Bài toán đặt ra:

Xây dựng 1 mạch điện tử với chức năng đo đạc và hiển thị nhiệt độ trong ôtô, độ sáng của môi trường ngoài và khoảng cách từ xe tới vật cản phía sau khi lùi/đỗ xe lên ma trận led đồng thời điều khiển một cách tự động hoạt động của hệ thống quạt, đèn pha, đèn hậu của xe dựa vào nhiệt độ và độ sáng đo được.

Phân tích bài toán

Để vừa đo đạc các thông số vật lý và điều khiển hệ thống quạt, đèn trong ôtô sử dụng điện chúng ta cần đến các cảm biến phục vụ công việc đo đạc và vi điều khiển phục vụ công việc hiển thị thông tin đo được đồng thời điều khiển hệ thống quạt và đèn.

Để đo đạc nhiệt độ trong xe ta cần sử dụng cảm biến nhiệt độ. Trên thị trường hiện nay, LM35 là cảm biến có giá thành rẻ, dễ sử dụng, phổ biến và có độ chính xác đáp ứng được yêu cầu của bài toán đặt ra nên nhóm chúng em quyết định sử dụng cảm biến này.

Để đo đạc độ sáng của môi trường ngoài, ta có thể dùng cảm biến ánh sáng, photo diode và quang trở. Trong các lựa chọn trên, chúng em quyết định sử dụng quang trở vì quang trở có giá thành rẻ, dễ sử dụng và có độ bền cao.

Không có cảm biến nào có thể trực tiếp đo đạc khoảng cách vì thế chúng em sử dụng module SRF05 gồm các cảm biến siêu âm và mạch điều khiển đi kèm giúp đo được khoảng cách trong phạm vi 4(m) trở lại với thời gian đáp ứng khoảng 0,1(s). Có thể nói với phạm vi và thời gian đáp ứng như trên, SRF05 có thể đáp ứng được yêu cầu đặt ra của bài toán vì khi xe lùi hoặc đỗ, tốc độ của xe không cao nên không cần cảm biến có đáp ứng thời gian quá nhanh và khoảng cách so với các vật cản phía sau (nếu có) cũng là không quá lớn.

Vì các vi điều khiển là các linh kiến số nên để có thể phối hợp hoạt đồng giữa các vi điều khiển và các cảm biến tương tự như LM35 và quang trở chúng ta cần có 1 bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC) phục vụ việc chuyển đổi dữ liệu tương tự từ đầu ra của cảm biến/quang trở thành dữ liệu số giúp các vi điều khiển có thể dễ dàng xử lý được dữ liệu. Để tiết kiệm chi phí, chúng em sử dụng vi điều khiển ATmega 8 vì vi điều khiển này có sẵn 1 bộ ADC với độ phân giải 10 bit tích hợp bên trong đồng thời Atmega 8 hoàn toàn có thể đảm nhiệm các công việc xử lý dữ liệu từ các cảm biến truyền về, hiển thị thông tin lên ma trận led và điều khiển hệ thống quạt, đèn trong ôtô. Không chỉ vậy, Atmega 8 còn có ưu điểm là giá thành rẻ, dễ sử dụng và phổ biến trên thị trường.

Vì yêu cầu của bài toán là hiển thị thông tin đo được lên ma trận led nên chúng em sử dụng ma trận led 8x8 kích thước 3(mm) cho mục đích này. Có 2 loại ma trận led là 7x5 và 8x8, tuy nhiên, hiện nay ma trận led loại 7x5 đã không còn phổ biến, khó mua đồng thời điều khiển ma trận loại này không thuận lợi hơn so với loại 8x8 nên chúng em sử dụng ma trận led loại 8x8 thay vì loại 7x5.

Thiết kế

Các linh kiện thay thế tượng trưng

Vì không có ôtô để xây dựng và lắp đặt hệ thống ngoài thực tế nên chúng em sử dụng 4 đèn led (2 trắng, 2 đỏ) để tượng trưng cho đèn pha và đèn hậu của ôtô, 1 quạt tản nhiệt máy tính có sẵn để tượng trưng cho hệ thống quạt trong ôtô. Việc điều khiển hệ thống quạt và đèn của ôtô sẽ được đưa về việc điều khiển các đèn led và quạt tản nhiệt máy tính trong mạch mẫu.

