Đề tài Thiết kế và phát triển hệ thống thông minh sử dụng cho xe bus (Phần 1)

Nội dung text: Đề tài Thiết kế và phát triển hệ thống thông minh sử dụng cho xe bus (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỀ TÀI NCKH CẤP SINH VIÊN THIẾT KẾ VÀ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG THÔNG MINH SỬ DỤNG CHO XE BUS MÃ SỐ: T2010 - 66 NGƯỜI CHỦ TRÌ: CHU VĂN HIỀN NGƯỜI THAM GIA: HỒ TRỌNG HIẾU NGUYỄN ANH KHOA S K C 0 0 3 0 7 9 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, 2010
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SU PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH  ĐỀ TÀI NCKH CẤP SINH VIÊN THIẾT KẾ VÀ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG THÔNG MINH SỬ DỤNG CHO XE BUS MÃ SỐ: SV2010-66 THUỘC NHÓM NGÀNH : KHOA HỌC KỸ THUẬT NGƯỜI CHỦ TRÌ : CHU VĂN HIỀN NGƯỜI THAM GIA : HỒ TRỌNG HIẾU NGUYỄN ANH KHOA ĐƠN VỊ : KHOA CƠ KHÍ MÁY TP.HỒ CHÍ MINH, THÁNG 9 NĂM 2010
3. TÓM TẮT ĐỀ TÀI Ngày nay, hệ thống giao thông công cộng đƣợc quan tâm triển khai, phát triển ở các thành phố lớn trên cả nƣớc, nổi bật là việc sử dụng xe bus để đi lại. Bên cạnh những thuận lợi của phƣơng tiện công cộng này mang lại, vẫn tồn tại những vấn đề cần bất cập cần giải quyết: khó khăn cho những ngƣời chƣa quen các trạm, các tuyến xe bus,. Để góp phần phát triển hệ thống xe bus giúp hành khách đi lại thuận lợi, nhóm đã nghiên cứu thiết kế hệ thống thông thông minh sử dụng trên xe bus. Hệ thống gồm có module phát âm thanh và màn hình hiển thị thông báo cho hành khách thời gian sắp đến trạm, thông tin về các trạm và lộ trình của tuyến xe, tạo thuận lợi cho việc đi lại của hành khách, tránh đi nhầm tuyến, lên xuống nhầm trạm. Sử dụng kết hơp module thông báo bằng âm thanh và module hiển thị màn hình nhằm phục vụ đến tất cả đối tƣợng hành khách, đặc biệt thuận lợi cho ngƣời khiếm thị, khiếm thính 1
4. MỤC LỤC TÓM TẮT ĐỀ TÀI 1 Phần 1: ĐẶT VẤN ĐỀ I. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU. 5 II. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC. 5 III. NHỮNG VẤN ĐỀ CÒN TỒN TẠI. 5 Phần 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ I. MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI 7 II. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 7 III. NỘI DUNG 8 CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU 8 CHƢƠNG 2 THIẾT KẾ MODULE ÂM THANH VÀ MODULE HIỂN THỊ 9 2.1 Tìm hiểu IC thu phát âm thanh ISD2560 9 2.1.1 Đặc điểm 9 2.1.2 Hình dáng và sơ đồ chân 10 2.1.3 Sơ đồ khối bên trong của ISD2560 10 2.1.4 Các thông số hoạt động cơ bản 10 2.1.5 Mô tả chức năng các chân 11 2.2 Sơ đồ nguyên lý module thu phát âm thanh 14 2.3 Sơ đồ nguyên lý module hiển thị 14 2.3.1 Tìm hiểu led ma trận 14 2.3.2 Nguyên tắc làm sáng led 15 2.3.3 Nguyên lý làm việc của mạch quang báo 15 2.3.4 Sơ đồ nguyên lý mạch 16 CHƢƠNG 3 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ MODULE THU TÍN HIỆU 18 3.1 Tìm hiểu IC điều khiển trung tâm ATMEGA32 18 3.1.1 Đặc điểm 18 2
