Cụm công tắc trên xe ZERO thuộc loại cần gạt với các chế độ: ON-OFF, RES/ACC(RESUME/ACCELERATION), SET/COAST và CANCEL.
- Chế độ ON/OFF: nút bấm ở đầu cần gạt, tiếp điểm khơng có giá trị điện trở. - Chế độ CANCEL: gạt lên hướng về phía vơ-lăng, giá trị điện trở là khoảng 418Ω. - Chế độ SET/COAST: gạt xuống, giá trị điện trở khoảng 198Ω.
- Chế độ RES/ACC: gạt lên về phía trước xe, giá trị điện trở khoảng 68Ω.
Sau khi đo các giá trị điện trở của các chế độ, tiến hành thu thập tín hiệu của cụm cơng tắc để cung cấp dữ liệu cho phần lập trình. Thiết kế sơ đồ mạch điện và vị trí lắp đặt cụm cơng tắc điều khiển trên xe điện ZERO.
51
4.1.2. Board Arduino Mega 2560 và IC hạ áp dùng LM2596
Hình 4.3. Board Arduino Mega 2560
Board Arduino Mega 2560 R3 là mạch xử lý chính của hệ thống. Sử dụng Board Arduino Mega 2560 có lợi thế hơn rất nhiều so với Board Arduino UNO thơng thường. Với mục đích sử dụng nhiều chân để thu thập tín hiệu đầu vào, ngoại vi và bộ nhớ nhiều hơn, giúp việc xử lý nhiều thơng tin tín hiệu được hiệu quả hơn.
Hình 4.4. Module hạ áp DC-DC LM2596 3A
Để bảo vệ mạch Arduino Mega 2560 hoạt động ổn định và an toàn, mạch hạ áp LM2596 3A được dùng để giảm nguồn 12V DC của xe xuống 9V DC trước khi đưa nguồn cấp vào Board Arduino bằng giắc trịn. IC LM358 có điện áp đầu vào khoảng 3V-30V DC và có thể điều chỉnh điện áp đầu ra từ 1.5V-30V DC với dịng đáp ứng tối đa là 3A, cơng suất 15W.
52
4.1.3. Cảm biến tốc độ động cơ xe điện ZERO
Hình 4.5. Cảm biến điện từ Hình 4.6. Cảm biến tốc độ trên xe điện ZERO Xe điện ZERO sử dụng cảm biến điện từ làm cảm biến tốc độ, với nguyên lý khi có Xe điện ZERO sử dụng cảm biến điện từ làm cảm biến tốc độ, với nguyên lý khi có Xe điện ZERO sử dụng cảm biến điện từ làm cảm biến tốc độ, với nguyên lý khi có kim loại đi qua đầu cảm biến, tín hiệu trả về là tín hiệu điện áp được hiển thị dưới dạng xung hình Sin. Thơng qua thiết bị đo HANTEK PC-OSCILLOSCOPE 6022BE, dùng để đo và hiển thị tín hiệu lên máy tính qua cổng USB, thiết bị đo Hantek có 2 cổng đo tín hiệu Analog Oscilloscope với tần số tối đa 20MHz, độ chính xác cao, cùng phần mềm Hantek6022BE hỗ trợ hiển thị độ thị, tín hiệu đã đo được hiển thị bên dưới
53
Hình 4.8 Tín hiệu từ cảm biến tốc độ ở dải tốc độ cao
4.1.4. Cảm biến vị trí bàn đạp tăng tốc
Cảm biến vị trí bàn đạp tăng tốc trên xe điện ZERO sử dụng loại tuyến tính 3 chân: 5V, GND và chân tín hiệu. Bên cạnh cảm biến có kết hợp một cơng tắc bàn đạp tăng tốc loại cơng tắc hành trình 3 chân.
Hình 4.9. Sơ đồ cảm biến vị trí bàn đạp tăng tốc trên xe điện ZERO
Khi chưa tác động bàn đạp tăng tốc, giá trị điện trở ở hai đầu 5V và GND vào khoảng 2kΩ. Đo giá trị điện trở giữa chân tín hiệu và chân 5V, điện trở khi chưa tác động bàn đạp tăng tốc khoảng 2kΩ, điện trở càng giảm khi bàn đạp tăng tốc càng được tác động sâu, đồng nghĩa điện áp ở chân tín hiệu cũng tăng tuyến tính từ 0V đến gần 5V.
