CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 12.2022
156
KHOA H
ỌC
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ THỐNG GẠT MƯA TỰ ĐỘNG TRÊN Ô TÔ
RESEARCH AND MANUFACTURING AUTOMATIC WIPER SYSTEM Bùi Quốc Việt 1, Trương Anh Tuấn1, Đinh Thế Linh2, Ngô Văn Hiệp3, Bùi Văn Chinh4,* TÓM TẮT Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu chế tạo hệ thống gạt mưa tự động tr
ên
xe ô tô. Cách thức vận hành của hệ thống được thể hiện thông qua mô hình th
ực
nghiệm. Thiết bị sử dụng cảm biến lượng nước để xác định có đang m
ưa hay
không. Mạch điều khiển được thiết kế dựa trên m
ạch Adruino Uno. Khi áp dụng
kết quả đề tài vào th
tô. Hệ thống giúp cho người lái có thể chủ động trong việc vận hành h
ệ thống gạt
mưa mà không cần tác động. Đề tài này không ch
ỉ áp dụng hiệu quả ở Việt Nam
mà còn có thể áp dụng trên toàn thế giới. Từ khóa: Mô hình hệ thống gạt mưa tự động, cảm biến nước mưa, ph
ần mềm
Altium, ph
ần mềm Proteus. ABSTRACT
This paper presents the results of research and manufacture of automatic
wiper systems in cars. The operating mode of the system is shown through an
experimental model. The device uses a water level sensor to determine if it is
raining
or not. The control circuit is designed based on the Adruino Uno circuit.
When applying the results of the project in practice, it will contribute to one of
the benefits of cars. The system helps the driver to be active in operating the
wiper system withou
t any impact. This topic is not only applied effectively in
Vietnam but also worldwide. Keywords:
Model of automatic wiper system, Rain sensor, Altium software,
Arduino software, Proteus softwware.
1Lớp Kỹ thuật Ô tô 3 - K13, Khoa Công nghệ Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội 2Lớp Kỹ thuật Ô tô 4 - K14, Khoa Công nghệ Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
3Lớp Kỹ thuật Ô tô 7 - K15, Khoa Công nghệ Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
4Khoa Công nghệ Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội *Email: chinhbv@haui.edu.vn 1. GIỚI THIỆU CHUNG Ngày nay, với sự phát triển không ngừng của xã hội thì phương tiện giao thông cũng ngày càng phát triển. Trong đó, ô tô là một trong những phương tiện phổ biến nhất. Thiết bị hệ thống điều khiển gạt mưa trên ô tô đã được các nhà sản xuất nghiên cứu và đưa vào sử dụng phổ biến. Vì vậy, nhóm nghiên cứu đã lên kế hoạch, giải pháp giúp tài xế chủ động điều khiển phương tiện trong mọi tình huống, vừa đảm bảo an toàn cho người tham gia giao thông. Nghiên cứu góp phần có ích cho cộng đồng, xã hội. Với cảm biến gạt mưa tự động trang bị trên xe, người lái sẽ không còn phải bận tâm về việc điều khiển công tắc gạt mưa, thay vào đó là tập trung vào lái xe. Cảm biến gạt mưa tự động sẽ thay thế tài xế điều khiển motor gạt để làm sạch kính chắn gió phía trước, giúp đảm bảo tầm nhìn luôn ưu nhất trong những lúc điều kiện thời tiết trở nên xấu đi. Với những ưu điểm vượt trội như vậy vấn đề đặt ra làm sao có thể thiết kế hệ thống này với một giá cả hợp lí và chất lượng không thua kém hệ thống trang bị trên các xe ô tô đắt tiền. Đây là vấn đề cần quan tâm để có thể trang bị hệ thống này cho nhiều dòng xe khác, không chỉ trên các xe đắt tiền. 2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1. Nghiên cứu phương án sử dụng bộ xử lý Adruino Khi trời có mưa thì cảm biến nước mưa được trang bị trên kính chắn gió của xe sẽ gửi tín hiệu về cho bộ xử lý (Arduino) và xuất lên màn hình hiện trạng thái có mưa hay không. Khi đó trên màn hình sẽ hiển thị dòng chữ “Raining” đồng thời lức đó thì ARDUINO sẽ gửi tín hiệu đến motor gạt mưa và vận hành theo từng mức độ mưa nhiều hay ít. Ưu điểm: - Hệ thống có thể tự động điều khiển cơ cấu chấp hành motor gạt mưa mà không cần tới tác động của người lái; - Có thể sử dụng nguồn độc lập hoặc sử dụng nguồn ắc quy của xe ô tô; - Nhỏ gọn và dễ lắp đặt nếu mang đi lắp đặt thực tế trên xe. Hình 1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống thử nghiệm
SCIENCE - TECHNOLOGY Số 12.2022 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
157
