Nghiên cứu mô phỏng hệ thống gạt mưa rửa kính bằng Proteus sử dụng Atmega 320p có codevision đầy đủ

Mục Lục Mục Lục 1 Danh mục hình ảnh 3 LỜI MỞ ĐẦU 4 Chương I Tổng quan về hệ thống gạt nước tự động trên ô tô 5 1 1 Tổng quan về hệ thống gạt nước trên ô tô 5 1 1 1 Đôi nét về chiếc gạt nước đầu tiên trên xe hơi 5 1 1 2 Hệ thống cảm biến mưa 6 1 2 Nhiệm vụ, phân loại và yêu cầu của hệ thống gạt nước 6 1 2 1 Nhiệm vụ 6 1 2 2 Phân loại 6 1 2 3 Yêu cầu 7 Chương II Cấu tạo nguyên lí cơ sở lý thuyết hệ thống gạt mưa tự động 8 2 1 Cấu tạo của hệ thống gạt nước 8 2 1 1 Cấu tạo chung 8 2 1 2 Cảm biến nướ.

Mục Lục

Mục Lục 1

Danh mục hình ảnh 3

LỜI MỞ ĐẦU 4

Chương I Tổng quan về hệ thống gạt nước tự động trên ô tô 5

1.1 Tổng quan về hệ thống gạt nước trên ô tô 5

1.1.1 Đôi nét về chiếc gạt nước đầu tiên trên xe hơi 5

1.1.2 Hệ thống cảm biến mưa 6

1.2 Nhiệm vụ, phân loại và yêu cầu của hệ thống gạt nước 6

1.2.1 Nhiệm vụ 6

1.2.2 Phân loại 6

1.2.3 Yêu cầu 7

Chương II Cấu tạo nguyên lí cơ sở lý thuyết hệ thống gạt mưa tự động 8

2.1 Cấu tạo của hệ thống gạt nước 8

2.1.1 Cấu tạo chung 8

2.1.2 Cảm biến nước mưa 10

2.1.3 Công tắc điều khiển gạt mưa rửa kính 13

2.1.4 Relay điều khiển gạt nước gián đoạn 17

2.1.5 Motor gạt nước 17

2.1.6 Motor rửa kính 20

2.1.7 Cần gạt nước 22

2.2 Nguyên lý hoạt động 23

Chương III Lập trình mô phỏng hệ thống rửa kính tự động bằng phần mềm Proteus 23 3.1 Phần mềm thiết kế mạch 23

