Đồ án khai thác kỹ thuật hệ thống gạt nước mưa tự động ứng dụng trên ô tô

1

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và chỉ bảo tận tình của thầy

giáo Ths.Trần Trung Dũng. Trong suốt quá trình thực hiện đồ án đã dành rất nhiều

thời gian và tâm huyết để định hướng cũng như góp ý cho em để em có thể hoàn thành

đồ án tốt nghiệp này một cách tốt nhất.

Em cũng xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của ban giám hiệu nhà trường Đại

học Công nghệ Thông tin và Truyền thông - Thái Nguyên, cũng như toàn thể các thầy

cô giáo trong Khoa Công nghệ Tự động hóa và bạn bè trong những năm học vừa qua

đã giúp đỡ em trong thời gian học tập tại trường. Với sự giúp đỡ nhiệt tình đó đã giúp

em có một nền tảng kiến thức và chuyên môn để em có thể hoàn thành bản đồ án lần

này cũng như công việc của em trong tương lai.

Mặc dù đã có nhiều cố gắng hoàn thiện đồ án bằng tất cả sự nhiệt tình và năng

lực của bản thân, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót rất mong nhận được

những đóng góp quý báu của quý thầy cô và các bạn.

Em xin chân thành cảm ơn!

Thái nguyên, tháng 5 năm 2017

Sinh viên

Ngô Văn Hảo

2

LỜI CAM ĐOAN

Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp đúng thời gian quy định và đáp ứng được yêu cầu

đặt ra bản thân em cố gắng tìm hiểu và nghiên cứu, học tập và làm việc trong suốt thời

gian làm đồ án. Em đã tham khảo một số tài liệu, bảng biểu để phục vụ cho việc phân

tích tìm hiểu, đánh giá, tất cả được nêu trong phần “Tài liệu tham khảo”. Nội dung đề

tài hoàn toàn không sao chép từ các đề tài khác, không vi phạm bản quyền tác giả.

Toàn bộ đồ án là do bản thân em nghiên cứu và xây dựng nên dưới sự hướng dẫn

của thầy giáo Trần Trung Dũng. Nội dung lý thuyết trong đồ án có sự tham khảo và sử

dụng của một số tài liệu, thông tin được đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí và các

trang web theo danh mục tài liệu của đồ án.

Em xin cam đoan những lời trên là hoàn toàn đúng sự thật, nếu có thông tin sai

lệch em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước hội đồng.

Thái nguyên, tháng 5 năm 2017

Sinh viên

Ngô Văn Hảo

3

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN....................................................................................................................1

LỜI CAM ĐOAN..............................................................................................................2

DANH MỤC HÌNH ẢNH.................................................................................................5

MỞ ĐẦU...........................................................................................................................7

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT.................................................................................8

1.1. Tổng quan về hệ thống gạt nước trên ô tô..............................................................8

1.1.1. Đôi nét về chiếc gạt nước đầu tiên trên xe hơi................................................8

1.1.2. Nhiệm vụ, phân loại và yêu cầu của hệ thống gạt nước..................................9

1.1.3. Cấu tạo của hệ thống gạt nước.......................................................................10

1.1.4. Nguyên lý hoạt động......................................................................................16

1.2. Tổng quan về board Arduino................................................................................17

1.2.1. Khái niệm và lịch sử ra đời của Arduino.......................................................17

1.2.2. Các ứng dụng nổi bật của bo mạch Arduino.................................................18

1.2.3. Khả năng của bo mạch Arduino.....................................................................20

1.2.4. Môi trường lập trình bo mạch Arduino.........................................................22

1.2.5. Các loại bo mạch Arduino.............................................................................22

1.2.6. Các dòng Arduino thông dụng và các module hỗ trợ....................................22

1.3. Phần mềm Arduino IDE.......................................................................................24

1.3.1. Tổng quan về Arduino IDE............................................................................25

1.3.2. Các hàm vào ra số (Digital I/O).....................................................................32

1.3.3. Các hàm vào ra tương tự (Analog I/O)..........................................................34

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG GẠT NƯỚC MƯA TỰ ĐỘNG

36 2.1. Đặt vấn đề........................................................................................................36

2.1.1. Đối tượng nghiên cứu.....................................................................................36

2.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước và nước ngoài..........................................36

2.1.3. Những vấn đề còn tồn lại...............................................................................37

2.2. Ý tưởng thiết kế....................................................................................................37

2.3. Yêu cầu thiết kế....................................................................................................38

2.4. Giải pháp thiết kế..................................................................................................39

