Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Giao thông đường sắt đóng vai trò huyết mạch trong nền kinh tế quốc dân, đảm nhận khối lượng vận chuyển hành khách và hàng hóa quy mô lớn. Tuy nhiên, vấn đề an toàn giao thông tại các điểm giao cắt đồng mức giữa đường bộ và đường sắt (đường ngang) luôn là thách thức nghiêm trọng. Theo số liệu thống kê của Liên hiệp Đường sắt Việt Nam đến tháng 9/2001, mạng lưới đường sắt quốc gia có tổng chiều dài 3.143 km, đi qua 35 tỉnh/thành phố, 139 quận/huyện/thị xã, 287 nhà ga, 1.113 cầu, 3 đèo, 9 dốc lớn và có tới 4.792 đường ngang. Tuy nhiên, toàn mạng lưới chỉ có 436 đường ngang được bố trí gác chắn có nhân viên trực.

Thực trạng này dẫn đến nguy cơ tai nạn giao thông luôn tiềm ẩn. Trong giai đoạn 5 năm thực hiện Nghị định 39/CP của Hội đồng Chính phủ về bảo đảm an toàn giao thông đường sắt (tính đến thời điểm nghiên cứu năm 2002), toàn ngành đã xảy ra 1.619 vụ tai nạn giao thông, trong đó tai nạn tại các đường ngang chiếm 1.314 vụ (tương đương 81%). Các vụ tai nạn này làm chết 702 người, bị thương 984 người, gây hư hại 64 đầu máy, 80 toa xe, 199 xe máy, 89 ô tô các loại, 44 xe công nông và 144 xe đạp; nhiều phương tiện bị phá hủy hoàn toàn không thể phục hồi. Điển hình như vụ tai nạn vào tháng 7/1999 tại thị xã Tam Điệp (Ninh Bình), xe tải biển kiểm soát 35N-1972 băng qua đường ngang không có rào chắn do thiếu quan sát đã va chạm với đoàn tàu S1, làm lật 3 toa khách, đầu máy và ô tô hư hỏng nặng, thiệt hại ước tính hàng chục tỷ đồng.

Việc gia tăng các trạm gác chắn thủ công có người túc trực đòi hỏi kinh phí vận hành rất lớn, vượt quá khả năng tài chính của ngành đường sắt, đặc biệt tại các khu vực hẻo lánh. Các giải pháp tự động hóa đương thời, chẳng hạn như hệ thống cảnh báo tự động do Xí nghiệp Đường sắt Hà Nội phối hợp với Công ty CadPro thử nghiệm tại đường ngang Thượng Cát (phía Bắc Gia Lâm, Hà Nội), chỉ mới dừng lại ở mức báo tín hiệu bằng đèn, chưa tích hợp còi hú và cơ cấu tự động hạ cần chắn barrier; đồng thời hệ thống này sử dụng cấu trúc máy tính phức tạp dẫn đến giá thành sản xuất cao.

Trước yêu cầu thực tiễn đó, đề tài đồ án tốt nghiệp "Hệ thống tự động cảnh báo và nâng hạ barrier đường sắt dùng vi điều khiển 8951" được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (khoa Điện, bộ môn Điện tử) vào tháng 02 - 03/2002.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể gồm:

  1. Khảo sát cấu trúc phần cứng, tập lệnh và các chế độ định thời của vi điều khiển AT89C51 thuộc họ MCS-51.
  2. Thiết kế hệ thống phần cứng hoàn chỉnh bao gồm khối cảm biến đầu vào nhận diện tàu hỏa, khối so sánh tín hiệu, khối xử lý trung tâm vi điều khiển, khối giao tiếp công suất điều khiển thiết bị ngoại vi và khối nguồn cấp liên tục có sạc ắc quy tự động.
  3. Xây dựng thuật toán và lập trình phần mềm điều khiển hệ thống theo chu trình làm việc tự động khép kín (cảnh báo đèn, còi và điều khiển động cơ nâng hạ cần chắn).
  4. Tính toán thông số cơ khí và điện năng của động cơ kéo thanh chắn barrier trong điều kiện thực tế và trên mô hình thực nghiệm.
  5. Đề xuất định hướng mở rộng hệ thống kiểm soát an toàn toàn tuyến thông qua truyền nhận dữ liệu vô tuyến bằng sóng FM.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Cấu trúc mạch điều khiển nhúng trên vi điều khiển AT89C51, cảm biến rung chấn từ giảo, bộ khuếch đại thuật toán TL082 và cơ cấu truyền động điện cơ barrier.
  • Phạm vi nghiên cứu: Mô hình thực nghiệm giả định thu nhỏ được thiết kế và chế tạo tại xưởng thực hành, sử dụng các mức điện áp ngưỡng mô phỏng dao động đường ray để đánh giá tính khả thi kỹ thuật.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết vi điều khiển, nguyên lý mạch điện tử tương tự, giải thuật điều khiển số và tính toán cơ học truyền động:

Khung lý thuyết và mô hình áp dụng

  • Cấu trúc vi điều khiển 8-bit họ MCS-51 (AT89C51): Kiến trúc Harvard phân định không gian bộ nhớ mã lệnh (ROM/PEROM) và bộ nhớ dữ liệu (RAM). Vi điều khiển tích hợp 4 KB Flash ROM nạp/xóa bằng điện (độ bền 1.000 chu kỳ ghi xóa), 128 Byte RAM nội, 32 đường I/O chia làm 4 Port 8-bit, 2 bộ định thời/bộ đếm 16-bit (Timer 0 và Timer 1), hệ thống 5 vector ngắt 2 mức ưu tiên và bộ truyền thông nối tiếp UART bán song công. Tần số thạch anh vận hành chuẩn là 12 MHz.
  • Nguyên lý biến tử từ giảo (Magnetostrictive Sensor): Dựa trên hiệu ứng từ giảo thuận - nghịch của vật liệu sắt từ (Niken). Khi lực nén hoặc kéo tác động lên khung từ do sóng rung động cơ học truyền trên đường ray khi tàu tiếp cận, kích thước hình học của vật liệu thay đổi ($\Delta L/L$), dẫn đến biến thiên từ thông và sinh ra sức điện động cảm ứng ở hai đầu cuộn dây quấn quanh khung từ. Cảm biến hoạt động như một bộ thu nhận tín hiệu âm thanh/rung chấn cơ học để xác định khoảng cách của đoàn tàu.
  • Khuếch đại thuật toán và mạch so sánh điện áp: Sử dụng vi mạch OP-AMP TL082 (ngõ vào JFET, trở kháng ngõ vào $10^{12},\Omega$, tốc độ bám $13,\text{V}/\mu\text{s}$, độ lợi vòng hở $100.000$). Mạch so sánh tận dụng hai trạng thái bão hòa dương ($+V_{cc}$) và bão hòa âm ($-V_{cc}$) để biến đổi tín hiệu điện áp liên tục từ cảm biến thành các mức logic dứt khoát đưa vào cổng vào của vi điều khiển.
  • Lý thuyết truyền động và cân bằng cơ học: Mô hình đòn bẩy kết hợp đối trọng để hỗ trợ nâng hạ cần chắn. Công thức tính công suất động cơ đẩy thanh chắn barrier: $N = \frac{P \cdot v}{1000}$ (kW), trong đó $P$ là lực đẩy (N) và $v$ là vận tốc dài chuyển động (m/s).

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp: Thu thập các số liệu thống kê về tai nạn đường sắt, phân tích ưu nhược điểm của các trạm gác thủ công và các công trình tự động hóa tiền nhiệm.
  • Phương pháp thiết kế và tính toán kỹ thuật: Xác lập sơ đồ nguyên lý từng khối mạch điện (nguồn, cảm biến, vi xử lý, công suất); tính toán chi tiết trị số điện trở phân cực, mạch hạn dòng cho transistor, thông số dòng sạc ắc quy và công suất tiêu tán trên IC ổn áp tuyến tính.
  • Phương pháp lập trình và mô phỏng thực nghiệm: Xây dựng bảng trạng thái hoạt động logic, sơ đồ thuật toán điều khiển và mã hóa chương trình bằng hợp ngữ (Assembly 8051). Lắp ráp mạch in thực tế và kiểm tra chu trình vận hành của mô hình barrier thu nhỏ.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Kiến trúc tổng thể hệ thống phần cứng

