Thiết kế, lắp đặt mô hình điều khiển ghế điện sử dụng điều khiển lập trình để nhớ ghế đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ kỹ thuật ô tô

MỤC LỤC
Trang
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. i
TÓM TẮT ..................................................................................................................... ii
MỤC LỤC ....................................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU ......................................................... ix
DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................. x
DANH MỤC CÁC HÌNH ............................................................................................. xi
Chương 1. TỔNG QUAN .............................................................................................. 1
1.1. Đặt vấn đề ............................................................................................................... 1
1.2. Mục tiêu đề tài ........................................................................................................ 1
1.3. Giới hạn đề tài......................................................................................................... 2
1.4. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................... 2
1.5. Giới thiệu nội dung ................................................................................................. 2
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................... 3
2.1. Tổng quan về hệ thống ghế điện .............................................................................. 3
2.1.1. Quá trình hình thành và phát triển ........................................................................ 3
2.1.2. Những kiểu ghế chỉnh điện trên các dịng ơ tơ hiện nay. ....................................... 4
2.1.2.1. Kiểu thông dụng 6 hướng. ................................................................................. 4
2.1.2.2. Kiểu thông dụng 8 hướng. ................................................................................. 4
2.1.2.3. Kiểu thông dụng 10 hướng. ............................................................................... 5
2.2. Cấu tạo các bộ phận chính và nguyên lý hoạt động của ghế chỉnh điện. .................. 7
2.2.1. Khung ghế ............................................................................................................ 7
2.2.2. Mô tơ ................................................................................................................... 8
2.2.2.1. Động cơ một chiều sử dụng chổi than. ............................................................... 8
2.2.2.2. Động cơ một chiều không sử dụng chổi than ..................................................... 9
iii


2.2.2.3. Bố trí mơ tơ và cơng tắc trên ghế điện ............................................................. 10
2.2.2.4. Mô tơ ngả lưng ghế ......................................................................................... 10

2.2.2.5. Mô tơ bơm lưng ghế ........................................................................................ 11
2.2.2.6. Mô tơ tiến lùi................................................................................................... 12
2.2.2.7. Mô tơ nâng hạ đùi và nâng hạ mơng ................................................................ 13
2.2.3. Cơng tắc điều khiển 8 hướng chính và 2 hướng phụ (bơm lưng ghế) .................. 13
2.2.4. Hệ thống nhớ vị trí người ngồi ........................................................................... 15
2.2.5. Hệ thống sưởi ghế .............................................................................................. 18
2.2.5.1. Sưởi ghế loại NTC .......................................................................................... 18
2.2.5.2. Sưởi ghế loại PTC ........................................................................................... 18
2.2.5.3. Sơ đồ mạch điện sưởi ghế cơ bản .................................................................... 20
2.2.6. Hệ thống túi khí.................................................................................................. 21
2.2.6.1. Sơ lược về túi khí ............................................................................................ 21
2.2.6.2. Túi khí là gì? ................................................................................................... 21
2.2.6.3. Túi khí hoạt động như thế nào? ....................................................................... 23
2.2.7. Hệ thống nhận biết phân loại người ngồi ............................................................ 23
2.2.7.1. Sơ lược về hệ thống ......................................................................................... 23
2.2.7.2. Hệ thống hoạt động như thế nào? .................................................................... 24
2.2.8. Hệ thống dây đai an toàn. ................................................................................... 25
2.2.8.1. Sơ lược về dây đai an toàn............................................................................... 25
2.2.8.2. Dây đai an toàn hoạt động như thế nào? .......................................................... 25
2.2.9. Sơ đồ mạch điện ghế chỉnh điện ......................................................................... 29
2.3. Arduino Mega 2560 và các linh kiện điện tử liên quan. ......................................... 30
2.3.1. Arduino Mega 2560 ........................................................................................... 30
2.3.1.1. Giới thiệu Arduino .......................................................................................... 30

iv


2.3.1.2. Một vài thông số của Arduino Mega 2560 ....................................................... 30
2.3.1.3. Năng lượng ..................................................................................................... 31
2.3.1.4. Các chân năng lượng ....................................................................................... 31

2.3.1.5. Bộ nhớ ............................................................................................................ 32
2.3.1.6. Các cổng vào/ra ............................................................................................... 32
2.3.2. LCD 20x4 sử dụng giao tiếp I2C ........................................................................ 33
2.3.2.1. LCD2004 – LCD 20x4 .................................................................................... 33
2.3.2.2. Module giao tiếp I2C....................................................................................... 34
2.3.3. Module relay 5V ................................................................................................ 35
2.3.4. Mạch nguồn ổn áp 5V LM2596 .......................................................................... 36
2.3.5. Cảm biến Hall .................................................................................................... 37
2.3.5.1. Cảm biến Hall là gì? ........................................................................................ 37
2.3.5.2. Nguyên tắc hoạt động của cảm biến Hall ......................................................... 37
2.4. Các phần mềm hỗ trợ thiết kế ................................................................................ 38
2.4.1. Phần mềm thiết kế 2D AUTOCAD .................................................................... 38
2.4.2. Phần mềm thiết kế 3D SOLIDWORKS .............................................................. 39
2.4.3. Phần mềm thiết kế mô phỏng mạch điện PROTEUS 8 ....................................... 39
2.5. Các phần mềm hỗ trợ viết thuật toán ..................................................................... 41
2.5.1. Arduino IDE ...................................................................................................... 41
2.5.1.1. Sơ lược về Arduino IDE .................................................................................. 41
2.5.1.2. Cách Arduino IDE hoạt động .......................................................................... 42
2.5.1.3. Thư viện .......................................................................................................... 42
2.5.1.4. Chọn board ...................................................................................................... 43
2.5.1.5. Bootloader ....................................................................................................... 43
2.5.1.6. Mô phỏng Arduino trên Proteus ...................................................................... 43