3.1.1 Phần mềm vẽ Proteus 23

3.1.2 Phần mềm Arduino IDE 27

3.2 Mô phỏng hệ thống gạt mưa rửa kính bằng Proteus 34

Chương IV PHÂN TÍCH MẠCH MÔ PHỎNG 38 KẾT LUẬN 41 Tài liệu tham khảo 42

Danh mục hình ảnh

Ảnh I.1:Bà Mary Anderson (1866-1953) Người phát minh ra chiếc gạt nước đầu

tiên 5

Ảnh II.1:Cấu tạo hệ thống gạt mưa rửa kính 8

Ảnh II.2:Cấu tạo chung của hệ thống gạt nước 9

Ảnh II.3:Vị trí cảm biến nước mưa 10

Ảnh II.4:Cấu tạo của cảm biến mưa 11

Ảnh II.5:Núm điều chỉnh tốc độ 11

Ảnh II.6:Nguyên lý hoạt động của cảm biến mưa 12

Ảnh II.7:Cách điều khiển công tắc tổ hợp 14

Ảnh II.8:Chế độ rửa kính 15

Ảnh II.9:Điều khiển gạt mưa phía sau 16

Ảnh II.10:Điều khiển rửa kính phía sau 16

Ảnh II.11:Relay điều khiển 17

Ảnh II.12:Cấu tạo mô tơ gạt nước 18

Ảnh II.13:Cấu tạo cuộn dây của mô tơ 18

Ảnh II.14:Hoạt động của công tắc dạng cam 20

Ảnh II.15:Mô tơ rửa kính 21

Ảnh II.16:Cần gạt nước trên ô tô 22

Ảnh II.17:Cấu tạo gạt nước 22

Ảnh III.1:Icon Proteus 25

Ảnh III.2:Giao diện Proteus 26

Ảnh III.3:Arduino 28

Ảnh III.4:Giao diện Arduino khởi động 29

Ảnh III.5:Bo mạch 30

Ảnh III.6:Giao diện chính 31

Ảnh III.7:Chức năng Library Manager 32

Ảnh III.8:Thanh công cụ Arduino 33

Ảnh IV.1 Sơ đồ khối mạch gạt mưa rửa kính tự động 38

Ảnh IV.2:Lưu đồ thuật toán mạch gạt mưa rửa kính 39

LỜI MỞ ĐẦU

Hệ thống gạt mưa, rửa kính đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong đối với người lái xe, ảnh hưởng trực tiếp đến sự đánh giá và giải quyết tình huống trong điều khiển phương tiện trong điều kiện mưa, bụi bẩn Hệ thống gạt mưa rửa kính ô tô sẽ đảm nhiệm chức năng gạt mưa hay phun nước để rửa sạch bụi bẩn bám trên kính chắn gió nhằm đảm bảo tầm nhìn tốt nhất cho người lái đảm bảo tính an toàn khi tham gia giao thông Trong thời đại công nghiệp hóa ngày nay luôn đòi hỏi sự tự động hóa của máy móc và nhóm em đã nghĩ đến sự tự

động hóa của hệ thống gạt mưa, rửa kính (auto khi trời có mưa) giúp tạo điều

kiện thuận lợi cho người lái xe

Để nghiên cứu về hệ thống gạt mưa, rửa kính cần sử dụng tổng hợp rất

nhiều kiến thức chuyên ngành và kiến thức của các môn cơ sở Vì vậy, trong quá trình làm bài tập lớn không những giúp em cũng cố được rất nhiều kiến thức đã học, mở rộng và hiểu sâu hơn về các kiến thức chuyên ngành và quan trọng là học đƣợc cách làm việc nhóm, làm tăng tính hiệu quả làm việc và quan trọng là một kỹ năng doanh nghiệp hiện nay rất cần, giúp ích cho công việc sau này khi

ra trường của chúng em rất nhiều

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn thầy Trịnh Đắc Phong đã hướng dẫn

và giúp đỡ em tận tình để em hoàn thành bài tập lớn này

Hà Nội, ngày 15 tháng 06 năm 2022

Sinh Viên Thực Hiện

5

Chương I Tổng quan về hệ thống gạt nước tự động trên ô tô

1.1 Tổng quan về hệ thống gạt nước trên ô tô

Gạt nước 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 Một hệ thống cần gạt nước mưa cảm biến tự động, có thể phát hiện mưa trên kính chắn gió để bật cần gạt nước ô tô một cách phù hợp Khi hệ thống làm việc sẽ giảm thiểu thời gian người lái xe phải rời tay

ra khỏi tay lái Hệ thống này phát hiện những giọt mưa trên kính chắn gió, tự động bật và điều chỉnh hệ thống gạt nước tương ứng với mức độ mưa.[3]

1.1.1 Đôi nét về chiếc gạt nước đầu tiên trên xe hơi

Ảnh I.1:Bà Mary Anderson (1866-1953) Người phát minh ra chiếc gạt nước đầu

tiên Cần gạt nước ra đời lần đầu tiên vào năm 1903 được phát minh bởi một người phụ nữ mang tên Mary Anderson ở NewYork Phát minh của bà đã giúp cho tất

cả các tài xế không phải mất thời gian để dừng lại lau kính chắn gió và bảo vệ sự

