Tìm hiểu, phân tích hệ thống đo lường cảm biến trong bãi đỗ xe thông minh

Yêu cầu hệ thống: - Giám sát được số lượng xe trong bãi - Cảnh báo nhiệt độ cao trong bãi đỗ, báo động khi có khói, có cháy... Đặc biệt là sự ra tăng về số lượng xe ô tô ngàycàng nhiề

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN ™™™

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG VÀ CẢM BIẾN

Đề tài 9: Tìm hiểu, phân tích hệ thống đo lường cảm biến trong bãi đỗ

xe thông minh.

Hà Nội - 2016 Nội dung đề tài

Đề tài 9 : Tìm hiểu, phân tích hệ thống đo lường cảm biến trong bãi đỗ xe

thông minh

Giới hạn điều kiện: Bãi đỗ xe chỉ chứa xe con, các loại xe khác không được

phép vào bãi

Bãi đỗ xe gồm bốn tầng, mỗi tầng có sức chứa 10 xe chia đều cho 2 dãy

- Nhiệt độ trong bãi đỗ từ (5- 500 C)

- Có cảnh báo cháy/nổ

Yêu cầu hệ thống:

- Giám sát được số lượng xe trong bãi

- Cảnh báo nhiệt độ cao trong bãi đỗ, báo động khi có khói, có cháy

LỜI NÓI ĐẦU

Trải qua nhiều thập kỉ ô tô đã trở thành phương tiện không thể thiếu củacon người.Hiện nay tự động hóa quá trình công nghiệp trong quản lý hệ thốngcác bãi đỗ xe thông minh là khá phổ biến và thông dụng và nó đóng góp mộtvai trò hét sức quan trọng trong cuộc sống Ví dụ từ những bãi đỗ xe đơn giảncho tới các hệ thống bãi đỗ xe thông minh đều ứng dụng những quá trình tựđộng Do vậy việc hiểu biết những kiến thức về quá trình tự động hóa, quátrình công nghiệp đối với sinh viên ngành Điện là rất cần thiết Tự động hóaquá trình công nghiệp giúp sinh viên có những kiến thức cơ bản về quá trình

tự động hóa trong công nghiệp Giúp sinh viên hệ thống hóa lại kiến thức đãhọc, nghiên cứu và làm quen với công việc thiết kế và xây dựng hệ thống, sửdụng thiết bị cảm biến, điều khiển máy điện trong thực tế hiện nay

Trong chương trình đào tạo cho sinh viên, thầy giáo đã tạo điều kiện chochúng em được tiếp xúc và làm quen với việc nghiên cứu, xây dựng bãi đỗ xethông minh, do lần đầu làm quen với việc thiết kế với số lượng kiến thức tổnghợp, còn có những mảng chưa lắm vững cho nên dù cố gắng lắm nhưng trongbài làm của bọn em có những thiếu sót Chúng em rất mong được sự góp ýkiến của thầy giúp chúng em có những kiến thức cần thiết để sau này có thểứng dụng trong công việc cụ thể của cuộc sống

Ch ương I: Tổng quan về hệ thống thiết kế ng I: T ng quan v h th ng thi t k ổng quan về hệ thống thiết kế ề hệ thống thiết kế ệ thống thiết kế ống thiết kế ết kế ết kế.

Ngày nay ở các trung tâm thành phố lớn với sự phát triển mật độ dân cư

và xe cộ ngày càng đông đúc Đặc biệt là sự ra tăng về số lượng xe ô tô ngàycàng nhiều và điều này cũng phản ánh tốc độ phát triển của một quốc gia.Song song với sự phát triển đó, người ta đặt ra vấn đề là xây dựng những bãi

đỗ xe để phục vụ cho người dân trong công việc cũng như trong việc đi lạicủa họ Vì thế, ngày nay trên các nước tiên tiến trên thế giới như Mexico,Nhật Bản, Hàn Quốc, ở những thành phố trật hẹp, người ta xây dựng bãi

đỗ xe thông minh được trang bị thiết bị nâng để di chuyển ô tô từ mặt đất lênđiểm đỗ trên cao hoặc dùng hệt thống ngầm Đây là những giải pháp giúptăng hơn rất nhiều về số lượng xe trên một diện tích truyền thống, cho phépgiải quyết tình trạng thiếu mặt bằng xây dựng

Bãi đỗ xe thông thường tại TP Hà Nội

Từ nhu cầu bức thiết cuộc sống và trong khuôn khổ môn học chúng emđược thầy giáo giao đề tài: "Hệ thống bãi giữ xe thông minh" Hy vọng đề tàicủa chúng em được áp dụng vào thực tế và một phần giải quyết được vấn đề

