Bình chứa khí nén có công dụng để chứa khí nén phục vụ cho việc bung túi khí trên mô hình. Yêu cầu bình khí phải kín và có sức chịu đựng càng lớn càng tốt nên nhóm chúng em quyết định sử dụng ống nhựa PVC của nhà sản xuất Bình Minh để đảm bảo chất lượng cũng như độ bền của bình khí.
Hình 3.8 Các chi tiết của bình nén khí
Thông số bình chứa khí nén
Bảng 3.1 Thông số chi tiết bình chứa khí nén
Kích thước (Đường kính x Chiều dài) (mm) 114 x 650
Thể tích (lít) 6,631
Áp suất tối đa (kg/cm2) 8
Áp suất khuyên dùng (kg/cm2) 7
Số bình 3
48
Hình 3.9 Bình nén khí hoàn chỉnh
Bình khí nén bao gồm các chi tiết Đồng hồ đo áp suất (Kpa hoặc PSI)
Van một chiều
Van đóng ngắt dòng khí tới van khí
Đầu nối khí giữa các bình khí nén (có 2 cặp) Vị trí bình chứa khí nén trên mô hình
Bình chứa khí nén được bố trí ở dưới chân ghế ngồi để thuận tiện cho việc bơm khí nén và quan sát đồng hồ áp suất.
49 3.1.5. Van điện từ khí nén
Van điện từ khí nén (Van Selenoid khí nén) là van vận hành bằng điện, van được điều khiển bằng dòng điện qua selenoid để đóng hoặc mở cho dòng khí lưu thông trong đường ống một cách tự động.
Hình 3.11Van Solenoid AIRTAC 4V220-08
Van điện từ khí nén AIRTAC 4V220-08 là loại van khí nén 5/2 có 5 cổng 2 vị trí và 2 đầu coil điện, thường được dùng để điều khiển xi lanh khí nén. Van Selenoid AIRTAC 4V220-08 được sử dụng trên mô hình, có nhiệm vụ như một cánh cửa để ngăn không cho dòng khí nén từ bình đi đến túi khí khi chưa được kích hoạt bởi ACU, khi có tín hiệu kích hoạt từ ACU solenoid trong van sẽ hút piston khí nén bên trong để mở cho dòng khí được lưu thông từ bình đến túi khí.
50 Cấu tạo phía dưới của van điện từ 5/2 AIRTAC 4V220-08 gồm 3 cổng, cổng giữa (P) là cổng để đưa áp suất vào, 2 cổng hai bên (R) (S) là cổng xả nên lắp giảm thanh để ngăn không cho bụi bên ngoài vào làm hư hỏng chiếc van.
Cấu tạo
Loại van 5 cửa 2 vị trí. (2 Đầu Coil Điện) Kích thước cổng A, P, B: 1/4''(ren 13mm). Kích thước cổng xả R và S: 1/8" (ren 9.6mm). Áp suất hoạt động: 0.15 - 0.8 Mpa
Nhiệt độ hoạt động: -20~70 C.
Hình 3.13Cấu tạo bên trên của Van Selenoid AIRTAC 4V220-08
Cấu tạo mặt trên của van điện từ khí nén AIRTAC 4V220-08 gồm 2 cổng (A) (B), 2 cổng này kết nối và đưa áp suất trực tiếp đến xi lanh khí nén, nút nhấn màu đỏ ở 2 bên là nút kích hoạt chiếc van hoạt động (hay gọi là nút thử tay), nút này dùng để kiểm tra tình trạng chiếc van có bị hư hay không.
3.1.6. Gia cố lại túi khí
Túi khí khi được kích hoạt trên ô tô sẽ được bơm căng bởi bộ thổi chứa các hạt tạo khí và chỉ được sử dụng một lần, vì là mô hình học tập sẽ được sử dụng nhiều lần nên bắt buộc phải loại bỏ bộ phận tạo khí bằng các hạt dễ cháy và thay thế bằng khí nén. Với việc bơm khí nén để bung túi khí cần phải có áp lực khí nén cao và túi khí phải kín.
