Thiết kế và mô phỏng hệ thống điều khiển đèn giao thông cho ngã tư

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.

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn

Thái Nguyên, ngày tháng 5 năm 2011 Giáo viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) Nhận xét của giáo viên chấm

Thái Nguyên, ngày tháng 5 năm 2011

Giáo viên hướng dẫn

(Ký ghi rõ họ tên)

GVHD Th.S Nguyễn Văn Huy Trang 1

Mục lục

Lời nói đầu 4

Chương 1 Phân tích hệ thống 5

1.1 Tổng quan về hệ thống đèn giao thông 5

1.1.1 Mạch dùng IC số 5

1.1.2 Vi mạch dùng kỹ thuật vi xử lí 6

1.1.3.Điều khiển bằng vi điều khiển 6

1.1.4 Điều khiển bằng PLC 6

1.2 Xác định bài toán: 8

1.2.1 Xác định bài toán 8

1.2.2 Yêu cầu của bài toán thiết kế hệ thống điều khiển đèn giao thông 8

1.2.3 Giải pháp công nghệ 10

1.2.4 Giải pháp thiết kế 11

1.2.5 Yêu cầu và giới hạn của hệ thống điều khiền đèn giao thông dùng vi điều khiển 11

Chương 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG 12

2.1 Sơ đồ khối tổng quan của hệ thống 12

2.2 Giản đồ thời gian 13

2.3 Sơ đồ nguyên lý 14

2.3.1 Giải thích các khối 14

2.3.1.1 Bàn phím 14

2.3.1.2 Khối hiển thị 15

2.3.1.3 Khối điều khiển trung tâm 16

2.3.1.3.1 Khối reset 16

2.3.1.3.2 Khối tạo xung giao động 17

2.3.1.3.3 Khối vi điều khiển 17

2.3.1.4 Khối nguồn 18

2.3.2 Nguyên lý hoạt động 18

2.4 Sơ đồ thuật toán điều khiển hệ thống đèn giao thông 19

2.4.1 Chương trình chính 19

2.4.2.Chương trình ngắt 21

2.4.3 Chương trình led7 22

GVHD Th.S Nguyễn Văn Huy Trang 2

2.4.4 Chương trình hiển thị 23

2.4.5 Chương trình set (hiển thị thời gian cài đặt cho hệ thống) 23

2.5 Lựa chọn linh kiện 24

2.5.1 Bộ điều khiển 8 bit Pic 16F877A 24

2.5.1.1.Tổng quan về pic 24

2.5.1.2 Giới thiệu về PIC 16F877A 25

2.5.1.2.1.Sơ đồ chân 25

2.5.1.2.2 Các thông số của PIC 16F877A 25

2.5.1.2.3 Cổng xuất nhập (I/O port) 26

2.5.1.2.4 Timer 29

2.5.2 LED 7 đoạn 33

2.5.3 Diot phát quang (LED) 34

2.5.5 Điện trở 35

2.5.6 Tụ điện 35

2.5.7 Thạch anh 35

2.5.8 Nút bấm (Button): 35

2.5.9 IC ổn áp 7805 35

Chương 3 Xây dựng hệ thống 36

3.1 Chương trình điều khiển 36

3.2 Sơ đồ mạch in (layout) 38

3.2.1 Mạch điều khiển trung tâm 39

3.2.2 Mạch bàn phím 39

Chương 4 Mạch chạy mô phỏng 40

Kết luận 41

Tài liệu tham khảo 42

GVHD Th.S Nguyễn Văn Huy Trang 3

Lời nói đầu

Ngày nay cùng với sự phát triển đi lên của xã hội, các phương tiện tham gia giao thông cũng gia tăng không ngừngvà hệ thống giao thông ngày càng phức tạp Vì vậy để đảm bảo giao thông được an toàn và thông suốt thì việc sử dụng các hệ thống tín hiệu để điều khiển và phân luồng tại các nút giao thông là rất cần thiết

Nhận thấy đây là vấn đề rất sát thực, với những kiến thức đã được trang bị trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường Đại học Kỹ Thuật

Công Nghiệp chúng em đã lựa chọn đề tài:”Thiết kế và mô phỏng hệ thống

điều khiển đèn giao thông cho ngã tư ”.

