Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong hệ thống giao thông đường sắt tại Việt Nam, các điểm giao cắt đồng mức giữa đường sắt và đường dân sinh tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn giao thông nghiêm trọng. Theo tác giả, phương thức gác chắn tàu hỏa truyền thống phụ thuộc lớn vào nhân lực trực trạm 24/24 giờ dưới điều kiện thời tiết khắc nghiệt. Sự thiếu chuẩn xác hoặc độ trễ trong thao tác đóng/mở chắn thủ công dễ dẫn đến ùn tắc giao thông cục bộ và gia tăng rủi ro tai nạn đường sắt nghiêm trọng. Việc tự động hóa quy trình vận hành barie tại các nút giao cắt đường sắt - đường bộ là nhu cầu cấp thiết nhằm loại bỏ các sai sót từ con người.

Đồ án tốt nghiệp "Mô hình hệ thống chắn tàu ứng dụng năng lượng mặt trời" do sinh viên Nguyễn Tiến Đạt (thuộc nhóm tác giả Bùi Văn Chiến, Hà Giáp Kiên, Nguyễn Tiến Đạt; lớp D12CNCTM, Khoa Cơ khí - Động lực, Trường Đại học Điện lực) thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Ngô Sỹ Đồng.

Mục tiêu tổng quát của đồ án là tính toán, thiết kế và mô phỏng một mô hình hệ thống cơ - điện tử tự động hóa quá trình đóng/mở barie chắn tàu, có tích hợp nguồn cấp năng lượng mặt trời độc lập. Các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  1. Khảo sát, phân loại các kết cấu barie chắn tàu và các công nghệ phát hiện vật thể phục vụ điều khiển tự động.
  2. Tính toán động học, động lực học và thiết kế chi tiết hệ thống cơ khí dẫn động (bộ truyền bánh răng và chọn động cơ điện).
  3. Lựa chọn, phối ghép phần cứng điều khiển nhúng (vi điều khiển Arduino Mega 2560, cảm biến quang điện, cảm biến rung, công tắc hành trình, động cơ điện một chiều).
  4. Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển trên phần mềm Proteus và xây dựng thuật toán điều khiển logic bằng ngôn ngữ C.
  5. Nghiên cứu phương án cấp nguồn độc lập từ pin năng lượng mặt trời cho hệ thống chắn tàu.

Đối tượng nghiên cứu là mô hình cơ điện tử của hệ thống chắn barie tự động và hệ thống cấp nguồn điện mặt trời phụ trợ. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào quy trình tính toán thiết kế cơ khí chi tiết máy, thiết kế mạch điều khiển nhúng trong môi trường phòng thí nghiệm tại Khoa Cơ khí - Động lực, Trường Đại học Điện lực, hoàn thành vào tháng 5 năm 2021.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được triển khai dựa trên các khối lý thuyết chuyên ngành cơ khí chế tạo máy, kỹ thuật điện tử và hệ thống nhúng:

  • Lý thuyết tính toán chi tiết máy và hệ thống dẫn động: Cơ sở tính toán công suất tải tĩnh của cần barie, hiệu suất truyền động và phương pháp tính độ bền tiếp xúc, độ bền uốn của bộ truyền bánh răng trụ răng nghiêng theo tiêu chuẩn ứng suất mỏi cơ sở và ứng suất cho phép của vật liệu thép C45 tôi cải thiện.
  • Lý thuyết cảm biến và nhận dạng vật thể: Nguyên lý cảm biến quang điện (thu phát chung, phản xạ gương, khuếch tán), hiệu ứng quang dẫn trong chất bán dẫn (photodiode, phototransistor), nguyên lý cảm biến vi sóng (diode Gunn), cảm biến tiếp cận (điện cảm, điện dung), cảm biến hồng ngoại và nguyên lý đo dịch chuyển góc/thẳng của Encoder (tuyệt đối, gia số, xung).
  • Lý thuyết điều khiển nhúng và năng lượng tái tạo: Cấu trúc vi điều khiển 8-bit AVR ATMega2560, cơ chế quản trị ngắt phần cứng, định thời Timer, và nguyên lý biến đổi quang năng thành điện năng của pin mặt trời (Photovoltaic - PV).

