4.8 Các thiết bị công nghệ và bộ điều khiển dùng để thực hiện ý tưởng
4.8.4 Bộ xử lý trung gian và bộ điều khiển đóng ngắt mạch
4.8.4.1 Cụm relay đóng/ngắt mạch
Chức năng của relay là đóng/ngắt điện tức thời giúp tách mạch điều khiển ra khỏi mạch tải, relay được điều khiển bằng điện và thường được sử dụng rộng rãi trên ô tô, tùy thuộc vào việc sử dụng khác nhau nên cần phải lựa chọn những relay thích hợp nhất, relay 4 chân, 5 chân 12V thường được sử dụng phổ biến.
Hệ thống đèn chiếu sáng được trang bị relay 4 chân, 5 chân 12V để phục vụ cho việc đóng ngắt bằng điện cho thể thống đèn chiếu sáng.
Hình 4.48: Cụm relay đóng ngắt mạch trên mơ hình
4.8.4.2 Bộ xử lý trung gian mạch công suất mosfet HA210N06
Hệ thống chiếu sáng thông minh được bộ xử lý trung tâm điều khiển bằng Arduino có nhiều chân với các tín hiệu khác nhau từ cao đến thấp nó cũng tương ứng với giá trị điện áp từ 5V đến 0V. Vì vậy đóng ngắt mạch trực tiếp thơng qua kích từ relay 12V bằng mạch nguồn trực tiếp của Arduino là khơng khả thi, điều này địi hỏi phải có một bộ phận trung gian tiếp nhận tín hiệu 5V của Arduino đồng thời xuất ra tín hiệu điện áp 12V để kích từ cho relay 12V hoạt động được từ đây ta có thể thấy có nhiều loại linh kiện phù hợp với tiêu chí đó ví dụ như mosfet, transitor NPN hoặc PNP,… Từ những tiêu chí trên chúng em quyết định chọn mạch mosfet HA210N06 là mạch phù hợp nhất để đóng/ngắt tải DC, vì có độ lớn dịng điện nhỏ chỉ rơi vảo
93
khoảng 10mA, có dịng cấp cho tải lớn có thể đạt được là 130A (thuần trở) hoặc 10A (trở cảm) và có cơng suất tải 110W vì vậy rất phù hợp cho việc sử dụng các thiết bị có dịng điện cao.
Hình 4.49: Cụm MOSFET được bố trí ở mặt dưới tấm gỗ mơ hình
94
Arduino truyền tín hiệu cho chân Control In nhưng do dòng điện áp để có thể kích được mosfet để nó có thể hoạt động được là 12V, do đó phải thay đổi giá trị điện trờ R5 từ 10KΩ xuống còn 4.7KΩ để có thể có được điện áp kích giảm xuống 5V.
Mosfet được cấp nguồn 12V do chân +DC và IN- thực hiện. Chân BET và HOT của mosfet thì được nói với cuộn dây của relay đèn. Chân BET VÀ HOT được cấp nguồn 12V khi nó được Arduino kích hoạt để có thể kích từ cho tiếp điểm của relay của đèn. Nhưng khi hoạt động sẽ xuất hiện những hư hại cho mosfet, kích từ cho relay cũng sẽ bị ảnh hưởng vì nó được nối với cuộn dây relay nên lúc hoạt động sẽ xuất hiện dịng điện từ cảm chạy ngược lại. Do đó cần phải gắn thêm một con diode song song với cuộn dây raley để có thể khắc phục được việc xuất hiện dịng điện từ chạy ngược.
Chân Arduino phát tín hiệu cho Control In. Nếu tín hiệu của điện áp ở mức cao (5V) thì dịng điện sẽ đi qua D1 lúc đó đèn led của D1 sẽ sáng lên để cho biết được mosfet đã được kích. Cùng lúc đó thì tại R5 cũng có dịng điện đi qua, qua chân số 1, số 2 của PC817 rồi về mass để có thể làm cho PC817 dẫn. Khi PC 817 đã được thơng mạch thì lúc đó tại R2 sẻ có dịng điện 12V chạy qua, qua chân số 4, số 3 của PC817 rồi đến chân GATE (G) của con mosfet HA210N06 làm cho mosfet thông mạch, lúc này thì chân Bet là chân mass làm cho dịng điện chạy từ HOT di chuyển xuống BET làm cho tiếp điểm của relay đèn đóng lại vì cuộn dây relay đèn được nối với chân HOT và BET.