6

an toàn của tài xế khi phải lái xe dưới mưa Sau nhiều nỗ lực thì đến năm 1905

bà đã nhận được bằng sáng chế của Mỹ Cơ cấu hoạt động của thiết bị này rất đơn giản là dùng hai chiếc cần gắn vào thân xe và tiếp xúc với kính bằng lưỡi cao su, khi cần người lái xe quay tay nắm đạt trong cabin qua cơ cấu truyền động, hai chiếc cần gạt nước sẽ chuyển động lên xuống để gạt tuyết và hơi nước, tạo tầm nhìn cho người lái Tuy nhiên phát minh này của bà không được hãng xe nào hưởng ứng Mãi đến năm 1911, tức là 11 năm sau, cần gạt nước mới trở thành thiết bị tiêu chuẩn trên các ôtô của Mỹ Kể từ đó, bộ gạt nước liên tục được các thế hệ nhà phát minh tiếp theo cải tiến, bổ sung chức năng để cho đến ngày hôm nay, trở thành công cụ quan trọng và tiện lợitrên tất cả những chiếc xe

hơi.[4]

1.1.2 Hệ thống cảm biến mưa

Hệ thống cảm biến mưa hiện tại sử dụng một bộ cảm biến quang học để phát hiện sự hiện diện của nước trên kính chắn gió và chuyển tiếp dữ liệu điều khiển cần gạt tới mô-đun điều khiển chính của xe (BCM) Nhưng các cảm biến mưa quang học chỉ cung cấp một diện tích cảm biến nhỏ, dễ dẫn đến các lỗi chủ động

và quá đắt đỏ để được thêm vào như là thiết bị tiêu chuẩn trong hầu hết các loại xe.[1]

1.2 Nhiệm vụ, phân loại và yêu cầu của hệ thống gạt nước

7

- 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)

1.2.3 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).[2]

8

Chương II Cấu tạo nguyên lí cơ sở lý thuyết hệ thống gạt mưa tự động

2.1 Cấu tạo của hệ thống gạt nước

2.1.1 Cấu tạo chung

Ảnh II.1:Cấu tạo hệ thống gạt mưa rửa kính

9

Ảnh II.2:Cấu tạo chung của hệ thống gạt nước

Hệ thống gạt nước và rửa kính trên ô tô bao gồm các bộ phận sau:

1 Cần gạt nước phía trước/Lưỡi gạt nước phía trước

2 Motor và cơ cấu dẫn động gạt nước phía trước

3 Vòi phun của bộ rửa kính trước

4 Bình chứa nước rửa kính (có motor rửa kính)

5 Công tắc gạt nước và rửa kính (Có relay điều khiển gạt nước gián đoạn)

6 Cần gạt nước phía sau/lưỡi gạt nước phía sau

7 Motor gạt nước phía sau

8 Relay điều khiển bộ gạt nước phía sau

10

9 Bộ điều khiển gạt nước (ECU J/B phía hành khách)

10 Cảm biến nước mưa

2.1.2 Cảm biến nước mưa

Hầu hết các ô tô hiện nay điều sử dụng chung một loại cảm biên nước mưa đó là cảm biến hồng ngoại

Ảnh II.3:Vị trí cảm biến nước mưa Cảm biến nước mưa nằm ở đầu trên của kính chắn gió sẽ cảm nhận lượng mưa

và điều khiển chu kỳ gạt mưa để đưa ra chế độ phù hợp Trời càng mưa cần gạt nước hoạt động càng nhanh Khi hết mưa cần gạt nước sẽ ngừng.[2]

Cấu tạo của cảm biến mưa gồm:

- Led hồng ngoại dùng để phát chùm tia hồng ngoại chiếu lên kính chắn gió của

ô tô

- Diode quang học dùng để thu các tia hồng ngoại được phản xạ lại từ kính chắn gió

11

Ảnh II.4:Cấu tạo của cảm biến mưa

Để thay đổi cài đặt tốc độ xoay núm điều chỉnh tốc độ (1) Nếu công tắc gạt nước được đặt ở chế độ Auto hi hóa điện bật, cần gạt nước sẽ hoạt động một lần

để tự động kiểm tra hệ thống.[2]

Ảnh II.5:Núm điều chỉnh tốc độ Chức năng: Thu thập dữ liệu từ môi trường ở đây LED thu hồng ngoại thu nhận tín hiệu điện áp về cho vi điều khiển xử lý