Hệ thống phần cứng được thiết kế theo cấu trúc module chức năng liên kết chặt chẽ:

[ Nguồn AC 220V ] ---> [ Chỉnh lưu / Ắc quy dự phòng 12V ]
                                 |
        +------------------------+------------------------+
        |                                                 |
  [ Ổn áp 7812 (12V) ]                              [ Ổn áp 7805 (5V) ]
        |                                                 |
  [ Động cơ & Cảm biến ]                            [ Vi điều khiển 8951 & Logic ]
        |                                                 |
  [ 3 Cảm biến từ giảo ] ---> [ 3 Mạch so sánh TL082 ] -> [ Port 0 (P0.0 - P0.2) ]
                                                          [ Vi điều khiển AT89C51 ]
                                                          [ Port 1 (P1.0 - P1.7) ]
                                                                  |
                                                      [ Khối giao tiếp công suất ]
                                                      (Opto, Transistor, Relay)
                                                                  |
                                             +--------------------+--------------------+
                                             |                    |                    |
                                        [ Đèn báo ]           [ Còi hú ]          [ 2 Động cơ ]
                                      (Xanh/Vàng/Đỏ)        (Loa cảnh báo)      (Hạ chắn/Mở chốt)

Các khối mạch chức năng và thông số tính toán

1. Khối cảm biến đầu vào và mạch so sánh

Hệ thống sử dụng 3 biến tử từ giảo đặt tại các vị trí phân cấp khoảng cách: Cảm biến 1 (phát hiện tàu từ xa), Cảm biến 2 (tàu lại gần) và Cảm biến 3 (tàu tại vị trí đường ngang). Để mô phỏng trên mô hình, 3 ngưỡng điện áp được thiết lập qua cầu phân áp: $4,3,\text{V}$ (Cảm biến 1), $5,0,\text{V}$ (Cảm biến 2) và $6,0,\text{V}$ (Cảm biến 3).

Thành phần điện trở Giá trị tính toán / chọn lựa Chức năng kỹ thuật
$R_{200}, R_{201}, R_{203}, R_{206}$ $2,7,\text{k}\Omega$ Cầu phân áp tạo mức chuẩn so sánh
$R_{202}$ $3,9,\text{k}\Omega$ Phân áp ngưỡng so sánh cấp 2
$R_{205}$ $4,7,\text{k}\Omega$ Phân áp ngưỡng so sánh cấp 3
$VR_1, VR_2, VR_3$ $10,\text{k}\Omega$ Biến trở tinh chỉnh phân cực cho khung từ

2. Khối giao tiếp công suất điều khiển ngoại vi

Tín hiệu logic xuất ra từ Port 1 của AT89C51 được cách ly quang qua Optocoupler và kích dòng qua các transistor C2383 để đóng/ngắt các Relay $12,\text{V}$ (điện trở cuộn dây $400,\Omega$).

  • Dòng kích cuộn dây relay: $I_c = \frac{12,\text{V}}{400,\Omega} = 0,03,\text{A} = 30,\text{mA}$.
  • Với hệ số khuếch đại $\beta = 100$, dòng cực bazơ yêu cầu: $I_b = \frac{30,\text{mA}}{100} = 0,3,\text{mA}$.
  • Điện trở hạn dòng cực bazơ chọn: $R_b = 10,\text{k}\Omega$ (tính toán lý thuyết $11,\text{k}\Omega$).
  • Mạch ngắt nguồn tiết kiệm năng lượng: Sử dụng OP-AMP so sánh mức điện áp xuất xấp xỉ $3,5,\text{V}$ từ vi điều khiển chuẩn CMOS với hệ điện trở phân áp $R = 1,2,\text{k}\Omega$ và $2,7,\text{k}\Omega$.

