Nghiên cứu, thiết kế và xây dựng hệ thống điều khiển đèn giao thông tại ngã tư với tối thiểu 05 cột đèn và 01 bộ điều khiển, bao gồm lựa chọn các thiết bị và linh kiện phù hợp, thiết kế mạch điện và lập trình các phần mềm điều khiển. Thiết kế, lắp ráp, đo kiểm mạch chuyển đổi nguồn điện AC thành nguồn điện DC cho hệ thống đèn giao thông có công suất từ 5W đến 10W;
I MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN Error! Bookmark not defined DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT III DANH MỤC HÌNH VẼ IV MỞ ĐẦU .1 Lý lựa chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu .1 Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Cấu trúc báo cáo đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG TỔNG QUAN .4 1.1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu 1.2 Nguyên tắc hoạt động đèn giao thông 1.2.1 Cấu tạo nguyên tắc hoạt động đèn giao thông .5 1.2.2 Giản đồ thời gian cho đèn 1.3 Một số linh kiện mạch 1.3.1 Tụ điện 1.3.2 Điot 1.3.3 LED 1.3.4 Module RTC DS1307 .10 1.3.5 Vi điều khiển PIC18F4520 .11 1.3.6 Transistor khuyếch đại 12 1.4 Phương pháp tính tốn, đặt thời gian cho tín hiệu giao thông 13 1.5 Kết luận chương 14 CHƯƠNG THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐÈN GIAO THƠNG 15 2.1 Phân tích u cầu toán 15 2.1.1 Mục tiêu thiết kế 15 2.1.2 Điều kiện ràng buộc thiết kế .15 2.1.3 Thông số kỹ thuật 15 2.1.4 Tiêu chí đánh giá sản phẩm .16 2.2 Thiết kế ý tưởng 16 II 2.2.1 Phương pháp điều khiển đèn giao thông sử dụng IC số 16 2.2.2 Phương pháp điều khiển đèn giao thông vi điều khiển .17 2.3 Thiết kế chi tiết 17 2.3.1 Sơ đồ khối mạch điều khiển .17 2.3.2 Sơ đồ thuật toán .18 2.3.3 Thiết kế mạch 22 2.4 Kết luận chương 25 CHƯƠNG THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ .26 3.1 Vận hành sản phẩm 26 3.2 Thử nghiệm kiểm chứng sản phẩm .27 3.3 Đánh giá sản phẩm .29 3.3.1 Ưu điểm 29 3.3.2 Nhược điểm .29 3.4 Ứng dụng sản phẩm .30 3.5 Tác động sản phẩm thiết kế tới môi trường/kinh tế/ xã hội .30 3.6 Kết luận chương 31 CHƯƠNG KẾT LUẬN .32 4.1 Kết luận 32 4.2 Kiến nghị 32 TÀI LIỆU THAM KHẢO 34 III DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tên tiếng anh Tên tiếng việt A Đơn vị logic số học ALU Arithmetic-Logic Unit ADC Analog-to-Digital Converter Hệ thống chuyển đổi tin hiệu analog sang tín hiệu số E EEPROM Electrically Erasable Programmable Read- Only Memory Chip nhớ bán dẫn I IC Integrated Circuit Vi mạch tích hợp L LCD Liquid Crystal Display Màn hình tinh thể lỏng P PIC Programmable interrupt controller Bộ điều khiển PWM Pulse width modulation Điều chế độ rộng xung R RAM Random Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên ROM Read Only Memory Bộ nhớ đọc RST Reset Reset RTC Real time clock Thời gian thực IV DANH MỤC HÌNH VẼ Hình ảnh 1.2.1-1 Các tín hiệu đèn giao thơng Hình ảnh 1.2.1-1 Mơ hình đèn giao thông ngã tư Hình ảnh 1.2.2-1 Giản đồ thời gian hoạt động đèn Hình ảnh 1.3.1-1 