Cụm đèn Multibeam LED là tổ hợp gồm 84 bóng LED độc lập cung cấp nguồn sáng. Ánh sáng sau đó được khuếch đại thơng qua hệ thống gương cầu. Khoảng chiếu sáng xa nhất hơn 600 mét.
84 bóng LED được điều khiển độc lập, khi tất cả cùng sáng sẽ cho vùng chiếu sáng xa nhất có thể. Trong khi đó, khi gặp xe ngược chiều radar sẽ nhận diện luồng sáng và tự động giảm bớt số bóng chiếu để khơng gây ảnh hưởng cho xe đối điện và vẫn đảm bảo vùng sáng tối đa cho người lái.
Hệ thống camera và radar cịn có thể nhận diện người đi bộ, động vật và biển báo. Từ đó bộ điều khiển sẽ có những điều chỉnh thích hợp. Khi gặp người đi bộ, đèn LED chiếu vào vị trí người sẽ nhấp nháy để gây chú ý. Trong khi đó, khi gặp động vật băng qua đường đèn LED sẽ tăng cường độ sáng, không nháy để con vật tránh hoảng sợ.
Ở những vị trí có biển báo giao thơng, cụm đèn thơng minh sẽ tăng cường độ sáng vào biển báo để người lái tiện quan sát. Hệ thống đèn LED có các tính năng tự
24
điều chỉnh theo góc đánh lái, điều chỉnh tầm chế độ xe, chế độ chạy cao tốc, chế độ đường vắng và đèn cho điều kiện sương mù.
Hình 3.4: Đèn pha MultiBeam của hãng Mercedes [19] 3.3 Công nghệ chiếu sáng Matrix LED của Audi
Cốt lõi trên hệ thống đèn pha LED ma trận kỹ thuật số của Audi có tên gọi DMD - Digital Micromirror Device (tạm dịch là thiết bị gương siêu vi kỹ thuật số). Thiết bị này là một tập hợp bao gồm 1 triệu gương siêu vi với độ dài cạnh chỉ khoảng vài phần trăm của 1mm. Các trường tĩnh điện cho phép những chiếc gương này có thể thay đổi góc chiếu lên tới 5000 lần mỗi giây.
Hình 3.5: Gương siêu vi được trang bị trong hệ thống đèn Matrix LED của Audi [3]
Chú thích:
Packaged device: Vỏ bọc bên ngoài gương siêu vi;
25
Trạng thái của gương siêu vi sẽ quyết định tới chùm sáng được phát ra bởi ba bóng đèn LED. Một hệ thống thấu kính được bố trí với nhiệm vụ hướng phần lớn luồng sáng xuống mặt đường. Với những vùng nhất định cần được làm tối, ánh sáng sẽ được dẫn hướng bằng các tấm gương siêu nhỏ truyền tới một bộ phận hấp thụ ở thấu kính, từ đó ánh sáng khơng chiếu ra ngồi.
Hệ thống sử dụng những tấm gương siêu nhỏ này để điều khiển chùm sáng chiếu ra theo ý muốn.
26
Chương 4
TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG THÔNG MINH Ô TÔ
4.1 Ý tưởng thiết kế mơ hình
Ý tưởng thiết kế hệ thống đèn chiếu sáng thông minh được phát triển dựa trên nền tảng có sẵn của ơ tơ đó là hệ thống chiếu sáng ơ tơ, nhóm em cho ra đời một mơ hình của hệ thống chiếu sáng có khả năng kết hợp với những ứng dụng thực tế có thể giúp người lái thay đổi chức năng chiếu sáng của hệ thống đèn nhưng không cần phải tác động trực tiếp vào nó.
Hệ thống chiếu sáng trên mơ hình gồm:
Chiếu sáng ở chế độ pha-cốt: sử dụng bộ đèn halogen hai tim cho hai chế độ chiếu sáng gần và chiếu sáng xa;
Đèn tín hiệu: có tất cả các chức năng bình thường như trên xe như đèn báo rẽ (trái, phải), đèn báo tín hiệu phanh, đèn báo khi có sương mù.
4.2 Ý tưởng thiết kế tự động bật/tắt hệ thống đèn chiếu sáng trên xe
Hệ thống đèn chiếu sáng trên xe có thể tự động bật/tắt để giảm thiểu thao tác tay cho người lái khi.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống tự động bật/tắt đèn chiếu sáng trên xe, những chiếc xe có trang bị hệ thống tự động này được gắn một cảm biến ánh sáng ở phía trước đầu xe và đưa tín hiệu về một mạch điều khiển để xử lý thông tin.
27
Khi mạch điều khiển nhận được các tín hiệu do cảm biến truyền về khi cảm biến nhận biết được ánh sáng mơi trường xung quanh yếu, gây tầm nhìn hạn chế thì lúc đó mạch điều khiển sẻ tự động đóng relay lại để đèn sáng.