Trong quá trình thực hiện đồ án chúng em đã nhận được sự chỉ bảo, hướng dẫn tận tình của các thầy cô trong khoa đặc biệt đó là sự chỉ bảo của

thầy ThS.Nguyễn Văn Huy Chúng em xin trân thành cảm ơn sự chỉ bảo của

các thầy cô!

Trong khi thực hiện đồ án do kiến thức còn hạn chế cũng như chúng

em chưa có nhiều điều kiện để đi khảo sát thực tế, với một khoảng thời gian ngắn thực hiện, do vậy mà đồ án của chúng em còn nhiều thiếu sót mong các thầy cô đóng góp và bổ xung ý kiến đề đồ án của chúng em đươc hoàn thiện hơn!

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Ngày 25 tháng 5 năm 2011

Nhóm sinh viên thưc hiện:

Trần Danh Long.

Phạm Quang Luận.

Nguyễn Tuấn Ninh.

GVHD Th.S Nguyễn Văn Huy Trang 4

Chương 1 Phân tích hệ thống.

1.1 Tổng quan về hệ thống đèn giao thông.

Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, xã hội ngàycàng văn minh và hiện đại, sự phát triển ở đô thị ngày một đi lên Nhu cầu vềgiao thông ngày càng trở nên cấp thiết, nhất là trong các khu vực thành thị

Do nhu cầu của đời sống con người, đặc biệt là nhu cầu đi lại, các loạiphương tiện giao thông đã tăng một cách chóng mặt Riêng tại Việt Nam sốlượng xe máy trong những năm qua tăng một cách đột biến, mật độ xe lưuthông trên đường ngày một nhiều, trong khi đó hệ thống đường xá tại ViệtNam còn quá nhiều hạn chế nên thường gây ra các hiện tượng như kẹt xe, áchtắc giao thông, đặc biệt là tai nạn giao thông ngày càng phổ biến trở thànhmối hiểm họa cho nhiều người

Vì lý do đó các luật giao thông lần lượt ra đời và được đưa vào sử dụngmột cách lặng lẽ rồi dần trở nên phổ biến như hiện nay Trong đó hệ thốngđèn giao thông là công cụ điều khiển giao thông công cộng thực tế và hiệuquả có vai trò rất lớn trong việc đảm bảo an toàn và giảm thiểu tai nạn giaothông

1.1.1 Mạch dùng IC số

Với mạch dùng IC số có các ưu điểm sau:

- Tổn hao công suất bé, mạch có thể dùng pin hoặc acquy

- Giá thành rẻ

- Mạch đơn giản dễ thực hiện Song với việc sử dụng kỹ thuật số rấtkhó khăn trong việc thay đổi chương trình Muốn thay đổi một yêu cầu nào đócủa chương trình thì buộc lòng phải thay đổi phần cứng Do đó mỗi lần phảilắp lại mạch dẫn đến tốn kém về kinh tế mà nhiều khi yêu cầu đó không thựchiện được nhờ phương pháp này

Với sự phát triển mạnh mẽ của ngành kỹ thuật số đặc biệt là cho ra đờicác họ vi xử lý, vi điều khiển hay PLC đã giải quyết được những bế tắc vàkinh tế hơn mà phương pháp dùng IC số kết nối lại không thực hiện được

GVHD Th.S Nguyễn Văn Huy Trang 5

- Số linh kiện để sử dụng trong mạch ít hơn

- Mạch đơn giản hơn so với mạch dùng IC số Song do phần cứng của vi

xử lý chỉ sử dụng CPU đơn chíp mà không có các bộ nhớ Ram, Rom, các

bộ timer, hệ thống ngắt Nên việc viết chương trình gặp nhiều khó khăn

Do vậy hiện nay để khắc phục những nhược điểm trên hiện nay người tathường dùng bộ vi điều khiển

1.1.3.Điều khiển bằng vi điều khiển.