51
Hình 3.14Ảnh thực tế túi khí cho người lái
Sau khi thực hiện bơm túi khí với bình khí nén với áp suất 7 Kpa thì túi khí bung ra rất chậm, lý do là vì hầu hết hơi sẽ đi ra ngoài thông qua các lỗ thông khí. Để làm kín túi khí bắt buộc phải vá lại các lỗ thông khí, cắt bỏ bộ thổi khí, thay vào đó là van nối ống dẫn có ren trong với kích thước trong của đường ống là Φ8, kích thước của túi khí cũng được cắt bớt và may nhỏ lại với thể tích khoảng 11 lít khí để đảm bảo túi khí bung ra hoàn toàn trong khoảng thời gian ngắn nhất.
Hình 3.15Túi khí được làm kín và ống dẫn khí nén
Do ban đầu túi khí không được thiết kế để dùng khí nén và lỗ cũng không phải lỗ để bắt ren nên nhóm quyết định sử dụng mũi khoan để tạo lỗ trên bộ tạo khí, sau đó taro
52 ren vừa với đầu nối nhanh. Trong quá trình thử nghiệm nhận thấy khí bị lọt rất nhiều qua mối nối ren vặn giữa đầu nối nhanh và nắp bộ tạo khí. Do đó chúng em đã sử dụng keo tổng hợp 502 kết hợp với chất nền là tàn hương để gia cố.
Hình 3.16Túi khí được gá lên vô lăng
Do túi khí và vô lăng không đồng nhất về kích thước, nên việc gá túi khí lên vô lăng là điều khá khó khăn, vì vậy chúng em lựa chọn phương án đục lỗ phần nhựa của túi khí và bắt vít chịu lực để giữ cố định vị trí hai chi tiết trên.
53 3.1.7. Thi công – Lắp ráp
Thực tế quá trình chế tạo mô hình trải qua rất nhiều lần thử nhiệm và cải tiến. Ban đầu ý tưởng là làm mô hình chạy trên nền đất sử dụng tấm đệm để đâm vào tạo gia tốc, tuy nhiên qua nhiều lần thử nghiệm nhận thấy nhiều nhược điểm như khó triển khai, bị phụ thuộc quá nhiều vào điều kiện mặt đường. Sau khi thảo luận và tham khảo ý kiến của thầy hướng dẫn nhóm chúng em quyết định sử dụng ray trượt và cho đâm trực tiếp vào hộp sắt được hàn chặt vào thanh ray.
Hình 3.18 Mô hình được lắp đặt hoàn chỉnh
3.2. Thiết kế phần điện và điều khiển
Bên cạnh phần cơ khí thì phần điện và lập trình điều khiển đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc vận hành mô hình. Nó như bộ não và mạch máu trên cơ thể con người. Về tổng thể, mô hình túi khí chia làm ba phần cơ bản bao gồm: hộp điều khiển trung tâm (ACU), hộp thông tin và hộp cơ cấu chấp hành. Từ sơ đồ bên dưới ta thấy rằng việc giao tiếp giữa các hộp thông qua giao tiếp I2C (Inter-Integrated Circuit).
Tín hiệu từ núm xoay Rotary Encoder gửi về hộp thông tin thông qua hai chân INPUT trên arduino, hộp thông tin nhận tín hiệu từ Rotary Encoder xử lý tín hiệu sau đó tín hiệu sẽ được chuyển đến hộp điều khiển trung tâm. Tại đây hộp điều khiển trung tâm tiếp nhận và xử lý tín hiệu của hộp thông tin gửi đến đồng thời tiếp nhận tín hiệu gia tốc của cảm biến gia tốc được đặt bên trong hộp điều khiển trung tâm. Việc luân chuyển dữ liệu giữa các hộp và từ cảm biến đều thông qua giao tiếp I2C. Mỗi hộp hoặc cảm biến đều
54 được gán một địa chỉ riêng biệt nên khi hộp điều khiển trung tâm muốn gửi tín hiệu đến hộp nào thì chắc chắn hộp hoặc cảm biến sẽ nhận được không sợ có sự nhầm lẫn giữa các hộp.