Cấu tạo tụ Hình ảnh 1.3.1-2 Ký hiệu hình dạng thực tế tụ hóa Hình ảnh 1.3.1-3 Ký hiệu hình dạng thực tế tụ gốm .9 Hình ảnh 1.3.2-1 Cuộn cảm Error! Bookmark not defined Hình ảnh 1.3.3-1 Ký hiệu hình ảnh Điot Hình ảnh 1.3.4-1 Ký hiệu hình ảnh thực tế LED Hình ảnh 1.3.4-2 Chung Anode 10 Hình ảnh 1.3.4-3 Chung Cathode 10 Hình ảnh 1.3.5-1 Module RTC DS1307 10 Hình ảnh 1.3.6-1 Pic 18f4520 12 Hình ảnh 1.3.7-1 C2382 13 Hình ảnh 1.3.7-2 A1015 13 Hình ảnh 2.3.1-1 Sơ đồ khối hệ thống 18 Hình ảnh 2.3.2-1 Sơ đồ thuật tốn mạch 19 Hình ảnh 2.3.2-2 Sơ đồ khối chế độ thấp điểm 20 Hình ảnh 2.3.2-3 Sơ đồ khối chế độ cao điểm 21 Hình ảnh 2.3.2-4 Sơ đồ khối chế độ nghỉ 22 Hình ảnh 2.3.3-1 Mơ mạch nguồn 22 Hình ảnh 2.3.3-2 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 22 Hình ảnh 2.3.3-3 PCB mạch nguồn 23 Hình ảnh 2.3.3-4 Mơ mạch đèn giao thông 23 V Hình ảnh 2.3.3-5 Mạch ngun lý đèn giao thơng 24 Hình ảnh 2.3.3-6 PCB mạch đèn giao thông 24 Hình ảnh 2.3.3-1 Mơ hình tổng quan đèn giao thông 27 Hình ảnh 2.3.3-2 Thời gian đèn đỏ 27 Hình ảnh 2.3.3-3 Thời gian đèn xanh .28 Hình ảnh 2.3.3-4 Đèn vàng sáng chế độ ban đêm 29 MỞ ĐẦU LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI Ngày với phát triển khoa học kỹ thuật, xã hội ngày văn minh đại 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 thơng đường tăng cách chóng mặt Riêng Việt Nam số lượng xe máy năm qua tăng cách đột biến, mật độ xe lưu thơng đường ngày nhiều, hệ thống đường xá Việt Nam nhiều hạn chế nên thường gặp tượng phổ biến tắc đường, ách tắc giao thông, đặc biệt trạng tai nạn giao thông đáng tiếc diễn ngày nhiều, trở thành mối hiểm họa cho người tham gia giao thông Bởi mà luật giao thông đời đưa vào sử dụng Trong hệ thống đèn giao thơng công cụ điều khiển giao thông công cộng thực tế có hiệu quả, vai trị lớn việc quản lý điều tiết luồng giao thông phương tiện, giúp giảm thiểu tai nạn giao thông MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Mục tiêu nghiên cứu làm đèn giao thông thông minh để giảm thiểu tắc nghẽn giao thông tai nạn giao thông ngã tư đường ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Để hoàn thành, nhóm lựa chọn sử dụng vi điều khiển pic18f4520 để xử lý hiển thị kết led kết hợp với ds1307 để đồng với thời gian thực Sử dụng nguồn ni có điện áp đầu từ 5V – 15V DC để chạy vi điều khiển led PHẠM VI NGHIÊN CỨU Khảo sát thực trạng ngã tư nút giao thông P Vũ Trọng Khánh với P.Tố Hữu nút giao ngã tư Nguyễn Khuyến với đường Trần Phú thời điểm khác ngày PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU + Phương pháp thu thập thông tin: sử dụng phương pháp để khảo sát trạng thực tế ngã tư đường hay bị tắc nghẽn, tai nạn + Phương pháp mô phỏng: Sử dụng phần mềm altium để vẽ mạch nguyên lý proteus để chạy mô + Phương pháp công nghệ: Mạch điều khiển dùng vi điều khiển Hiện thị thời gian dùng led đoạn, LCD hiển thị thời gian thực Đèn báo hướng ưu tiên dùng đèn led công suất Các