Hình 1 thể hiện sơ đồ bố trí hệ thống thử nghiệm gồm các thiết bị chính sau: bộ xử lý Adruino, cảm biến lượng nước, động cơ servo và màn hình hiển thị. 2.2. Các bộ phận chính của mô hình sử dụng bộ xử lý Adruino 2.2.1. Cảm biến sóng siêu âm Vậy cảm biến lưu lượng nước mưa là thiết bị điện tử hoạt động dựa trên nguyên lý chênh lệch về điện áp. Chức năng phát hiện khi có nước trên bề mặt [6]. Hình 2. Cảm biến lưu lượng nước mưa Nguyên lý hoạt động: Các mạch cảm biến mưa có nguyên tắc hoạt động khá đơn giản, chúng hoạt động bằng cách so sánh hiệu điện thế của mạch cảm biến nằm ngoài trời với giá trị định trước (giá trị này thay đổi được thông qua 1 biến trở màu xanh) từ đó phát ra tín hiệu đóng / ngắt rơ le qua chân DO. Khi có nước trên bề mặt cảm biến (trời mưa), độ dẫn điện tốt hơn và tạo ra ít điện trở hơn, chân DO được kéo xuống thấp (0V), đèn LED màu đỏ sẽ sáng lên. Tương tự, khi cảm biến khô ráo (trời không mưa), độ dẫn điện kém và cho điện trở cao, chân DO của module cảm biến mưa được giữ ở mức cao (5V - 12V). Vì vậy, đầu ra của cảm biến mưa chủ yếu phụ thuộc vào điện trở. Mạch hoạt động với nguồn 5V. 2.2.2. Bộ xử lý Adruino Arduino là một nền tảng mã nguồn mở được sử dụng để xây dựng các ứng dụng điện tử tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn. Arduino giống như một máy tính nhỏ để người dùng có thể lập trình và thực hiện các dự án điện tử mà không cần phải có các công cụ chuyên biệt để phục vụ việc nạp code [3]. Hình 3 thể hiện sơ đồ mạch Arduino bao gồm: 1 vi điều khiển tự động điện áp đầu cực máy phát điện với nhiều linh kiện bổ sung giúp dễ dàng lập trình và có thể mở rộng với các mạch khác. Một khía cạnh quan trọng của Arduino là các kết nối tiêu chuẩn của nó, cho phép người dùng kết nối với CPU của bảng với các mô đun thêm vào có thể dễ dàng chuyển đổi, được gọi là tấm chắn. Vài tấm chắn truyền thông với bảng Arduino trực tiếp thông qua các chân khác nhau, nhưng nhiều tấm chắn được xác định địa chỉ thông qua mạch tích hợp đa dẫn, nhiều tấm chắn có thể được xếp chồng và sử dụng dưới dạng song song. Arduino chính thức thường sử dụng các dòng chip megaAVR, đặc biệt là ATmega8, ATmega168, ATmega328, ATmega1280 và ATmega2560. Hầu hết các mạch gồm một bộ điều chỉnh tuyến tính 5V và một thạch anh dao động 16MHz hoặc bộ cộng hưởng ceramic trong một vài biến thể. Một vi điều khiển Arduino cũng có thể được lập trình sẵn với một bộ tải chương trình mồi cho phép đơn giản là nạp chương trình vào bộ nhớ nhanh, so với các thiết bị khác thường phải cần một bộ nạp bên ngoài. Điều này giúp cho việc sử dụng Arduino được trực tiếp hơn bằng cách cho phép sử dụng một máy tính gốc như là một bộ nạp chương trình [3]. Hình 3. Sơ đồ mạch Adruino Bộ xử lý sử dụng con chip Arduino Pro Mini để xử lý thông tin của các tín hiệu từ các bộ phận đầu vào, từ đó xử lý và phát tín hiệu cho đầu ra để thực hiện việc có cảnh báo hay không. Hình 4. Mạch điện bộ xử lý 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 3.1. Sơ đồ hệ thống thử nghiệm Quá trình thử nghiệm đánh giá tính năng kỹ thuật của mô hình hệ thống gạt mưa tự động được lắp trên xe ô tô trong nhiều trường hợp khác nhau. Hình 5. Sơ đồ nguyên lý hệ thống thử nghiệm
CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 12.2022
158
KHOA H
ỌC
Hệ thống thử nghiệm được thiết kế bao gồm bộ đổi nguồn, cảm biến lượng nước mưa, màn hình hiển thị, bộ xử lý, động cơ servo, khoá điện. Nguồn cáp điện 12V sẽ đi qua bộ đổi nguồn xuống còn 5V và đi vào các thiết bị sử dụng nguồn điện 5V như màn hình hiển thị thông tin, còn lại những chi tiết khác vẫn sử dụng nguồn 12V. Khi cảm biến đo đuợc lượng nước trên bề mặt màn hình sẽ hiển thị trạng thái khi đó và điều khiển các cơ cấu chấp hành. 3.2. Sơ đồ bố trí trang thiết bị thử nghiệm Các thiết bị chính được sử dụng trong quá trình thử nghiệm như bộ đổi nguồn, cảm biến đếm số người trên xe, màn hình hiển thị, bộ xử lý, rơ le cảnh báo, khoá cửa và khoá điện, nút reset khởi động lại mạch. Các trang thiết bị thử nghiệm được lắp đặt như thể hiện trên hình 6. Hình 6. Sơ đồ bố trí trang thiết bị thử nghiệm trên xe Ô tô 3.3. Quy trình thử nghiệm Trong hình 7 thể hiện sơ đồ mạch điện, có bố trí các cơ cấu trên hệ thống kết nối với bộ xử lý và cơ cấu chấp hành.