v


2.5.2. Microsoft Visual Studio Code (MVSC) .............................................................. 44
2.6. Yêu cầu về mơ hình giảng dạy .............................................................................. 45
Chương 3. THIẾT KẾ, THI CƠNG MƠ HÌNH VÀ THỰC NGHIỆM ......................... 46
3.1. Thiết kế mơ hình giảng dạy ghế điện ..................................................................... 46

3.1.1. Ý tưởng về mơ hình............................................................................................ 46
3.1.2. Thiết kế các bảng điều khiển và bảng ghi chú. .................................................... 48
3.1.3. Tổng quan về mơ hình hệ thống ......................................................................... 51
3.2. Lập trình và mơ phỏng hệ thống đánh pan ............................................................. 52
3.2.1. Sơ đồ khối hệ thống............................................................................................ 52
3.2.2. Sơ đồ nguyên lí của hệ thống.............................................................................. 52
3.2.3. Lưu đồ thuật tốn ............................................................................................... 54
3.2.4. Lập trình thuật toán ............................................................................................ 55
3.2.4.1. Khai báo .......................................................................................................... 55
3.2.4.2. Thiết lập chương trình con............................................................................... 55
3.2.4.3. Thuật tốn chương trình chính ......................................................................... 56
3.2.5. Mô phỏng hệ thống đánh pan bằng Proteus 8 ..................................................... 58
3.2.5.1. Sơ đồ tổng quan mạch mơ phỏng..................................................................... 58
3.2.5.2. Trình tự hoạt động của thuật tốn trên mơ phỏng ............................................. 59
3.3. Lập trình và mơ phỏng hệ thống nhớ vị trí ghế ...................................................... 63
3.3.1. Sơ đồ khối hệ thống............................................................................................ 63
3.3.2. Sơ đồ nguyên lí hệ thống .................................................................................... 64
3.3.3. Lưu đồ thuật tốn ............................................................................................... 65
3.3.4. Lập trình thuật tốn ............................................................................................ 66
3.3.4.1. Khai báo .......................................................................................................... 66
3.3.4.2. Thiết lập chương trình con............................................................................... 67

vi


3.3.4.3. Thuật tốn chương trình chính ......................................................................... 68
3.3.5. Mơ phỏng hệ thống bằng Proteus 8 .................................................................... 70
3.3.5.1. Sơ đồ tổng quan mạch mơ phỏng hệ thống ...................................................... 70
3.3.5.2. Trình tự hoạt động của thuật tốn trên mơ phỏng ............................................. 70
3.3.6. So sánh hệ thống nhớ vị trí ghế trên xe Toyota Camry với hệ thống nhớ vị trí ghế

qua lập trình Arduino và mơ phỏng Proteus ................................................................. 75
3.3.6.1. Hệ thống nhớ vị trí ghế trên xe Toyota Camry ................................................. 75
3.3.6.2. So sánh hệ thống nhớ vị trí ghế........................................................................ 75
3.4. Kế hoạch thi cơng mơ hình.................................................................................... 77
3.4.1. Tháo dỡ các bộ phận không sử dụng................................................................... 77
3.4.2. Tháo dỡ các bộ phận quan trọng. ........................................................................ 77
3.4.3. Những cơng việc hồn thiện thi cơng mơ hình .................................................... 80
Chương 4. ỨNG DỤNG MƠ HÌNH GHẾ ĐIỆN VÀO GIẢNG DẠY THỰC TẾ ........ 81
4.1. Đề cương chi tiết mơn học chính TT Hệ thống điện thân xe .................................. 81
4.2. Chuẩn đầu ra bài học ghế điện trên ô tô (Dành cho sinh viên) ............................... 83
4.3. Cơ cấu bài giảng mơ hình ghế điện (Dành cho giảng viên) .................................... 84
4.3.1. Về bố trí thời gian .............................................................................................. 84
4.3.2. Về nội dung giảng dạy........................................................................................ 84
4.4. Các bài thực hành đánh pan, đo kiểm trên mơ hình ............................................... 85
4.4.1. Phiếu thực hành .................................................................................................. 85
4.4.2. Các bài thực hành đánh pan ................................................................................ 86
4.4.2.1. Bài đánh pan số 1 ............................................................................................ 86
4.4.2.2. Bài đánh pan số 2 ............................................................................................ 87
4.4.2.3. Bài đánh pan số 3 ............................................................................................ 88
4.4.2.4. Bài đánh pan số 4 ............................................................................................ 89
4.4.2.5. Bài đánh pan số 5 ............................................................................................ 90
vii


