Báo cáo đề tài khoa học kĩ thuật dành cho học sinh trung học, đề tài thiết bị cảnh báo và chặn xe quá tải

Nguyên nhân: do trước cầu chưa có thiết bị cảnh báo cho lái xe biết xe đãchở quá trọng tải quy định của cầu và thiếu thiết bị chặn những lái xe cốtình vượt qua cầu mặc dù xe đã chở qu

ĐỀ TÀI: THIẾT BỊ CẢNH BÁO VÀ CHẶN XE QUÁ TẢI

MỤC LỤC

1 PHẦN MỞ ĐẦU

1.1 Lý do chọn đề tài

1.2 Giả thuyết khoa học

1.3 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu

1.3.2 Yêu cầu

1.3.3 Phạm vi của đề tài và phương hướng mở rộng

1.4 Thiết kế và phương pháp nghiên cứu

1.4.1 Tiến trình

1.4.2 Phương pháp nghiên cứu

1.4.3 Thời gian nghiên cứu

2 PHẦN NỘI DUNG

2.1 Lựa chọn phương án

2.1.1 Phương pháp tuyên truyền, giáo dục và xử lý theo pháp luật

2.1.2 Phương pháp sử dụng người giám sát

2.1.3 Phương pháp sử dụng hệ thống camera giám sát

2.1.4 Phương pháp cân xe trước khi đi qua đường, cầu kết hợp với barie

chắn

2.2 Phân tích dữ liệu

2.2.1 Xây dựng phương án

2.2.2 Sơ đồ khối (Lưu đồ thuật toán) và sơ đồ nguyên lí

2.3 Tìm hiểu linh kiện trong thiết bị

2.3.1 Đèn cảnh báo

2.3.2 Mạch báo âm thanh

2.3.3 Thanh chắn (barie)

2.3.4 Hệ thống cân trọng tải xe

2.4 Lắp ráp sản phẩm

2.5 Cài đặt ban đầu

2.6 Nguyên lý hoạt động

3 KẾT QUẢ, THẢO LUẬN VÀ KẾT LUẬN

3.1 Lợi ích

3.2 Khả năng thực hiện

3.3 Về khả năng cảnh báo

Trang 0

3.4 Về khả năng chặn 3.5 Hướng phát triển của đề tài TÀI LIỆU THAM KHẢO

Thực tế, đã có nhiều tai nạn nghiêm trọng do ô tô chở quá tải so vớitrọng tải cho phép của cầu, đường tài xế chở quá tải gây tai nạn như:

Trang 1

Đã gây hư hỏng nghiêm trọng cho các đoạn đường này, nhất là các đoạn đường bê tông vừa được nhà nước và nhân dân cùng làm trong công cuộc thực hiện nông thôn mới, đô thị văn minh

Ngày 20/07/2020, Ủy ban An toàn giao thông quốc gia đã có văn bản đềnghị Chủ tịch Ủy ban nhân dân, kiêm Trưởng ban an toàn giao thông tỉnhHòa Bình kiểm tra, xác minh và xử lý nghiêm tình trạng xe quá tải hoànhhành ở Hòa Bình Nên em/chúng em có suy nghĩ phải thiết kế được mộtthiết bị có thể cảnh báo và ngăn xe quá tải qua cầu, đường Giúp góp mộtphần nhỏ khắc phục những hư hỏng, bất cập về kết cấu hạ tầng giao thôngbảo đảm người dân đi lại thuận lợi, an toàn; đẩy mạnh công tác tuyên

Trang 2

truyền các quy định của pháp luật về tải trọng xe, thiệt hại do xe quá tảigây ra

Nền kinh tế nước ta không ngừng được phát triển, kéo theo sự pháttriển của đa số các ngành nghề, trong đó có ngành giao thông vận tải vậnchuyển hàng hóa từ nơi này đến nới khác Nói cách khác vận chuyển hánghóa từ nơi sản xuất tới nơi tiêu dùng Tuy nhiên xét về cơ sở hạ tầng thì cáccon đường của nước ta nhìn chung chưa đảm bảo trong lĩnh vực giao thôngthông suốt Hiện nay, loại hình xe tải ngày càng xuất hiện nhiều, đặc biệt

xe tải có trọng lượng hàng hóa lớn: Oto Xitec, xe kéo rơ moóc, một số xetải chở vượt quá trọng tải Những xe này thường hay chở vượt quá tải trọnghàng hóa từ 8 đến 20 tấn … Xét về mối quan hệ giữa tải trọng trục xe cơgiới và chỉ số làm hư hỏng đường bộ và hệ thống cầu các nhà khoa học đãtình toán nếu tải trọng trục xe tăng lên từ 8 đến 16 tấn thì mức độ làm hưhỏng đường bộ, cầu tăng 20 lần

