Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế mô hình điều khiển đèn ngã tư giao thông thông minh

Tài liệu đồ án thiết kế mô hình điều khiển đèn ngã tư giao thông ứng dụng Arduino. Giải pháp giúp giảm ùn tắc và tai nạn giao thông hiệu quả.

• Tác giả: Cao Hữu Tín
• Người hướng dẫn: TS. Đoàn Thị Bằng
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Thiết Kế Mô Hình Điều Khiển Đèn Ngã Tư Giao Thông Arduino
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Hệ thống Điều khiển Đèn Ngã Tư Giao Thông Arduino

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của nền kinh tế hiện đại, tắc nghẽn giao thông đã trở thành một vấn đề cấp bách ở các thành phố lớn. Hệ thống điều khiển đèn giao thông Arduino là giải pháp công nghệ hiện đại nhằm tối ưu hóa luồng giao thông tại các ngã tư giao thông. Hiện nay, đa số các đèn tín hiệu hoạt động độc lập mà không có sự phối hợp lẫn nhau, dẫn đến tình trạng phương tiện liên tục gặp phải đèn đỏ. Đề tài thiết kế mô hình điều khiển đèn ngã tư sử dụng vi điều khiển Arduino Mega 2560 kết hợp với các cảm biến thông minh để tạo ra một hệ thống giao thông hiệu quả. Mục tiêu của dự án này là giảm thiểu ùn tắc giao thông, hạn chế tai nạn giao thông và đảm bảo lưu thông giao thông thông suốt.

1.1. Tầm quan trọng của Hệ thống Điều khiển Giao thông Thông minh

Điều khiển giao thông thông minh đóng vai trò quan trọng trong quản lý dòng xe hiện đại. Các hệ thống này giúp tối ưu hóa thời gian đợi cho phương tiện, giảm lượng khí thải và tiết kiệm năng lượng điện. Sử dụng cảm biến ánh sáng và module thời gian thực DS1307, hệ thống có thể tự động điều chỉnh các chế độ chạy khác nhau như chế độ ngày, đêm, và giờ cao điểm, phù hợp với nhu cầu giao thông thực tế của từng thời đoạn.

1.2. Ứng dụng thực tiễn của Arduino trong Điều khiển Giao thông

Arduino là nền tảng phát triển mã nguồn mở được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng điều khiển tự động. Với khả năng lập trình linh hoạt và chi phí thấp, Arduino Mega 2560 trở thành lựa chọn lý tưởng cho mô hình điều khiển đèn giao thông. Hệ thống này có thể dễ dàng mở rộng chức năng bằng cách thêm các module cảm biến và IC 74HC595 để tăng số lượng ngõ vào-ngõ ra.

II. Các Thành phần Chính của Mô hình Điều khiển

Mô hình điều khiển đèn ngã tư giao thông bao gồm nhiều thành phần thiết bị quan trọng được tích hợp để tạo nên một hệ thống hoàn chỉnh. Vi điều khiển Arduino Mega 2560 là bộ não của toàn bộ hệ thống, có nhiệm vụ xử lý dữ liệu từ các cảm biến và ra lệnh điều khiển các LED báo pha. IC 74HC595 đóng vai trò mở rộng ngõ ra để kết nối với nhiều thiết bị ngoại vi. Module cảm biến ánh sáng giúp phát hiện thời gian ban ngày/ban đêm để điều chỉnh thời gian đèn giao thông phù hợp. Module thời gian thực DS1307 cung cấp thông tin giờ giấc chính xác, hỗ trợ chế độ điều khiển theo lịch trình cố định. LED 7 đoạn hiển thị số thứ tự. Nút nhấn cho phép điều khiển thủ công khi cần thiết.

2.1. Vi điều khiển Arduino Mega 2560 và Chức năng

Arduino Mega 2560 là vi điều khiển mạnh mẽ với 54 ngõ I/O kỹ thuật số và 16 ngõ vào tương tự, cho phép xử lý dữ liệu phức tạp. Nó khởi tạo các giá trị ban đầu như IO initialization, Timer initialization và gán giá trị cho biến. Vi điều khiển này có thể lưu trữ chương trình điều khiển và thực thi các lệnh theo trình tự được lập trình, giúp hệ thống hoạt động tự động mà không cần can thiệp thủ công.

