TỔNG QUAN
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Nhiệm vụ chính của đề tài là nghiên cứu và thiết kế hệ thống chiếu sáng tự động trên ô tô, nhằm mục đích nâng cao hiệu quả sử dụng ánh sáng, cải thiện an toàn khi lái xe và tối ưu hóa trải nghiệm người dùng.
Nghiên cứu tổng quan về hệ thống chiếu sáng và tín hiệu trên xe, tập trung vào việc phân tích thực tế của hệ thống chiếu sáng chủ động, nhằm nâng cao hiệu quả và an toàn khi lái xe.
Để chế tạo mô hình hệ thống chiếu sáng thông minh, cần tìm ra phương án thiết kế khả thi và thiết lập các bước thiết kế một cách khoa học Việc này bao gồm phân tích yêu cầu, lựa chọn công nghệ phù hợp, và xác định các tiêu chí hiệu suất để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả và bền vững.
- Thực hiện việc thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống chiếu sáng thông minh theo phương án thiết kế đã chọn
Mô hình thiết kế cho giảng dạy và nghiên cứu cần thể hiện tính thực tế của hệ thống chiếu sáng thông minh, đồng thời phải đảm bảo tính sư phạm và tính thẩm mỹ.
Đề tài này trình bày một cách có hệ thống và khoa học về cơ sở lý thuyết, nguyên tắc điều khiển, cấu tạo và hoạt động của mô hình hệ thống chiếu sáng đèn thông minh Ngoài ra, nó còn hệ thống lại quá trình phát triển của đèn xe và tổng quan về hệ thống chiếu sáng - tín hiệu.
Phương pháp nghiên cứu
Trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu và thiết kế hệ thống chiếu sáng tự động trên ô tô, tác giả đã áp dụng nhiều phương pháp nghiên cứu khác nhau để đảm bảo tính hiệu quả và khả thi của hệ thống.
- Thu thập tài liệu có liên quan.
- Sử dụng cơ sở lý thuyết về điện ô tô, lập trình, chế tạo mạch điện, cảm biến và nguyên lý hoạt động của cảm biến.
- Sử dụng các linh kiện, cảm biến để thực hiện mạch điện.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Khái niệm chiếu sáng chủ động trên xe đang được nghiên cứu và phát triển liên tục, tuy nhiên, do giới hạn về thời gian và khả năng, tác giả chỉ có thể thực hiện một số nhiệm vụ nhất định mà chưa tích hợp hệ thống này vào ô tô thực tế.
- Tạo ra một mạch điện điều khiển hệ thống chiếu sáng tự động trên ô tô.
- Thi công mô hình hệ thống chiếu sang tự động trên ô tô.
2.3 KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG ĐÈN CHIẾU SÁNG VÀ HỆ THỐNG ĐÈN TÍN HIỆU TRÊN XE
Các loại đèn sử dụng trên xe được phân loại thành đèn chiếu sáng và đèn tín hiệu Hệ thống đèn tín hiệu bao gồm đèn xi nhan để báo rẽ hoặc cảnh báo nguy hiểm, đèn kích thước để thông báo kích thước xe và đèn phanh để báo hiệu khi đạp phanh Hệ thống đèn chiếu sáng gồm đèn đầu với đèn chiếu gần và đèn chiếu xa, giúp tăng cường khả năng quan sát vào ban đêm Các yêu cầu về cường độ, vùng, góc và giới hạn chiếu sáng của đèn đầu sẽ được trình bày chi tiết hơn sau Ngoài ra, chế độ flash của đèn đầu cũng được sử dụng như tín hiệu cho xe đối diện, trong khi đèn sương mù hỗ trợ chiếu sáng trong điều kiện thời tiết sương mù.
