Thiết kế mô hình hệ thống gạt mưa tự động thông qua ứng dụng vi điều khiển Arduino

Đồ án tốt nghiệp là một điều kiện cần để các sinh viên sau khi hoàn thành khóa học có thể tốt nghiệp. Vào học kỳ cuối, những sinh viên đủ điều kiện sẽ được làm đồ án tốt nghiệp. Việc thực hiện đề tài tốt nghiệp là cơ hội để sinh viên tổng hợp kiến thức, thể hiện khả năng, tìm hiểu thực tế và trau dồi thêm những ký năng cần thiết trước khí ra trường.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯

VIỆN CƠ KHÍ

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG GẠT MƯA TỰ ĐỘNG THÔNG QUA ỨNG DỤNG VI ĐIỀU

KHIỂN ARDUINO

Giảng Viên Hướng Dẫn: Dương Minh Thái Sinh Viên Thực Hiện: Bùi Xuân Phong MSS: 17H1080056 Lớp: CO17CLCB

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 7 /2022

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯

VIỆN CƠ KHÍ

ĐỀ TÀI

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG GẠT MƯA TỰ ĐỘNG THÔNG QUA ỨNG DỤNG VI ĐIỀU

TRƯỜNG ĐH GIAO THÔNG VẬN TẢI VIỆN CƠ KHÍ

BỘ MÔN CƠ KHÍ – Ô TÔ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP

Sinh viên thực hiện: BÙI XUÂN PHONG MSSV: 17H1080056

Ngành: Cơ khí Ô Tô

1 Tên đề tài khoá luận: THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG GẠT MƯA TỰ ĐỘNG THÔNG QUA ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO

2 Nội dung chính của khoá luận:

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và phát triển hệ thống gạt mưa tự động

- Thiết kế mô hình và mô phỏng thông qua các ứng dụng Arduino, Proteus 8, Solidwork

3 Kết quả đạt được:

- Hoàn thiện báo cáo, thuyết minh khóa luận tốt nghiệp - Hoàn thiện mô hình, mô phỏng phần mềm

- Hoàn thành khóa luận tốt nghiệp theo yêu cầu

4 Ngày giao khoá luận: 01/04/202 5 Ngày nộp khoá luận: 14/7/2022

6 Kết luận: Nội dung và yêu cầu của Khoá luận tốt nghiệp đã được thông qua bởi:

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 7 năm 2022

LỜI CAM KẾT

Chúng em xin cam kết đây là đề tài nghiên cứu nằm trong đồ án tốt nghiệp do chính chúng em thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy Dương Minh Thái Các kết quả nghiên cứu và sản phẩm cuối cùng trong đồ án tốt nghiệp này là do chính chúng tôi tự tìm hiểu và tiến hành sản phẩm một cách trung thực, khách quan và không có bất kỳ hình thức gian lận nào cũng như chưa từng được công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác trước đây

Chúng em xin chịu mọi trách nhiệm về đề tài nghiên cứu của mình

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên nhóm em xin được gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô Viện Cơ Khí Cùng

với tất cả quý thầy cô đã giảng dạy chương trình Đại học ngành Cơ Khí Ô Tô – Đại Học Giao Thông Vận Tải đã truyền dạy cho chúng em các kiến thức rất bổ ích về chuyên ngành của mình để chúng em có một hành trang đầy đủ đến tiến xa hơn trong tương lai của mình

Nhóm em xin chân thành cảm ơn Thầy Dương Minh Thái đã tận tình hướng dẫn nhóm em trong thời gian thực hiện khóa luận Mặc dù trong quá trình thực hiện khóa luận có nhiều khó khăn do nhiều yếu tố khác nhau nhưng nhờ những góp ý của thầy và những kiến thức mà thầy truyền dạy, nhóm em đã có hướng đi cho riêng mình và từ đó cố gắng hoàn thiện thật tốt mô hình khóa luận

Mặc dù đã cố gắng tiếp thu nhiều kiến thức từ thầy cô và cập nhật nhiều tài liệu liên quan nhưng do trình độ còn hạn chế nên nhóm em khó mà tránh khỏi các sai sót Nhóm em rất mong nhận được sự góp ý của các quý thầy cô để đề tài được hoàn thiện hơn

TÓM TẮT ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN

THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG GẠT MƯA TỰ ĐỘNG THÔNG QUA ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO PHỤC VỤ CÔNG TÁC GIẢNG DẠY

Gạt mưa là bộ phận nhỏ nhưng lại hết sức quan trọng đối với xe hơi Nó có nhiệm vụ loại bỏ nước và bụi bẩn ra khỏi kính chắn gió, giúp người lái có một tầm nhìn tốt hơn khi điều khiển xe Ngày nay, gạt nước được xem như một tiêu chuẩn không chỉ trên trên tất cả những chiếc xe hơi mà còn được trang bị cho xe lửa, tàu biển và cả máy bay nữa

Đề tài “ Thiết kế mô hình hệ thống gạt mưa tự động thông qua ứng dụng vi điều khiển Arduino phục vụ công tác giảng dạy ” tiến hành xây dựng mô hình hệ thống gạt mưa loại âm chờ , dương chờ trên phần mềm Solidwords 2016

Bên cạnh đó nhóm em còn tiến hành viết code trên phần mềm Arduino và mô phỏng hệ thống gạt mưa tự động trên phần mềm Protues

Nhằm phục vụ cho công tác giảng dạy của quý thầy cô nhóm em còn xây dựng các sơ đồ mạch điện của hệ thống gạt mưa, cấu tạo từng bộ phận của hệ thống một cách chi tiết để các bạn và quý thầy cô có thể nhìn tổng quan về hệ thống gạt mưa trên ô tô Để cho các tiết học của các bạn và quý thầy cô thêm sinh động và hấp dẫn hơn