3. Khối nguồn cấp và nạp ắc quy tự động

Hệ thống duy trì nguồn hoạt động liên tục nhờ bộ nạp ắc quy $12,\text{V}$ tự động sử dụng cặp transistor ghép Darlington ($\beta = 150$, dòng sạc $I_c = 500,\text{mA}$, dòng bazơ $I_b = 3,3,\text{mA}$, $R_3 = 3,8,\text{k}\Omega$).

  • Mạch so sánh điều khiển ngắt dòng nạp khi điện áp ắc quy đạt ngưỡng đầy $>12,\text{V}$ và tự động kích sạc khi điện áp tụt dưới $12,\text{V}$.
  • Khi mất điện lưới $220,\text{V AC}$, diode chỉnh lưu tự động phân cực thuận chuyển sang sử dụng điện năng từ bình ắc quy $12,\text{V}$.
  • Khối ổn áp sử dụng vi mạch 7812 (cấp cho động cơ, cảm biến) và 7805 (cấp cho vi điều khiển). Điện trở công suất hạn dòng trước IC 7805: $R_5 = \frac{15,\text{V} - 8,\text{V}}{0,5,\text{A}} = 14,\Omega$, công suất tiêu tán $P = I^2 \cdot R = (0,5)^2 \cdot 14 = 3,5,\text{W}$.

4. Tính toán cơ cấu động cơ kéo barrier

  • Điều kiện thực tế: Chiều dài thanh truyền lực liên kết bánh răng $L = 0,2,\text{m}$, thời gian hoàn thành đẩy cần chắn $t = 5,\text{s}$. Vận tốc dài $v = \frac{0,2}{5} = 0,04,\text{m/s}$. Lực đẩy tính toán $P = 5.000,\text{N}$. Công suất yêu cầu: $N = \frac{5.000 \cdot 0,04}{1.000} = 0,2,\text{kW}$. Đề tài kiến nghị chọn động cơ công nghiệp công suất $0,45,\text{kW}$, nguồn điện DC $220,\text{V}$, tỷ lệ cánh tay đòn đẩy bằng $1/5$ cánh tay đòn của khối đối trọng.
  • Mô hình thực nghiệm: Để tương thích với nguồn điện một chiều $12,\text{V}$ có sẵn trong mạch, tác giả chọn động cơ DC $12,\text{V}$ (loại động cơ dùng cho máy cassette) để kéo cần chắn mô hình.

Nội dung chính theo từng chương

Phần I: Khảo sát Vi điều khiển 8951

Chương I: Khảo sát vi điều khiển 8951

Chương này tập trung hệ thống hóa toàn diện cấu trúc vi phần cứng của vi điều khiển AT89C51 chế tạo theo công nghệ CMOS công suất thấp:

  • Sơ đồ chân và phân bổ chức năng: Mô tả chi tiết 40 chân DIP, bao gồm các chân chức năng kép như Port 0 (vừa là bus dữ liệu đa hợp $D_0-D_7$ vừa là byte thấp của bus địa chỉ $A_0-A_7$), Port 2 (byte cao của bus địa chỉ $A_8-A_{15}$), Port 3 (chứa các tín hiệu điều khiển chuyên dụng: RXD/TXD cho truyền thông nối tiếp, $\overline{\text{INT0}}/\overline{\text{INT1}}$ cho ngắt ngoài, T0/T1 cho ngõ vào Timer, và $\overline{\text{WR}}/\overline{\text{RD}}$ cho truy xuất bộ nhớ ngoài). Các chân điều khiển chuyên biệt gồm $\overline{\text{PSEN}}$ (cho phép đọc ROM ngoài), ALE (chốt địa chỉ), $\overline{\text{EA}}$ (chọn bộ nhớ ngoài/nội) và RST (ngõ vào Reset hệ thống).
  • Tổ chức bộ nhớ và thanh ghi chức năng đặc biệt (SFR): Khảo sát cấu trúc Harvard phân định rõ rệt. RAM nội 128 byte gồm: 4 Bank thanh ghi ($R_0 - R_7$, địa chỉ $00\text{H} - 1\text{F}\text{H}$), vùng RAM định vị địa chỉ từng bit ($20\text{H} - 2\text{F}\text{H}$, gồm 128 bit độc lập), và vùng RAM đa dụng ($30\text{H} - 7\text{F}\text{H}$). Vùng địa chỉ cao $80\text{H} - \text{FF}\text{H}$ chứa 21 thanh ghi chức năng đặc biệt SFR như PSW, ACC, B, SP, DPTR, PCON, TCON, TMOD, IE, IP, SBUF, SCON.
  • Cơ chế hoạt động của Timer/Counter 16-bit: Phân tích 4 mode vận hành của Timer 0 và Timer 1:
    • Mode 0: Bộ định thời 13-bit (chuẩn tương thích 8048).
    • Mode 1: Bộ định thời 16-bit đầy đủ (từ $0000\text{H}$ đến $\text{FFFF}\text{H}$).
    • Mode 2: Bộ định thời 8-bit tự động nạp lại giá trị từ THx sang TLx khi tràn.
    • Mode 3: Chế độ chia tách Timer 0 thành hai bộ đếm 8-bit độc lập. Chương trình cũng làm rõ cơ chế nguồn clock nội ($C/\overline{T} = 0$, tần số bằng $f_{osc}/12 = 1,\text{MHz}$) và đếm xung sự kiện bên ngoài qua chân P3.4/P3.5 ($C/\overline{T} = 1$, tần số tối đa $500,\text{kHz}$).