Chương 5. KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN ....................................... 91
5.1. Kết luận ................................................................................................................ 91
5.2. Hướng phát triển ................................................................................................... 91
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 93
PHỤ LỤC .................................................................................................................... 94

viii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU
AC

Alternating Current

AutoCAD

Automatic Computer Aided Design

DC

Direct Current

CAN

Control Area Network

CUV

Crossover Utility Vehicle

DC

Direct Current

ECM

Engine Control Module

ECU

Electronic Control Unit)

GD

Giảng dạy

GND

Ground

I2C

Inter-Intergrated Circuit

IC

Integrated Circuit

IDE

Integrated Development Environment

LCD

Liquid-Crystal Display

LED

Light-Emitting-Diode

NTC

Negative Temperature Coefficient

OCS

Occupant Classification System

PTC

Positive Temperature Coefficient

SCL

Serial Clock

SDA

Serial Data

SPI

Serial Peripheral Bus

SUV

Sport Utility Vehicle

USB

Universal Serial Bus

VSC

Visual Studio Code

ix


DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 2.1. Thông số kĩ thuật Arduino Mega 2560 ......................................................... 30
Bảng 3.1. So sánh hệ thống nhớ vị trí ghế .................................................................... 76
Bảng 4.1. Mục tiêu học phần TT Hệ thống điện thân xe ............................................... 82
Bảng 4.2. Chuẩn đầu ra học phần TT Hệ thống điện thân xe ........................................ 82
Bảng 4.3. Kế hoạch giảng dạy bài ghế điện theo chương trong học phần ..................... 84

x


DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang
Hình 2.1. Các hướng điều chỉnh ghế điện 6 hướng. ........................................................ 4
Hình 2.2. Các hướng điều chỉnh ghế điện 8 hướng. ........................................................ 5
Hình 2.3. Các hướng điều chỉnh ghế điện 10 hướng. ...................................................... 5
Hình 2.4. Các nút điều chỉnh 22 hướng trên xe Bentley Bentayga 2017 ......................... 6

Hình 2.5. Ghế chỉnh 30 hướng của xe Lincoln Continental ............................................ 6
Hình 2.6. Khung ghế sau khi tháo các lớp đệm và da bọc ghế ........................................ 7
Hình 2.7. Cấu tạo động cơ DC sử dụng chổi than ........................................................... 8
Hình 2.8. Cấu tạo động cơ DC khơng chổi than ............................................................. 9
Hình 2.9. Sơ đồ bố trí mơ tơ và cơng tắc trên ghế......................................................... 10
Hình 2.10. Vị trí và cấu tạo truyền động của mơ tơ ngả lưng ghế ................................. 10
Hình 2.11. Mơ tơ bơm lưng ghế và cấu tạo .................................................................. 11
Hình 2.12. Cụm mô tơ và cơ cấu bơm lưng .................................................................. 11
Hình 2.13. Vị trí và cơ cấu mơ tơ tiến lùi ..................................................................... 12
Hình 2.14. Mơ tơ tiến lùi thực tế .................................................................................. 12
Hình 2.15. Mơ tơ nâng hạ đùi và mơng đặt sau mơ tơ tiến lùi....................................... 13
Hình 2.16. Cơng tắc điều khiển ghế tích hợp ECU điều khiển ghế ............................... 13
Hình 2.17. Mạch điều khiển của cơng tắc ..................................................................... 14
Hình 2.18. Công tắc phụ điều khiển bơm lưng ghế. ...................................................... 15
Hình 2.19. Các nút cài đặt vị trí ghế để nhớ.................................................................. 16
Hình 2.20. Vị trí của ECU nhớ ghế của hãng Toyota.................................................... 16
Hình 2.21. Sơ đồ kết nối của ghế chỉnh đỉnh có bộ nhớ vị trí trên xe Toyota 4Runner.. 17
Hình 2.22 Sơ đồ cơ bản hệ thống sưởi NTC truyền thống ........................................... 18
Hình 2.23. Sưởi ghế loại PTC thực tế ........................................................................... 19
Hình 2.24. Sơ đồ mạch điện sưởi ghế trên Toyota RAV4 ............................................. 20
xi


Hình 2.25. Hình ảnh túi khí bung khi gặp tai nạn ......................................................... 21
Hình 2.26. Các vị trí đặt túi khí trên xe ........................................................................ 22
Hình 2.27. Cách túi khí hoạt động khi xảy ra tai nạn .................................................... 23
Hình 2.28. Sơ đồ khối hoạt động của bộ OCS .............................................................. 24
Hình 2.29. Vị trí Bộ OCS và cảm biến trên ghế............................................................ 25
Hình 2.30. Kiểu đai an tồn Lap belt/Shoulder belt ...................................................... 26
Hình 2.31. Ống xoay kèm lị xo ................................................................................... 27

