Đồ án tốt nghiệp đề tài thiết kế, chế tạo mô hình điều khiển đèn giao thông thông minh tại ngã tư

Tổng quan về hệ thống đèn giao thông Hệ thống đèn giao thông là một phần không thể thiếu trong việc điều tiết và quản lý giao thông đô thị và ngoại ô, đóng vai trò quan trọng trong việc

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

KHOA CƠ - ĐIỆN - -

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐÈN GIAO

THÔNG THÔNG MINH TẠI NGÃ TƯ

Hà Nội – 2024

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

KHOA CƠ - ĐIỆN - -

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

“THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐÈN GIAO

THÔNG THÔNG MINH TẠI NGÃ TƯ”

Giảng viên hướng dẫn : ThS MAI THỊ THANH THỦY

Sinh viên thực hiện : NGUYỄN ANH TUẤN

LỜI CẢM ƠN

Sau quá trình học tập và rèn luyện nghiệm túc tại Khoa Cơ Điện Học việnNông nghiệp Việt Nam cùng với sự hướng dẫn và đôn đốc tận tình của Cô giáoMai Thị Thanh Thủy, tôi đã hoàn thành Đồ án tốt nghiệp Đại học

Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cô Mai Thị Thanh Thủy đãđộng viên và giúp đỡ tôi nhiều về mặt tinh thần cũng như kiến thức để tôi vượtqua những ngày tháng khó khăn trong sự tìm tòi hiểu biết về lĩnh vực mới để rồicuối cùng hoàn thành được Đồ án tốt nghiệp ngày hôm nay Một lần nữa xinđược gửi lời cảm ơn đến Cô, chúc Cô luôn khoẻ mạnh và có được những thángnăm công tác tốt như thầy mong đợi

Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong bộ môn Cơ Điện

Tử cũng như các thầy cô trong Khoa Cơ Điện và những người đã dìu dắt tôi, chotôi kiến thức chuyên ngành và những kinh nghiệm quý báu để cùng với sự nỗlực của bản thân tôi đã hồn thành đồ án tốt nghiệp ngày hôm nay

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và tất cả những ngườithân của tôi đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi rất nhiều để tôi có được kết quả đồ

án ngày hôm nay

Một lần nữa xin cảm ơn tất cả mọi người

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng đồ án tốt nghiệp “Thiết kế, chế tạo mô hình điều khiển đèn giao thông thông minh tại ngã tư” được tiến hành một cách minh

bạch, công khai Những thông tin trích dẫn trong báo cáo đã được ghi nguồn gốc

rõ ràng Toàn bộ nội dung và kết quả đạt được dựa trên sự cố gắng cũng như nỗlực của bản thân cùng với sự giúp đỡ không nhỏ từ thầy cô hướng dẫn và bạn bè

Tôi xin cam đoan kết quả đưa ra trong đồ án là trung thực và không saochép hay sử dụng kết quả của bất kỳ đề tài nghiên cứu nào tương tự

Tôi sẵn sàng chịu toàn bộ trách nhiệm nếu phát hiện rằng có bất kỳ sự saochép kết quả nghiên cứu nào trong đồ án này

Sinh viên

Nguyễn Anh Tuấn

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

CHƯƠNG I TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan về hệ thống đèn giao thông

Hệ thống đèn giao thông là một phần không thể thiếu trong việc điều tiết và quản lý giao thông đô thị và ngoại ô, đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì trật tự và an toàn trên đường phố Từ những ngày đầu tiên của sự phát triển, hệ thống đèn giao thông đã trải qua nhiều giai đoạn cải tiến, không chỉ về mặt công nghệ mà còn về cách thức ứng dụng, để phục vụ tốt nhất nhu cầu ngày càng cao của xã hội về một hệ thống giao thông hiệu quả và an toàn

Lịch sử của hệ thống đèn giao thông bắt đầu từ cuối thế kỷ 19, khi chiếc đèn giao thông đầu tiên được lắp đặt tại London, Anh, vào năm 1868 Ban đầu, đèn giao thông được điều khiển bằng gas và hoạt động dựa trên nguyên tắc thủ công.Tuy nhiên, sự phát triển của công nghệ điện đã dẫn đến việc giới thiệu hệ thống đèn giao thông điện tử đầu tiên vào đầu thế kỷ 20 Từ đó, công nghệ đèn giao thông đã không ngừng được cải tiến, từ hệ thống cơ bản chỉ bao gồm ba màu:

đỏ, vàng và xanh, đến những hệ thống phức tạp hơn với khả năng đồng bộ và điều khiển từ xa

