Thiết kế hệ thống điều khiểnatgt đường sắt đường bộ

ĐATN Thiết kế hệ thống điều khiểnATGT đường sắt đường Lời mở đầu : Hằng năm dọc tuyến giao thông đường sắt Bắc Nam xảy nhiều vụ tai nạn giao thông chủ yếu vụ tai nạn giao thông xảy điểm giao cắt đường sắt đường bộ.Hầu hết nơi xảy tai nạn giao thơng khơng có nhân viên hỏa xa trơng coi, khơng có hệ bảo vệ an tồn Barie, đèn đỏ,cịi báo hiệu Do người tham gia giao thông không tôn trọng quy tắc giao thông Và khơng có hệ thống an tồn nên tham gia giao thông nhiều người lưu thông qua đường ngang bị bất ngờ tàu hỏa đến dẫn đến xảy nhiều vụ tai nạn thương tâm gây thiệt hại lớn người Để khắc phục tình trạng sử dụng hệ thống cảnh báo, an toàn cho điểm giao cắt đường sắt đường bộ.Hiện có nhiều đề tài phương án, sử dụng dùng cảm biến rung, dùng lập trình Plc,vi điều khiển Vận dụng kiến thức học trình học tập trường em thực đồ án tốt nghiệp đề tài thiết kế hệ mạch điều khiển hệ thống an toàn giao thông nơi giao cắt đường sắt đường Báo cáo áp dụng chủ yếu dựa vào cảm biến hồng ngoại ic số Nhằm mục đích giúp em hiểu về cảm biến, nhận biết loại IC mà em học từ thầy trường, tìm hiểu nghiên cứu qua sách cách thức vận dụng thực tế Em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo Nguyễn Tiến Khải tận tình hướng dẫn giúp đỡ em thực đồ án tốt nghiệp Sinh viên: Nguyễn Công Tứ Hà nội ,ngày 26 tháng năm 2012 SVTH: Nguyễn Công Tứ CD090902 1/27 ĐATN Thiết kế hệ thống điều khiểnATGT đường sắt đường Tóm tắt nội dung báo cáo thực tập tốt nghiệp: Đồ án tốt nghiệp đề tài thiết kế mạch điều khiển hệ thống an toàn nơi giao cắt đường sắt đường gồm chương Chương 1:Giới thiệu mơ hình, sơ đồ khối tổng quan thiết kế hệ thống Chương 2:Mach cảm biến thu phát hồng ngoại dùng tsop Chương 3: Mạch xử lý tín hiệu từ thu phát hồng ngoại Chương 4: Khối nguồn cấp cho mạch Chương 5: Sơ đồ mạch in Kết luận Hương phát triển đề tài Tài liệu tham khảo SVTH: Nguyễn Công Tứ CD090902 2/27 ĐATN Thiết kế hệ thống điều khiểnATGT đường sắt đường Mục lục Lời mở đầu CHƯƠNG 1.GIỚI THIỆU MƠ HÌNH, SƠ ĐỒ KHỐI TỔNG QUAN THIẾT KẾ HỆ THỐNG 1.1 Giới thiệu mơ hình 1.2 Sơ đồ khối .7 1.3 Tổng quan thiết kế CHƯƠNG MẠCH CẢM BIẾN THU PHÁT HỒNG NGOẠI DÙNG TSOP 1838 .8 2.1 Giới thiệu ánh sáng hồng ngoại .8 2.2Nhiệm vụ mạch cảm biến biến 2.3 Mạch phát hồng ngoại .9 2.3.1 Sơ đồ nguyên lý 10 2.3.2Giới thiệu IC 555 2.3.3 Hoạt động mạch phát hồng ngoại 13 2.4 Mạch thu hồng ngoại .14 2.4.1 Sơ đồ nguyên lý 15 2.4.2 Giới thiệu tsop 1838 16 2.4.3 Hoạt động mạch thu hồng ngoại 16 CHƯƠNG MẠCH XỬ LÝ TÍN HIỆU TỪ BỘ THU HỒNG NGOẠI 17 3.1 Xác định mạch số sử dụng 17 3.2 : Sơ đồ nguyên lý 18 3.2.1 : Giới thiệu ic logic 74ls14 18 3.2.1.1: Hình ảnh thực tế sơ đồ chân .19 3.2.1.2 Giới thiệu Nguyên tắc hoạt động ic 74ls14 19 3.2.2: Hoạt động mạch 20 3.3 : Mạch cảm biến tàu qua 21 SVTH: Nguyễn Công Tứ CD090902 3/27 ĐATN Thiết kế hệ thống điều khiểnATGT đường sắt đường 3.3.1: Sơ đồ nguyên lý 21 3.4 : Mạch điều khiển đóng mở barie 22 3.4.1 : Sơ đồ nguyên lý .23 3.4.2 Nguyên tắc hoạt động mạch 23 CHƯƠNG 4: KHỐI NGUỒN CẤP CHO MẠCH 24 4.1: Khối nguồn