Mơ hình thiết kế hệ thống đèn bật tắt tự động cũng được trang bị mạch xử lý thông tin và một cảm biến để điều khiển relay đóng ngắt như trên thực tế.
4.2.1 Tính tốn thiết kế hệ thống tự động bật/tắt đèn chiếu sáng
Hình 4.1: Sơ đồ mạch hệ thống tự động bật tắt đèn chiếu sáng khi trời sáng
Nguyên lý hoạt động:
Để mơ hình hệ thống đèn chiếu sáng thơng minh có thể hoạt động tự động bật/tắt thì cơng tắc đèn phải ở chế độ Auto.
Khóa điện ở vị trí ON, dịng điện đi qua accu qua cầu chì, qua cuộn dây đèn Tail và đèn head và khi dịng điện đi đến mosfet thì dừng lại do mosfet chưa dẫn. Để
28
mosfet có thể dẫn thì cần phải có tín hiệu điều khiển của Arduino (bộ điều khiển đèn) lúc này mosfet dẫn thì tiếp điểm của relay đóng lại.
Khóa điện ở vị trí ON, dịng điện đồng thời cũng sẽ cấp nguồn cho Arduino Mega 2560.
Để có thể hoạt động, nhưng trước khi dòng điện tới để cấp nguồn cho Arduino Mega 2560 thì dịng điện phải qua một mạch hạ áp từ 12V-9V. Nếu cơng tắc ở vị trí Auto thì Arduino sẽ cho phép chân số 11 đọc tín hiệu được truyền về từ các cảm biến ánh sáng tự động bật/tắt đèn chiếu sáng.
Nếu trời sáng: Chân tín hiệu của cảm biến ánh sáng ở mức thấp (0V), lúc này Arduino sẽ nhận biết được khơng có tín hiệu từ cảm biến ánh sáng, thì Arduino sẽ khơng kích cho mosfet số 1 và 2, tiếp điểm relay đèn tail và đèn đầu khơng đóng đèn tail và đèn head khơng sáng..
Nếu trời tối: Chân tín hiệu của cảm biến ánh sáng ở mức cao (5V), lúc này Arduino nhận biết được có tín hiệu từ cảm biến ánh sáng, Arduino sẽ kích một dịng điện 5V đến chân Control In của mosfet số 1 và 2 làm mosfet dẫn, tiếp điểm relay đèn tail và đèn đầu đóng, đèn tail và đèn đầu sáng.
29
Hình 4.2: Sơ đồ mạch hệ thống tự động bật tắt đèn chiếu sáng khi trời tối
Sơ đồ khối hệ thống tự động bật/tắt đèn chiếu sáng thông minh:
Cảm biến ánh sáng Bộ điều khiển ( Arduino Mega 2560) Bộ chấp hành (relay đèn)
30
Lưu đồ thuật toán bật/tắt đèn chiếu sáng thơng minh:
4.2.2 Cảm biến ánh sáng
Mơ hình hệ thống chiếu sáng thông minh được trang bị một mơ đun cảm biến ánh sáng CDS-NVZ1 nó giúp bộ điều khiển nhận biết được ánh sáng của môi trường bên ngồi để có thể thực hiện được khả năng tự động bật/tắt hệ thống đèn chiếu sáng. Để có thể nhận biết được điều kiện ánh sáng thì quang trở CDS là một bộ phận không thể thiếu của mơ đun cảm biến sáng ánh. Quang trở cịn được gọi với nhiều tên khác nhau như photoresistor, điện quang trở, photocell có khả năng thay đổi điện
31
trở khi có ánh sáng chiếu vào. Có thể hiểu được quang trở là một điện trở có thể thay đổi điện trở phụ thuộc vào cường độ ánh sáng.
Hình 4.3: Cảm biến ánh sáng CDS-NVZ1
Quang trở được làm từ một chất bán dẫn có cấu tạo đặt biệt là trong buổi tối quang trở có điện trở lên đến tới vài MΩ và vào buổi sáng thì điện trở của nó có thể giảm xuống thấp đến một hoặc một vài Ω. Có tính trở kháng cao, nhờ các đặc điểm đó thì người ta thường sử dụng quang trở vào các mơ hình có các mạch điều khiển theo điều kiện có ánh sáng ở ngồi mơi trường.
Cảm biến quang trở CDS-NVZ1 nó được sản xuất và bán ra với giá thành thấp, có kích thước nhỏ gọn, mức điện áp tiêu thụ chỉ từ 3.35VDC đặc biệt là có chân để xuất tín hiệu digital do đó nó rất phù hợp cho các mạch vi điều khiển.
Mô đun cảm biến ánh sáng quang trở có bốn chân nhưng trong mơ hình hệ thống chiếu sáng thơng minh của nhóm chỉ sử dụng ba chân là: GND, DO, VCC.