Có nhiều loại hệ thống đèn giao thông, phụ thuộc vào nhu cầu cụ thể và điều kiện giao thông tại mỗi khu vực Các loại phổ biến bao gồm:

 Đèn Giao Thông Cơ Bản: Bao gồm ba màu sáng (đỏ, vàng, xanh) để điều

tiết dòng xe di chuyển và dừng lại

 Đèn Giao Thông Tín Hiệu Điều Khiển Bằng Thời Gian: Được lập trình

để thay đổi tín hiệu theo khoảng thời gian cố định, phù hợp với lưu lượng giao thông dự kiến

 Đèn Giao Thông Điều Khiển Động: Sử dụng cảm biến để điều chỉnh tín

hiệu dựa trên lưu lượng giao thông thực tế, tối ưu hóa dòng chảy xe cộ

 Đèn Giao Thông Dành Cho Người Đi Bộ: Cung cấp tín hiệu đặc biệt để

bảo vệ người đi bộ khi họ băng qua đường

Hình 1.1 Đèn giao thông tại ngã 4

Hệ thống đèn giao thông đóng một vai trò thiết yếu trong việc đảm bảo an toàn giao thông, giảm thiểu tắc nghẽn và tai nạn Bằng cách phân luồng giao thông một cách có tổ chức, đèn giao thông giúp tăng cường hiệu quả giao thông

và giảm thiểu thời gian chờ đợi Trong môi trường đô thị đông đúc, hệ thống đèngiao thông còn giúp điều tiết sự di chuyển của người đi bộ, xe đạp, và các

phương tiện giao thông khác, từ đó tạo ra một môi trường giao thông an toàn và hài hòa

Với sự phát triển của công nghệ, hệ thống đèn giao thông ngày càng trở nên thông minh hơn, có khả năng tích hợp với các hệ thống quản lý giao thông trungtâm, từ đó cung cấp một giải pháp toàn diện cho việc quản lý giao thông trong thời đại số Sự kết hợp giữa công nghệ thông tin và công nghệ giao thông đã mở

ra những khả năng mới trong việc tối ưu hóa dòng chảy giao thông và nâng cao

an toàn cho người tham gia giao thông

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.2.1 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam

a Nghiên Cứu Cơ Bản: Các tổ chức và trường đại học trong nước như Đại

học Bách Khoa Hà Nội, Đại học Công Nghệ TP.HCM, Viện Công nghệ thông tin và Truyền thông, và Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tiếnhành nghiên cứu cơ bản về hệ thống điều khiển đèn giao thông tại ngã tư Các nghiên cứu này thường tập trung vào việc phát triển thuật toán điều khiển, mô phỏng và thử nghiệm trên mô hình thực tế

b Ứng Dụng Thực Tiễn: Các đô thị lớn như Hà Nội, TP.HCM, Đà Nẵng

đều đang tiến hành triển khai các hệ thống điều khiển đèn giao thông thông minh tại ngã tư để giảm thiểu ùn tắc và cải thiện an toàn giao thông Công ty Viễn thông và Công nghệ Hợp nhất (VNPT) và các doanh nghiệp công nghệ thông tin khác cũng tham gia tích cực vào việc phát triển các giải pháp điều khiển đèn giao thông [1]

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

a Nghiên Cứu Tiên Tiến: Các quốc gia phát triển như Hoa Kỳ, Nhật Bản,

Hàn Quốc, và châu Âu đều đang tiến hành nghiên cứu về các hệ thống điều khiển giao thông thông minh tại ngã tư Các nghiên cứu này thường kết hợp giữa trí tuệ nhân tạo, học máy, và Internet of Things (IoT) để tạo ra các hệ thống điều khiển linh hoạt và hiệu quả

b Ứng Dụng Thực Tiễn và Thử Nghiệm: Một số thành phố lớn như New

York, Tokyo, Seoul đã triển khai các hệ thống điều khiển đèn giao thông thông minh trên diện rộng, kết hợp với các dữ liệu thời gian thực và phản hồi

từ người dân để tối ưu hóa luồng giao thông Các công ty công nghệ hàng đầu như Siemens, IBM, và Samsung đều tham gia vào lĩnh vực này với các giải pháp tiên tiến [2]

Tổng thể, tình hình nghiên cứu về điều khiển đèn giao thông tại ngã tư đang được quan tâm và phát triển mạnh mẽ trên cả hai phạm vi quốc gia và toàn cầu, nhằm mục tiêu cải thiện hiệu quả và an toàn giao thông trong các đô thị.

……

1.3 Tính cấp thiết của đề tài

Trong bối cảnh đô thị hóa mạnh mẽ và sự gia tăng liên tục của phương tiện giao thông, việc quản lý và điều tiết giao thông một cách hiệu quả trở thành một trong những thách thức lớn cho các quản lý đô thị Đặc biệt tại các ngã tư, nơi

mà dòng chảy giao thông từ nhiều hướng gặp nhau và giao cắt, việc điều tiết giao thông sao cho hợp lý, tránh ùn tắc và đảm bảo an toàn cho người tham gia giao thông là cực kỳ quan trọng Sự phức tạp của việc này đòi hỏi một hệ thống điều khiển thông minh, linh hoạt, có khả năng thích ứng với các điều kiện giao thông khác nhau và cung cấp thông tin trực quan cho các nhà quản lý giao thông

Đồ án "Thiết kế mô hình điều khiển đèn giao thông tại 2 ngã tư liên thông bằng PLC, giám sát bằng HMI" ra đời như một giải pháp cho bài toán đó, áp dụng công nghệ tự động hóa hiện đại vào việc quản lý và điều tiết giao thông

Sự kết hợp giữa PLC (Programmable Logic Controller) và HMI

(Human-Machine Interface) không chỉ giúp tối ưu hóa quy trình làm việc mà còn cung cấp một giao diện trực quan, dễ dàng cho việc giám sát và điều chỉnh

1.4 Mục tiêu và ý nghĩa của đồ án

1 Ứng Dụng Công Nghệ Trong Quản Lý Giao Thông: Đồ án thể hiện

việc áp dụng công nghệ PLC vào quản lý và điều tiết giao thông, mở ra hướng tiếp cận mới trong việc giải quyết vấn đề giao thông hiện nay

2 Cải Thiện Chất Lượng Cuộc Sống Đô Thị: Góp phần tạo ra môi trường

giao thông an toàn, thông suốt, giảm bớt căng thẳng và mất thời gian do

ùn tắc gây ra, từ đó nâng cao chất lượng cuộc sống đô thị

3 Tích Hợp Giao Diện HMI: Phát triển giao diện HMI để giám sát và điều

chỉnh các tham số của hệ thống điều khiển đèn giao thông một cách trực quan và dễ dàng

4 Đóng Góp Vào Sự Phát Triển Của Ngành Giao Thông: Cung cấp cái

nhìn sâu sắc và giải pháp thực tiễn cho việc quản lý và điều tiết giao thông, đặc biệt là tại các ngã tư đô thị, qua đó đóng góp vào sự phát triển bền vững của ngành giao thông vận tải

5 Nền Tảng Cho Nghiên Cứu Và Phát Triển Tiếp Theo: Mô hình và kết

quả của đồ án có thể phục vụ làm nền tảng cho các nghiên cứu và ứng dụng tiếp theo, nhằm tối ưu hóa hơn nữa việc quản lý và điều tiết giao thông

Ý Nghĩa Của Đồ Án

1 Ứng Dụng Công Nghệ Trong Quản Lý Giao Thông: Đồ án thể hiện

việc áp dụng công nghệ PLC vào quản lý và điều tiết giao thông, mở ra hướng tiếp cận mới trong việc giải quyết vấn đề giao thông hiện nay

2 Cải Thiện Chất Lượng Cuộc Sống Đô Thị: Góp phần tạo ra môi trường

giao thông an toàn, thông suốt, giảm bớt căng thẳng và mất thời gian do

ùn tắc gây ra, từ đó nâng cao chất lượng cuộc sống đô thị

3 Đóng Góp Vào Sự Phát Triển Của Ngành Giao Thông: Cung cấp cái

nhìn sâu sắc và giải pháp thực tiễn cho việc quản lý và điều tiết giao thông, đặc biệt là tại các ngã tư đô thị, qua đó đóng góp vào sự phát triển bền vững của ngành giao thông vận tải

4 Nền Tảng Cho Nghiên Cứu Và Phát Triển Tiếp Theo: Mô hình và kết

quả của đồ án có thể phục vụ làm nền tảng cho các nghiên cứu và ứng dụng tiếp theo, nhằm tối ưu hóa hơn nữa việc quản lý và điều tiết giao

CHƯƠNG II NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Yêu cầu bài toán

2.1 21 Bài toánYêu cầu về chế độ điều khiển đèn giao thông hệ thống

Thiết kế cụm đèn giao thông Hệ thống đèn giao thông được chia làmgồm 4 chế độ khác nhauvận hành:

- Chế độ 1: Chế độ đặc biệt, sử dụng cho các trường hợp như điều phối giao thông cho các nguyên thủ quốc gia hoặc điều phối giao thông cho xe cứu hỏa, cứu thương… Ở chế độ này, các đèn được bật tự do bằng nút bấm vật lý hoặc nút bấm trên HMI Khi đèn xanh được bật ở hướng 1, đèn ở hướng 2 tự động chuyển sang đèn đỏ và ngược lại Đèn dành cho người đi bộ được bật theo đèn ởhướng ngược lại