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa tính toán giải tích, mô phỏng phần mềm và thiết kế thực nghiệm:

  • Phương pháp tính toán giải tích cơ khí: Xác định lực kéo, công suất trục công tác, công suất cần thiết trên trục động cơ, tỷ số truyền, khoảng cách trục, môđun pháp, kích thước hình học bộ truyền bánh răng và kiểm nghiệm sai số tỷ số truyền.
  • Phương pháp mô phỏng mạch điện tử: Ứng dụng phần mềm Proteus (phân hệ ISIS) để mô phỏng tương tác mạch số giữa vi điều khiển, các khối cảm biến và mạch cầu điều khiển động cơ.
  • Phương pháp lập trình điều khiển: Sử dụng ngôn ngữ C trên nền tảng Arduino IDE kết hợp thư viện định thời TimerOne.h để tổ chức máy trạng thái điều khiển chuỗi đóng/mở barie và phát tín hiệu cảnh báo.

Nguồn dữ liệu bao gồm các công thức, bảng tra cứu tiêu chuẩn ngành cơ khí (bảng hệ số tập trung tải trọng, bảng giới hạn mỏi tiếp xúc và uốn), thông số kỹ thuật thực tế từ datasheet của vi điều khiển Arduino Mega 2560, cảm biến quang E3F DS30C4, động cơ DC 24V và công tắc hành trình công nghiệp.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống được tổ chức thành các phân hệ kỹ thuật đồng bộ từ cơ khí, điện tử đến phần mềm điều khiển:

Phân hệ Thành phần kỹ thuật Thông số kỹ thuật xác lập trong đồ án
Cơ khí dẫn động Cần barie, động cơ DC, bộ truyền bánh răng - Cần chắn: Khối lượng $m = 4\text{ kg}$, vận tốc nâng hạ $V = 0{,}5\text{ m/s}$.
- Lực kéo: $F_t = 40\text{ N}$, công suất tải: $P_{\text{lv}} = 20\text{ W}$.
- Hiệu suất truyền động: $\eta = 0{,}95$, công suất cần thiết: $P_{\text{ct}} = 21{,}05\text{ W}$.
- Bánh răng: Thép C45 tôi cải thiện (HB240/HB225), môđun $m_n = 0{,}6\text{ mm}$, khoảng cách trục $a_w = 35\text{ mm}$, số răng $z_1 = 21$, $z_2 = 91$, tỷ số truyền $u_m = 4{,}333$ (sai số $\Delta u = 0{,}3%$).
Xử lý trung tâm Bo mạch Arduino Mega 2560 - Vi điều khiển: ATMega2560 (lõi AVR 8-bit, thạch anh 16 MHz).
- Bộ nhớ: 256 KB Flash, 8 KB SRAM, 4 KB EEPROM.
- Giao tiếp I/O: 54 chân số (Digital), 16 chân tương tự (Analog 10-bit, 0–5V/0–10V).
Cảm biến và chấp hành Cảm biến quang, cảm biến rung, công tắc hành trình, động cơ - Cảm biến quang E3F DS30C4: Loại DC 3 dây NPN NC, điện áp 6–36VDC, dòng 300 mA, dải đo 0–300 mm.
- Cảm biến rung: Nguồn 3,3–5V, ngõ ra Digital (mặc định LOW).
- Công tắc hành trình: Kiểu đòn đóng ngắt 6A - 220V.
- Động cơ chấp hành: Động cơ DC giảm tốc 24VDC, dòng định mức 2,18A, công suất định mức 52,32W (chọn mã 60W, 1800 v/ph qua hộp số còn 400 v/ph).
Nguồn điện Hệ thống pin mặt trời - Khối PV chuyển đổi quang điện, bộ điều khiển nạp/xả acquy cấp nguồn chính và nguồn phụ dự phòng khi cúp điện.

