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

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 hồn 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 tồn thể các thầy
cơ giáo trong Khoa Cơng 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 chun mơn để em có thể hồn thành bản đồ án lần
này cũng như công việc của em trong tương lai.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng hồn thiện đồ án bằng tất cả sự nhiệt tình và năng
lực của bản thân, tuy nhiên khơng 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

1


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 hồn tồn khơng 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 hồn tồn đúng sự thật, nếu có thơng tin sai
lệch em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước hội đồng.
Thái nguyên, tháng 5 năm 2017
Sinh viên

Ngô Văn Hảo

2


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 dịng Arduino thơng 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 ngồi..........................................36
2.1.3. Những vấn đề cịn 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
3


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

4


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. Mơ hình tổng thể hệ thống gạt nước trên ơ tơ [5]...........................................10
Hình 1.3. Các bộ phận và cách bố trí của hệ thống gạt nước trên ơ tơ [5].....................10
Hình 1.4. Hình ảnh cần gạt nước trên ơ tơ [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 hồn tồn. [5]..................................................13
Hình 1.8. Một số cách bố trí của lưỡi gạt [5].................................................................13
Hình 1.9. Cơng 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 cơng tắc dạng cam [5]...........................................................16
Hình 1.12. Hình ảnh Arduino [5]....................................................................................17
Hình 1.13. Mơ 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 thơng 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
5


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. Mơ 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. Mơ hình thực tế sau khi kết nối cảm biến mưa và Arduino............................60
Hình 3.7. Lưu đồ thuật tốn hệ thống gạt nước tự động.................................................61
Hình 3.8. Mạch kết nối sau khi hồn chỉnh.....................................................................62
Hình 3.9. Mơ hình gạt nước mưa tự động.......................................................................63
Hình 3.10. Sơ đồ khối hệ thống gạt nước tự động ứng dụng trên ơ tơ............................65
Hình 3.11. Hình ảnh ngun 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

6


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 ơ tơ. Hiện nay thì vấn đề trang bị trên ơ tơ là tiêu chí chính để
đánh giá một chiếc xe hơi cao cấp. Hệ thống gạt mưa – rửa kính của ơ tơ là một bộ
phận không thể thiếu khi xe vận hành trên đường, nhằm đảm bảo tính an tồn cho
người và phương tiện khi tham gia giao thơng.
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 ln mất thời gian bật cơng 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 ơ tơ” 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.

7


CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Tổng quan về hệ thống gạt nước trên ô tô
Gạt nước là bộ phận nhỏ nhưng lại hết sức quan trọng đối với xe hơi. Nó có
nhiệm vụ loại bỏ nước và bụi bẩn ra khỏi kính chắn gió, giúp người lái có một tầm
nhìn tốt hơn khi điều khiển xe. Ngày nay, gạt nước được xem như một tiêu chuẩn
không chỉ trên trên tất cả những chiếc xe hơi mà còn được trang bị cho xe lửa, tàu biển
và cả máy bay nữa.
Một hệ thống cần gạt nước mưa cảm biến tự động, có thể phát hiện mưa trên
kính chắn gió để bật cần gạt nước ô tô một cách phù hợp. Khi hệ thống làm việc sẽ
giảm thiểu thời gian người lái xe phải rời tay ra khỏi tay lái. Hệ thống này phát hiện

những giọt mưa trên kính chắn gió, tự động bật và điều chỉnh hệ thống gạt nước tương
ứng với mức độ mưa.
1.1.1. Đôi nét về chiếc gạt nước đầu tiên trên xe hơi