Ngoài những ưu điểm có của hai phương pháp trên, phương pháp nàycòn có những ưu điểm sau:

- Trong mạch có thể sử dụng ngay bộ nhớ trong đối với chương trình

có quy mô nhỏ, rất tiện lợi mà vi xử lý không thực hiện được

- Nó có thể giao tiếp nối tiếp trực tiếp với máy tính mà vi xử lý cũnggiao tiếp được nhưng là giao tiếp song song nên cần có linh kiệnchuyển đổi dữ liệu từ song song sang nối tiếp để giao tiếp với máytính

- Do trong vi điều khiển có sử dụng các bộ timer, các hệ thống ngắt,câu lệnh đơn giản nên việc lập trình đơn giản, dễ thực hiện

- Phù hợp với kiến thức của sinh viên

1.1.4 Điều khiển bằng PLC

Với phương pháp điều khiển bằng PLC có những ưu điểm sau:

- Làm việc chắc chắn, liên tục và có tuổi thọ cao

- Chức năng điều khiển thay đổi dễ dàng bằng thiết bị lập trình (máytính, màn hình) mà không cần thay đổi phần cứng nếu không có yêu cầuthêm bớt các thiết bị xuất nhập

- Có thể làm việc trong nhiều điều kiện khác nhau

GVHD Th.S Nguyễn Văn Huy Trang 6

- Hướng dẫn người sử dụng đơn giản.

- Thời gian hoàn thành một chu trình điều khiển rất nhanh (vài ms) Tuyphương pháp này có nhiều ưu điểm hơn vi xử lý nhưng việc áp dụng trongcác hệ thống nhỏ là không thích hợp bởi giá thành rất cao

Ví dụ hệ thống đèn giao thông hiện nay ở Thái Nguyên.

(đèn đỏ tại ngã tư đường Minh Cầu giao nhau với đường Hoàng Văn Thụ).

Hình 1.1 Khảo sát sơ bộ tại ngã tư đường Minh Cầu

Hệ thống đèn giao thông tại ngã tư này gồm :

- Có 4 cột đèn

- Thời gian sáng của các đèn Tđỏ = 28 giây,Tvàng = 3 giây, Txanh = 25 giây

- Hiển thị thời gian đếm ngược bằng led ma trận

- Gồm 3 đèn tín hiệu Xanh, Đỏ ,Vàng

- Chỉ hoạt động ở một chế độ

- Không có chế độ phân làn xe ở các thời điểm

Với các phương pháp đã nêu ở trên ở đây chúng em lựa chọn giải phápđiều khiển bằng vi điều khiển bởi đây là phương pháp phù hợp và tối ưu nhấtvới đề tài

GVHD Th.S Nguyễn Văn Huy Trang 7

1.2 Xác định bài toán.

1.2.1 Xác định bài toán.

Thiết kế hệ thống điều khiển đèn giao thông tại ngã tư dùng vi điều khiển gồm:

- 4 cột đèn, có đèn tín hiệu phân luồng rẽ trái trước

- Hiển thị thời gian đếm lùi trên led 7 thanh ở vị trí lưng trừng cột và trênđỉnh của cột đèn

1.2.2 Yêu cầu của bài toán thiết kế hệ thống điều khiển đèn giao thông.

Trước tình hình phương tiện tham gia giao thông ngày càng gia tăngkhông ngừng và hệ thống giao thông nước ta ngày càng phức tạp Dẫn đếntình trạng ùn tắc và tai nạn giao thông ngày càng gia tăng Vì vậy để đảm bảogiao thông được an toàn và thông suốt thì việc sử dụng các hệ thống tín hiệu

để điều khiển và phân luồng tại các nút giao thông là rất cần thiết Với tầmquan trọng như vậy hệ thống điều khiển tín hiệu giao thông cần đảm bảo cácyêu cầu sau:

- Đảm bảo hoạt động một cách chính xác,liên tục trong thời gian dài

- Độ tin cậy cao

- Đảm bảo làm việc ổn định, lâu dài

- Dễ quan sát cho người đi đường

- Chi phí nhỏ, tiết kiệm năng lượng

GVHD Th.S Nguyễn Văn Huy Trang 8

Giả sử có một ngã tư như hình vẽ:

Hình 1.3 Sơ đồ mô phỏng hoạt động của 1 hệ thống đèn giao thông

- Có chu kỳ đèn tín hiệu T= TĐỏ + TXanh + TVàng

- Nếu như không có phân làn, ưu tiên hướng đi thì dễ gây ra tai nạn, ùn

tắc tại các điểm giao cắt (E, F) như trên hình vẽ

GVHD Th.S Nguyễn Văn Huy Trang 9

 Từ thực tế đó ta thiết kế hệ thống có thêm chỉ dẫn phân làn ưu tiên cho các hướng như sau: B1 đến C2 và D2 đến A1.