Về quy trình điều khiển, hệ thống vận hành theo chu trình logic:

  1. Khi đoàn tàu tiến vào khu vực cảnh báo, cảm biến 1 nhận biết trước, sau đó đến cảm biến 2 xác nhận hướng di chuyển của tàu. Bộ điều khiển kích hoạt còi cảnh báo và đèn tín hiệu màu vàng để người tham gia giao thông khẩn trương qua đường ray.
  2. Cảm biến 3 kích hoạt báo hiệu tàu đến gần nút giao: Đèn đỏ và chuông báo nguy hiểm bật thay thế đèn vàng. Sau khoảng trễ 3 giây, động cơ kích hoạt đóng thanh chắn barie chính.
  3. Khi barie hạ xuống chạm công tắc hành trình phía dưới (CTHC_DOWN), động cơ ngắt chuyển động. Trường hợp gặp vật cản phía trước làm kích hoạt công tắc bảo vệ, barie chính dừng lại và hệ thống chuyển sang sử dụng barie phụ chắn thay.
  4. Sau khi đoàn tàu đi qua, cảm biến 3 nhận tín hiệu lần thứ hai, động cơ đảo chiều mở cần barie lên đến khi chạm công tắc hành trình phía trên (CTHC_UP) thì dừng lại, đồng thời tắt toàn bộ chuông còi và đèn cảnh báo.
// Trích xuất cấu hình phân chân phần cứng trong mã nguồn điều khiển của đồ án
#include <TimerOne.h>
#define COI 26
#define LED 27
#define CAMBIEN_1 A0
#define CAMBIEN_2 A1
#define CAMBIEN_3 A2
#define CAMBIEN_4 A3
#define CAMBIEN_5 A7
#define CAMBIEN_6 A6
#define CTHC_1_UP A5
#define CTHC_1_DOWN A4
#define CTHC_2_UP A8
#define CTHC_2_DOWN A9
#define MOTOR_1_STOP digitalWrite(22, LOW); digitalWrite(23, LOW);
#define MOTOR_1_CCW  digitalWrite(22, HIGH); digitalWrite(23, LOW);
#define MOTOR_1_CW   digitalWrite(22, LOW); digitalWrite(23, HIGH);
#define MOTOR_2_STOP digitalWrite(24, LOW); digitalWrite(25, LOW);
#define MOTOR_2_CCW  digitalWrite(24, HIGH); digitalWrite(25, LOW);
#define MOTOR_2_CW   digitalWrite(24, LOW); digitalWrite(25, HIGH);

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG I: CÁC KIỂU BARIE CHẮN TÀU TỰ ĐỘNG HIỆN NAY

Chương I khảo sát cấu tạo, phạm vi ứng dụng và đặc tính kỹ thuật của 3 kiểu barie tự động phổ biến:

  • Barie rào chắn: Kết cấu dạng hàng rào lưới thép phân cách chắc chắn, chống hiện tượng chen lấn vượt đường ray khi có còi báo động. Độ bền cơ học cao với lò xo chịu tải trên 2.000 chu kỳ liên tục, tích hợp bộ vi xử lý và điều khiển từ xa hoặc nút nhấn cố định.
  • Barie cần gấp: Có cơ cấu khớp nối phụ trợ cho phép cần gập 90 độ khi mở lên và duỗi thẳng khi hạ xuống; ứng dụng chủ yếu trong không gian bị hạn chế chiều cao như tầng hầm chung cư, tòa nhà cao tầng, bệnh viện, trường học.
  • Barie cần thẳng: Kết cấu chuyên dụng cho giao thông đường bộ và chắn tàu. Thùng vỏ làm bằng thép chịu lực cao sơn tĩnh điện chống oxy hóa, thân động cơ dạng gợn sóng giúp tản nhiệt và giảm ồn. Thanh chắn làm bằng hợp kim nhôm hình trụ rỗng (tròn, chữ nhật, elip) dán phản quang để giảm tải trọng. Thông số tiêu chuẩn: Độ dài cần 3–6 m; khối lượng cần 4–6 kg; thời gian nâng hạ 1,5s / 3s / 6s; tốc độ motor 30 vòng/phút; nguồn điện 220V/110V (50/60Hz); công suất 100 W; chuẩn bảo vệ IP54; tuổi thọ 5 triệu chu kỳ đóng mở không cần bảo trì; tầm điều khiển từ xa dưới 30 m; tổng khối lượng thiết bị 39 kg.

