39
Hình 4.7: Mơ phỏng chi tiết đèn
40
4.1.2 Phương án bố trí mơ hình
Với những phương án chung để thiết lập một mơ hình hệ thống chiếu sáng thơng minh trên ơ tơ là mơ hình mang tính thực tiễn, giúp người sử dụng nhìn vào dễ dàng hình dung và đáp ứng đầy đủ các yêu cầu của một hệ thống chiếu sáng thông minh trên ô tô thực tế.
Phương án 1: Thiết kế bảng đứng
Hình 4.9: Phương án thiết kế bảng đứng
- Ưu điểm:
+ Thuận tiện khi kiểm tra, đi dây trên mơ hình, hay thay thế các linh kiện cũng dễ hơn;
+ Thích hợp trong việc giảng dạy, dễ trình bày, hướng nhìn giới thiệu mơ hình cho các bạn sinh viên dễ xem hơn;
+ Phương án thiết kế này dễ chế tạo và dễ vận chuyển. - Nhược điểm:
+ Hướng khơng giống mơ hình xe thật ngồi đời;
+ Phương án bố trí thẳng đứng này khi bắt linh kiện không được chắc chắn; + Gây khó khăn, khó phát hiện cho các cảm biến.
41 Phương án 2: Thiết kế bảng nghiêng
Hình 4.10: Phương án thiết kế bảng nghiêng
- Ưu điểm:
+ Mơ hình vừa khơng bị chiếm diện tích nhiều;
+ Việc thiết kế mơ hình nằm nghiêng sẽ giúp mơ hình chắc chắn hơn so với phương án thứ nhất;
+ Dễ dàng quan sát hoạt động bật/tắt các cụm đèn. - Nhược điểm:
+ Nhìn vào tởng thể của mơ hình khơng có tính thẩm mỹ; + Việc thao tác với các thiết bị khó khăn hơn;
+ Phương án này khơng giống với hướng bố trí thực tế của hệ thống chiếu sáng ơ tơ bên ngồi;
42 Phương án 3: Thiết kế bảng nằm ngang
Hình 4.11: Phương án thiết kế bảng nằm ngang
- Ưu điểm:
+ Mơ hình được bố trí giống hệ thống chiếu sáng trên ơ tơ thực tế; + Phương pháp này đảm bảo mơ hình và các linh kiện chắc chắn nhất; + Dễ quan sát các chi tiết trên mơ hình và có tính thẩm mỹ cao;
+ Các cảm biến dễ dàng phát hiện các xe đối diện. - Nhược điểm:
+ Khó kiểm tra, sửa chữa các đường dây dẫn và các chi tiết bên dưới mơ hình; + Phải đứng thẳng lên mới dễ quan sát mơ hình.
Sau khi đưa ra ba phương án thiết kế hướng đặt bảng mơ hình, nhóm quyết định lựa chọn phương án 3 “thiết kế bảng nằm ngang” để thi cơng mơ hình. Đây là phương án tối ưu nhất vì:
- Mơ hình có sự chắc chắn đảm bảo cho các chi tiết hoạt động ổn định, cân bằng, hạn chế các chi tiết bị lung lay;
- Cụm đèn đầu đặt trên bảng nằm ngang giống với các hệ thống chiếu sáng thực tế bên ngoài;
- Bố trí theo phương pháp nằm ngang giúp mơ hình có nguồn sáng tối ưu nhất, các cảm biến hoạt động hiệu quả nhất;
- Các cụm đèn chiếu sáng và tín hiệu sẽ được gắn trên mơ hình sao cho ánh sáng phát ra theo phương ngang.