- Mạch điều khiển dùng vi điều khiển

- Hiện thị thời gian dùng led 7 đoạn

- Đèn báo hướng ưu tiên dùng đèn led đơn

- Các đèn báo dùng led đơn

- Bàn phím để reset và đặt thời gian cho hệ thống (thời gian 1 chu kỳ đèn)

GVHD Th.S Nguyễn Văn Huy Trang 10

1.2.4 Giải pháp thiết kế.

- Thiết kế mạch mô phỏng trên phần mềm Proteus 7

- Công cụ lập trình: phần mềm PIC C Compiler (CCS)

+ Mạch điện đơn giản

+ Giá thành thấp tính ứng dụng trong thực tế cao

+ Có khả năng mở rộng

- Giới hạn:

+ Có sự sai lệch trong thời gian so với thời gian thực

+ Khó liên kết với các hệ thống giám sát chung của hệ thống giao thông

GVHD Th.S Nguyễn Văn Huy Trang 11

Chương 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG2.1 Sơ đồ khối tổng quan của hệ thống

Hình 2.1: Sơ đồ khối tổng quan của hệ thống

Trong đó:

- Khối nguồn:

+ Nguồn 1 chiều điện áp 5V cấp cho vi điều khiển, led hiển thị

- Khối điều khiển trung tâm:

+ Vi điều khiển trung tâm

2.2 Giản đồ thời gian.

Hình 2.2: Giản đồ thời gian của các đèn Chú thích:

+ Trên giản đồ thời gian có 3 đèn màu(Xanh, Vàng, Đỏ) khi trạng thái

ở mức 1 tức là đèn đó sáng, mức 0 đèn đó tắt Chu kỳ sáng tắt các đèn đượclặp đi lặp lại như trên giản đồ

Thứ tự sáng Xanh => Vàng => Đỏ

Có ưu tiên khi đèn Xanh sáng( Ưu tiên 1 và ưu tiên 2 như đã trình bày ở trên;

Tg Xanh sáng = Tg xanh rẽ trái+ Tg xanh đi thẳng và rẽ phải)

GVHD Th.S Nguyễn Văn Huy Trang 13

2.3 Sơ đồ nguyên lý.

b1 b3 b5

a c e g 1

b7

a c e f g

v1 x1

v2 d2

RN2

c1

x1 v1 d1

RN1 c0

RE0 RE1 RE2 b0

RD0/PSP0 19RD1/PSP1 20

RB7/PGD 40RB6/PGCRB5 3938 RB4 37RB3/PGM 36RB2 35RB1 34RB0/INT 33

RD7/PSP7 30RD6/PSP6 29RD5/PSP5 28RD4/PSP4 27RD3/PSP3 22RD2/PSP2 21RC7/RX/DT 26RC6/TX/CKRC5/SDO 2524 RC4/SDI/SDA 23

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý khối bàn phím

- Khối nút có tác dụng để đặt thời gian (chu kỳ của đèn xanh) cho hệthống hoạt động và bắt đầu chạy hệ thống

- Khối nút bấm được chống rung bằng phần mềm và phần cứng

+ Chống rung bằng phần mềm: tạo khoảng thời gian trễ giữa cáclân bấm phím

GVHD Th.S Nguyễn Văn Huy Trang 14

+ Chống rung bằng phần cứng nối thêm tụ 10µF mắc song songvới phím bấm

- Trong hệ thống này khối nút bấm sẽ được thiết kế riêng trên 1 bo mạchcùng với nút bấm của khối reset

