Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống điều khiển đèn giao thông thông minh - Trường Đại học Điện Lực

Đồ án tốt nghiệp thiết kế hệ thống điều khiển đèn giao thông thông minh giúp tối ưu hóa việc điều khiển giao thông, giảm ùn tắc và tăng cường an toàn.

• Tác giả: Phạm Tiến Đạt
• Người hướng dẫn: Nguyễn Tùng Linh
• Trường học: Trường Đại học Điện lực
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển đèn giao thông thông minh
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hệ Thống Điều Khiển Đèn Giao Thông Thông Minh

Hệ thống điều khiển đèn giao thông thông minh là giải pháp hiện đại nhằm giải quyết vấn đề ùn tắc giao thông ngày càng gia tăng ở các thành phố. Với sự phát triển nhanh chóng của phương tiện giao thông, nhu cầu về một hệ thống điều khiển đèn giao thông hiệu quả trở nên cấp thiết. Công nghệ điều khiển đèn tín hiệu kết hợp vi điều khiển, camera giám sát và hệ thống xử lý ảnh để tối ưu hóa luồng giao thông. Hệ thống này không chỉ giảm thời gian chờ đợi mà còn tăng cường an toàn giao thông và đảm bảo giao thông được thông suốt. Đây là một sản phẩm có tính thương mại cao, được ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới tại các khu vực đông dân cư, giao lộ phức tạp và các thành phố phát triển.

1.1. Khái Niệm và Ý Nghĩa của Hệ Thống

Hệ thống đèn giao thông thông minh là công nghệ tiên tiến giúp tự động điều chỉnh thời gian sáng của các tín hiệu đèn dựa trên lưu lượng xe cộ thực tế. Thay vì sử dụng bộ định thời cơ học truyền thống, hệ thống này sử dụng cảm biến thông minh và thuật toán tối ưu để quyết định khoảng thời gian phù hợp cho mỗi hướng giao thông. Điều này mang lại hiệu quả cao trong quản lý giao thông, giảm thời gian chờ đợi, giảm lượng khí thải và tăng an toàn giao thông.

1.2. Các Công Nghệ Ứng Dụng Chính

Hệ thống sử dụng nhiều công nghệ tiên tiến bao gồm vi điều khiển Arduino hoặc PLC, camera thông minh, cảm biến giao thông, và xử lý ảnh nhân tạo. Công nghệ IoT cho phép kết nối dữ liệu từ nhiều ngã tư để điều khiển tập trung. Thuật toán học máy phân tích mô hình giao thông để dự báo và tối ưu hóa thời gian sáng đèn. Giao diện giám sát trực tuyến cung cấp thông tin real-time cho các nhân viên quản lý giao thông.

II. Thiết Bị Phần Cứng và Phần Mềm

Thiết kế hệ thống điều khiển đèn giao thông đòi hỏi sự kết hợp giữa phần cứng và phần mềm hiện đại. Phần cứng bao gồm vi điều khiển chính, module đèn LED, cảm biến áp lực, camera giám sát và hệ thống nguồn điện ổn định. Phần mềm được lập trình bằng ngôn ngữ C++ hoặc Python, chạy trên hệ điều hành nhúng hoặc Linux. Cơ sở dữ liệu lưu trữ thông tin lưu lượng xe cộ và thuật toán điều khiển tính toán thời gian tối ưu. Sự tích hợp giữa phần cứng và phần mềm đảm bảo hoạt động ổn định, an toàn và hiệu quả.

2.1. Thành Phần Phần Cứng Chính

Vi điều khiển là bộ xử lý trung tâm điều khiển toàn bộ hệ thống. Đèn LED tín hiệu gồm ba màu đỏ, vàng, xanh với độ sáng cao. Cảm biến thông minh như cảm biến áp lực, cảm biến hồng ngoại phát hiện lưu lượng xe. Camera 4K tích hợp xử lý ảnh nhận diện tình trạng giao thông. Module liên lạc 4G/5G và WiFi truyền dữ liệu. Hệ thống điện ắc quy đảm bảo hoạt động liên tục.

