Thiết kế bộ điều khiển tín hiệu giao thông giao tiếp với module thu phát IR

Thiết kế bộ điều khiển tín hiệu giao thông giao tiếp với module thu phát IR

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

LỜI CAM ĐOAN

1 Những nội dung trong ĐATN này là do em thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của giảng viên hướng dẫn

2 Mọi tham khảo dùng trong ĐATN đều được trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên công trình, thời gian, địa điểm công bố.

3 Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.

Trước hết, em xin chân thành cảm ơn sự chỉ bảo tận tình cùng những tài liệuquý báu của Thầy đã giúp em hoàn thành khóa luận này Em cũng xin được gửi lờicảm ơn đến các Thầy, Cô giáo Khoa Khoa học và Công nghệ, Trường Đại học PhanChâu Trinh đã tạo mọi điều kiện học tập và nghiên cứu cho em trong suốt bốn nămhọc vừa qua Xin cảm ơn các bạn học và những người thân đã luôn giúp đỡ, độngviên và chia sẻ những lúc mình khó khăn trong thời gian thực hiện khóa luận này.

Do thời gian hạn hẹp và cũng chịu nhiều yếu tố tác động nên khoá luận sẽkhông tránh khỏi sai sót Em rất mong sẽ nhận được những ý kiến đóng góp xâydựng của Thầy, Cô và các bạn để có thể tiếp tục phát triển hướng nghiên cứu củaem

Em xin chân thành cảm ơn!

Trang phụ bìa

Lời cam đoan

Mục lục

Danh mục các hình

Danh mục các từ viết tắt

Danh mục các bảng

MỞ ĐẦU

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TÍN HIỆU GIAO

THÔNG 1

1.1 Giới thiệu về các hệ thống điều khiển tín hiệu giao thông 1

1.1.1 Sơ lược về hệ thống đèn giao thông 1

1.1.2 Mục đích và yêu cầu của hệ thống điều khiển tín hiệu giao thông 2

1.2 Phương pháp điều khiển tín hiệu giao thông 3

1.2.1 Mạch dùng IC số 3

1.2.2 Vi mạch dùng kỹ thuật vi xử lí 4

1.2.3 Điều khiển bằng vi điều khiển 4

1.2.4 Điều khiển bằng PLC 6

1.3 Lựa chọn phương án thiết kế bộ điều khiển tín hiệu giao thông 6

1.4 Một số hệ thống điều khiển tín hiệu giao thông 7

1.4.1 Hệ thống điều khiển tín hiệu giao thông ưu tiên cho người đi bộ 7

1.4.2 Hệ thống điều khiển tín hiệu giao thông cho ngã tư 7

Chương 2: TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F877A 10

2.1 Giới thiệu về vi điều khiển PIC 10

2.2 Tổng quan vi điều khiển PIC16F877A 11

2.2.1 Sơ đồ chân của PIC16F877A 11

2.3 Sơ đồ khối của vi điều khiển PIC16F877A 13

2.3.1 Tổ chức bộ nhớ 14

2.3.1.1 Bộ nhớ chương trình 14

2.3.1.2 Bộ nhớ dữ liệu 15

2.3.1.3 Stack 17

2.3.2 Các cổng xuất nhập 18

2.3.3 Bộ đếm Timer0 23

2.3.4 Bộ đếm Timer1 24

2.3.5 Bộ đếm Timer2 25

2.3.6 Bộ chuyển tín hiệu ADC 26

2.3.7 Bộ so sánh Comparator 27

2.3.8 CCP 29

2.3.9 Giao tiếp nối tiếp 31

2.3.9.1 Chuẩn giao tiếp USART 31

2.3.9.2 MSSP ( Master Synchronous Serial Port) 35

Chương 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TÍN HIỆU GIAO THÔNG TẠI NGÃ TƯ……….40

3.1 Phân tích bài toán……… 40

3.1.1 Phương pháp giảm thiểu số điểm xung đột tại ngã tư 41

3.1.1.1 Khi không có tín hiệu điều khiển giao thông, tổng số điểm xung đột ở ngã tư là 32 41

3.1.1.2 Số điểm cắt ở các ngã tư sẽ giảm xuống 8 thay cho 16 nếu cấm rẽ trái (bằng biển báo hoặc đèn tín hiệu) từ một đường ít ưu tiên (nơi rẽ trái là rất nguy hiểm) 42

3.1.1.3 Nếu điều khiển giao thông bằng đèn tín hiệu 42

3.1.1.4 Dùng tín hiệu điều khiển 4 kỳ ở ngã tư có thể loại bỏ được tất cả các điểm xung đột, ngoại trừ hai điểm rẽ (O) 43

3.1.2.1 Phương án 1 (hình 3.6a) 46

3.1.2.2 Phương án 2 (hình 3.6b) 46

3.1.2.3 Phương án 3 (hình 3.6c) 47

3.1.2.4 Phương án 4 (hình 3.7) 47

3.1.3 Các bước tiến hành khi thiết kế 47

3.2 Thời gian chu kì đèn tín hiệu cho nút giao thông………48

3.3 Lập trình PIC điều khiển tín hiệu đèn giao thông theo chu kỳ tối ưu……… 50

3.3.1 Giản đồ thời gian cho hệ thống đèn tín hiệu 50

3.3.2 Lập lưu đồ thuật toán 52

Chương 4: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH……… 55

4.1 Giới thiệu một số linh kiện sử dụng trong đồ án……… 55

4.1.1 Module thu phát hồng ngoại(IR)…… ……… ……… 55

4.1.1.1 Khái niệm tia hồng ngoại……….55

4.1.1.2 Cặp thu phát hồng ngoại PT2248 và PT2249……… 55

4.1.1.3 Led thu hồng ngoại……….56

4.1.2 Rơle……… ……….57

4.2 Phần mềm CCS……….……….58

4.2.1 Giới thiệu phần mềm CCS 58

4.2.2 Sử dụng CCS……….59

4.3 Thiết kế hệ thống……… 64

4.4 Các sơ đồ mạch được thiết kế………65

4.4.1 Mạch trung tâm 65

4.4.2 Mạch phát hồng ngoại 66

4.4.3 Mạch thu hồng ngoại 67

4.4.4 Mạch chấp hành lệnh Rơle 68

Kết luận 71

PLC : Programmable Logic Controller

PIC : Programmable Intelligent Computer VEF : Module tham chiếu điện áp trên chip