 Nguyên lý hoạt động

Khi cấp nguôn nếu như không có phím nào được bấm hệ thông sẽ ởtrạng thái chờ Nếu các phím bấm nối với cổng RE0 và RE1 của PIC đượcbấm (ứng với mức logic 0) thì chương trình sẽ chạy theo thời gian thiết lậpkhi bấm phím start (nối với cổng RE2) Nếu các phím SET TIME không đượcbấm thì khi bấm phím Start chương trình sẽ chạy theo thời gian mặc định đãđặt với chu kỳ đèn là: Rẽ trái 10s,đi thẳng 17s ,vàng 3s và đỏ là 30s ở cả hainhánh

2.3.1.2 Khối hiển thị

a b c d e f g 1 2

D1 v1 x1 rn1

RE TRAI

DI THANG

DEN VANG DEN DO LED 7 THANH HIEN THI THOI GIAN DEM NGUOC

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị

- Đèn xanh sáng ứng với cổng RB0 (của nhánh 1) và RB4 (của nhánh 2)được xuất mức logic 1 mở tranzitor Q1 và Q5 khuếch đại dòng điện vàđưa vào đèn tín hiệu (đèn led)

- Đèn xanh đi thẳng sáng ứng với cổng RB1 (của nhánh 1) và RB5 (củanhánh 2) được xuất mức logic 1 mở tranzitor Q2 và Q6 khuếch đại dòngđiện và đưa vào đèn tín hiệu (đèn led)

GVHD Th.S Nguyễn Văn Huy Trang 15

- Đèn vàng sáng ứng với cổng RB2 (của nhánh 1) và RB6 (của nhánh 2)được xuất mức logic 1 mở tranzitor Q3 và Q7 khuếch đại dòng điện vàđưa vào đèn tín hiệu (đèn led).

- Đèn đỏ sáng ứng với cổng RB3 (của nhánh 1) và RB7 (của nhánh 2)được xuất mức logic 1 mở tranzitor Q4 và Q8 khuếch đại dòng điện vàđưa vào đèn tín hiệu (đèn led)

- Các đèn tín hiệu được nối chung âm

- Led 7 thanh là loại được nối chung anot Mỗi cột đèn sẽ có 2 led 7thanh hiện thị thời gian đếm ngược Chân anot chung của các led đượcđiều khiển thông qua cổng RC0 và RC1 (mức logic 1) các thanha,b,c ,d ,e ,f,g của led được điều khiển bằng cổng RD (mức logic 0) củaPIC (thanh a-RD0, thanh b-RD1, thanh c-RD2, thanh d-RD3, thanh e-RD4, thanh f-RD5, thanh g-RD6)

- Khi có tín hiệu điều khiển mức logic 1 ở chân RC0 thì led hàng chục sẽđược mở và thanh nào được nối với mức 0 sẽ sáng (tín hiệu điều khiểnlogic 0 ở cổng RD) Khi có tín hiệu điều khiển mức logic 1 ở chân RC1 thìled hàng đơn vị sẽ được mở và thanh nào được nối với mức 0 sẽ sáng (tínhiệu điều khiển logic 0 ở cổng RD)

2.3.1.3 Khối điều khiển trung tâm

- Điều khiển các khối khác thông qua phầm mềm điều khiển: xuất mứclogic 0 hay 1 ra các cổng RB, RC, RD và nhận tín hiệu logic từ cổng RE

- Khối điều khiển trung tâm gồm các khối nhỏ: Khối vi điều khiển, khốitạo xung giao động, khối reset

2.3.1.3.1 Khối reset.

Hình 2.6 Sơ đồ khối reset

GVHD Th.S Nguyễn Văn Huy Trang 16

- Khối RESET có tác dụng đưa vi điều khiển về trạng thái ban đầu Khinút Reset được ấn điện áp +5V từ nguồn được nối vào chân Reset của viđiều khiển được chạy thẳng xuống đất lúc này điện áp tại chân vi điềukhiển thay đổi đột ngột về 0, vi điều khiển nhận biết được sự thay đổi này

và khởi động lại trạng thái ban đầu cho hệ thống

2.3.1.3.2 Khối tạo xung giao động.

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý khối tạo xung dao động

Đây là bộ dao động thạch anh có tác dụng tạo xung nhịp với tần số20MHz cho vi điều khiển hoạt động Hai đầu này được nối vào 2 chânXTAL1 và XTAL2 của vi điều khiển