Hình 2.32. Cơ cấu khố ống xoay khi giảm tốc đột ngột. ............................................. 27
Hình 2.33. Cơ cấu khoá ống xoay khi giật mạnh dây đai .............................................. 28
Hình 2.34. Sơ đồ mạch điện ghế chỉnh điện ................................................................. 29
Hình 2.35. Board Arduino Mega 2560 ......................................................................... 30
Hình 2.36. Các cổng vào/ra (in/out). ............................................................................ 32
Hình 2.37. Màn hình LCD 20x4 ................................................................................... 33
Hình 2.38. Module I2C gắn vào LCD .......................................................................... 34
Hình 2.39. Module relay 5V......................................................................................... 35
Hình 2.40. Mạch nguồn giảm áp LM2596 .................................................................... 36
Hình 2.41. Cảm biến Hall ............................................................................................ 37
Hình 2.42. Electrol bị uốn cong.................................................................................... 38
Hình 2.43. Giao diện sử dụng của Autocad .................................................................. 38
Hình 2.44. Giao diện sử dụng của phần mềm SOLIDWORKS .................................... 39
Hình 2.45. Phần mềm Proteus ...................................................................................... 40
Hình 2.46. Giao diện người dùng Proteus 8.................................................................. 41
Hình 2.47. Giao diện Arduino IDE............................................................................... 42
Hình 2.48. Thư viện ..................................................................................................... 43
Hình 2.49. Giao diện gõ thuật tốn của MVSC ............................................................ 44

xii


Hình 3.1. Những mẫu mơ hình tham khảo ở xưởng điện và từ internet......................... 46
Hình 3.2. Vị trí các phần trên khung mơ hình ghế theo thiết kế .................................... 47
Hình 3.3. Mơ hình 3D ghế chỉnh điện .......................................................................... 47
Hình 3.4. Bản thiết kế khung 3D của mơ hình .............................................................. 48
Hình 3.5. Bảng điều khiển phía trước ghế .................................................................... 48
Hình 3.6. Bảng điều khiển chính phía bên hơng ghế..................................................... 49
Hình 3.7. Bảng ghi chú ................................................................................................ 50
Hình 3.8. Mơ hình ghế khi đã được gắn các bảng điều khiển........................................ 50

Hình 3.9. Sơ đồ khối hệ thống đánh pan....................................................................... 52
Hình 3.10. Sơ đồ ngun lí hệ thống đánh pan ............................................................. 53
Hình 3.11. Lưu đồ thuật toán sử dụng cho hệ thống đánh pan ...................................... 54
Hình 3.12. Thuật tốn khai báo và gán lệnh ................................................................. 55
Hình 3.13. Khởi tạo chương trình con .......................................................................... 55
Hình 3.14. Thiết lập hiển thị LCD, các chân INPUT, OUTPUT ................................... 56
Hình 3.15. Đọc tín hiệu từ chân digital 1 đến 10. ......................................................... 56
Hình 3.16. Thiết lập trường hợp hệ thống có lỗi và khơng có lỗi. ................................. 57
Hình 3.17. Thiết lập trường hợp đánh pan test đúng và sai cho cặp pan và pan test thứ nhất
.................................................................................................................................... 57
Hình 3.18. Sơ đồ cơ bản hệ thống đánh pan ................................................................. 58
Hình 3.19. Khi ghế bình thường, tắt cơng tắc ............................................................... 59
Hình 3.20. Công tắc pan và công tắc pan test lúc ghế hoạt động bình thường ............... 59
Hình 3.21. LCD hiển thị “Welcome!” .......................................................................... 60
Hình 3.22. Ghế khơng có lỗi ........................................................................................ 60
Hình 3.23. Đánh pan bất kì .......................................................................................... 60
Hình 3.24. Gạt đúng pan test ........................................................................................ 61
Hình 3.25. Đánh nhiều pan cùng một lúc ..................................................................... 61
xiii


Hình 3.26. Gạt lại khơng hết các pan............................................................................ 62
Hình 3.27. Gạt lại hết các pan ...................................................................................... 62
Hình 3.28. Mạch điện kích relay. ................................................................................. 63
Hình 3.29. Sơ đồ khối hệ thống nhớ vị trí ghế .............................................................. 63
Hình 3.30. Sơ đồ ngun lý của hệ thống nhớ vị trí ghế ............................................... 64
Hình 3.31. Lưu đồ thuật tốn hệ thống nhớ vị trí ghế ................................................... 65
Hình 3.32. Thuật tốn khai báo và gán lệnh ................................................................. 66
Hình 3.33. Thiết lập hiển thị LCD, các chân INPUT, OUTPUT ................................... 66
Hình 3.34. Thuật tốn hiển thị vị trí hiện tại ................................................................. 67

Hình 3.35. Thuật tốn điều khiển mơ tơ tiến lùi ........................................................... 67
Hình 3.36. Thuật tốn gọi vị trí ghế tiến hoặc lùi ......................................................... 68
Hình 3.37. Mơ phỏng cơng tắc tiến lùi của ghế ............................................................ 68
Hình 3.38. Thuật tốn nhớ vị trí ghế............................................................................. 69
Hình 3.39. Thuật tốn gọi lại vị trí ghế đã nhớ ............................................................. 69
Hình 3.40. Sơ đồ tổng quan mạch mô phỏng hệ thống ................................................. 70
Hình 3.41. Chưa bật cơng tắc ghế................................................................................. 71
Hình 3.42. Vừa bật cơng tắc ghế .................................................................................. 71
Hình 3.43. Bấm cơng tắc tiến ghế ................................................................................ 71
Hình 3.44. Khi bấm cơng tắc nhớ vị trí ghế .................................................................. 72
Hình 3.45. LCD hiển thị vị trí hiện tại và vị trí đã lưu .................................................. 72
Hình 3.46. Mơ tơ đang quay tới vị trí đã nhớ khi bấm cơng tắc gọi vị trí nhớ ............... 73
Hình 3.47. Mơ tơ quay lại đúng vị trí ghế đã nhớ ......................................................... 73
Hình 3.48. Mạch điện kết hợp hệ thống đánh pan và nhớ vị trí ghế .............................. 74
Hình 3.49. Sơ đồ hệ thống điều khiển ghế và nhớ ghế trên xe Toyota Camry ............... 75
Hình 3.50. Khung ghế bằng sắt sau khi được dỡ bỏ các bộ phận khác .......................... 77