LCD được dùng để thể hiện các thông số về vận tốc, tần số xung xuất ra của hộp thông tin để người sử dụng có thể dễ dàng tinh chỉnh cũng như thuận lợi trong việc hiệu chỉnh đồng hồ.
Hình 3.19 Sơ đồ khối mạch điều khiển tổng quát
Hộp điều khiển trung tâm sau khi nhận được tín hiệu gia tốc từ cảm biến gia tốc và tốc độ thiết đặt từ hộp điều khiển thông tin sẽ tính toán và đưa ra quyết định có gửi tín hiệu bung túi khí đến hộp chấp hành hay không.
3.2.1. Thiết kế hộp điều khiển trung tâm (ACU)
Phần board mạch hộp điều khiển trung tâm được thiết kế dựa trên nguyên lý hoạt động của một hộp ACU thực tế được trang bị trên xe ô tô. Do đó nó bao gồm thành phần chính là một bộ chuyển đổi DC – DC, một vi xử lý và một cảm biến gia tốc.
3.2.1.1. Các linh kiện điện tử được sử dụng trong hộp điều khiển trung tâm (ACU) a. Arduino Nano a. Arduino Nano
Để đảm bảo kích thước phù hợp cũng như có không gian cho các linh kiện khác nên nhóm quyết định chọn board mạch Arduino Nano là vi xử lý chính cho hộp điều khiển
55 trung tâm. Board Arduino Nano R3 dựa trên vi điều khiển AVR Atmega328P. Do sử dụng chip dán SMD nên có kích thước rất nhỏ gọn. Tuy cấu hình không quá mạnh nhưng với mô hình túi khí đơn giản không có quá nhiều cảm biến thì tốc độ của Arduino Nano là đủ để đáp ứng. Bên cạnh đó phần mềm hỗ trợ lập trình cho bộ kit này là một nền tảng mở nên tài liệu rất phong phú và đa dạng. Code lập trình mẫu cũng được cộng đồng chia sẻ và phát triển mạnh nên việc lập trình cho nó cũng sẽ nhẹ nàng hơn. Arduino Nano R3 sử dụng cáp Mini-B USB và không có giắc nguồn nên nguồn cấp cho board hoạt động thông qua chân Vin của Arduino Nano với điện áp ngoài từ 7-15V hoặc cấp vào chân 5V một điện áp 5V Cấu tạo chính của Arduino Nano
Cổng Mini-B USB: Đây là loại cổng giao tiếp để nạp chương trình từ máy tính lên tivi điều khiển. Đồng thời nó cũng là cổng giao tiếp serial để truyền dữ liệu giữa vi điều khiển và máy tính.
Có 14 chân tín hiệu vào, ra số (Digital) đánh thứ tự từ 0 đến 113, ngoài ra còn có 1 chân GND, và 1 chân điện áp chiếu AREF.
Vi điều khiển AVR: Đây là bộ xử lý trung tâm của toàn board mạch. Với mỗi mẫu Arduino khác nhau thì có chip khác nhau. Ở Arduino Nano R3 này sử dụng chip ATmega328P.