Hình 1.1. Bà Mary Anderson (1866-1953) Người phát minh ra chiếc gạt nước đầu tiên
[5]
Cần gạt nước ra đời lần đầu tiên vào năm 1903 được phát minh bởi một người
phụ nữ mang tên Mary Anderson ở NewYork. Phát minh của bà đã giúp cho tất cả các
tài xế không phải mất thời gian để dừng lại lau kính chắn gió và bảo vệ sự an toàn của
tài xế khi phải lái xe dưới mưa. Sau nhiều nỗ lực thì đến năm 1905 bà đã nhận được
bằng sáng chế của Mỹ. Cơ cấu hoạt động của thiết bị này rất đơn giản là dùng hai
chiếc cần gắn vào thân xe và tiếp xúc với kính bằng lưỡi cao su, khi cần người lái xe
quay tay nắm đạt trong cabin qua cơ cấu truyền động, hai chiếc cần gạt nước sẽ
8


chuyển động lên xuống để gạt tuyết và hơi nước, tạo tầm nhìn cho người lái. Tuy
nhiên phát minh này của bà không được hãng xe nào hưởng ứng. Mãi đến năm 1911,
tức là 11 năm sau, cần gạt nước mới trở thành thiết bị tiêu chuẩn trên các ôtô của Mỹ.
Kể từ đó, bộ gạt nước liên tục được các thế hệ nhà phát minh tiếp theo cải tiến, bổ
sung chức năng để cho đến ngày hôm nay, trở thành công cụ quan trọng và tiện lợi
trên tất cả những chiếc xe hơi. [5]
Hệ thống cảm biến mưa hiện tại sử dụng một bộ cảm biến quang học để phát
hiện sự hiện diện của nước trên kính chắn gió và chuyển tiếp dữ liệu điều khiển cần
gạt tới mô-đun điều khiển chính của xe (BCM). Nhưng các cảm biến mưa quang học
chỉ cung cấp một diện tích cảm biến nhỏ, dễ dẫn đến các lỗi chủ động và quá đắt đỏ để
được thêm vào như là thiết bị tiêu chuẩn trong hầu hết các loại xe.
1.1.2. Nhiệm vụ, phân loại và yêu cầu của hệ thống gạt nước
1.1.2.1. 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 tồn của xe khi tham gia giao thơng.
1.1.2.2. 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).
1.1.2.3. 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).

9


1.1.3. Cấu tạo của hệ thống gạt nước
1.1.3.1. Cấu tạo chung

Hình 1.2. Mơ hình tổng thể hệ thống gạt nước trên ơ tơ [5]

Hình 1.3. Các bộ phận và cách bố trí của hệ thống gạt nước trên ơ tơ [5]
Hệ thống gạt nước và rửa kính trên ơ tơ bao gồm các bộ phận sau:
1. Cần gạt nước phía trước/Lưỡi gạt nước phía trước
2. Motor và cơ cấu dẫn động gạt nước phía trước
3. Vịi phun của bộ rửa kính trước

4. Bình chứa nước rửa kính (có motor rửa kính)
5. Cơng tắc gạt nước và rửa kính (Có relay điều khiển gạt nước gián đoạn)
6. Cần gạt nước phía sau/lưỡi gạt nước phía sau
7. Motor gạt nước phía sau

10


8. Relay điều khiển bộ gạt nước phía sau
9. Bộ điều khiển gạt nước (ECU J/B phía hành khách)
10. Cảm biến nước mưa
1.1.3.2. Cần gạt nước/thanh gạt nước

Hình 1.4. Hình ảnh cần gạt nước trên ô tô [5]
Cấu trúc của cần gạt nước là một lưỡi cao su được lắp vào thanh kim loại gọi là
thanh gạt nước. Gạt nước được dịch chuyển tuần hồn nhờ cần gạt.

Hình 1.5. Cấu tạo cần gạt nước [5]
Ta có thể hình dung lưỡi gạt tương tự như những cái chổi cao su dài. Bề mặt
tiếp xúc giữa lưỡi gạt và mặt kính chắn gió được phủ lên một lớp cao su mỏng. Vì lưỡi
gạt nước được ép vào kính trước bằng lị xo nên gạt nước có thể gạt được nước mưa
nhờ dịch chuyển thanh gạt nước. Chuyển động tuần hoàn của gạt nước được tạo ra bởi
motor và cơ cấu dẫn động. Vì lưỡi cao su lắp vào thanh gạt nước bị mòn do sử dụng và
do ánh sáng mặt trời và nhiệt độ môi trường v.v… nên phải thay thế phần lưỡi cao su
11


này một cách định kỳ.