xiv


Hình 3.51. Tấm sưởi ghế .............................................................................................. 78
Hình 3.52. Bộ túi khí.................................................................................................... 78
Hình 3.53. Hệ thống dây điện của ghế.......................................................................... 79
Hình 3.54. Bộ ECU của OCS ....................................................................................... 79
Hình 3.55. Vệ sinh lớp hoen gỉ trên ghế ....................................................................... 80

xv


Chương 1. TỔNG QUAN

1.1. Đặt vấn đề
Ngày nay chúng ta đang sống, làm việc và phát triển trong xã hội công nghệ 4.0 - một
xã hội tập trung phát triển về cơng nghệ, những gì liên quan đến vật lý thơng qua mạng
internet. Thực sự thì cơng nghệ đã và đang tạo ảnh hưởng to lớn đến những vấn đề trong
cuộc sống. Song song với sự phát triển của xã hội thì nhu cầu về một cuộc sống tiện lợi và
đảm bảo an toàn là hết sức cần thiết mà đa số ai cũng quan tâm. Có rất nhiều lĩnh vực đang
và sẽ phát triển mạnh trong tương lai như: truyền thơng, marketing, thương mại quốc tế, trí
tuệ nhân tạo,… và công nghệ kỹ thuật ô tô là một trong những lĩnh vực được quan tâm
hàng đầu.
Trong đó, một bộ phận vô cùng quan trọng và không thể thiếu trên mỗi chiếc ơ tơ đó
chính là chiếc ghế ngồi. Với điều kiện giao thông đông đúc và hay bị tắc nghẽn ở các thành
phố lớn như ở Việt Nam thì việc ngồi lái xe sai tư thế trong thời gian lâu, vị trí ngồi khơng
phù hợp có thể gây ra nhiều tác hại như gây tai nạn, bị các bệnh về xương khớp,… Cụ thể,
theo các chuyên gia y tế khuyến cáo, ngồi một chỗ quá lâu có thể gây nên hàng loạt vấn đề
về sức khỏe, chẳng hạn như bệnh đau lưng. Theo Florida Hospital Medical Group, nguyên
nhân là bởi khi ngồi áp lực lên cột sống sẽ tăng thêm 40% so với khi đứng.
Một chiếc ghế điện có thể điều khiển 10 hướng kèm theo hệ thống nhớ vị trí ghế, hệ
thống túi khí hay hệ thống nhận biết người ngồi trên xe là thực sự cần thiết. Nhận biết
trường Đại học Sư phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh là một trong những trường đào
tạo ngành công nghệ kỹ thuật ô tô phát triển và uy tín hàng đầu cả nước. Nhưng trong q
trình được học các mơn thực tập hệ thống điện ở trường, nhóm chúng em thấy các mơ hình
ghế điện nhưng chưa được mang vào giảng dạy. Vậy nên nhóm chúng em quyết định chọn
đề tài: “Thiết kế, lắp đặt mơ hình điều khiển ghế điện sử dụng điều khiển lập trình để nhớ
ghế”.
1.2. Mục tiêu đề tài
Ghế điện là một mơ hình khá hay và nhiều tiện ích đáng được chú ý nhưng trong quá
trình học tập và thực tập tại xưởng em thấy các mơ hình đều khá cũ và khơng đáp ứng được
những nhu cầu học tập của sinh viên. Mục tiêu chính là cung cấp cho nhà trường cũng như
các bạn sinh viên một trang thiết bị để dạy và học tập hiệu quả về hoạt động cơ bản và
những hệ thống đi kèm một chiếc ghế điện. Với những kiến thức được học tại trường và

1


tài liệu nhóm chúng em nghiên cứu thêm, nhóm chúng em áp dụng và thực hiện những vấn
đề sau:
•

Thiết kế khung 3D mơ hình ghế điện bằng phần mềm SolidWorks.

•

Thiết kế bảng điều khiển mơ hình ghế điện.

•

Lắp ráp, thi cơng mơ hình ghế điện 10 hướng gồm: tiến – lùi, nâng – ngả lưng, nâng
– hạ mông, nâng – hạ đùi và bơm lưng.

•

Thiết kế bài giảng mơ hình ghế điện.

•

Mơ phỏng, thi cơng hệ thống đánh pan và hệ thống nhớ vị trí ghế.

•

Ngồi ra đề tài còn cung cấp thêm các kiến thức về các hệ thống đi kèm trên một
chiếc ghế điện như hệ thống túi khí, hệ thống sưởi ghế, hệ thống nhận biết người ngồi.

