(Tiểu luận) thiết kế, mô phỏng hệ thống đèn giao thông dùng vi điều khiển pic 16f887

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÙNG VƯƠNG KHOA: KỸ THUẬT - CÔNG NGHỆ - CAO HỒNG KỲ THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐÈN GIAO THÔNG DÙNG VI ĐIỀU KHIỂN PIC 16F887 ĐỒ ÁN Ngành: CÔNG NGHỆ KĨ THUẬT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ Phú Thọ, 2023 h MỤC LỤ TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÙNG VƯƠNG KHOA: KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ - CAO HỒNG KỲ THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐÈN GIAO THÔNG DÙNG VI ĐIỀU KHIỂN PIC 16F887 ĐỒ ÁN Ngành: CÔNG NGHỆ KĨ THUẬT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN: Nguyễn Văn Quyết Phú Thọ, 2023 h C Phần I PHẦN MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Đối tượng nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu .2 Phương pháp nghiên cứu Dự kiến kết 6.Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn Phần II NỘI DUNG Chương 1: Thiết kế hệ thống đèn giao thông dùng vi điều khiển PIC 16F887 .3 1.1 Giới thiệu chung hệ thống đèn giao thông 1.1.1 Mạch dùng IC số 1.1.2 Vi mạch dùng kỹ thuật vi sử lý .4 1.1.3 Điều khiển vi điều khiển 1.1.4 Điều khiển PLC 1.2 Yêu cầu toán thiết kế 1.2.1 Xác định toán 1.2.2 Mô tả hoạt động hệ thống 1.2.3 Nguyên lý hoạt động 1.2.4 Giải pháp công nghệ 1.2.5 Giải pháp thiết kế 1.2.6 Yêu cầu giới hạn hệ thống điều khiển đèn giao thông dùng vi điều khiển 1.3 Thiết kế sơ đồ nguyên lý 1.3.1 Giới thiệu phần mềm proteus .9 a Lịch sử hình thành, phát triển phạm vi ứng dụng b Các chức Proteus 10 c Khả ứng dụng 11 d Khả phân tích .11 e Nhược điểm 12 1.3.2 Sơ đồ khối .13 a Khối nguồn 13 b Khối đèn báo hiệu 14 h c Khối hiển thị 15 d Khối điều khiển 15 1.3.3 Lưu đồ thuật toán 16 1.3.4 Cách thức mô phần mềm proteus .17 1.3.5 sử dụng thư viện isis 18 1.4 Lựa chọn linh kiện thiết bị .20 1.4.1 Hình ảnh bảng chân PIC 16F887 20 1.4.2 Sơ đồ chân vi điều khiển PIC16F887 .21 a Chức chân port A 22 b Chức chân port B 23 c Chức chân port C 24 d Chức chân port D 25 e Chức chân port E 26 f Chức chân phân chia theo nhóm chức .27 1.4.3 Led 29 1.4.4 Điện trở 30 a Điện trở 30 b Ứng dụng điện trở 30 1.4.5 Nút nhấn 31 a Nút nhấn .31 b Ký hiệu hình ảnh thực tế 31 c Nguyên lý hoạt động .32 d Ứng dụng thực tế 32 1.4.6 Traffic lights 32 1.5 Lập trình điều khiển hệ thống 33 CHƯƠNG 40 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 40 2.1 Kết thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch .40 2.2 Kết mô .40 3.3 Đánh giá kết 41 PHẦN III KẾT LUẬN 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO .42 h DANH MỤC HÌNH VẼ Hình Tình trạng tắc nghẽn giao thông Hình Ngã tư thụy vân – Phú Thọ .6 Hình Sơ đồ mô hoạt động hệ thống đèn giao thơng Hình Mô hệ thống định hướng Hình Các chức proteus .10 Hình Sơ đồ khối mạch .13 Hình Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 13 Hình Mô mạch nguồn 14 Hình Hình ảnh traffic light proteus 14 Hình 10 Sơ đồ nguyên lý led đoạn 15 Hình 11 Sơ đồ nguyên lý PIC 16F887 15 Hình 12 Lưu đồ thuật toán .16 Hình 13 Giao diện phần mềm proteus 17 Hình 14 Giao diện khởi tạo ban đầu 18 Hình 15 Cách vào thư viện isis 18 Hình 16 Khung chương trình Pick Devices 19 Hình 17 Bổ sung linh kiện vào vùng chọn lựa 19 Hình 18 Sơ đồ nguyên lý mạch sử dụng PIC 16F887 .20 Hình 19 Hình ảnh vi điều khiển PIC16F887 20 Hình 20 Sơ đồ chân PIC16F887 .21 Hình 21 hình ảnh led 29 Hình 22 Hình ảnh điện trở .30 Hình 23 Nút nhấn .31 Hình 24 Đèn giao thơng 33 Hình 25 Sơ đồ nguyên lý mạch 40 Hình 26 Kết mơ qua phần mềm proteus hệ thống đèn giao thông 40 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Thông số chức PIC16F887 20 Bảng Bảng trạng thái LED vạch 29 h Phần I PHẦN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong năm gần với phát triển kinh tế tốc độ gia tăng không ngừng loại phương tiện giao thông Sự phát triển nhanh chóng phương tiện giao thơng dẫn đến tình trạng tắc nghẽn giao thơng tai nạn giao thông xảy thường xuyên Hiện nay, có nhiều nhóm nghiên cứu chế tạo thành cơng hệ thống đèn giao thông với nhiều phương pháp dùng PLC, vi điều khiển 16F877A, arduino, Qua khảo sát thực tế em nhận thấy việc sử dụng vi điều khiển PIC 16F887 hệ thống đèn giao thơng chưa quan tâm nhiều Hình Tình trạng tắc nghẽn giao thông Nhận thấy vấn đề sát thực, với kiến thức trang bị trình học tập nghiên cứu trường Đại học Hùng Vương em lựa chọn đề tài: ”Thiết kế, mô hệ thống đèn giao thông dùng vi điều khiển pic 16f887" nhằm thiết kế triển khai hệ thống điều khiển cho đèn giao thông ngã tư, nhằm hạn chế ùn tắc tai nạn cho phương tiện tham gia giao thơng Trong q trình thực đồ án em nhận bảo, hướng dân tận tình thầy khoa đặc biệt bảo thầy ThS.Nguyễn Văn Quyết Em xin trân thành cảm ơn bảo thầy cô! h Trong thực đồ án kiến thức cịn hạn chế em chưa có nhiều điều kiện để khảo sát thực tế, với khoảng thời gian ngắn thực hiện, mà đồ án em cịn nhiều thiếu sót mong thầy đóng góp bổ sung ý kiến để đồ án em hoàn thiện Đối tượng nghiên cứu Vi điều khiển PIC 16F887, phần mềm proteus linh kiện sử dụng hệ thống đèn giao thông ( Led thanh, traffic light, điện trở, nút nhấn, ) Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu hoạt động vi điều khiển pic 16f887 Nghiên cứu phần mềm mô proteus phần mềm pic ccs để mơ lập trình cho pic 16f887 Phương pháp nghiên cứu Kết hợp nghiên cứu lý thuyết mơ hình thực tế để làm rõ nội dung đề tài Cụ thể sau: - Thu thập, phân tích tài liệu thơng tin liên quan đến đề tài - Vận dụng kiến thức học vi điều khiển - Tìm hiểu qua tài liệu internet, sách báo nhu cầu đời sống xã hội - Sử dụng phần mềm chuyên dụng (proteus, pic ccs, pickit 2) để thực mô phỏng, viết code nạp code Tìm hiểu đồ án có đề tài liên quan Dự kiến kết - Hồn thiện chương trình mơ chương trình theo yêu cầu chủ đề - Các kết trình thực hiện, đánh giá chất lượng hệ thống 6.Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn - Đề tài giúp người nghiên cứu có kiến thức tảng vi điều khiển - Từ lý thuyết kết nghiên cứu, người nghiên cứu phát triển ý tưởng để xây dựng mơ hình đèn giao thơng thơng minh thực tế có tính ứng dụng cao h - Đề tài ”Thiết kế, mô hệ thống đèn giao thông dùng vi điều khiển pic 16f887" mang tính thực tế dễ dàng áp dụng vào thực tiễn Phần II NỘI DUNG Chương 1: Thiết kế hệ thống đèn giao thông dùng vi điều khiển PIC 16F887 1.1 Giới thiệu chung hệ thống đèn giao thông Ngày với phát triển khoa học kỹ thuật, xã hội ngày văn minh đại, phát triển đô thị ngày lên Nhu cầu giao thông ngày trở nên cấp thiết, khu vực thành thị Do nhu cầu đời sống người, đặc biệt nhu cầu lại, loại phương tiện giao thông tăng cách chóng mặt Riêng Việt Nam số lượng xe máy năm qua tăng cách đột biến, mật độ xe lưu thông đường ngày nhiều, hệ thống đường xá Việt Nam cịn nhiều hạn chế nên thường gây tượng kẹt xe, ách tắc giao thông, đặc biệt tai nạn giao thông ngày phô biến trở thành mối họa cho nhiều người Việt Nam làm nước có tỉ lệ dân số đơng, chiếm khồng 1,27% dân số giới, mà lượng phương tiện giao thông cần thiết cho nhu cầu lại nhiều Để tránh tình trạng ùn tắc giao thông, việc sử dụng đèn giao thông cần thiết, nắm bắt tầm quan trọng đó, em muốn thực đề tài muốn phát triển mạch đèn giao thông để phục vụ cho nhu cầu sống Có nhiều cách để thiết kế mạch đèn giao thông thiết kế đèn giao thông micro PLC SIMATIC, dùng vi điều khiển vi xử lí, mạch đèn giao thơng dùng IC… Vì lý luật giao thông đời đưa vào sử dụng cách lặng lẽ dần trở nên phố biến Trong hệ thống đèn giao thông công cụ điều khiến giao thông công cộng thực tế hiệu có vai trị lớn việc đảm bảo an toàn giảm thiếu tai nạn giao thông 1.1.1 Mạch dùng IC số h Với mạch dùng IC sổ có ưu điểm sau: - Tổn hao cơng suất bé, mạch dùng pin acquy - Giá thành rẻ - Mạch đơn giản dễ thực Song với việc sử dụng kỹ thuật số khó khăn việc thay đối chương trình Muốn thay đổi yêu cầu chương trình buộc lịng phải thay đối phần cứng Do lần phải lắp lại mạch dẫn đến tốn kinh tế mà nhiều u cầu khơng thực nhờ phương pháp Với phát triển mạnh mẽ ngành kỹ thuật số đặc biệt cho đời họ vi xử lý, vi điều khiển hay PLC giải bế tắc kinh tế mà phương pháp dùng IC số kết nối lại không thực 1.1.2 Vi mạch dùng kỹ thuật vi sử lý Ngoài ưu điếm liệt kê phương pháp dùng IC số phương pháp dùng kỹ thuật vi xử lý có ưu điểm sau: Ta thay đổi chương trình cách linh hoạt việc thay đổi phần mềm phần cứng không thay đổi mà mạch dùng IC số khơng thực mà thực cứng nhắc mà người cơng nhân khó tiếp cận, dễ nhầm Số linh kiện để sử dụng mạch Mạch đơn giản so với mạch dùng IC số Song