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

Gạt nước được che một nửa và gạt nước che hồn tồn:
Gạt nước thơng thường có thể nhìn thấy từ phía trước của xe. Tuy nhiên để đảm
bảo tính khí động học, bề mặt lắp ghép phẳng và tầm nhìn rộng nên những gạt nước
gần đây được che đi dưới nắp ca pơ. Gạt nước có thể nhìn thấy một phần gọi là gạt
nước che một nửa, gạt nước khơng nhìn thấy được gọi là gạt nước che hoàn toàn.
Với gạt nước che hoàn toàn nếu nó bị phủ băng tuyết hoặc ở trong các điều kiện
khác, thì gạt nước khơng thể dịch chuyển được. Nếu cố tình làm sạch tuyết bằng cách
cho hệ thống gạt nước hoạt động cưỡng bức có thể làm hỏng motor gạt nước. Để ngăn
ngừa hiện tượng này, phần lớn các mẫu xe có cấu trúc chuyển chế độ gạt nước che
hoàn toàn sang chế độ gạt nước che một phần bằng tay. Sau khi bật sang gạt nước che
một nửa, cần gạt nước có thể đóng trở lại bằng cách dịch chuyển nó theo hướng mũi
tên được chỉ ra trên hình vẽ.

12


Hình 1.7. Gạt nước che một nửa và che hồn tồn. [5]
Một số cách bố trí lưỡi gạt nước thường gặp:

Hình 1.8. Một số cách bố trí của lưỡi gạt [5]
Phần lớn các mẫu xe hơi sẽ có hai lưỡi gạt. Khi hoạt động, hai lưỡi gạt sẽ cùng
nhau di chuyển để làm sạch bề mặt kính. Thật ra, hai lưỡi gạt được đặt tại hai điểm
lệch về một bên của kính chắn gió (như hình minh họa). Cách sắp xếp này gọi là gạt
nước theo kiểu tăng đem (tandem systems). Đây là kiểu được sử dụng rất phổ biến do
có thể vệ sinh được diện tích rộng trên kính chắn gió và tạo ra trường nhìn tốt nhất cho
người lái.
Ngồi ra cịn có một số kiểu bố trí gạt nước khác như hai lưỡi đối diện nhau
lệch về hai bên kính, kiểu một lưỡi gạt,... Tuy nhiên, các cơ cấu này có cấu trúc phức
tạp nhưng lại làm việc kém hiệu quả hơn.
1.1.3.3. Công tắc gạt nước và Relay điều khiển gạt nước gián đoạn

Công tắc gạt nước
Công tắc gạt nước được bố trí trên trục trụ lái, đó là vị trí mà người lái có thể
điều khiển bất kỳ lúc nào khi cần. Cơng tắc gạt nước có các vị trí OFF (dừng), LO (tốc
độ thấp) và HI (tốc độ cao) và các vị trí khác để điều khiển chuyển động của nó. Một
13


số xe có vị trí MIST (gạt nước chỉ hoạt động khi cơng tắc gạt nước ở vị trí MIST
(sương mù), vị trí INT (gạt nước hoạt động ở chế độ gián đoạn trong một khoảng thời
gian nhất định) và một công tắc thay đổi để điều chỉnh khoảng thời gian gạt nước.
Trong nhiều trường hợp công tắc gạt nước được kết hợp với cơng tắc điều khiển đèn.
Vì vậy, đôi khi người ta gọi là công tắc tổ hợp.
Ở những xe có trang bị gạt nước cho kính sau, thì cơng tắc gạt nước sau cũng
nằm ở cơng tắc gạt nước và được bật về giữa các vị trí ON và OFF. Một số xe có vị trí
INT cho gạt nước kính sau. Ở những kiểu xe gần đây, ECU được đặt trong công tắc tổ
hợp cho MPX (hệ thống thơng tin đa chiều).