Chương II: Tập lệnh 8951

Khảo sát toàn bộ tập lệnh hợp ngữ MCS-51 gồm 255 lệnh phân chia theo độ dài (139 lệnh 1 byte, 92 lệnh 2 byte, 24 lệnh 3 byte) và 8 chế độ định địa chỉ:

  • Định địa chỉ thanh ghi (Register Addressing).
  • Định địa chỉ trực tiếp (Direct Addressing - phạm vi $00\text{H} - \text{FF}\text{H}$).
  • Định địa chỉ gián tiếp qua con trỏ (Indirect Addressing qua @R0, @R1, @DPTR).
  • Định địa chỉ tức thời (Immediate Addressing qua tiền tố #data).
  • Định địa chỉ tương đối (Relative Addressing với độ lệch Offset $-128$ đến $+127$).
  • Định địa chỉ tuyệt đối (Absolute Addressing qua ACALL, AJMP trong trang $2,\text{KB}$).
  • Định địa chỉ dài (Long Addressing qua LCALL, LJMP trong không gian $64,\text{KB}$).
  • Định địa chỉ chỉ số (Index Addressing qua @A+DPTR, @A+PC).

Đồng thời, chương tổng hợp 5 nhóm lệnh thao tác: Lệnh số học (ADD, ADDC, SUBB, INC, DEC, MUL AB, DIV AB), Lệnh logic (ANL, ORL, XRL), Lệnh xử lý bit Boolean (CLR, SETB, CPL, JB, JNB, JBC), Lệnh dịch chuyển dữ liệu (MOV, MOVX, PUSH, POP, XCH, XCHD) và Lệnh rẽ nhánh/điều khiển luồng (JC, JNC, CJNE, DJNZ, NOP).

Phần II: Thiết kế hệ thống tự động cảnh báo và nâng hạ barrier đường sắt

Chương I: Thiết kế phần cứng

Trình bày chi tiết toàn bộ sơ đồ nguyên lý hệ thống, các sơ đồ layout bố trí linh kiện trên bo mạch in, phân tích nguyên lý chuyển đổi tín hiệu từ biến tử Niken, cấu hình các cổng khuếch đại thuật toán TL082 và tính toán thiết kế nguồn nuôi dự phòng $12,\text{V}$ tự động chuyển mạch.

