Nguyên lý hoạt động:
Vì chế độ đèn báo nguy sử dụng đồng thời các bóng đèn xi nhan trái và phải nên việc bât/tắt chế độ báo nguy cũng sử dụng bộ relay đèn xi nhan trái, phải và mosfet số 7, 8 làm bộ chấp hành. Do công tắc hazard được nối trực tiếp vào chân tín hiệu digital của bộ điều khiển nên bộ điều khiển sẽ phát hiện được trạng thái của cơng tắc này nhờ đó thực hiện điều khiển bật/tắt đèn báo nguy.
Khi cơng tắc hazard đóng, bộ điều khiển sẽ gửi đồng thời hai tín hiệu điện áp giống nhau đến kích mosfet số 7 và số 8 làm hai mosfet này dẫn từ đó làm đóng đồng thời tiếp điểm của relay đèn xi nhan trái và phải. Nhờ tín hiệu truyền đi từ bộ điều khiển là dạng tín hiệu bật/tắt xen kẽ với thời gian một giây nên cụm đèn xi nhan trái và phải trước, sau sẽ nhấp nháy cùng lúc.
81
Chế độ báo nguy được bật khi ô tô ta gặp tình trạng hư hỏng nhằm thơng báo cho phương tiện đi đường xung quanh biết và tránh né giúp ơ tơ có thể an tồn vào lề khơng xảy ra va chạm. Ở chế độ báo nguy sử dụng các linh kiện sau:
Cụm đèn xi nhan trước và sau đóng vai trị là bộ chấp hành nhận điều khiển từ relay;
Arduino Mega 2560 là bộ điều khiển cho chức năng này là nơi nhận và xử lý tín hiệu điều khiển;
Khoá điện giúp dẫn nguồn cấp cho bộ điều khiển hoạt động;
Công tắc hazard là nguồn tín hiệu đầu vào bộ điều khiển nhận và xử lý tín hiệu điều khiển mosfet;
Mosfet nhận tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển và cấp nguồn điều khiển relay;
Relay ở chế độ này điều khiển cả xi nhan trước và sau.
4.7.4.1 Công tắc hazard
Công tắc hazard là công tắc dùng để điều khiển bật/tắt bốn đèn xi nhanh cùng một lúc còn được gọi là đèn Hazard lights. Đèn Hazard lights nó giúp cảnh báo cho những người điều khiển phương tiện giao thơng xung quanh biết được tình trạng nguy hiểm và để phịng ngừa va chạm giữa các xe với nhau. Công tắc đèn báo nguy hiểm có hình tam giác, màu đỏ, kích thước lớn được bố trí ở nơi dể thấy cụ thể là trên bảng táp lô trước mặt tài xế.
Mơ hình được trang bị cụm đèn hazard sử dụng cơng tắc hazard có ba chân nhưng cụm đèn hazard được bộ điều khiển trung tâm điều khiển thông qua bộ tạo nháy bình thường nên chỉ sử dụng có hai chân để tạo tín hiệu truyền về Arduino để có thể biết được cơng tắc đang bật/tắt.
82
Hình 4.40: Cơng tắc đèn báo nguy được mô phỏng bằng nút nhấn 2
chế độ ON/OFF
4.7.5 Tính tốn thiết kế chế độ đèn báo phanh
Hình 4.41: Sơ đồ đèn phanh
Nguyên lý hoạt động:
Đèn báo phanh sử dụng một công tắc phanh thường mở dùng để mơ phỏng q trình đạp phanh. Khi nhấn cơng tắc phanh, dịng điện đi từ accu qua khóa điện, qua tiếp điểm 1’’ và 2’’ của công tắc phanh làm sáng đồng thời đèn phanh bên trái và bên phải.
83
Chế độ đèn phanh giúp cho phương tiện chạy phía sau nhận biết được ta đang sử dụng phanh để có thể kịp thời xử lý các tình huống bất ngờ khác đảm bảo an tồn cho phương tiện phía sau. Chế độ đèn báo phanh nhóm sử dụng các linh kiện:
Khoá điện giúp cấp nguồn cho đèn phanh;
Công tắc phanh là tiếp điểm thường mở giúp dẫn dòng điện cho đèn phanh sáng;
Đèn phanh là bộ chấp hành.
4.7.5.1 Công tắc phanh
Cơng tắc phanh cịn hay được gọi là bàn đạp phanh có chức năng để bật/tắt đèn tín hiệu phanh báo cho xe phía sau biết người lái phía trước muốn giảm tốc độ. Nhưng thường bàn đạp phanh thực tế trên ô tơ có kích thước lớn do đó khơng thể gắn đối với mơ hình nhỏ nên nhóm đã chọn một cơng tắc phanh nhỏ gọn để phù hợp với mơ hình với chức năng đơn giản là On/Off để có thể mơ tả được việc đạp phanh.