MSSP : Master Synchronous Serial Port

RC5/SDO : Serial Data Output

RC4/SDI/SDA : Serial Data Input

RC3/SCK/SCL : Serial Clock

RA5/SS/C2OUT : Serial Select

Hình 1.1 Đèn giao thông trong thực tế

Hình 1.2 Mô hình đèn giao thông ngã tư

Hình 1.3 Giản đồ thời gian đơn giản cho hệ thống tín hiệu giao thông Hình 1.4 Sơ đồ mô hình giao thông tại ngã tư

Hình 1.5 Lưu đồ thời gian cho hệ thống đèn giao thông

Hình 2.1 Sơ đồ chân của PIC16F877A

Hình 2.2 Sơ đồ khối vi điều khiển PIC16F877A

Hình 2.3 Bộ nhớ chương trình PIC16F877A

Hình 2.4 Sơ đồ bộ nhớ dữ liệu của PIC16F877A

Hình 2.5 Sơ đồ khối của Timer0

Hình 2.6 Sơ đồ khối của Timer 1

Hình 2.7 Sơ đồ khối của Timer2

Hình 2.8 Sơ đồ khối bộ chuyển đổi ADC

Hình 2.9 Sơ đồ khối bộ tạo điện áp so sánh

Hình 2.10 Sơ đồ khối của khối truyền dữ liệu USART

Hình 2.11 Sơ đồ khối của khối nhận dữ liệu USRAT

Hình 2.12 Sơ đồ kết nối của chuẩn giao tiếp SPI

Hình 2.13 Sơ đồ khối MSSP( I2C mode)

Hình 3.1 Mô hình ngã tư

Hình 3.3 Các điểm xung đột tại ngã tư khi cấm rẽ trái

Hình 3.4 Các điểm xung đột tại ngã tư khi có đèn tín hiệu

Hình 3.5 Các điểm xung đột tại ngã tư khi dùng tín hiệu điều khiển 4 kỳ

Hình 3.6 Giản đồ thời gian điều khiển THGT (Điều khiển 2 kỳ)

Hình 3.7 Giản đồ thời gian điều khiển 4 pha tín hiệu

Hình 3.8 Giản đồ thời gian sử dụng trong đồ án

Hình 3.9 Lưu đồ thuật toán chính

Hình 3.10 Lưu đồ thuật toán chế độ 0

Hình 3.11 Lưu đồ thuật toán chế độ 1

Hình 4.1 Hình dáng cặp thu phát hồng ngoại

Hình 4.2 Hình dáng led thu hồng ngoại

Hình 4.3 Hình dáng và sơ đồ của Rơle

Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý của mạch trung tâm

Hình 4.5 Sơ đồ layout của mạch trung tâm

Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý của mạch phát hồng ngoại

Hình 4.7 Sơ đồ layout của mạch phát hồng ngoại

Hình 4.8 Sơ đồ nguyên lý mạch thu hồng ngoại

Hình 4.9 Sơ đồ layout mạch thu hồng ngoại

Hình 4.10 Sơ đồ nguyên lý mạch Rơle

Bảng 2.1 Sơ đồ chân của vi điều khiển PIC Bảng 2.2 Các thông số của CCP

Bảng 2.3 Công thức tính tốc độ Baud

Chính vì các lý do nêu trên, em đã chọn đề tài nghiên cứu cho khóa luận tốt nghiệp

của mình là : “Thiết kế bộ điều khiển tín hiệu giao thông giao tiếp với module thu phát

IR”.

II Mục đích nghiên cứu

- Phân tích thiết kế một hệ thống đèn giao thông tại ngã tư có 4 chế độ và có thể dễdàng chuyển đổi các chế độ bằng điều khiển từ xa dùng IR, bước đầu xây dựng một hệthống đèn giao thông thông minh

- Xây dựng mô hình thiết bị hệ thống đèn giao thông tại ngã tư dùng PIC16F877A

có giao tiếp với module IR

III Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu cấu trúc của các hệ thống đèn giao thông trong thực tế, các phươngpháp điều khiển đèn giao thông

đèn giao thông.

- Nghiên cứu xây dựng mô hình thiết bị mô phỏng hệ thống đèn giao thông tại ngã

tư trong thực tế

IV Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết về cấu tạo hệ thống đèn giao thông

- Nghiên cứu lý thuyết về cấu trúc PIC16F877A và cách lập trình PIC16F877Abằng phần mềm CCS

- Nghiên cứu thiết kế các mạch điều khiển: mạch trung tâm, mạch giao tiếp LCD,module thu phát IR, mạch Rơle để đóng ngắt đèn giao thông…

V Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Đề tài mang ý nghĩa thực tiễn cao, góp một công cụ và phương pháp có thể sử dụngvào thiết kế các hệ thống đèn giao thông thông minh trong thực tế, góp phần đảm bảo sự

an toàn cho người tham gia giao thông

VI Cấu trúc khóa luận tốt nghiệp

Ngoài phần mở đầu, kết luận và hướng phát triển đề tài, danh mục tài liệu tham khảonội dung chính của khóa luận được chia thành 4 chương như sau:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống điều khiển tín hiệu giao thông