đỗ xe ở Việt Nam hiện nay

Hiện nay, việc gia tăng đến chóng mặt của các phương tiện giao thôngđang khiến TP Hà Nội và TP HCM và nhiều TP khác của nước ta đứng trướccơn khủng hoảng của bãi đỗ xe Các bãi đỗ xe trong TP mới chỉ đáp ứng 30%nhu cầu của người dân, 70% còn lại là các bãi đỗ xe trái phép, sai phép

Hình ảnh những bãi đỗ xe tự Phát trật trội và thiếu thốn đó là những hìnhảnh quen thuộc của những bãi đỗ xe trên địa bàn TP Dạo một vòng quanhthành phố, các bãi đỗ, trông dữ xe đua nhau mọc lên Vỉa hè lên trên khánhiều tuyến phố bị tận dụng, chăng dây thành bãi đỗ xe

Tại các khu trung cư hay khu đô thị mới, các khu văn phòng do các bãi

đỗ xe không đáp ứng được nhu cầu, sân chơi cũng bị tận dụng thành các bãigiữ xe Dưới lòng đường, ô tô, taxi dù cùng chen nhau, lối thành những hàngdài, lấn chiếm lòng đường

- Đã có nhiều bãi đỗ xe được mở ra, nhưng trong quá trình vận hành cónhững nhược điểm:

+ Tốn nhiều diện tích

+ Cần có người quản lý xe ra vào

Vì vậy đẻ giải quyết vấn đề đó người ta đã thiết kế các gara ô tô đặc biệt

là các gara ô tô tự động

Hình ảnh các gara ô tô tự động

3 Khái niệm gara ô tô

Hệ thống gara ô tô hay còn gọi là hệ thống đỗ xe thông mình: là mộtcông nghệ điều khiển tự động, sử dụng chủ yếu các Pallet và thang nâng, chophép đỗ được nhiều xe ô tô hơn trên cùng một diện tích không gian;

Hệ thống đỗ xe tự động là một giải pháp an toàn - tiết kiệm

AN TOÀN

An toàn về người do không tham gia vào quá trình đỗ xe, lưubãi;

 Kiểm soát được vị trí của xe nhờ hệ thống mã hóa vị trí tự động;

Không bị mất mát, va đập; tình trạng tai nạn giao thông tronghầm đỗ xe cũng hoàn toàn được loại trừ;

Hệ thống được trang bị đầy đủ phương tiện phòng chống cháynổ, dừng khẩn cấp, chống động đất, cảnh báo tình trạng khí thải, ngănchặn quá tải;

Tránh tác động khói thải khi lái xe ra/ vào hầm đỗ;

TIẾT KIỆM

Gia tăng nhiều lần số chỗ đỗ xe trên cùng một diện tích;

Là giải pháp thay thế tối ưu làm giảm chi phí đầu tư xây dựng;

Chi phí hợp lý nhờ quá trình nội địa hóa và chuyển giao côngnghệ;

Thời gian gửi/lấy xe nhanh chóng;

 Giảm thiểu nhu cầu sử dụng hệ thống thông gió, điều hòa khôngkhí;

Chương II: Nội Dung Thực Hiện

2.1 - Yêu cầu của đề tài

2.1.1 - Yêu cầu của hệ thống

- Giám sát được số lượng xe trong bãi

- Cảnh báo được nhiệt độ cao trong bãi đỗ, báo động khi có khói, cócháy

2.1.2 - Yêu cầu công nghệ

Giới hạn điều kiện: Bãi đỗ xe chỉ chứa xe con, các loại xe khác khôngđược vào, bãi gồm có 4 tầng, mỗi tầng có 10 xe chia đều cho 2 dãy Bấm nútSTART hệ thống hoạt động Khi có xe vào cửa, động cơ Barie ở cửa tự độngđược nâng lên Sau khi mua vé xong hoặc được kiểm tra vé tiến vào trong bãi

đỗ xe thì cửa tự động đóng lại, hệ thống sẽ đưa xe đến vị trí được chọn, cảmbiến hồng ngoại sẽ báo ở vị trí đó, và mặt hình sẽ hiển thị tăng thêm 1 xe

Ở cửa ra, khi người dùng báo muốn lấy xe ở một vị trí nào đó, hệ thống

sẽ tự động đưa xe ở vị trí đó đến cửa ra, sau khi kiểm soát vé xong Barie sẽđóng cửa lại Cảm biến hồng ngoại sẽ báo ở vị trí đó và màn hình sẽ hiển thịgiảm đi 1 xe