Hình 4.42: Bàn đạp phanh mô phỏng thường mở
4.7.5.2 Đèn phanh
Cụm đèn báo phanh + tail: sử dụng bóng đèn 12V 5/21W hai tim
84
Hình 4.43: Cụm đèn hậu tích hợp gồm: đèn báo phanh+tail 4.8 Các thiết bị công nghệ và bộ điều khiển dùng để thực hiện ý tưởng 4.8 Các thiết bị công nghệ và bộ điều khiển dùng để thực hiện ý tưởng
4.8.1 Phần mềm
Phần mềm Arduino IDE.
Phần mềm lập trình Arduino IDE là một phần mềm lập trình khá đơn giản với sử dụng ngôn ngữ dể hiểu Wiring dựa trên nền tảng của phần mềm lập trình C/C++ là một phần mềm quen thuộc với những người kỹ thuật, nó được thiết kế ra cho những người mới làm quen hoặc mới sử dụng phần mềm lập trình.
Muốn điều khiển được chương trình thì cần có phải hai phần phần thứ nhất là phần thiết lập, phần hai là vòng lặp được setup bằng hai hàm:
- Void setup(): hàm để để sử dụng khi khởi động, thiết lập các cài đặt cho chương trình chạy.
- Void loop(): hàm này nó là một hàm lặp cho đến khi kết thúc tất cả các chương trình và đến lúc tắt nguồn của bo mạch.
Khi chương trình đã được cài đặt hồn thành thì tự động các phần mềm có nhiệm vụ biên dịch để phát hiện ra những lỗi và để update chương trình điều khiển lên bo mạch đã được thiết lập từ trước bằng cách nhấn chuột. Arduino IDE đã kết
85
hợp sử dụng phần mềm AVR Libc và GNU toolchain để có thể biên dịch chương trình và sau đó dùng Avrdude để có thể tải chương trình lên bo mạch.
Hiện nay thì Arduino IDE có thể chạy dựa trên các nền tảng thơng thường được sử dụng rộng rãi như Windows, MacOS, Linux, Windows. Vì vậy do các chương trình này được phổ biến nên phần lập trình hồn tồn khơng tốn phí và nó có thể được phát triển sâu hơi bởi những người có kình nghiệm hơn. Chúng em chọn phần mềm này để soạn chương trình điều khiển hệ thống chiếu sáng thông minh.
4.8.2 Phần cứng
4.8.2.1 Mạch Arduino Uno R3
Hình 4.44: Mạch Arduino UNO R3
Arduino Uno là một dòng thuộc Arduino được sử dụng rộng rãi cho những người mới tập tiếp xúc với lập trình. Hiện nay cơng nghệ càng ngày càng phát triển thì Arduino cũng phát triển theo, Arduino đã phát triển đến thế hệ thứ ba đó là (Mạch Arduino Uno R3).
Hiện nay cũng có thể sử dụng nhiều loại mạch để lập trình như Arduino Micro, Arduino Nano, Arduino Mega... nhưng dòng mạch cơ bản tối ưu nhất, sử dụng một cách linh hoạt nhất là Arduino Uno R3. Do đó Arduino là một sự lựa chọn rất phù hợp cho việc lập trình cho người mới bắt đầu lập trình. Vì thế mạch Arduino Uno R3
86
được sử dụng để có thể điều khiển hệ thống bảo mật vân tay và có thể kết hợp với cử chỉ chào hỏi của hệ thống chiếu sáng thông minh.
Bảng 4.2: Thông số cơ bản của mạch Arduino Uno R3
Điện áp hoạt động 5V
Điện áp đầu vào (Giới hạn)
6-20V
Điện áp đầu vào (Khuyên dùng)
7-12V
Vi điều khiển ATmega328P
Dòng sử dụng 3.3V Pin 50 mA
Dòng sử dụng I/O Pin 20 mA
Bộ nhớ Flash 32 KB (ATmega328P) với 0.5KB
dùng bởi Bootloader
SRAM 2 KB (ATmega328P)
87
Clock Speed 16 MHz
LED_BUILTIN 13
Chân Digital I/O 14 (Với 6 chân PWM output)
Chân PWM Digital I/O 6
Chân đầu vào Analog 6
Chiều dài 68.6 mm
Chiều rộng 53.4 mm
Trọng lượng 25 g
4.8.2.2 Mạch Arduino Mega 2560
Mạch Arduino Mega 2560 là phiên bản đã được nâng cấp lên dựa trên nền tảng của mạch Arduino Mega 1280 đang được sử dụng rộng rãi. Được trang bị với con chip ATmega2560 và được trang bị bộ nhớ flash memory lớn lên đến 256 KB, 4 KB cho bộ nhớ EEPROM và 8KB cho bộ nhớ SRAM. Với dung lượng lớn như vậy thì có thế giúp cho người viết chương trình thực hiện những thao tác phức tạp hơn và có khả năng điều khiển được máy in 3D, robot.
