Thiết Kế Mô Hình Hệ Thống Gạt Mưa Tự Động Thông Qua Ứng Dụng Vi Điều Khiển Arduino

Hệ thống gạt mưa tự động là một ứng dụng công nghệ hiện đại, giúp cải thiện tầm nhìn cho người lái xe trong… 96 trang · Đại Học Giao Thông Vận Tải · 2022.

• Tác giả: Bùi Xuân Phong
• Người hướng dẫn: Dương Minh Thái
• Trường học: Đại Học Giao Thông Vận Tải
• Chuyên ngành: Cơ khí Ô Tô
• Đề tài: Thiết Kế Mô Hình Hệ Thống Gạt Mưa Tự Động Sử Dụng Arduino
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM KẾT
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT ĐỀ TÀI
• 1.1. Tính cấp thiết đề tài
• 1.2. Mục tiêu của đề tài
• 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiện cứu
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.4.1. Phương pháp nghiên cứu tài liệu
• 1.4.2. Phương pháp nghiên cứu cụ thể
• 1.5. Cấu trúc của khoá luận tốt nghiệp
• 2. CHƯƠNG 2: NHIỆM VỤ, YÊU CẦU, PHÂN LOẠI CỦA HỆ THỐNG GẠT MƯA
• 2.1. Nhiệm vụ
• 2.2. Yêu cầu
• 2.3. Phân loại
• 2.4. Cấu tạo chung của hệ thống gạt mưa
• 2.5. Cấu tạo và hoạt động của các bộ phận trong hệ thống
• 2.5.1. Cấu tạo motor gạt nước
• 2.5.2. Hoạt động ở tốc độ thấp và cao
• 2.5.3. Công tắc dạng cam
• 2.5.4. Cơ cấu dẫn động thanh gạt nước
• 2.5.5. Cần gạt nước trên xe ô tô
• 2.5.6. Gạt nước che một nửa và che hoàn toàn
• 3. CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG GẠT MƯA TỰ ĐỘNG
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀN PROTEUS 8
• 4.1. Giới thiệu về phần mềm Proteus 8
• 4.2. Các bước nhập code chạy mô phỏng
• 4.3. Các trường hợp điều khiển của Arduino
• 4.4. Khái quát về mô phỏng
• 4.5. Trường hợp che phủ dưới 100 đơn vị
• 4.6. Trường hợp che phủ từ 100 – 399 đơn vị
• 4.7. Trường hợp che phủ từ 400 – 600 đơn vị
• 4.8. Trường hợp che phủ từ 601 – 1000 đơn vị
• 5. CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ MÔ HÌNH TRÊN PHẦN MỀN SOLIDWORKS
• 5.1. Giới thiệu phần mềm Solidworks
• 5.2. Ý tưởng thiết kế mô hình
• 5.3. Giới thiệu mô hình
• 5.4. Một số hình ảnh thực tế về mô hình
• 6. CHƯƠNG 6: XÂY DỰNG BÀI TẬP THỰC HÀNH
• 6.1. Bài tập kiểm tra hệ thống gạt và phun nước
• 6.2. Bài tập thực hiện hệ thống mạch điện hệ thống gạt và phun nước rửa kính
• KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Thiết Kế Hệ Thống Gạt Mưa Tự Động Sử Dụng Arduino

Hệ thống gạt mưa tự động là một ứng dụng công nghệ hiện đại, giúp cải thiện tầm nhìn cho người lái xe trong điều kiện thời tiết xấu. Việc thiết kế hệ thống này không chỉ mang lại sự tiện lợi mà còn đảm bảo an toàn cho người tham gia giao thông. Sử dụng Arduino trong thiết kế giúp đơn giản hóa quá trình lập trình và điều khiển các linh kiện điện tử.

1.1. Lịch sử phát triển của hệ thống gạt mưa

Hệ thống gạt mưa đã có lịch sử phát triển từ những năm đầu thế kỷ 20. Mary Anderson là người đầu tiên phát minh ra cần gạt mưa vào năm 1903, giúp tài xế không phải dừng xe để lau kính. Ngày nay, hệ thống này đã trở thành tiêu chuẩn trên mọi loại xe.