- Chế độ 2: Chế độ hoạt động bình thường: sử dụng cho khoảng thời gian từ (9h đến 16h và từ 19h đến 22h) Đèn ở chế độ này được tự động kích hoạt theo thời gian thực hoặc bằng nút bấm vật lý hoặc nút bấm trên HMI Ở chế độ này, với mỗi cụm đèn ở 1 hướng, đèn đỏ 43s, đèn vàng 3s, đèn xanh 40s Khi đèn xanh

và đèn vàng sáng ở hướng 1 thì ở hướng 2 đèn đỏ hoạt động và ngược lại Đèn dành cho người đi bộ được bật theo đèn ở hướng ngược lại

- Chế độ 3: Chế độ giờ cao điểm: sử dụng cho khoảng thời gian từ (7h đến 9h và

từ 17h đến 19h) Đèn ở chế độ này được tự động kích hoạt theo thời gian thực hoặc bằng nút bấm vật lý hoặc nút bấm trên HMI Ở chế độ này, với mỗi cụm đèn ở 1 hướng, đèn đỏ 93s, đèn vàng 3s, đèn xanh 90s Khi đèn xanh và đèn vàng sáng ở hướng 1 thì ở hướng 2 đèn đỏ hoạt động và ngược lại Đèn dành cho người đi bộ được bật theo đèn ở hướng ngược lại

- Chế độ 4: Chế độ ban đêm: sử dụng cho khoảng thời gian từ 22h đến 7h Đèn ởchế độ này sáng nhấp nháy đèn vàng với tần số 1s 1 lần Đèn dành cho người đi

bộ cả 2 hướng hiện xanh

Thời gian chạy của mỗi đèn ở mỗi chế độ khác nhau được cài đặt linh hoạt trên màn hình HMI

……

2.2 Cấu trúc của cụm đèn giao thông

- Mô tả cấu trúc của một cụm đèn giao thông đặt tại ngã ba/ ngã tư

+ Phần cứng: …… (đưa hình vẽ)

+ Phần điện- điều khiển: giới thiệu các thiết bị điện có thể sử dụng và nêu vai trò, ưu nhược điểm của thiết bị; giới thiệu thiết bị điều khiển có thể sử dụng, các tính năng mở rộng …; đưa sơ đồ khối phần điện- điều khiển, sơ

đồ này cần thể hiện được các thiết bị điện/ điều khiển sử dụng cho hệ thống, nguyên lý kết nối tín hiệu giữa các phần

2.1.1 Nguyên lý hoạt động và các thành phần cơ bản của đèn giao thông

Nguyên lý hoạt động của đèn giao thông dựa trên việc quản lý và điều khiển dòng xe cộ di chuyển qua các giao lộ, đảm bảo an toàn và hiệu quả trong giao thông Hệ thống đèn giao thông thông thường bao gồm ba màu chính: đỏ, vàng (hoặc cam), và xanh lá cây, mỗi màu tượng trưng cho một lệnh giao thông cụ thểnhằm hướng dẫn các phương tiện tham gia giao thông

Hình 2.1 Cụm đèn giao thông

a) Đèn Đỏ

 Ý Nghĩa: Dừng lại Đèn đỏ báo hiệu các phương tiện phải dừng lại hoàn

toàn trước vạch dừng, đảm bảo không có phương tiện nào đi vào giao lộ

và gây nguy hiểm

 Mục Đích: Đảm bảo an toàn bằng cách ngăn chặn các phương tiện di

chuyển vào giao lộ khi đèn của hướng khác đang mở, tránh va chạm

b) Đèn Vàng (Cam)

 Ý Nghĩa: Cảnh báo Đèn vàng thông báo rằng đèn sắp chuyển sang đỏ và

các phương tiện cần chuẩn bị dừng lại Nếu phương tiện ở quá gần vạch dừng và không thể dừng lại an toàn, chúng nên tiếp tục qua giao lộ một cách cẩn thận

 Mục Đích: Cung cấp một khoảng thời gian chuyển tiếp giữa đèn xanh và

đèn đỏ, giúp giảm thiểu việc phanh gấp và các tình huống nguy hiểm khác

có thể xảy ra khi đèn chuyển màu

c) Đèn Xanh Lá Cây

 Ý Nghĩa: Đi Đèn xanh lá cây cho phép các phương tiện bắt đầu di chuyển

qua giao lộ

 Mục Đích: Đèn xanh lá cây đảm bảo rằng giao thông được duy trì một

cách liên tục và an toàn, cho phép các phương tiện từ hướng được chỉ định có thể tiếp tục hành trình của mình