Chương II: Xây dựng chương trình phần mềm điều khiển hệ thống

Xây dựng thuật toán điều khiển trung tâm dựa trên bảng trạng thái logic giữa cổng vào cảm biến (Port 0) và cổng điều khiển chấp hành (Port 1):

Cổng vào Port 0 Ký hiệu Cổng ra Port 1 Ký hiệu
P0.0 Tín hiệu Cảm biến 1 (xa) P1.0 Đèn vàng
P0.1 Tín hiệu Cảm biến 2 (trung gian) P1.1 Đèn đỏ
P0.2 Tín hiệu Cảm biến 3 (tại chỗ) P1.2 Đèn xanh
P1.3 Mô tơ 1 (đẩy hạ barie)
P1.4 Mô tơ 2 (mở chốt gài đối trọng)
P1.5 Đóng/mở còi báo
P1.6 Dự phòng mở rộng
P1.7 Đóng/cắt nguồn cấp khối công suất

Bảng trạng thái chu trình làm việc của hệ thống:

Giai đoạn Trạng thái cảm biến ($P_{0.2}, P_{0.1}, P_{0.0}$) Mã Hex P0 Trạng thái ngõ ra ($P_{1.7} \dots P_{1.0}$) Mã Hex P1 Diễn giải hoạt động chu trình
$T_1$ $000$ $00\text{H}$ $00000110$ $06\text{H}$ Bình thường không có tàu: Đèn xanh sáng, thanh chắn barrier mở, còi tắt.
$T_2$ $001$ $01\text{H}$ $10100001$ $\text{A1}\text{H}$ Tàu từ xa tới (Cảm biến 1 kích hoạt): Bật nguồn công suất, đèn vàng sáng, còi hú cảnh báo trong 2 giây.
$T_3$ $011$ $03\text{H}$ $10000010$ $82\text{H}$ Sau 2 giây cảnh báo: Đèn đỏ sáng, kích hoạt Mô tơ 1 quay đẩy hạ cần chắn barrier xuống trong 5 giây.
$T_4$ $111$ $07\text{H}$ $10000010$ $82\text{H}$ Tàu đến gần/tại đường ngang (Cảm biến 3 rung cực đại): Duy trì đèn đỏ, barie đóng chốt cố định.
$T_5$ $011$ $03\text{H}$ $10010010$ $92\text{H}$ Tàu vừa đi qua (Cảm biến 3 về mức 0): Duy trì đèn đỏ, kích Mô tơ 2 rút chốt để đối trọng nâng barie lên trong 5 giây.
$T_6$ $001$ $01\text{H}$ $11000110$ $\text{C6}\text{H}$ Barie mở hoàn toàn: Đèn xanh bật sáng trở lại, đèn đỏ tắt.
$T_7$ $000$ $00\text{H}$ $00000110$ $06\text{H}$ Tàu đã đi xa hẳn: Các cảm biến về mức 0, vi điều khiển ngắt nguồn khối công suất phụ, duy trì đèn xanh chờ chu kỳ mới.

Chương trình điều khiển được viết bằng hợp ngữ 8051, sử dụng Timer 0 ở Mode 1 để tạo các chương trình con định thời chính xác: DELAY 5S (thời gian hành trình hạ/nâng barie), DELAY 2S (thời gian đèn vàng cảnh báo) và DELAY 1S phục vụ vòng lặp trễ.

Phần III: Kết luận và đề nghị

Đánh giá tổng kết các mục tiêu đã hoàn thành của đề tài; khẳng định khả năng ứng dụng vi điều khiển giá thành thấp để giải quyết bài toán tự động hóa an toàn giao thông đường sắt. Đồng thời đề xuất các định hướng nâng cấp hệ thống kiểm soát tín hiệu toàn tuyến.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  1. Thiết kế hoàn chỉnh phần cứng điều khiển nhúng: Xây dựng thành công hệ thống mạch in tích hợp vi điều khiển AT89C51, mạch dao động thạch anh $12,\text{MHz}$, mạch bảo vệ Reset, mạch đệm khuếch đại tín hiệu cảm biến và module đóng cắt relay công suất.
  2. Cơ chế quản lý năng lượng thông minh: Thiết kế thành công mạch so sánh tự động đóng ngắt nguồn sạc ắc quy $12,\text{V}$ (ngưỡng bảo vệ $12,\text{V}$) và giải pháp phân phối nguồn điện ngắt mở khối công suất phụ qua chân P1.7, giúp giảm thiểu điện năng tiêu thụ khi không có tàu qua lại.
  3. Hiện thực hóa chu trình điều khiển an toàn 7 bước: Lập trình giải thuật hợp ngữ điều khiển tuần tự chính xác từ khâu cảnh báo sớm (đèn vàng 2 giây kèm còi hú), đóng rào chắn (động cơ quay 5 giây), duy trì trạng thái khóa khi tàu chạy qua và tự động mở chắn bằng đối trọng khi tàu rời khỏi vị trí.