1.2. Tại sao nên sử dụng Arduino trong thiết kế

Arduino là một nền tảng mã nguồn mở, dễ sử dụng và linh hoạt. Việc sử dụng Arduino giúp giảm thiểu chi phí và thời gian phát triển, đồng thời cho phép người dùng dễ dàng lập trình và điều chỉnh hệ thống theo nhu cầu.

II. Vấn đề và Thách thức trong Thiết Kế Hệ Thống Gạt Mưa Tự Động

Mặc dù hệ thống gạt mưa tự động mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng tồn tại một số thách thức trong quá trình thiết kế và triển khai. Các vấn đề như độ chính xác của cảm biến, khả năng tương thích với các loại xe khác nhau và độ bền của linh kiện là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Độ chính xác của cảm biến mưa

Cảm biến mưa là một phần quan trọng trong hệ thống gạt mưa tự động. Độ chính xác của cảm biến ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất hoạt động của hệ thống. Cần lựa chọn cảm biến có độ nhạy cao để đảm bảo hoạt động hiệu quả trong mọi điều kiện thời tiết.

2.2. Khả năng tương thích với các loại xe

Mỗi loại xe có cấu trúc và hệ thống điện khác nhau. Việc thiết kế hệ thống gạt mưa tự động cần đảm bảo tính tương thích với nhiều loại xe, từ xe hơi đến xe tải, để mở rộng ứng dụng của sản phẩm.

III. Phương Pháp Thiết Kế Hệ Thống Gạt Mưa Tự Động Sử Dụng Arduino

Thiết kế hệ thống gạt mưa tự động bao gồm nhiều bước từ việc lựa chọn linh kiện đến lập trình và mô phỏng. Việc áp dụng các phương pháp khoa học trong thiết kế giúp tối ưu hóa hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

3.1. Lựa chọn linh kiện phù hợp

Việc lựa chọn linh kiện như cảm biến mưa, motor gạt nước và mạch điều khiển là rất quan trọng. Cần đảm bảo các linh kiện này có chất lượng tốt và phù hợp với yêu cầu kỹ thuật của hệ thống.

3.2. Lập trình và mô phỏng hệ thống

Lập trình trên nền tảng Arduino cho phép điều khiển các linh kiện một cách linh hoạt. Mô phỏng hệ thống trên phần mềm như Proteus giúp kiểm tra và điều chỉnh trước khi triển khai thực tế.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn của Hệ Thống Gạt Mưa Tự Động

Hệ thống gạt mưa tự động không chỉ được ứng dụng trong ô tô mà còn có thể áp dụng cho các phương tiện khác như xe tải, tàu biển và máy bay. Điều này mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển và cải tiến công nghệ trong ngành giao thông vận tải.

4.1. Ứng dụng trong ô tô

Hệ thống gạt mưa tự động giúp cải thiện tầm nhìn cho người lái, đặc biệt trong điều kiện thời tiết xấu. Điều này không chỉ nâng cao sự an toàn mà còn tạo sự thoải mái cho người sử dụng.

4.2. Ứng dụng trong các phương tiện khác

Ngoài ô tô, hệ thống gạt mưa tự động còn có thể được áp dụng cho tàu biển và máy bay, giúp duy trì tầm nhìn rõ ràng trong điều kiện thời tiết không thuận lợi.

V. Kết Luận và Tương Lai của Hệ Thống Gạt Mưa Tự Động

Hệ thống gạt mưa tự động sử dụng Arduino là một giải pháp hiệu quả cho việc cải thiện an toàn giao thông. Tương lai của hệ thống này hứa hẹn sẽ có nhiều cải tiến về công nghệ và tính năng, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng.

5.1. Tương lai của công nghệ gạt mưa tự động

Với sự phát triển của công nghệ, hệ thống gạt mưa tự động sẽ ngày càng thông minh hơn, có khả năng tự điều chỉnh theo điều kiện thời tiết và nhu cầu của người lái.