Những xe này khi lưu thông qua các đoạn đường có cầu tải trọngyếu, hoặc do lái xe chưa chú ý hoặc cố tình đi qua cầu sẽ làm cầu gãy thậmchí sập cầu Việc này ảnh hưởng rất lớn trong giao thông vùng lân cận vàthiệt hại đến kinh tế thậm chí tính mạng của nhân dân

Ngoài ra còn gây ra các hệ lụy khác ảnh hưởng tới gia đình các lái xe

do phải đền bù cơ sở vật chất làm kinh tế gia đình sa sút, thậm chí nợ nầnchồng chất không có cơ hội trả được

Theo các kết quả nghiên cứu về cầu đường bộ: Một số cầu xây dựng có

trọng tải nhỏ chưa đáp ứng sự phát triển các dòng xe tải chở hàng tải trọng lớn Mặt khác một số lái xe do tham lợi nhuận nên chở hàng trọng tải quá nhiều so với thiết kế xe

Nguyên nhân: do trước cầu chưa có thiết bị cảnh báo cho lái xe biết xe đãchở quá trọng tải quy định của cầu và thiếu thiết bị chặn những lái xe cốtình vượt qua cầu mặc dù xe đã chở quá trọng tải của cầu

Dưới đây là một số hình ảnh trong thời gian qua xe quá tải trọng cầu gâycác tai nạn nghiêm trọng:

Trang 3

Xe 30 tấn đi qua cầu trọng tải 15 tấn ở Sập cầu ở Đồng Nai

Lâm Hà - Lâm Đồng sập vào 06/2009

1.2 Giả thuyết khoa học

Cân điện tử là thiết bị cân chính xác khối lượng, vậy có thể sử dụngcân điện tử để cân trọng tải xe, từ đó đưa ra phương pháp cảnh báo cũngnhư ngăn chặn các xe đi vào các đoạn đường, các cây cầu có trọng tải vượtmức cho phép không?

1.3 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Trước tiên chúng ta phải xác định rõ mục tiêu và yêu cầu của bàitoán

1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu

Thiết bị cảnh báo và chặn xe quá tải khi đi qua cầu, đường được thiết

- Thiết bị hoạt động cảnh báo và bảo vệ tự động không cần người điềukhiển, bảo vệ an toàn trong hệ thống giao thông đường bộ

- Tránh thiệt hại lớn về kinh tế, nhu cầu lưu thông của nhân dân vànhững thiệt hại khác do hỏng đường, sập cầu gây ra

Trang 4

1.3.2 Yêu cầu

-Thiết bị làm việc ổn định, độ chính xác cao

-Có khả năng đưa vào ứng dụng trong thực tế

Với thực tế bài toán này chúng ta phải thiết kế 2 thành phần cơ bản:

-Thiết bị cân xe để xác định trọng tải của xe

-Thiết bị cảnh báo, và ngăn chặn

1.3.3 Phạm vi của đề tài và phương hướng mở rộng

- Vì kiến thức còn hạn hẹp, chưa hiểu nhiều về kiến thức lập trình nênchúng em chỉ thiên về vấn đề cơ khí và phương án thực hiện

- Hướng mở rộng: Sau khi tìm hiểu được nhiều hơn về lập trình, chúng

em sẽ phát triển đề tài này để thiết bị có nhiều tính năng hơn như:

+ Kết hợp với camera quay phim, chụp ảnh lại các xe chở quá tải để gửiđến các cơ quan chức năng để xử lý

+ Phân luồng được các phương tiện như xe máy, xe ô tô con, xe tải… đểcác xe không quá tải vẫn tiếp tục giao thông được qua đường hoặc cầu nếucó xe quá tải bị chặn lại