Bảng 4.1: Thông số cơ bản cảm biến ánh sáng CDS-NVZ1
VCC Nguồn
32
AO Ngõ ra tín hiệu Analog
GND Mass
Hình 4.4: Mạch quang trở CDS-NVZ1
Nguyên lý hoạt động:
Khi có nguồn điện đi qua led D1 ln ln sáng hiển thị cho cho người sử dụng biết đã có nguồn hoạt động. Đèn led D2 sáng/tắt tùy vào điều kiện ánh sáng của môi trường thay đổi như thế nào.
Tín hiệu của opamp tại chân số 3 được hiển thị tín hiệu ln ln ở mức cao (mức 1) tại vì nó được cấp nguồn điện liên tục.
Điều kiện ánh sáng tốt, trời sáng lúc này điện trở của cảm biến ánh sáng quang trở CDS giảm. Dòng điện đi từ nguồn qua quang trở CDS rồi xuống mass, do đó tại chân số 2 sẽ khơng có điện áp của opamp (mức 0) và opamp so sánh hai tín hiệu cho thấy mức 1 và 0 thì chân số một của opamp ở mức 0 nên led D2 sáng.
33
Điều kiện ánh sáng không tốt, trời tối lúc này điện trở của cảm biến ánh sáng quang trở CDS tăng mạnh. Dòng điện đi từ nguồn qua chân số 2 của opamp rồi xuống mass, tức có điện áp tại chân số 2 của opamp (mức 1) và opamp so sánh hai tín hiệu cho thấy mức 1 và 1 thì chân số một của opamp ở mức 1 nên led D2 tắt.
Việc bật/tắt hệ thống chiếu sáng thì cần phải có tín hiệu điện áp đến bộ điều khiển từ chân DO (output).
Tuy vậy cảm biến ánh sáng quang trở có những hạn chế như ảnh hưởng của ánh sáng từ bên ngồi mơi trường làm nhiễu tín hiệu cảm biến vì cám biến ánh sáng quang trở thường rất nhạy với sự thay đổi của ánh sáng mơi trường do đó để hạn chế những ảnh hưởng đó và để đảm bảo cho việc mô phỏng điều kiện môi trường sáng hoặc tối nên cảm biến ánh sáng quang trở được đặt trong hộp nhỏ có nắp đậy.
Hình 4.5: Cảm biến ánh sáng trong hộp
Hạn chế sự nhiễu của cảm biến khi có ánh sáng chiếu vào, nhóm đã tạo ra 1 hộp gỗ nhỏ để đặt cảm biến vào.
Cảm biến ánh sáng quang trở có thể lấy nguồn trực tiếp từ Arduino và được trang bị với một nguồn điện 3.3 đến 5VDC, tuy nhiên chân nguồn/GND của Adruino có hạn vì vậy để giúp giảm áp lực cho bộ điều khiển nên cảm biến ánh sáng được cấp nguồn từ một mạch hạ áp 12V xuống 5V
34
Hình 4.6: Mạch hạ áp LM2596 3A giúp chuyển điện áp 12V thành 5V
4.2.3 Bộ điều khiển
Mơ hình hệ thống chiếu sáng thơng minh được trang bị Arduino Mega 2560 để có thể điều khiển các chế độ bật/tắt của hệ thống chiếu sáng, bộ điều khiển sẽ đọc tín hiệu điện áp và đưa ra các lệnh để điều khiển bật/tắt hệ thống chiếu sáng, tín hiệu ở mức cao (5V) hoặc (0V) từ chân DO của cảm biến ánh sáng gửi đến chân số 11 của Arduino, chân số 11 này có nhiệm vụ đọc tín hiệu gửi đến từ chân DO của cảm biến ánh sáng khi công tắc đèn ở chế độ Auto.
Arduino được trang bị một điện áp khuyên dùng từ 9-10V do đó cần phải sử dụng một mạch hạ áp từ 12V xuống 9V để cấp nguồn cho Arduino nhằm tăng tuổi thọ cho linh kiện.
35
Hình 4.7: Mạch hạ áp LM2596 3A giúp chuyển điện áp 12V thành 9V
4.2.4 Bộ chấp hành
Bộ đèn của hệ thống chiếu sáng thông minh là bộ chấp hành của hệ thống chiếu sáng chính, và được điều khiển bằng relay.
Hệ thống đèn chiếu sáng thông minh được điều khiển bằng bộ xử lý trung tâm Arduino như đã được nêu ở phần trên, Arduino có các chân tín hiệu với các mức độ khác nhau lúc cao lúc thấp và tương đương với mức cao, mức thấp đó là giá trị điện áp 5V/0V. Do đó việc sử dụng Arduino để đóng ngắt điện trực tiếp để có thể kích từ cho relay 12V là khơng thể nào. Vì vậy cần phải trang bị thêm một bộ phận tín hiệu 5V và có thể đưa ra tín hiệu 12V, do đó mơ hình được trang bị Mosfet HA210N06 để có thể nhận tính hiệu 5V của Arduino để có thể xuất ra tín hiệu 12V để kích từ cho relay có thể hoạt động được.