Nguyên Tắc Hoạt Động

Hệ thống đèn giao thông hoạt động dựa trên một chu kỳ cố định hoặc có thể được điều chỉnh động tùy theo lưu lượng giao thông thực tế Trong một số trường hợp, hệ thống có thể được tích hợp với cảm biến giao thông và/hoặc hệ thống điều khiển trung tâm để tối ưu hóa dòng chảy và giảm thiểu ùn tắc

Điều Khiển

Hệ thống đèn giao thông có thể được điều khiển theo nhiều cách khác nhau:

 Điều Khiển Cố Định: Chu kỳ đèn chuyển màu theo một lịch trình cố định,

không thay đổi theo thời gian thực hoặc lưu lượng giao thông

 Điều Khiển Động: Sử dụng cảm biến để đo lưu lượng giao thông và điều

chỉnh thời gian đèn chuyển màu cho phù hợp, giúp tối ưu hóa dòng chảy giao thông

 Điều Khiển Từ Xa: Hệ thống có thể được giám sát và điều khiển từ xa

thông qua một trung tâm điều khiển, cho phép điều chỉnh linh hoạt dựa trên các điều kiện giao thông cụ thể

Hệ thống đèn giao thông là một phần không thể thiếu của hạ tầng giao thông đô thị, giúp đảm bảo an toàn và hiệu quả cho người tham gia giao thông

2.1.2 Bài toán hệ thống

Hệ thống đèn giao thông được chia làm 4 chế độ khác nhau:

- Chế độ 1: Chế độ đặc biệt sử dụng cho các trường hợp như điều phối giao thông cho các nguyên thủ quốc gia hoặc điều phối giao thông cho xe cứu hỏa, cứu thương… Ở chế độ này, các đèn được bật tự do bằng nút bấm vật lý hoặc nút bấm trên HMI Khi đèn xanh được bật ở hướng 1, đèn ở hướng 2 tự động chuyển sang đèn đỏ và ngược lại Đèn dành cho người đi bộ được bật theo đèn ởhướng ngược lại

- Chế độ 2: Chế độ hoạt động bình thường: sử dụng cho khoảng thời gian từ (9h đến 16h và từ 19h đến 22h) Đèn ở chế độ này được tự động kích hoạt theo thời gian thực hoặc bằng nút bấm vật lý hoặc nút bấm trên HMI Ở chế độ này, với mỗi cụm đèn ở 1 hướng, đèn đỏ 43s, đèn vàng 3s, đèn xanh 40s Khi đèn xanh

và đèn vàng sáng ở hướng 1 thì ở hướng 2 đèn đỏ hoạt động và ngược lại Đèn dành cho người đi bộ được bật theo đèn ở hướng ngược lại

- Chế độ 3: Chế độ giờ cao điểm: sử dụng cho khoảng thời gian từ (7h đến 9h và

từ 17h đến 19h) Đèn ở chế độ này được tự động kích hoạt theo thời gian thực hoặc bằng nút bấm vật lý hoặc nút bấm trên HMI Ở chế độ này, với mỗi cụm đèn ở 1 hướng, đèn đỏ 93s, đèn vàng 3s, đèn xanh 90s Khi đèn xanh và đèn vàng sáng ở hướng 1 thì ở hướng 2 đèn đỏ hoạt động và ngược lại Đèn dành cho người đi bộ được bật theo đèn ở hướng ngược lại

- Chế độ 4: Chế độ ban đêm: sử dụng cho khoảng thời gian từ 22h đến 7h Đèn ởchế độ này sáng nhấp nháy đèn vàng với tần số 1s 1 lần Đèn dành cho người đi

bộ cả 2 hướng hiện xanh

Thời gian chạy của mỗi đèn ở mỗi chế độ khác nhau được cài đặt linh hoạt trên màn hình HMI

2 2 3 Tính toán và lựa chọn thiết bị

2.2.1 Lựa chọn cụm đèn 3 màu

Cụm đèn đỏ, vàng, xanh là cụm đèn 3 màu trong hệ thống đèn giao thông, trong đồ án của mình, tôi lựa chọn đèn loại đèn báo Phi 16, 24VDC sau khi cân nhắc kỹ lưỡng, dựa trên các yếu tố kỹ thuật và lợi ích thực tế mà chúng mang lại:

- Tiêu Chuẩn Hóa và Tính Tương Thích

Điện áp 24V là một tiêu chuẩn trong ngành công nghiệp, đặc biệt là trong các ứng dụng điều khiển tự động và PLC Việc sử dụng các thiết bị và đèn báo chuẩn này giúp đảm bảo tính tương thích với hầu hết các hệ thống PLC hiện có trên thị trường, làm cho việc tích hợp và lắp đặt trở nên dễ dàng và thuận tiện