2.2. Công Nghệ Phần Mềm và Lập Trình

Phần mềm điều khiển được phát triển dựa trên nền tảng Arduino hoặc PLC công nghiệp. Ngôn ngữ lập trình chính là C++ kết hợp với thư viện xử lý ảnh OpenCV. Thuật toán tối ưu như Logic mờ hoặc Mạng nơ-ron nhân tạo quyết định thời gian sáng đèn. Giao diện giám sát được xây dựng trên web platform cho phép theo dõi real-time. Hệ thống cơ sở dữ liệu lưu trữ log giao thông để phân tích và cải tiến.

III. Quy Trình Thiết Kế và Mô Phỏng Hệ Thống

Quy trình thiết kế hệ thống điều khiển đèn giao thông bao gồm các bước quan trọng từ phân tích yêu cầu đến triển khai thực tế. Đầu tiên, xác định yêu cầu chức năng của hệ thống bao gồm giám sát lưu lượng, điều khiển thời gian sáng đèn, ghi nhật ký sự cố. Tiếp theo, xây dựng mô hình mô phỏng sử dụng phần mềm MATLAB/Simulink hoặc Arena để kiểm tra hiệu suất thuật toán trước khi triển khai. Kiểm tra và xác thực mô hình đảm bảo độ chính xác cao. Cuối cùng, tích hợp phần cứng và kiểm thử thực tế tại các ngã tư thử nghiệm. Quá trình này đảm bảo chất lượng sản phẩm và an toàn hệ thống.

3.1. Các Bước Xây Dựng Mô Hình

Bước 1: Phân tích yêu cầu hệ thống và xác định chỉ tiêu hiệu suất. Bước 2: Thiết kế sơ đồ khối của hệ thống và xác định giao diện giữa các module. Bước 3: Xây dựng mô hình toán học cho thuật toán điều khiển. Bước 4: Mô phỏng trong MATLAB với các tình huống giao thông khác nhau. Bước 5: Phân tích kết quả và tối ưu tham số của hệ thống. Bước 6: Chuẩn bị tích hợp phần cứng dựa trên kết quả mô phỏng.

3.2. Đánh Giá Hiệu Suất và Cải Tiến

Hiệu suất hệ thống được đánh giá qua các chỉ tiêu như thời gian chờ trung bình, khả năng thông qua giao thông, tỷ lệ xe vi phạm đèn đỏ. Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống giảm thời gian chờ 25-35% so với hệ thống truyền thống. Các ý tưởng cải tiến bao gồm tích hợp dữ liệu thời tiết, dự báo giao thông AI, điều khiển ưu tiên xe ưu tiên. Nghiên cứu tiếp theo có thể phát triển hệ thống phân tán cho lưới giao thông toàn thành phố.

IV. Kết Luận và Hướng Phát Triển

Hệ thống điều khiển đèn giao thông thông minh là giải pháp hiệu quả để giải quyết tình trạng ùn tắc giao thông ở các thành phố hiện đại. Thông qua kỹ thuật vi điều khiển, xử lý ảnh thông minh và thuật toán tối ưu, hệ thống đạt được hiệu suất cao trong quản lý giao thông. Đồ án tốt nghiệp này đã thực hiện thiết kế toàn bộ hệ thống từ phần cứng đến phần mềm, xây dựng mô hình mô phỏng và kiểm thử thực tế. Kết quả cho thấy tiềm năng ứng dụng cao và giá trị thương mại lớn của sản phẩm. Trong tương lai, công nghệ điều khiển đèn giao thông thông minh sẽ tiếp tục phát triển với sự tích hợp AI, 5G, big data để tạo ra thành phố thông minh toàn diện.

4.1. Những Thành Tựu Chính của Đồ Án

Thành tựu 1: Thiết kế hoàn chỉnh hệ thống bao gồm sơ đồ khối, sơ đồ mạch chi tiết, bố trí PCB. Thành tựu 2: Phát triển phần mềm điều khiển có độ ổn định cao và khả năng mở rộng tốt. Thành tựu 3: Xây dựng giao diện giám sát trực quan và dễ sử dụng. Thành tựu 4: Kiểm thử thực tế tại ngã tư thử nghiệm cho kết quả đáng khích lệ. Thành tựu 5: Tạo ra sản phẩm có khả năng thương mại cao.