43
4.2 Mơ hình tổng thể của hệ thớng
4.2.1 Sơ đồ điện tồn hệ thống
Sơ đờ 4.1: Sơ đồ điện toàn hệ thống - Nguyên lý hoạt động:
Khi bật khóa điện, nguồn điện từ nguồn qua relay tail, khi chúng ta gạt công tắc chế độ tail. Nguồn từ nguồn qua cuộn dây relay tail đến công tắc về mass, nguồn dây sinh ra từ trường hút cơng tắc đóng. Dịng đi đến đèn tail, đèn tail sáng;
Khi gạt công tắt về chế độ Low, nguồn từ nguồn qua cuộn dây relay đèn tail đến công tắc về mass, cuộn dây sinh ra từ trường đóng tiếp điểm. Dịng đi đến relay thường đóng pha đến đèn cốt → đèn cốt sáng;
Khi gạt cơng tắc về chế độ HIGH, dịng đi từ nguồn qua relay cốt, qua cuộn dây relay pha đến công tắc chế độ pha về mass, sinh ra từ trường từ cuộn dây pha hút tiếp điểm relay thường đóng về thường mở đến cơng tắc về mass. Dịng đi qua tiếp điểm relay cốt qua tiếp điểm thường mở relay pha đến đèn pha → đèn pha sáng;
Khi gạt công tắc về chế độ xi nhan sang trái, dòng đi từ nguồn qua đèn xi nhan đến công tắc → cục nháy → mass. Đèn xi nhan trái sáng;
44
Khi gạt công tắc về chế độ xi nhan sang phải, dịng đi từ accu qua đèn xi nhan đến cơng tắc → cục nháy → mass. Đèn xi nhan phải sáng;
Ngồi ra cịn một số tính năng được nhóm nói kỹ hơn ở phần sau. - Sơ đờ khới thông minh của hệ thống
Sơ đồ 4.2: Sơ đồ khối hệ thống chiếu sáng thơng minh tín hiệu - Nguyên lý hoạt động:
Mơ hình hệ thống chiếu sáng tín hiệu trên ơ tơ có đầy đủ các chức năng của một hệ thống chiếu sáng trên ô tô thơng thường. Ngồi ra từ những ý tưởng nhóm kết hợp để mơ hình có thể điều khiển hệ thống bằng điện tử giúp chủ động thay đổi chức năng chiếu sáng mà không cần sự tác động của người điều khiển.
Với chức năng tự động bật/tắt đèn đầu khi xe chạy trong trời tối hay vào hầm nhờ tín hiệu từ cảm biến ánh sáng giúp bộ điều khiển nhận biết điều kiện sáng môi trường để tự động bật/tắt cụm đèn đầu.
Với chức năng tự động chuyển đổi pha - cốt giúp không gây ra nguy hiểm như chói mắt, khó chịu khi người điều khiển phương tiện chạy ngược chiều lại nhờ hai cảm biến ánh sáng đặt tại phía trên cụm đèn đầu gửi tín hiệu về bộ điều khiển nhận biết có nguồn sáng điều khiển hệ thống chuyển từ pha sang cốt, nhưng chỉ tắt một bên đi ngược và tự động bật lại khi xe ngược chiều đi qua.
Với chức năng tự động bật/tắt đèn sương mù khi xe chạy trong thời tiết mơi trường có nhiệt độ ẩm, sương hay mưa. Sử dụng cảm biến mưa để gửi tín hiệu về bộ điều khiển bật/tắt đèn sương mù được đặt phía trước cụm đèn đầu.
45
Với chức năng tự động điều khiển đèn liếc ngang giúp tăng ánh sáng tầm nhìn khi phương tiện rẽ linh hoạt các đường cua khi tín hiệu từ cảm biến góc vơ lăng sử dụng cảm biến rotary encoder được đặt trong cụm vơ lăng gửi tín hiệu về bộ điều khiển để điều khiển cụm cơ cấu quay xoay cụm đèn.