đèn báo dùng led công suất Bàn phím để reset đặt thời gian cho hệ thống (thời gian chu kỳ đèn) + Phương pháp xử lí thơng tin: định lượng thơng số mạch đạt áp dụng công thức tính tốn học, định tính lỗi rủi ro mà mạch gặp phải trình thực hiện,… Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI - Ý nghĩa khoa học: Làm rõ quy tắc hoạt động đèn giao thơng để phát triển hệ thống … - Giá trị thực tiễn: giải vấn đề, tình trạng tắc nghẽn giao thơng ngã tư Có kết hợp với cơng nghệ khác để quản lý tình trạng giao thơng ngã tư CẤU TRÚC CỦA BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đồ án bố cục thành chương: Chương 1: Tổng quan hệ thống điều khiển đèn giao thơng Chương trình bày thơng tin tổng quan đề tài bao gồm: Nguyên tắc hoạt động đèn giản đồ thời gian cho đèn, giới thiệu số linh kiện sử dụng mạch phương pháp nghiên cứu Chương 2: Thiết kế mạch điều khiển đèn giao thông thông minh Chương trình bày ý tưởng thiết kế nhóm gồm: phương pháp điều khiển, sơ đồ khối hệ thống, sơ đồ thuật tốn mạch chế độ (cao điểm, thấp điểm, thời gian ban đêm); mạch nguyên lý nguồn đèn giao thông Chương 3: Chạy thử nghiệm đánh giá Chương trình bày kết chạy thử nghiệm, tiêu chí đánh giá dựa theo ưu điểm nhược điểm ứng dụng sản phẩm Chương 4: Kết luận Chương tóm tắt lại kết đồ án gợi mở hướng nghiên cứu cho nghiên cứu CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu Đèn giao thông dành cho tàu hỏa thắp sáng khí gas.1 Sau 43 năm chạy điện cần người điều khiển đến năm 1950 chạy tự động Tháng 10 năm 1868, người ta đặt hệ thống đèn bên tòa nhà quốc hội Anh Luân Đôn Chúng lắp để báo hiệu cho đoàn tàu ngang qua Trên cột hình khuỷu tay có hai đèn: màu đỏ màu xanh dùng cho ban đêm Đèn đỏ nghĩa dừng lại đèn xanh ý Tháng năm 1914, cơng ty tín hiệu giao thông đời Mỹ chịu trách nhiệm lắp đèn ngã tư bang Ohio Điều đặc biệt đèn tín hiệu chưa có đèn vàng nên chuyển trạng thái, cảnh sát lại bấm còi hú vang báo cho lái xe biết Đến năm 1920, đèn tín hiệu có đủ ba màu: đỏ, vàng, xanh; sĩ quan cảnh sát Williams Posst, sống thành phố Detroit sáng chế Năm 1923, Gerrette Morgan nhận phát minh đèn tín hiệu giao thơng, ơng khơng phải người trực tiếp làm nên cách mạng đèn tín hiệu đại 4.0 Nguyên nhân dẫn tới phát minh Morgan tình trạng tai nạn xảy nhiều đường phố Mỹ năm Ông thấy cần có tiêu chuẩn thống để hệ thống tín hiệu sẵn có hoạt động hiệu Sau nhiều năm nghiên cứu, Morgan thiết kế cột đèn hình chữ T Trong tín hiệu như: "dừng lại", "đi" "dừng lại tất hướng" Khi đèn báo "dừng lại hướng", người phép băng qua đường Sau năm 1923, hệ thống phải có người vận hành Tính riêng thành phố Việt Nam, 100 cảnh sát phải làm việc 16 hàng ngày tổng tiền lương 250.000 USD năm Do khó khăn nói trên, kỹ sư lệnh thiết lập phát triển hệ thống đèn hoạt động tự động Tuy nhiên gần 20 năm sau, ước mơ cảnh sát trở thành thực Không rõ thời gian đời đèn giao thông Năm 1950, đèn tín hiệu xanh đỏ sử dụng rộng rãi Canada