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ CHO HỆ THỐNG CHẮN TÀU

Chương II trình bày toàn bộ các bước tính toán động lực học và thiết kế bộ truyền cơ khí:

  • Xác định công suất động cơ: Với khối lượng cần barie $m = 4\text{ kg}$ ($F_t = 40\text{ N}$), vận tốc nâng hạ $V = 0{,}5\text{ m/s}$, công suất làm việc $P_{\text{lv}} = (40 \times 0{,}5)/1000 = 20\text{ W}$. Chọn hiệu suất truyền động của bộ truyền bánh răng và ổ lăn $\eta = 0{,}95$, công suất cần thiết trên trục động cơ là $P_{\text{ct}} = 20 / 0{,}95 = 21{,}05\text{ W}$.
  • Xác định số vòng quay và chọn động cơ: Số vòng quay trên trục công tác $n_{\text{ct}} = 318{,}30\text{ vòng/phút}$. Chọn sơ bộ tỷ số truyền $u_{\text{sb}} = 4$, số vòng quay sơ bộ $n_{\text{sb}} = 1273{,}23\text{ vòng/phút}$. Tác giả lựa chọn động cơ DC giảm tốc 24V công suất định mức 60W, tốc độ quay 1800 vòng/phút (sau hộp giảm tốc kim loại đạt 400 vòng/phút).
  • Tính toán bộ truyền bánh răng trụ răng nghiêng:
    • Vật liệu: Thép C45 tôi cải thiện, độ rắn bánh nhỏ 240HB, bánh lớn 225HB, độ cứng tiếp xúc cho phép $[\sigma_H] = 750\text{ MPa}$.
    • Ứng suất cho phép: Ứng suất tiếp xúc sơ bộ $[\sigma_{H1}] = 500\text{ MPa}$, $[\sigma_{H2}] = 472{,}72\text{ MPa}$; ứng suất tiếp xúc trung bình $[\sigma_H] = 486{,}36\text{ MPa} < 1{,}25 \times [\sigma_H]{\min} = 590{,}9\text{ MPa}$. Ứng suất uốn cho phép sơ bộ $[\sigma{F1}] = 246{,}85\text{ MPa}$, $[\sigma_{F2}] = 231{,}42\text{ MPa}$.
    • Kích thước hình học: Khoảng cách trục tính toán $a_{w1} = 31{,}89\text{ mm}$, chọn tiêu chuẩn $a_w = 35\text{ mm}$. Môđun pháp $m_n = 0{,}6\text{ mm}$. Số răng bánh dẫn $z_1 = 21$, bánh bị dẫn $z_2 = 91$. Tỷ số truyền thực $u_m = 91/21 = 4{,}333$ (sai số tương đối $\Delta u = 0{,}3% < 2%$). Chiều rộng vành răng $b_w = a_w \times \psi_{ba} = 35 \times 0{,}3 = 10{,}5\text{ mm}$. Đường kính vòng chia $d_1 = 13\text{ mm}$, $d_2 = 56\text{ mm}$; đường kính đỉnh răng $d_{a1} = 14{,}2\text{ mm}$, $d_{a2} = 57{,}2\text{ mm}$; đường kính đáy răng $d_{f1} = 11{,}5\text{ mm}$, $d_{f2} = 54{,}5\text{ mm}$ (với $\cos\beta = 0{,}96$).

CHƯƠNG III: GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ VÀ LINH KIỆN THIẾT KẾ

Chương III tổng hợp đặc tính kỹ thuật các linh kiện sử dụng trong mô hình:

  • Bo mạch Arduino Mega 2560: Trang bị chip AVR ATmega2560 (16 MHz, nguồn nuôi 2,5V, dòng cực đại 200 mA), bộ nhớ Flash 256 KB, SRAM 8 KB, EEPROM 4 KB; 54 chân I/O số, 16 ngõ vào analog 10-bit, các chân điều chế độ rộng xung (PWM: chân 10, 11, 12, 44, 45, 46, 14, 15), tích hợp giao tiếp UART, SPI, I2C, RS485 và RS232 cách ly. Chân cấp nguồn 5V chịu dòng cực đại 1000 mA.
  • Cảm biến quang E3F DS30C4: Cảm biến quang phản xạ khuếch tán loại DC 3 dây NPN NC, điện áp hoạt động 6–36VDC, dòng định mức 300 mA, khoảng cách phát hiện 0–300 mm. Dây nâu nối nguồn +24VDC, dây xanh nối 0V, dây đen xuất tín hiệu điều khiển.
  • Cảm biến rung: Hoạt động ở điện áp 3,3–5V, ngõ ra Digital (DO), kích thước bo mạch 32x14 mm, tích hợp LED báo nguồn và LED trạng thái; xuất mức thấp khi không có rung động.
  • Công tắc hành trình và động cơ DC: Công tắc hành trình kiểu đòn có then khóa định vị, đóng ngắt dòng 6A ở điện áp 220V. Động cơ một chiều 24VDC thực nghiệm đo dòng định mức 2,18A, công suất định mức 52,32W.
  • Công cụ phần mềm: Phần mềm mô phỏng mạch điện tử Proteus (tích hợp ISIS mô phỏng vi điều khiển và ARES thiết kế mạch in) và ngôn ngữ lập trình C (so sánh ưu điểm về tính đóng gói, quản lý con trỏ, tốc độ thực thi so với hợp ngữ Assembly).