1.3. Giới hạn đề tài
Trong đề tài này, mơ hình ghế điện được thiết kế thi công phục vụ nhu cầu giảng dạy và
học tập nên nhóm chúng em đã tháo hết phần xốp và vải bọc để sinh viên dễ dàng quan sát
hoạt động của ghế điện hơn nên không thể ngồi lên và điều khiển thử cảm giác giống như
ngồi ghế trên xe ô tô thực tế được.
1.4. Phương pháp nghiên cứu
Dựa trên những mơ hình ghế điện trên trường cũng như nhóm chúng em tìm hiểu thêm
qua mạng internet, nhóm chúng em đã có những cải tiến giúp cho mơ hình ghế điện của
nhóm chúng em dễ dàng phục vụ cho nhu cầu giảng dạy và học tập hơn.
Trong q trình thi cơng mơ hình, nhóm chúng em đã tìm hiểu thị trường bán ghế điện cũ,
nhóm đã mua lại được một chiếc ghế điện với giá thành khá rẻ, kèm theo sự tìm hiểu về
vật liệu sắt dùng cho giai đoạn thi cơng mơ hình, nhóm lựa chọn thanh sắt có độ bền tốt,
tuổi thọ cao phù hợp cho mơ hình và đảm bảo về chi phí.
1.5. Giới thiệu nội dung
Đề tài gồm 5 chương:
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3: Thiết kế, thi cơng mơ hình và thực nghiệm
Chương 4: Ứng dụng mơ hình ghế điện vào giảng dạy thực tế
Chương 5: Kết luận và định hướng phát triển

2


Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Tổng quan về hệ thống ghế điện
2.1.1. Quá trình hình thành và phát triển
Ghế xe hơi ban đầu khá cơ bản: lò xo và đệm được bọc bằng vải hoặc nhựa vinyl. Ghế
chỉ có thể chuyển động tiến gần vô lăng và lùi xa vơ lăng để đáp ứng nhu cầu cho những

người có đôi chân khiêm tốn. Hơn nữa, chỗ ngồi được thiết kế cho những người thân hình
vừa, khơng có sự điều chỉnh thay đổi đáng kể nào. Nhận thấy điều này, Ford đã thiết kế
một cơ chế điều chỉnh ghế bốn hướng và đưa nó vào những chiếc Thunderbirds năm 1955
của họ. Phạm vi chuyển động rất đơn giản: tiến/lùi và lên/xuống. Khách hàng của Ford
hoàn toàn bị thuyết phục và chỉ trong vài năm Ford đã cho ra đời ghế chỉnh điện 6 hướng
đầu tiên. Ngày nay, hầu hết các chỗ ngồi là sáu hoặc tám hướng.
Khi những chiếc ghế chỉnh điện trở nên phổ biến, một vấn đề đã nảy sinh. Nhiều người
lái xe chỉ cần điều chỉnh ghế lùi và xuống để ra khỏi xe. Sau đó, trong lần sử dụng xe tiếp
theo, họ phải thực hiện lại tất cả các điều chỉnh. Điều đó đã làm cho ghế chỉnh điện trở
thành một phiền toái đối với một số tài xế. Một lần nữa, Ford đã đưa ra một giải pháp. Năm
1957, Ford giới thiệu hệ thống nhớ ghế “Dial-a-Matic” trên các mẫu Thunderbird và
Mercury Cruiser. Thay vì các công tắc đơn giản, ghế Dial-a-Matic sử dụng nút xoay chữ
và số để điều chỉnh ghế tiến/lùi và lên/xuống. Khi ngắt điện, ghế xe chuyển về vị trí thấp
nhất, phía sau cùng để cho phép tài xế ra vào dễ dàng. Khi xe được khởi động trở lại, ghế
chuyển về vị trí “quay số” cuối cùng.

3


2.1.2. Những kiểu ghế chỉnh điện trên các dịng ơ tơ hiện nay.
2.1.2.1. Kiểu thơng dụng 6 hướng.

Hình 2.1. Các hướng điều chỉnh ghế điện 6 hướng.
Ghế chỉnh điện 6 hướng cơ bản sẽ giúp người ngồi điều chỉnh vị trí để chân được thoải
mái nhất. Nếu là người lái sẽ điều chỉnh để tay cầm vô lăng, chân đạp bàn đạp ga, bàn đạp
cơn (chỉ có ở trên xe sử dụng hộp số sàn) và bàn đạp thắng đều không bị quá gần hay quá
xa. Cụ thể 6 hướng là:
•

Hướng tiến/lùi giúp người ngồi điều chỉnh mức độ xa gần của ghế.

•

Hướng lên/xuống giúp người ngồi điều chỉnh độ cao của ghế so với sàn xe.

•

Hướng trước/sau giúp người ngồi điều chỉnh độ ngả lưng ghế.

2.1.2.2. Kiểu thông dụng 8 hướng.
Ghế chỉnh điện 8 hướng có đủ 6 hướng cơ bản như ghế chỉnh điện 6 hướng nhưng thay
vì chỉ có 2 hướng lên xuống chỉnh độ cao của ghế so với sàn thì sẽ được tích hợp vào cơng
tắc thêm 2 hướng lên xuống phía trước nữa để nâng hạ phần đùi và đầu gối.