2.3.1.3.3 Khối vi điều khiển.

Hình 2.8 Sơ đồ chân PIC16F877A

GVHD Th.S Nguyễn Văn Huy Trang 17

- Các đèn tín hiệu được điều khiển thông qua cổng RB, Led 7 thanh đượcđiều khiển bằng cổng RD và RC của PIC 16F877A

+ Khối nút bấm được nối vào các chân 9,10, 11(RE0,RE1,RE2)+ Khối dao động nối vào chân 13 14(OSC1 ,OSC2)

+ Khối nguồn nối vào chân 11,12 và 31, 32 Vcc vào chân 11 và32.GND vào chân 12 và 31

+ Khối Reset nối vào chân 1 (MCLR)

2.3.1.4 Khối nguồn.

Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn

Đây là mạch dùng để tạo ra nguồn điện áp chuẩn +5V Sử dụngIC7805.Đầu vào là điện áp xoay chiều sau khi được biến đổi qua máy biếnthế, đưa vào bộ Diod cầu để cho ra dòng điện một chiều( lúc này điện áp nằmtrong khoảng từ 7->10V) Sau khi đi qua IC ổn áp 7805 sẽ tạo ra nguồn điện

áp chuẩn +5V cung cấp cho mạch.IC ổn áp 7805: đầu vào > 7V đầu ra 5V,

500 mA Mạch ổn áp: cần cho vi điều khiển vì nếu nguồn cho vi điều khiểnkhông ổn định thì sẽ treo vi điều khiển, không chạy đúng hoặc reset liên tụcthậm chí là chết vi điều khiển

- Thời điểm thứ 2 đèn xanh đi thẳng và đèn đỏ ở nhánh 2 sáng

GVHD Th.S Nguyễn Văn Huy Trang 18

- Thời điểm thứ 3 đèn vàng ở nhánh 1 và đèn đỏ ở nhánh 2 sáng.

- Thời điểm thứ 4 đèn đỏ ở nhánh 1 và đèn xanh rẽ trái ở nhánh 2 sáng

- Thời điểm thứ 5 đèn đỏ ở nhánh 1 và đèn xanh đi thẳng ở nhánh 2 sáng

- Thời điểm thứ 6 đèn đỏ ở nhánh 1 và đèn vàng ở nhánh 2 sáng

- Đồng thời trên các led sẽ hiện thị thời gian đếm ngược dần xuống 00theo thời gian trễ là 1s Sau đó hệ thống sẽ lặp lại trạng thái hoạt động từthời điểm đầu tiên

- Nếu ấn nút Reset hệ thống sẽ trở về trạng thái chờ ban đầu.

2.4 Sơ đồ thuật toán điều khiển hệ thống đèn giao thông.

2.4.1 Chương trình chính.

Hinh 2.10 Sơ đồ thuật toán chương trình chính GVHD Th.S Nguyễn Văn Huy Trang 19

Begin

Chạy theo thời gian mặc định

Chương trình chính

Thiết lập thời gian

Kiểm tra nút

ấn

kt=0

Kt=1

Hiển thị

Bắt đầu chương trình chính sẽ kiểm tra phím bấm :

- Nếu kt=0 không thay đổi thời gian hoạt động và chương trình sẽ chạy theo thời gian mặc định đặt sẵn

GVHD Th.S Nguyễn Văn Huy Trang 20

2.4.2.Chương trình ngắt

Hình 2.11 Sơ đồ thuật toán điều khiển chương trình ngắt

GVHD Th.S Nguyễn Văn Huy Trang 21

1

time=-F

T

time=t3

2.4.3 Chương trình led7

Hình 2.12 Sơ đồ thuật toán điều khiển chương trình led7

GVHD Th.S Nguyễn Văn Huy Trang 22

L1=(time/ 1) % 10

L2=(time/ 10) % 10

End