5.2. Khả năng mở rộng ứng dụng

Hệ thống gạt mưa tự động có thể được mở rộng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ giao thông vận tải đến các thiết bị công nghiệp, tạo ra nhiều cơ hội mới cho nghiên cứu và phát triển.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Hệ thống gạt nước và rửa kính là cụm chi tiết an toàn quan trọng trên ô tô, đảm bảo tầm quan sát cho người điều khiển phương tiện trong điều kiện thời tiết xấu như mưa, tuyết hoặc khói bụi. Lịch sử phát triển của cơ cấu này bắt đầu từ phát minh của Mary Anderson vào năm 1903 (nhận bằng sáng chế năm 1905) với hệ thống cần gạt dẫn động bằng tay, trước khi trở thành trang bị tiêu chuẩn từ năm 1916 trên các dòng xe sản xuất hàng loạt như Ford Model T. Trong bối cảnh công nghệ ô tô hiện đại, hệ thống gạt mưa tự động đã được trang bị phổ biến trên các dòng xe trung và cao cấp. Tuy nhiên, trên các phân khúc xe phổ thông giá thấp, hệ thống gạt mưa đa số vẫn hoạt động dựa trên sự điều khiển thủ công của người lái. Việc phải thao tác chuyển đổi công tắc liên tục khi điều khiển xe trong điều kiện mưa bão có thể làm giảm sự tập trung, tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn giao thông.

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Bùi Xuân Phong (ngành Cơ khí Ô tô, Viện Cơ khí – Trường Đại học Giao thông Vận tải TP.HCM) thực hiện đề tài "Thiết kế mô hình hệ thống gạt mưa tự động thông qua ứng dụng vi điều khiển Arduino" nhằm giải quyết bài toán ứng dụng công nghệ vi điều khiển giá thành thấp để tự động hóa hệ thống gạt mưa, đồng thời tạo ra mô hình học cụ trực quan phục vụ công tác đào tạo thực hành cho sinh viên ngành kỹ thuật ô tô.

Mục tiêu cụ thể của đề tài bao gồm 05 nội dung:

1. Khái quát cơ sở lý thuyết về hệ thống gạt mưa – rửa kính loại điều khiển âm chờ và dương chờ trên ô tô.
2. Thiết kế sơ đồ đấu dây mạch điều khiển gạt mưa tự động và phân tích nguyên lý làm việc của hệ thống.
3. Xây dựng quy trình kiểm tra, bảo dưỡng và sửa chữa hệ thống gạt mưa – rửa kính.
4. Thiết kế mô hình 3D tổng thể trên phần mềm SolidWorks.
5. Lập trình thuật toán điều khiển trên Arduino IDE và mô phỏng hoạt động mạch điện trên phần mềm Proteus 8.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống gạt mưa – rửa kính trang bị trên các dòng xe du lịch phổ biến của các hãng Toyota, Honda, Hyundai, Kia và Ford. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào phân tích cấu tạo cơ điện, khảo sát nguyên lý mạch điện âm chờ/dương chờ, lập trình giải thuật nhận diện lượng mưa qua cảm biến và chế tạo mô hình thiết bị dạy học thu nhỏ phục vụ thực hành tại xưởng thí nghiệm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của khóa luận dựa trên nguyên lý cơ điện tử ô tô và cấu trúc phần cứng vi điều khiển. Hệ thống gạt mưa cơ sở bao gồm động cơ điện một chiều (DC) kích từ bằng nam châm vĩnh cửu, tích hợp bộ truyền trục vít - bánh răng giảm tốc và cơ cấu đĩa cam định vị điểm dừng tự động (auto-parking). Động cơ sử dụng 03 chổi than: chổi than tốc độ thấp (LO), chổi than tốc độ cao (HI) và chổi than nối mát chung (E). Chế độ gạt gián đoạn (INT) truyền thống được điều khiển thông qua mạch định thời sử dụng transistor và rơ-le hoặc tích hợp trong cụm công tắc gạt mưa.

Khóa luận phân loại cấu trúc đấu nối mạch động cơ gạt mưa thành hai dạng chính:

• Hệ thống điều khiển âm chờ: Động cơ được cấp sẵn nguồn dương hoặc nối âm thường trực, điều khiển chuyển mạch qua chân tiếp điểm. Khi đo thông mạch, mô-tơ âm chờ có từ 3 đến 4 chân thông với vỏ động cơ tùy thuộc vào vị trí tiếp điểm cam dừng.
• Hệ thống điều khiển dương chờ: Động cơ được cấp nguồn dương sẵn, điều khiển đóng ngắt mạch qua phía cực âm. Khi đo kiểm, mô-tơ dương chờ có từ 1 đến 2 chân thông với vỏ kim loại.