Thiết kế mạch hiển thị sử dụng ma trận led

Sơ đồ khối của mạch hiển thị

Do cần hiển thị thông tin về cả 3 thông số cần đo đạc là nhiệt độ, độ sáng và khoảng cách nên sau khi tính toán, chúng em quyết định sử dụng 6 ma trận led 8x8 để hiện thị thông tin cần thiết.

Thông tin hiển thị trên ma trận led gồm có 3 phần:Phần 1: tên thông số được viết tắt bằng 2 chữ cái viết hoa (ví dụ nhiệt độ sẽ được viết tắt là NĐ, khoảng cách sẽ được viết tắt là KC, …).Phần 2: độ lớn của các thông số với mức 3 con số (với 2 thông số khoảng cách và độ sáng, giá trị lớn nhất hiển thị được là 999; với thông số nhiệt độ, giá trị lớn nhất hiển thị được là 99,9).Phần 3: đơn vị tương ứng của các thông số (với nhiệt độ là “oC”, với khoảng cách là “cm”, với độ sáng là “lux”).

1 khối ma trận led 8x8 có 64 led đơn bên trong và 16 chân để kết nối với các linh kiện khác. Do sử dụng 6 ma trận led 8x8 nên số chân cần kết nối từ ma trận led tới vi điều khiển là tương đối lớn, để giảm số chân sử dụng để điều khiển ma trận led của vi điều khiển, chúng em sử dụng thêm các IC số để hỗ trợ cho vi điều khiển. Các IC số được sử dụng thêm bao gồm 74HC138 và 74HC595.

IC 74HC138 là 1 IC số giải mã 3 ÷ 8 giúp vi điều khiển giảm số chân sử dụng để quét các cột của ma trận led từ 8 xuống còn 4 (3 chân cho việc đưa tín hiệu vào IC và 1 chân để điều khiển hoạt động (enable hay disable) của 74HC138).

IC 74HC595 là 1 IC số ghi dịch giúp vi điều khiển giảm số chân sử dụng để điều khiển các hàng của ma trận led từ 8 xuống còn 3.

Các IC 74HC138, 74HC595, vi điều khiển Atmega 8 hoạt động ở mức điện áp 5(V) và các led đơn trong ma trận led là các led đơn đỏ hoạt động ở mức điện áp 1,8(V) do đó chúng em sử dụng nguồn 5(V) để cấp điện năng cho toàn mạch hiển thị hoạt động. Các IC, vi điểu khiển sẽ sử dụng trực tiếp điện áp 5(V) trong khi đó để các led đơn đỏ trong ma trận led hoạt động bình thường, chúng em sử dụng điện trở để hạ áp và hạn dòng cho led.Do mỗi lần quét led ta sẽ bật sáng 1 cột (trong số 8 cột) của 1 ma trận led, có 6 ma trận led tất cả nên suy ra mỗi lần quét led ta sẽ bật sáng 6 cột led. Mỗi cột led có 8 led đơn, khả năng 8 led đơn trong cùng 1 cột sẽ cùng sáng là hoàn toàn có thể do đó mỗi lần quét led thì ta cần cung cấp đủ dòng cho ít nhất là 6x8 = 48 led đơn hoạt động. Mỗi led đơn yêu cầu dòng 12(mA) để sáng tốt, suy ra mỗi lần quét led ta cần cung cấp ít nhất 48x12 = 576(mA) cho các ma trận led để các led đơn sáng tốt. IC 74HC138 không thể cung cấp trực tiếp dòng ở mức 576(mA) tại đầu ra của mình cho các cột led do đó chúng em sử dụng các transistor PNP 2SB562 đóng vai trò các công tắc (cho phép dòng 1(A) đi qua) được điều khiển bởi 74HC138 để dẫn dòng từ nguồn tới cho các cột led được bật sáng.

Tính toán

1 led đơn đỏ hoạt động ở điện áp 1,8(V) và yêu cầu dòng cấp 12(mA), nguồn cấp có điện áp 5V => điện trở hạ áp và hạn dòng cho 1 led đơn đỏ sẽ là:(5 – 1,8)/(12x10-3) = 266,667 (Ohm)Do loại điện trở có giá trị chính xác 266,667(Ohm) không được sản xuất trên thị trường nên chúng em chọn loại điện trở có sẵn có giá trị gần nhất với 266,667(Ohm) là 270(Ohm) để hạ áp và hạn dòng cho led đơn đỏ.