54 Hình 4.10. Cảm biến vị trí và cơng tắc bàn đạp tăng tốc xe ZERO
4.2. Thiết kế mạch điện
4.2.1. Các công đoạn thực hiện
Dựa theo nguyên lý hoạt động của hệ thống Cruise Control và kết cấu của xe điện ZERO. - Thiết kế mạch đo tốc độ động cơ
- Thiết kế mạch xử lý tín hiệu cảm biến vị trí bàn đạp tăng tốc.
- Thiết kế mạch tiếp nhận tín hiệu từ các cơng tắc, và cụm công tắc điều khiển - Thiết kế các mạch phụ
4.2.2 Thiết kế mạch điện
4.2.2.1. Mạch đo tốc độ động cơ
Hình 4.11 Mạch đo tốc độ động cơ
55 Bảng 4.1. Bảng lắp dây mạch đo tốc độ động cơ
Tên chân Vị trí chân Màu dây nối Vị trí chân nối tới
` J1
Chân 1 Xanh lá Chân GND Arduino
Chân 2 Vàng Chân 5V Arduino
Chân 3 Xám Chân 3.3V Arduino
J2
Chân 1 Xanh lá Chân 2 Arduino(Digital) Chân 2 Xanh dương Dây âm cảm biến tốc độ Chân3 Vàng Dây dương cảm biến tốc độ
Nguyên lý hoạt động của mạch như sau: khi có tín hiệu từ cảm biến tốc độ gửi tới, qua điện trở R1 và tụ C1 để lọc nhiễu và làm phẳng tín hiệu hơn từ cảm biến, sau đó, tín hiệu sẽ được đưa vào IC 74HC14. Diode Zener D3 có tác dụng ổn định nguồn đầu vào IC 74HC14 không vượt quá 5.1V, bảo vệ IC 74HC14 hoạt động ổn định. IC 74HC14 cho phép chuyển trạng thái khi điện áp vượt ngưỡng điện áp cho phép, chỉ cần cấp điện áp đầu vào, đầu ra thu được tín hiệu đảo, đồng thời loại được tạp nhiễu. Dựa theo nguyên lý khi điện áp đầu vào dưới ngưỡng điện áp Vcc cung cấp cho IC, thì điện áp thu được là Vcc, khi điện áp đầu vào bằng Vcc thì điện áp thu được là 0V[6]. Tín hiệu thu được sẽ được gửi về hộp điều khiển của hệ thống Cruise Control để tiến hành xử lý
56 Hình 4.13. Tín hiệu thu được sau khi qua mạch chuyển xung ở dải tốc độ cao
4.2.2.2. Mạch xử lý tín hiệu cảm biến vị trí bàn đạp tăng tốc
57 Bảng 4.2. Bảng lắp dây mạch xử lý tín hiệu cảm biến vị trí bàn đạp tăng tốc
Tên chân Vị trí chân Màu dây Vị trí chân nối tới
J5
Chân 1 Đen Chân âm cảm biến vị trí bàn đạp tăng tốc Chân 2 Vàng Chân 5V cảm biến vị trí bàn đap ga
J6 Chân 1 Đỏ Chân dương IC hạ áp
Chân 2 Đen Chân âm IC hạ áp
J7 Chân 1 Xanh lá Chân 11 Arduino(PWM)
Chân 2 Cam Chân 26 Arduino(Digital)
J8
Chân 1 Đỏ Chân tín hiệu
cảm biến vị trí bàn đạp tăng tốc phía dưới
Chân 2 Xám Chân A0 Arduino
Chân 3 Xanh dương Chân tín hiệu
cảm biến vị trí bàn đạp tăng tốc phía trên
J11
Chân 1 Xanh dương Dương công tắc bàn đạp tăng tốc Chân 2 Xanh dương Âm công tắc bàn đạp tăng tốc
Chân 3 Tím Chân 28 Arduino(Digital)
Khi bật công tắc tổng của hộp điều khiển hệ thống Cruise Control. Các khối Relay trong mạch này sẽ được kích hoạt nhờ vào tín hiệu gửi tới các Transistor. Mỗi khối Relay sẽ thực hiện một chức năng riêng:
- Khi Transistor Q1 được kích hoạt nhờ vào tín hiệu gửi tới từ cơng tắc tổng, các Relay gồm Relay1, Relay2 và Relay3 sẽ hoạt động. Relay1 kích hoạt, dẫn tín hiệu từ cảm biến vị trí bàn đạp tăng tốc gửi về Arduino Mega 2560 để cung cấp dữ liệu cho phần lập trình. Relay2 và Relay3 kích hoạt để cấp nguồn cho IC LM358.