Nền tảng phần cứng điều khiển tự động sử dụng bo mạch vi điều khiển Arduino Uno R3 kết hợp cảm biến mưa điện trở. Cảm biến hoạt động dựa trên nguyên lý thay đổi điện trở bề mặt khi có nước mưa, sử dụng IC so sánh LM393 để xuất tín hiệu số (D0) và tín hiệu tương tự (A0).

Thông số kỹ thuật	Bo mạch Arduino Uno R3
Vi điều khiển trung tâm	ATmega328 (8-bit)
Điện áp hoạt động logic	5V DC
Tần số xung nhịp (Clock)	16 MHz
Dòng điện tiêu thụ trung bình	~30 mA
Điện áp đầu vào khuyên dùng	7 – 12V DC (Giới hạn: 6 – 20V DC)
Số chân Digital I/O	14 chân (trong đó có 6 chân hỗ trợ PWM)
Số chân Analog Input	6 chân (Độ phân giải ADC 10-bit: 1024 mức)
Dòng ra tối đa trên mỗi chân I/O	30 mA (Cực đại 5V: 500 mA; 3.3V: 50 mA)
Dung lượng bộ nhớ Flash	32 KB (ATmega328, trong đó 0.5 KB dùng cho Bootloader)
Bộ nhớ SRAM / EEPROM	2 KB SRAM / 1 KB EEPROM

Phương pháp nghiên cứu được triển khai theo quy trình phân tích và tổng hợp kỹ thuật gồm 4 bước:

• Bước 1: Thu thập, khảo sát sơ đồ mạch điện và kết cấu cơ khí của hệ thống gạt mưa trên các dòng xe thương mại.
• Bước 2: Phân loại, chuẩn hóa dữ liệu kỹ thuật theo hệ thống logic về cơ cấu chấp hành và mạch điện âm/dương chờ.
• Bước 3: Phân tích nguyên lý làm việc của công tắc cam, mạch gạt INT, lựa chọn linh kiện vi điều khiển và cảm biến phù hợp.
• Bước 4: Tổng hợp, xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển, thiết kế mạch nguyên lý, mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng và lắp ráp mô hình thực hành.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Kiến trúc hệ thống gạt mưa tự động được cấu thành từ 4 khối chức năng chính: Khối nguồn cấp, Khối cảm biến thu thập tín hiệu, Khối xử lý trung tâm (Arduino Uno R3), và Khối cơ cấu chấp hành (cụm rơ-le trung gian, mô-tơ gạt nước, mô-tơ bơm nước rửa kính).

Thuật toán điều khiển phân loại lượng mưa dựa trên thang đo ADC 1000 đơn vị của cảm biến mưa. Khi hạt mưa rơi trên bề mặt cảm biến, độ dẫn điện thay đổi tương ứng với diện tích bề mặt bị che phủ, làm thay đổi điện áp đầu vào chân Analog A0. Vi điều khiển xử lý tín hiệu và điều khiển đóng ngắt mạng lưới gồm 5 rơ-le (12V) để chuyển đổi giữa các chế độ gạt nước tương đương với các nấc điều khiển truyền thống.

Mức độ che phủ cảm biến	Đơn vị chưa che phủ	Trạng thái thời tiết	Chế độ gạt tương ứng	Trạng thái Rơ-le / LED điều khiển
Dưới 100 đơn vị	$X > 900$	Trời tạnh / Không mưa	Tắt (OFF)	Tất cả LED 1, 2, 3, 4, 5 ở mức LOW
100 – 399 đơn vị	$600 < X \le 900$	Mưa nhỏ	Gạt gián đoạn (INT)	LED 1 (HIGH), LED 4 (HIGH), LED 5 (HIGH)
400 – 600 đơn vị	$400 \le X \le 600$	Mưa vừa / Nhỏ	Gạt tốc độ thấp (LOW)	LED 1 (HIGH), LED 2 (HIGH) $\rightarrow$ Cấp nguồn chân +1
601 – 1000 đơn vị	$X < 400$	Mưa lớn	Gạt tốc độ cao (HIGH)	LED 1 (HIGH), LED 3 (HIGH) $\rightarrow$ Cấp nguồn chân +2