Chương 2: Tổng quan về vi điều khiển PIC16F877A

Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển tín hiệu giao thông tại ngã tư

Chương 4: Thiết kế chế tạo mô hình

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

TÍN HIỆU GIAO THÔNG1.1 Giới thiệu về các hệ thống điều khiển tín hiệu giao thông

1.1.1 Sơ lược về hệ thống đèn giao thông

Ngày nay cùng với sự phát triển kinh tế, việc đô thị hoá cũng đang gia tăngnhanh chóng dẫn đến lượng phương tiện lưu thông trong các đô thị cũng tăng theo

Do đó vấn đề đảm bảo giao thông trong các đô thị , đặc biệt tại các nút giao thôngdiễn ra thông suốt là rất quan trọng Để việc đi lại tại các nút giao thông được thôngsuốt và thuận lợi thì chúng ta có thể nhờ đến sự giúp đỡ của lực lượng Cảnh sát giaothông và các lực lượng khác Tuy nhiên, với các đô thị lớn có số nút giao thôngnhiều thì khó có đủ lực lượng để đảm nhiệm công việc này Mặt khác việc nhờ đến

sự giúp đỡ của Cảnh sát giao thông và các lực lượng khác cũng khó khăn và tốnkém

Hình 1.1 Đèn giao thông trong thực tế

Hệ thống đèn giao thông lần đầu tiên xuất hiện tại Anh vào năm 1868, vì cóquá nhiều xe ngựa trên đường Hệ thống này đặt gần Toà nhà Quốc hội Anh ở thủ

đô Luân Đôn Gọi là hệ thống, nhưng chỉ có một cột đèn tín hiệu và những chiếcđèn đốt bằng khí gas màu xanh và màu đỏ dùng cho buổi đêm, luôn có một cảnh sát

đứng cạnh để vận hành Hệ thống này giống như tín hiệu đèn giao thông dành cho

xe lửa Năm 1869, hệ thống thô sơ này đã bị nổ, làm viên cảnh sát vận hành đèn bịthương Đèn giao thông hiện đại dùng điện được sĩ quan cảnh sát William Pottsthuộc Cơ cảnh sát Detroit phát minh ra Thực ra, ông đã phỏng theo đèn hiệu của xelửa để dùng cho đèn giao thông đường bộ, trong đó có màu đỏ - là tín hiệu dừng lại,màu vàng - cảnh báo, và màu xanh - đường thông

Hệ thống đèn giao thông có dụng cụ đếm thời gian tự động đầu tiên được lắpnăm 1920 ở Woodward và đại lộ Michigan thuộc Detroit với chi phí chỉ 37 USD

Hệ thống này phát huy hiệu quả tốt đến mức chỉ trong vòng một năm, Detroit đãcho lắp tới 15 hệ thống tự động mới và tất cả đều được điều khiển bằng tay từnhững toà tháp ở Woodward và Michigan Ngày nay, đèn đỏ còn có cả màu cam vàđèn xanh lá thì có màu da trời để giúp những người bị mù màu có thể phân biệtđược tín hiệu Các hệ thống đèn giao thông cũng đã được điều khiển tự động vàđược sử dụng như là một công cụ không thể thiếu trên bất kỳ tuyến đường giaothông nào trên thế giới để giải quyết ùn tắc

1.1.2 Mục đích và yêu cầu của hệ thống điều khiển tín hiệu giao thông

Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, xã hội ngày càng vănminh và hiện đại, sự phát triển ở đô thị ngày một đi lên, nhu cầu về giao thông ngàycàng trở nên cấp thiết, nhất là trong các khu vực thành thị Do nhu cầu của đời sốngcon người, đặc biệt là nhu cầu đi lại, các loại phương tiện giao thông đã tăng mộtcách chóng mặt Riêng tại Việt Nam số lượng xe máy trong những năm qua tăngmột cách đột biến, mật độ xe lưu thông trên đường ngày một nhiều, trong khi đó hệthống đường sá tại Việt Nam còn quá nhiều hạn chế nên thường gây ra các hiệntượng như kẹt xe, ách tắc giao thông, đặc biệt là tai nạn giao thông ngày càng phổbiến 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 mộtcách lặng lẽ rồi dần trở nên phổ biến như hiện nay Trong đó hệ thống đèn giaothông là công cụ điều khiển giao thông công cộng thực tế và hiệu quả có vai trò rấtlớn trong việc đảm bảo an toàn và giảm thiểu tai nạn giao thông Để đảm bảo giaothông 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 tầm quan trọng nhưvậy hệ thống điều khiển tín hiệu giao thông cần đảm bảo những yêu cầu sau:

- Đảm bảo trong quá trình hoạt động một cách chính xác và liên tục

- Độ tin cậy cao

- Đảm bảo làm việc ổn định, lâu dài

-Hình 1.2 Mô hình đèn giao thông ngã tư

1.2 Phương pháp điều khiển tín hiệu giao thông

1.2.1 Mạch dùng IC số

Mạch điều khiển tín hiệu giao thông dùng IC số tương đối dễ thiết kế và chếtạo Mạch có tổn hao công suất bé, mạch có thể dùng pin hoặc ắc quy, giá thành rẻ.Nhưng mặt trái của nó là rất khó khăn trong việc thay đổi chương trình điều khiển.Muốn thay đổi một yêu cầu nào đó của chương trình thì buộc lòng phải thay đổi

phần cứng Do đó mỗi lần phải lắp lại mạch dẫn đến tốn kém về kinh tế mà nhiềukhi yêu cầu đó không thực hiện được nhờ phương pháp này