2.4.1. Mục tiêu..........................................................................................................39

4

2.4.2. Giải pháp nghiên cứu, thiết kế........................................................................39

2.5. Phân tích và lựa chọn linh kiện sử dụng...............................................................39

2.5.1. Lựa chọn linh kiện..........................................................................................39

2.5.2. Các linh kiện chính được sử dụng trong mạch...............................................45

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG GẠT NƯỚC MƯA TỰ ĐỘNG....................56

3.1. Xây dựng sơ đồ khối của hệ thống gạt nước mưa tự động...................................56

3.2. Sơ đồ nguyên lý....................................................................................................57

3.3. Nguyên lý hoạt động chung của hệ thống gạt nước tự động...............................57

3.4. Kết nối các khối chức năng trong hệ thống..........................................................58

3.4.1. Kết nối động cơ Servo với Arduino................................................................58

3.4.2. Kết nối cảm biến mưa với Arduino................................................................60

3.5. Xây dựng lưu đồ thuật toán cho hệ thống gạt nước mưa tự động........................61

3.6. Kết quả đạt được...................................................................................................61

3.6.1. Kết quả đạt được về mặt lý thuyết..................................................................61

3.6.2. Kết quả đạt được về thực nghiệm...................................................................62

3.6.3. Đánh giá thực nghiệm.....................................................................................63

3.7. Ứng dụng hệ thống gạt nước mưa tự động trên ô tô.............................................64

3.7.1. Sơ đồ khối hệ thống gạt nước tự động ứng dụng trên ô tô.............................65

3.7.2. Sơ đồ mạch điện của hệ thống gạt nước tự động ứng dụng trên ô tô............68

3.8. Hướng phát triển của đề tài...................................................................................69

KẾT LUẬN......................................................................................................................71

TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................................72

PHỤ LỤC........................................................................................................................73

5

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1. Bà Mary Anderson (1866-1953) Người phát minh ra chiếc gạt nước đầu tiên [5].8

Hình 1.2. Mô hình tổng thể hệ thống gạt nước trên ô tô [5]...........................................10

Hình 1.3. Các bộ phận và cách bố trí của hệ thống gạt nước trên ô tô [5].....................10

Hình 1.4. Hình ảnh cần gạt nước trên ô tô [5]................................................................11

Hình 1.5. Cấu tạo cần gạt nước [5].................................................................................11

Hình 1.6. Cơ cấu truyền động của cần gạt nước [5].......................................................12

Hình 1.7. Gạt nước che một nửa và che hoàn toàn. [5]..................................................13

Hình 1.8. Một số cách bố trí của lưỡi gạt [5].................................................................13

Hình 1.9. Công tắc gạt nước [5]......................................................................................14

Hình 1.10. Cấu tạo motor gạt nước và cấu tạo cuộn dây của motor [5]........................15

Hình 1.11. Hoạt động của công tắc dạng cam [5]...........................................................16

Hình 1.12. Hình ảnh Arduino [5]....................................................................................17

Hình 1.13. Mô hình thủy canh ứng dụng arduino [5].....................................................18

Hình 1.14. Máy in 3D Makerbot điều khiển bằng Arduino Mega2560 [5]...................18

Hình 1 15. Robot di động tránh vật cản dùng Arduino nano và camera CMUCam [5]19

Hình 1.16. Một thiết bị UAV [5].....................................................................................19

Hình 1.17. Arduino với một số modul hỗ trợ [5]............................................................22

Hình 1.18. Một vài thành viên trong đại gia đình Arduino [5]......................................23

Hình 1.19. Hình ảnh giao diện của phần mềm Arduino.................................................25

Hình 1.20. Hình ảnh vùng thông báo của phần mềm arduino........................................26

Hình 1.21. IDE Menu......................................................................................................26

Hình 1.22. File menu......................................................................................................26

Hình 1.23 . Click Examples............................................................................................27

Hình 1.24. Edit menu......................................................................................................27

Hình 1.25. Sketch menu..................................................................................................28

Hình 1.26. Tool menu......................................................................................................28

Hình 1.27. Chọn Board....................................................................................................29

Hình 1.28 . Sơ đồ thể hiện quy trình làm việc của các hàm setup() và loop()...............30

Hình 2.1. Hình ảnh của sản phẩm gạt nước tự động trên thị trường [5]........................37

Hình 2.2. Bố trí hệ thống cảm biến tự động trên xe [5]..................................................37

6

Hình 2.3. Động cơ một chiều DC [5]..............................................................................42