- Khi người điều khiển thiết lập điều khiển tốc độ xe bằng hệ thống Cruise Control đồng thời thả chân khỏi bàn đạp tăng tốc, lúc này Arduino sẽ xuất tín hiệu gửi tới Transistor Q3, Transistor Q3 sẽ kích hoạt Relay4 dẫn tín hiệu điện áp từ IC LM358 gửi về hộp xử lý thông tin của xe. IC LM358 sẽ thu thập tín hiệu từ Arduino thơng qua các thao tác của người điều khiển và xuất tín hiệu tương ứng đến hộp xử lý thơng tin của xe.
- Cơng tắc bàn đạp tăng tốc có chức năng dẫn tín hiệu đến hộp xử lý thơng tin để xe có thể hoạt động. Vì vậy, khi người điều khiển đang thả chân khỏi bàn đạp tăng tốc để điều
58 khiển tốc độ xe bằng hệ thống Cruise Control, điều này làm cho tín hiệu cơng tắc bàn đạp tăng tốc trên xe bị ngắt. Vì thế, Relay5 có tác dụng thay thế tín hiệu cơng tắc bàn đạp tăng tốc khi hệ thống Cruise Control đang hoạt động và sẽ được kích hoạt nhờ tín hiệu từ Arduino gửi tới Transistor Q5. Mặt khác, Relay5 sẽ ngắt và nhường quyền điều khiển lại cho người lái khi nhận thấy có tín hiệu người điều khiển muốn kiểm sốt tốc độ bằng bàn đạp tăng tốc.
Hình 4.15. Sơ đồ chân IC LM358
Linh kiện giữ vai trò quan trọng trong mạch xử lý tín hiệu cảm biến vị trí bàn đạp tăng tốc là IC LM358, được sử dụng như một bàn đạp tăng tốc giả định, xuất tín hiệu điện áp để cung cấp cho hộp xử lý thông tin khi hệ thống Cruise Control đang hoạt động và người điều khiển hoàn toàn thả chân ga. Cấu tạo bên trong gồm 2 mạch khuếch đại thuật tốn, tương thích với nhiều loại mạch logic khác nhau. Với ưu điểm bảo vệ quá áp lối ra, dòng cung cấp lối vào thấp, giúp việc thu và xuất tín hiệu điện áp được chính xác, hạn chế tối đa sai lệch, nhiễu. Nguyên lý hoạt động dựa vào kết quả so sánh điện áp đầu vào ở hai chân số 2 và số 3, xuất tín hiệu điện áp ở chân số 1. Khi V3>V2 thì điện áp xuất ra là Vcc, khi V3<V2 thì điện áp xuất ra là GND. Tuy nhiên, nếu chỉ có thể xuất 2 giá trị điện áp thì khơng thể đáp ứng được vấn đề đã đặt ra. Vì vậy, trong quá trình nghiên cứu, IC LM358 được sử dung với nguyên lý hoạt động của mạch đệm[7].