MỤC LỤC

Trang

NHIỆM VỤ KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP i

LỜI CAM KẾT ii

LỜI CẢM ƠN iii

TÓM TẮT ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ SƠ ĐỒ viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU xii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu tổng quát đề tài 1

1.2 Tính cấp thiết đề tài 2

1.3 Mục tiêu của đề tài 2

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiện cứu 2

1.4.1 Đối tượng nguyên cứu 2

1.4.2 Phạm vi nghiện cứu 3

1.5 Phương pháp nghiên cứu 3

1.5.1 Phương pháp nghiên cứu tài liệu 3

1.5.2 Phương pháp nghiên cứu cụ thể 3

1.6 Cấu trúc của khoá luận tốt nghiệp 3

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 Nhiệm vụ, yêu cầu, phân loại của hệ thống gạt mưa 4

2.2 Cấu tạo chung của hệ thống gạt mưa 4

2.2.1 Cấu tạo và hoạt động của các bộ phận trong hệ thống 6

2.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống gạt mưa 13

2.3.1 Nguyên lý hoạt động khi công tắc gạt nước ở vị trí LO ( tốc độ thấp 13

2.3.2 Nguyên lý hoạt động của công tắc gạt nước ở vị trí HI ( tốc độ cao ) 14

2.3.3 Nguyên lý hoạt động của công tắc gạt nước ở vị trí INT 15

2.3.4 Nguyên lý hoạt động của công tắc gạt nước ở vị trí OFF 17

2.3.5 Nguyên lý hoạt động khi bật công tắc rửa kính 18

2.4 Cấu tạo của hệ thống gạt mưa loại âm chờ, dương chờ 19

2.5 Giới thiệu về board arduino 20

2.5.1 Khái niệm và lịch sử ra đời 20

2.5.2.Các ứng dụng nổi bật của arduino 22

2.5.3.Các loại bo mạch arduino 24

2.5.4 Thông số của bo mạch arduinoUno R3 24

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG GẠT MƯA TỰ ĐỘNG 25

3.1 Ý tưởng thiết kế 25

3.2 Yêu cầu thiết kế 25

3.2 Phân tích và lựa chọn linh kiện sử dụng 26

3.2.1 Lựa chọn vi điều khiển 26

3.2.2 Lựa chọn cảm biến 27

3.3 Phương hướng và giải pháp thực hiện 28

3.3.1 Giải pháp nghiên cứu và thiết kế 28

3.3.2 Định lượng lượng mưa 29

3.3.3 Xây dựng sơ đồ khối của hệ thống gạt mưa tự động 29

3.3.4 Sơ đồ kết nối 31

3.3.5 Lưu đồ giải thuật 32

3.3.6 Sơ đồ mạch tổng của mô hình gạt mưa tự động 33

3.3.7 Giải thích các chế độ hoạt động của mạch gạt mưa tự động 35

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀN PROTEUS 8 39

4.1 Giới thiệu về phần mền Proteus 8 39

4.2 Các bước nhập code chạy mô phỏng 44

4.3 Các trường hợp điều khiển của arduino 46

4.3.1 Khái quát về mô phỏng 46

4.3.2 Trường hợp che phủ dưới 100 đơn vị 47

4.3.3 Trường hợp che phủ từ 100 – 399 đơn vị 48

4.3.4 Trường hợp che phủ từ 400 – 600 đơn vị 49

4.3.5 Trường hợp che phủ từ 601 – 1000 đơn vị 50

CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ MÔ HÌNH TRÊN PHẦN MỀN SOLIDWORKS 51

5.1 Giới thiệu phần mền solidworks 51

5.2 Ý tưởng thiết kế mô hình 51

5.3 Giới thiệu mô hình 52

5.3 Một số hình ảnh thực tế về mô hình 59

CHƯƠNG 6: XÂY DỰNG BÀI TẬP THỰC HÀNH 61

6.1 Bài tập kiểm tra hệ thống gạt và phun nước 61

6.2 Bài tập thực hiện hệ thống mạch điện hệ thống gạt và phun nước rửa kính 75

CHƯƠNG 7 KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 77

DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ SƠ ĐỒ

Trang

Hình 1.1 Mary Anderson (1866-1953) - người phát minh ra cần gạt mưa 1

Hình 2.2 Các bộ phận của hệ thống gạt mưa tự động 5

Hình 2.8 Gạt nước che một nửa và che hoàn toàn 10

Hình 2.10 Công tắc gạt mưa sử dụng trên ô tô 12

Hình 2.11 Hoạt động của hệ thống gạt nước ở chế độ LOW/MIST 13

Hình 2.12 Hoạt động của hệ thống gạt nước ở chế độ HIGH 14

Hình 2.13 Hoạt động của hệ thống gạt nước ở chế độ INT khi transistor Tr bật ON 15Hình 2.14 Hoạt động của hệ thống gạt nước ở chế độ INT khi transistor Tr bật OFF

Hình 2.15 Hoạt động của hệ thống gạt nước khi công tắc OFF 17

Hình 2.16 Nguyên lý hoạt động khi bật công tắc rửa kính 18

Hình 3.5 Module Mạch Cảm Biến Mưa Tiện Lợi Error! Bookmark not defined.

Hình 3.7 Sơ đồ mạch Led Error! Bookmark not defined.

Hình 3.8 Lập trình điều khiển LED Error! Bookmark not defined.Hình 3.9 Sơ đồ chân Arduino Uno Error! Bookmark not defined.Hình 3.10 Các cổng ra/ vào trên arduino Error! Bookmark not defined.Hình 3.11 Hình vẽ cấu trúc chương trình Arduino Error! Bookmark not defined.