phần cứng vi xử lý sử dụng CPU đơn chíp mà khơng có nhớ Ram, Rom, timer, hệ thống ngắt Nên việc viết chương trình gặp nhiều khó khăn Do đế khắc phục nhược điểm người ta thường dùng vi điều khiến 1.1.3 Điều khiển vi điều khiển Ngồi ưu điểm có hai phương pháp trên, phương pháp cịn có ưu điểm sau: - Trong mạch sử dụng nhớ chương trình có quy mơ nhỏ, tiện lợi mà vi xử lý không thực - Nó giao tiếp nối tiếp trực tiếp với máy tính mà vi xử lý giao tiếp h giao tiếp song song nên cần có linh kiện chuyến đối liệu tù’ song song sang nối tiếp đế giao tiếp với máy tính - Do vi điều khiển có sử dụng timer, hệ thống ngắt, câu lệnh đơn giản nên việc lập trình đơn giản, dễ thực - Phù hợp với kiến thức sinh viên 1.1.4 Điều khiển PLC Với phương pháp điều khiến PLC có ưu điếm sau: - Làm việc chắn, liên tục có tuổi thọ cao - Chức điều khiến thay đối dễ dàng thiết bị lập trình (máy tính, hình) mà khơng cần thay đổi phần cứng khơng có u cầu thêm bớt thiết bị xuất nhập - Có làm việc nhiều điều kiện khác - Hướng dẫn người sử dụng đơn giản - Thời gian hoàn thành chu trình điều khiến nhanh (vài ms) Tuy phương pháp có nhiều ưu điếm vi xử lý việc áp dụng hệ thống nhỏ không thích hợp giá thành cao Ví dụ hệ thống đèn giao thông Phú Thọ Hệ thống đèn giao thông ngã tư gồm : - Có cột đèn - Thời gian sáng đèn Tđỏ = 30 giây,Tvàng = giây, Txanh = 25 giây Hiển thị thời gian đếm ngược led ma trận - Gồm đèn tín hiệu Xanh, Đỏ ,Vàng - Chỉ hoạt động chế độ - Khơng có chế độ phân xe thời điếm Với phương pháp nêu chúng em lựa chọn giải pháp điều khiển vi điều khiển phương pháp phù hợp tối ưu với đề tài h - Chức nạp chương trình vào nhớ flash:  Có tín hiệu để truyền liệu ICSPDAT  Có tín hiệu để nhận xung clock ICSPCLK  Có tín hiệu để điều khiển nạp PGM  Có tín hiệu để nhận điện áp lập trình VPP  Có ngõ vào reset có tên MCLR (master clear)  Có chân cấp nguồn: VDD cấp nguồn dương, VSS nối với 0V 1.4.3 Led Giải mã đoạn ( giải mã BCD 8421 – vạch) Để biểu thị chữ số từ hệ đếm 10, ta tập hợp vạch phát sáng, kí hiệu a, b, c, d, e, f, g Mỗi chữ số cần biểu thị tương ứng với số phát sáng biểu diễn nhờ chuyển đổi mã DCB8421 vạch.8 vach bố trí sau: Các phát sáng tương ứng mức lôgic ”1” Các không phát sáng tương ứng mức lơgic ”0” Hình 21 hình ảnh led Bảng trạng thái: Bảng Bảng trạng thái LED vạch STT Đầu vào DCB - 8421 Đầu vạch D C B A a b c d e f g 0 0 1 1 1 29 h 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1.4.4 Điện trở a Điện trở Điện trở hay tên Tiếng anh gọi Resistor, linh kiện điện tử thụ động với tiếp điểm kết nối Hình 22 Hình ảnh điện trở b Ứng dụng điện trở - Dùng để điều chỉnh mức độ tín hiệu - Hạn chế việc cường độ dòng điện chảy mạch 30 h - Điện trở dùng để chia điện áp - Kích hoạt linh kiện điện tử chủ động ví dụ transistor - Tiếp điểm cuối đường truyền điện điện trở có nhiều ứng dụng khác Điện trở công suất giúp tiêu tán lượng điện lớn chuyển sang nhiệt hệ thống phân phối điện điều khiển động Các điện trở thường có trở kháng cố định, bị thay đổi điện áp hoạt động nhiệt độ mơi trường.  