Hệ thống chiếu sáng và tín hiệu có các bộ phận sau đây:
1 Đèn đầu, đèn sương mù phía trước
2 Cụm đèn phía sau, đèn sương mù phía sau
3 Công tắc điều khiển đèn và độ sáng: Công tắc đèn xi nhan, công tắc đèn sương mù phía trước và phía sau
4 Đèn xi nhan và đèn báo nguy
5 Công tắc đèn báo nguy hiểm
6 Bộ nhấp nháy đèn xi nhan
7 Cảm biến báo hư hỏng đèn
9 Cảm biến điều khiển đèn tự động
10 Công tắc điều khiển góc chiếu sáng đèn đầu
11 Bộ chấp hành điều khiển góc chiếu sáng đèn đầu
14 Đèn chiếu sáng khoá điện.
Hình 2.1: Vị trí của các bộ phận trong hệ thống chiếu sáng và tín hiệu
2.4 TỔNG QUAN HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG
Hệ thống đèn đầu là phần quan trọng nhất trong các hệ thống chiếu sáng trên xe, đóng vai trò quyết định trong việc đảm bảo an toàn giao thông và điều kiện lái xe vào ban đêm Để đạt được hiệu quả tối ưu, hệ thống này cần tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật nhất định, với cường độ sáng lớn nhưng không gây chói mắt cho người đi ngược chiều Công suất chiếu sáng cho chế độ chiếu gần dao động từ 35 – 40W, trong khi chế độ chiếu xa từ 45 – 70W, với vùng chiếu sáng gần đạt 50 – 75m và xa lên đến 180 – 250m.
2.2.1.1 Tổng quan các loại bóng đèn đầu: a Bóng đèn dây tóc:
Hình 2.2: Bóng đèn loại dây tóc
Bóng đèn dây tóc có cấu tạo gồm vỏ thủy tinh và dây điện trở volfram bên trong Khi dây volfram được nung nóng đến 2300 độ C với mức điện áp nhất định, nó phát ra ánh sáng trắng Tuy nhiên, nếu điện áp quá cao, dây volfram sẽ bốc hơi nhanh, dẫn đến hiện tượng đen bóng đèn và đứt dây tóc Để hạn chế oxy hóa và tăng độ bền, không khí trong bóng đèn được hút ra tạo môi trường chân không Để tăng cường độ sáng, người ta bơm khí Argon vào bóng đèn với áp suất thấp, giúp tăng cường độ chiếu sáng lên khoảng 40%.
Bóng đèn dây tóc hoạt động bằng cách nung nóng dây điện trở volfram lên đến 2300°C, quá trình này khiến dây tóc bay hơi và bị hỏng.
Dây tóc tim c ốt Thạch anh
Dây tóc tim pha khi bị đốt cháy sẽ làm vỏ thủy tinh bị đen, dẫn đến việc giảm cường độ chiếu sáng Sự bay hơi của dây tóc cũng ảnh hưởng đến tuổi thọ của bóng đèn, khi dây điện trở bị hỏng sẽ làm giảm hiệu suất chiếu sáng.
Bóng đèn halogen được cải tiến để khắc phục hiện tượng bay hơi của dây volfram, giúp ngăn chặn việc làm đen bóng thủy tinh và kéo dài tuổi thọ nhờ vào việc dây volfram không bị bay hơi Chứa khí halogen như iode hoặc brôm, đèn halogen sử dụng các khí này làm chất xúc tác cho quá trình thăng hoa của dây volfram Khi volfram bay hơi, nó kết hợp với halogen tạo thành iodur volfram, không bám vào thủy tinh như đèn dây tóc thông thường Hỗn hợp này được đưa trở lại vùng khí nhiệt độ cao quanh tim đèn, nơi nó tách thành volfram và khí halogen, cho phép volfram quay trở lại tim đèn Quá trình này lặp đi lặp lại, không chỉ ngăn chặn sự đổi màu mà còn duy trì hiệu suất hoạt động của tim đèn trong thời gian dài.
