KHOA CƠ KHÍ – CÔNG NGHỆ

==========

BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ
THIẾT KẾ BARIE CHẮN TÀU LỬA TỰ
ĐỘNG

Nhóm sinh viên thực hiện:

1. Lê Văn Nghĩa

2. Lê Văn Thịnh
3. Nguyễn Văn Minh
4. Trương Quang
Cường
Lớp: Kĩ Thuật Cơ – Điện Tử K48
Giáo viên hướng dẫn: Khương Anh Sơn
Học phần: Thiết kế hệ thống cơ điện tử


Huế, 6/ 2018

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay cùng với sự phát triển đi lên của xã hội, các
phương tiện tham gia giao thông cũng gia tăng không ngừng và
hệ thống giao thông ngày càng phức tạp. Số lượng tai nạn ngày
càng gia tăng nhất là tai nạn đường sắt với số lượng tăng lên
không ngừng đặc biệt ở những nơi không có rào chắn giao cắt
giữa đường bộ và đường sắt.
Nhận thấy đây là vấn đề rất sát thực, với những kiến thức

đã được trang bị trong quá trình học tập và nghiên cứu tại
trường chúng em đã lựa chọn đề tài: ”Thiết kế hệ thống barie
chắn tàu lửa tự động”.
Trong quá trình thực hiện đồ án chúng em đã nhận được sự
chỉ bảo, hướng dẫn tận tình của các thầy cô trong khoa đặc biệt
đó là sự chỉ bảo của thầy Ts.Khương Anh Sơn. Chúng em xin trân
thành cảm ơn sự chỉ bảo của các thầy cô!
Trong khi thực hiện đồ án do kiến thức còn hạn chế cũng
như chúng em chưa có nhiều điều kiện để đi khảo sát thực tế,
với một khoảng thời gian ngắn thực hiện, do vậy mà đồ án của
chúng em còn nhiều thiếu sót mong các thầy cô đóng góp và bổ
xung ý kiến đề đồ án của chúng em đươc hoàn thiện hơn!
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Huế, ngày 30 tháng 6 năm 2018


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Khảo sát sơ bộ tại đoạn giao cắt với đường sắt................................2
Hình 1.2. Sơ đồ mô phỏng hoạt động của 1 hệ thống rào chắn tự động.........3
Hình 2.1. Sơ đồ khối tổng quan của hệ thống..................................................5
Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý mô phỏng hệ thống.................................................6
Hình 2.3. Mô phỏng khối module cảm biến rung............................................6
Hình 2.4. Mô phỏng khối module hồng ngoại..................................................7
Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý khối cơ cấu chấp hành...........................................7
Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý khối nguồn..............................................................8
Hình 2.7. Hình ảnh thực tế Arduino R3................................................................8
Hình 2.8. Module cảm biến rung.......................................................................9
Hình 2.9. Mạch nguyên lí cảm biến rung.........................................................9
Hình 2.10. Module cảm biến hồng ngoại.........................................................10
Hình 2.11. Tranzistor C1815 và sơ đồ chân....................................................10

Hình 2.12. Led phát quang...............................................................................11
Hình 2.13. Hình ảnh thực tế của LM7805.......................................................11
Hình 2.14. Hình ảnh thực tế Servo MG995.....................................................12
Hình 3.1. Sơ đồ mạch in mạch điều khiển và mạch nguồn............................14
Hình 3.2. a,b Làm phần cứng...........................................................................18
Hình 3.3. Hàn mạch .........................................................................................18
Hình 3.4. Hoàn thiện phần cứng......................................................................18
Hình 3.5. Sản phẩm hoàn thiện........................................................................18


MỤC LỤC
Chương 1 . PHÂN TÍCH HỆ THỐNG..............................................................1
1.1. Tổng quan về hệ thống rào chắn đường sắt....................................................1
1.2. Xác định bài toán............................................................................................2
1.2.1. Xác định bài toán.........................................................................................2
1.2.2. Yêu cầu của bài toán thiết kế “Thiết kế hệ thống barie chắn tàu lửa tự
động”.....................................................................................................................2
1.2.3. Phương pháp thiết kế...................................................................................3
1.2.4. Yêu cầu và giới hạn của “Thiết kế hệ thống barie chắn tàu lửa tự động”
dùng vi điều khiển.................................................................................................4
Chương 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG..................................................................5
2.1. Sơ đồ khối tổng quan của hệ thống................................................................5
2.2. Sơ đồ nguyên lý..............................................................................................6
2.3. Giải thích các khối..........................................................................................6
2.3.1. Khối tín hiệu đầu vào..................................................................................6
2.3.2. Khối cơ cấu chấp hành................................................................................7
2.3.3. Khối nguồn..................................................................................................8
2.4. Lựa chọn linh kiện..........................................................................................8
2.4.1. Arduino Uno R3..........................................................................................8
2.4.2. Module cảm biến rung................................................................................9