Với chức năng tự động điều khiển đèn liếc dọc để đáp ứng điều khiển vùng sáng xa gần tăng khả năng quan sát cho tài xế khi chạy trên đường nội thành hay ngoại thành. Mơ hình sử dụng motor có gắn đĩa xoay giúp giả lập tốc độ xe có kết hợp với bộ đồng tốc tăng giảm tốc độ và cảm biến hồng ngoại thu nhận tín hiệu tính ra xung hiển thị thông số tốc độ xe hiện tại trên màn hình LCD. Sau đó bộ điều khiển tính tốn điều khiển cụm cơ cấu xoay điều chỉnh tầm sáng thích hợp nhất tăng tính an tồn cho người điều khiển có vùng sáng hợp lí nhất.
4.2.1.1 Khới cảm biến
Mơ hình gồm ba cảm biến ánh sáng có chức năng thu nhận ánh sáng để gửi tín hiệu về bộ điều khiển bật/tắt hoặc thay đổi chế độ chiếu sáng:
+ Cảm biến ánh sáng đặt trên đầu xe có nhiệm vụ thu nhận và phân biệt cường độ ánh sáng của đèn đường và ánh sáng môi trường để bật/tắt hệ thống chiếu sáng của xe khi di chuyển trên đường;
+ Cảm biến ánh sáng đầu xe có chức năng thu nhận ánh sáng đèn xe chạy ngược chiều để thay đổi chế độ sáng phù hợp không làm ảnh hưởng đến người tham gia giao thơng phía trước.
- Rotary encoder gắn trong vơ lăng sẽ thu nhận góc xoay của vơ lăng để mở thêm góc chiếu về hướng rẽ của phương tiện.
- Cảm biến hồng ngoại có chức năng thu nhận các dao động của bánh xe giả lập thay đởi góc chiếu sáng phù hợp giúp cho người lái ln có tầm nhìn góc chiếu sáng của cung đường di chuyển phía trước.
- Cảm biến mưa đặt trên đầu xe có chức năng thu nhận tín hiệu khi có độ ẩm, mưa, sương mù tự động bật/tắt đèn sương mù để người điều khiển có tầm nhìn tốt.
4.2.1.2 Khới xử lý trung tâm
- Gồm 3 Arduino có chức năng nhận các tín hiệu từ các nguồn thơng tin như cảm biến, công tắc để điều khiển bộ chấp hành.
46
+ Adruino 1: Xử lý tín hiệu từ cảm biến ánh sáng, cảm biến mưa, đặt đầu xe dùng để tự động bật/tắt hệ thống đèn chiếu sáng, đèn sương mù hay là chuyển đổi chế độ chiếu sáng.
+ Adruino 2: Xử lý các tín hiệu từ ratory encoder gắn trong vơ lăng để thay đởi góc chiếu theo phương ngang (cùng chiều với hướng xoay vô lăng cũng như hướng di chuyển của phương tiện).
+ Adruino 3: Nhận tín hiệu từ cảm biến hồng ngoại kết hợp bánh xe giả lập để đưa ra từng thông số, tùy vào điều kiện tốc độ của người điều khiển phương tiện mà so sánh đưa góc chiếu sáng có chiều theo phương dọc.
4.2.1.3 Khới chấp hành
Khối tự động bật/tắt hệ thống chiếu sáng
Khối này chủ yếu được điều khiển bằng Arduino 1 thông qua các cảm biến ánh sáng đặt trên đầu xe và hai cảm biến đặt 2 bên đầu xe.
Khối điều chỉnh góc chiếu của đèn
Gồm: 4 servo với chức năng thay đởi góc chiếu của đèn.
Servo điều chỉnh chóa đèn vừa đèn cốt phụ có chức năng thay đởi góc chiếu sáng của bóng đèn mở rộng qua 2 bên phương ngang bằng tín hiệu từ cảm biến vơ lăng.
Hai servo điều chỉnh bóng đèn chức năng thay đởi góc chiếu của đèn theo hướng lên xuống bằng tín hiệu từ cảm biến hồng ngoại giả lập tốc độ gửi cho Arduino.