Hình 4.2 Tính năng vẽ sơ đồ nguyên lý trên Protues 40

Hình 4.4 Tính năng thiết kế mạch in PCB trên Protues 42

Hình 4.10 Trường hợp che phủ từ 100 – 399 đơn vị 48

Hình 4.11 Trường hợp che phủ từ 400 – 600 đơn vị: 49

Hình 4.12 Trường hợp che phủ từ 601 – 1000 đơn vị 50

Hình 5.5 Bản vẽ motor gạt mưa Error! Bookmark not defined.

Hình 5.12 Mô phỏng kính chắn gió trên mô hình 56

Hình 5.17 Cầu chì ô tô 10A 58

Hình 5.20 Sơ đồ mạch tổng của mô hình gạt mưa tự động 34

Hình 5.21 Mạch gạt mưa mưa tự động ở chế độ LOW 35

Hình 5.22 Mạch gạt mưa tự động ở chế độ HIGH 36

Hình 5.26 Sơ đồ đấu dây mạch hệ thống gạt nước sử dụng mô-tơ âm chờ 63

Hình 5.27 Mô-tơ gạt nước khi cam đang ở vị trí dừng chân S nối chân E 64

Hình 5.29 Vị trí của cụm công-tắc điều khiển gạt nước không có IC điều khiển gián

Hình 5.30 Sơ đồ chân ra công-tắc gạt nước loại có IC đặt ngoài 65

Hình 5.31 Sơ đồ chân ra công-tắc gạt nước loại có IC đặt trong 66

Hình 5.32 Nguyên lý hoạt động của IC rời loại chân Ss được nối âm 67

Hình 5.33 Nguyên lý hoạt động của IC rời loại chân Ss được nối âm 67

Hình 5.35 Sơ đồ đấu dây mạch hệ thống gạt nước sử dụng mô-tơ dương chờ 68

Hình 5.36 Vị trí rơ-le và công tắc điều khiển trên xe 68

Hình 5.37 Vị trí mô tơ gạt nước và mô tơ phun nước trên xe 69

Hình 5.40 Công tắc điều khiển gạt nước trên vành tay lái 70

Hình 5.42 Xác định chân ra trên công tắc điều khiển gạt, phun nước 71

Hình 5.43 Sơ đồ công tắc điều khiển gạt và phun nước 72

Hình 5.44 Kiểm tra mô-tơ gạt nước ở tốc độ chậm 73

Hình 5.45 Kiểm tra mô-tơ gạt nước ở tốc độ nhanh 73

Hình 5.47 Điều chỉnh vị trí phun nước rửa kính 74

Hình 5.48 Sơ đồ hệ thống gạt, phun nước 76

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Trang

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu tổng quát đề tài

Hệ thống gạt nước - rửa kính cũng có lịch sử hình thành và phát triển riêng Nó được ra đời do những nhu cầu tất yếu của viêc muốn quan sát tầm nhìn tốt hơn mà không phải dừng xe lại để lau chùi một cách cơ học Đó vào năm 1903, khi đi trong thành phố New York, người phụ nữ mang tên Mary Anderson (1866-1953) nhận ra rằng, thỉnh thoảng, tài xế lại phải dừng xe, cầm chiếc khăn để lau hơi nước và tuyết phủ trên mặt kính

Vì thế, bà thấy cần phải tạo ra một cái gì để giúp họ không cần dừng xe mà vẫn gạt được tuyết và giữ tầm nhìn Về nhà, Anderson thiết kế hệ thống cần gạt nước đầu tiên Chẳng lâu sau đó, năm 1905, khi bà 39 tuổi, nước Mỹ đã trao cho bà bằng phát minh sáng chế về dụng cụ cần gạt mưa này

Hình 1.1 Mary Anderson (1866-1953) - người phát minh ra cần gạt mưa

Cơ cấu hoạt động của chổi gạt mưa này khá đơn giản Anderson dùng 2 cần gạt gắn trên thân xe và tiếp xúc với mặt kính bằng lưỡi gạt, bên trong buồng lái được kết nối với “cơ cấu truyền động kiểu tay quay” Khi cần người lái xe quay tay nắm đặt trong ca bin Tuy nhiên, cần gạt chỉ thực sự được biết đến vào năm 1916 và trở thành thiết bị tiêu chuẩn cho các dòng xe ở Mỹ Nhờ công nghệ sản xuất hàng loạt Model T của Herry Ford, ô tô trở nên gần gủi với người tiêu dùng

1.2 Tính cấp thiết đề tài

Hệ thống gạt mưa – rửa kính của ô tô là một bộ phận không thể thiếu khi xe vận hành trên đường, nhằm đảm bảo tính an toàn cho người và phương tiện Để phục vụ việc giảng dạy và học tập của học sinh nhóm em xin nghiên cứu xây dựng mô hình hệ thống gạt mưa – rửa kính loại âm chờ và dương chờ điều khiển tự động trên ô tô nhằm phục vụ công tác giảng dạy, để sinh viên có cơ hội được học và thực tập trên mô hình nhằm nâng cao kỹ năng tay nghề của sinh viên

Hình 1.2 Hệ thống Gạt mưa trên xe ô tô

1.3 Mục tiêu của đề tài

- Đề tài nhằm thực hiện mục tiêu sau:

▪ Khái quát về hệ thống gạt mưa – rửa kính loại âm chờ và dương chờ ▪ Sơ đồ đấu mạch gạt mưa tự động và nguyên lý làm việc của hệ thống ▪ Xây dựng quy trình kiểm tra, sửa chữa hệ thống