2.4.3. Module cảm biến hồng ngoại....................................................................10
2.4.4. Tranzitor C1815 (tranzitor nghịch)............................................................10
2.4.5. Diot phát quang (LED)..............................................................................11
2.4.6. Điện trở.....................................................................................................11
2.4.7. Công tắc.....................................................................................................11
2.4.8. IC LM7805................................................................................................11
2.4.9. Servo..........................................................................................................12
2.4.10. Còi báo động...........................................................................................12


2.5. Nguyên lý hoạt động của hệ thống rào chắn tàu lửa....................................13
Chương 3. XÂY DỰNG HỆ THỐNG..............................................................14
3.1. Sơ đồ mạch in (layout).................................................................................14
3.2. Chương trình điều khiển...............................................................................14
MỘT SỐ HÌNH ẢNH LÀM VIỆC CỦA NHÓM...........................................18
KẾT LUẬN........................................................................................................19
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................20


Chương 1 . PHÂN TÍCH HỆ THỐNG
1.1. Tổng quan về hệ thống rào chắn đường sắt
Đường sắt Việt Nam là một trong những ngành công
nghiệp đã có lịch sử phát triển từ những năm 80 của thế kỷ 19
đến nay. Với bề dày lịch sử phát triển đó, Đường sắt của Việt
Nam đã có tổng cộng 3.143km, trong đó có 2.632km đường sắt
chính tuyến, 403km đường trong ga và 108km đường nhánh đi
qua 33 tỉnh, thành trong cả nước, trải dài từ Bắc xuống Nam, từ
Đông sang Tây phục vụ sự đi lại của nhân dân và phát triển kinh
tế xã hội của đất nước. Bên cạnh đó, an toàn giao thông Đường
sắt cũng là vấn đề đi kèm với sự phát triển đó.

Đối với tình hình tai nạn giao thông(TNGT) Đường sắt hiện
nay, báo cáo của ủy ban An toàn giao thông quốc gia cho biết:
năm 2017 tai nạn giao thông đường sắt tại các đường ngang đã
xảy ra 388 vụ. Trong đó: do khách quan đã xảy ra 362 vụ, làm
chết 161 người, bị thương 256 người. Nguyên nhân cơ bản dẫn
đến hầu hết các vụ TNGT Đường sắt là do lỗi của người tham gia
giao thông và người điều khiển phương tiện giao thông đường
bộ khi đi qua các đường ngang như: không chú ý quan sát biển
báo, tín hiệu tại đường ngang, tín hiệu của nhân viên gác chắn.
Không làm chủ được tốc độ đâm vào tàu khi tàu đang chạy qua
đường ngang hoặc cố tình vượt qua đường ngang khi thiết bị tín
hiệu cảnh báo tự động đã báo hiệu có tàu sắp đến hoặc không
chú ý quan sát tàu hỏa trước khi vượt qua đường ngang (đối với
đường ngang không có người gác chắn).
Trước tình hình đó thì một giải pháp cho tình hình TNGT
Đường sắt hiện nay là có một “Thiết kế hệ thống barie chắn
tàu lửa tự động”để cảnh báo, ngăn cách người và phương tiện
tham gia giao thông với đường sắt khi có tàu đi qua đường
ngang.



Ví dụ về một đoạn đường ngang không có rào chắn

Hình 1.1. Khảo sát sơ bộ tại đoạn giao cắt với
đường sắt
Trên hình 1.1 là một đoạn giao cắt với đường sắt không có
hào rào bảo vệ ngăn cách giữa đường sắt với đường bộ và rất
dễ xảy ra tai nạn giao thông khi người tham gia điều khiển
phương tiện giao thông không chú ý khi có tàu qua.