CHƯƠNG IV: GIỚI THIỆU VỀ MỘT SỐ CÁCH PHÁT HIỆN VẬT THỂ

Chương IV phân tích cơ sở lý thuyết và so sánh 5 giải pháp công nghệ cảm biến phát hiện vật thể:

  1. Công nghệ vi sóng: Sử dụng diode Gunn dao động tần số cỡ GHz (công suất phát 10–20 mW, nguồn 8V - 150 mA), phát hiện vật thể từ 25 mm đến 45.000 mm, hoạt động được từ -55°C đến +125°C nhưng chi phí cao và kém hiệu quả với vật thể đứng yên.
  2. Công nghệ quang điện: Dựa trên hiệu ứng quang dẫn trong tế bào quang điện, photodiode và phototransistor silic NPN; tốc độ đáp ứng nhanh nhưng phạm vi hẹp và dễ bị nhiễu bởi nguồn sáng môi trường.
  3. Nhận dạng hình ảnh: Sử dụng camera ba màu cơ bản RGB (Red 700 nm, Green 546 nm, Blue 436 nm) kết hợp xử lý thuật toán; độ chính xác cao nhưng cấu trúc phức tạp, chi phí đắt đỏ và phụ thuộc điều kiện chiếu sáng.
  4. Cảm biến tiếp cận: Phân loại thành cảm biến điện cảm (chỉ phát hiện kim loại dựa trên dòng điện Foucault), cảm biến điện dung (phát hiện cả kim loại, phi kim, chất lỏng, cự ly tối đa 100 mm) và cảm biến tiếp cận quang học.
  5. Cảm biến hồng ngoại: Sử dụng sóng điện từ có bước sóng $\lambda > 760\text{ }\mu\text{m}$, bố trí cặp diode phát - thu đối diện hoặc cạnh nhau; giá thành thấp, kích thước gọn nhẹ và khả năng chống nhiễu tốt.

CHƯƠNG V: GIỚI THIỆU VỀ ENCODER

Chương V phân loại và đối chiếu nguyên lý đo vị trí, góc quay và vận tốc:

  • Encoder tuyệt đối: Gồm nguồn sáng LED, đĩa mã hóa chia các dải băng trong suốt/chắn sáng theo quy luật $S = 2^a$ (với $S$ là số góc, $a$ là số dải) và photosensor kết hợp mạch sửa dạng xung Trigger Schmitt. Ưu điểm là không mất vị trí gốc khi ngắt nguồn.
  • Encoder gia số (Incremental Encoder): Gồm đĩa phát xung có 1–2 dải băng vạch sáng tối di động và đĩa thước cố định có 5 rãnh gắn photosensor. Ưu điểm là kết cấu đơn giản, giá thành thấp, không cần mạch giải mã phức tạp; nhược điểm là mất vị trí gốc khi mất điện và nhạy cảm với nhiễu tín hiệu.
  • Encoder xung: Cung cấp đầu ra dạng xung số trực tiếp không cần bộ chuyển đổi ADC, tuy nhiên đòi hỏi mạch đếm/giải mã phụ trợ và có giá thành cao.

CHƯƠNG VI: MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ CODE

Chương VI trình bày sơ đồ nguyên lý mạch mô phỏng trên Proteus và mã nguồn điều khiển hệ thống trên Arduino Mega 2560. Chương trình sử dụng thư viện TimerOne.h quản lý ngắt định thời, định nghĩa cấu hình chân GPIO cho còi (pin 26), LED cảnh báo (pin 27), chuỗi cảm biến vị trí tàu (CAMBIEN_1 đến CAMBIEN_6 tại các chân A0, A1, A2, A3, A7, A6), công tắc hành trình vị trí nâng/hạ của barie 1 và barie 2 (chân A4, A5, A8, A9) và cụm chân kích đóng/ngắt/đảo chiều động cơ qua rơle bán dẫn (pin 22, 23, 24, 25).