Ví dụ, xe khi di chuyển trên đường tùy vào tốc độ của người điều khiển phương tiện khi đi với tốc độ 40km/h thì hướng đèn sẽ chiếu gần, tốc độ càng nhanh thì tầm chiếu sáng điều khiển servo sẽ càng hướng ra xa đảm bảo tầm nhìn cho người điều khiển.
4.2.1.4 Tính tốn thiết kế hệ thớng tự động bật/tắt đèn đầu khi trời tối hoặc vào hầm
Sơ đồ khối hệ thống tự động bật/tắt đèn chiếu sáng:
Sơ đồ 4.3: Sơ đồ khối tự động bật/tắt của hệ thống đèn đầu khi trời tối
4.2.1.4.1 Cảm biến ánh sáng
47
mơ hình sử dụng một Module cảm biến ánh sáng nhằm tạo ra tín hiệu giúp bộ điều khiển nhận biết điều kiện ánh sáng môi trường để tự động bật/tắt hệ thống đèn chiếu sáng.
Module cảm biến ánh sáng này sử dụng quang trở CDS để nhận biết điều kiện ánh sáng mơi trường có khoảng đo lớn và là một trong những linh kiện được tạo bằng một chất liệu đặc biệt có thể thay đởi điện trở khi có ánh sáng chiếu vào. Có thể hiểu nó là một điện trở có thể thay đởi giá trị theo cường độ ánh sáng.
Hình 4.12: Quang trở (LDR) ([16]; trang 1)
Quang trở được làm bằng chất bán dẫn có trở kháng rất cao. Trong bóng tối, quang trở thường có điện trở lên đến vài MΩ. Cịn khi có ánh sáng chiếu vào thì điện trở có thể giảm xuống mức một cho đến vài Ω. Chính nhờ vào đặc điểm này, người ta áp dụng quang trở vào các mạch điện điều khiển theo điều kiện ánh sáng môi trường.
Cảm biến ánh sáng được bán với giá thành rất rẻ trên thị trường. Mức điện áp sử dụng của mạch từ 3.3÷5V DC, kích thước nhỏ gọn, đồng thời có chân xuất tín hiệu digital. Module cảm biến này rất phù hợp ứng dụng trong các mạch vi điều khiển.
Module có bốn chân bao gồm: tuy nhiên, trong mơ hình chỉ sử dụng ba chân là DO, VCC và GND với các thông số:
+ AO: ngõ ra tín hiệu Analog; + DO: ngõ ra tín hiệu Digital; +VCC: Nguồn dương 5V; + GND: Mass.
Cảm biến ánh sáng quang trở CDS Light Sensor có tích hợp sẵn opamp của IC-LM393 giúp so sánh mức tín hiệu, hỗ trợ cho việc nhận biết tín hiệu trở nên dễ dàng, sử dụng để nhận biết cường độ ánh sáng môi trường giúp bật/tắt thiết bị theo điều kiện cho trước.
48
Sơ đồ 4.4: Sơ đồ mạch điện Module cảm biến ánh sáng quang trở [31]
4.2.1.4.2 Nguyên lý hoạt động mạch cảm biến ánh sáng:
Khi có dịng điện cấp vào, led D1 sẽ ln sáng để báo hiệu có nguồn hoạt động. Led D2 sẽ sáng hoặc tắt tuỳ theo sự thay đổi của ánh sáng mơi trường bên ngồi.
Tại chân số 3 của opamp, do được cấp nguồn điện liên tục nên tín hiệu mà opamp nhận được tại chân số 3 luôn ở mức cao (mức 1).
Khi trời sáng hoặc điều kiện ánh sáng tốt, điện trở của cảm biến ánh sáng CDS giảm. Lúc này dòng điện từ nguồn sẽ đi qua quang trở CDS rồi xuống mass, tức khơng có điện áp tại chân số 2 của opamp (mức 0), opamp so sánh hai tín hiệu cho thấy mức 1 và 0, chân số một của opamp ở mức 0, led D2 sáng.