4.9 Tính tốn, lựa chọn dây dẫn và cầu chì
Bằng cách dựa vào công suất tiêu thụ của thiết bị do nhà sản xuất đưa ra, chung ta dễ dàng tính được dịng điện tiêu thụ của thiết bị đó.
Ta có cơng thức: P = U. I (4.1)
Suy ra: I = P
95 Trong đó:
P: công suất tiêu thụ của thiết bị (W);
I: cường độ dòng điện của thiết bị (A);
U: điện áp mà thiết bị sử dụng (V).
Việc tính được cường độ dịng của thiết bị, ta sẽ biết được nên sử dụng cầu chì có giới hạn dịng điện bao nhiêu là phù hợp cho mạch điện đó bằng cách sử dụng cơng thức tính cường độ dịng trong đoạn mạch theo định luật ôm:
Đối với các thiết bị mắc nối tiếp: I = I1 = I2 = ⋯ = IN; (4.3)
Đối với các thiết bị mắc song song: I = I1 + I2 + ⋯ + IN. (4.4)
Tuy nhiên, trong thực tế ta nên chọn cầu chì có giới hạn dịng điện với hệ số bằng 1,1 so với giới hạn dịng điện trong tính tốn.
Đồng thời việc tính xác định được cường độ dịng điện của từng thiết bị ta có thể tính tốn được tiết diện dây dẫn phù hợp cho từng thiết bị, cũng như cho tồn bộ mạch điện bằng cơng thức: S = I
J (4.5)
Trong đó:
S: là tiết diện dây dẫn (mm²);
J: là mật độ dòng điện cho phép (A/mm2);
+ Đối với dây đồng: Mật độ dòng điện cho phép Jđ = 6 (A/mm²); + Đối với dây nhơm: Mật độ dịng điện cho phép Jn = 4,5 (A/mm²). Có thơng số tiết diện (S), chúng ta sẽ dựa vào đó để lựa chọn dây dẫn. Tuy nhiên, trong thực tế ta không nên chọn loại dây dẫn đúng bằng tiết diện và thiết bịyêu
96
cầu. Thông thường ta nên chọn loại dây dẫn mà thiết bị sẽ sử dụng khoảng 7080% khả năng dẫn điện tối đa của loại dây dẫn đó. Như vậy loại dây dẫn cần lựa chọn trong thực tế phải có tiết diện lớn hơn so với tiết diện tính tốn. Trên thị trường hiện nay chỉ bày bán một số loại dây dẫn có tiết diện cố định, khơng có các loại dây với tiết diện phù hợp hồn hảo với số liệu tính tốn nên việc lựa chọn dây dẫn còn phụ thuộc nhiều vào thực tế.
4.9.1 Tính tốn, lựa chọn dây dẫn và cầu chì cho hệ thống đèn chiếu sáng 4.9.1.1 Đèn pha 4.9.1.1 Đèn pha
Đèn pha sử dụng trong mơ hình là loại bóng đèn 12V hai tim. Ở chế độ pha, bóng đèn có cơng suất 60W, suy ra cường độ dịng điện tiêu thụ của bóng đèn là:
I = P U = 60
12 = 5 (A) (4.6)
Do hai bóng đèn được mắc song song nên I = 10 (A). Vì vậy ta chọn chọn cầu chí có giới hạn dịng điện cho cụm đèn pha là 10 (A).
Tiết diện dây dẫn: S = I J = 10
6 = 1.67 (mm2) (4.7)
Lựa chọn dây dẫn: S ÷ 80% = 2.09 (mm2). Vì thực tế khơng có loại dây dẫn 2.09 (mm2) nên ta lựa chọn dây dẫn có tiết điện 2.0 (mm2) cho đèn pha.