Vỏ bóng đèn halogen được làm từ thạch anh, cho phép chịu nhiệt độ và áp suất cao từ 5 – 7 bar, với nhiệt độ hoạt động trên 250 độ C để khí halogen bốc hơi Đèn halogen cung cấp cường độ sáng và tuổi thọ cao hơn so với bóng đèn dây tóc thông thường, đồng thời dây tóc của bóng đèn halogen có đường kính nhỏ hơn, giúp điều chỉnh tiêu cự dễ dàng và chính xác hơn.
Đèn Xenon hoạt động dựa trên nguyên lý tương tự như hiện tượng sét phóng điện tự nhiên, xảy ra khi trời mưa Khi các tia sét xuất hiện giữa các đám mây và mặt đất, chúng tạo ra ánh sáng cường độ cao Ý tưởng này đã truyền cảm hứng cho các nhà chế tạo phát triển đèn Xenon, cung cấp nguồn sáng mạnh mẽ, thay thế cho các loại đèn dây tóc và halogen đang dần lỗi thời.
Vào năm 1992, Hella, nhà sản xuất bóng đèn xe hơi hàng đầu thế giới, đã giới thiệu bóng đèn Xenon đầu tiên sử dụng công nghệ phóng điện cường độ cao (HID) Thời điểm đó, đèn Xenon chủ yếu được sử dụng cho chế độ đèn cốt, vì bóng đèn này chỉ có một chế độ hoạt động, khác với đèn sợi tóc có thể có hai tim Do đó, chóa đèn dành cho đèn Xenon cần phải có thiết kế riêng biệt cho cả đèn pha và đèn cốt.
Năm 1999, đèn Bi – Xenon được giới thiệu, khắc phục nhược điểm của đèn Xenon trước đó Đèn này có khả năng tạo ra ánh sáng pha và cốt từ một nguồn sáng duy nhất, mang lại ánh sáng đồng nhất cho cả hai chế độ Hơn nữa, đèn Bi – Xenon còn tiết kiệm năng lượng hơn so với các loại đèn truyền thống.
Đèn Xenon hoạt động dựa trên nguyên lý phóng điện cường độ cao giữa hai bản cực, không sử dụng dây điện trở như đèn sợi đốt hay đèn halogen Thay vào đó, hai điện cực được đặt trong ống huỳnh quang chứa khí Xenon tinh khiết, thủy ngân và muối kim loại halogen Khi áp điện áp lớn hơn 25.000 V, hiện tượng phóng điện xảy ra, tạo ra ánh sáng khi các electron va chạm với nguyên tử kim loại Sự phóng điện cũng kích thích các phân tử khí Xenon, khiến chúng giải phóng năng lượng và phát ra ánh sáng theo định luật bức xạ điện từ Màu sắc ánh sáng phụ thuộc vào chênh lệch năng lượng của electron và tính chất hóa học của muối kim loại trong ống Vỏ đèn được làm từ thủy tinh thạch anh, có khả năng chịu nhiệt độ và áp suất cao.
Để tạo ra ánh sáng từ đèn Xenon, cần có một điện áp cao trên 25.000 V, do đó hệ thống yêu cầu một bộ khởi động (ignitor) Ngoài ra, để duy trì tia hồ quang, một chấn lưu (ballast) sẽ cung cấp điện áp khoảng 85 V trong suốt quá trình hoạt động của đèn, đóng vai trò vừa là bộ xử lý vừa là thiết bị tăng áp cho bóng đèn.
Hình 2.5: Sơ đồ cấu tạo của đèn Xenon
Ánh sáng của đèn Xenon phát ra:
Ánh sáng của đèn Xenon thay đổi tùy thuộc vào tính chất hóa học của muối kim loại bên trong Hai yếu tố quan trọng là độ Kelvin và Lumens, quyết định màu sắc (độ trắng) và độ sáng của đèn.