Hình 1.9. Cơng tắc gạt nước [5]
Relay điều khiển gạt nước gián đoạn
Relay này kích hoạt các gạt nước hoạt động một cách gián đoạn. Phần lớn các
kiểu xe gần đây các công tắc gạt nước có relay này được sử dụng rộng rãi. Một relay
nhỏ và mạch transistor gồm có tụ điện và điện trở cấu tạo thành relay điều khiển gạt
nước gián đoạn. Dòng điện tới motor gạt nước được điều khiển bằng relay theo tín
hiệu được truyền từ cơng tắc gạt nước làm cho motor gạt nước chạy gián đoạn.
1.1.3.4. Motor gạt nước
Khái quát chung
Motor gạt nước là dạng động cơ điện một chiều kích từ bằng nam chậm 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 tốc độ thấp, chổi tốc độ cao và
một chổi dùng chung (để tiếp mát). Một cơng tắc dạng cam được bố trí trong bánh

răng để gạt nước dừng ở vị trí cố định trong mọi thời điểm.

14


Hình 1.10. Cấu tạo motor gạt nước và cấu tạo cuộn dây của motor [5]
Chuyển đổi tốc độ motor
Một sức điện động ngược được tạo ra trong cuộn dây phần ứng khi motor quay
để hạn chế tốc độ quay của motor.
- 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 ngược lớn được tạo ra. Kết quả là motor quay với
vận tốc thấp.
- Hoạt động ở tốc độ cao: Khi dòng điện đi vào cuộn dây phần ứng từ chổi tiếp
điện tốc độ cao, một sức điện động ngược nhỏ được tạo ra. Kết quả là motor quay với
tốc độ cao.
Công tắc dạng cam
Cơ cấu gạt nước có chức năng dừng thanh gạt nước tại vị trí cố định. Do có
chức năng này thanh gạt nước ln được đảm bảo dừng ở vị trí cuối cùng của kính
chắn gió khi tắt cơng tắc gạt nước. Công tắc dạng cam thực hiện chức năng này. Công
tắc này có đĩa cam xẻ rãnh chữ V và 3 điểm tiếp xúc. Khi công tắc gạt nước ở vị trí
LO/HI, điện áp ắc quy được đặt vào mạch điện và dịng điện đi vào motor gạt nước
qua cơng tắc gạt nước làm cho motor gạt nước quay.
Tuy nhiên ở thời điểm công tắc gạt nước OFF, nếu tiếp điểm P2 ở vị trí tiếp xúc
mà khơng phải ở vị trí rãnh thì điện áp của ắc quy vẫn được đặt vào mạch điện và dòng
điện đi vào motor gạt nước tới tiếp điểm P1 qua tiếp điểm P2 làm cho motor tiếp tục
quay. Sau đó bằng việc quay đĩa cam làm cho tiếp điểm P2 ở vị trí rãnh do đó dịng
điện khơng đi vào mạch điện và motor gạt nước bị dừng lại. Tuy nhiên, do quán tính
15

của phần ứng motor không dừng lại ngay lập tức và tiếp tục quay một ít. Kết quả là
tiếp điểm P3 vượt qua điểm dẫn điện của đĩa cam.
Thực hiện đóng mạch như sau:

Hình 1.11. Hoạt động của cơng tắc dạng cam [5]
Phần ứng → Cực (+)1 của motor → công tắc gạt nước → cực S của motor gạt
nước → tiếp điểm P1 → P3 → phần ứng. Vì phần ứng tạo ra sức điện động ngược
trong mạch đóng này, nên quá trình hãm motor bằng điện được tạo ra và motor được
dừng lại tại điểm cố định.
1.1.4. Nguyên lý hoạt động
Gồm 2 chế độ: Bình thường và tự động.
Chế độ bình thường: Cơng tắc gạt ở vị trí OFF
Hệ thống gạt nước hoạt động theo các chế độ có sẵn (tùy theo xe). Bao gồm các
chế độ điều khiển motor gạt nước: HIGH, LOW và STOP dựa trên sự thay đổi vị trí
của cụm cơng tắc gạt nước.
Chế độ tự động: Cơng tắc gạt ở vị trí ON
Bộ vi xử lí dựa trên tín hiệu của cảm biến để điều khiển các chế độ của motor
gạt nước bao gồm các chế độ tương ứng sau:
Không mưa: STOP
Mưa nhỏ: LOW
Mưa lớn: HIGH

16


1.2. Tổng quan về board Arduino
1.2.1. Khái niệm và lịch sử ra đời của Arduino

Hình 1.12. Hình ảnh Arduino [5]
Arduino board là một bo mạch nguồn mở nhằm đưa tới cho người dùng một sản

phẩm dễ sử dụng, dễ kết nối và lập trình. Arduino board được thiết kế gồm một vi xử
lý dòng AVR (Arduino Due là dòng ARM), cổng USB, các chân analog input, digital
I/O … Ngôn ngữ lập trình cho Arduino dựa trên Wiring (ngơn ngữ Arduino) và được
viết trên phần mềm Arduino IDE.
Arduino thật ra là một bo mạch vi xử lý được dùng để lập trình tương tác với
các thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn hoặc các thiết bị khác. Đặc điểm
nổi bật của Arduino là môi trường phát triển ứng dụng cực kỳ dễ sử dụng, với một
ngôn ngữ lập trình có thể học một cách nhanh chóng ngay cả với người ít am hiểu về
điện tử và lập trình. Và điều làm nên hiện tượng Arduino chính là mức giá rất thấp và
tính chất nguồn mở từ phần cứng tới phần mềm. Chỉ với khoảng $30, người dùng đã
có thể sở hữu một bo Arduino có 20 ngõ I/O có thể tương tác và điều khiển nhiều thiết
bị.
Arduino ra đời tại thị trấn Ivrea thuộc nước Ý và được đặt theo tên một vị vua
vào thế kỷ thứ 9 là King Arduino. Arduino chính thức được đưa ra giới thiệu vào năm
2005 như là một công cụ khiêm tốn dành cho các sinh viên của giáo sư Massimo
Banzi, là một trong những người phát triển Arduino, tại trường Interaction Design
Instistute Ivrea (IDII). Mặc dù hầu như không được tiếp thị gì cả, tin tức về Arduino
vẫn lan truyền với tốc độ chóng mặt nhờ những lời truyền miệng tốt đẹp của những
người dùng đầu tiên. Hiện nay Arduino nổi tiếng tới nỗi có người tìm đến thị trấn Ivrea
17


chỉ để tham quan nơi đã sản sinh ra Arduino.
1.2.2. Các ứng dụng nổi bật của bo mạch Arduino
Arduino được chọn làm bộ não xử lý của rất nhiều thiết bị từ đơn giản đến phức
tạp. Trong số đó có một vài ứng dụng thực sự chứng tỏ khả năng vượt trội của Arduino
do chúng có khả năng thực hiện nhiều nhiệm vụ rất phức tạp. Sau đây là một số ứng
dụng nổi bật của Arduino:
Ứng dụng trong hệ thống thủy canh

Hình 1.13. Mơ hình thủy canh ứng dụng arduino [5]
Ứng dụng trong máy in 3D
Một cuộc cách mạng khác cũng đang âm thầm định hình nhờ vào Arduino, đó
là sự phát triển máy in 3D nguồn mở Reprap. Máy in 3D là công cụ giúp tạo ra các vật
thể thực trực tiếp từ các file CAD 3D. Công nghệ này hứa hẹn nhiều ứng dụng rất thú
vị trong đó có cách mạng hóa việc sản xuất cá nhân.