▪ Thiết kế mô hình 3D trên phần mềm Solidwords

▪ Thiết kế và mô phỏng hệ thống gạt mưa tự động trên phần mềm Arduino và phần mềm Protues

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiện cứu 1.4.1 Đối tượng nguyên cứu

Tiến hành nghiên cứu hệ thống gạt mưa – rửa kính trên các hãng xe như HONDA, TOYOTA, HUYNDAI, KIA, FORD

1.4.2 Phạm vi nghiện cứu

Dựa trên cơ sở lý thuyết, thực tiễn qua quá trình học tập tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các sơ đồ hệ thống mạch điện trên hệ thống gạt mưa Tham khảo các tài liệu hệ thống gạt mưa tự động của các hãng, từ đó đưa ra ý tưởng và xây dựng lưu đồ giải thuật để mô phỏng qua các phần mềm arduino, proteus, solidworks

1.5 Phương pháp nghiên cứu

1.5.1 Phương pháp nghiên cứu tài liệu

Theo phương pháp nghiên cứu thu thập thông tin khoa học trên cơ sở nghiên cứu các văn bản, tài liệu đã có sẵn và bằng các thao tác tư duy lôgic để rút ra kết luận sau đó thực hiện trên cơ sở mô phỏng lý thuyết Tìm hiểu trên tài liệu nghiên cứu của những người có kinh nghiệm về hệ thống gạt mưa tự động và được mô phỏng trên mô hình để kiểm nghiệm, nghiên cứu tạo ra một mô hình hoàn thiện nhất

1.5.2 Phương pháp nghiên cứu cụ thể

Các bước thực hiện:

- Bước 1: Thu thập, tìm hiểu các tài liệu viết về hệ thống gạt mưa - rửa kính - Bước 2: Sắp xếp các tài liệu khoa học thành một hệ thống lôgic chặt chẽ theo từng bước, từng đơn vị kiến thức, từng vấn đề khoa học có cơ sở và bản chất nhất định

- Bước 3: Đọc, nghiên cứu và phân tích các tài liệu nói về hệ thống gạt mưa - rửa kính, phân tích kết cấu, nguyên lý làm việc một cách khoa học - Bước 4: Tổng hợp kết quả đã phân tích được, hệ thống hoá lại những kiến thức (liên kết từng mặt, từng bộ phận thông tin đã phân tích) tạo ra một hệ thống lý thuyết đầy đủ và sâu sắc

1.6 Cấu trúc của khoá luận tốt nghiệp

Nội dung khóa luận gồm các chương: Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Phân tích và thiết kế hệ thống gạt mưa tự động Chương 4: Mô phỏng trên phần mềm protues 8

Chương 5: Thiết kế mô hình trên phần mềm solidworks Chương 6: Xây dựng bài tập thực hành

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Nhiệm vụ, yêu cầu, phân loại của hệ thống gạt mưa

Nhiệm vụ: Hệ thống gạt nước trên ô tô là một hệ thống đảm bảo cho người lái nhìn

được rõ ràng bằng cách gạt nước mưa trên kính trước và kính sau khi trời mưa Hệ thống có thể làm sạch bụi bẩn trên kính chắn gió phía trước nhờ thiết bị rửa kính Vì vậy đây là thiết bị cần thiết cho sự an toàn của xe khi tham gia giao thông

Yêu cầu: Hệ thống gạt nước và rửa kính là một hệ thống đảm bảo cho người lái

nhìn được rõ ràng bằng cách gạt nước mưa trên kính trước và kính sau khi trời mưa Hệ thống có thể làm sạch bụi bẩn trên kính chắn gió phía trước nhờ thiết bị rửa kính Vì vậy đây là thiết bị cần thiết cho sự an toàn của xe khi chạy Gần đây một số kiểu xe có thể thay đổi tốc độ gạt nước theo tốc độ xe và tự động gạt nước khi trời mưa Hệ thống gạt mưa trên ô tô phải hoạt động nhẹ nhàng, linh hoạt, ổn định và phù hợp với từng điều kiện trời mưa (mưa to hoặc mưa nhỏ)

- Phân loại:

+Motor gạt mưa được truyền động từ động cơ ô tô +Motor gạt mưa chạy bằng khí nén

+Motor gạt mưa được truyền từ động cơ điện (hiện nay tất cả các xe ô tô đều sử dụng loại này)

2.2 Cấu tạo chung của hệ thống gạt mưa

Cấu tạo chung Hệ thống gạt nước – rửa kính bao gồm các bộ phận sau: - Cần gạt nước/lưỡi gạt nước:

- Motor và cơ cấu dẫn động gạt nước - Vòi phun của bộ rửa kính

- Bình chứa nước rửa kính ( có chứa motor rửa kính ) - Công tắc gạt nước – rửa kính

- Cần gạt nước phía sau - Motor gạt nước sau

- Relay điều khiển gạt nước sau - Bộ điều khiển gạt nước - Cảm biến nước mưa

Hình 2.1 Cấu tạo chung của hệ thống gạt mưa

Hình 2.2 Các bộ phận của hệ thống gạt mưa tự động

2.2.1 Cấu tạo và hoạt động của các bộ phận trong hệ thống Động cơ điện gạt nước

Motor gạt nước là động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu Motor gạt nước gồm có motor và bộ truyền bánh răng để làm giảm tốc độ ra của motor Motor gạt nước có 3 chổi than tiếp điện: chổi than tốc độ thấp, chổi than tốc độ cao và chổi than dùng chung ( để nối mát ) Một công tắc dạng cam được bố trí trong bánh răng để gạt nước dừng ở vị trí cố định trong mọi thời điểm