56 Thông số chi tiết
Bảng 3.2 Thông số Arduino Nano
Vi điều khiển ATmega328 (họ 8bit) Điện áp hoạt động 5V-DC
Tần số hoạt động 16MHz Dòng tiêu thụ 30mA Điện áp khuyên dùng 7~12V – DC Điện áp giới hạn 6~20V – DC Số chân Digital I/O 14 (6 chân PWM) Số chân Analog 8 (độ phân giải 10bit) Dòng tối đa trên mỗi
chân I/O 40mA
Dòng tối đa (5V) 500mA Dòng tối đa (3.3V) 50mA
Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 2 KB dùng bởi bootloader
SRAM 2 KB (ATmega328)
EEPROM 1 KB (ATmega328)
Kích thước 1.85cm x 4.3cm
b. Bộ chuyển đổi (DC – DC converter) 12V - 5V
Trên mô hình sử dụng nguồn điện chính lấy từ acquy 12V, nguồn điện này được cung cấp trực tiếp cho các board mạch Arduino và các module Relay 12V. Tuy nhiên, còn có các cảm biến, màn hình LCD, Núm xoay Rotary Encoder, các thành phần này đều sử dụng điện áp 5V. Mặc dù bản thân Arduino có bộ chuyển đổi điện áp từ chân Vin ra nguồn 5V ngay trên board mạch tuy nhiên công suất của bộ chuyển đổi này khá nhỏ không đủ cung cấp cho tất cả các thành phần trong hộp điều khiển trung tâm do đó trong trường hợp này ta cần sử dụng thêm một bộ chuyển đổi DC-DC nữa để đáp ứng cho tất cả các thành phần.
Ở đây ta sử dụng mạch giảm áp LM2596 3A, với ưu điểm nhỏ gọn có khả năng giảm áp từ 30V xuống 1.5V mà vẫn đạt hiệu suất cao.
57
Hình 3.21 Sơ đồ mạch điện mạch giảm áp LM2596
Các thông số của mạch Điện áp đầu vào: 4.5V~35V Điện áp đầu ra: 1.5V~30V Dòng điện đầu ra: 0.2A~3A Dải nhiệt độ: -45oC~60oC Công suất: 15W
Hình 3.22 Module LM2596
Với điện áp đầu vào trên mô hình là 12V, ta sẽ vặn điện trở tinh chỉnh trên mạch LM2596, dùng đồng hồ VOM đo điện áp đầu ra. Khi nào ta thấy điện áp đầu ra đúng 5V thì ngưng vặn biến trở.
c. Cảm biến gia tốc MPU6050 (GY-521)
MPU-6050 là cảm biến của hãng InvenSense. MPU-6050 là một trong những giải pháp cảm biến chuyển động đầu tiên trên thế giới có tới 6 (mở rộng tới 9) trục cảm biến tích hợp trong 1 chip duy nhất.
MPU-6050 sử dụng công nghệ độc quyền MotionFusion của InvenSense có thể chạy trên các thiết bị di động, tay điều khiển…
58
Hình 3.23 Cảm biến MPU-6050
MPU-6050 tích hợp 6 trục cảm biến bao gồm: + Con quay hồi chuyển 3 trục (3-axis MEMS gyroscope). + Cảm biến gia tốc 3 chiều (3-axis MEMS accelerometer).
Ngoài ra, MPU-6050 còn có 1 đơn vị tăng tốc phần cứng chuyên xử lý tín hiệu (Digital Motion Processor – DSP) do cảm biến thu thập và thực hiện các tính toán cần thiết. Điều này giúp giảm bớt đáng kể phần xử lý tính toán của vi điều khiển, cải thiện tốc độ xử lý và cho ra phản hồi nhanh hơn. Đây chính là 1 điểm khác biệt đáng kể của MPU-6050 so với các cảm biến gia tốc và gyro khác.
MPU-6050 có thể kết hợp với cảm biến từ trường (bên ngoài) để tạo thành bộ cảm biến 9 góc đầy đủ thông qua giao tiếp I2C.
Các cảm biến bên trong MPU-6050 sử dụng bộ chuyển đổi tương tự – số (Anolog to Digital Converter – ADC) 16-bit cho ra kết quả chi tiết về góc quay, tọa độ… Với 16- bit bạn sẽ có 2 = 65536 giá trị cho 1 cảm biến.