4.2. Hướng Phát Triển và Ứng Dụng Tiếp Theo

Hướng phát triển 1: Tích hợp công nghệ 5G cho kết nối nhanh hơn và độ trễ thấp hơn. Hướng phát triển 2: Sử dụng AI và machine learning để tự học từ dữ liệu giao thông lịch sử. Hướng phát triển 3: Mở rộng quy mô thành hệ thống quản lý giao thông toàn thành phố. Hướng phát triển 4: Tích hợp dữ liệu đa nguồn từ điện thoại di động, camera, cảm biến. Hướng phát triển 5: Phát triển ứng dụng di động cho người dùng cuối.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1, đồ án đã tập trung trình bày bối cảnh và nhu cầu thiết yếu của hệ thống đèn giao thông thông minh trong việc giải quyết các vấn đề giao thông hiện nay. Việc phân tích tình hình thực tế cho thấy những hạn chế của các hệ thống giao thông truyền thống, đồng thời khẳng định vai trò quan trọng của công nghệ hiện đại trong việc cải thiện hiệu quả quản lý giao thông. Ngoài ra, chương này cũng đã nêu bật các ứng dụng tiềm năng của hệ thống đèn giao thông thông minh trong việc giảm ùn tắc, nâng cao an toàn giao thông, và tối ưu hóa năng lượng sử dụng. Cuối cùng, mô tả sơ lược về hệ thống thiết kế trong đồ án đã giúp định hướng rõ ràng cho các nội dung tiếp theo.

20 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN CÁC THIẾT BỊ PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM Giới thiệu chương 2: Chương này sẽ trình bày tổng quan về các thiết bị phần cứng và phần mềm được sử dụng trong hệ thống. Các thiết bị phần cứng bao gồm các cảm biến, bộ điều khiển, và các thành phần giao tiếp cần thiết, đảm bảo việc thu thập dữ liệu và điều khiển tín hiệu giao thông diễn ra chính xác và ổn định. Trong khi đó, các thiết bị phần mềm, từ hệ điều hành, phần mềm điều khiển cho đến các thuật toán xử lý dữ liệu, đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích và đưa ra các quyết định thông minh cho hệ thống. Thiết bị phần cứng 2.1 Vi điều khiển Arduino Nano Hình 2.

Arduino nano Arduino Nano có chức năng tương tự như Arduino Duemilanove nhưng khác nhau về dạng mạch. Nano được tích hợp vi điều khiển Atmega328P, giống như Arduino UNO. Sự khác biệt chính giữa chúng là bảng UNO có dạng PDIP (Plastic Dual-In-line Package) với 30 chân còn Nano có sẵn trong TQFP (plastic quad flat pack) với 32 chân. Trong khi UNO có 6 cổng ADC thì Nano có 8 cổng ADC.

Bảng Nano không có giắc nguồn DC như các bo mạch Arduino khác, mà thay vào đó có cổng mini-USB. Cổng này được sử dụng cho cả việc lập trình và bộ giám sát nối tiếp. Tính năng hấp dẫn của Arduino Nano là nó sẽ chọn công xuất lớn nhất với hiệu điện thế của nó. Đặc điểm thông số kỹ thuật Arduino Nano Arduino Nano Thông số kỹ thuật Số chân analog I/O 20 Cấu trúc AVR Tốc độ xung 16 MHz Dòng tiêu thụ I/O 40mA Số chân Digital I/O 22 Bộ nhớ EEPROM 1KB 32 KB of which 2 KB used by Bộ nhớ Flash Bootloader Điện áp ngõ vào (7-12) Volts Vi điều khiển Atmega328P Điện áp hoạt động 5V Kích thước bo mạch 18 x 45 mm Nguồn tiêu thụ 19mA Nguồn ra PWM 6 SRAM 2KB 22 Hình 2.

Sơ đồ chân arduino nano  Các chân: 1, 2, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 và 16: Arduino Nano có 14 ngõ vào/ra digital. Các chân làm việc với điện áp tối đa là 5V. Mỗi chân có thể cung cấp hoặc nhận dòng điện 40mA và có điện trở kéo lên khoảng 20-50kΩ. Các chân có thể được sử dụng làm đầu vào hoặc đầu ra, sử dụng các hàm pinMode(), digitalWrite () và digitalRead ().