Một sức điện động lớn được tạo ra trong cuộn dây phần ứng khi motor quay để hạn chế tốc độ quay của motor

Hình 2.3 Cấu tạo motor gạt nước

Hình 2.4 Hình động cơ thực tế

a Hoạt động ở tốc độ thấp: Khi dòng điện đi vào cuộn dây phần ứng, từ chổi than

tốc độ thấp một sức điện động lớn được tạo ra Kết quả là motor quay với tốc độ thấp

b Hoạt động ở tốc độ cao: Khi dòng điện đi vào cuộn dây phần ứng, từ chổi than

tốc độ cao một sức điện động ngược được tạo ra Kết quả là motor quay vứi tốc độ cao

Cơ cấu gạt nước có chức năng dừng thanh gạt nước tại vị trí cố định Do có chức năng này thanh gạt nước luôn được bảo đảm dừng ở dưới cùng của kính chắn gió khi tắt công tắc gạt nước Công tắc dạng cam thực hiện chức năng này Công tắc này có đĩa cam xẻ rãnh chữ V và 3 điểm tiếp xúc Khi công tắc gạt nước ở vị trí LO/HI, điện áp ắc qui được đặt vào mạch điện và dòng điện đi vào motor gạt nước qua công tắc gạt nước làm cho motor gạt nước quay Tuy nhiên, ở thời điểm công tắc gạt nước tắt, nếu tiếp điểm P2 ở vị trí tiếp xúc mà không phải ở vị trí rãnh thì điện áp của ắc qui vẫn được đặt vào mạch điện và dòng điện đi vào motor gạt nước tới tiếp điểm P1 qua tiếp điểm P2 làm cho motor tiếp tục quay Sau đó bằng việc quay đĩa cam làm cho tiếp điểm P2 ở vị trí rãnh do đó dòng điện không đi vào mạch điện và motor gạt nước bị dừng lại Tuy nhiên, do quán tính của phần ứng, motor không dừng lại ngay lập tức và tiếp tục quay một ít Kết quả là tiếp điểm P3 vợt qua điểm dẫn điện của đĩa cam Thực hiện việc đóng mạch như sau:

Phần ứng → Cực (+)1 của mô tơ → công tắc gạt nước → cực S của mô tơ gạt nước → tiếp điểm P1 → P3→phần ứng Vì phần ứng tạo ra sức điện động ngược trong mạch đóng này, nên quá trình hãm mô tơ bằng điện được tạo ra và mô tơ được dừng lại tại điểm cố định

Hình 2.5 Hoạt động của công tắc dạng cam

Cơ cấu dẫn động thanh gạt nước

Hình 2.6 Cơ cấu dẫn động gạt nước

Hình 2.7 Cần gạt nước trên xe ô tô

Cấu trúc của cần gạt nước là một lưỡi cao su, gạt nước được lắp vào thanh kim loại gọi là thanh gạt nước Gạt nước được dịch chuyển tuần hoàn nhờ cần gạt Vì lưỡi gạt nước được ép vào kính trước bằng lò xo nên gạt nước có thể gạt được nước mưa

nhờ dịch chuyển thanh gạt nước Chuyển động tuần hoàn của thanh gạt nước được tạo ra bởi motor và cơ cấu dẫn động

Gạt nước được che một nửa/gạt nước che hoàn toàn:

Gạt nước thông thường có thể nhìn thấy từ phía trước của xe Tuy nhiên để đảm bảo tính khí động học, bề mặt lắp ghép phẳng và tấm nhìn rộng nên những gạt nước gần đây được che đi dưới nắp ca pô Gạt nước có thể nhìn thấy một phần gọi là gạt nước che một nửa, gạt nước không nhìn thấy được gọi là gạt nước che hoàn toàn Với gạt nước che hoàn toàn nếu nó bị phủ băng tuyết hoặc ở trong các điều kiện khác, thì gạt nước không thể dịch chuyển được Nếu cố tình làm sạch tuyết bằng cách cho hệ thống gạt nước hoạt động cưỡng bức có thể làm hỏng motor gạt nước Để ngăn ngừa hiện tượng này, phần lớn các mẫu xe có cấu trúc chuyển chế độ gạt nước che hoàn toàn sang chế độ gạt nước che một phần bằng tay Sau khi bật sang gạt nước che một nửa, cần gạt nước có thể đóng trở lại bằng cách dịch chuyển nó theo hớng mũi tên được chỉ ra trên hình vẽ

Hình 2.8 Gạt nước che một nửa và che hoàn toàn

Motor bơm nước – rửa kính

Hình 2.9 Motor bơm nước VETUS Hà Lan

Đổ nước rửa kính vào bình chứa trong khoang động cơ Bình chứa nước rửa kính được làm từ bình nhựa mờ và nước rửa kính được phun nhờ motor rửa kính đặt trong bình chứa Motor bộ rửa kính có dạng cánh quạt như được sử dụng trong bơm nhiên liệu Có hai loại hệ thống rửa kính đối với ô tô có rửa kính sau: Một loại có bình chứa chung cho cả bộ phận rửa kính trước và sau, còn loại kia có hai bình chứa riêng cho bộ phận rửa kính trước và bộ phận rửa kính sau Ngoài ra, còn có một loại điều chỉnh vòi phun cho cả kính trước và kính sau nhờ motor rửa kính điều khiển các van và một loại khác có hai motor riêng cho bộ phận rửa kính trước và bộ phận rửa kính

sau được đặt trong bình chứa

Công tắc điều khiển

Hình 2.10 Công tắc gạt mưa sử dụng trên ô tô

Công tắc điều khiển được bố trí trên trục trụ lái, đó là vị trí mà người lái có thể điều khiển bất kỳ lúc nào khi cần Công tắc điều khiển có các vị trí:

2.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống gạt mưa

2.3.1 Nguyên lý hoạt động khi công tắc gạt nước ở vị trí LO ( tốc độ thấp )

Hình 2.11 Hoạt động của hệ thống gạt nước ở chế độ LOW/MIST

Khi công tắc gạt nước được bật về vị trí tốc độ thấp, dòng điện đi vào chổi than tốc độ thấp của motor gạt nước ( gọi là LO ) thể hiện như trên hình vẽ và gạt nước hoạt động ở tốc độ thấp + ắc quy → chân + B → tiếp điểm LO công tắc gạt nước → chân + 1 → motor gạt nước ( LO ) → mát

2.3.2 Nguyên lý hoạt động của công tắc gạt nước ở vị trí HI ( tốc độ cao )

Hình 2.12 Hoạt động của hệ thống gạt nước ở chế độ HIGH

Khi công tắc gạt nước được bật về vị trí tốc độ cao, dòng điện đi vào chổi than tiếp điện tốc độ cao của motor gạt nước ( gọi là HI ) thể hiện như trên hình vẽ và gạt nước hoạt động ở tốc độ cao + Ắc quy → chân + B → tiếp điểm Hi công tắc gạt nước → chân + 2 → motor gạt nước ( HI ) → mát

2.3.3 Nguyên lý hoạt động của công tắc gạt nước ở vị trí INT a Hoạt động khi Transistor bật ON

Khi bật công tắc gạt nước đến vị trí INT, thì transistor Tr1 được bật lên một lúc làm cho tiếp điểm relay được chuyển từ A sang B Khi tiếp điểm relay tới vị trí B, dòng điện đi vào motor (LO) và motor bắt đầu quay ở tốc độ thấp

Hình 2.13 Hoạt động của hệ thống gạt nước ở chế độ INT khi transistor Tr bật ON

b Hoạt động khi Transistor bật OFF

Transitor nhanh chóng ngắt ngay làm cho tiếp điểm relay chuyển lại từ B về A Tuy nhiên, khi motor bắt đầu quay tiếp điểm của công tắc cam chuyển từ P3 sang P2, do đó dòng điện tiếp tục đi vào chổi than tốc độ thấp của motor và motor làm việc ở tốc độ thấp rồi dừng lại khi tới vị trí dừng cố định Transistor Tr1 lại bật ngay làm cho gạt nước tiếp tục hoạt động gián đoạn trở lại ở loại gạt nước có điều chỉnh thời gian gián đoạn, biến trở thay đổi giá trị nhờ xoay công tắc điều chỉnh và mạch điện transistor điều chỉnh khoảng thời gian cấp điện cho transistor và làm cho thời gian hoạt động gián đoạn được thay đổi

Hình 2.14 Hoạt động của hệ thống gạt nước ở chế độ INT khi transistor Tr bật OFF

2.3.4 Nguyên lý hoạt động của công tắc gạt nước ở vị trí OFF

Hình 2.15 Hoạt động của hệ thống gạt nước khi công tắc OFF

Nếu công tắc gạt nước được đưa về vị trí OFF trong khi motor gạt nước đang hoạt động, thì dòng điện sẽ đi vào chổi than tốc độ thấp của motor gạt nước và gạt nước hoạt động ở tốc độ thấp Khi gạt nước tới vị trí dừng, tiếp điểm của công tắc dạng cam sẽ chuyển từ phía P3 sang phía P2 và motor dừng lại (+) Nguồn → tiếp điểm P2 công tắc cam → cực S→ tiếp điểm rơle → tiếp điểm OFF → cực +1 → môtơ gạt nước (LOW) → mass

2.3.5 Nguyên lý hoạt động khi bật công tắc rửa kính

Hình 2.16 Nguyên lý hoạt động khi bật công tắc rửa kính

Dòng điện đi trong mạch theo chiều như sau: Ắc quy (+) → motor rửa kính → chân số W → tiếp điểm công tắc rửa kính → chân EW → mass

2.4 Cấu tạo của hệ thống gạt mưa loại âm chờ, dương chờXác định chân ra motor gạt nước loại âm chờ

Hình 2.17 Motor gạt nước loại âm chờ

Trên xe thường người ta đấu mạch gạt mưa với tải là motor, được đấu âm sẵn Motor âm chờ có đặc điểm có ít nhất 3 chân thông với vỏ (E,+1, +2), lúc này chân S đang nối với B, trường hợp còn lại là nhiều nhất là 4 chân thông với vỏ (E, +1, +2, S), lúc này chân S nối với E

Xác định chân ra motor gạt nước loại dương chờ

Hình 2.18 Motor gạt nước loại dương chờ

Motor gạt mưa loại dương chờ, tức là khi đấu mạch thì nó được nối dương sẵn, có đặc điểm là nhiều nhất 2 chân thông vỏ ( E,S ) khi chân S nối E, ít nhất 1 chân thông vỏ (chân E) khi chân S bỏ E thông với B Chân B lúc nào cũng thông với -1 (gạt chậm), -2 (gạt nhanh), tại điểm dừng thông với S

2.5 Giới thiệu về board arduino 2.5.1 Khái niệm và lịch sử ra đời

Arduino là nền tảng mã nguồn mở giúp con người xây dựng các ứng dụng điện tử có khả năng liên kết, tương tác với nhau tốt hơn Arduino có thể xem như một chiếc máy tính thu nhỏ giúp người dùng lập trình, thực hiện các dự án điện tử không cần tới công cụ chuyên biệt phục cho quá trình nạp code