Khi trời tối hoặc điều kiện ánh sáng yếu, điện trở của cảm biến ánh sáng CDS tăng mạnh. Lúc này dòng điện từ nguồn sẽ đi qua chân số 2 của opamp rồi xuống mass, tức có điện áp tại chân số 2 của opamp (mức 1), opamp so sánh hai tín hiệu cho thấy mức 1 và 1, chân số một của opamp ở mức 1, led D2 tắt.
Chân output trong mạch điện chính là chân tín hiệu DO giúp truyền tín hiệu điện áp đến bộ điều khiển để điều khiển relay (1) thực hiện việc bật/tắt hệ thống chiếu sáng. Cảm biến ánh sáng này sử dụng nguồn điện từ 3.3÷5VDC nên có thể lấy nguồn trực tiếp từ bộ điều khiển arduino.
49
Cảm biến ánh sáng này sử dụng nguồn điện từ 3.3÷5V DC nên có thể lấy nguồn trực tiếp từ bộ điều khiển arduino. Tuy nhiên số chân nguồn/GND của arduino có hạn, đồng thời để giảm áp lực cho bộ điều khiển thì cảm biến ánh sáng sẽ được cấp nguồn từ một mạch hạ áp 12V÷5V.
Hình 4.14: Mạch giảm áp LM2596
4.2.1.4.3 Bộ điều khiển
Để thực hiện việc điều khiển tín hiệu từ hệ thống tự động bật/tắt đèn đầu, chúng tơi quyết định chọn mạch Arduino Uno vì dịng mạch phở biến, cơ bản, linh hoạt khi mới bắt đầu làm quen lập trình với arduino thì mạch arduino thường nói tới chính là dịng Arduino Uno R3. Tín hiệu điện áp ở mức cao (5V) hoặc thấp (0V) từ chân DO của cảm biến ánh sáng gửi đến chân A1 của arduino 1, chân A1 này có trách nhiệm đọc tín hiệu gửi đến từ chân DO của cảm biến ánh sáng khi công tắc đèn ở chế độ Auto. Bộ điều khiển sẽ đọc tín hiệu điện áp sau đó đưa ra các lệnh điều khiển relay chân số 2 của arduino 1 để bật/tắt hệ thống đèn chiếu sáng.
Do điện áp khuyên dùng của Arduino dao động từ 9÷10V nên nguồn điện cấp cho arduino sẽ qua mạch giảm áp giảm 12÷5V.
50
Bảng 4.1: Thông số cơ bản của mạch Arduino UNO R3
Vi điều kiển Atmega328P
Điện áp hoạt động 5V
Điện áp đầu vào (khuyên dùng) 7÷12V Điện áp đầu vào (giới hạn) 6÷20V
Chân Digital I/O 14 (Với 6 chân PWM output)
Chân PWM Digital I/O 6
Chân đầu vào Analog 6
Dòng sử dụng I/O Pin 20 mA
Dòng sử dụng 3.3V Pin 52 mA
Bộ nhớ Flash 32 KB (Atmega328P) với 0.5KB dùng
bởi bootloader
SRAM 2 KB (Atmega328P)
EEPROM 1 KB (Atmega328P)
Clock Speed 16 MHz
4.2.1.4.4 Bộ chấp hành
Bộ chấp hành của của hệ thống chính là đèn của hệ thống chiếu sáng. Các cụm đèn chiếu sáng được điều khiển bằng relay đèn chân số 8 trên arduino 1.
Như đã nhắc đến ở phần thiết kế mơ hình cơ bản, hệ thống đèn chiếu sáng thơng minh được điều khiển bằng bộ điều khiển trung tâm arduino với các chân tín hiệu có mức cao/thấp tương ứng với giá trị điện áp 5V/0V. Vì vậy việc điều khiển đóng ngắt