Ngoài các chức năng đầu vào và đầu ra số, các chân này cũng có một số chức năng bổ sung.  Chân 1, 2: Chân nối tiếp: Hai chân nhận RX và truyền TX này được sử dụng để truyền dữ liệu nối tiếp TTL. Các chân RX và TX được kết nối với các chân tương ứng của chip nối tiếp USB tới TTL. Chân 6, 8, 9, 12, 13 và 14: Chân PWM: Mỗi chân số này cung cấp tín hiệu điều chế độ rộng xung 8 bit.

Tín hiệu PWM có thể được tạo ra bằng cách sử dụng hàm analogWrite().  Chân 5, 6: Ngắt: 23 Khi chúng ta cần cung cấp một ngắt ngoài cho bộ xử lý hoặc bộ điều khiển khác, chúng ta có thể sử dụng các chân này. Các chân này có thể được sử dụng để cho phép ngắt INT0 và INT1 tương ứng bằng cách sử dụng hàm attachInterrupt (). Các chân có thể được sử dụng để kích hoạt ba loại ngắt như ngắt trên giá trị thấp, tăng hoặc giảm mức ngắt và thay đổi giá trị ngắt.

 Chân 13, 14, 15 và 16: Giao tiếp SPI: Khi bạn không muốn dữ liệu được truyền đi không đồng bộ, bạn có thể sử dụng các chân ngoại vi nối tiếp này. Các chân này hỗ trợ giao tiếp đồng bộ với SCK. Mặc dù phần cứng có tính năng này nhưng phần mềm Arduino lại không có. Vì vậy, bạn phải sử dụng thư viện SPI để sử dụng tính năng này.

 Chân 16: Led: Khi bạn sử dụng chân 16, đèn led trên bo mạch sẽ sáng.  Chân 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 và 26 : Ngõ vào/ra tương tự: Như đã đề cập trước đó UNO có 6 chân đầu vào tương tự nhưng Arduino Nano có 8 đầu vào tương tự (19 đến 26), được đánh dấu A0 đến A7. Điều này có nghĩa là bạn có thể kết nối 8 kênh đầu vào tương tự để xử lý. Mỗi chân tương tự này có một ADC có độ phân giải 1024 bit (do đó nó sẽ cho giá trị 1024).

Theo mặc định, các chân được đo từ mặt đất đến 5V. Nếu bạn muốn điện áp tham chiếu là 0V đến 3.3V, có thể nối với nguồn 3.3V cho chân AREF (pin thứ 18) bằng cách sử dụng chức năng analogReference (). Tương tự như các chân digital trong Nano, các chân analog cũng có một số chức năng khác.  Chân 23, 24 như A4 và A5: chuẩn giao tiếp I2C: Khi giao tiếp SPI cũng có những nhược điểm của nó như cần 4 chân và giới hạn trong một thiết bị.

Đối với truyền thông đường dài, cần sử dụng giao thức I2C. I2C hỗ trợ chỉ với hai dây. Một cho xung (SCL) và một cho dữ liệu (SDA). Để sử dụng tính năng I2C này, chúng ta cần phải nhập một thư viện có tên là Thư viện Wire.

 Chân 18: AREF: Điện áp tham chiếu cho đầu vào dùng cho việc chuyển đổi ADC. Led 7 đoạn  Tổng quan về Led 7 đoạn: LED 7 đoạn là một loại hiển thị kỹ thuật số được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng điện tử để hiển thị các ký tự số hoặc chữ cái. Nó được gọi là "LED 7 đoạn" bởi vì nó bao gồm bảy đoạn LED đơn được sắp xếp theo một thứ tự nhất định để tạo ra các ký tự số và chữ cái. Led 7 thanh Mỗi LED đơn trong LED 7 đoạn được ký hiệu là "a", "b", "c", "d", "e", "f", "g", và chúng được kết nối với một bộ điều khiển để tạo ra các chữ số hoặc chữ cái.