2.2. IC 74HC595 và Cảm biến trong Hệ thống

IC 74HC595 là bộ dịch chuyển bit giúp mở rộng ngõ ra của Arduino, cho phép kết nối nhiều LED và thiết bị ngoại vi hơn. Cảm biến ánh sáng phát hiện cường độ ánh sáng để chuyển đổi chế độ ngày/đêm. Module DS1307 cung cấp thông tin thời gian thực chính xác, hỗ trợ điều khiển theo lịch để tối ưu hóa thời gian đèn cho các giờ cao điểm cụ thể.

III. Nguyên lý Hoạt động của Hệ thống Điều khiển

Nguyên lý hoạt động của mô hình điều khiển đèn ngã tư dựa trên logic điều khiển tuần tự kết hợp với dữ liệu từ cảm biến. Vi điều khiển Arduino nhận tín hiệu từ cảm biến ánh sáng và module thời gian thực DS1307 để xác định trạng thái hiện tại như thời gian, độ sáng. Dựa trên những thông tin này, hệ thống quyết định thời gian cho mỗi pha đèn giao thông (đèn đỏ, vàng, xanh). Các LED báo pha sẽ bật/tắt theo lệnh của Arduino để điều hướng phương tiện giao thông. Chế độ chạy thay đổi giữa chế độ ngày (với thời gian đèn tiêu chuẩn), chế độ đêm (với thời gian dài hơn), và chế độ giờ cao điểm (với phân bổ thời gian tối ưu).

3.1. Chu kỳ Điều khiển và Các Pha Đèn Giao thông

Chu kỳ điều khiển của đèn giao thông được chia thành ba pha chính: pha đèn xanh (cho phép xe chuyển động), pha đèn vàng (cảnh báo chuẩn bị dừng), và pha đèn đỏ (lệnh dừng). Thời gian cho mỗi pha được tính toán dựa trên lượng phương tiện và độ ưu tiên của tuyến đường. Arduino sẽ lặp lại chu kỳ này liên tục để điều khiển giao thông một cách hiệu quả và an toàn.

3.2. Các Chế độ Hoạt động Ngày Đêm và Giờ Cao điểm

Chế độ ngày được kích hoạt khi cảm biến ánh sáng phát hiện mức độ sáng cao, với thời gian đèn tiêu chuẩn. Chế độ đêm bắt đầu khi ánh sáng giảm, thời gian đèn xanh được kéo dài để giảm thời gian chờ đợi. Chế độ giờ cao điểm được kích hoạt tự động dựa trên lịch trình từ DS1307, tối ưu hóa thời gian dành cho tuyến đường chính.

IV. Quá trình Thiết kế Lập trình và Thử nghiệm Mô hình

Quá trình thiết kế mô hình điều khiển bao gồm ba giai đoạn chính: thiết kế phần cứng, lập trình phần mềm và thử nghiệm hệ thống. Ở giai đoạn thiết kế phần cứng, nhóm tính toán sơ đồ kết nối giữa Arduino Mega 2560, IC 74HC595, cảm biến ánh sáng, module DS1307, LED báo pha, LED 7 đoạn và nút nhấn. Phần mềm điều khiển được viết bằng C++ để khởi tạo các tham số, đọc dữ liệu cảm biến, tính toán thời gian đèn và điều khiển output. Thử nghiệm hệ thống được thực hiện để kiểm chứng tính đúng đắn của logic điều khiển và độ tin cậy của các thành phần.

4.1. Thiết kế Sơ đồ Kết nối Phần cứng

Sơ đồ kết nối được thiết kế để kết nối chặt chẽ giữa tất cả các thành phần phần cứng. Arduino Mega 2560 được nối với IC 74HC595 để mở rộng ngõ ra, sau đó IC 74HC595 được kết nối với LED báo pha và LED 7 đoạn. Cảm biến ánh sáng được nối với ngõ vào tương tự, module DS1307 được nối với I2C bus, và nút nhấn được nối với ngõ vào kỹ thuật số. Sơ đồ được kiểm tra để đảm bảo không có xung đột và kết nối đúng.