12

Hoạt động: LED phát và LED thu được bố trí đối đầu vào nhau, lệch nhau một góc 45 độ LED phát hồng ngoại phát ra chùm tia hồng ngoại song song đập vào kính và phản xạ lại vào LED thu làm thay đôi điện áp rơi trên LED thu tùy thuộc vào mức độ phản xạ.[5]

=> Đây là nguyên lí thu phát của cảm biến mưa Chúng ta có thể nhận biết được lượng mưa nhiều hay ít thông qua nguyên lý này

Ảnh II.6:Nguyên lý hoạt động của cảm biến mưa Khi gạt nước ở vị trí AUTO, chức năng này dùng một cảm biến mưa nó được lắp

ở ính trước để phát hiện lượng mưa và điều khiển thời gian gạt nước tối ưu tương ứng theo lượng mưa.[2]

Cảm biến nước mưa có cấu tạo gồm có một điốt phát tia hồng ngoại (LED) và một điốt quang để nhận các tia này Phương pháp phát hiện lượng nước mưa dựa trên lượng tia hồng ngoại được phản xạ bởi ính trước của xe Ví dụ nếu hông có nước mưa trên khu vực phát hiện, các tia hồng ngoại được phát ra từ LED đều được kính trước phản xạ và điốt quang sẽ nhận các tia phản xạ này Nếu có mưa

13

ở khu vực phát hiện, thì một phần tia hồng ngoại phát ra sẽ bị xuyên thấu ra ngoài do sự thay đổi hệ số phản xạ của kính xe do mưa.[5]

Do đó lượng tia hồng ngoại do điốt quang nhận được giảm xuống đây là tín hiệu

để xác định lượng mưa Vì vậy đây là chức năng điều khiển chế độ hoạt động của gạt nước ở tốc độ thấp, tốc độ cao và gián đoạn cũng như thời gian gạt nước tối ưu Nếu bộ phận điều khiển gạt nước phát hiện có sự cố trong bộ phận cảm nhận nước mưa nó sẽ điều khiển gạt nước hoạt động một cách gián đoạn phù hợp với tốc độ xe Đây chính là chức năng an toàn hi có sự cố trong hệ thống cảm biến nước mưa Ngoài ra gạt nước cũng có thể được điều khiển một cách thông thường bằng công tắc gạt nước ở các vị trí LO và HI.[5]

2.1.3 Công tắc điều khiển gạt mưa rửa kính

Các chế độ gạt mưa và cách thay đổi các chế độ bằng công tắc tổ hợp được thể hiện trên hình

O / OFF – Tắt chế độ gạt mưa rửa kính

- / INT – Gạt mưa gián đoạn : Chế độ này được sử dụng trong trường hợp trời

có mưa nhỏ hoặc sương mù

Auto – Gạt mưa tự động ( Nếu được trang bị )

1 / LO – Gạt mưa tốc độ chậm

2 / HI – Gạt mưa tốc độ cao

15

B: Điều chỉnh thời gian gián đoạn khi gạt mưa ở chế độ gián đoạn

C: Chế độ rửa kính phía trước

D: Điều khiển gạt mưa phía sau

nó về vị trí ban đầu Nếu rửa kính không hoạt động, hãy kiểm tra mức chất lỏng của bình chứa nước rửa kính.[5]

D: Điều khiển gạt mưa phía sau

16

Ảnh II.9:Điều khiển gạt mưa phía sau Công tắc gạt mưa và rửa ính phía sau được đặt ở cuối cần gạt nước.Xoay công tắc đến vị trí mong muốn để vận hành cần gạt mưa và rửa kính theo các chế độ mong muốn

Ảnh II.10:Điều khiển rửa kính phía sau Nhấn cần gạt ra theo hướng ra xa người lái để xịt nước rửa kính phía sau 1-3 chu

kì Thao tác xịt và gạt sẽ tiếp tục đến khi nào bạn nhả cần gạt.[6]

17

2.1.4 Relay điều khiển gạt nước gián đoạn

Ảnh II.11:Relay điều khiển Relay này kích hoạt các gạt nước hoạt động một cách gián đoạn Phần lớn các kiểu xe gần đây các công tắc gạt nước có relay này được sử dụng rộng rãi Một relay nhỏ và mạch transistor gồm có tụ điện và điện trở cấu tạo thành relay điều khiển gạt nước gián đoạn Dòng điện tới motor gạt nước được điều khiển bằng relay theo tín hiệu được truyền từ công tắc gạt nước làm cho motor gạt nước chạy gián đoạn.17 [2]