1.4 Thiết kế và phương pháp nghiên cứu

-Viết báo cáo

1.4.2 Phương pháp nghiên cứu

-Phương pháp thu thập số liệu

2 PHẦN NỘI DUNG

2.1 Lựa chọn phương án

2.1.1 Phương pháp tuyên truyền, giáo dục và xử lý theo pháp luật

Thường xuyên, các cơ quan chức năng và chính quyền địa phươngkiểm tra, xác minh, làm rõ thông tin theo phản ánh của dư luận; xử lýnghiêm hành vi vi phạm về tải trọng phương tiện; tập trung kiểm soát, xử

lý tại các tuyến đường nóng về xe vi phạm tải trọng phương tiện, xử lýngay tại đầu mối hàng hóa (mỏ vật liệu, chân công trình xây dựng, bếncảng, kho bãi)

Gắn trách nhiệm người đứng đầu lực lượng chức năng và chínhquyền địa phương để xảy ra tình trạng phương tiện chở quá tải tham giagiao thông trên địa bàn và chịu trách nhiệm trước Chủ tịch Ủy ban nhândân tỉnh

Đồng thời, rà soát toàn bộ các đơn vị kinh doanh vận tải trên địa bàn,

xử lý nghiêm theo quy định của pháp luật đối với tổ chức, cá nhân có hành

vi vi phạm chở quá tải trọng cho phép, vi phạm về kích thước thùng xe;khắc phục những hư hỏng, bất cập về kết cấu hạ tầng giao thông bảo đảmngười dân đi lại thuận lợi, an toàn; đẩy mạnh công tác tuyên truyền các quyđịnh của pháp luật về tải trọng xe, thiệt hại do xe quá tải gây ra

Tuy nhiên, do ý thức chấp hành của các tài xế, các doanh nghiệp làchưa tốt nên tình trạng này vẫn khó có thể thực hiện trong ngày một ngàyhai mà cần có một giải pháp cụ thể khác

2.1.2 Phương pháp sử dụng người giám sát

Hiện nay trên một số địa bàn dân cư, với tình trạng xe quá khổ quátải thường xuyên hoạt động gây ra tình trạng hư hỏng nghiêm trọng về cầuđường; gây mất an toàn cho người dân, nên người dân đã chủ động phâncông các cá nhân cụ thể hoặc yêu cầu các cơ quan chức năng cắt cử ngườicó trách nhiệm đứng ra giám sát và ngăn không cho các xe này đi qua cáccon đường, các cây cầu này Đây là một giải pháp có tính khả thi hơnphương pháp trên Tuy nhiên, với phương pháp cảm tính này rất khó để xácđịnh dược cụ thể xe nào quá tải, quá tải bao nhiêu; đồng thời không phảilúc nào cũng giám sát được 24 giờ trong ngày và nhiều lúc gặp sự chốngđối của tài xế, chủ hàng Nên chúng ta vẫn phải cần một phương pháp kháctối ưu hơn để thay thế

2.1.3 Phương pháp sử dụng hệ thống camera giám sát

Sử dụng camera an ninh để giám sát, sau đó nhắc nhở hoặc báo với

cơ quan chức năng để phối hợp răn đe, xử lý trách nhiệm

Trang 6

Phương pháp này có ưu điểm là ít tốn kém, có bằng chứng rõ ràng,có thể đánh vào ý thức của người tham gia giao thông Tuy nhiên vớicamera thì không thể xác định được xe nào quá tải, xe nào không và các lái

xe vẫn chạy qua các tuyến đường, cầu nên vẫn gây hư hỏng Nên cần tìmmột phương pháp tối ưu hơn

2.1.4 Phương pháp cân xe trước khi đi qua đường, cầu kết hợp với barie chắn

Phương pháp này là chúng ta sẽ đặt các cân trọng tải lớn trước cáccầu hoặc đường, sau đó so sánh với trọng tải cho phép của xe đi qua cáccây cầu, đường này Nếu xe có trọng tải vượt trọng tải cho phép thì barieđược tự động hạ xuống, không cho xe đi qua

Đây là phương pháp có thể xác định chính xác được trọng tải của xe,

là cơ sở quan trọng nhất để đảm bảo an toàn cho các cây cầu, các conđường Tránh gây hư hỏng cho các con đường này Mặt khác các lái xe,chủ hàng khó có thể chống đối như các phương pháp trên Đồng thờiphương pháp này có thể hoạt động ổn định và trong thời gian liên tục nênđảm bảo chặn bất cứ xe quá tải nào ở trong thời gian nào