Mạch điện được thiết kế với công tắc chuyển đổi chế độ thủ công/tự động. Khi kích hoạt chế độ tự động, Rơ-le số 1 chuyển tiếp điểm từ thường đóng (NC) sang thường mở (NO) để cấp nguồn cho toàn bộ khối điều khiển chấp hành tự động. Hệ thống cơ khí và khung gá được thiết kế hoàn chỉnh trên phần mềm SolidWorks 2016, sử dụng vật liệu tấm nhựa trong suốt PVC để mô phỏng kính chắn gió ô tô, kết hợp cụm cần gạt, chổi gạt, mô-tơ gạt nước 12V, cụm bơm nước rửa kính, hộp cầu chì bảo vệ 10A và hệ thống dây dẫn tiêu chuẩn ô tô.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu tổng quát đề tài

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của việc nghiên cứu và chế tạo mô hình hệ thống gạt mưa – rửa kính tự động phục vụ công tác giảng dạy chuyên ngành Cơ khí Ô tô. Tác giả tổng quan lịch sử hình thành cần gạt nước từ sáng chế năm 1903 của Mary Anderson đến các tiêu chuẩn trang bị hiện đại. Chương này xác định rõ 5 mục tiêu nghiên cứu, đối tượng khảo sát (các hãng xe Toyota, Honda, Hyundai, Kia, Ford), phạm vi thực hiện và cấu trúc 4 bước phương pháp luận nghiên cứu.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 phân tích chuyên sâu về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các cụm chi tiết trong hệ thống gạt mưa – rửa kính truyền thống:

• Động cơ gạt nước nam châm vĩnh cửu: Phân tích đường đặc tính và dòng điện qua cuộn dây phần ứng ở chế độ tốc độ thấp (chổi than LO sinh sức điện động lớn làm giảm tốc độ) và tốc độ cao (chổi than HI sinh sức điện động ngược nhỏ hơn).
• Cơ cấu hãm điện động và công tắc cam dừng cố định: Phân tích hoạt động của đĩa cam xẻ rãnh chữ V cùng 3 tiếp điểm P1, P2, P3, giải thích cơ chế duy trì dòng điện khi tắt công tắc đột ngột và hiện tượng tự hãm cưỡng bức bằng sức điện động ngược khi tiếp điểm trượt qua vị trí rãnh cách điện.
• Cơ cấu cần gạt, lưỡi cao su, dạng gạt nước che một nửa và che hoàn toàn dưới nắp ca-pô.
• Bơm nước rửa kính và mạch điều khiển rửa kính kết hợp.
• Phân biệt đặc tính đấu dây, xác định chân cực của hệ thống gạt mưa loại âm chờ và dương chờ.
• Tổng quan về nền tảng Arduino và thông số kỹ thuật chi tiết của vi điều khiển Arduino Uno R3.

Chương 3: Phân tích và thiết kế hệ thống gạt mưa tự động

Chương 3 trình bày quá trình lựa chọn giải pháp công nghệ và thiết kế mạch điều khiển:

• So sánh các dòng vi điều khiển (8051, AVR, PIC, MSP430, Arduino) và đưa ra luận cứ lựa chọn Arduino Uno R3 nhờ tính sẵn có, hỗ trợ đa dạng thư viện lập trình C++, chi phí thấp và cấu hình I/O đáp ứng đầy đủ yêu cầu.
• Lựa chọn cảm biến mưa tiếp xúc bề mặt cho mô hình học cụ thu nhỏ (đồng thời phân tích ưu thế của cảm biến hồng ngoại trên xe thương mại).
• Xây dựng sơ đồ khối hệ thống (Khối nguồn, Khối cảm biến, Khối điều khiển vi xử lý, Khối chấp hành rơ-le/mô-tơ).
• Thiết lập thang định lượng lượng mưa 1000 đơn vị và xây dựng bảng logic trạng thái điều khiển rơ-le/LED.
• Thiết lập lưu đồ thuật toán điều khiển và sơ đồ nguyên lý mạch điện tổng thể của hệ thống gạt mưa tự động.