Với sự phát triển mạnh mẽ của ngành kỹ thuật số đặc biệt là cho ra đời các

họ vi xử lý, vi điều khiển hay PLC đã giải quyết được những bế tắc và kinh tế hơn

mà phương pháp dùng IC số kết nối lại không thực hiện được

1.2.2 Vi mạch dùng kỹ thuật vi xử lí

Thừa hưởng những ưu điểm như đã liệt kê trong phương pháp dùng IC số thìphương pháp dùng kỹ thuật vi xử lý còn có những ưu điểm là có thể thay đổichương trình một cách linh hoạt bằng việc thay đổi phần mềm trong khi đó phầncứng không thay đổi Đây là điểm mà mạch dùng IC số không thể thực hiện được

mà nếu có thể thực hiện được thì cũng cứng nhắc mà người công nhân cũng khótiếp cận, dễ nhầm Mạch dùng vi điều khiển có 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 lýchỉ sử dụng CPU đơn chíp mà không có các bộ nhớ Ram, Rom, các bộ Timer, hệthống ngắt Nên việc viết chương trình gặp nhiều khó khăn Do vậy, để khắc phụcnhững nhược điểm trên, hiện nay người ta thường dùng bộ vi điều khiển

1.2.3 Điều khiển bằng vi điều khiển

Tổng hợp những ưu điểm của hai phương pháp trên, phương pháp này còn cónhững 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 cũng giao tiếpđược nhưng là giao tiếp song song nên cần có linh kiện chuyển đổi dữ liệu từsong song sang nối tiếp để giao tiếp với máy tính

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

Có 4 bộ vi điều khiển 8 bit chính Đó là 6811 của Motorola, 8051 của Intel,Z8 của Xilog và Pic 16  của Microchip Technology Mỗi một kiểu loại trên đâyđều có một tập lệnh và thanh ghi riêng duy nhất, nếu chúng đều không tương thích

lẫn nhau Cũng có những bộ vi điều khiển 16 bit và 32 bit được sản xuất bởi cáchãng sản xuất chíp khác nhau, để lựa chọn vi điều khiển ta cần dựa trên những tiêuchuẩn sau:

a Tiêu chuẩn đầu tiên và trước hết trong lựa chọn một bộ vi điều khiển là nó

phải đáp ứng nhu cầu bài toán về mặt công suất tính toán và giá thành hiệu quả.Trong khi phân tích các nhu cầu của một dự án dựa trên bộ vi điều khiển chúng tatrước hết phải biết là bộ vi điều khiển nào 8 bit, 16 bit hay 32 bit có thể đáp ứng tốtnhất nhu cầu tính toán của bài toán một cách hiệu quả nhất? Những tiêu chuẩn đượcđưa ra để cân nhắc là:

 Tốc độ: Tốc độ lớn nhất mà bộ vi điều khiển hỗ trợ là bao nhiêu?

khác (DIP - đóng vỏ theo 2 hàng chân, QFP - đóng vỏ vuông dẹt)? Đây làđiều quan trọng đối với yêu cầu về không gian, kiểu lắp ráp và tạo mẫuthử cho sản phẩm cuối cùng

 Công suất tiêu thụ: Điều này đặc biệt khắt khe đối với những sản phẩmdùng pin, ắc quy

 Số chân vào – ra và bộ định thời trên chíp

thụ

thành cuối cùng của sản phẩm mà một bộ vi điều khiển được sử dụng

b Tiêu chuẩn thứ hai trong lựa chọn một bộ vi điều khiển là khả năng phát

triển các sản phẩm xung quanh nó dễ dàng như thế nào? Các cân nhắc chủ yếu baogồm khả năng có sẵn trình lượng ngữ, gỡ rối, trình biên dịch ngôn ngữ C hiệu quả

về mã nguồn, trình mô phỏng hỗ trợ kỹ thuật và khả năng sử dụng trong nhà vàngoài môi trường Trong nhiều trường hợp sự hỗ trợ nhà cung cấp thứ ba (nghĩa lànhà cung cấp khác không phải là hãng sản xuất chíp) cho chíp cũng tốt như, nếukhông được tốt hơn, sự hỗ trợ từ nhà sản xuất chíp

c Tiêu chuẩn thứ ba trong lựa chọn một bộ vi điều khiển là khả năng sẵn

sàng đáp ứng về số lượng trong hiện tại và tương lai Đối với một số nhà thiết kếđiều này thậm chí còn quan trong hơn cả hai tiêu chuẩn đầu tiên Hiện nay, các bộ

vi điều khiển họ PIC16Fxxx là có số lượng lớn nhất các nhà cung cấp đa dạng Nhàcung cấp có nghĩa là nhà sản xuất bên cạnh nhà sáng chế của bộ vi điều khiển

1.2.4 Điều khiển bằng PLC

Trong thực tế hiện nay, hầu hết các hệ thống điều khiển tín hiệu giao thôngđều sử dụng PLC Do phương pháp điều khiển tín hiệu giao thông bằng PLC cónhững 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 (máy tính, mànhình) mà không cần thay đổi phần cứng nếu không có yêu cầu thêm bớt các thiết

bị xuất nhập

- Có thể làm việc trong nhiều điều kiện khác nhau

- Thời gian hoàn thành một chu trình điều khiển rất nhanh (vài ms)

Tuy phương pháp này có nhiều ưu điểm hơn vi xử lý nhưng việc áp dụngtrong các hệ thống nhỏ là không thích hợp bởi giá thành rất cao

1.3 Lựa chọn phương án thiết kế bộ điều khiển tín hiệu giao thông

Như trên ta đã phân tích rõ ưu nhược điểm của từng phương pháp điều khiển.Tuy nhiên thực hiện đề tài này nhóm chúng em chọn phương pháp điều khiển bằng

vi điều khiển bởi đây là phương án tối ưu nhất phù hợp với đề tài Hiện nay bộ viđiều khiển PIC16F877A đang được sử dụng rộng rãi vì vậy chúng em lựa chọn bộđiều khiển này để điều khiển hệ thống