4.2. Lập trình và Thử nghiệm Hệ thống Điều khiển

Chương trình điều khiển được lập trình tuần tự với các hàm chính: hàm khởi tạo, hàm đọc cảm biến, hàm tính toán thời gian, hàm điều khiển output. Thử nghiệm bao gồm kiểm tra từng chế độ hoạt động, đo lường thời gian của các pha đèn, xác nhận hoạt động của các cảm biến. Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và đáp ứng đầy đủ yêu cầu điều khiển.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay sự tiến bộ khoa học kĩ thuật trên thế giới diễn ra nhanh chóng, Với sự ra đời của hàng loạt những sản phẩm mới ứng dụng những tiến bộ ở những nước phát triển.Đặt biệt trong những năm gần đây kĩ thuật điều khiển phát triển mạnh mẽ, có những công nghệ điều khiển mới được ra đời để thay thế cho những công nghệ đã lỗi thời. Để bắt kịp với tiến độ khoa học kĩ thuật trên thế giới cũng như đáp ứng yêu cầu công nghiệp hóa-hiện đại hóa của đất nước thì ngành công nghiệp Việt Nam đang thay đổi nhanh chóng công nghệ và thiết bị hiện đại đang dần dần được thay thế các công nghệ lạc hậu và thiết bị cũ. Các thiết bị công nghệ tiên tiến với hệ thống vi điều khiển lập trình Arduino, điện khí nén, điện tử. Đang được ứng dụng rộng rãi trong công nghệp như làm bộ xử lý trung tâm của Robot các máy bay không người lái, làm máy in 3D, điều khiển đèn tín hiệu giao thông, các thiết bị cảm biến ánh sáng, âm thanh.

Trong các trường đại học, cao đẳng và các trường đã và đang đưa các thiết bị hiện đại có khả năng lập trình được vào giảng dạy.Một trong những loại thiết bị có ứng dụng mạnh mẽ và đảm bảo có độ tin cậy cao là hệ thống vi điều khiển Arduino. Với đề tài ”Thiết kế mô hinh điều khiển đèn ngã tư giao thông”.Chúng em đã vận dụng được những ưu điểm của hệ thống điều khiển này có hiệu quả cao. Điều đăt biệc là ý tưởng này được ứng dụng trong thực tế rất nhiều. Bởi vì hiện trạng giao thông Việt Nam còn rất thô sơ, lạc hậu, người tham gia giao thông không đi theo đúng nguyên tắc nào mới dẫn đến tắc đường, tai nạn.

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu về đề tài nghiên cứu: Thực trạng nút giao lộ tại ngã tư Bà Chiểu. Ngã tư có bốn trục đường với kích thước đối xứng, đặt biệt chiều rộng đườngvà lưu lượng xe khác nhau tương đối lớn, đèn tín hiệu giao thông thì vẫn sử dụng kiểu truyền thống là xài điện lưới, còn đi dây tín hiệu âm dưới đất kết nối với tủ điều khiển, mỗi khi điện lưới được bảo trì thì đèn tín hiệu giao thông sẽ không hoạt động, dẫn đến tính trạng kẹt xe trong những giờ cao điểm, phương tiện loại lớn chạy qua ngã tư vớitốc khá nhanh. Chúng ta có thể quan sát như hình sau: Hình 1.1: Ảnh chụp ngã tư Bà Chiểu trên google map 2 Hình 1.2: Ngã tư chợ Bà Chiểu Do nhu cầu của đời sống con người, đặc biệt là nhu cầu đi lại, các loại phương tiện giao thông đã tăng một cách chóng mặt. Riêng tại Việt Nam số lượng xe máy trong những năm qua tăng một cách đột biến, mật độ xe lưu thông trên đường ngày một nhiều, trong khi đó hệ thống đường xá tại Việt Nam còn quá nhiều hạn chế nên thường gây ra các hiện tượng như kẹt xe, ách tắc giao thông, đặc biệt là tai nạn giao thông ngày càng phổ biến trở thành mối hiểm họa cho nhiều người.