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


Ứng dụng trong Robot
Do kích thước nhỏ gọn và khả năng xử lý mạnh mẽ, Arduino được chọn làm bộ
xử lý trung tâm của rất nhiều loại robot, đặc biệt là robot di động.

Hình 1.15. Robot di động tránh vật cản dùng Arduino nano và camera CMUCam [5]
Thiết bị bay không người lái UAV
UAV là một ứng dụng đặc biệt thích hợp với Arduino do chúng có khả năng xử
lý nhiều loại cảm biến như Gyro, accelerometer, GPS…; điều khiển động cơ servo và
cả khả năng truyền tín hiệu từ xa.

Hình 1.16. Một thiết bị UAV [5]
Điều khiển ánh sáng
Các tác vụ điều khiển đơn giản như đóng ngắt đèn LED hay phức tạp như điều
khiển ánh sáng theo nhạc hoặc tương tác với ánh sáng laser đều có thể thực hiện với
Arduino.
Kích hoạt chụp ảnh tốc độ cao
Đây là một ứng dụng rất đơn giản nhưng đặc biệt hữu ích với những ai đam mê
chụp ảnh. Ứng dụng này giúp tạo ra những bức ảnh độc đáo ghi lại những khoảnh
khắc xảy ra cực nhanh mà nếu khơng có dụng cụ hỗ trợ chúng ta khó lịng ghi lại.

19


=> Trên đây chỉ là một vài ví dụ minh họa cho khả năng ứng dụng của Arduino.
Ngồi ra cịn vô số các ứng dụng khác như là: Ứng dụng trong hệ thống tưới cây tự
động, điều khiển động cơ, ứng dụng trong hệ thống giám sát môi trường…
1.2.3. Khả năng của bo mạch Arduino
Bo mạch Arduino sử dụng dòng vi xử lý 8-bit megaAVR của Atmel với hai
chip phổ biến nhất là ATmega328 và ATmega2560. Các dòng vi xử lý này cho phép
lập trình các ứng dụng điều khiển phức tạp, do được trang bị cấu hình mạnh với các
loại bộ nhớ ROM, RAM và Flash, các ngõ vào ra digital I/O trong đó có nhiều ngõ có
khả năng xuất tín hiệu PWM, các ngõ đọc tín hiệu analog và các chuẩn giao tiếp đa
dạng như UART, SPI, TWI (I2C).[2]
Sức mạnh xử lý:
- Xung nhịp: 16MHz
- EEPROM: 1KB (ATmega328) và 4KB (ATmega2560)
- SRAM: 2KB (Atmega328) và 8KB (Atmega2560)
- Flash: 32KB (Atmega328) và 256KB (Atmega2560)
Đọc tín hiệu cảm biến ngõ vào:
+) Digital:
Các bo mạch Arduino đều có các cổng digital có thể cấu hình làm ngõ vào hoặc
ngõ ra bằng phần mềm. Do đó người dùng có thể linh hoạt quyết định số lượng ngõ
vào và ngõ ra. Tổng số lượng cổng digital trên các mạch dùng Atmega328 là 14, và
trên Atmega2560 là 54.
+) Analog:
Các bo mạch Arduino đều có trang bị các ngõ vào analog với độ phân giải 10
bit (1024 phân mức, ví dụ với điện áp chuẩn là 5V thì độ phân giải khoảng 0.5mV). Số
lượng cổng vào analog là 6 đối với Atmega328, và 16 đối với Atmega2560.
Với tính năng đọc analog, người dùng có thể đọc nhiều loại cảm biến như nhiệt
độ, áp suất, độ ẩm, ánh sáng, …

Xuất tín hiệu điều khiển ngõ ra:
+) Digital output:
Tương tự như các cổng vào digital, người dùng có thể cấu hình trên phần mềm
để quyết định dùng ngõ digital nào là ngõ ra. Tổng số lượng cổng digital trên các mạch
20