2SB562 cho phép dòng 1(A) đi qua, tuy nhiên ta chỉ cần dẫn dòng 576(mA) cho các ma trận led do đó cần tính toán giá trị R1 và R2 phù hợp để đạt được giá trị dòng mong muốn.2SB562 có hệ số hFE nhỏ nhất là 85 => giá trị R1 sẽ là:5/((0,576/85)x1,3) = 567,575 (Ohm)R2 = 10RB = 5675,75 (Ohm)

Tương tự như trên, chúng em sẽ sử dụng 2 loại điện trở có sẵn ngoài thị trường là 560(Ohm) và 5,6(KOhm) để kết nối với 2SB562 do 2 loại 567,575(Ohm) và 5675,75(Ohm) không được sản xuất.

Các linh kiện sử dụng trong mạch hiển thị:

Linh kiện Số lượng Chức năngIC 74HC138 1 Hỗ trợ VĐK quét các cột

ledIC 74HC595 6 Hỗ trợ VĐK điều khiển các

hàng ledTransistor 2SB562 8 Dẫn dòng cho các cột ledĐiện trở 270(Ohm) 48 Hạ áp và hạn dòng cho các

led đơn đỏĐiện trở 560(Ohm) 8 Giúp 2SB562 hoạt động ở

chế độ chuyển mạchĐiện trở 5,6(KOhm) 8 Giúp 2SB562 hoạt động ở

chế độ chuyển mạchJack nguồn 5(mm) 1 Kết nối mạch hiển thị với

nguồn điện 5(V) DCHeader 10 chân 1 Kết nối mạch hiển thị với

mạch điều khiển

Sơ đồ nguyên lý mạch hiển thị:

Thiết kế mạch hiển điều khiển

Sơ đồ khối của mạch điều khiển

Các cảm biến được sử dụng trong mạchNhư đã nói ở phần phân tích bài toán, trong mạch chúng em sử dụng cảm biến nhiệt độ LM35, quang trở 12(mm) và module cảm biến siêu âm SRF05

Chuẩn hóa tín hiệuDo cảm biến LM35 có độ nhạy 10(mV)/oC và dải đo 0oC – 150oC => dải điện áp ra của LM35 sẽ là từ 0(V) ÷ 1,5(V).

Bộ ADC tích hợp trong Atmega 8 được thiết lập hoạt động ở chế độ sử dụng điện áp tham chiếu là điện áp nguồn cấp – tức điện áp 5V => độ phân giải của ADC sẽ là 5/1024 = 0,00488 (V) = 4,88 (mV). Độ phân giải này là khá lớn khi mà độ nhạy của LM35 chỉ là 10mV/oC do đó chúng em sử dụng thêm khuếch đại thuật toán LM324 trong khối chuẩn hóa tín hiệu để khuếch đại dải điện áp ra từ LM35 từ 0 ÷ 1,5 (V) lên thành 0 ÷ 5 (V). Để thực hiện việc này, chúng em mắc LM35 với LM324 theo sơ đồ khuếch đại điện áp không đảo:

Để đo đạc độ sáng của môi trường ngoài, chúng em sử dụng quang trở 12(mm). Điện trở của quang trở nằm trong dải từ 100(Ohm) ÷ 1(MOhm) => để đo đạc độ sáng sử dụng ADC, chúng em mắc quang trở nối tiếp với 1 điện trở 10(KOhm) theo sơ đồ mạch phân áp như sau:

Vì điện áp lớn nhất của quang trở là 1(MOhm) rất lớn so với 10(KOhm) => điện áp tại hai đầu quang trở sẽ dao động trong khoảng 0,0495(V) ÷ 4,95(V) do đó chúng em không sử dụng LM324 để chuẩn hóa tín hiệu điện áp ở 2 đầu quang trở nữa mà đưa thẳng điện áp này tới ngõ vào kênh ADC0 của Atmega 8 vì dải điện áp 0,0495(V) ÷ 4,95(V) là tương đối phù hợp với điện áp tham chiếu 5(V) cũng như độ phân giải 4,88(mV) của ADC tích hợp trong Atmega 8.

SRF05 là cảm biến siêu âm với đầu ra là tín hiệu số rất phù hợp để xử lý bởi 1 vi điều khiển số như Atmega 8 nên chúng em bỏ qua việc chuẩn hóa tín hiệu cho cảm biến này.