Đóng góp thực tiễn

  • Đề xuất một phương án kỹ thuật tự động hóa toàn diện (kết hợp đồng thời cả đèn tín hiệu 3 màu, còi báo động âm thanh và cơ cấu cơ điện nâng hạ rào chắn) với chi phí chế tạo thấp, khắc phục hạn chế của các hệ thống thử nghiệm đương thời chỉ báo tín hiệu bằng đèn hoặc sử dụng máy tính cồng kềnh, đắt tiền.
  • Mô hình chứng minh tính khả thi của việc ứng dụng các dòng vi điều khiển 8-bit phổ thông trong việc giải quyết bài toán giao thông trọng điểm quốc gia, phù hợp với năng lực tài chính và điều kiện kỹ thuật tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Do giới hạn về thời gian và kinh phí thực hiện đồ án sinh viên, hệ thống mới dừng lại ở việc thử nghiệm trên mô hình thu nhỏ với động cơ DC $12,\text{V}$, chưa tiến hành lắp đặt thử nghiệm trực tiếp trên tuyến đường sắt thực tế với tải trọng động cơ $0,45,\text{kW}$ và nguồn DC $220,\text{V}$.
  • Tín hiệu cảm biến từ giảo trong đồ án được thiết lập theo các mức điện áp giả định ($4,3,\text{V}$, $5,0,\text{V}$, $6,0,\text{V}$) thông qua biến trở phân cực; chưa có điều kiện khảo sát thực địa bằng thiết bị đo chuyên dụng để lấy phổ rung chấn chính xác của đường ray dưới các tải trọng đoàn tàu khác nhau.

Hướng nghiên cứu phát triển

  • Hoàn thiện độ bền cơ học và độ tin cậy: Nghiên cứu gia công vỏ hộp bảo vệ đạt tiêu chuẩn chống chịu thời tiết nhiệt đới gió mùa khắc nghiệt và chống các hành vi xâm hại, trộm cắp thiết bị ngoài hiện trường.
  • Nâng cấp hệ thống giám sát toàn tuyến qua sóng vô tuyến FM: Đề xuất xây dựng các trung tâm thu phát và xử lý dữ liệu trung tâm liên kết toàn tuyến. Hệ thống sẽ thu nhận phổ tần âm thanh rung chấn truyền trên đường ray qua cảm biến, so sánh với mẫu tín hiệu chuẩn lưu trong bộ vi xử lý để:
    1. Giám sát tình trạng kỹ thuật và báo hỏng hóc sự cố trên đường ray/toa xe.
    2. Báo động xâm nhập trái phép hoặc trộm cắp vật tư đường sắt.
    3. Định vị chính xác vị trí và vận tốc các đoàn tàu trên toàn tuyến.
    4. Cảnh báo sớm các hiện tượng bất thường của kết cấu hạ tầng trước khi tai nạn xảy ra.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tư liệu học thuật và kỹ thuật thực nghiệm hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử, Tự động hóa, Cơ điện tử và Kỹ thuật Giao thông:

  • Khối kiến thức vi điều khiển kinh điển: Cung cấp tài liệu tổng hợp chi tiết về kiến trúc phần cứng, sơ đồ chân, bản đồ bộ nhớ và tập lệnh hợp ngữ của họ vi điều khiển MCS-51 (8051/8951), có giá trị tham khảo cao cho các môn học vi xử lý và hệ thống nhúng cơ bản.
  • Mạch điện tử ứng dụng: Cung cấp sơ đồ nguyên lý thực tế về mạch khuếch đại so sánh dùng OP-AMP TL082, mạch giao tiếp công suất qua Optocoupler/Relay, mạch ổn áp tuyến tính và mạch tự động sạc/chuyển mạch nguồn ắc quy dự phòng khi mất điện lưới.
  • Phương pháp luận phát triển dự án cơ điện tử: Minh họa phương pháp kết hợp giữa tính toán cơ học truyền động lực học và giải thuật điều khiển tuần tự số trong các bài toán điều khiển tự động hóa giao thông.