CHƯƠNG VII: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ BARIE CHẮN TÀU TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI

Chương VII tập trung vào giải pháp năng lượng tái tạo độc lập cho hệ thống:

  • Khảo sát nguyên lý cấu tạo của pin quang điện (PV) và hệ thống điện mặt trời cơ bản.
  • Xác định tổng lượng điện tiêu thụ của toàn bộ hệ thống cơ điện tử (vi điều khiển, cảm biến, còi đèn và chu kỳ đóng/mở động cơ DC).
  • Tính toán công suất giàn pin mặt trời cần thiết, lựa chọn chủng loại pin phù hợp, xác định vị trí/góc nghiêng lắp đặt giàn pin và cấu hình bộ điều khiển sạc/xả acquy nhằm đảm bảo nguồn dự phòng liên tục.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể:

  • Kết quả tính toán cơ khí: Xác lập đầy đủ bộ thông số hình học và động học của cơ cấu nâng hạ barie: Công suất động cơ cần thiết $21{,}05\text{ W}$, lựa chọn động cơ DC 24V - 60W; thiết kế hoàn chỉnh bộ truyền bánh răng trụ răng nghiêng thép C45 ($m_n = 0{,}6\text{ mm}$, $a_w = 35\text{ mm}$, $z_1 = 21$, $z_2 = 91$, tỷ số truyền $4{,}333$, bề rộng vành răng $10{,}5\text{ mm}$) thỏa mãn điều kiện bền tiếp xúc ($486{,}36\text{ MPa} < 590{,}9\text{ MPa}$) và bền uốn ($[\sigma_{F1}] = 246{,}85\text{ MPa}$, $[\sigma_{F2}] = 231{,}42\text{ MPa}$).
  • Kết quả thiết kế điều khiển: Thiết lập thành công sơ đồ mô phỏng nguyên lý trên Proteus và mã nguồn C trên Arduino Mega 2560 xử lý chính xác chuỗi tín hiệu từ 6 ngõ vào cảm biến, 4 công tắc hành trình, điều khiển đảo chiều 2 động cơ DC và hệ thống còi/LED phân cấp cảnh báo.
  • Giải pháp đề xuất: Xây dựng cơ chế an toàn kép với barie phụ tự động kích hoạt khi barie chính gặp chướng ngại vật; tích hợp nguồn pin mặt trời có bộ nạp/xả dự phòng giúp hệ thống duy trì hoạt động liên tục khi xảy ra sự cố mất điện lưới.
  • Đóng góp của tác giả: Chế tạo mô hình thực nghiệm trực quan cho phép quan sát, đánh giá toàn diện nguyên lý hoạt động, cấu tạo cơ khí và giải thuật điều khiển của hệ thống chắn tàu tự động, làm tiền đề nhận diện các khó khăn kỹ thuật trước khi áp dụng trên quy mô thực tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Nghiên cứu mới dừng lại ở mức độ chế tạo mô hình thực nghiệm và mô phỏng trên phần mềm Proteus; các giải pháp cảm biến quang điện và tiếp cận quang học dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu sáng môi trường tự nhiên, bụi bẩn và thời tiết mưa bão; phương pháp nhận dạng hình ảnh camera chưa thể tích hợp do hạn chế về chi phí và độ phức tạp xử lý.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Thử nghiệm và hiệu chỉnh hệ thống trên hiện trường đường sắt thực tế; tối ưu hóa giàn pin năng lượng mặt trời để tăng hiệu suất tích lũy điện năng trong điều kiện thời tiết xấu kéo dài; nghiên cứu ứng dụng cảm biến vi sóng hoặc thuật toán thị giác máy tính nâng cao để tăng cường độ tin cậy phát hiện tàu từ xa.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên ngành cho:

  • Sinh viên, học viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Công nghệ Chế tạo máy, Cơ điện tử và Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa khi thực hiện đồ án chi tiết máy, đồ án tốt nghiệp về hệ thống tự động hóa giao thông.
  • Người làm nghiên cứu tham khảo quy trình tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng trụ răng nghiêng tiêu chuẩn kết hợp lựa chọn động cơ điện một chiều (Chương II).
  • Kỹ sư thiết kế hệ thống nhúng tham khảo phương pháp kết nối phần cứng vi điều khiển Arduino Mega 2560 với các cảm biến công nghiệp (NPN NC), công tắc hành trình và thuật toán lập trình định thời Timer (Chương III, Chương VI).