5. 3.1.2 Hình dáng và sơ đồ chân 20 3.1.3 Sơ đồ khối bên trong của ATMEGA32 21 3.1.4 Chuẩn giao tiếp đƣợc sử dụng SPI (Serial Pheripheral Interface) 22 3.2 Nguyên lý mạch điều khiển 25 3.3 Module thu tín hiệu 26 3.3.1 Tổng quan về encoder 26 3.3.2 Nguyên lý hoạt động cơ bản của encoder 26 IV. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC 1. Tính khoa học 29 2. Khả năng triển khai vào thực tế 29 3. Hiệu quả kinh tế - xã hội 29 Phần 3 KẾT LUẬN I. KẾT LUẬN 30 II. ĐỀ NGHỊ 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 31 3
6. DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ tổng quát của hệ thống 8 Hình 2.1 Hình dáng IC ISD2560 9 Hình 2.2 Sơ đồ chân IC ISD2560 10 Hình 2.3 Sơ đồ khối bên trong của ISD2560 10 Hình 2.4 Các thông số hoạt động cơ bản của ISD2560 10 Hình 2.5 Bảng mô tả chức năng các chân ISD2560 13 Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý module âm thanh 14 Hình 2.7 Hình dáng led ma trận 8x8 14 Hình 2.8 Sơ đồ chân led ma trận 8x8 15 Hình 2.9 Nguyên điều mạch khiển bảng quang báo 15 Hình 2.10 Nguyên lý mạch điều khiển cột 15 Hình 2.11 Nguyên lý mạch điều khiển hàng 16 Hình 3.1 Hình dáng ATMEGA32 20 Hình 3.2 Sơ đồ chân ATMEGA32 20 Hình 3.3 Sơ đồ khối bên trong ATMEGA32 21 Hình 3.4 Sơ đồ khối truyền nhận SPI 22 Hình 3.5 Sơ đồ kết nối SPI 23 Hình 3.6 Quy định chân kết nối SPI 24 Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 25 Hình 3.8 Nguyên lý hoạt động cơ bản của encoder 26 Hình 4.1 Module hiển thị 27 23 Hình 4.2 Mạch điều khiển 27 Hình 4.3 Module thu phát âm thanh 28 Hình 4.4 Hình ảnh tổng thể của hệ thống 28 4
7. PHẦN 1 ĐẶT VẤN ĐỀ I.ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU Ngày nay phƣơng tiện giao thông công cộng là một phần tất yếu của cuộc sống nhất là ở các thành phố lớn, khu đô thị phát triển, ở Việt Nam phổ biến là xe bus. Với phƣơng tiện này, bạn có thể ngồi vi vu trong không gian máy lạnh, nghe đài FM mà vẫn đến đƣợc nơi mình muốn. Tuy nhiên, bên cạnh những ƣu điểm, xe bus vẫn có những hạn chế riêng của nó. Phƣơng tiện này chỉ gần gũi cho những ai đã quen sử dụng. Lần đầu đi xe bus, không ai tránh khỏi việc xuống nhầm trạm, nhất là những ngƣời vừa làm quen với cuộc sống đô thị, chẳng hạn nhƣ sinh viên, ngƣời dân ở tỉnh đi khám bệnh, thăm ngƣời thân Với thực trạng trên, nhóm thực hiện đề tài quyết định thiết kế hệ thống thông báo thông minh trên xe bus, làm cho phƣơng tiện này gần gũi hơn với ngƣời dân. II.TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC Từ thập kỷ 80 của thế kỷ 20, nhiều nƣớc trên thế giới đã bắt đầu nghiên cứu hệ thống giao thông thông minh. Đến nay Nhật Bản là quốc gia đi đầu trong lĩnh vực triển