Số lượng xe trong bãi luôn được giám sát bằng hệ thống cảm biến hồngngoại Khi có một xe vào hiển thị tăng thêm 1, khi có một xe ra, hiển thị giảm

đi 1(giả sử không có xe ra vào cùng một thời điểm)

Bên ngoài cổng vào có hệ thống đèn báo, nếu trường hợp bãi còn trốngđèn sẽ báo xanh, còn nếu như đã đầy đèn báo đỏ, để người gửi xe biết và đivào bãi khác (tất nhiên là sẽ thiết kế để không chậm thời gian và gây phiềncủa người dùng)

Cảm biến nhiệt độ, cảm biến lửa cho phép nhiệt độ trong khoảng 5-50oC,nếu như ngoài khoảng này thì cảm biến báo ngay về hệ thống, chuông sẽ kêu

và đèn báo cháy sẽ sáng

Cảm biến khói sẽ báo nếu như trong bãi có xảy ra khói

2.2 - Các hướng giải quyết

- Đầu tiên đảm bảo tất cả các xe vào bãi đều là xe con thì trước bãi cócác kí hiệu, các hình vẽ về những loại xe được phép vào bãi, còn các loại xekhác thì vào bãi khác có thiết kế phù hợp hơn

- Đếm xe trong bãi:

 Phương án 1: Để phát hiện khi có 1 xe vào hoặc ra chúng

em dùng cảm biến Quang, chúng em đặt 2 cảm biến đặt cách nhau 1khoảng nhất định để phân biệt giữa người và xe ra vào bãi Nếu làngười thì sẽ chỉ một cảm biến tác động, còn nếu là xe thì cả hai đều tácđộng Như vậy chúng em sẽ biết được trong bãi có bao nhiêu xe

 Phương án 2: Chúng em cũng dùng cảm biến Quang,nhưng mỗi vị trí để xe chúng em sẽ gắn 1 cảm biến, như thế thì khi xe

đến vị trí đó thì cảm biến Quang báo tới hệ thống, và hệ thống sẽ đến,

xe ra thì cũng tương tự

- Cảnh báo cháy nổ:

 Phương án 1: Chúng em sẽ gắn một cơ cấu báo cháy nổ ởmỗi vị trí để xe

 Phương án 2: Chúng em sẽ gắn một cơ cấu cháy nổ cho cảbãi đỗ xe, được đặt ở chính giữa tầng 2, đồng thời sử dụng hai cơ cấubáo cháy nổ thủ công di động, có độ nhạy trung bình, giúp cho ngườiquản lí nhanh chóng tìm ra vị trí cháy nổ để kịp thời khắc phục

- Hệ thống nâng đỡ, hệ thống máy tính, lập trình để quản lý toàn hệthống chúng em không xét tới, vì giới hạn yêu cầu của đề tài

2.3 - Hướng giải quyết và lựa chọn thiết kế

Phương án 1: Để phát hiện khi có 1 xe vào hoặc ra chúng em dùng cảmbiến quang, chúng em đặt hai cảm biến cách nhau một khoảng nhất định đểphân biệt giữa người và xe ra vào bãi Nếu là người thì chỉ một cảm biến tácđộng, còn nếu là xe thì cả hai đều tác động Như vậy chúng em sẽ biết đượctrong bãi sẽ có bao nhiêu xe

Lý do: Hệ thống sẽ chỉ giám sát xe trong bãi chỉ thông qua 1 cảm biến,như vậy thì độ chính xác cao hơn, máy tính quản lý sẽ nhẹ hơn dễ dàng trongviệc sử dụng cũng như sửa chữa, chi phí lắp đặt thấp

- Cảnh báo cháy nổ

 Phương án 2: Chúng em sẽ gắn 1 cơ cấu cháy nổ cho cảbãi đỗ xe, được đặt ở chính giữa tầng 2, đồng thời sử dụng 2 cơ cấu báocháy nổ thủ công di động, giúp cho người quản lý nhanh chóng tìm ra

vị trí cháy nổ để kịp thời khắc phục

Lý do: máy tính chỉ quản lý 1 cảm biến thì rất dễ dàng, lúc hư hỏng cũng

dễ sửa chữa Chúng em dùng 2 cơ cấu báo cháy trung bình sẽ giúp cho ngườibảo vệ nhanh chóng tìm ra vị trị có cháy nổ Có những vị trí mà ngay cảcamera giám sát cũng không thể phát hiện ra được, như: cháy dây điện, ổđiện, bên trong tường, các chỗ hẹp, mắt camera không nhìn thấy Bêncạnh đó cũng tiết kiệm chi phí mà độ an toàn thì luôn được đảm bảo tuyệt đối

Các đại lượng cần đo (m) nhưng không có tình chất điện như nhiệt độ,

áp suất, tác động lên cảm biến cho ta 1 đặc trưng (s) mang tính chát điện(như điện tích, điện áp, dòng điện hoặc trợ kháng chứa được thông tin chophép xác định của đại lượng đo)

Cảm biến quang điện thực chất là các linh kiện quang điện, chúng thayđổi tính chất khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào bể mặt của chúng.