Hình 2.6: Dãy màu mà đèn Xenon phát ra
- Ở 4300 K đèn tạo ra khoảng 3100 Lm, nó tạo ra lượng ánh sáng nhiều hơn gấp
Đèn Halogen cung cấp ánh sáng trắng sáng nhất và có thể chuyển sang màu vàng nhạt khi phản xạ trên đường Loại đèn này thường được sử dụng trên các xe ô tô, đặc biệt là khi di chuyển vào ban đêm và trên những con đường đồi núi, giúp tối ưu hóa tầm nhìn cho người lái.
- Ở 6000 K đèn tạo ra khoảng 2900 Lm, nó tạo ra lượng ánh sáng nhiều hơn gấp
3 lần của loại đèn Halogen và mỏng hơn so với ở 4300 K Mặc dù phát ra ánh sáng ít hơn, nhưng phát ra ánh sáng trắng hơn với màu xanh nhạt.
- Ở 8000 K đèn tạo ra khoảng 2500 Lm, nó tạo ra lượng ánh sáng nhiều hơn gấp
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tổng quan hệ thống tín hiệu
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
4.1 Kết luận và iến nghị
Tác giả đã hoàn thành mô hình mô phỏng hệ thống chiếu sáng tự động cho ô tô dựa trên kiến thức về điện ô tô, điện tử và vi xử lý Mô hình này mang tính chất thử nghiệm, tuy nhiên, trong thực tế sẽ phát sinh nhiều vấn đề có thể ảnh hưởng đến quá trình vận hành của hệ thống điều khiển ô tô Do đó, cần thực hiện nhiều lần thử nghiệm để kiểm nghiệm và thu thập các thông số cụ thể như độ bền, chống thấm và độ ổn định, nhằm đảm bảo hiệu quả hoạt động của hệ thống.
Tác giả hy vọng hệ thống chiếu sáng tự động trên ô tô sẽ được cải tiến để khắc phục hoàn toàn nhược điểm, trở nên hữu ích cho mọi loại xe và ứng dụng trong giảng dạy tại trường Cao Đẳng Công Nghệ Thủ Đức Lĩnh vực này đang phát triển mạnh mẽ, với các giải pháp khoa học nhằm đáp ứng nhu cầu cuộc sống và thúc đẩy sự phát triển bền vững của xã hội Trong tương lai, với sự tiến bộ của công nghệ và hệ thống định vị toàn cầu, các nhà sản xuất ô tô có tham vọng phát triển giải pháp chiếu sáng chủ động hoàn toàn cho xe.
Hy vọng Khoa sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc nghiên cứu sâu hơn về các đề tài mới trong lĩnh vực này, đồng thời phát triển nhiều mô hình thực tiễn để sinh viên có cái nhìn tổng thể và thực tế Điều này sẽ giúp sinh viên có công cụ học tập và tham khảo hiệu quả hơn.
4.2 Hướng phát triển của đề tài
Do thời gian nghiên cứu có hạn, đề tài này chỉ tập trung vào hệ thống đóng mở đèn chiếu sáng tự động cơ bản Trong tương lai, tác giả dự định sẽ mở rộng nghiên cứu để phát triển hệ thống đèn chiếu sáng thông minh cho ô tô.
Nghiên cứu này nhằm phát triển một mô hình cụ thể hóa, giúp sinh viên có được ứng dụng thực tế, từ đó tạo nền tảng vững chắc cho sự nghiệp sau này.
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Mô hình hệ thống chiếu sáng tự động
Hệ thống chiếu sáng tự động sử dụng tín hiệu từ các cảm biến để điều khiển việc bật tắt đèn và điều chỉnh độ sáng của từng bóng đèn, nhằm tối ưu hóa ánh sáng theo từng điều kiện vận hành.
Hình 3.1: Tổng thể mô hình chiếu sáng tự động trên ô tô.