4.9.1.2 Đèn cốt
Đèn cốt sử dụng trong mơ hình là loại bóng đèn 12V hai tim. Ở chế độ cốt, bóng đèn có cơng suất 55W, suy ra cường độ dịng điện tiêu thụ của bóng đèn là:
I = P U = 55
12 = 4.58 (A) (4.8)
Do hai bóng đèn được mắc song song nên I = 9.16 (A). Vì vậy ta chọn chọn cầu chí có giới hạn dịng điện cho cụm đèn pha là 10 (A).
97 Tiết diện dây dẫn:
S = I
J = 9.16
6 = 1.53 (mm2) (4.9)
Lựa chọn dây dẫn: S ÷ 80% = 1.91 (mm2). Vì thực tế khơng có loại dây dẫn với tiết diện 2.09 (mm2) nên ta lựa chọn dây dẫn 2.0 (mm2) cho đèn cốt.
4.9.1.3 Đèn tail
Đèn tail sử dụng trong mơ hình là loại bóng đèn 12V hai tim. Ở chế độ cốt, bóng đèn có cơng suất 5W, suy ra cường độ dịng điện tiêu thụ của đèn bóng đèn là: I = P
U = 5
12 = 0.42 (A) (4.10)
Do hai bóng đèn được mắc song song nên I = 0.84 (A). Vì vậy ta chọn chọn cầu chí có giới hạn dịng điện cho cụm đèn pha là 1 (A).
Tiết diện dây dẫn: S = 𝐼
𝐽 = 0.48
6 = 0.14 (mm2) (4.11)
Lựa chọn dây dẫn: S ÷ 70% = 0.2 (mm2). Vậy ta lựa chọn dây dẫn có tiết điện 0.2 (mm2) cho đèn tail.
4.9.1.4 Đèn sương mù
Đèn tail sử dụng trong mơ hình là loại bóng đèn 12V. Bóng đèn có cơng suất 21W, suy ra cường độ dịng điện tiêu thụ của bóng đèn là:
I = P U = 21
12 = 1.75 (A) (4.12)
Do bốn bóng đèn được mắc song song nên I = 7 (A). Vì vậy ta chọn chọn cầu chỉ có giới hạn dịng điện cho cụm đèn pha là 8 (A).
98
S=I/J=7/6=1.17(mm2) (4.13)
Lựa chọn dây dẫn: S ÷ 70% = 1.67 (mm2). Vì thực tế khơng có loại dây dẫn với tiết diện 1.67 (mm2) nên ta lựa chọn dây dẫn có tiết điện 1.6 (mm2) cho cụm đèn sương mù.
4.9.2 Tính tốn, lựa chọn dây dẫn và cầu chì cho hệ thống đèn tín hiệu 4.9.2.1 Đèn xi nhan trái/phải 4.9.2.1 Đèn xi nhan trái/phải
Đèn xi nhan trái/phải sử dụng trong mơ hình là loại bóng đèn 12V. Bóng đèn có cơng suất 21W, suy ra cường độ dịng điện tiêu thụ của bóng đèn là:
Tiết diện dây dẫn: S = I
J = 3.5
6 = 0.58 (4.14)
Lựa chọn dây dẫn: S ÷ 70% = 0.83 (mm2). Vì thực tế khơng có loại dây dẫn 0.83 (mm2) nên ta lựa chọn dây dẫn 0.8 (mm2) cho cụm đèn xi nhan trái/phải.
4.9.2.2 Đèn phanh
Đèn phanh sử dụng trong mơ hình là loại bóng đèn 12V. Bóng đèn có cơng suất 21W, suy ra cường độ dòng điện tiêu thụ của đèn tail là:
I = P U = 21
12 = 1.75 (A) (4.15)
Do hai bóng đèn được mắc song song nên I = 3.5 (A). Vì vậy ta chọn chọn cầu chí có giới hạn dịng điện cho cụm đèn phanh là 4 (A).
Tiết diện dây dẫn: S = I
J = 3.5
99
Lựa chọn dây dẫn: S ÷ 70% = 0.83 (mm2). Vì thực tế khơng có loại dây dẫn với tiết diện 0.83 (mm2) nên ta lựa chọn dây dẫn có tiết điện 0.8 (mm2) cho cụm đèn xi nhan trái/phải.