4


Hình 2.2. Các hướng điều chỉnh ghế điện 8 hướng.
2.1.2.3. Kiểu thông dụng 10 hướng.
Trên các dòng xe SUV hay CUV hoặc các dòng xe Sedan hạng D sẽ được trang bị ghế
chỉnh điện 10 hướng. Về cơ bản ghế chỉnh điện 10 hướng có đầy đủ các hướng của ghế
chỉnh điện 8 hướng, 2 hướng còn lại sẽ là điều chỉnh độ phồng lưng ghế giúp người ngồi
lâu đỡ mỏi lưng.

Hình 2.3. Các hướng điều chỉnh ghế điện 10 hướng.
5


2.1.2.3. Một số kiểu ghế chỉnh điện trên các dòng xe cao cấp
Dưới đây là một số tùy chọn điều chỉnh ghế mà chúng ta sẽ tìm thấy trên ơ tơ ngày nay:

Hình 2.4. Các nút điều chỉnh 22 hướng trên xe Bentley Bentayga 2017
Khơng có gì đáng ngạc nhiên trên một số ghế điện trên những chiếc Bentley được. Ví
dụ, chiếc SUV Bentley Bentayga 2017 (hình 2.4) có ghế lái điều chỉnh 22 hướng. Tựa đầu
di chuyển lên/xuống, trước/sau. Đệm ngồi có thể mở rộng về phía trước để hỗ trợ đùi tốt
hơn. Cùng với đó là hệ thống massage ghế ở phần lưng, hông và bả vai giúp người ngồi
thư giãn và thoải mái nhất khi lái xe hoặc ngồi tận hưởng ở ghế hành khách.

Hình 2.5. Ghế chỉnh 30 hướng của xe Lincoln Continental
6


Tại Mỹ, Lincoln Continental 2017 của Ford Motor Company có ghế lái chỉnh 30 hướng
(hình 2.5). Giống như Bentley, nó cung cấp đầy đủ các chức năng massage và cả chức năng
sưởi và làm mát được điều chỉnh thông qua các nút điều khiển gắn trên cánh cửa. Không
chỉ vậy, nó được thiết kế khơng giống với bất kỳ loại ghế ô tô nào trước đây. Ford đã thuê
các chuyên gia cơ sinh học để tạo ra sự hỗ trợ trong các khu vực quan trọng và loại bỏ cái
gọi là "điểm cứng" hạn chế lưu lượng máu và tạo ra sự mệt mỏi ở cổ, vai và đùi.
2.2. Cấu tạo các bộ phận chính và nguyên lý hoạt động của ghế chỉnh điện.
2.2.1. Khung ghế

Hình 2.6. Khung ghế sau khi tháo các lớp đệm và da bọc ghế
Khung ghế được làm từ sắt có 2 phần chính:
•

Phần lưng ghế bao gồm khung đỡ bằng sắt đỡ lưng người ngồi bằng lưới sắt kéo
ngang sang cố định 2 đầu vào khung đỡ và 1 mô tơ ngả lưng ghế bên trái, 1 mơ tơ
bơm lưng ghế bên phải.

•

Phần đệm mơng ghế bao gồm khung đỡ sắt liên kết với phần lưng ghế qua khớp
truyền động bằng mô tơ gắn liền trên lưng ghế (bên trái) và 1 mô tơ nâng hạ đùi, 1
mô tơ nâng hạ mông, 1 mô tơ tiến lùi.

7


2.2.2. Mơ tơ
Hiện nay, có nhiều ứng dụng điều khiển chuyển động quay sử dụng động cơ DC (Direct
Current) nam châm vĩnh cửu. Vì việc điều khiển hệ thống sử dụng động cơ DC dễ dàng
hơn so với động cơ AC (Alternating Current), chúng thường được sử dụng khi cần điều
khiển tốc độ, mơ-men xoắn hoặc vị trí.
Có hai loại động cơ DC thường được sử dụng: động cơ có chổi than và động cơ không
chổi than (hoặc động cơ BLDC). Như tên gọi của chúng, động cơ DC có chổi than được
sử dụng để chuyển hướng động cơ khiến nó quay, động cơ khơng chổi than thay thế chức
năng chuyển mạch cơ học bằng điều khiển điện tử.
Trong nhiều ứng dụng, có thể sử dụng động cơ DC có chổi than hoặc không chổi
than. Chúng hoạt động dựa trên các nguyên tắc giống nhau về lực hút và lực đẩy giữa cuộn
dây và nam châm vĩnh cửu. Cả hai đều có những ưu điểm và nhược điểm tùy thuộc vào
yêu cầu sử dụng.
2.2.2.1. Động cơ một chiều sử dụng chổi than.

Hình 2.7. Cấu tạo động cơ DC sử dụng chổi than
Động cơ một chiều (DC) sử dụng chổi than gồm các bộ phận chính:
•

Phần ứng (Armature) hay cịn gọi là rotor: là một trục (shaft) gồm nhiều cuộn dây
cuốn trên lõi sắt (các lá thép kĩ thuật điện ghép cách điện với nhau) tạo thành nhiều
cặp nam châm điện. Trục này cũng là trục quay của mơ tơ.

•

Phần cảm (Permanet Magnet) hay còn gọi là stator: là cặp nam châm vĩnh cửu được
đặt cố định cùng với vỏ mô tơ.
8


•

Chổi than (Brush): là một hay nhiều cặp chổi than được nối với cực âm và cực dương
của nguồn điện một chiều, thường được đi kèm với lị xo.