cấp cho mạch phát hồng ngoại 25 4.2: Khối nguồn cấp cho mạch điều khiển 25 CHƯƠNG 5: SƠ ĐỒ MẠCH IN .25 5.1: Sơ đồ mạch in mạch điều khiển 25 5.2: Sơ đồ mạch in mạch phát hồng ngoại 26 Kết luận .27 Hướng phát triển đề tài .27 Tài liệu tham khảo .27 SVTH: Nguyễn Công Tứ CD090902 4/27 ĐATN Thiết kế hệ thống điều khiểnATGT đường sắt đường Mục lục hình: CHƯƠNG 1.GIỚI THIỆU MƠ HÌNH, SƠ ĐỒ KHỐI TỔNG QUAN THIẾT KẾ HỆ THỐNG Hình 1.1 Giới thiệu mơ hình Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống CHƯƠNG MẠCH CẢM BIẾN THU PHÁT HỒNG NGOẠI DÙNG TSOP 1838 .7 Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch phát hồng ngoại Hình 2.2 Hình dáng thực tế Ic 555 Hình 2.3 Sơ đồ chân Ic 555 Hình 2.3 Dạng xung đầu Ic555 10 Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý mạch thu hồng ngoại 12 Hình 2.5: Hình dáng thực tế Tsop 1838 .13 Hình 2.6 Giới thiệu hình dáng chân Tsop1838 13 CHƯƠNG MẠCH XỬ LÝ TÍN HIỆU TỪ BỘ THU HỒNG NGOẠI 15 Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển đóng barie .16 Hình 3.2 Hình ảnh thực tế 74ls14 18 Hình 3.3 Sơ đồ chân ic 74ls14 19 Hình 3.3 Sơ đồ mạch nguyên lý cảm biên tàu qua .20 CHƯƠNG 4: KHỐI NGUỒN CẤP CHO MẠCH Hình 4.1 Sơ đồ mạch nguồn 5V 24 Hình 4.1 Sơ đồ mạch nguồn 12V 24 CHƯƠNG 5: SƠ ĐỒ MẠCH IN 25 Hình 5.1 Sơ đồ mạch in mạch điều khiển 25 Hình 5.2: Sơ đồ mạch in mạch phát hồng ngoại 26 SVTH: Nguyễn Công Tứ CD090902 5/27 ĐATN Thiết kế hệ thống điều khiểnATGT đường sắt đường CHƯƠNG GIỚI THIỆU MƠ HÌNH, SƠ ĐỒ KHỐI TỔNG QUAN THIẾT KẾ HỆ THỐNG 1.1 Giới thiệu mơ hình 1.1 Giới thiệu mơ hình SVTH: Nguyễn Cơng Tứ CD090902 6/27 ĐATN Thiết kế hệ thống điều khiểnATGT đường sắt đường 1.1 Sơ đồ khối hệ thống Khối phát Khối phát hồng ngoại hồng ngoại Khối xử lý tín hiệu, điều khiển hệ Khối thu thống an tồn hồng ngoại Khối thu hồng ngoại Hệ thống an toàn ( barie, đèn báo, cịi báo) Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống Hệ thống gồm khối : - Khối cám biến đến - Khối cảm biến qua - Khối điều khiển - Khối động - Khối nguồn 1.3 Tổng quan thiết kế mạch điều khiển hệ thống an tồn cho mơ hình Ứng dụng sử dụng cặp thu phát hồng ngoại để thu nhận tín hiệu tàu đến tàu khỏi điểm giao cắt sau tín hiệu đưa đến mạch điều khiển trung tâm để xử lý đóng mở hệ thống rào chắn (Barie) ,cảnh báo đèn hiển thị, cịi báo Vị trí lắp cảm biến phải thấp chiều cao toa tàu để đảm bảo hệ thống hoạt động hệ thống cảm biến lắp cách điểm giao cắt 1km để có tàu đến mạch xử lý kịp thời để hệ thống an toàn SVTH: Nguyễn Công Tứ CD090902 7/27 ĐATN Thiết kế hệ thống điều khiểnATGT đường sắt đường CHƯƠNG MẠCH CẢM BIẾN THU PHÁT HỒNG NGOẠI DÙNG TSOP 1838 2.1 Giới thiệu ánh sáng hồng ngoại Ánh sáng hồng ngoại ánh sáng khơng thể nhìn thấy mắt thường, có bước sóng từ 0.86  m đến 0.98  m Tia hồng ngoại có vận tốc truyền vận tốc ánh sáng Tia hồng ngoại truyền nhiều kênh tín hiệu Nó ứng dụng rộng rãi công nghiệp Tia hồng ngoại dễ bị hấp thụ,khả xuyên thấu Chùm hồng ngoại phát hẹp có hướng thu phải hướng 2.2 Nhiệm vụ mạch cảm biến: Mạch dùng để nhận biết tàu vào khỏi khu vực giao cắt đường sắt đường đưa tín hiệu