4.9.2.3 Tính tốn, lựa chọn dây dẫn chính và cầu chì tổng
Dựa vào các thơng số cầu chỉ của hệ thống đèn chiếu sáng và đèn tín hiệu đã lựa chọn ở phần ở trên, ta dễ dàng tính được giới hạn dịng điện của cầu chì tổng của hệ thống đèn chiếu sáng thơng minh bằng công thức:
It = ∑ I (4.18)
Suy ra: It = 37 (A)
Tuy nhiên khơng có sẵn loại cầu chì với giới hạn dịng điện 37A nên ta chọn cầu chì có giới hạn dịng điện 40A cho tồn bộ hệ thống đèn chiếu sáng thông minh.
Tiết diện dây dẫn: S = I
J = 40
6 = 6.67 (mm2) (4.19)
Lựa chọn dây dẫn: S ÷ 80% = 8.33 (mm2)
Vì thực tế khơng có loại dây dẫn với tiết diện 8.33 (mm2) nên ta lựa chọn dây dẫn có tiết điện 8.0 (mm2) cho đèn pha.
4.10 Thiết kế mơ hình cơ bản hệ thống chiếu sáng thông minh
4.10.1 Các chi tiết của mơ hình cơ bản
Những chi tiết được bố trí trên một tấm bảng cố định và được đặt trên một giá đở. Các chi tiết được bố trí như sau.
100
Hình 4.51: Các chi tiết trên mơ hình
1. Cảm biến khoảng cách; 2. Cụm đèn đầu;
3. Cảm biến ánh sáng; 4. Vô lăng;
5. Công tắc đèn;
6. Bộ điều khiển khoá cửa vân tay; 7. Bộ điều khiển đèn;
8. Cụm relay đèn; 9. Cảm biến nghiêng; 10. Cảm biến độ ẩm; 11. Khoá điện;
12. Cảm biến vân tay; 13. Chốt cửa;
14. Màn hình LCD; 15. Cụm cầu chì; 16. Cơng tắc phanh;
101 17. Cụm đèn đi;
18. Servo.
Mơ hình cơ bản của hệ thống bao gồm: - Khung đỡ;
- Mặt bảng mơ hình;
- Hệ thống đèn đuôi;
- Hệ thống đèn đầu;
- Nguồn 12V DC 600W cung cấp cho toàn bộ hệ thống;
- Cụm cầu chì;
- Chốt khoá cửa điện;
- Bộ chuyển đổi điện áp từ 12V xuống 5V cung cấp cho các cảm biến;
- Bộ chuyển đổi điện áp từ 12V xuống 9V cung cấp cho bộ điều khiển
trung tâm arduino;
- Mô tơ 12V DC giả định tốc độ xe;
- Bộ điều khiển điện tử trung tâm;
- Công tắc đèn;
- Cụm relay đóng/ngắt mạch;
- Vô lăng;
- Khóa điện;
102 - Công tắc phanh;
- Chốt khoá cửa điện;
- LCD hiện thị các chế độ hiện thời;
- Các cảm biến.
4.10.2 Phương án thiết kế mơ hình 4.10.2.1 Các tiêu chí thiết lập mơ hình 4.10.2.1 Các tiêu chí thiết lập mơ hình
Mơ hình thiết kế đèn chiếu sáng thơng minh trên ơ tơ phải có đầy đủ các chức năng của hệ thống chiếu sáng giống như trên ô tô, ngồi ra cịn phải đảm bảo được tính thẩm mĩ, độ bền, dễ dàng tìm hiểu các bộ phận và có thể đo đạt điều chỉnh các bộ phận khi cần thiết. Qua đó cho thấy mơ hình có tính thực tiễn cao, có thể tiếp cận, hình dung ngay được và từ đó mơ hình có thể được ứng dụng giống như được bố trí thực tế trên xe.
4.10.2.2 Phương án lựa chọn hướng bảng mơ hình
Thiết kế bảng nằm đứng
103 Ưu điểm:
Giúp người xem dễ dàng hơn trong quá trình hoạt động của mơ hình;
Phương án này dễ vận chuyển;
Lắp đặt và thay thế các linh kiện dễ dàng. Nhược điểm:
Bố trí theo phương án này thì mơ hình dễ bị rung lắc;
Phương án thiết kế này khơng giống với hướng bố trí thực tế của hệ thống chiếu sáng ô tô.