1.2. Xác định bài toán
1.2.1. Xác định bài toán
Thiết kế “Thiết kế hệ thống barie chắn tàu lửa tự
động” bao gồm:
- Có 2 chế đồ sử dụng: bằng tay/ tự động.
- 2 barrier làm rào chắn tự động đóng mở.
- Có hệ thống đèn và còi báo động tự động khi có tàu đến.
1.2.2. Yêu cầu của bài toán thiết kế “ Thiết kế hệ
thống barie chắn tàu lửa tự động”
Hệ thống làm việc phải đảm bảo được an toàn giao thông
đường sắt và đường bộ tránh xảy ra tai nạn đáng tiếc, ảnh
hưởng tới tính mạng con người. Với tầm quan trọng như vậy hệ
0


thống điều khiển tín hiệu cảnh báo, động cơ nâng hạ barrier cần
đảm bảo các yêu cầu sau:
- Đảm bảo hoạt động một cách chính xác,liên tục trong thời
gian dài.
- Độ tin cậy cao.
- Đảm bảo làm việc ổn định, lâu dài.
- Dễ quan sát cho người đi đường.
- Chi phí hợp lí, tiết kiệm năng lượng.
 Giả sử có một đường ngang giao cắt như hình vẽ

Hình 1.2. Sơ đồ mô phỏng hoạt động của 1 hệ thống
rào chắn tự động
 Xét bài toán đặt ra khi có tàu đến:
- Khi phát hiện có tàu đi từ một phía sang từ khoảng cách
1800m (khoảng 3 phút), tín hiệu cảnh báo tàu bằng còi và đèn

sẽ được báo hiệu, động cơ servo sẽ tự động đóng rào chắn với
tốc độ hợp lí.
- Khi phát hiện tàu đã qua đường ngang thì hệ thống sẽ tự
động mở rào, nhờ cảm biến hồng ngoại nhận biết tàu qua và cắt
tín hiệu cảnh báo. Hệ thống trở lại trạng thái ban đầu.
1


1.2.3. Phương pháp thiết kế
- Thiết kế mạch mô phỏng trên phần mềm Proteus 8.6
- Công cụ lập trình: phần mềm Arduino
- Thiết kế mạch in bằng phần mềm Proteus 8.6

1.2.4. Yêu cầu và giới hạn của “Hệ thống điều khiển rào chắn giao cắt
với đường sắt tự động” dùng Arduino
- Yêu cầu:
+ Hoạt động chính xác.
+ Mạch điện đơn giản.
+ Giá thành hợp lí, tính ứng dụng trong thực tế cao.
+ Có khả năng mở rộng.
- Giới hạn:
+ Có sự sai lệch, nhiễu trong việc đo tín hiệu từ cảm biến
rung.
+ Khó liên kết với các hệ thống giám sát chung của hệ
thống giao thông đường sắt Việt Nam.

2


Chương 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG

2.1. Sơ đồ khối tổng quan của hệ thống

Hình 2.1. Sơ đồ khối tổng quan của hệ thống
Trong đó:
- Khối nguồn:
+ Nguồn 1 chiều điện áp 5V cấp cho toàn bộ hệ thống.
- Khối tín hiệu đầu vào:
+ Sử dụng module cảm biến rung và module hổng ngoại
làm tín hiệu đầu vào cho hệ thống để đóng ngắt cho động cơ.
- Khối điều khiển trung tâm:
+ Vi điều khiển trung tâm sử dụng Arduino Uno
+ Phần mềm điều khiển.
- Khối cơ cấu chấp hành:
+ Led đơn hiển thị và đèn cảnh báo tàu loại 5v.
+ Động cơ Servo loại 5v được điều khiển để đóng mở rào
chắn.
- Bàn phím: sử dụng chế độ bằng tay để đóng mở rào.

3


2.2. Sơ đồ nguyên lý

Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý mô phỏng hệ thống
2.3. Giải thích các khối
2.3.1. Khối tín hiệu đầu vào
Tín hiều đầu vào được sử dụng bằng các module cảm biến
xuất mức logic 0, 1 được đo trong một khoảng thời gian. Do đó
mô phỏng được biểu thị bằng các nút bấm thể hiện trạng thái.


Hình 2.3. Mô phỏng khối module cảm biến rung
Module hồng ngoại được sử dụng để phát hiện tàu đã qua
đoạn giao cắt, được mô phỏng bằng các biến trở POT_HG.

4


Hình 2.4. Mô phỏng khối module hồng ngoại
2.3.2. Khối cơ cấu chấp hành

Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý khối cơ cấu chấp hành
Cơ cấu chấp hành được sử dụng bao gồm 2 động cơ servo,
2 cặp đèn đỏ và vàng báo tín hiệu.
- 2 động cơ servo được nối với cảm biến rung và cảm biến
hồng ngoại để điều khiển chạy thuận và đảo chiều động cơ.
- Các đèn báo đỏ và vàng được nối với chân 5, 8 của
arduino. Khi các chân này được xuất mức logic 1 thì các đèn sẽ
sáng, tắt tương ứng với 2 động cơ đang chạy thuận hay chạy
ngược.