1.4 Một số hệ thống điều khiển tín hiệu giao thông

1.4.1 Hệ thống điều khiển tín hiệu giao thông ưu tiên cho người đi bộ

Hệ thống điều khiển tín hiệu giao thông ưu tiên cho người đi bộ ở trạng tháibình thường, đèn báo trên tuyến đường ô tô luôn ở trạng thái xanh Khi người đi bộmuốn qua đường, người đi bộ phải nhấn vào nút nhấn nằm trên cột đèn dành cho

người đi bộ.Sau khi nhấn nút xin đường hệ thống đèn báo trên tuyến đường được

mô tả bằng giản đồ thời gian sau:

t

t t

Xanh

0 Vµng

0 §á

0

®i bé

t §á

0

®i bé

Hình 1.3 Giản đồ thời gian đơn giản cho hệ thống tín hiệu giao thông

1.4.2 Hệ thống điều khiển tín hiệu giao thông cho ngã tư

Hệ thống đèn giao thông tại ngã tư gồm hai cột đèn chính được lắp đặt tại haiđầu của hai làn đường khác nhau ở ngã tư Mỗi một cột đèn gồm 5 đèn, đó là 3 đènchính gồm đèn xanh, đèn đỏ và đèn vàng; 2 đèn phụ là 2 đèn dùng điều khiển lànđường dành cho người đi bộ: đèn xanh người đi bộ và đèn đỏ người đi bộ

Hệ thống có lưu đồ thời gian như sau:

®i bé A , C

0 Xanh

Hình 1.5 Lưu đồ thời gian cho hệ thống đèn giao thông

Ta giả sử rằng xét ở chế độ ban ngày tại thời điểm ban đầu, đèn xanh tại vị

trí A và C sáng cho phép các phương tiện và người đi bộ đi theo chiều từ A sang C

và ngược lại đồng thời lúc này đèn đỏ tại các vị trí B và D sáng không cho các

phương tiện lưu thông đi theo chiều từ B sang D và ngược lại Sau một khoảng thời

gian, đèn xanh tại vị trí A và C và đèn đỏ tại vị trí B và D tắt Đồng thời đèn vàng

tại các vị trí sáng và đèn đỏ tại vị trí dành cho người đi bộ nhấp nháy Sau một

khoảng thời gian, đèn vàng tắt, đèn đỏ tại vị trí A và C sáng đèn xanh tại vị trí B và

D sáng Lúc này, đèn xanh cho người đi bộ tại A và C sáng, đèn đỏ cho người đi bộ

tại B và D sáng Sau khi đèn đỏ tại vị trí B và D sáng và sau khi đèn đỏ tại A và D

và đèn xanh tại B và D tắt thì đèn vàng lại sáng Ở chế độ ban đêm thì chỉ có đèn

vàng

1.5 Kết luận chương

Chương 1 đã nêu tổng quan về hệ thống đèn giao thông, lịch sử phát triểncủa hệ thống đèn giao thông, các phương pháp thiết kế bộ điều khiển đèn giaothông Phân tích ưu nhược điểm của việc sử dụng các bộ điều khiển khác nhau như:

Vi điều khiển, PLC, IC số Từ đó lựa chọn phương án điều khiển hệ thống đèngiao thông trong đồ án là dùng PIC16F877A

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F877A2.1 Giới thiệu về vi điều khiển PIC

PIC bắt nguồn từ chữ viết tắt của “Programmable Intelligent Computer”(Máy tính khả trình thông minh), là sản phẩm của hãng General Instrument đặt chodòng sản phẩm đầu tiên của họ là PIC1650 Lúc này PIC dùng để giao tiếp với cácthiết bị ngoại vi cho máy chủ 16 bit CP1600, vì vậy người ta gọi PIC với tên là

“Peripheral Interface Controller” (Bộ điều khiển giao tiếp ngoại vi) Ngày nay, rấtnhiều dòng PIC được xuất xưởng với hàng loạt các module ngoại vi được tích hợpsẵn (như: USART, PWM, ADC,…) với bộ nhớ chương trình từ 512 word đến 32Kword

PIC sử dụng tập lệnh RISC, với dòng PIC low-end (Độ dài mã lệnh 12 Bit, ví

dụ PIC12Cxxx) và mid-range (độ dài mã lệnh 14 bit , ví dụ PIC16Fxxx), tập lệnhbao gồm khoảng 35 lệnh, và 70 lệnh đối với dòng PIC high-end (có độ dài mã lệnh

16 bit PIC18Fxxxx) Tập lệnh bao gồm các lệnh tính toán trên các thanh ghi, và cáchằng số, hoặc các vị trí ô nhớ, cũng như có các lệnh điều kiện, nhảy/ gọi hàm, vàcác lệnh quay trở về, nó cũng có các chức năng phần cứng khác như ngắt hoặcSleep (Chế độ hoạt động tiết kiệm điện) Microchip cung cấp môi trường lập trìnhMPLAB0, nó bao gồm phần mềm mô phỏng và trình dịch ASM

Hiện nay có khá nhiều dòng PIC và có rất nhiều khác biệt về phần cứng,nhưng chúng ta có thể điểm qua một vài nét như sau:

- 8/16 bit CPU, xây dựng theo kiến trúc Harvard

- Flash và Rom có thể tuỳ chọn 256 byte đến 256 Kbyte

- Các cổng xuất/ nhập (mức lôgic thường từ 0Vđến 5V,ứng với mức logic 0 và 1)