Hình 2.19 Aduino Uno

Arduino tương tác thế giới xung quanh thông qua cảm biến điện tử, động cơ và đèn Các bộ phận của Arduino bao gồm phần cứng và phần mềm như sau:

Phần ứng: Vi điều khiển với một số board mạch mã nguồn mở để điều khiển và lập trình gồm:

Arduino Uno một loại board mạch đơn giản nhất hợp cho người mới bắt đầu Dữ liệu board này gồm 14 chân đầu, 6 chân 5V giúp phân giải 1024 mức Arduino Uno có thể chạy với tốc độ 16MHz, điện áp 7v-12v Kích thước board này là 5.5x7cm giá

Arduino Nano kích thước nhỏ gọn nhất, dễ dàng lắp đặt với kích thước 2x4cm Arduino Mega bộ phận thiết kế số chân đếm 64 chân, kích thước 5x10cm

Arduino Leonardo không có cổng nối USB dùng lập trình Thiết kế board với chip nhỏ điều khiển, kết nối qua COM ảo

Các phần mềm hỗ trợ phát triển tích hợp IDE có nhiệm vụ soạn thảo, biên dịch code, nạp chương cho board

Lịch sử ra đời của Arduino

Vào thế kỷ 9 ở nước Ý, Arduino đã ra đời và được đặt theo tên của vị vua nước đó là King Arduin Arduino đã chính thức được giới thiệu năm 2005 là công cụ cho học sinh học tập Một trong những người phát triển Arduino ở trường Interaction Design Institute Ivrea

Dù đa phần không có sự tiếp thị hay quảng cáo nào những Arduino lan truyền nhanh với tốc độ chóng mặt Ngày nay, Arduino càng nổi tiếng hơn trên toàn thế giới và có không ít người tìm về thị trấn Ivrea để tham quan nơi sinh ra nền tảng thú vị và độc đáo này Nếu bạn là fan cuồng của Arduino nên tìm tới nơi nhớ đời này một lần để khám phá, biết thêm nhiều kiến thức

Arduino hiện nay đã được ứng dụng vào trong nhiều lĩnh vực đời sống Mã nguồn mở này mang lại không ít lợi ích thiết thực cho con người Nhờ đó mà Arduino ra đời đã lâu những vẫn tồn tại lâu và phổ biến đến như vậy

2.5.2.Các ứng dụng nổi bật của arduino

Nói tới ứng dụng của Arduino phải kể tới một số lĩnh vực như sau:

Hình 2.20 Ứng dụng nổi bật của Arduino

Arduino làm Robot với khả năng độc những thiết bị cảm biến, điều khiển động cơ… Arduino giúp bộ xử lý trung tâm hoạt động nhiệm vụ của mình qua nhiều loại robotGame tương tác: Arduino sử dụng để tương tác với màn hình, Joystick khi chơi game như phá gạch, Mario, Tetris

Máy bay không có người lái

Điều khiển đèn tín hiệu giao thông, hiệu ứng đèn led nhấp nháy Làm máy in 3D

Thiết kế đàn bằng ánh sáng

Làm lò nướng bánh có tweet cảnh báo khi bánh chín

Ngoài những ứng dụng trong đời sống trên, Arduino còn có ứng dụng hữu ích và sáng tạo khác như:

Mã nguồn mở

Bạn biết rằng phần cứng và phần mềm Arduino đều là mã nguồn mở Vì thế, bạn hoàn toàn có thể làm mã nguồn mở với các sơ đồ, pubilc trực tuyến bằng cách mua linh kiện về làm Cách này giúp bạn tiết kiệm nhiều chi phí để sử dụng mã nguồn mở

Khả năng kết nối với thiết bị khác

Chúng ta có thể sử dụng Arduino để ứng dụng một số việc làm sau:

Arduino hoạt động độc lập

Arduino kết nối với máy tính để truy cập dữ liệu cảm biến bên ngoài thế giới và cung cấp thông tin phản hồi cho bạn

Các Arduino sẽ tự kết nối với nhau Arduino kết nối với thiết bị điện tử khác Arduino kết nối với các chip điều khiển

Không chỉ vậy, Arduino còn là công cụ học tập, sáng tạo để bạn thực hiện các dự án khoa học dễ dàng Hiện tại có một công đồng Arduino rất lớn nên bạn có thể học hỏi và tham khảo ý kiến từ mọi người

Arduino mang tới tính linh hoạt và chi phí học tập, sử dụng thấp hơn nhiều so với các linh kiện khác Đây là ngôn ngữ lập trình khá đơn giản và quen thuộc với người đã

có kinh nghiệm Java Vì thế, Arduino là công cụ tuyệt vời để bạn học tập và nghiên cứu, thử nghiệm các thiết bị điện tử

2.5.3.Các loại bo mạch arduino

Các loại bo mạch Arduino Về mặt chức năng, các bo mạch Arduino được chia thành hai loại: loại bo mạch chính có chip Atmega và loại mở rộng thêm chức năng cho bo mạch chính (thường được gọi là shield) Các bo mạch chính về cơ bản là giống nhau về chức năng, tuy nhiên về mặt cấu hình như số lượng I/O, dung lượng bộ nhớ, hay kích thước có sự khác nhau Một số bo có trang bị thêm các tính năng kết nối như Ethernet và Bluetooth Các bo mở rộng chủ yếu mở rộng thêm một số tính năng cho bo mạch chính ví dụ như tính năng kết nối Ethernet, Wireless, điều khiển động cơ v.v…

2.5.4 Thông số của bo mạch arduinoUno R3

Một vài thông số của Arduino UNO R3

Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit

Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB) Tần số hoạt động 16 MHz

Điện áp vào khuyên dùng

7-12V DC

Điện áp vào giới hạn 6-20V DC

Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM) Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit) Dòng tối đa trên mỗi