- Độ Bền và Tuổi Thọ Cao

Đèn báo với đường kính 16mm và điện áp 24V thường được thiết kế để chịu được điều kiện làm việc khắc nghiệt, bao gồm nhiệt độ cao, rung động và bụi bẩn Điều này giúp tăng tuổi thọ của đèn, giảm thiểu thời gian và chi phí bảo dưỡng cho hệ thống đèn giao thông

- Kích Thước Phù Hợp

Đèn báo phi 16mm cung cấp kích thước đủ nhỏ gọn để dễ dàng lắp đặt trong không gian hạn chế của bảng điều khiển hoặc trên cột đèn giao thông, nhưng đồng thời vẫn đảm bảo độ sáng cần thiết để dễ dàng nhìn thấy dưới ánh sáng mặt trời và từ khoảng cách xa

- Tiết Kiệm Năng Lượng

So với các giải pháp đèn giao thông sử dụng điện áp cao hơn, đèn báo 24V tiêu thụ ít năng lượng hơn, giúp giảm chi phí điện năng cho hệ thống đèn giao thông.Điều này không chỉ có lợi cho môi trường mà còn giúp giảm chi phí vận hành cho dự án.

- Dễ Dàng Kiểm Soát và Tích Hợp

Hệ thống đèn báo 24V có thể dễ dàng được kiểm soát và tích hợp với PLC, cho phép tạo ra các chương trình điều khiển phức tạp, bao gồm cả việc đổi màu đèn dựa trên các điều kiện giao thông thực tế và thời gian cụ thể

Hình 2.2 Đèn báo 24V

Thông số kỹ thuật:

 Dòng tiêu thụ: Nhỏ hơn 20mA

 Tuổi thọ: Trên 100.000 giờ sáng liên tục

 Nhiệt độ hoạt động: -25 đến khoảng 70oC

 Đường kính lỗ tròn gắn vào tủ điện Phi 16mm

 Đường kính mặt hiển thị LED phi 18mm

 Chiều cao đèn: 45mm

 Điện áp: 24VDC

2.2.2 Lựa chọn đèn đếm giây và phương pháp điều khiển

a) Lựa chọn đèn đếm giây

Đèn đếm giây cung cấp thông tin thời gian chờ đợi cho người tham gia giao thông Trong đồ án của mình, tôi lựa chọn loại đèn led 7 thanh với những ưu điểm sau:

1 Dễ Dàng Hiển Thị Số: LED 7 thanh được thiết kế để hiển thị các chữ số

từ 0 đến 9 một cách rõ ràng và dễ đọc, làm cho chúng trở thành lựa chọn

lý tưởng để hiển thị thời gian đếm ngược trong hệ thống đèn giao thông Người tham gia giao thông có thể dễ dàng nhận biết được thời gian còn lạitrước khi đèn giao thông thay đổi, giúp họ đưa ra quyết định di chuyển một cách an toàn và hiệu quả

2 Hiệu Quả Chi Phí: So với các loại màn hình hiển thị số khác, LED 7

thanh có giá thành rẻ hơn và dễ dàng tìm mua Điều này làm cho chúng trở thành một giải pháp tiết kiệm chi phí cho đồ án, đặc biệt khi cần sử dụng số lượng lớn

3 Tiết Kiệm Năng Lượng: LED có đặc điểm là tiêu thụ điện năng thấp

Việc sử dụng LED 7 thanh giúp giảm bớt lượng điện năng tiêu thụ của hệ thống, làm cho đồ án thân thiện hơn với môi trường và giảm chi phí vận hành lâu dài

4 Tuổi Thọ Cao: LED có tuổi thọ dài, thường kéo dài hàng chục nghìn giờ

sử dụng trước khi cần thay thế Sử dụng LED 7 thanh trong hệ thống của bạn giúp giảm thiểu nhu cầu bảo dưỡng và thay thế, đồng thời đảm bảo rằng hệ thống có thể hoạt động liên tục và đáng tin cậy trong thời gian dài

5 Dễ Dàng Lập Trình và Điều Khiển: LED 7 thanh có thể được lập trình

và điều khiển một cách dễ dàng thông qua PLC hoặc microcontroller, cho phép tùy chỉnh hiển thị thời gian đếm ngược một cách linh hoạt Bạn có thể dễ dàng thay đổi thời gian hiển thị tùy thuộc vào nhu cầu cụ thể của từng ngã tư hoặc thời điểm trong ngày