2.1.5 Motor gạt nước

2 1.5.1 Khái quát chung

Motor gạt nước là dạng động cơ điện một chiều kích từ bằng nam chậm vĩnh cửu Motor gạt nước gồm có motor và bộ truyền bánh răng để làm giảm tốc độ ra của motor

18

Ảnh II.12:Cấu tạo mô tơ gạt nước Motor gạt nước có 3 chổi than tiếp điện: chổi tốc độ thấp, chổi tốc độ cao và một chổi dùng chung (để tiếp 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

Ảnh II.13:Cấu tạo cuộn dây của mô tơ

2 1.5.2 Chuyển đổi tốc độ motor

Một sức điện động ngược được tạo ra trong cuộn dây phần ứng khi motor quay

để hạn chế tốc độ quay của motor Hoạt động ở tốc độ thấp: hi dòng điện đi vào cuộn dây phần ứng từ chổi than tốc độ thấp, một sức điện động ngược lớn được tạo ra Kết quả là motor quay với vận tốc thấp Hoạt động ở tốc độ cao: hi dòng

Tuy nhiên ở thời điểm công tắc gạt nước OFF, nếu tiếp điểm P2 ở vị trí tiếp xúc

mà không phải ở vị trí rãnh thì điện áp của ắc quy 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 hông 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 vượt qua điểm dẫn điện của đĩa cam

Thực hiện đóng mạch như sau:

20

Ảnh II.14:Hoạt động của công tắc dạng cam Phần ứng → Cực (+)1 của motor → công tắc gạt nước → cực S của motor 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 motor bằng điện được tạo ra và motor được dừng lại tại điểm cố định.[2]

2.1.6 Motor rửa kính

Motor rửa kính trước/ kính sau

21

Ảnh II.15:Mô tơ rửa kính

Đổ nước vào bình chứa trong hoang động cơ Bình chứa nước rửa kính được làm từ bình nhựa mờ và nước rửa ính 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 ính đối vớ ôtô có rửa kính sau: Một bộ bình chứa chung cho cả bộ phân 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 khiển vòi phun cho các ính trước và kính sau nhờ motor rửa kính điều khiển các van và một loại khác có hai motor riêng cho các bộ phận rửa kính trước và bộ phận rửa kính sau được đặt trong bình chứa.[6]

22

2.1.7 Cần gạt nước

Ảnh II.16:Cần gạt nước trên ô tô Cấu trúc của cần gạt nước là một lưỡi cao su được lắp vào thanh kim loại gọi là thanh gạt nước Gạt nước được dịch chuyển tuần hoàn nhờ cần gạt .[6]

Ảnh II.17:Cấu tạo gạt nước

23

Ta có thể hình dung lưỡi gạt tương tự như những cái chổi cao su dài Bề mặt tiếp xúc giữa lưỡi gạt và mặt kính chắn gió được phủ lên một lớp cao su mỏng Vì lưỡi gạt nước được ép vào ính trước bằng lò xo nên gạt nước có thể gạt được nước mưa nhờ dịch chuyển thanh gạt nước Chuyển động tuần hoàn của gạt nước được tạo ra bởi motor và cơ cấu dẫn động Vì lưỡi cao su lắp vào thanh gạt nước

bị mòn do sử dụng và do ánh sáng mặt trời và nhiệt độ môi trường v.v… nên phải thay thế phần lưỡi cao su này một cách định kỳ.[6]

2.2 Nguyên lý hoạt động

Gồm 2 chế độ: Bình thường và tự động Chế độ bình thường: Công tắc gạt ở vị trí OFF.Hệ thống gạt nước hoạt động theo các chế độ có sẵn (tùy theo xe) Bao gồm các chế độ điều khiển motor gạt nước: HIGH, LOW và STOP dựa trên sự thay đổi vị trí của cụm công tắc gạt nước .[6]