- 8/16 bit Timer

- Các chuẩn giao tiếp ngoại vi nối tiếp đồng bộ/ không đồng bộ

- Bộ chuyển đổi ADC

- Bộ so sánh điện áp

- MSSP Pripheral dùng cho các giao tiếp I2C, SPI

- Bộ nhớ nội EEPROM - có thể ghi/ xoá lên tới hàng triệu lần

- Module điều khiển động cơ, đọc Encoder

- Hỗ trợ giao tiếp USB

- Hỗ trợ điều khiển Ethernet

- Hỗ trợ giao tiếp CAN

- Hỗ trợ giao tiếp LIN

- Hỗ trợ giao tiếp IrDA

- DSP những tính năng xử lý tín hiệu số

2.2 Tổng quan vi điều khiển PIC16F877A

2.2.1 Sơ đồ chân của PIC16F877A

Hình 2.1 Sơ đồ chân của PIC16F877A

2.2.2 Các thông số về vi điều khiển PIC16F877A

CPU tốc độ cao :

- Chỉ có 35 cấu trúc lệnh.

- Hầu hết các cấu trúc lệnh chỉ mất một chu kỳ máy, ngoại trừ lệnh rẽ nhánhchương trình mất hai chu kỳ máy

- Tốc độ làm việc: xung đồng hồ đến 20MHz, tốc độ thực thi lệnh 200ns

- 8K*14 words của bộ nhớ chương trình (flash program memory)

- 368*8 byte bộ nhớ dữ liệu RAM

- 256*8 byte bộ nhớ dữ liệu EEPROM

Đặc điểm ngoại vi:

- Timer0: 8 bit Timer/Counter với 8 bit bộ chia tỉ lệ

- Timer1: 16 bit Timer/Counter với bộ chia tỉ lệ có thể tăng lên trong chế độSleep theo xung đồng hồ bên ngoài

- Timer2: 8 bit Timer/Counter

- Hai Module capture, compare, PWM

+ Capturre 16 bit có độ phân giải 12,5ns

+ Compare 16 bit có độ phân giải 200ns

+ PWM 16 bit có độ phân giải 10 bit

- Cổng giao tiếp nối tiếp đồng bộ với chế độ Master và Master/ Slave

- Bộ truyền nhận nối tiếp vạn năng

- Cổng Slave song song 8 bit được điều khiển đọc ghi từ bên ngoài

Đặc điểm tương tự

- Độ phân giải 10 bit với 8 kênh chuyển đổi tương tự - số.

- Module so sánh tương tự gồm hai module so sánh tương tự, module tham chiếuđiện áp trên chip (VEF) có thể lập trình được, hai đầu ra so sánh có thể sử dụng bênngoài

2.3 Sơ đồ khối của vi điều khiển PIC16F877A

z

Hình 2.2 Sơ đồ khối vi điều khiển PIC16F877A

Khi vi điều khiển được reset, bộ đếm chương trình sẽ chỉ đến địa chỉ 0000h(Reset Vector) Khi có ngắt xảy ra, bộ đếm chương trình sẽ chỉ đến địa chỉ 0004h

(Interrupt Vector) Bộ nhớ chương trình không bao gồm Stack và không được địachỉ hoá bởi bộ đếm chương trình Bộ nhớ Stack sẽ được đề cập trong phần sau.

2.3.1.2 Bộ nhớ dữ liệu

Hình 2.4 Sơ đồ bộ nhớ dữ liệu của PIC16F877A

Bộ nhớ dữ liệu của PIC là bộ nhớ EEPROM được chia ra làm nhiều bank.

Đối với PIC16F877A, bộ nhớ dữ liệu được chia làm 4 bank Mỗi bank có dunglượng 128byte, bao gồm các thanh ghi có chức năng đặc biệt SFR (Special FunctionRegister) nằm ở các vùng địa chỉ thấp và các thanh ghi mục đích chung GPR(General Purpose Register) nằm ở vùng địa chỉ còn lại trong bank Các thanh ghiSFR thường xuyên được sử dụng sẽ được đặt ở tất cả các bank của bộ nhớ dữ liệu

giúp thuận tiện trong quá trình truy xuất và làm giảm bớt lệnh của chương trình Sơ

đồ cụ thể của bộ nhớ dữ liệu PIC16F877A như hình 1.4

+ Thanh ghi chức năng đặc biệt

Đây là thanh ghi được sử dụng bởi CPU hoặc được dùng để thiết lập và điềukhiển các khối chức năng tích hợp trên vi điều khiển

- Thanh ghi STATUS (03h, 83h, 103h, 183h): thanh ghi chứa kết quả thực hiện

phép toán của khối ALU, trạng thái RESET và các bit chọn bank cần truy xuất trong

bộ nhớ dữ liệu

- Thanh ghi OPTION_REG (81h, 181h): thanh ghi này cho phép đọc và ghi,

cho phép điều khiển chức năng Pull up của các chân trong PORTB, xác lập các

tham số về xung tác động, cạnh tác động của ngắt ngoại vi và bộ đếm Timer0

- Thanh ghi INTCON (0B, 8Bh, 10Bh, 18Bh): thanh ghi cho phép đọc và ghi,

chứa các bit điều khiển và các bit cờ hiệu khi Timer0 bi tràn, ngắt ngoại viRB0/INT và ngắt Interrupt Unchange tại các chân của PORTB