Chương 4: Mô phỏng trên phần mềm Proteus 8

Chương 4 tập trung vào việc số hóa và kiểm thử giải thuật trên môi trường mô phỏng Proteus 8:

• Trình bày giao diện, phương pháp nạp file mã máy .hex biên dịch từ Arduino IDE vào mô hình vi điều khiển ATmega328 trên Proteus.
• Nhúng thư viện cảm biến mưa và thiết lập giá trị biến trở ảo đại diện cho lượng nước mưa thực tế.
• Chạy mô phỏng kiểm chứng 4 trường hợp che phủ cảm biến (<100 đơn vị, 100–399 đơn vị, 400–600 đơn vị, 601–1000 đơn vị), ghi nhận sự chuyển trạng thái chính xác của các rơ-le và đèn chỉ thị tín hiệu theo đúng giải thuật đã thiết kế.

Chương 5: Thiết kế mô hình trên phần mềm SolidWorks

Chương 5 hiện thực hóa phần cứng mô hình thí nghiệm:

• Xây dựng bản vẽ 3D các cụm chi tiết: Mô-tơ gạt nước loại âm chờ và dương chờ, cơ cấu tay đòn liên động, cần gạt và lưỡi gạt nước, cụm công tắc điều khiển trên trục lái, tấm kính chắn gió mô phỏng bằng nhựa PVC trong suốt.
• Thiết kế bố trí không gian giá đỡ, hộp cầu chì 10A, rơ-le 4 chân và 5 chân (12V), cụm vi điều khiển Arduino Uno R3 và cảm biến mưa.
• Trình bày hình ảnh lắp ráp thực tế của mô hình sau khi hoàn thiện gia công cơ khí và đấu nối dây điện.

Chương 6: Xây dựng bài tập thực hành

Chương 6 xây dựng tài liệu hướng dẫn thực hành chuyên ngành cho sinh viên:

• Quy trình kiểm tra, đo kiểm tình trạng hoạt động của mô-tơ gạt nước ở các dải tốc độ nhanh (HI) và chậm (LO).
• Phương pháp xác định chân ra (pinout) trên cụm công tắc gạt mưa và mô-tơ gạt nước loại có IC điều khiển gián đoạn đặt trong hoặc đặt ngoài.
• Bài tập đấu nối mạch điện hoàn chỉnh cho hệ thống gạt nước âm chờ và dương chờ trên mô hình.
• Quy trình kiểm tra, cân chỉnh góc phun của vòi phun nước rửa kính và chẩn đoán sự cố thường gặp trên hệ thống.

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đã hoàn thành đầy đủ các mục tiêu đề ra với các kết quả cụ thể:

• Thiết kế và lắp ráp thành công mô hình học cụ hệ thống gạt mưa – rửa kính tích hợp tính năng tự động hóa bằng vi điều khiển Arduino Uno R3, hoạt động ổn định trên nguồn điện một chiều 12V.
• Xây dựng thành công thuật toán phân loại 4 mức độ mưa với thang đo 1000 đơn vị ADC, kích hoạt chính xác 4 chế độ làm việc của mô-tơ: Dừng (OFF), Gián đoạn (INT), Chậm (LOW), Nhanh (HIGH).
• Kiểm chứng tính đúng đắn của sơ đồ nguyên lý mạch điện qua mô phỏng trên phần mềm Proteus 8 trước khi thi công phần cứng.
• Hoàn thiện bộ bản vẽ thiết kế không gian 3D trên phần mềm SolidWorks 2016.
• Đóng góp bộ tài liệu hướng dẫn bài tập thực hành gồm quy trình đo kiểm mô-tơ, dò tìm chân cực công tắc và đấu nối hai dạng mạch điện kinh điển (âm chờ và dương chờ), phục vụ trực tiếp cho công tác đào tạo sinh viên tại Viện Cơ khí – Trường Đại học Giao thông Vận tải TP.HCM.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận xác định một số hạn chế kỹ thuật và đề xuất hướng phát triển mở rộng:

• Hạn chế: Cảm biến mưa sử dụng trong mô hình là loại cảm biến điện trở tiếp xúc trực tiếp với nước. Loại cảm biến này dễ bị ăn mòn, oxy hóa bề mặt kim loại sau thời gian sử dụng, độ bền chưa cao so với môi trường vận hành thực tế của ô tô. Kính chắn gió trên mô hình làm bằng vật liệu nhựa PVC phẳng, chưa phản ánh đầy đủ độ cong khí động học và ma sát thực của kính ô tô tiêu chuẩn.
• Hướng phát triển:
  1. Nâng cấp cảm biến thu thập dữ liệu sang loại cảm biến quang/hồng ngoại gắn phía sau kính chắn gió để tăng độ bền và độ nhạy nhận diện hạt mưa.
  2. Mở rộng giải thuật điều khiển tự động cho hệ thống bơm nước rửa kính thông minh khi phát hiện kính chắn gió bị bám bẩn.
  3. Tích hợp hệ thống gạt nước phía sau vào khối điều khiển trung tâm.
  4. Nghiên cứu giao tiếp hệ thống với mạng truyền thông nội bộ ô tô (mạng CAN-bus) để thay đổi tốc độ gạt mưa tương ứng với vận tốc di chuyển của xe.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo hữu ích cho các đối tượng và học phần sau:

• Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí Ô tô và Điện - Điện tử Ô tô: Tham khảo chi tiết Chương 2 và Chương 6 để nắm vững phương pháp xác định chân cực mô-tơ gạt nước (âm chờ/dương chờ), nguyên lý hoạt động của đĩa cam hãm dừng tự động và kỹ năng đấu nối mạch điện thân xe.
• Sinh viên thực hiện đồ án thiết kế hệ thống nhúng / IoT ứng dụng trên phương tiện: Tham khảo Chương 3 và Chương 4 về phương pháp giao tiếp vi điều khiển Arduino với cảm biến analog, giải thuật chia ngưỡng tín hiệu ADC, kỹ thuật điều khiển tải công suất qua rơ-le trung gian và phương pháp mô phỏng mạch điện trên Proteus 8.
• Giảng viên và kỹ thuật viên xưởng thực hành ô tô: Sử dụng mô hình và hệ thống bài tập tại Chương 6 làm tài liệu giảng dạy trực quan trong các môn học Thực tập Điện thân xe, Trang bị điện ô tô và Chẩn đoán kỹ thuật ô tô.

Câu hỏi thường gặp

1. Cơ cấu công tắc dạng cam trong mô-tơ gạt nước thực hiện nhiệm vụ hãm dừng tự động (auto-parking) như thế nào?
Công tắc dạng cam gồm một đĩa cam xẻ rãnh chữ V gắn đồng trục với bánh răng giảm tốc và 3 tiếp điểm trượt P1, P2, P3. Khi người lái gạt công tắc về vị trí OFF, nếu cần gạt chưa về điểm thấp nhất của kính, tiếp điểm P2 vẫn tiếp xúc với phần dẫn điện của đĩa cam, duy trì nguồn ắc-quy cấp cho mô-tơ tiếp tục quay ở tốc độ thấp. Khi đĩa cam quay đến vị trí rãnh xẻ, tiếp điểm P2 hở mạch ngắt nguồn chính, đồng thời tiếp điểm P3 nối kín mạch phần ứng mô-tơ về mát qua chân S và tiếp điểm P1. Quá trình này tạo ra một sức điện động ngược khép kín trong cuộn dây phần ứng, sinh mô-men hãm điện động giúp mô-tơ dừng lại ngay lập tức tại đúng vị trí đáy kính chắn gió.

2. Điểm khác biệt kỹ thuật cơ bản khi xác định chân ra giữa mô-tơ gạt nước loại âm chờ và dương chờ là gì?
Sự khác biệt thể hiện qua số lượng chân thông mạch với vỏ (mát E) của mô-tơ khi dùng đồng hồ VOM đo kiểm:

• Mô-tơ âm chờ: Chân âm được đấu sẵn. Khi cam dừng ở vị trí bình thường (chân S nối chân B), có ít nhất 3 chân thông với vỏ (+1, +2, E). Khi cam ở vị trí dừng (chân S nối chân E), có tối đa 4 chân thông với vỏ (+1, +2, S, E).
• Mô-tơ dương chờ: Chân dương được đấu sẵn. Chân nguồn B luôn thông mạch với chân tốc độ chậm (-1) và tốc độ nhanh (-2). Khi chân S nối chân E tại điểm dừng, có tối đa 2 chân thông vỏ (E, S); khi chân S ngắt khỏi E và thông với B, chỉ có duy nhất 1 chân thông vỏ (chân E).