59 Dựa theo nguyên lý hoạt động của mạch khuếch đại không đảo Opamp, điện áp đầu ra được tính theo cơng thức Vout = (1+ Rf/R)*Vin. Theo đó, để đáp ứng yêu cầu của mạch xử lý tín hiệu vị trí bàn đạp tăng tốc thì bắt buộc Vout=Vin, suy ra Rf0 và R=∞ đồng nghĩa loại bỏ R[8], lúc này mạch khuếch đại không đảo Opamp trở thành mạch đệm. Các chân của IC LM358 được lắp như Hình 4.14 thỏa mãn yêu cầu đề ra của mạch điện.
Lý do sử dụng mạch đệm khác nhiều so với việc sử dụng 1 dây điện là lợi dụng ưu điểm của mạch Opamp có trở kháng rất lớn ở điện áp đầu vào, khiến cho dịng tải tín hiệu nhỏ, đồng thời tín hiệu đầu ra có trở kháng nhỏ, có nghĩa tín hiệu ở đầu ra sẽ được giữ ngun đặc tính, ít bị suy hao tín hiệu. Vì vậy, chỉ cần điều chỉnh điện áp đầu vào, phụ thuộc vào chế độ điều khiển của người lái đầu ra ta thu được tín hiệu điện áp cùng giá trị, thỏa mãn điều kiện làm việc như một chân ga giả định của mạch.
4.2.2.3. Mạch nhận tín hiệu các cơng tắc và cụm cơng tắc điều khiển
Hình 4.17. Mạch nhận tín hiệu các cơng tắc và cụm cơng tắc điều khiển Bảng 4.3. Bảng lắp dây mạch nhận tín hiệu từ cơng tắc
Tên chân Vị trí chân Màu dây Vị trí chân nối tới
J3
Chân 1 Đỏ Chân ON/OFF của cụm công tắc Cruise Control
Chân 2 Xanh dương Chân chung của 3 chế độ Resume, Cancel, Set của cụm công tắc Cruise Control Chân 3 Vàng Chân chung của cả cụm công tắc
60 J9
Chân 1 Đỏ Chân 5V Arduino
Chân 2 Tím Chân GND Arduino
Chân 3 x x
J10 Chân 1 Đen Công tắc lùi
Chân 2 Trắng Chân 24 Arduino
J13
Chân 1 Xám Chân A1 Arduino
Chân 2 Xanh lá Chân A2 Arduino
J15
Chân 1 Đỏ Công tắc bàn đạp phanh
Chân 2 Nâu Chân 22 Arduino
Transistor Q2 được kích hoạt khi cơng tắc lùi được bật, tín hiệu từ Arduino sẽ được truyền đi để làm tín hiệu ngắt hệ thống Cruise Control, Transistor Q4 hoạt động tương tự khi cơng tắc bàn đạp phanh gửi tín hiệu và tạm ngắt hệ thống ở trạng thái Cancel. Hai tín hiệu này được lấy trực tiếp từ Arduino bằng điện áp 5V hoặc GND. Nguồn 5V được cấp cho cụm công tắc điều khiển hệ thống Cruise Control, với mỗi chế độ trên cụm công tắc sẽ xuất ra một giá trị tương ứng, căn cứ vào giá trị đó để lập trình cho mỗi trường hợp điều khiển khác nhau.
4.2.2.4. Các mạch phụ
4.2.2.4.1. Mạch hiển thị thơng tin và an tồn
Màn hình LCD 1602 làm màn hình hiển thì, với ưu điểm giá thành rẻ, ít tốn tài nguyên hệ thống, dễ dàng đưa vào mạch ứng dụng theo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau. Dễ dàng trong việc thiết kế mạch điện để xử lý hiển thị
61 Hình 4.19. Mạch an tồn
Hình 4.20. Sơ đồ mạch LCD và mạch an tồn
Mạch an tồn có chức năng ngắt tồn bộ hệ thống Cruise Control khi tín hiệu an tồn được kích hoạt. Trong đó, khi có tính hiệu từ cơng tắc an tồn gửi tới, Transistor Q7 sẽ kích hoạt, dẫn tín hiệu trực tiếp từ Arduino và ngắt hoàn toàn hệ thống Cruise Control.