Câu hỏi thường gặp

1. Chuỗi logic điều khiển cảnh báo và đóng/mở barie của hệ thống hoạt động như thế nào? Khi tàu đến, cảm biến 1 nhận biết trước và cảm biến 2 nhận biết sau để xác định hướng tàu di chuyển, kích hoạt còi và đèn vàng. Khi cảm biến 3 nhận biết, đèn đỏ và chuông báo nguy hiểm bật lên thay thế đèn vàng; sau 3 giây barie bắt đầu đóng lại cho đến khi chạm công tắc hành trình dưới thì dừng. Sau khi tàu qua, cảm biến 3 nhận biết lần 2 làm barie mở ra cho đến khi chạm công tắc hành trình trên thì dừng lại và tắt toàn bộ tín hiệu cảnh báo.

2. Các thông số cơ khí cốt lõi của bộ truyền bánh răng trong đồ án được xác lập ra sao? Bộ truyền bánh răng trụ răng nghiêng chế tạo từ thép C45 tôi cải thiện (độ rắn 240HB/225HB), có môđun pháp $m_n = 0{,}6\text{ mm}$, khoảng cách trục tiêu chuẩn $a_w = 35\text{ mm}$, số răng bánh nhỏ $z_1 = 21$, bánh lớn $z_2 = 91$, tỷ số truyền $u_m = 4{,}333$ (sai số tương đối $0{,}3%$), bề rộng vành răng $b_w = 10{,}5\text{ mm}$, đường kính chia lần lượt là $d_1 = 13\text{ mm}$ và $d_2 = 56\text{ mm}$.

3. Vì sao tác giả chọn bo mạch Arduino Mega 2560 làm bộ xử lý trung tâm? Bo mạch này sử dụng vi điều khiển ATmega2560 với tài nguyên ngoại vi dồi dào, bao gồm 54 chân I/O số, 16 ngõ vào analog 10-bit, bộ nhớ Flash 256 KB, hỗ trợ nhiều chuẩn giao tiếp (UART, SPI, I2C, RS485, RS232) và có môi trường lập trình mã nguồn mở dễ triển khai, đáp ứng đầy đủ số lượng chân kết nối cho 6 cảm biến, 4 công tắc hành trình, 2 cụm điều khiển động cơ và hệ thống còi đèn.

4. Cảm biến quang E3F DS30C4 sử dụng trong mô hình có đặc tính kỹ thuật gì? Cảm biến quang E3F DS30C4 là loại cảm biến phản xạ khuếch tán DC 3 dây ngõ ra NPN thường đóng (NC - Normal Close), hoạt động trong dải điện áp 6V – 36VDC, dòng tải cực đại 300 mA và dải đo phát hiện vật thể từ 0 đến 300 mm. Dây nâu nối nguồn +24VDC, dây xanh nối 0V và dây đen xuất tín hiệu điều khiển về vi điều khiển.

5. Đồ án thiết kế cơ chế dự phòng an toàn nào khi xảy ra sự cố vật cản hoặc mất điện? Hệ thống bố trí công tắc hành trình phụ đặt trước barie chính; khi chạm chướng ngại vật phía trước, barie chính dừng lại và kích hoạt barie phụ chắn thay. Đối với sự cố mất điện lưới, hệ thống tích hợp giàn pin năng lượng mặt trời cùng bộ điều khiển sạc/xả acquy để tự động cấp nguồn phụ liên tục.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Tiến Đạt đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế cơ điện tử cho mô hình gác chắn tàu hỏa tự động ứng dụng năng lượng mặt trời. Nghiên cứu cung cấp hệ thống tính toán chi tiết máy bài bản, từ xác định công suất tải, thiết kế bộ truyền bánh răng trụ răng nghiêng thép C45 đến lựa chọn vi điều khiển Arduino Mega 2560 và cảm biến công nghiệp. Mô hình và mã nguồn điều khiển đã được kiểm chứng trên phần mềm Proteus, đóng góp giải pháp kỹ thuật hữu ích nhằm nâng cao độ an toàn và tự động hóa tại các điểm giao cắt đường sắt.