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG GẠT MƯA TỰ ĐỘNG

3.1 Ý tưởng thiết kế

Xuất phát từ tình hình thực tế trong nước và quốc tế, cũng như những nhận định và phân tích như trên có thể nhận thấy rằng ngày nay trên các loại xe hơi cao cấp và trung cấp đã được trang bị hệ thống gạt mưa và rữa kính tự động Tuy nhiên trên các loại xe ít tiền thì các hệ thống gạt mưa đa số vẫn làm việc trên nguyên tắc chuyển đổi bằng tay Điều này đôi lúc gây bất lợi cho người lái xe đó là luôn mất thời gian bật công tắc gạt nước khi lái xe đang trong điều kiện thời tiết xấu (mưa, bão ), điều này gây mất tập trung và ảnh hưởng đến việc lái xe an toàn Trong thời đại công nghệ như hiện nay việc ứng dụng công nghệ vào việc trang bị trên các phương tiện giao thông để đem đến sự tiện nghi cho người điều khiển các phương tiện giao thông là vô cùng cần thiết

Vì vậy, với những kiến thức đã học cũng như thông tin cập nhật trên internet em nhận thấy vấn đề xây dựng một hệ thống gạt nước tự động chuyển sang ON khi trời có mưa và dừng lại khi trời tạnh mưa là một vấn đề được nhà sản xuất và người dùng quan tâm Nhằm mục đích đem tới sự tiện lợi cho người lái xe, đặc biệt là những chủ sở hữu có thu nhập thấp và trung bình chưa có cơ hội sở hữu cho mình một chiếc xe được trang bị hệ thống gạt mưa tự động thì nay cũng có thể trang bị trên chiếc xe của mình một hệ thống gạt mưa và rữa kính tự động với giá thành thấp và tính năng nhiều hơn Đề tài của nhóm em đưa ra đó là sự kết hợp giữa hệ thống gạt nước mưa truyền thống kết hợp thêm điện tử tự động, chức năng ON và OFF tự chấp hành theo điều kiện thời tiết và tốc độ gạt mưa phụ thuộc và lượng nước mà thời tiết đem lại mà không cần sự can thiệp thao tác bằng tay của người điều khiển xe

Với mục đích này, em sử dụng một cảm biến phát hiện mưa để thu thập dữ liệu từ môi trường các hạt mưa rơi trên mặt kính và gửi về cho bộ điều khiển Bộ điều khiển chính là một vi điều khiển có khả năng thu thập dữ liệu, sử dụng các dữ liệu và tính toán để từ đó điều khiển lên động cơ gạt nước Hệ thống này gọi là hệ thống gạt mưa tự động

3.2 Yêu cầu thiết kế

Hệ thống sau khi xây dựng xong phải đảm bảo các yêu cầu thiết kế sau: - Hệ thống sẻ tự động On khi có mưa

- Hệ thống tự động Off khi hết mưa và cần gạt quay về vị trí ban đầu - Cảm biến mưa chính xác

- Thiết kế mạch điều khiển nhỏ gọn phù hơp với xe - Hệ thống phải hoạt động nhẹ nhàng, linh hoạt, ổn định - Tiết kiệm năng lượng

- Chi phí phù hợp với người dùng - Tuổi thọ cao

- Dễ bảo hành và sửa chữa

3.2 Phân tích và lựa chọn linh kiện sử dụng

Lựa chọn linh kiện là một bước rất quan trọng trong mỗi dự án và đề tài Lựa chọn phù hợp sẻ giúp cho việc thiết kế trở nên dễ dàng và thuận lợi hơn, cũng như đem đến hiệu quả công việc cao hơn

3.2.1 Lựa chọn vi điều khiển

Để thực hiện nhiệm vụ thu thập và lựa chọn vi điều khiển thích hợp Trong hệ thống gạt nước mưa tự động thì chỉ cần thu thập và xử lý dữ liệu từ cám biến từ đó kích hoạt động cơ gạt nước hoạt động cũng như điều khiển động cơ gạt nước hoạt động nhanh hay chậm Với lý do trên, chúng ta chỉ cần chọn loại vi điều khiển mức độ trung bình, giá thành rẻ và được bán rộng rãi trên thị trường Các dòng vi xử lý, vi điều khiển bao gồm: Arduino, PIC, AVR, MSP430, 8051…

- 8051: Giá thành rẻ nhất trong các loại vi xử lí trên nhưng nhược điểm là hạn chế về ROM và RAM, tích hợp ít chức năng Vì vậy khi sử dụng chức năng mở rộng phải có mudule ghép nối dẫn đến đẩy giá thành lên cao và phức tạp trong chế tạo phần cứng…

- AVR của hãng ATMEL quen thuộc với 89C51, Atmega, tốc độ nhanh, nhiều hỗ trợ, giá rẻ, mạch nạp rẻ, phần mềm lập trình mạnh mẽ với AVRstudio và CodeVsionAVR Nhưng nhược điểm của nó là ít sản phẩm để lựa chọn AVR thường được dùng nhiều trong học tập và nghiên cứu cho sinh viên

- PIC có ưu điểm là tích hợp nhiều chức năng, hỗ trợ tốt, phần mềm thân thiện bằng PIC giá rẻ, đặc biệt PIC có nhiều chủng loại để lựa chọn nên với mỗi mục đích sử dụng có thể chọn được một số sản phẩm có 8 độ tương đồng cao, ít bị lãng phí chức năng Vì vậy PIC được dùng phổ biến trong công nghiệp Tuy nhiên nhược điểm cảu PIC là mạch nạp khá đắt