4.2.2.4.2. Mạch chuyển tín hiệu điều khiển
Hình 4.21. Mạch chuyển tín hiệu điều khiển 5V 5V
GND
62 Ngun lý mạch hoạt động rất đơn giản, vì tính hiệu từ cảm biến vị trí bàn đạp tăng tốc đến hộp xử lý thông tin của xe được thiết kế lại, nên khi chưa kích hoạt hộp điều khiển hệ thống Cruise Control bằng công tắc tổng, cảm biến vị trí bàn đạp tăng tốc khơng thể gửi tín hiệu đến hộp xử lý thơng tin của xe được, nên mạch này có tác dụng cho phép cảm biến gửi tín hiệu trực tiếp đến hộp xử lý thơng tin của xe để xe vận hành. Khi công tắc tổng được bật, mạch này sẽ ngắt, tín hiệu từ cảm biến vị trí bàn đạp tăng tốc sẽ được gửi đến hộp xử lý thông tin của xe thông qua hộp điều khiển hệ thống Cruise Control. Làm đơn giản quá trình vận hành xe, khơng cần phải cắm giắc dự phịng khi ngắt nguồn hộp điều khiển hệ thống Cruise Control.
Bảng 4.4. Bảng lắp dây các mạch mạch phụ
Tên chân Vị trí chân Màu dây Vị trí chân nối tới
J4
Chân 1 Xanh dương Tín hiệu vị trí bàn đạp tăng tốc phía dưới
Chân 2 Đỏ Tín hiệu vị trí bàn đạp tăng tốc phía trên
J12
Chân 1 Tím Chân GND Arduino
Chân 2 Trắng Chân 5V Arduino
LCD 1602
Chân 1, chân 5, chân 16,
âm biến trở Đen Chân GND Arduino
Chân 2, chân 15,
dương biến trở Đỏ Chân 5V Arduino
Chân 4 Xanh dương Chân 9 Arduino
Chân 11 Đen Chân 7 Arduino
Chân 12 Đỏ Chân 6 Arduino
Chân 13 Xanh dương Chân 5 Arduino
Chân 14 Vàng Chân 4 Arduino
J14
Chân 2 Đỏ Chân 30 Arduino
Chân 1 Tím Tín hiệu
63
4.3. Vẽ mạch điện và tiến hành lắp đặt hệ thống 4.3.1. Vẽ mạch điện 4.3.1. Vẽ mạch điện
Với sự hỗ trợ của phần mềm AutoCAD Electronic, mạch điện tổng quát được vẽ theo chuẩn IEC( Interational Electrotechnical Commission) - Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc Tế. Bảng 4.5. Bảng chú thích các linh kiện, chi tiết
Ký hiệu - Linh kiện – Chi tiết Chú thích
Giắc nối đực và số chân Giắc nối cái và số chân
Cơng tắc hành trình Cơng tắc đơn
Điện trở Cầu chì
Cơng tắc đơi( cơng tắc tổng) Biến trở
Cơng tắc chọn hồi vị trí J2.3 Chân thứ 3 của cụm chân cắm J2 AM.5 Chân 5 trên Board Arduino Mega 2560
Ngoài ra, các linh kiện điện tử ,chi tiết đã sử dụng trong quá trình thiết kế mạch điện gồm: Diode 1N4001; Diode Zener; Điện trở: 560Ω, 1kΩ, 4.7kΩ, 10kΩ; Tụ điện 10uF; Transistor NPN 2N2222; Relay 9V (Mạch chuyển tín hiệu điều khiển sử dụng Relay 5V); Cầu chì; Cơng tắc tổng 4 chân; Giắc nối 3 chân, 4 chân, 9 chân cỡ 2.8.
64
4.3.2. Lắp đặt hệ thống Cruise Control lên xe ZERO
Hình 4.22. Hộp điều khiển hệ thống Cruise Control
Hình 4.23. Màn hình hiển thị
Hộp điều khiển gồm các giắc từ tín hiệu bên ngồi gửi vào và tín hiệu xuất ra bộ chấp hành, công tắc tổng khởi động cấp nguồn cho hộp điều khiển thông qua giắc cắm trịn, cầu chì được đặt ra bên ngồi để dễ dàng thay thế khi có sự cố về nguồn.