Vì lý do đó các luật giao thông lần lượt ra đời và được đưa vào sử dụng một cách lặng lẽ rồi dần trở nên phổ biến như hiện nay. Trong đó hệ thống đèn giao thông là công cụ điều khiển giao thông công cộng thực tế và hiệu quả có vai trò rất lớn trong việc đảm bảo an toàn và giảm thiểu tai nạn giao thông. Từ thực tế đó nhóm chúng em quyết định chọn đề tài “Thiết kế mô hình điều khiển đèn ngã tư giao thông” làm đề tài cho đồ án môn học nhằm giúp cho mọi người nhất là tầng lớp sinh viên có ý thức hơn trong việc chấp hành luật lệ an toàn giao thông.2 Mục đích nghiên cứu: Vận dụng kiến thức đã học để nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống đèn đường giao thông, từ đó đưa vào ứng dụng thực tiễn. Giúp cho việc lưu thông giao thông ở nước ta tốt hơn và đạt được hiệu quả tốt hơn.3 Nhiệm vụ nghiên cứu: - Tìm hiểu về các hệ thống đèn giao thông, tham khảo các mô hình, đề tài có sẵn.

- Làm quen với các linh kiện điện - điện tử ngoài thực tế. - Tính toán và thiết kế mô hình điều khiển đèn ngã tư giao thông. - Lập trình điều khiển với vi xử lý Arduino 1.4 Phương pháp nghiên cứu: - Tham khảo đề tài. - Thiết kế hệ thống.

- Thiết kế mạch điện tử. - Lập trình điều khiển bằng phần mềm Arduino. - Đánh giá ưu nhược điểm.5 Kết quả đạt được: - Hoàn thành xây dựng mô hình điều khiển đèn đường thông minh theo yêu cầu. - Có cơ sở lý thuyết về hệ thống tự động nói chung và hệ thống đèn giao thông 1.6 Kết cấu đồ án: - Chương 1: giới thiệu đề tài - Chương 2: Tổng quan giải pháp - Chương 3: Thiết kế hệ thống đèn đường giao thông - Chương 4: Thiết kế thi công mô hình - Chương 5: Lập trình và điều khiển - Chương 6: Kết luận 4 CHƯƠNG 2.

TỔNG QUAN GIẢI PHÁP 2.1 Mô tả hệ thống: Nguyên lý hoạt động hệ thống đèn giao thông thông minh như trên hình dưới tình trang xe lưu thông trên ngã tư, các đèn giao thông đã được cài đặt giờ tự động trên máy tính. Phần mềm máy tính sẽ chạy tới thời gian được cài đặt sẵn và tự chuyển chế độ cho phù hợp với các giờ cao điểm hay giờ tĩnh.1: Ngã tư giao thông ( nguồn Internet ) 2.2 Vị trí và tầm quan trọng của hệ thống đèn giao thông: Hiện nay đèn giao thông giao tại các ngã ba, ngã tư có vai trò quan trọng trong việc điều tiết lưu thông cho xe cộ qua lại. Việc lắp đặt các trụ đèn giao thông còn chức năng là điều tiết giao thông còn cảnh báo mọi người tham gia giao thông, góp phần vào việc xây dựng văn hóa giao thông cho người tham gia giao thông. Để góp phần đảm bảo trật tự an toàn giao thông hệ thống đèn giao thông được lắp đặt, người dân chấp hành rất tốt, không cần lực lượng chức năng tham gia điều tiết vào các giờ cao điểm 5 Vì thế việc lắp đặt đèn tín hiệu giao thông hợp lý tại các giao lộ để cảnh báo, điều tiết giao thông là điều cần thiết.

Mong rằng trong thời gian tới, các cơ quan chức năng sẽ tiếp tục khảo sát, lắp đặt bố trí hợp lý đèn giao thông tại các giao lộ trên địa bàn toàn tỉnh. Đây là một trong những phương án để kéo giảm va chạm, tai nạn giao thông.3 Khảo sát trong nước: 2.1 Hệ thống đèn giao thông thông minh của công ty TNHH Phát Triển Sài Gòn ATN. Được lắp đặt ở ngã ba, ngã tư nhằm cảnh báo nguy hiểm cho người tham gia giao thông. Ở trên quốc lộ, khu vực đông dân cư, trước cổng trường học, cổng khu công nghiệp những vị trí này thường nhiều người tham gia giao thông qua lại, để đảm bảo an toàn cho người tham gia giao thông, vì vậy ban an toàn giao thông cho lắp đèn chớp vàng năng lượng mặt trời để cảnh báo tài xế giảm tốc độ quan sát qua nơi giao nhau.2: Hệ thống đen giao thông của công ty TNHH Phát Triển Sài Gòn ATN 6 Nguyên lý hoạt động: Đèn chớp 3 màu xnh, vàng, đỏ hoạt động 24/24 thông qua bộ điều khiển, nó sẽ tự chuyển thời gian theo chương trỉnh đã thiết lập.