mạch trung tâm để xử lý tín hiệu 2.3 Mạch phát hồng ngoại 2.3.1 Sơ đồ nguyên lý SVTH: Nguyễn Công Tứ CD090902 8/27 ĐATN Thiết kế hệ thống điều khiểnATGT đường sắt đường Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch phát hồng ngoại Các linh kiện sử dụng mạch: - Ic HA555 - C4 = 100nF - C2 = 10nF - R1 = 250 kOm - R5 = 330 Om - R4 = 100 kOm - led hồng ngoại 2.3.2 Giới thiệu IC555 Hình 2.2 Hình dáng thực tế Ic 555 Hình 2.3 Sơ đồ chân Ic 555 SVTH: Nguyễn Công Tứ CD090902 9/27 ĐATN Thiết kế hệ thống điều khiểnATGT đường sắt đường Chân số (GND) : nối mase để lấy dòng cho Ic Chân số (TRIGER): ngõ vào tầng so áp Chân số ( OUTPUT): ngõ ra, trạng thái ngõ xác định theo mức Volt cao Chân số 4( RESET): dùng định mức trạng thái ra, chân số nối Masse ngõ mức thấp Chân số (CONTROL VOLTAGE): dùng làm thay đổi mức áp chuẩn Ic555 theo mức biến áp hay dùng điện trở cho nối masse Chân số (THRESHOLD): ngõ vào tầng so áp khác - Chân số 7(DISCHAGER) : xem khóa điện chịu điều khiển bei tầng logic chân mức áp thấp khóa đóng lại.ngược lại mở Chân tự nạp xả điện cho mạch R-C lfc IC 555 dùng tầng dao động - Chân số (Vcc): cấp nguồn nuôi Vcc để cấp điện cho IC.Nguồn nuôi cấp cho IC 555 khoảng từ 5v - 15v mức tối đa 18v IC555 loại linh kiện phổ biến với việc dễ dàng tạo xung vng thay đổi tần số tùy thích, với sơ đồ mạch đơn giản,điều chế độ rộng xung Nó ứng dụng hầu hết vào mạch tạo xung đóng cắt mạch dao động khác.Đây linh kiện hãng CMOS sản xuất Sau bảng thơng số 555 có thị trường : + Điện áp đầu vào : - 18V ( Tùy loại 555 : LM555, NE555,NE7555 ) + Dòng điện cung cấp : 6mA - 15mA + Điện áp logic mức cao : 0.5 - 15V + Điện áp logic mức thấp : 0.03 - 0.06V + Công suất lớn : 600mW * Các chức 555: + Là thiết bị tạo xung xác + Máy phát xung +Điều chế độ rộng xung (PWM) + Điều chế vị trí xung (PPM) (Hay dùng thu phát hồng ngoại).Giải thích dao động: SVTH: Nguyễn Công Tứ CD090902 10/27 ĐATN Thiết kế hệ thống điều khiểnATGT đường sắt đường Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý mạch thu hồng ngoại Các linh kiện sử dụng mạch: - Tsop1838 - Transistor BC161 - C1 = 10uF - R3 = 10kOm - R2 = 10kOm - R1 = 22Om 2.4.2 Giới thiệu Tsop 1838 SVTH: Nguyễn Công Tứ CD090902 14/27 ĐATN Thiết kế hệ thống điều khiểnATGT đường sắt đường Hình 2.5: hình dáng thực tế Tsop 1838 IR 1838 IC thu nhận hồng ngoại chuyên dụng, sử dụng rộng rãi phổ biên thị trường, có nhiệm vụ thu tia hồng ngoại khuyếch đại tín hiệu nhận từ phát hồng ngoại Khi có tín hiệu hồng ngoại, đầu OUT dạng xung có tần số cao khoảng 38KHz, xung đưa vào chân số Ic555 để khuyếch đại so sánh IC nhận điện áp chuẩn 1/3 Vcc Khi so sánh tín hiệu SET điều khiển Flip_Flop làm cho chân số xuất xung vuông Mạch thu thu nhận tín hiệu hồng ngoại từ xa 20m mà không bị nhiễu ánh sáng mơi trường Hình 2.6 Giới thiệu hình dáng chân Tsop1838 SVTH: Nguyễn Công Tứ CD090902 15/27 ĐATN Thiết kế hệ thống điều khiểnATGT đường sắt đường 2.4.3 Hoạt động mạch thu hồng ngoại Khi có tín hiệu hồng ngoại, đầu OUT dạng tín hiệu logic Đầu Tsop 1828 mức logic (tương ứng 5v ) với mức logic transistor Q2 ko dẫn tín