6 Tính Linh Hoạt Cao: LED 7 thanh có thể được sử dụng trong mọi điều

kiện ánh sáng, từ ban ngày cho đến ban đêm, và vẫn đảm bảo rằng chúng

dễ đọc cho mọi người tham gia giao thông Chúng ta cũng có thể điều chỉnh độ sáng của LED để phù hợp với môi trường xung quanh

Sự kết hợp của độ tin cậy cao, hiệu suất năng lượng tốt, chi phí thấp, và khả năng hiển thị số một cách rõ ràng làm cho LED 7 thanh trở thành lựa chọn lý tưởng cho hệ thống đèn giao thông điều khiển bằng PLC

b) Phương pháp điều khiển LED 7 đoạn

LED 7 thanh có cấu tạo bao gồm 7 led đơn có dạng thanh xếp theo hình dạng

số 8 (dùng để biểu thị được tất cả các số từ 0 đến 9) và có thêm một led đơn hìnhtròn nhỏ thể hiện dấu chấm tròn ở góc dưới (dùng để biểu thị dấu thập phân)

Do mỗi thanh là một led đơn, nên ta sẽ có 2 cách nối led 8 led đơn trên LED 7 thanh có Anode (cực +) hoặc Cathode (cực -) được nối chung với nhau vào một điểm Nếu LED 7 thanh có Anode (cực +) chung, điểm chung này được nối với VCC, led chỉ sáng khi tín hiệu điều khiển ở các chân điều khiển trạng thái sáng tắt của các led đơn ở mức 0 Nếu LED 7 thanh có Cathode (cực -) chung, điểm chung này được nối với Ground (hay Mass), led chỉ sáng khi tín hiệu điều khiển

ở các chân điều khiển trạng thái sáng tắt của các led đơn ở mức 1

Hình 2.3 Sơ đồ chân led 7 đoạn

Nguyên tắc chung: muốn LED nào sáng thì LED đó phải được phân cực thuận

Do đó muốn tạo ra chữ số nào ta chỉ cần cho LED ở các vị trí tương ứng sáng lên Bảng mô tả cách tạo ra các chữ số để hiển thị lên LED 7 đoạn [3]:

Hình 2.4 Bảng chân lý LED 7 đoạn Anode chung

Phương pháp quét LED 7 đoạn được thiết kế để hiển thị thông tin trên các màn hình số bằng cách sử dụng một số lượng hạn chế các chân I/O trên

microcontroller hoặc mạch điều khiển Mỗi chữ số trên màn hình 7 đoạn được tạo thành từ 7 đoạn LED, có thể được kích hoạt độc lập để hiển thị các số từ 0 đến 9 và một số ký tự đặc biệt Khi có nhiều chữ số cần được hiển thị, việc kích

hoạt tất cả các chữ số cùng lúc sẽ yêu cầu một số lượng lớn chân I/O và dòng điện cao Để giảm thiểu vấn đề này, người ta áp dụng phương pháp quét.

Nguyên Lý Hoạt Động

Phương pháp quét LED 7 đoạn hoạt động dựa trên nguyên lý của việc kích hoạt tuần tự từng chữ số một cách nhanh chóng, sao cho mắt thường cảm nhận chúngnhư là sáng liên tục Dưới đây là nguyên lý cơ bản:

1 Chuẩn Bị: Mỗi chữ số trên màn hình 7 đoạn được kết nối thông qua các

đoạn LED riêng biệt (a, b, c, d, e, f, g) và có một chân chung cho mỗi chữ

số, được sử dụng để kích hoạt cả chữ số đó

2 Quét Chữ Số: Thay vì kích hoạt tất cả các chữ số cùng một lúc, hệ thống

sẽ kích hoạt từng chữ số một cách tuần tự Trong một thời điểm, chỉ một chữ số được bật, trong khi các chữ số khác tắt

3 Quét Đoạn: Đối với mỗi chữ số được kích hoạt, các đoạn LED tương ứng

được bật hoặc tắt để tạo thành số hoặc ký tự cần hiển thị

4 Lặp Lại: Quá trình này được lặp lại nhanh chóng (thường xuyên hơn tần

số nhận thức của mắt người, ít nhất 60 lần mỗi giây) cho mỗi chữ số trên màn hình

Hiệu Ứng

Do mỗi chữ số chỉ được bật trong một khoảng thời gian rất ngắn và quy trình này lặp lại nhanh chóng, mắt người không kịp nhận thấy sự chuyển đổi giữa các chữ số Kết quả là, người dùng nhìn thấy một màn hình hiển thị số đầy đủ, dù thực tế chỉ có một chữ số được hiển thị tại một thời điểm

Ưu Điểm

 Tiết kiệm chân I/O: Cần ít chân hơn để điều khiển một màn hình đa chữ

số

 Tiết kiệm năng lượng: Chỉ một chữ số được kích hoạt tại một thời điểm,

giảm tổng lượng dòng điện tiêu thụ

Nhược Điểm

 Quản lý phức tạp: Yêu cầu lập trình phức tạp hơn và timing chính xác.