Dựa trên các phân tích trên, chúng em quyết định sử dụng phươngpháp cân xe trước khi đi qua đường, cầu kết hợp với barie chắn để thựchiện đề tài này

2.2 Phân tích dữ liệu

2.2.1 Xây dựng phương án

Sau khi lựa chọn được phương án tối ưu nhất để giải quyết vấn đề là

sử dụng phương pháp cân trọng tải các xe, sau đó sẽ đưa ra phương phápcảnh báo và ngăn chặn cho phù hợp thì bước tiếp theo, chúng em đã thửnghiệm các phương án cân trọng tải xe cho phù hợp và hoạt động hiệu quảnhất bằng phương pháp thực nghiệm và thử sai

- Cách 1 sử dụng cân lò xo (cân bàn)

Trang 7

Chúng em sử dụng 1 công tắc hành trình gắn vào dưới đĩa cân và căn chỉnhsao cho khi đặt vật lên có giá trị bằng giá trị căn chỉnh (ví dụ là 1Kg) thìcông tắc hành trình được đóng lại, và hệ thống cảnh báo cũng như hệ thốngngăn chặn hoạt động Tuy nhiên, sau khi xem xét lại vấn đề thì chúng emthấy phương án này tuy hoạt động được trên mô hình, nhưng không có cân

lò xo nào có thể cân giá trị đến đơn vị tấn, nên không khả thi khi áp dụng ởthực tế

- Cách 2: Sử dụng cân điện tử (Cảm biến khối lượng)

Sử dụng các cảm biến đo khối lượng (Load Cell) để xác định khối lượng/trọng tải của xe, từ đó điều khiển các relay đóng mạch điện để phát tín hiệucảnh báo và điều khiển barie chặn xe qua cầu, đường

Hiện trên thị trường có nhiều loại loadcell có thể xác định khối lượng từ1Kg đến hàng trăm tấn, nên có thể áp dụng phương pháp này để đo khốilượng xe một cách chính xác nhất Dựa trên phân tích trên, chúng em quyếtđịnh chọn phương án là sử dụng cân điện tử, vì phương pháp này có thể ápdụng trên thực tế

- Phương án cảnh báo: sử dụng âm thanh, ánh sáng để cảnh báo.Đồng thờ sử dụng màn hình hiển thị trọng tải của xe và hàng để lần saucác tài xế ước chùng được khối lượng hàng hóa có thể chở trên các đoạnđường, con cầu đã xác định

- Phương pháp ngăn chặn: sử dụng barie điện để chặn là phương

án tối ưu nhất

2.2.2 Sơ đồ khối (Lưu đồ thuật toán) và sơ đồ nguyên lí

Qua việc xây dựng phương pháp cụ thể, chúng em hình thành lưu đồthuật toán như sau:

Trang 8

Sơ đồ nguyên lí:

Trang 9

2.3 Tìm hiểu linh kiện trong thiết bị

Dựa vào tổng quan nghiên cứu với xây dựng phương án và sơ đồthuật toán cùng với các kiến thức tự tìm hiểu về thiết bị điện, điện tử cũngnhư lập trình chúng em đã đưa ra các linh kiện trong thiết bị như sau:

2.3.1 Đèn cảnh báo

Trong lắp ráp thực tế, đèn cảnh báo được dùng là đèn chớp cảnh báonguy hiểm, có nhiều kiểu nháy và có thể xoay để cho tài xế dễ dàng nhậnbiết, nhất là trong điều kiện ban đêm

Tuy nhiên, song mô hình, để cho kích thước mô hình nhỏ gọn, chúng

em đã chọn đèn chớp LED có nháy

2.3.2 Mạch báo âm thanh

Trong lắp ráp thực tế, chúng em chọn hệ thống báo âm thanh là còihú báo động, loại có tần số cao để âm truyền được đi xa và tạo cảm giácchói tai để lái xe dễ dàng nghe thấy

Trang 10

Trong mô hình, chúng em đang sử dụng loa buzzer làm mạch báo âm thanh

2.3.3 Thanh chắn (barie)

Trên thị trường hiện nay có ba loại barie tự động là

+ Barie tự động cần thẳng: là loại barie được sử dụng phổ biến nhất Loạibarie này được sử dụng thanh chắn thẳng Trong quá trình vận hình thìthanh chắn không có sự thay đổi Model này phù hợp với những nơi códiện tích rộng, thoáng như khu công nghiệp, trung tâm thương mại, khuchung cư,…