5


2.3.3. Khối nguồn

Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý khối nguồn
Đây là mạch dùng để tạo ra nguồn điện áp chuẩn +5V. Sử
dụng LM7805. Đầu vào là điện áp DC 12v khi qua LM7805 ta sẽ
được điện áp là 5v cấp cho hệ thống. Mạch ổn áp: cần cho vi
điều khiển vì nếu nguồn cho vi điều khiển không ổn định thì sẽ

treo vi điều khiển, không chạy đúng hoặc reset liên tục thậm
chí là chết vi điều khiển.
2.4. Lựa chọn linh kiện
2.4.1. Arduino Uno R3

Hình 2.7. Hình ảnh thực tế Arduino R3
Vi điều khiển
Điện áp hoạt động
Tần số hoạt động
Dòng tiêu thụ
Điện áp vào khuyên dùng
Điện áp vào giới hạn
Số chân Digital I/O
Số chân Analog
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O
Dòng ra tối đa (5V)
Dòng ra tối đa (3.3V)
Bộ nhớ flash
SRAM

ATmega328 họ 8bit
5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)
16 MHz
khoảng 30mA
7-12V DC
6-20V DC
14 (6 chân hardware PWM)
6 (độ phân giải 10bit)
30 mA
500 mA

50 mA
32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader
2 KB (ATmega328)

6


EEPROM

1 KB (ATmega328)

2.4.2. Module cảm biến rung

Hình 2.8. Module cảm biến rung
 Thông số kỹ thuật:
- Điện áp: 3.3 - 5v.
- Dòng tiêu thụ: 15mA.
- Có biến trở điều chỉnh ngưỡng so sánh.
- Kích thước: 32x14mm.
- Chân sử dụng: VCC, GND, DO.
- Vcc: 3.3- 5v.
- GND: 0v.
- DO: xuất mức tín hiệu 0,1.
DO đưa vào IO của vi điều khiển hoặc điều khiển relay qua
tranzitor. Sau đây là mạch nguyên lý của cảm biến.

7


Hình 2.9. Mạch nguyên lí cảm biến rung

2.4.3. Module cảm biến hồng ngoại

Hình 2.10. Module cảm biến hồng ngoại
 Đặc tính kỹ thuật:
- Module phát hiện vật cản trong khoảng cách 2-60 cm, góc
phát hiện là 35 độ. Khi phát hiện vật cản, tín hiệu đầu ra OUT ở
mức thấp và đèn led màu xanh sáng. Có thể điều chỉnh được
ngưỡng nhạy của hồng ngoại bằng biến trở.
- Điến áp cung cấp: 3-5v.
2.4.4. Tranzitor C1815 (tranzitor nghịch)

Hình 2.11. Tranzistor C1815 và sơ đồ chân
 Tác dụng: cách ly điều khiển giữa 2 tầng mạch điện khác
nhau.
8


 Mục đích: nếu có sự cố từ tầng ứng dụng như cháy, chập,
tăng áp… thì cũng không ảnh hưởng đến tầng điều khiển.

9


2.4.5. Diot phát quang (LED)

Hình 2.12. Led phát quang
Hoạt động của led giống như điot bán dẫn phân cực thuận
cho led mới có thể sáng được.
2.4.6. Điện trở
Sử dụng điện trở có các giá trị như sau: 220Ω,10K

4k7.

,1K,

2.4.7. Công tắc
- Công tắc 3 chân đóng mở rào chắn khi gặp sự cố.
2.4.8. IC LM7805

Hình 2.13. Hình ảnh thực tế của LM7805
10


2.4.9. Servo

Hình 2.14. Hình ảnh thực tế Servo MG995
 Thông số kỹ thuật servo
- Item Name: MG995 Metal Gear Servo.
- Kích thước: 40 x 19x 43mm.
- Trọng lượng: khoảng 69g.
- Tốc độ hoạt động: 0.17 giây / 60 độ (4.8V không tải).
- Tốc độ hoạt động: 0.13sec / 60 độ (6.0 V không tải).
- Hoạt động Điện áp: 4.8 - 7.2Volts.
- Loại bánh răng: Tất cả các bánh răng kim loại.
2.4.10. Còi báo động

Hình 2.15. Hình ảnh còi báo động
 Thông số kỹ thuật
- Model: SFM-27.
- Điện áp hoạt động: 5V.
- Dải điện áp: 220VAC.