Biến trở loại điện trở thay đổi trở kháng ví dụ núm vặn điều chỉnh âm lượng Các loại cảm biến có điện trở biến thiên kể đến như: Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, lực tác động, phản ứng hóa học 1.4.5 Nút nhấn a Nút nhấn Nút ấn loại công tắc đơn giản điều khiển hoạt động của máy số loại trình Hầu hết, nút nhấn nhựa kim loại Hình dạng nút ấn phù hợp với ngón tay bàn tay để sử dụng dễ dàng Tất phụ thuộc vào thiết kế cá nhân Nút ấn có loại chính là nút nhấn thường mở nút nhấn thường đóng b Ký hiệu hình ảnh thực tế 31 h Hình 23a Nút nhấn Proteus Hình 23b Nút ngồi thực tế Hình 23 Nút nhấn c Nguyên lý hoạt động Nút nhấn có ba phần: Bộ truyền động, các tiếp điểm cố định rãnh Bộ truyền động qua tồn cơng tắc vào xy lanh mỏng phía Bên tiếp điểm đợng lò xo Khi nhấn nút, chạm vào tiếp điểm tĩnh làm thay đổi trạng thái của tiếp điểm Trong số trường hợp, người dùng cần giữ nút nhấn liên tục để thiết bị hoạt động Với nút nhấn khác, chốt giữ nút bật người dùng nhấn nút lần d Ứng dụng thực tế Công tắc nút nhấn sử dụng nhiều các ứng dụng khác máy tính, điện thoại nút nhấn nhiều thiết bị gia dụng Bạn nhìn thấy chúng nhà, văn phịng ứng dụng cơng nghiệp ngày Chúng bật, tắt máy làm cho thiết bị thực các hoạt động cụ thể, trường hợp với máy tính Trong số trường hợp, nút nhấn kết nối thơng qua liên kết học, điều khiển một nút nhấn khác hoạt động Đa số, nút có màu sắc cụ thể để biểu thị mục đích của chúng Ví dụ nút nhất màu xanh thường được sử dụng để bật thiết bị hay nút nhấn màu đỏ để tắt thiết bị Điều tránh gây nên một sô nhầm lẫn Nút dừng khẩn cấp thường là nút ấn lớn, thường có màu đỏ có đầu lớn để sử dụng dễ dàng 1.4.6 Traffic lights Đèn giao thông hệ thống đèn cấu tạo từ đèn Led nhỏ với màu vàng, đỏ xanh Đèn giao thông sử dụng tuyến đường với mục đích điều khiển, huy phương tiện lưu thông theo quy luật định tránh tình trạng ùn tắc xảy 32 h Hình 24a Đèn giao thơng proteus Hình 24b Đèn giao thơng ngồi thực tế Hình 24 Đèn giao thơng 1.5 Lập trình điều khiển hệ thống Chương trình điều khiển: #include #fuses hs #use delay(clock=20M) //// unsigned int8 maled7doan[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90}; unsigned int8 i,k; unsigned int8 chuc2=0,donvi2=0; unsigned int8 chuc1=0,donvi1=0; int t=10,m=0; void hienthiso() { chuc1 = i /10; donvi1 =i %10; chuc2 = k /10; 33 h donvi2 = k %10; output_d(0b00010000); output_c(maled7doan[donvi1]); delay_ms(t); output_c(0xff); output_d(0b00100000); output_c(maled7doan[chuc1]); delay_ms(t); output_c(0xff); output_d(0b01000000); output_c(maled7doan[donvi2]); delay_ms(t); output_c(0xff); output_d(0b10000000); output_c(maled7doan[chuc2]); delay_ms(t); output_c(0xff); } void chedo_binhthuong() { output_b(0b00010001); i=16; k=19; do{ hienthiso(); m++; if(m==24) { 34 h i ; k ; m=0; } } while(i!