Tùy thuộc vào yêu cầu của bạn, cảm biến MPU-6050 có thể hoạt động ở chế độ tốc độ xử lý cao hoặc chế độ đo góc quay chính xác (chậm hơn). MPU-6050 có khả năng đo ở phạm vi:
59 + Gia tốc: ± 2 ± 4 ± 8 ± 16g
Hơn nữa, MPU-6050 có sẵn bộ đệm dữ liệu 1024 byte cho phép vi điều khiển phát lệnh cho cảm biến, và nhận về dữ liệu sau khi MPU-6050 tính toán xong. Ưu điểm lớn nhất của DMP là nó giúp loại bỏ sự cần thiết phải thực hiện phức tạp và tài nguyên tính toán chuyên sâu về phía Arduino. Nhước điểm lớn nhất của cảm biến này là dễ bị nhiễu.
Hình 3.24 Sơ đồ GY-521 chip MPU-6050
d. Relay 2 kênh 12V có cách ly
Module Relay 2-Channel 12V được dùng nhiều trong các ứng dụng đóng ngắt các thiết bị tiêu thụ dòng điện lớn (<10A). Module có thể đóng ngắt cùng lúc hai kênh bằng tín hiệu điều khiển (với mức điện áp 3V3 hoặc 5V) từ các vi điều khiển khác nhau như: Arduino, 8051, AVR, PIC, DSP, ARM, ARM, MSP430, logic TTL, đồng thời module được cách ly bằng optocoupler giúp bảo vệ tốt hơn cho các vi điều khiển.
60
Hình 3.25 Module Relay 2 kênh
Module được kết nối với các board điều khiển bằng 4 chân header như sau: VCC cung cấp nguồn cho các opto.
GND kết nối với GND của board điều khiển.
IN1 và IN2 dùng để điều khiển relay 1 và relay 2, tích cực mức thấp.
Ngoài ra còn một 3 chân header được dùng để cấp nguồn cho relay, header này sẽ có một jumper dùng để kết nối chân VCC với chân JD_VCC mục đích dùng chung nguồn VCC từ header 4 chân cho relay, thông thường jumper được nối lại với nhau. Nếu như muốn cách ly tín hiệu điều khiển với nguồn cấp cho relay thì có thể bỏ jumper này ra và cấp nguồn riêng cho chân JD_VCC.
Thông số kỹ thuật
Đóng ngắt được dòng điện cao AC250V 10A, DC30V 10A 2 led báo trạng thái relay
Điện áp điều khiển: tùy thuộc vào nguồn cấp VCC Mạch cách ly bằng opto
61 3.2.1.2. Board mạch in hộp điều khiển trung tâm
Hình 3.26 Mạch in board mạch điều khiển trung tâm
Mô tả board mạch
Một Arduino Nano được cấp nguồn 12V thông qua chân Vin.
Arduino Nano giao tiếp nhận tín hiệu từ các hộp khác qua giao tiếp I2C ở chân A4, A5.
Chân D3, D11 đưa đến các chân điều khiển IN1, IN2 của Relay.
Module chuyển đổi điện áp LM2596 được cấp nguồn 12V qua chân IN+ và IN- sau đó xuất ra 5V ở chân OUT+ và OUT-.
Relay được cấp nguồn 12V qua chân JD-VCC, chân VCC được cấp nguồn 5V lấy từ bộ chuyển đổi điện áp LM2596.
Module MPU-6050 giao tiếp với Arduino Nano thông qua chân SCL và SDA, nguồn cấp 5V lấy từ Arduino thông qua chân 5V.
62 Nguyên lý hoạt động của board mạch
Ban đầu Arduino Nano thực hiện quét các thiết bị giao tiếp I2C được kết nối vào mạng, sau đó Arduino phát tín hiệu kiểm tra các thành phần xem việc kết nối có thành công hay không. Tiếp đến, nó yêu cầu cảm biến MPU-6050 gửi tín hiệu về gia tốc và hộp thông tin gửi tín hiệu về tốc độ cài đặt cho nó thông qua giao tiếp I2C. Khi nhận được tín hiệu về