Các LED này được kết nối với nhau để tạo thành một dạng hình chữ số 8. Mỗi LED trong LED 7 đoạn có thể được bật hoặc tắt để hiển thị các chữ số hoặc chữ cái khác nhau. Để hiển thị một số cụ thể, chúng ta cần bật các LED tương ứng để tạo ra hình ảnh số đó trên LED 7 đoạn. Để điều khiển LED 7 đoạn, chúng ta có thể sử dụng một số bộ điều khiển khác nhau, nhưng phổ biến nhất là sử dụng IC 74HC595 kết hợp với các IC khác để tạo ra một mạch điều khiển đơn giản và hiệu quả.

 Phân loại LED 7 đoạn Dựa vào các cực được nối, có thể phân loại LED 7 đoạn như sau: - Loại dương chung (Common Anode): nếu cực dương (anode) của tất cả 8 LED được nối với nhau và các cực âm (cathode) đứng riêng lẻ. 25 - Loại âm chung (Common Cathode): nếu cực âm (cathode) của tất cả 8 LED được nối với nhau và các cực dương (anode) đứng riêng lẻ.  Nguyên lý hoạt động: 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: Bảng 2. Bảng mã nhị phân led 7 đoạn anode chung Bảng 2. Bảng mã nhị phân led 7 đoạn cathode chung 26 LED 7 đoạn là một loại LED đặc biệt được sử dụng để hiển thị các giá trị số hoặc chữ cái. Vì vậy, các ứng dụng của LED 7 đoạn phổ biến trong các thiết bị điện tử, đặc biệt là các thiết bị đo lường và hiển thị, điều khiển và đồng hồ.

 Các ứng dụng chính của LED 7 đoạn bao gồm: - Hiển thị thời gian trên đồng hồ điện tử và các thiết bị đo lường thời gian khác. - Hiển thị giá trị nhiệt độ trên các thiết bị đo nhiệt độ. - Hiển thị các giá trị đo lường khác, ví dụ như tần số, điện áp, dòng điện, độ ẩm, áp suất, độ sáng,. - Hiển thị các thông báo trạng thái trên các thiết bị điện tử, ví dụ như cảnh báo, thông báo lỗi, trạng thái hoạt động, và trạng thái kết nối.

- Các ứng dụng trò chơi, ví dụ như hiển thị số điểm và thời gian chơi trên các thiết bị chơi game điện tử. Vì tính tiện lợi và độ bền, LED 7 đoạn đã trở thành một phần không thể thiếu trong nhiều ứng dụng điện tử hiện đại. Transistor A1015 27 Transistor A1015 hay 2SA1015 là linh kiện điện tử transistor lưỡng cực loại PNP. A1015 được sản xuất trong vỏ nhựa TO-92.

A1015 là transistor PNP chất lượng tốt giá rẻ, được thiết kế chủ yếu để sử dụng như một bộ khuếch đại âm thanh hoặc trong các tầng khuếch đại âm thanh. Điện áp cực góp đến cực phát của transistor là 50V do đó nó có thể dễ dàng được sử dụng trong các mạch hoạt động dưới 50V. Để có hiệu suất tốt, nên sử dụng transistor này trong các mạch hoạt động dưới 40V DC. Công suất tiêu tán cực đại của transistor là 400mW và mức khuếch đại dòng DC tối đa là 400, do đó transistor này phù hợp để khuếch đại âm thanh nhỏ.

Hơn nữa nó cũng có thể được sử dụng làm công tắc và nó có thể xử lý tải 150mA. Sơ đồ chân: Để xác định chân transistor A1015 hướng nó phía trước mặt thì theo thứ tự từ trái qua phải lần lượt là chân E (chân phát), chân C (chân góp), chân B (chân gốc). Sơ đồ chân transistor A1015 A1015 chủ yếu được sản xuất cho mục đích khuếch đại âm thanh vì vậy nó có thể được sử dụng như một bộ khuếch đại âm thanh nhỏ ở đầu ra của hầu hết các thiết bị âm thanh như chuông cửa, máy nghe nhạc mp3, radio,. để điều khiển loa.

Ngoài ra, nó cũng có thể được sử dụng trong các tầng của mạch khuếch đại âm thanh.