Hình 7. Sơ đồ mạch điện thực tế Khi cấp nguồn cho mạch: Mạch chỉ hoạt động khi cấp nguồn điện vào mạch. Khi đó xe đã được khởi động. Khi đáp ứng được điều kiện trên thì đèn sáng ở cụm nguồn, trên Arduino và trên cảm biến. Trên màn hình hiển thị “RAIN SENSOR” và sẽ hiển thị “not rain” hoặc “raning” Hình 8. Mạch khi cấp nguồn Khi có một lượng nước mưa nhất định xuất hiện trên cảm biến mưa, trên màn hình LCD sẽ hiển thị cho chúng ta thấy “raning”. Ngược lại khi không có lượng nước mưa nào xuất hiện trên cảm biến, trên màn hình LCD sẽ hiển thị cho chúng ta thấy “not raining”. Hình 9. Màn hình khi chưa có mưa 3.4. Kết quả thử nghiệm Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống gạt mưa tự động có thể hoạt động ở nhiều chế độ tùy thuộc vào lượng nước trên bề mặt của cảm biến. Ngoài ra do chỉ cần cấp nguồn thì hệ thống sẽ hoạt động nên cũng cần phải cải thiện
SCIENCE - TECHNOLOGY Số 12.2022 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
159
nguồn cung cấp điện để tranh gây lãng phí điện năng trong quá trình xe dừng đỗ. Phương hướng phát triển của đề tài là tích hợp thêm các cảm biến khác để xác định được chính xác tình trạng thời tiết để tránh rơi vào những trường hợp do tác động của ngoại cảnh khiến cảm biến lượng nước hoạt động không chính xác. 4. KẾT LUẬN Nghiên cứu đã xây dựng thành công được mô hình mô phỏng để xem xét quá trình vận hành có xảy ra sai sót gì không và định hướng ứng dụng cho các dòng xe ô tô nói riêng và phương tiện giao thông khác nói chung. Sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa mô phỏng và thực nghiệm, trong đó nghiên cứu mô phỏng thực hiện nghiên cứu, viết chương trình cho bộ xử lý Arduino bằng phần mềm Altium. Còn nghiên cứu thực nghiệm đã thực hiện xây dựng mô hình mô phỏng hoạt động của hệ thống điều khiển gạt mưa tự động lắp trên xe ô tô. Kết quả của nghiên cứu thực nghiệm được sử dụng để làm cơ sở trong việc hiệu chỉnh và đánh giá độ tin cậy của mô hình mô phỏng. Mô hình sau khi xây dựng xong có đủ độ tin cậy để dùng tiếp tục nghiên cứu cải tiến trong tương lai. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Kỹ thuật sửa chữa và bảo dưỡng ô tô. NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [2]. Nguyễn Thành Bắc, Chu Đức Hùng, Thân Quốc Việt, Phạm Việt Thành, Nguyễn Tiến Hán, 2017. Hệ thống điện - điện tử ô tô cơ bản. NXB Khoa học và Kỹ thuật. [3]. Phạm Quang Huy, 2018. Vi điều khiển và ứng dụng ARDUINO dành cho người mới bắt đầu. NXB Thanh niên. [4]. Phạm Quang Huy, 2018. Vi điều khiển và ứng dụng ARDUINO dành cho người tự học. NXB Thanh niên. [5]. Ngô Diên Tập, 2003. Vi điều khiển với lập trình C. NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. [6]. Cảm biến vị trí và dịch chuyển. Đại học Bách khoa Hà Nội.