=255); output_b(0b00010100); i=2; do{ hienthiso(); m++; if(m==24) { i ; k ; m=0; } } while(i!=255); output_b(0b00001010); i=19; k=16; do{ hienthiso(); m++; if(m==24) { i ; k ; 35 h m=0; } } while(k!=255); output_b(0b00100010); k=2; do{ hienthiso(); m++; if(m==24) { i ; k ; m=0; } } while(k!=255); } void chedo_bandem() { output_b(0b00100100); delay_ms(200); output_b(0b00000000); delay_ms(200); } void chedo_giocaodiem() { output_b(0b00010001); i=55; 36 h k=60; do{ hienthiso(); m++; if(m==24) { i ; k ; m=0; } } while(i!=255); output_b(0b00010100); i=4; do{ hienthiso(); m++; if(m==24) { i ; k ; m=0; } } while(i!=255); output_b(0b00001010); i=60; k=55; do{ 37 h hienthiso(); m++; if(m==24) { i ; k ; m=0; } } while(k!=255); output_b(0b00100010); k=4; do{ hienthiso(); m++; if(m==24) { i ; k ; m=0; } } while(k!=255); } void main() { output_d(0b00000000); output_c(0b11111111); 38 h while(TRUE) { if(input(pin_a0)==0) { lap: chedo_binhthuong(); goto lap; } if(input(pin_a1)==0) { lap1: chedo_bandem(); goto lap1; } if(input(pin_a2)==0) { lap2: chedo_giocaodiem(); goto lap2; } //TODO: User Code } } 39 h CHƯƠNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 2.1 Kết thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch Hình 25 Sơ đồ nguyên lý mạch 2.2 Kết mơ 40 h Hình 26 Kết mơ qua phần mềm proteus hệ thống đèn giao thông 3.3 Đánh giá kết - Ưu điểm  Ta áp dụng mạch vào thực tế cách dễ dàng thay đổi thời gian hoạt đông đèn để phù hợp với tình hình giao thông tưng nơi  Các chức điều khiến tay hoạt động  Việc thiết kế mạch đơn giản tốn chi phí - Nhược điểm  Mạch thiết kế chưa tối ưu  Chưa xác so với thời gian thực  Hướng phát triển: - Tình trạng giao thơng Việt Nam vấn đề lớn nước Nguyên nhân ý thức người tham gia giao thơng, anh cảnh sát giao thơng khơng thể có mặt tất đường để khắc phục tình trạng vượt đèn đỏ Nếu phát triển đèn giao thơng giao lộ có thêm cảm biến chức nhận dạng biển số xe để phát trường 41 h hợp vi phạm vượt vạch phân cách đèn đỏ gửi thông tin biển số xe vi phạm quan chức năng, làm giảm trường hợp vi phạm vượt đèn đỏ giảm thiểu tai nạn giao thơng - Có thể áp dụng IOT vào mạch đèn giao thông 42 h PHẦN III KẾT LUẬN Sau thời gian nỗ lực không ngừng học tập nhiệt tình bảo thầy Th.S.Nguyễn Văn Quyết thầy giáo mơn, em hồn thành đề tài: “Thiết kế, mô hệ thống đèn giao thông dùng vi điều khiển pic 16f887” Trong trình thực đề tài em đúc kết nhiều kinh nghiệm quý báu cho thân để phục vụ cho em trình học tập sau TÀI LIỆU THAM KHẢO Giáo trình hệ thống nhúng - Bộ mơn kỹ thuật máy tính - Trường Đại học kỹ thuật cơng nghiệp - ĐHTN Giáo trình vi điều khiển PIC 16F887 – Bộ môn điện tử Công Nghiệp - Đại học sư phạm Kỹ Thuật Nguyễn Đình Phú (2014) 43 h