Tính toán

Công thức tính toán Vout theo Vin (với Vin là điện áp đầu ra của LM35) trong mạch khuếch đại không đảo sử dụng OPAMP LM324:

Do 5/1,5 = 3,333 => chúng em chọn R1 = 1 (Kohm) và R2 = 2,333 (KOhm) tuy nhiên điện trở loại 2,333 (KOhm) không được sản xuất nên chúng em chọn R2 = 2,2 (KOhm) là giá trị điện trở gần nhất và nhỏ hơn 2,333 (KOhm). Như vậy, hệ số khuếch đại sẽ là (1 + 2,2/1) = 3,2 (lần) và khi đó dải điện áp đầu vào ADC sẽ là 0 ÷ 4,8 (V)

Trong mạch điều khiển quạt và đèn, sau khi đo thử bằng đồng hồ điện đa năng, chúng em thấy dòng yêu cầu của quạt là 65(mA), 4 led yêu cầu dòng 4x12 = 48 (mA) và vì cùng sử dụng transistor 2SB562 như trong mạch hiển thị để dẫn dòng từ nguồn tới quạt và các đèn led nên tính toán tương tự ta có

Trong mạch điều khiển quạt, R1 = 5(KOhm), R2 = 50(KOhm)Trong mạch điều khiển các đèn led, R1 = 6,8(KOhm), R2 = 68(KOhm)

Các đèn led trắng có điện áp hoạt động yêu cầu là 3,6(V) nên tính toán tương tự với khi tính trở hạ áp và hạn dòng cho các led đơn đỏ, ta có điện trở hạ áp và hạn dòng mắc nối tiếp với 1 đèn led trắng sẽ có giá trị 150(Ohm).

Các linh kiện sử dụng trong mạch điều khiển

Linh kiện Số lượng Chức năngAtmega 8 1 Điều khiển hoạt động của

toàn hệ thốngButton 2 chân 1 Chuyển chế độ hiển thị trên

mạch hiển thịOPAMP LM324 1 Chuẩn hóa tín hiệu từ đầu ra

của LM35Transistor 2SB562 2 Dẫn dòng cho quạt và các

led đơnLed trắng 2 Tượng trưng cho đèn pha

của ôtôLed đỏ 2 Tượng trưng cho đèn hậu

của ôtôTụ gốm 104 2 1 kết hợp với cuộn cảm để

lọc nguồn cho bộ ADC và 1 nối giữa chân Aref của ADC với Gnd theo đề xuất của ATMEL khi sử dụng bộ ADC ở chế độ điện áp tham chiếu là AVCC

Cuộn cảm 10(uH) 1 Kết hợp với tụ gốm 104 để lọc nguồn cho ADC

Điện trở 1(Kohm) 1 Kết hợp với điện trở 2,2 (Kohm) để chuẩn hóa tín hiệu cho LM35

Điện trở 2,2(KOhm) 1 Kết hợp với điện trở 1 (Kohm) để chuẩn hóa tín hiệu cho LM35

Điện trở 10(KOhm) 1 Dùng trong mạch phân áp cho quang trở

Điện trở 150(Ohm) 2 Hạ áp và hạn dòng cho 2 led đơn trắng

Điện trở 270(Ohm) 2 Hạ áp và hạn dòng cho 2 led đơn đỏ

Điện trở 5(KOhm) 1 Dùng trong mạch dẫn dòng cho quạt

Điện trở 50(KOhm) 1 Dùng trong mạch dẫn dòng cho quạt

Điện trở 6,8(KOhm) 1 Dùng trong mạch dẫn dòng cho các led đơn

Điện trở 68(KOhm) 1 Dùng trong mạch dẫn dòng cho các led đơn

Quang trở 12(mm) 1 Đo đạc độ sáng của môi trường ngoài

LM35 1 Đo đạc nhiệt độ trong ôtôHeader 2 chân 1 Kết nối mạch điều khiển với

quạtHeader 5 chân 1 Kết nối mạch điều khiển với

SRF05Header 10 chân 1 Kết nối mạch điều khiển với

mạch hiển thịJack nguồn 5(mm) 1 Kết nối mạch hiển thị với

khối nguồn

Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển

Sơ đồ khối toàn hệ thống

Mạch in khối hiển thị:

Mạch in khối điều khiển:

Lưu đồ thuật toán