Thiết kế bảng nằm ngang
Hình 4.53: Phương án thiết kế bảng ngang
Ưu điểm:
Tính thẩm mĩ mơ hình nằm ngang cao hơn nằm nghiêng và đứng;
Có thể quan sát được hết tất cả các chi tiết và các hoạt động của hệ thống đèn chiếu sáng;
104
Mơ hình có được sự chắc chắn nhất;
Mơ hình thiết kế được bố trí giống với thực tế của đèn chiếu sáng trên ô tô.
Nhược điểm:
Chiếm diện tích lớn;
Khó khăn trong việc sửa chữa các hư hỏng như dây dẫn và các chi tiết nằm phía dưới mặt nằm ngang của hệ thống đèn.
4.10.2.3 Dự trù ngun vật liệu làm khung đỡ mơ hình
105
Bảng 4.4: Vật liệu làm khung đỡ mơ hình
STT Tên vật liệu Đơn vị Số lượng
1 Sắt V lỗ 3x3 m 20
2 Bu lông đai ốc con 70
3 Bát ke vng góc cái 35
4 Gỗ ép 120x100 cm 1
Thiết kế khung đỡ với kích thước như sau:
Chiều cao: 70cm;
Chiều dài 120cm;
106
CHƯƠNG 5
THI CƠNG MƠ HÌNH
5.1 Thi cơng lắp ráp mơ hình
Sau khi đã hồn thành việc tính tốn, thiết kế ở chương 4, ta tiến hành tìm vật liệu để thi cơng lắp ráp mơ hình hồn thiện.
5.1.1 Lắp ráp khung đỡ mơ hình
Khung đỡ mơ hình sử dụng sắt V lỗ 3x3 được cắt thành từng khúc và lắp ráp lại với nhau bằng bu lông đai ốc và bát ke vng óc chun dùng cho bắt kệ sắt V lỗ. Bu lông đai ốc ở đây sử dụng là bu lơng có đầu được vát trịn tạo tính thẩm mỹ cho mơ hình, bu lơng có chiều dài là 12mm, đường kính là 8mm.
Hình 5.1: Bu lơng đai ốc bắt sắt chữ V
Để thêm phần vững chắc, giúp giữ các khớp nối vng góc chúng em dùng thêm bát ke vng góc.
107
Hình 5.3: Khung đỡ mơ hình hồn chỉnh
5.1.2 Lắp ráp các linh kiện của hệ thống chiếu sáng thông minh lên mơ hình 5.1.2.1 Mặt gỗ dùng lắp các linh kiện 5.1.2.1 Mặt gỗ dùng lắp các linh kiện
Chúng em dùng tấm gỗ ép 120x100cm có độ dày 12mm làm mặt phẳng gắn các linh kiện của hệ thống chiếu sáng thơng minh. Kích thước mặt gỗ bằng với kích thước khung đỡ mơ hình.
108
5.1.2.2 Hệ thống chiếu sáng thơng minh hồn thiện
Hình 5.5: Mơ hình thồn thiện
5.1.3 Đấu nối dây bên dưới mơ hình
Trừ các dây tín hiệu của cảm biến, cơng tắc đèn thì cịn lại các dây điện của các chi tiết khác đều đấu nối bên dưới bảng gỗ như là cầu chì, cụm relay, bóng đèn, nguồn,… Giúp cho mơ hình gọn gàng và tăng sự thẩm mỹ. Các dây điện được gôm lại bằng dây rút và nẹp dây điện.
109
Hình 5.6: Đường đi dây bên dưới mơ hình 5.2 Nạp chương trình điều khiển 5.2 Nạp chương trình điều khiển
Sau khi đã hoàn thành việc lắp ráp mơ hình tiếp theo đến cơng đoạn nạp chương trình điều khiển vào bộ điều khiển.
Chương trình điều khiển được viết bằng ngơn ngữ của Arduino phát triển dựa