khai ứng dụng hệ thống giao thông thông minh. Bên cạnh đó, Mỹ và các nƣớc Châu Âu cũng quan tâm nhiều đến việc xây dựng hệ thống này Từ cuối những năm 90 của thế kỷ 19, khái niệm hệ thống giao thông thông minh mới đƣợc nhắc đến ở Việt Nam. Tuy nhiên, đến nay mới chỉ có một số sách báo giới thiệu khái quát về hệ thống này, nhƣng chƣa đi sâu nào phân tích, giải quyết các vấn đề chuyên môn. Mặc dù đƣợc đánh giá là xu thế phát triển tất yếu, nhƣng việc xây dựng hệ thống giao thông thông minh ở nƣớc ta không phải là đơn giản vì đòi hỏi có sự đầu tƣ rất lớn. Do đó việc xây dựng một hệ thống giao thông thông minh cho xe bus hoàn chỉnh trên toàn quốc là chƣa khả thi so với điều kiện của Việt Nam hiện nay. Nhƣng với quy mô một tuyến đƣờng, đoạn đƣờng, khu vực thì điều này không còn xa vời. Các thành phố lớn trong nƣớc đều đã quan tâm tới việc xây dựng các trung tâm quản lý, điều hành giao thông. Trong tƣơng lai hệ thống giao thông thông minh là giải pháp toàn diện, hiệu quả nhất cho công tác quản lý, điều hành giao thông, góp phần giảm thiểu tai nạn, ách tắc giao thông và hiện đại hóa ngành giao thông vận tải. Nó không những là xu thế tất yếu của sự phát triển trong tƣơng lai, mà còn có tính khả thi nhất định ở Việt Nam. III.NHỮNG VẤN ĐỀ CÒN TỒN TẠI Trên các tuyến xe bus ở nƣớc ta nói chung và thành phố Hồ Chí Minh nói riêng, việc thông báo trạm dừng, thời điểm lên xuống trạm đều đƣợc thực hiện bằng yếu tố con ngƣời. Do đó sẽ tồn tại nhiều hạn chế nhất là trong thời điểm bus đông khách, viêc chen lấn ồn ào 5
8. làm cho hành khách khó nắm bắt đƣợc thông tin dẫn đến lên xuống nhầm trạm, đi quá trạm. Làm việc dài trong môi trƣờng phục vụ đông ngƣời trong thời gian dài dễ gây cho ngƣời tiếp viên xe bus mệt mỏi, nóng nảy mất bình tĩnh không làm tốt đƣợc nhiệm vụ của mình. Để khắc phục tình trạng trên cần có một hệ thống thông báo trên xe bus thay thế con ngƣời, giải phóng sức lao động cho con ngƣời, phục vụ một cách liên tục và linh hoạt cho hành khách. 6
9. PHẦN 2 GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ I.MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI Thiết kế hệ thống thông báo thông minh trên xe bus phục vụ đông đảo nhu cầu sử dụng của đông đảo ngƣời dùng xe bus làm phƣơng tiện đi lại. Tự động hóa quá trình thông báo các trạm lên xuống, dự báo khoảng cách đến trạm kế tiếp. Sử dụng hệ thống này giúp cho việc thông báo sẽ linh hoạt và liên tục, thuận lợi cho con ngƣời trong việc đi lại bằng xe bus. Đề xuất phƣơng án xây dựng một hệ thống giao thông thông minh áp dụng quản lý các tuyến xe bus trên địa bàng thành phố. II.PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU II.1. Phƣơng pháp tham khảo tài liệu: Liên hệ thƣ viện Trƣờng ĐH SPKT TPHCM mƣợn sách có liên quan đến đề tài và ghi chép tài liệu để tiến hành nghiên cứu. Thu thập