Câu hỏi thường gặp

1. Vi điều khiển AT89C51 trong đồ án sử dụng tần số thạch anh bao nhiêu và có cấu hình bộ nhớ như thế nào?

Vi điều khiển AT89C51 trong hệ thống sử dụng bộ dao động thạch anh ngoài tần số $12,\text{MHz}$ kết nối tại chân 18 và chân 19 (mỗi chu kỳ máy bằng 12 chu kỳ dao động, tương đương $1,\mu\text{s}$). Bộ nhớ trong chip gồm $4,\text{KB}$ Flash ROM (PEROM) và $128,\text{Byte}$ RAM nội, có khả năng mở rộng bộ nhớ ngoài lên tới $64,\text{KB}$ bộ nhớ chương trình và $64,\text{KB}$ bộ nhớ dữ liệu.

2. Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhận diện đoàn tàu trong đồ án là gì?

Hệ thống sử dụng biến tử từ giảo chế tạo từ vật liệu Niken có phủ kim loại và gắn trên tấm kim loại đàn hồi. Dưới tác động rung chấn cơ học của đoàn tàu truyền qua đường sắt, kích thước hình học của khung từ bị biến dạng làm biến thiên từ trường, sinh ra sức điện động cảm ứng ở hai đầu cuộn dây. Tín hiệu này được đưa vào mạch so sánh OP-AMP TL082 với các ngưỡng điện áp giả định ($4,3,\text{V}$, $5,0,\text{V}$, $6,0,\text{V}$) để xác định khoảng cách đoàn tàu từ xa, lại gần hoặc tại vị trí giao cắt.

3. Cơ cấu nâng hạ barrier được điều khiển bởi mấy động cơ và quy trình chuyển động ra sao?

Hệ thống sử dụng 2 động cơ:

  • Mô tơ 1: Nhận lệnh quay trong thời gian $5,\text{giây}$ (DELAY 5S) để truyền động bánh răng đẩy cần chắn hạ xuống khi tàu chuẩn bị tới.
  • Mô tơ 2: Nhận lệnh rút chốt gài cơ khí sau khi tàu đã chạy qua, cho phép cần chắn barrier tự động nâng lên vị trí mở nhờ tác dụng lực kéo của khối đối trọng.

4. Hệ thống xử lý sự cố mất điện lưới 220V AC bằng giải pháp kỹ thuật nào?

Hệ thống tích hợp bộ nguồn dự phòng dùng bình ắc quy $12,\text{V}$ kết hợp mạch tự động sạc qua cặp transistor Darlington. Khi có điện lưới, nguồn xoay chiều $12,\text{V}$ qua cầu diode chỉnh lưu tạo điện áp $15,\text{V DC}$, làm diode phân cực nghịch khóa ắc quy; khi ắc quy tụt dưới $12,\text{V}$, mạch so sánh kích sạc với dòng $500,\text{mA}$. Khi mất điện lưới, diode chuyển sang phân cực thuận, bình ắc quy $12,\text{V}$ lập tức cấp nguồn duy trì hoạt động cho toàn bộ hệ thống.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Hệ thống tự động cảnh báo và nâng hạ barrier đường sắt dùng vi điều khiển 8951" của sinh viên Nguyễn Văn Gia và Nguyễn Chí Đức (Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, 2002) đã giải quyết trọn vẹn bài toán tự động hóa rào chắn đường ngang nhằm giảm thiểu tai nạn đường sắt. Công trình nổi bật với thiết kế phần cứng hoàn chỉnh từ khối cảm biến rung chấn từ giảo, mạch so sánh TL082, vi điều khiển AT89C51 đến khối công suất relay và mạch nguồn ắc quy dự phòng. Kết quả nghiên cứu là tài liệu tham khảo có giá trị cao về mặt thiết kế hệ thống nhúng điều khiển tự động hóa ứng dụng trong kỹ thuật giao thông thực tiễn.