Các chi tiết trên mô hình
Hệ thống nhận tín hiệu từ các cảm biến và sử dụng chip IC để xử lý dữ liệu, từ đó xuất tín hiệu điều khiển cho các bộ chấp hành như motor tốc độ ô tô, motor điều khiển góc đèn "head light" và điều chỉnh độ sáng của đèn.
Hình 3.2: Mạch điều khiển mô hình chiếu sáng tự động trên ô tô
3.2.2 Motor giả lập tốc độ ô tô và cảm biến tốc độ
Motor được điều khiển với nhiều tốc độ khác nhau thông qua bàn đạp ga, và tín hiệu từ cảm biến tốc độ sẽ được gửi đến hệ thống xử lý trung tâm để hiển thị trên màn hình LCD.
Hình 3.3: Motor giả lập và Encorder
Cảm biến góc bàn đạp ga được gắn trên bàn đạp ga, gửi tín hiệu đến mạch điện điều khiển trung tâm Từ tín hiệu này, hệ thống điều khiển motor giả tốc độ ô tô, giúp tăng hoặc giảm số vòng xoay.
Hình 3.4: Bàn đạp ga 3.2.4 Cảm biến mưa và cảm biến ánh sáng
Cảm biến sẽ phát hiện sự thay đổi về ánh sáng và thời tiết trong quá trình vận hành ô tô Khi ánh sáng giảm xuống dưới mức quy định hoặc khi có mưa, sương mù, cảm biến sẽ gửi tín hiệu đến mạch điện chính để xử lý Điều này giúp kích hoạt các hệ thống chiếu sáng và đèn cảnh báo, đảm bảo an toàn cho người lái.
Hình 3.5: Cảm biến mưa và cảm biến ánh sáng 3.2.5 Màn hình hiển thị thông tin tín hiệu
Màn hình sẽ hiển thị thông tin của các cảm biến, tốc độ ô tô, tình trạng hoạt động của đèn…
Hình 3.6: Màn hình LCD 20x43.2.6 Động cơ RC điều khiển độ cao thấp của đèn headlight
3.2.7 Đèn chiếu sáng và đèn tín hiệu phía trước
Hình 3.8: Cụm đèn chiếu sáng và tín hiệu phía trước3.2.8 Đèn tín hiệu phía sau
Hình 3.9: Cụm đèn tín hiệu phía sau
Nguyên lý hoạt động
Khi ô tô di chuyển trên đường, các cảm biến liên tục gửi dữ liệu về mạch điều khiển đèn chính Tại đây, thông tin được xử lý và so sánh với các tiêu chuẩn đã định sẵn.
Nếu cảm biến ánh sáng nhận thấy độ sáng giảm còn 35% (65% tối) so với tiêu chuẩn (100%) thì đèn xi nhan sẽ sáng lên (Turn Light sẽ sáng).
Hình 3.10: Đèn xinhan sáng khi độ sáng giảm
Khi cảm biến ánh sáng phát hiện độ sáng giảm xuống còn 20% so với mức tiêu chuẩn 100%, hệ thống đèn sẽ tự động kích hoạt, bao gồm đèn đầu và đèn sau.
Khi độ sáng giảm, đèn Head Light sẽ tự động bật Nếu cảm biến mưa phát hiện có mưa trong không khí với tỷ lệ 50%, đèn Head Light sẽ ngay lập tức được kích hoạt.
Trong quá trình vận hành ô tô, góc chiếu sáng của đèn Head Light sẽ tự động điều chỉnh theo tốc độ xe, giúp tài xế có tầm nhìn rõ ràng hơn, đặc biệt khi trời mưa.
Khi ô tô di chuyển với tốc độ dưới 50 km/h, góc chiếu sáng của đèn pha cần tuân thủ tiêu chuẩn coss để đảm bảo không làm chói mắt người đi ngược chiều, đặc biệt trong khu vực thành thị đông dân cư với tốc độ thấp.
Hình 3.13: Góc đèn thay đổi theo tốc độ xe
50 km/h