tài liệu trên internet, sử dụng nhiều từ khóa và thủ thuật internet để tìm kiếm những tài liệu có liên quan, hổ trợ cho công việc nghiên cứu. Tham khảo những hệ thống xe bus thông minh ở các nƣớc phát triển II.2.Phƣơng pháp phân tích thực nghiệm: Tiến hành mô phỏng module mạch điện trên phần mềm máy tính, thi công mạch điện tử và thí nghiệm trực tiếp trên xe máy, cho hệ thống hoạt động theo chƣơng trình đã lập trình trƣớc. Phân tích, điều chỉnh các số liệu để đƣa ra kết quả tối ƣu. 7
10. III.NỘI DUNG CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU Giao thông – vấn đề không chỉ riêng nƣớc ta mà đƣợc cả thế giới quan tâm bởi vai trò quan trọng và ảnh hƣởng lớn đến nhiều mặt kinh tế, xã hội, môi trƣờng. Nhiều nƣớc trên thế giới, đặc biệt là các nƣớc phát triển đều có hệ thống điều khiển giao thông thông minh tại các đƣờng phố ở đô thị lớn. Việc đƣa công nghệ khoa học - cụ thể là công nghệ tự động hoá - áp dụng vào thực tế của ngành giao thông vận tải Việt Nam đã đƣợc nhiều nhà khoa học quan tâm, đã có nhiều công trình khoa học nghiên cứu nhằm giải quyết những vấn đề bức xúc, song chƣa mang lại nhiều kết quả đáng kể trong thực tiễn. Ở nƣớc ta nhu cầu sử dụng phƣơng tiện giao thông công cộng của ngƣời dân ngày càng phổ biến, đặc biệt là việc sử dụng xe bus để đi lại ngày càng nhiều. Tuy nhiên, do cơ sở hạ tầng ở nƣớc ta chƣa thật sự tốt nên việc sử dụng xe bus gặp 1 số vấn đề: ngƣời đi xe bus không biết đƣợc vị trí các trạm dừng của xe bus và thời gian xe đến tram; ngƣời chờ ở trạm chờ không biết khi nào xe đến; không nhìn rõ xe đang đến trạm là xe số mấy?. Do đó không tránh khỏi việc lên nhầm xe, xuống nhầm trạm . Từ những lợi ích của việc sử dụng xe bus làm phƣơng tiện lƣu thông và tính cần thiết của hệ thống báo hiệu trên xe bus nhóm đã quyết định thực hiện đề tài: Thiết kế hệ thống thông báo thông minh trên xe bus Sơ đồ tổng quát của hệ thống LCD ENCODER MOTOR ATMEGA32 (CONTROLER) SOUND MODULE Hình 1.1 Sơ đồ tổng quát của hệ thống 8
11. CHƢƠNG 2 THIẾT KẾ MODULE ÂM THANH VÀ MODULE HIỂN THỊ 2.1 Tìm hiểu IC thu phát âm thanh ISD2560 Cùng với ISD2560, các IC ISD2575/2590/25120, là loạt các IC chuyên dụng dùng để thu (record) và phát lại (playback) âm thanh. Đây là các IC chuyên dụng chất lƣợng cao với nhiều đƣờng điều khiển cũng nhƣ nhiều mode chức năng hoạt động có thể đáp ứng đƣợc một số yêu cầu nhất định trong lĩnh vực thu và phát lại âm thanh 2.1.1 Đặc điểm Dễ sử dụng thu và phát giọng nói, âm thanh, nhạc Phát lại âm thanh và giọng nói với chất lƣợng cao. Thời gian ghi 60 giây. Tự động tiết kiệm nguồn khi ở trạng thái Standby với dòng 1μA. Có thể định đƣợc địa chỉ để lƣu nhiều đoạn âm thanh, truy xuất đoạn âm thanh đó. Thời gian bảo toàn dữ liệu 100 năm. Số lần ghi tối đa 100.000 lần. Có bộ dao động nội trên chip. Nguồn cung cấp +5V. Nhiệt độ chịu đựng trong công nghiệp 400 C ÷ 850 C. Tần số lấy mẫu 8 Khz. 2.1.2 Hình dáng và sơ đồ chân Hình 2.1 Hình dáng ISD2560 9