4.3 Ý tưởng thiết kế hệ thống tự động chuyển pha - cốt
Hiện nay trên Việt Nam đường xá vẫn còn chưa được nâng cấp hết, vẫn còn những con đường chưa có đèn, ổ gà. Do đó người lái xe thường bật đèn pha khi lưu thông trên đường để tăng tầm nhìn và hạn chế nguy hiểm xảy ra. Nhưng việc bật đèn pha đó cũng có thể gây nguy hiểm cho phương tiện đi chiều ngược lại làm chói mắt
36
mất tầm nhìn của họ nên người lái xe thường phải sử dụng thao tác chuyển từ đèn pha sang đèn cốt để giảm thiểu tối đa những nguy hiểm gây ra và cũng như thể hiện sự lịch sự khi tham gia giao thơng vào ban đêm.
Để có thể tự động chuyển pha thành cốt thì phải nhờ một ra đa cảm biến khoảng cách. Khi phía trước xuất hiện vật cản thì cảm biến khoảng cách sẽ nhận được tín hiệu và truyền về bộ xử lý và đưa lên mày hình LCD để cho người lái biết được khoảng cách giữa xe và vật cản. Nhưng chỉ có một yếu tố này thì chưa đủ điều kiện để kích hoạt được chế độ tự động chuyển pha sang cốt mà phải cần kết hợp thêm một yếu tố quan trọng nữa đó là tín hiệu từ cảm biến ánh sáng được đặt trên capo để nhận biết đó là vật cản gì để đảm bảo rằng đó là một chiếc xe chứ khơng phải là một vật cản khác như: (đá, biển báo, cây...). Do đó khi 2 điều kiện phát hiện có vật cản và có ánh sáng ở phía trước thì bộ xử lý sẽ tự động chuyển từ pha sang cốt.
4.3.1 Tính tốn thiết kế hệ thống tự động chuyển pha – cốt
Sơ đồ khối hệ thống tự động chuyển pha – cốt:
Cảm biến ánh sáng + Cảm biến ra đa khoảng cách Bộ điều khiển (Arduino Mega 2560) Bộ chấp hành (relay đèn) Màn hình LCD
37
Hình 4.8: Sơ đồ hệ thống tự động chuyển pha-cốt khi chưa có ơ tơ đối diện
Nguyên lý hoạt động:
Khi khóa điện được bật, dịng điện sẽ đi từ accu qua cầu chì đến cấp nguồn cho bộ điều khiển đèn và các cảm biến qua một mạch hạ áp. Bật cơng tắc đèn ở chế độ Auto-pha thì lúc này cảm biến ánh sáng sẽ tự động bật đèn (TĐBĐ) để có thể nhận biết được điều kiện ánh sáng để quyết định cho việc có thể bật/tắt đèn của hệ thống chiếu sáng thông minh.
Nếu điều kiện đảm bảo trời tối, đèn pha sẽ được bật nhờ nguồn điện kích từ Arduino bằng cách phát ra tín hiệu làm dẫn mosfet số 1 và số 2 giúp đóng tiếp điểm 3 và 4 của relay đèn đầu và đóng tiếp điểm 3’5 của relay chuyển pha – cổt.
Khi cảm biến US-015 phát hiện có vật cản nằm trong phạm vi 150cm, đồng thời cảm biến ánh sáng thu được ánh sáng phát ra từ vật cản đó, lúc này Arduino sẽ
38
phân tích tín hiệu truyền tới từ các cảm biến và hiểu rằng phía trước có xe đối diện. Sau đó, Arduino sẽ ngắt dịng điện đến chân G của mosfet số 1 làm mosfet này ngưng dẫn làm tiếp điểm của relay tự động chuyển pha – cốt sẽ chuyển về vị trí 3’4’ làm đèn cốt sáng.
39 Lưu đồ thuật toán tự động chuyển pha-cốt:
4.3.2 Cảm biến ra đa khoảng cách
40
Nhóm em sử dụng Cảm biến ra đa đo khoảng cách US-015: • Khoảng cách nhận: 12~400cm; • Điện thế hoạt động: DC 5V; • Chuẩn tín hiệu: TTL; • Dịng tiêu thụ: 2.2mA; • Độ chính xác: 0.3cm + 1%; • Góc qt: <15 degree;
• Khoảng nhiệt độ hoạt động: 0~+700C.
Module cảm biến US-015 có 4 chân: VCC, GND, Trigger và Echo. Với chân