3. Thuật toán điều khiển của Arduino phân loại các cấp độ gạt mưa dựa trên giá trị cảm biến như thế nào?
Thuật toán quy đổi tín hiệu cảm biến mưa về thang đo 1000 đơn vị:

• Khi lượng mưa chưa che phủ hoặc che phủ dưới 100 đơn vị (giá trị đọc $X > 900$): Hệ thống xác định không có mưa, xuất mức LOW cho tất cả rơ-le, mô-tơ dừng (OFF).
• Khi độ che phủ từ 100 đến 399 đơn vị ($600 < X \le 900$): Hệ thống nhận diện mưa nhỏ, kích hoạt LED 1, LED 4, LED 5 để chạy chế độ gạt gián đoạn (INT).
• Khi độ che phủ từ 400 đến 600 đơn vị ($400 \le X \le 600$): Hệ thống nhận diện mưa vừa/nhỏ, kích hoạt Rơ-le 1 và Rơ-le 2 cấp nguồn vào chân +1, mô-tơ gạt chậm (LOW).
• Khi độ che phủ từ 601 đến 1000 đơn vị ($X < 400$): Hệ thống nhận diện mưa lớn, kích hoạt Rơ-le 1 và Rơ-le 3 cấp nguồn vào chân +2, mô-tơ gạt nhanh (HIGH).

4. Vì sao tác giả lựa chọn vi điều khiển Arduino Uno R3 thay vì các dòng vi điều khiển khác như 8051, AVR, PIC hay MSP430?
Tác giả đã so sánh các thông số kỹ thuật và thực tiễn chế tạo: vi điều khiển 8051 bị giới hạn dung lượng RAM/ROM và thiếu cổng ngoại vi tích hợp; AVR tuy có tốc độ nhanh nhưng ít tùy chọn dạng bo thương mại hoàn chỉnh; PIC có hỗ trợ công nghiệp tốt nhưng mạch nạp chuyên dụng đắt tiền; MSP430 nguồn 3.3V có cộng đồng hỗ trợ hẹp hơn. Bo mạch Arduino Uno R3 (dùng chip ATmega328) được lựa chọn vì tích hợp sẵn cổng nạp USB, hỗ trợ 6 chân ADC 10-bit và 14 chân Digital, sử dụng môi trường lập trình Arduino IDE mã nguồn mở dễ tiếp cận, cộng đồng hỗ trợ lớn và giá thành phù hợp với mục tiêu chế tạo mô hình đào tạo chi phí thấp.

5. Nội dung thực hành xây dựng trong Chương 6 giúp sinh viên rèn luyện những kỹ năng kỹ thuật nào?
Chương 6 cung cấp hai bài tập thực hành cốt lõi:

• Bài tập 1: Rèn luyện kỹ năng kiểm tra độc lập khả năng quay của mô-tơ gạt nước ở tốc độ LOW và HIGH bằng nguồn điện ngoài, kiểm tra hoạt động của mô-tơ bơm nước rửa kính và kỹ thuật cân chỉnh góc phun nước trên kính chắn gió.
• Bài tập 2: Rèn luyện kỹ năng phân tích sơ đồ công tắc điều khiển, phương pháp sử dụng đồng hồ đo điện trở để dò tìm và xác định các cặp tiếp điểm (OFF, INT, LO, HI, WASH), từ đó thực hiện thành thạo việc đấu nối hoàn chỉnh hệ thống mạch điện gạt mưa – rửa kính cho cả hai dạng mô-tơ âm chờ và dương chờ trên bàn thực tập.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Bùi Xuân Phong đã thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình hệ thống gạt mưa – rửa kính tự động ứng dụng vi điều khiển Arduino Uno R3 và cảm biến mưa. Nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa việc hệ thống hóa cơ sở lý thuyết điện thân xe ô tô, mô phỏng mạch nguyên lý trên Proteus 8, thiết kế kết cấu 3D trên SolidWorks 2016 và triển khai phần cứng mô hình thực tế. Kết quả của đề tài cung cấp một mô hình học cụ trực quan cùng hệ thống bài tập thực hành chuẩn hóa, góp phần nâng cao chất lượng đào tạo và rèn luyện kỹ năng nghề nghiệp cho sinh viên chuyên ngành Cơ khí Ô tô.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 3 CHƯƠNG 2. 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.

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 4 Hình 2. Cấu tạo chung của hệ thống gạt mưa Hình 2. Các bộ phận của hệ thống gạt mưa tự động 5 2. 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. Cấu tạo motor gạt nước Hình 2. Hình động cơ thực tế 6 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. 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.