 Giảm độ sáng: Mỗi chữ số chỉ sáng một phần nhỏ của thời gian, có thể

làm giảm độ sáng tổng thể so với việc bật tất cả cùng một lúc

 Nhấp nháy: Nếu tần số quét không đủ cao, người dùng có thể nhận thấy

hiện tượng nhấp nháy, gây khó chịu hoặc mệt mỏi cho mắt

Phương pháp quét LED 7 đoạn là một giải pháp thông minh cho việc hiển thị số liệu trên các thiết bị điện tử mà không yêu cầu quá nhiều tài nguyên phần cứng [4]

2.2.3 Lựa chọn thiết bị điều khiển và nguồn

a) PLC Mitsubishi

PLC (viết tắt của Programmable Logic Controller) là thiết bị cho phép lập trình thực hiện các thuật toán điều khiển logic Bộ lập trình PLC nhận tác động các sựkiện bên ngoài thông qua ngõ vào (input) và thực hiện hoạt động thông qua ngõ

ra (output) PLC hoạt động theo phương thức quét các trạng thái trên đầu ra và đầu vào Khi có sự thay đổi bất kỳ từ ngõ vào, dựa theo logic chương trình ngõ

ra tương ứng sẽ thay đổi

Ngôn ngữ lập trình PLC phổ biến hiện nay là Ladder, Step Ladder Tuy nhiên, mỗi hãng sản xuất sẽ có các ngôn ngữ lập trình riêng Các hãng sản xuất PLC phổ biến hiện nay gồm: Siemens, Mitsubishi, Rockwell, INVT, Delta…

Hình 2.5 Hình ảnh PLC misubishi Board

Mỗi PLC đều được phân chia thành 3 phần chính:

 Một bộ nhớ chương trình ở bên trong, một số model có thể mở rộng ra bên ngoài hay còn gọi RAM, ROM

 Bộ vi xử lý CPU với chức năng xử lý những chương trình nạp vào, các thuật toán, các cổng giao tiếp

 Các module vào, module ra tín hiệu, module I/O, truyền thông, ngoại vi.Ngoài ra, PLC còn có các bộ phận khác:

Cổng kết nối PLC và máy tính: RS232, RS422, RS485 thực hiện đổ chương trình và giám sát chương trình

Cổng truyền thông: PLC thường tích hợp cổng truyền thông Modbus RTU Tùy hãng và dòng sản phẩm, PLC có thể được tích hợp thêm các chuẩn truyền thông khác như Profibus, Profinet, CANopen, EtherCAT…

Hình 2.7 Sơ đồ chân Board PLC

Arduino là nền tảng mã nguồn mở giúp con người xây dựng các ứng dụng điện

tử có khả năng liên kết, tương tác với nhau tốt hơn Arduino có thể xem như mộtchiếc máy tính thu nhỏ giúp người dùng lập trình, thực hiện các dự án điện tử không cần tới công cụ chuyên biệt phục cho quá trình nạp code

Hình 2.8 Arduino Uno

Arduino Uno một loại board mạch đơn giản nhất hợp cho người mới bắt đầu nhưng vẫn đầy đủ chức năng Dữ liệu board này gồm 14 chân đầu, 6 chân 5V giúp phân giải 1024 mức Arduino Uno có thể chạy với tốc độ 16MHz, điện áp 5v-12v Kích thước board này là 5.5x7cm

Trong đồ án của mình, nhằm mục đích giải mã được LED 7 thanh để hiển thị thời gian đếm số cho đèn giao thông Với giá thành rẻ và tính đa dụng, chúng tôiquyết định lựa chọn Arduino Uno sử dụng trong đồ án của mình

c) Bộ chuyển đổi nguồn 24V

Bộ chuyển nguồn 220V sang 24V còn được gọi là bộ chuyển đổi tín hiệu nguồn 220V sang 24Vdc Bộ chuyển đổi nguồn nhằm mục đích thay đổi điện áp đầu vào 220Vac thành điện áp 24Vdc Chúng ta đều biết rằng điện áp cấp nguồn chocác cảm biến, PLC và các bộ chuyển đổi tín hiệu đều là 24Vdc Chính vì thế mà

bộ chuyển nguồn 220V sang 24V là một thiết bị không thể thiếu cho tủ điện điềukhiển