•

Cổ góp (Commutator): là phần tiếp xúc với chổi than được đẩy duy trì tiếp xúc bởi
các lị xo. Cổ góp là phần nhận dòng điện từ chổi than tới các vòng dây phần ứng

Động cơ điện một chiều có chổi than sử dụng cấu hình gồm các cuộn dây quấn, phần
ứng, hoạt động như một nam châm điện hai cực. Chiều của dòng điện được đảo chiều hai
lần mỗi chu kỳ bằng cổ góp. Điều này tạo điều kiện cho dòng điện chạy qua phần ứng; do
đó, các cực của nam châm điện kéo và đẩy các nam châm vĩnh cửu dọc theo bên ngồi
động cơ. Sau đó cổ góp đảo ngược cực của nam châm điện phần ứng khi các cực của nó
cắt ngang các cực của nam châm vĩnh cửu. Vòng lặp này lặp đi lặp lại tạo thành chuyển
động quay liên tục của mô tơ.
2.2.2.2. Động cơ một chiều khơng sử dụng chổi than

Hình 2.8. Cấu tạo động cơ DC không chổi than
Động cơ DC không chổi than hoạt động dựa trên nguyên tắc hút và đẩy từ tính giống
như động cơ chổi than, nhưng chúng được cấu tạo hơi khác:

•

Phần cảm (Stator Windings) hay stator: ngược lại với động cơ có chổi than, phần cảm
trên động cơ không chổi than bao gồm các cuộn dây cuốn trên lõi sắt.

•

Phần ứng (Rotor Magnet N) hay rotor: gồm các cặp nam châm vĩnh cửu.

•

Cảm biến Hall (Hall Sensors): cảm biến Hall được đặt cố định trên phần cảm dùng
để xác định vị trí của từ trường rotor so với các pha của cuộn dây stator.
Số lượng cuộn dây được sử dụng trong động cơ không chổi than được gọi là số pha. Mặc

dù động cơ khơng chổi than có thể được cấu tạo với số lượng pha khác nhau, nhưng động
cơ không chổi than ba pha là loại phổ biến nhất và được kết nối theo cấu hình "sao" hoặc
9


"tam giác". Trong cả hai trường hợp, có ba dây kết nối với động cơ, kỹ thuật truyền động
và dạng sóng giống hệt nhau.
2.2.2.3. Bố trí mơ tơ và cơng tắc trên ghế điện

Hình 2.9. Sơ đồ bố trí mơ tơ và công tắc trên ghế
2.2.2.4. Mô tơ ngả lưng ghế

Hình 2.10. Vị trí và cấu tạo truyền động của mô tơ ngả lưng ghế
10

Mô tơ ngả lưng ghế được thiết kế dẫn động thơng qua một trục vít là phần ứng truyền
moment tới bánh răng trục vít trung gian, từ đó truyền qua bánh răng dẫn động tới trục then
hoa thông qua một lỗ chốt then hoa ở tâm bánh răng.
Mục đích của việc bánh răng trục vít trung gian có hai bánh răng tách rời liên kết với
nhau là bởi vì để giảm lực từ hai phía, một là từ trục vít, phía còn lại là bánh răng dẫn động
trục then hoa cùng tác động lên một bánh răng làm giảm tuổi thọ của bánh răng trung gian
nếu khơng có bánh răng nhỏ liên kết cùng.
2.2.2.5. Mơ tơ bơm lưng ghế

Hình 2.11. Mô tơ bơm lưng ghế và cấu tạo
Mô tơ bơm lưng ghế là mơ tơ có cấu tạo khác biệt nhất so với các mô tơ khác trên ghế
chỉnh điện. Nguyên tắc hoạt động của nó là khi chúng ta nhấn công tắc bơm lưng ghế.
Nguồn điện từ ắc quy sẽ được cung cấp vào mô tơ. Trục quay mô tơ và làm quay trục thanh
sắt hình chữ U, lúc đó phần nửa dưới chữ U sẽ quay ra phía lưng người ngồi, làm phần
lưng của người ngồi phồng lên. Đó là cơ chế cách hoạt động của bơm lưng ghế.

Hình 2.12. Cụm mơ tơ và cơ cấu bơm lưng
11


2.2.2.6. Mơ tơ tiến lùi

Hình 2.13. Vị trí và cơ cấu mô tơ tiến lùi
Mô tơ tiến lùi là một dạng cơ cấu phổ biến không chỉ được sử dụng trên ghế chỉnh điện
ô tô mà còn được sử dụng trên nhiều cơ cấu tương tự khác. Về cơ bản mô tơ tiến lùi trên
ghế chỉnh điện giống mô tơ ngả lưng ghế, chỉ khác là không sử dụng bánh răng mà truyền
động qua hai đầu mô tơ tới hai dây cáp ở hai đầu và từ dây cáp đều tới một trục vít nhỏ
như hình dưới (hình 2.14). Mơ tơ quay làm cáp quay, cáp quay làm trục vít nhỏ quay và
dịch chuyển ghế tiến về phía trước hoặc phía sau.

Hình 2.14. Mơ tơ tiến lùi thực tế
12