11


- Dòng hoạt động: ≤ 30mA.
- Cường độ âm thanh: ≥85dB.
- Tần số âm thanh: 3000 ± 500Hz.
- Kích thước: Đường kính: 30mm, Cao : 15MM.
- Khoảng cách 2 lỗ: 40mm.
2.5. Nguyên lý hoạt động của hệ thống rào chắn tàu
lửa
- Khi cấp nguồn cho hệ thống, trạng thái tự động được thiết
lập. Nếu có tàu đi từ một phía, cảm biến rung sẽ phát hiện tàu
đang tới, gửi tín hiệu về vi điều khiển (Arduino R3). Lúc này, tín
hiệu sẽ được xử lý và gửi tín hiệu điều khiển tới cho cơ cấu chấp
hành để phát tín hiệu cho đèn và còi cảnh báo, đồng thời đóng
rào chắn lại.
- Khi tàu đã qua đoạn giao cắt, cảm biến hồng ngoại sẽ
phát hiện tàu đã qua thì sẽ gửi tín hiệu lại vi điều khiển để mở
rào chắn, ngắt tín hiệu cảnh báo.
- Nếu chuyển chế độ bằng tay, sẽ nhấn nút để đóng mở rào.
- Tương tự với trường hợp tàu đi theo chiều ngược lại.

12


Chương 3. XÂY DỰNG HỆ THỐNG
3.1. Sơ đồ mạch in (layout)
Dùng phân mềm proteus 8.6 vẽ mạch và thiết kế mạch in ta
được các sơ đồ mạch in sau:


Hình 3.1. Sơ đồ mạch in mạch điều khiển và
mạch nguồn
3.2. Chương trình điều khiển
//----------DO AN HE THONG NHUNG----------//
//---TEN DE TAI: THIET KE HE THONG DIEU KHIEN RAO CHAN
GIAO CAT VOI DUONG SAT TU DONG---//
//---SVTH: 1. Truong Quang Cuong

14L1041008

//

2. Le Van Nghia

14L1041040

//

3. Le Van Thinh

14L1041058

//

4. Nguyen Van Minh

14L1041038

//---LOP: ky thuat cơ dien tu k48
//---GVHD: Ts. Khuong Anh Son

// Ngay thuc hien: Thang 6- 2018
#include <Servo.h>
13


#define servo 3
Servo myservo;
int cbrung[2]={ 0,0 };
int hn[2]={0,0};
int coi=7;
void setup()
{
pinMode(ledv, OUTPUT);
pinMode(ledd, OUTPUT);
pinMode (7, OUTPUT);
Serial.begin(9600);
myservo.attach(servo);
pinMode (2, INPUT); // cam bien rung 1
pinMode (4, INPUT); // cam bien rung 2
pinMode (6, INPUT); // hong ngoai
myservo.write(0);
}
void loop()
{
doc_tin_hieu();
coi_1();
void trai_qua_phai()
{
if ( cbrung[1]==0 )
{ digitalWrite(ledv, HIGH);

myservo.write(90);}
if ( cbrung[1]==1 )
14


{ myservo.write(0);
digitalWrite(ledv, LOW);}
if ( hn[0]==0)
{ myservo.write(90);
digitalWrite(ledd, HIGH);}
if ( hn[0]==1 )
{ digitalWrite(ledd, LOW);}
}
void phai_qua_trai()
{
if ( cbrung[0]==0 )
{ digitalWrite(ledv, HIGH);
myservo.write(90);
}
if ( cbrung[0]==1 )
{ myservo.write(0);
digitalWrite(ledv, LOW);}
if ( hn[0]==0)
{ myservo.write(90);
digitalWrite(ledd, HIGH);}
if ( hn[0]==1 )
{ digitalWrite(ledd, LOW);}
}
void coi_1()
{

if ( cbrung[1]==0 || hn[0]==0 || cbrung[0]==0 )
{ digitalWrite(coi, HIGH);}
if ( cbrung[1]==1 && hn[0]==1 )
15


{ digitalWrite(coi, LOW);}
}
void doc_tin_hieu()
{
int giatriservo = myservo.read();
Serial.print(giatriservo);
cbrung[0]=digitalRead(2);
cbrung[1]=digitalRead(4);
hn[0]=digitalRead(6);
}

16


MỘT SỐ HÌNH ẢNH HOẠT ĐỘNG CỦA NHÓM

a)

b)
Hình 3.2. a,b Làm phần cứng

Hình 3.3. Hàn mạch
thiện phần cứng


Hình 3.4. Hoàn

17