Thông số kỹ thuật đèn giao thông:  Chất liệu: Thép mạ kẽm  Kích thước: D300mm x 1 cái  Công suất tiêu thụ: 4W  Công suất led: 15 LED  Thời gian sáng: 24h/ngày  Tầm nhìn: ~800m  Không gây nguy hiểm về điện  Tự động chuyển đổi chế độ khi trời tối và trời sáng  Tuổi thọ của đèn > 80 000 giờ 2.2 Giải pháp hệ thống đèn tín hiệu giao thông của công ty TNHH Công nghệ điều khiển LISA Hệ thống đèn giao thông phải hoạt động liên tục 24h trên ngày, 7 ngày trong tuần trong khi nguồn điện lưới đôi khi bị sự cố hoặc cần được bảo trì bảo dưỡng. Nếu đèn giao thông ngưng trệ trong giờ cao điểm có thể gây nên ùn tắc, nguy hiểm tới người tham gia giao thông. Lisa là chuyên gia trong lĩnh vực nguồn dự phòng. Hiện Lisa đang cung cấp giải pháp nguồn dự phòng cho các đèn giao thông.

Hệ thống là một bộ lưu điện sin chuẩn với ăcquy gắn ngoài, dung lượng lớn nên thời gian cung cấp điện cho hệ thống đèn giao thông rất dài (4-20h sau khi mất điện). Đây là giải pháp kinh tế và hợp lý cho các đèn tín hiệu giao thông trong trường hợp cắt điện lưới sửa chữa hoặc sự cố và không thể sử dụng máy phát điện.4 Khảo sát nước ngoài: 2.1 Hệ thống đèn giao thông ở nước ngoài: Hệ thống đèn giao thông ở nước ngoài rất đa dạng chẳng hạn như ở Mỹ hệ thống đèn giao thông của họ rất rộng điều đó khiên việc di chuyển của mọi người dân đẽ dàng hơn. Cũng giống như Việt Nam, hệ thống đền giao thông ở Mỹ cũng có đèn giao thông hình tròn 3 màu Xanh – Vàng – Đỏ, ngoài ra Mỹ còn có thêm đèn mũi trên cũng 3 màu Xanh – Vàng – Đỏ giành cho các phương tiện giao thông rẽ trái.3: Đèn giao thông ( nguồn Internet ) 2.2 Giai pháp của nhóm: Hiện nay, dự án đèn giao thông đang thu hút sự chú ý của giới chuyên môn. Không phải bất kì công nghệ nào gắn mác xanh cũng được giới chuyên môn đánh giá cao.

Tuy nhiên với công nghệ sử dụng cho hệ thống đèn giao thông đang được mọi người quan tâm nhất. Để thuận tiện cho việc điều tiết giao thông tại các thành phố đặt biệt là ngã tư giao lộ và giảm áp lực cho việc truyền tải điện tại Việt Nam, nhóm chúng em xin đề xuất mô hình hệ thống đèn giao thông thông minh  Đèn giao thông sử dụng led để báo hiệu.  Sử dụng vi xử lý Arduino để xử lý tín hiệu giao thông  Tự động chuyển đổi chế độ theo thời gian thực  Hoạt động trong 24h/ngày  Tủổi thọ cao 8 2.5 Ứng dụng của hệ thống đèn giao thông thông minh trong thực tế: Trước làn sóng của cuộc cách mạng công nghệ hiện đại ngày nay đầy và nhằm cung cấp giải pháp thiết yếu cho định hướng phát triển này, đèn đường thông minh vận hành theo hệ thống quản lý với mạng lưới đèn đường bao gồm các bóng đèn chiếu sáng kiểu mới như đèn LED được kết nối với vi điều khiển Arduino để điều chỉnh thời gian sang phù hợp với giờ thấp điểm, cao điểm và giờ ban đêm.