn giúp ta cấu hình ở chế độ đọc hoặc ghi.

• LCD 20x4 có thể sử dụng ở chế độ 4 bit hoặc 8 bit tùy theo ứng dụng ta đang làm.

2.3.2.2. Module giao tiếp I2C

Hình 2.38. Module I2C gắn vào LCD

Thay vì phải sử dụng 6 chân Arduino để kết nối với LCD 20x4 (RS, EN, D7, D6, D5, D4) thì I2C giải quyết được vấn đề gọn nhẹ và tiết kiệm chân cho Arduino đó là chỉ sử dụng 2 chân SCL và SDA để kết nối với Aruidno.

Thông số kỹ thuật:

• Điện áp hoạt động: 2.5-6V DC.

• Hỗ trợ màn hình: LCD1602, 1604, 2004 (driver HD44780). • Giao tiếp: I2C.

• Địa chỉ mặc định: 0X27 (có thể điều chỉnh bằng ngắn mạch chân A0/A1/A2). • Tích hợp Jump chốt để cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt.

• Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD. • Giao tiếp I2C LCD Arduino.

35

2.3.3. Module relay 5V

Module relay 5V là module kích hoạt relay gồm một relay hoạt động tại điện áp 5V DC, kích trạng thái đóng mở ở mức cao. Được sử dụng để đóng ngắt tải với cơng suất phù hợp, đầu ra có thường đóng, thường mở dễ sử dụng và tiết kiệm chi phí.

Module đảm bảo hoạt động ổn định, lâu dài. Trên module có opto để cách ly dòng ngược