Hình 2.4. Hình ảnh động cơ Servo [5]............................................................................43

Hình 2.5. Hình ảnh của động cơ bước [5].......................................................................44

Hình 2.6. Arduino Uno [5]...............................................................................................46

Hình 2.7. Vi điều khiển trên Arduino [5]........................................................................47

Hình 2.8. Hình ảnh bộ cảm biến mưa [5]........................................................................49

Hình 2.9. Các bộ phận của cảm biến mưa [5].................................................................50

Hình 2.10. Sơ đồ nguyên lý của cảm biến mưa...............................................................50

Hình 2.11. Kết nối ứng dụng chân Digital của cảm biến mưa [5]..................................52

Hình 2.12. Hình ảnh động cơ Servo [5]..........................................................................52

Hình 2.13. Hình ảnh cấu tạo của động cơ Servo [5].......................................................54

Hình 2.14. Điều khiển vị trí của trục ra của động cơ bằng cách điều chế độ rộng xung.......55

Hình 3.1. Sơ đồ khối của hệ thống gạt nước mưa tự động..............................................56

Hình 3.2. Sơ đồ nguyên lý của mạch gạt nước tự động..................................................57

Hình 3.3. Sơ đồ kết nối giữa động cơ và Arduino...........................................................59

Hình 3.4. Mô hình thực tế sau khi kết nối động cơ và Arduino......................................59

Hình 3.5. Kết nối khối cảm biến và khối so sánh của bộ cảm biến mưa........................60

Hình 3.6. Mô hình thực tế sau khi kết nối cảm biến mưa và Arduino............................60

Hình 3.7. Lưu đồ thuật toán hệ thống gạt nước tự động.................................................61

Hình 3.8. Mạch kết nối sau khi hoàn chỉnh.....................................................................62

Hình 3.9. Mô hình gạt nước mưa tự động.......................................................................63

Hình 3.10. Sơ đồ khối hệ thống gạt nước tự động ứng dụng trên ô tô............................65

Hình 3.11. Hình ảnh nguyên tắc thu phát của cảm biến phản xạ hồng ngoại [5]...........66

Hình 3.12. Hình ảnh động cơ gạt nước trên thực tế [5].................................................67

Hình 3.13. Sơ đồ mạch điện của hệ thống gạt nước mưa tự động ứng dụng trên ô tô. 68

7

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài

Ngành ô tô thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng đang phát triển mạnh mẽ

với việc ứng dụng ngày càng nhiều những thành tựu công nghệ thông tin vào sản xuất

và lắp đặt các linh kiện ô tô. Hiện nay thì vấn đề trang bị trên ô tô là tiêu chí chính để

đánh giá một chiếc xe hơi cao cấp. 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 khi tham gia giao thông.

Xuất phát từ tình hình thực tế trên thế giới, bộ điều khiển gạt nước tự động đã

được nghiên cứu và phát triển khá thành công ở nước ngoài, và được trang bị trên một

số hãng xe lớn như BMW, Mercedes… Tuy nhiên căn cứ vào tình hình trong nước thì

đa số người dân có thu nhập trung bình nên phần lớn người dân chưa có cơ hội sở hữu

cho mình những chiếc xe cao cấp được trang bị hệ thống gạt nước và rửa kính tự động

mà các hệ thống gạt nước 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 trong khi lái xe trong điều kiện thời tiết xấu (mưa, bão…), điều này gây mất

tập trung và ảnh hưởng đến việc lái xe an toàn.

Mặt khác để mở rộng tầm hiểu biết, vận dụng những gì đã học vào thực tế và để

thuận tiện hơn cho người lái xe em đã có ý tưởng xây dựng một hệ thống gạt nước tự

động thay vì phải điều chỉnh bằng tay trên các xe chưa được trang bị chức năng tự

động. Hệ thống sẽ tự động chuyển sang ON khi phát hiện có mưa và dừng lại khi trời

hết mưa.

Xuất phát từ những lý do trên em đã lựa chọn đề tài: “Xây dựng hệ thống gạt

nước mưa tự động ứng dụng trên ô tô” để tìm hiểu, nghiên cứu và định hướng phát

triển ứng dụng trong tương lai.

2. Mục tiêu của đề tài

Nhằm nâng cao kiến thức chuyên môn và vận dụng được những gì đã học được

trên trường vào thực tiễn cụ thể là mong muốn được ứng dụng điện tử vào trang bị

những tiện nghi trên ô tô, ngoài ra em cũng mong muốn được hiểu biết hơn về hệ

thống gạt nước trên ô tô.