- Nguyên lý làm việc của quang điện trở là sự phụ thuộc của điện trở vàothông lượng bức xạ và phổ bức xạ đó

- Tế bào quang dẫn là cảm biến quang điện có độ nhạy cao Cơ sở vật lýcủa tế bào Quang điện là hiện tượng quang dẫ do hiệu ứng quang điện trong

Đó là hiện tượng giải phóng các hạt tải điệnt rong vật liệu dưới tác dụng củaánh sáng làm tăng độ dẫn điện của vật liệu

2.4.1.2 Nguyên lý hoạt độngc ủa một số cảm biến quang

a) Photo Diot

Sự tiếp xúc của hai loại bán dẫn loại n và loại p (vùng chuyển tiếp P-N)tạo nên vùng nghèo hạt dẫn vì ở đó tồn tại một điện trường và hình thànhhàng rào thế Vb Khi không có điện thế bên ngoài đặt lên vùng chuyển tiếp(U=0) dòng điện qua chuyển tiếp I=0

- Khi đặt một điện áp lên diot, với điện áp ngược đủ lớn Ud >>, chiềucao của hàng rào điệnt hế tăng lên và trên diot chỉ còn lại dòng điện ngược Ir

= I0 (I0-dòng điện tối)

- Khi chiếu sáng diot bằng bức xạ có bước sóng sẽ xuất hiện các cặp điệntừ - lỗ trống, dưới tác dụng của điện trường các cặp điện từ lỗ trống chuyểnđộng và dòng điện ngược tăng lên rất nhanh

- Các vật liệu dugnf chết tạo Phôt diot là Si, Ge (Vùng ánh sáng nhìnthấy) và GaAs, InAs, InSb (Vùng hồng ngoại)

b) Photo Transitor

- Photo Transitor là các transitor silic loại npn mà vùng bazo được chiếusáng, không có điện áp đặt trên bazo, chỉ có điện áp trên C, đồng thời chuyểntiếp B- C phân cực ngược ĐIện áp đặt chủ yếu là phẩn chuyển tiếp N - C(phân cực ngược) trong khi đó chênh lệch điện thế giữa E và B thay đổikhông đáng kể

U≈0,6 hay 0,7

- Khi phần chuyển tiếp B - C được chiếu sáng, sự hoạt động của phototransitor giống như photo diot ở chết độ quang dẫn với dòng điện ngược:Ir=I0+Ip

Với : Ir: dòng điện ngược

I0 : Dòng điện tối

Ip : Dòng điện sáng

c) Cảm biến phát xạ (Tế bào quang điện)

- Cảm biến phát xạ là biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện nhờhiện tượng phát xạ điện từ ở cực catot khi có thông lượng ánh sáng chiếuvào

- Số lượng điện tử phát xạ tỷ lệ với số photo chiếu vào cực catot

- Cảm biến Phát xạ được phân thành:

 Tế bào quang điện chân không.

- Cơ chế hoạt động của đèn quang điện như sau:

- Khi có thông lượng ánh sáng chiếu vào, catot hấp thụ photo và giảiphóng điện tử, các điện tử này di chuyển lên bề và thoát ra ngoài

- Các vật liệu dùng làm photon catot là:

 Cs2Sb,K2 nhạy với vùng ánh sáng nhìn thấy và vùng tửngoại

2.4.3 Cảm biến báo cháy

Để phát hiện được có sự cố cháy ta phải sự dụng 3 loại cảm biến đó làcảm biến nhiệt, cảm biến khói và cảm biến lửa

- Cảm biến nhiệt: là loại cảm biến dùng để chuyển tín hiệu vật lý nhiệtđộ thành tín hiệu điện, đây là loại cảm biến có độ nhạy tương đối cao vàotuyến tính, Nguyên tắc làm việc của nó là dòng điện hay điện điện áp thayđổi Tuy nhiên nó cũng dễ báo động nhầm khi nguồn nhiệt bên ngoài tác độngvào không theo ý muốn