hiệu chân C transistor 0v nên động chưa sẵn sàng hoạt động Khi có tàu qua ánh sáng hồng ngoại bị che khuất lúc cảm biến khơng nhận tín hiệu hồng ngoại Tín hiệu chân số tsop1838 mức 0v Lúc transistor Q2 dẫn điện áp chấn C transistor Q2 5v tín hiệu kích cho mạch cầu điều khiển động làm động quay đóng chắn lại SVTH: Nguyễn Cơng Tứ CD090902 16/27 ĐATN Thiết kế hệ thống điều khiểnATGT đường sắt đường CHƯƠNG 3: MẠCH XỬ LÝ TÍN HIỆU TỪ BỘ THU HÔNG NGOẠI 3.1 Xác định mạch số sử dụng Dựa vào yếu tố đầu vào đầu mạch thiết lập bảng trạng thái hoạt động Gọi : -J1 tín hiệu đầu từ thu hồng ngoại -F1 tín hiệu để thực điều khiển đóng mở Relay để hệ thống an toàn hoạt động Xây dựng bảng trạng thái J1(tín hiệu đầu F1 (tín hiệu đầu thực từ so sánh 1) đóng mở Relay) 1 Bảng Cụ thể ( tàu chưa đến cảm biến thứ lúc Re lay mở (hệ thống an tồn khơng cấp điện) tàu đến cảm biến thứ lúc Relay đóng (hệ thống an tồn cấp điện) Khi tàu qua cảm biến thứ hai Re lay mở Khi tàu đến J1 có mức điện áp thấp(=0) 0V Khi tàu chưa đến qua J1 có mức điện áp cao(=1) 5V Vậy để thực hiên việc đóng mở Relay sử dụng mạch IC số cổng logic NOT IC mà sử dụng IC 74LS14 3.2 : Sơ đồ nguyên lý : SVTH: Nguyễn Công Tứ CD090902 17/27 ĐATN Thiết kế hệ thống điều khiểnATGT đường sắt đường Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển đóng barie 3.2.1 : Giới thiệu ic logic 74ls14 : 3.2.1.1: Hình ảnh thực tế sơ đồ chân : Hình 3.2 Hình ảnh thực tế SVTH: Nguyễn Cơng Tứ CD090902 18/27 ĐATN Thiết kế hệ thống điều khiểnATGT đường sắt đường Hình 3.3 Sơ đồ chân ic 74ls14 3.2.1.2 Giới thiệu Nguyên tắc hoạt động ic 7414 : _ Ic 7414 ic logic họ TTL chất ic cổng logic not bên có tích hợp sẵn cổng logic cổng hoạt động độc lập kết hợp cổng với phần cứng _ Bảng trạng thái hoạt động ic : Trạng thái đầu vào Trạng thái đầu 0 Bảng trạng thái ic 7414 Nhìn vào bảng trạng thái ta thấy trạng thái đầu bị đảo so với trạng thái đầu vào Nếu đầu vào mức logic đầu mức o ngược lại 3.2.2: Hoạt động mạch : Khi khơng có tàu chạy qua led phát hồng ngoại ln phát tín hiệu hồng ngoại , tín hiệu sé led thu thu nhận đưa vào cổng not ic 74ls14 SVTH: Nguyễn Công Tứ CD090902 19/27 ĐATN Thiết kế hệ thống điều khiểnATGT đường sắt đường ( gồm có cổng not bên ic ) tín hiệu ic đảo qua hai lần đầu cuối mức logic Tín hiệu khơng đóng cho relay nên barie không hạ xuống Khi tàu qua cảm biến mắt thu ko nhận tín hiệu từ phát Mạch xử lý có nhiệm vụ dùng tín hiệu mà cảm biến nhận biết tàu đến cảm biến mạch điều khiển hệ thống an toàn điểm giao cắt từ trạng thái mở trạng thái đóng Cụ thể lúc role đóng hệ thống Barie đóng, đèn đỏ tín hiệu sáng, cịi báo hoạt động 3.3 : Mạch cảm biến tàu qua : 3.3.1: Sơ đồ nguyên lý: Hình 3.3Sơ đồ mạch nguyên lý cảm biên tàu qua 3.3.2 Hoạt động mạch : Ic Tsop1838 cấp nguồn 5V thông qua điện trở R1 điện trở có tác dụng bảo vệ chống dòng cho ic Điện trở R2 nối Vcc với đầu ic có tác dụng treo mức điện áp cao cho chân khơng có tàu qua transistor Q2 có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu từ ic đưa tín hiệu vào mạch cầu relay đóng mở barie SVTH: Nguyễn Công Tứ CD090902 20/27