- Thanh ghi PIE1 (8Ch): chứa các bit điều khiển chi tiết các ngắt của các khối

chức năng ngoại vi

- Thanh ghi PIR1 (0Ch) : chứa cờ ngắt của các khối chức năng ngoại vi, các

ngắt này được cho phép bởi các bit điều khiển chứa trong thanh ghi PIE1

- Thanh ghi PIE2 (8Dh): chứa các bit điều khiển các ngắt của các khối chức

năng CCP2, SSP bus, ngắt của bộ so sánh và ngắt ghi vào bộ nhớ EEPROM

- Thanh ghi PIR2 (0Dh): chứa các cờ ngắt của các khối chức năng ngoại vi, các

ngắt này được cho phép bởi các bit điều khiển chứa trong thanh ghi PIE2

- Thanh ghi PCON (8Eh): chứa các cờ hiệu cho biết trạng thái các chế độ Reset

của vi điều khiển

2.3.1.3 Stack

Stack không nằm trong bộ nhớ chương trình hay bộ nhớ dữ liệu mà là mộtvùng nhớ đặc biệt không cho phép đọc hay ghi Khi lệnh Call được thực hiện haykhi một ngắt xảy ra làm chương trình bị rẽ nhánh, giá trị của bộ đếm chương trình

PC tự động được vi điều khiển cất vào trong Stack Khi một trong các lệnhRETURN, RETLW, RETFIE được thực thi, giá trị PC sẽ tự động được lấy ra từtrong Stack, vi điều khiển sẽ thực hiện tiếp chương trình theo đúng quy trình địnhtrước.

Bộ nhớ Stack trong vi điều khiển PIC họ 16F87xA có khả năng chứa được 8địa chỉ và hoạt động theo cơ chế xoay vòng Nghĩa là giá trị cất vào bộ nhớ Stacklần thứ 9 sẽ ghi đè lên giá trị cất vào Stack lần đầu tiên và giá trị cất vào bộ nhớStack lần thứ 10 sẽ ghi đè lên giá trị cất vào Stack lần thứ 2

2.3.2 Các cổng xuất nhập

Cổng xuất nhập (I/O port) chính là phương tiện mà vi điều khiển dùng đểtương tác với thế giới bên ngoài Sự tương tác này rất đa dạng và thông qua sựtương tác đó, chức năng của vi điều khiển được thể hiện một cách rõ ràng

Vi điều khiển PIC16F877A có 5 cổng xuất nhập, bao gồm PORTA, PORTB,PORTC, PORTD và PORTE Tương ứng với các thanh ghi điều khiển các cổngxuất nhập là TRISA, TRISB, TRISC, TRISD và TRISE Chức năng của từng Portxuất nhập được cho ở bảng 2.1

Bảng 2.1 Sơ đồ chân của vi điều khiển PIC

Vpp

IP

Chân Reset, tích cực ở mức thấpĐầu vào điện áp nguồn

4 AN2

VREF-CVREF

IIO

Đầu vào tương tự 2Đầu vào điện áp tham chiếuĐầu ra Vref bộ so sánh

Đầu vào tương tự 3Đầu vào điện áp tham chiếu

Đầu vào xung đồng bộ bên ngoài Đầu ra bộ so sánh 1

Đầu vào tương tự 4Đầu vào chọn chip ( SPI)Đầu ra bộ so sánh 2

Điều khiển đọc từ port Slave song songĐầu vào tương tự 5

Điều khiển ghi từ port Slave song songĐầu vào tương tự 6

CS*

AN7

I/OII

Điều khiển chọn chip từ port SlaveĐầu vào tương tự 7

11,33 VDD P Đầu vào điện áp dương

Trong chế độ RC chân OSC2 cung cấpCLK0, có tần số bằng ¼ tần số OSC1

Đầu ra bộ dao động Timer1Đầu vào xung đồng hồ Timer1

T1OSI

CCP2

I/OII/O

Đầu vào bộ dao động Timer1Đầu vào/ra capture 2 đầu ra PWM2

Dữ liệu vào (SPI)

Dữ liệu vào ra chế độ I2C

Truyền không đồng bộ USARTXung đồng bộ USART 1

RX

DT

I/OII/O

Nhận không đồng bộ USART

Dữ liệu đồng bộ USARTPORT D Là cổng hai hướng

PSP2

I/OI/O

PSP3

I/OI/O

PSP4

I/OI/O

PSP5 I/O

PSP6

I/OI/O

PSP7

I/OI/O

Đây là 1 trong 3 bộ đếm hoặc bộ định thời của vi điều khiển PIC16F877A.Timer0 là bộ đếm 8 bit được kết nối với bộ chia tần số 8bit Cấu trúc của Timer0cho phép ta lựa chọn xung Clock tác động và cạnh tích cực của xung Clock NgắtTimer0 sẽ xuất hiện khi Timer bị tràn Bit TMR0IE (INTCON<5>) là bit điều khiểncủa Timer0 Sơ đồ khối của Timer0 như sau:

Hình 2.5 Sơ đồ khối của Timer0

Các thanh ghi điều khiển liên quan đến Timer0 bao gồm:

TMR0(01h, 101h): chứa giá trị đếm của Timer0

INTCON (0Bh, 8Bh, 10Bh, 18Bh): cho phép ngắt hoạt động (GIE và PEIE)

OPTION_REG (81h, 181h) điều khiển Prescaler

2.3.4 Bộ đếm Timer1

Timer1 là bộ định thời 16 bit, giá trị của Timer1 được lưu trong hai thanh ghiTMR1H và TMR1L Cờ ngắt của Timer1 là bit TMR1IF (PIR1<0>) Bit điều khiểncủa Timer1 là TMR1IE (PIE<0>)

Tương tự như Timer0, Timer1 cũng có hai chế độ hoạt động: chế độ địnhthời (Timer) với xung kích là xung Clock của Oscillator (tần số của timer bằng ¼tần số của Oscillator) và chế độ đếm (Counter) với xung kích là xung phản ánh các

sự kiện cần đếm lấy từ bên ngoài thông qua chân RC0/T1OSO/T1CKI (cạnh tácđộng là cạnh lên)

Hình 2.6 Sơ đồ khối của 1 Timer

Các thanh ghi liên quan đến Timer1 bao gồm:

INTCON (địa chỉ 0Bh, 08Bh, 10Bh, 18Bh):cho phép ngắt hoạt động (GIE và PEIE)PIR1 (địa chỉ 0Ch): chứa cờ ngắt Timer1 (TMR1IF)

PIE1 (địa chỉ 8Ch): cho phép ngắt Timer1 (TMR1IE)

TMR1L (địa chỉ 0Eh): chứa giá trị 8 bit thấp của bộ đếm Timer1

TMR1H (địa chỉ 0Eh): chứa giá trị 8 bit cao của bộ đếm Timer1

T1CON (địa chỉ 10h): xác lập các thông số cho Timer1

2.3.5 Bộ đếm Timer2

Timer2 là bộ định thời 8 bit và được hỗ trợ bởi hai bộ chia tần số Prescaler

và Postscaler Thanh ghi chứa giá trị đếm của Timer2 là TMR2 Bit cho phép ngắtcủa Timer2 tác động là TMR2ON (T2CON<2>) Cờ ngắt của Timer2 là bitTMR2IF (PIR1<1>) Xung ngõ vào (tần số bằng ¼ tần số Oscillator) được đưa qua

bộ chia tần số Prescaler 4 bit ( với các tỉ số chia tần số là: 1:1, 1:4, 1:16 và đượcđiều khiển bởi các bit T2CKPS1:T2CKPS0 ( T2CON<1:0>) )

Hình 2.7 Sơ đồ khối của Timer2 Các thanh ghi liên quan đên Timer2 bao gồm:

INTCON( địa chỉ 0Bh, 8Bh,10Bh, 18Bh): cho phép toàn bộ các ngắt (GIE vàPEIE)

PIR1 ( địa chỉ 0Ch): chứa cờ ngắt Timer2 (TMR2IF)

PIE1 ( địa chỉ 8Ch): chứa bit điều khiển Timer2 (TMR2IE)

TMR2 (địa chỉ 11h): chứa giá trị đếm của Timer2

T2CON ( địa chỉ 12h): xác lập các thông số cho Timer2

PR2 (địa chỉ 92h): thanh ghi hỗ trợ cho Timer2

Ta có nhận xét về các Timer như sau:

- Timer0 và Timer2 là bộ đếm 8 bit ( giá trị đếm tối đa là FFh), trong khi Timer1

là bộ đếm 16 bit ( giá trị đếm tối đa là FFFFh)

- Timer0, Timer1 và Timer2 đều có hai chế độ hoạt động là Timer và Counter.Xung Clock có tần số bằng ¼ tần số của Oscillator

2.3.6 Bộ chuyển tín hiệu ADC

ADC (Analog to Digital Converter) là bộ chuyển đổi tín hiệu giữa hai dạngtương tự và số PIC16F877A có 8 ngõ vào Analog (RA4: RA0 và RE2: RE0) Hiệuđiện thế chuẩn Vref có thể được lựa chọn là Vdd, Vss hay hiệu điện thế chuẩn đượcxác lập trên hai chân RA2 và RA3 Kết quả chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tínhiệu số là 10 bit số tương ứng và được lưu trong hai thanh ghi ADRESH: ADRESL

Khi không sử dụng bộ chuyển đổi ADC, các thanh ghi này có thể được sửdụng như những thanh ghi thông thường khác Khi quá trình chuyển đổi hoàn tất,kết quả sẽ được lưu vào hai thanh ghi ADRESH:ADRESL, bit GO/DONE(ADCON0<2>) được xoá về 0 và cờ ngắt ADIF được set

Quy trình chuyển đổi từ tương tự sang số bao gồm các bước sau :

1 Thiết lập các thông số cho bộ chuyển đổi ADC

2 Thiết lập các cờ ngắt cho bộ ADC

3 Đợi cho tới khi quá trình lấy mẫu hoàn tất

4 Bắt đầu quá trình chuyển đổi (set bit GO/DONE)

5 Đợi cho tới khi quá trình chuyển đổi bằng cách :

- Kiểm tra bit GO/DONE nếu GO/DONE = 0 quá trình chuyển đổi hoàn tất

- Kiểm tra cờ ngắt

6 Đọc kết quả chuyển đổi và xoá cờ ngắt, set bit GO/DONE (nếu cần chuyển đổi)

7 Tiếp tục thực hiện các bước 1 và 2 cho quá trình chuyển đổi tiếp theo

Các thanh ghi liên quan đến bộ chuyển đổi ADC bao gồm:

INTCON: cho phép các ngắt (các bit GIE, PEIE)

PIR1: chứa cờ ngắt AD (bit ADIF)

ADRESH (địa chỉ 1Fh) và ADCON1 (địa chỉ 9Fh): xác lập các thông số của bộchuyển đổi AD.

Các PORTA, PORTE liên quan đến các ngõ vào Analog

Hình 2.8 Sơ đồ khối bộ chuyển đổi ADC

2.3.7 Bộ so sánh Comparator

Bộ so sánh bao gồm hai bộ so sánh tín hiệu Analog và được đặt ở PortA.Ngõ vào bộ so sánh là các chân RA3: RA0, ngõ ra là hai chân RA4 và RA5 Thanhghi điều khiển bộ so sánh là CMCON Các bit CM2: CM0 trong thanh ghi CMCONđóng vai trò chọn lựa các chế độ hoạt động cho bộ Comparator

Cơ chế hoạt động của bộ Compartor như sau:

Tín hiệu Analog ở chân Vin+ sẽ được so sánh với điện áp chuẩn ở chân V

in-và tín hiệu ở ngõ ra bộ so sánh sẽ thay đổi tương ứng như hình vẽ Khi điện áp ởchân Vin- lớn hơn điện áp ở chân Vin+ , ngõ ra sẽ ở mức 1 và ngược lại