+ Barie tự động cần gập: loại này khi vận hành thì thanh chắn sẽ bị kéo lêndạng gấp khúc Do đó, chúng phù hợp với những nơi có diện tích nhỏ, hẹpnhư trạm thu phí, tầng hầm bãi giữ xe,…

+ Barie tự động rào chắn: thay vì dùng thanh chắn thẳng, model này lạidùng hàng rào Barie này phù hợp với những nơi có yêu cầu an ninh, kiểmsoát cao như doanh trại quân đội, khu đặc kinh tế,… Do đó độ phổ biếnkhông cao

Trang 11

Dựa trên những ưu và nhược điểm trên, chúng em lựa chọn sử dụngBarie tự động cần thẳng trong để chặn xe qua cầu, đường

Barie tự động cần thẳng có 2 cơ chế điều khiển là dùng động cơ điện

và dùng thủy lực Vì hệ thống của chúng em là cơ bản dùng điện nên chúng

em chọn cơ chế điều khiển là điện Khi chưa cấp điện cho động cơ thì barieđược nâng lên, khi đó các xe có thể đi qua cầu, đường Còn nếu xe quá tảiqua trạm cân thì điện được cấp cho động cơ trong barie, làm cho barie hạxuống và xe không đi qua được

Trong mô hình, chúng em chế tạo barie dựa trên nguyên mẫu các loạibari e có bán trên thị trường

2.3.4 Hệ thống cân trọng tải xe

Như đã nói ban đầu, chúng em đang nghiên cứu về lập trình arduinonên chưa có nhiều kiến thức về mảng này Nên chúng em đã đi tham khảocode của một số đề tài thiết kế cân trên mạng, cùng với sự giúp đỡ của giáoviên tin học trong trường nên đã thiết kế được hệ thống cân với các linhkiện như sau:

Trang 12

THIẾT BỊ

Arduino

nano Arduino là một nền tảng mã nguồnmở được sử dụng để xây dựng các

ứng dụng điện tử tương tác với nhauhoặc với môi trường được thuận lợihơn Arduino giống như một máytính nhỏ để người dùng có thể lậptrình và thực hiện các dự án điện tử

mà không cần phải có các công cụchuyên biệt để phục vụ việc nạpcode

Arduino tương tác với thế giớithông qua các cảm biến điện tử,đèn, và động cơ

Arduino gồm:

- Phần cứng gồm một boardmạch mã nguồn mở (thường gọi là

vi điều khiển): có thể lập trìnhđược

- Các phần mềm hỗ trợ pháttriển tích hợp IDE (IntegratedDevelopment Environment) dùng

để soạn thảo, biên dịch code vànạp chương cho board

Load Cell Là loại cảm biến loadcell chuyên

dùng đo chính xác khối lượng,thường ứng dụng trong làm cânđiện tử

Cảm biến thường được dùng chungvới module chuyển đổi ADC 24bitHX711

Đây là mạch đọc giá trị cảm biếnloadcell với độ phân giải 24bit vàchuyển sang giao tiếp 2 dây ( clock

và data ) để gửi dữ liệu cho vi điềukhiển / Arduino

Trang 13

Mạch giảm

áp DC

LM2596

Mạch giảm áp DC LM2596 3A nhỏgọn có khả năng giảm áp từ 30Vxuống 1.5V mà vẫn đạt hiệu suấtcao (92%) Thích hợp cho các ứngdụng chia nguồn, hạ áp, cấp cho cácthiết bị như camera, motor, robot,…Mạch được dùng để hạ xuống điện

áp 5V, cấp cho arduino, HX711,loadcell

và relay hoạt động Màn hình

LCD IIC /

I2C 1602

cho

Arduino

Hiện giờ, thiết bị hiển thị LCD 1602

(Liquid Crystal Display) được dùngtrong rất nhiều các ứng dụng củaVĐK LCD 1602 có rất nhiều ưuđiểm so với các dạng hiển thị khácnhư: khả năng hiển thị kí tự đa dạng(kí tự đồ họa, chữ, số); đưa vàomạch ứng dụng theo nhiều giao thứcgiao tiếp khác nhau dễ dàng , tiêutốn rất ít tài nguyên hệ thống, giáthành rẻ,…

Các linh kiện được đấu nối và nạp chương trình và thử nghiệm và đạt đượckết quả như mong đợi

Trang 14