12. Hình 2.2 Sơ đồ chân ISD2560 2.1.3 Sơ đồ khối bên trong của ISD2560 Hình 2.3 Sơ đồ khối bên trong của ISD2560 2.1.4 Các thông số hoạt động cơ bản Tên thông số Giá trị Điện áp nguồn cung cấp 4.5V – 6.5V Nhiệt độ hoạt động 00C – 500C Điện áp đất 0V Tần số lấy mẫu 8 KHz Lọc dãi thông 3.4 KHz Ngõ ra loa 50mW đối với loa 16Ω Điện áp cung cấp cực đại 7V Hình 2.4 Các thông số hoạt động cơ bản của ISD2560 10
13. 2.1.5 Mô tả chức năng các chân Tên chân Số chân Chức năng Ax / Mx 1-10/1-7 Address/Mode inputs : Các chân này có hai chức năng phụ thuộc vào mức điện áp trên hai bit có trọng số cao nhất của các chân địa chỉ (A8 và A9). Nếu một trong hai bit này ở mức thấp, tất cả các ngõ vào đƣợc xem nhƣ các bit địa chỉ và đƣợc sử dụng nhƣ địa chỉ bắt đầu cho chu kỳ ghi hoặc phát. Các chân địa chỉ này chỉ là các ngõ vào không xuất ra bất kỳ thông tin địa chỉ nào trong suốt quá trình vận hành. Các ngõ vào địa chỉ này đƣợc chốt bởi cạnh xuống của CE. Nếu cả hai chân A8 và A9 ở mức cao, các ngõ vào Address/Mode đƣợc xem nhƣ các bit chế độ. Có 6 mode chế độ vận hành từ M0 → M6. Ta có thể sử dụng nhiều mode vận hành đồng thời. Các mode vận hành cũng đƣợc chốt ở mỗi cạnh xuống của CE. Vì vậy các chế độ vận hành (mode) và kiểu định địa chỉ trực tiếp loại trừ lẫn nhau. Nói cách khác ta không thể sử dụng cùng lúc kiểu định địa chỉ trực tiếp và các mode. AUX IN 11 Auxiliary Input ( Ngõ vào bổ trợ ) : Chân này ghép ngõ ra của mạch khuếch đại với chân ngõ ra loa khi CE = high, P/ R = high, và playback hiện không đƣợc tích cực hoặc nếu thiết bị đang ở trạng thái tràn trong playback. Khi ghép nhiều thiết bị ISD2560 với nhau, chân AXU IN để nối tín hiệu phát lại từ thiết bị phía sau đến ngõ ra của mạch thúc loa của thiết bị phía trƣớc. Để tránh nhiễu, chân này đƣợc yêu cầu không đƣợc lái khi mảng lƣu trữ đang là tích cực. Vssa,Vssd 13, 12 Ground ( đất ) : Các IC loạt ISD2500 dùng các bus đất số và bus đất tƣơng tự riêng. Các chân này nên đƣợc nối riêng lẻ bằng các đƣờng tổng trở thấp đến mass nguồn. SP+/SP- 14/15 Speaker Outputs : loạt IC ISD2500 có thể lái một loa có trở kháng là 16Ω , công suất 50mW. Các ngõ ra loa đƣợc giữ ở mức Vssa trong suốt quá trình ghi. Không đƣợc nối song song nhiều ngõ ra loa của các IC ISD2500 hoặc ngõ ra của các thiết bị lái loa khác. Việc kết nối các ngõ ra loa song song có thể phá huỷ IC. Một ngõ ra kết thúc đơn có thể đƣợc sử dụng ( bao gồm một tụ điện nối giữa chân SP và loa ). Các ngõ ra này có thể đƣợc sử dụng riêng lẻ với ngõ ra tín hiệu của chân còn lại.Tuy nhiên, việc sử dụng ngõ ra đơn sẽ làm cho công suất ngõ ra giảm đi 4 lần. Vcca,Vssd 16, 18 Supply voltage: Để giảm nhiều các mạch điện số và tƣơng tự 11