- Cảm biến lửa: Khi lửa cháy thì phát ra ánh sáng hồng ngoại, do đó ta sửdụng phát hiện tia hồng ngoại để phát hiện Nguyên lý hoạt động là điện trởcủa các linh kiện thu sóng hồng ngoại tăng, nó chuyển tín hiệu ánh sáng thuđược thành tín hiệu điện để báo động Loại này rất nhạy với lửa Tuy nhiêncũng rất dễ báo động nhầm nếu đặt cảm biến ngoài trời hoặc gần nơi có bóngđèn sợi đốt

- Cảm biến khói: Có 2 cách cơ bản đển thiết kế bộ cảm biến khói:

 Cách thứ 1: là dùng nguyên tắc ion hóa Cảm biến ion hóa

sử dụng 1/5000 gram đồng vị Americium 241 (Am) để tạo ra các tiaalpha Cứ mỗi giây thì lượng Americium này sẽ tạo ra 37 triệu tia alpha(đây có v là con số lớn nhưng số lượng tia alpha như thế này vẫn quánhỏ để gây ảnh hưởng đến con người) Đối diện với nguồn phát tiaalpha là một bộ phát điện với hai cực âm và dương được sắp xếp như

sơ đồ trên Khi tia alpha đập vào oxi (O) và Nitrogen (N) trong khôngkhí, chúng phải giải phóng ra các elechtron và tạo ra dòng điện Khóitrong đám cháy sẽ làm cho quá trình tạo elechtron bị phá vỡ và lúc đóchuông báo cháy + thiết bị báo cháy tự động sẽ được kích hoạt

 Cách thứ 2 là sử dụng các linh kiện thu phát quang

Bộ cảm ứng quang điện thường xử dụng một chùm tia hồng ngoại đượcphát ra từ một chiếc đèn led (xem hình trên) đèn này được chiếu thằng sangphía bên kia của ống (phần Light catcher) Cảm biến quang điện được đặtvuông góc với đường đi thông thường của chùm tia hồng ngoại Khi không cókhói, chùm tia sáng được chiếu thẳng và cảm biến không hề nhận được bất cứtia hồng ngoại nào Khi xảy ra hỏa hoạn, khói bay trong ống sẽ đóng một vaitrò như một chiếc gương phản chiếu hắt ánh sáng vào cảm biến quan điện vàchuông hỏa hoạn cùng các thiết bị chống cháy tự động sẽ được bật Trong haicách này thì phương pháp thứ 1 nhạy hơn và hiệu quả hơn phương pháp thứ 2,nhưng khó thực thi khó lắp đặt Còn cách thứ 2 tuy độ nhạy kem hơn nhưng

linh kiện dễ kiếm và dễ thi công cũng như lắp đặt Vậy lên em chọn phươngpháp thứ 2 là dùng cảm biến quang.

- Hoạt động: khi có xe tới cửa vào 2 cảm biến quang S1, S2 ở cửa vào bịtác động kích hoạt mạch điều khiển động cơ mở Barie ở cửa vào Khi Barie

mở tới khi chạm phải công tắc hành trình HT2 thì động cơ dừng Barie ở vị trí

mở cho xe vào Khi xe đã nhận vé xe xong đi tiếp vào trong bãi đỗ xe cảmbiến S3, S4 bị tác động kích hoạt động cơ Barie làm việc cho tới khi gặp côngtắc hành trình HT1 thì dừng lại Barie ở trạng thái đóng Khi S1 và S2 bị tácđộng sẽ có 1 xung đưa về hệ thống (máy tính) Máy tính sẽ tăng thêm 1 giá trịbáo hiệu tăng thêm 1 xe và được hiển thị trên màn hình của máy tính

- Khi có 1 xe đi ra cảm biến S5 và S6 bị tác động kích hoạt mạch điềukhiển động cơ kéo Barie ở cửa ra Khi Barie mở tới khi chạm phải công tắchành trình HT4 thì động cơ dừng Barie mở cho xe ra Khi xe ra ngoài cảmbiến S7, S8 bị tác động kích hoạt động cơ kéo Barie xuống cho tới khi gặpphải công tắc hành trình HT3 thì dừng lại đóng cửa ra của bãi đỗ xe Khi S7,S8 bị tác động sẽ có một xung đưa về máy tính Máy tính tự động trừ 1 xetrong bãi đỗ xe đi và hiển thị số xe trong bãi

- Khi bãi đỗ xe chưa đầy thì đèn xanh sáng Khi bãi đỗ xe đầy thì bộ máytính đếm tới giá trị đặt trước thì tiếp điểm của máy tính sẽ kích hoạt đèn đỏsáng và vô hiệu hóa cửa vào không cho xe vào nữa Khi có sự cố cháy thì cảmbiến khỏi và cảm biến lửa hoặc cảm biến nhiệt bị tác động làm cho chuông vàđèn báo cháy kêu