88
Hình 4.45: Mạch Arduino Mega 2560
Mạch Arduino Mega 2560 là một bo mạch vi điều khiển được hoạt động với con chip ATmega2560 gồm:
- 54 chân digital (trong đó có 15 chân có thể được sủ dụng như những chân PWM là từ chân số 2 → 13 và chân 44, 45, 46);
- 6 ngắt ngoài: chân 21 (interrupt 2), chân 20 (interrupt 3), chân 19 (interrupt 4), chân 18 (interrupt 5), chân 3 (interrupt 1), chân 2 (interrupt 0);
- 16 chân vào analog (từ A0 đến A15);
- 4 cổng Serial giao tiếp với phần cứng;
- 1 đầu ICSP;
- 1 đầu ICSP;
- 1 thạch anh với tần số dao động 16 MHz;
- 1 jack cắm điện;
- 1 cổng kết nối USB;
89
Bảng 4.3: Thông số cơ bản Arduino Mega 2560
Chip xử lý ATmega2560
Cường độ dòng điện trên mỗi 3.3V pin 50 mA
Cường độ dòng điện trên mỗi I/O pin 20 mA
Flash Memory 256 KB
SRAM 8 KB
EEPROM 4 KB
Clock Speed 16 MHz
Điện áp vào (đề nghị) 7V-15V
Điện áp vào (giới hạn) 6V-20V
Điện áp hoạt động 5V
Như đã giới thiệu về Arduino Mega 2560 ta có thể thấy đây là một bo mạch có bộ nhớ và có số chân cắm nhiều đồng thời số lượng Shield hỗ trợ không hề nhỏ. Mạch Arduino Mega là một dòng mạch đặc biệt nhất trong các dịng Arduino khác được sản xuất cho có khả năng xử lý thơng tin nhanh, có số chân Analog, Digital và đặt biệt là có bộ nhớ cao do đó nó được sử dụng rất nhiều trong các máy móc tự động
90
như robot, in 3D… Vì vậy nhóm quyết định chọn mạch Arduino Mega 2560 để làm bộ điều khiển mơ hình đèn chiếu sáng thơng minh vì mơ hình cần sử dụng nhiều cảm biến khác nhau và phải xử lý cùng một lúc nhiều việc địi hỏi sự chính xác và nhanh chóng. Do đó việc sử dụng Arduino Mega làm bộ điều khiển các chương trình chiếu sáng thơng minh là rất phù hợp.
4.8.3 Nguồn
4.8.3.1 Nguồn cung cấp cho toàn bộ hệ thống
Để Arduino Mega 2560, Arduino Uno R3 đồng thời các cảm biến, servo, LCD hoạt động cần phải cung cấp nguồn nhóm chúng em trang bị bộ nguồn 12VDC 600W có khả năng cung cấp cho toàn bộ hệ thống điện của hệ thống chiếu sáng thơng minh.
Hình 4.46: Nguồn HUNCO 12 V DC 50A
Nguồn HUNCO 12VDC 50A là một bộ chuyển đổi điện áp sử dụng điện áp vào xoay chiều từ 185240V, 50/60Hz. Sử dụng điện áp đầu ra một chiều 12V, 50A với công suất lớn 600W.
4.8.3.2 Nguồn cung cấp cho bộ điều khiển trung tâm
Nguồn từ HUNCO cung cấp điện áp 12V mà bộ điều khiển trung tâm mạch Arduino Mega 2560 và mạch Arduino Uno R3 lại cần đảm bảo cấp cho một điện áp
91
an toàn, ổn định cho thiết bị là từ 7V12V. Do đó nguồn của Arduino được cấp nhờ một mạch hạ áp LM2596 3A có khả năng giảm điện áp từ 12V xuống 9V để cung cấp nguồn cho bộ điều khiển trung tâm. Mơ hình được trang bị thêm một màn hình led để hiển thị các giá trị điện áp để tiện cho việc quan sát và chỉnh sửa thơng số.
Hình 4.47: Mạch hạ áp LM2596 3A
4.8.3.3 Nguồn cung cấp cho các cảm biến, servo, LCD
Các cảm biển của mơ hình được cung cấp một điện áp một chiều 5V. Do đó mạch Arduino cần phải có nhiều chân để có thể cắm nguồn 5V và chân GND. Nhưng những chân GND và chân 5V trên mạch Arduino thì có giới hạn dẫn đến mạch Arduino rất dể gặp sự cố gây ra lỗi tự reset hoặc hư hỏng mạch nên phải cung cấp điện áp cho nhiều cảm biến và servo cùng một lúc.
Để có thể tránh được tình trạng này thì cần phải sử dụng một nguồn riêng 5V cho các cảm biến và servo. Để có một nguồn 5V thì phải cần đến một mạch hạ áp LM2596 3A để giúp hạ điện áp xuống từ 12V xuống 5V.
92
4.8.4 Bộ xử lý trung gian và bộ điều khiển đóng ngắt mạch 4.8.4.1 Cụm relay 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 cơng 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 dịng 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 cịn 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 dòng 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 thơng mạch, lúc này thì chân Bet là chân mass làm cho dòng 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 cơng 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).