phát triển nhanh chóng giới Ngày nay, hệ thống đèn tín hiệu đại nhiều, có tính đặc biệt chụp hình xe vượt đèn đỏ Bên cạnh nhiều nước phát minh thú vị đèn chế độ Anh, New Zeland, Phần Lan v.v Đèn từ đỏ chuyển sang đỏ vàng đến xanh lại vàng Trạng thái đỏ vàng báo cho lái xe biết đèn xanh sáng lên khoảng thời gian ngắn Hình ảnh 1.2.1-1 Các tín hiệu đèn giao thơng Hiện nay, số nước giới xuất đèn tín hiệu giao thơng có khả "biết đếm" 1.2 Nguyên tắc hoạt động đèn giao thông 1.2.1 Cấu tạo nguyên tắc hoạt động đèn giao thông Hình ảnh 1.2.1-1 Mơ hình đèn giao thơng ngã tư 20 2.3.2.2 Chế độ thấp điểm Hình ảnh 2.3.2-2 Sơ đồ khối chế độ thấp điểm 21 2.3.2.3 Chế độ cao điểm Hình ảnh 2.3.2-3 Sơ đồ khối chế độ cao điểm 22 2.3.2.4 Chế độ nghỉ Hình ảnh 2.3.2-4 Sơ đồ khối chế độ nghỉ 2.3.3 Thiết kế mạch 2.3.3.1 Mạch nguồn Hình ảnh 2.3.3-1 Mơ mạch nguồn Hình ảnh 2.3.3-2 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 23 Hình ảnh 2.3.3-3 PCB mạch nguồn 2.3.3.2 Mạch đèn giao thơng Hình ảnh 2.3.3-4 Mơ mạch đèn giao thơng 24 Hình ảnh 2.3.3-5 Mạch ngun lý khối điều khiển đèn giao thơng Hình ảnh 2.3.3-6 PCB mạch điều khiển đèn giao thông 25 2.4 Kết luận chương Như qua mô tả chi tiết thiết kế hệ thống đèn giao thông khái quát thành phần thiết bị, chức thành phần hệ thống Quá trình hồn vận hành hệ thống đáp ứng chức yêu cầu đề hay không đề cập chương 26 CHƯƠNG THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 3.1 Vận hành sản phẩm *) Tại cao điểm: Khi bấm nút chọn chế độ cao điểm: đèn đỏ sáng hiển thị led 45s, đèn xanh sáng hiển thị 40s Khi đèn đỏ chuyển sang đèn vàng, đèn vàng sáng hiển thị 5s, chuyển sang xanh Đèn xanh chuyển trực tiếp sang đèn đỏ Tại thời điểm cột đèn giao thơng đỏ đèn chuyển sang xanh, ngược lại cột đèn giao thơng xanh đèn chuyển sang đỏ *) Tại giời thấp điểm: Khi bấm nút chọn chế độ thấp điểm: đèn đỏ sáng hiển thị led 30s, đèn xanh sáng hiển thị 25s Khi đèn đỏ chuyển sang đèn vàng, đèn vàng sáng hiển thị 5s, chuyển sang xanh Đèn xanh chuyển trực tiếp sang đèn đỏ Tại thời điểm cột đèn giao thơng đỏ đèn chuyển sang xanh, ngược lại cột đèn giao thông xanh đèn chuyển sang đỏ *) Tại chế độ nghỉ: Khi bấm nút chộn chế độ nghỉ: Đèn vàng sáng, cột đèn người hiển thị đèn xanh, thời gian hoạt động cột đèn giao thông dừng lại 27 3.2 Thử nghiệm kiểm chứng sản phẩm Hình ảnh 2.3.3-1 Mơ hình tổng quan đèn giao thơng Hình ảnh 2.3.3-2 Thời gian đèn đỏ 28 Hình ảnh 2.3.3-3 Thời gian đèn xanh 29 Hình ảnh 2.3.3-4 Đèn vàng sáng chế độ ban đêm 3.3 Đánh giá sản phẩm 3.3.1 Ưu điểm Độ tin cậy cao: Vi điều khiển Pic18f4520 cho loại vi điều khiển ổn định đáng tin cậy thị trường Hiệu suất cao: Với tốc độ xử lý nhanh, giúp tăng hiệu suất mạch đèn giao thông, đặc biệt tình ứng cứu khẩn cấp Dễ dàng lập trình: Vi điều khiển Pic18f4520 có mơi trường lập trình dễ sử dụng có nhiều nguồn tài liệu hướng dẫn hỗ trợ cho người lập trình Tiết kiệm lượng: Mạch điều khiển sử dụng vi điều khiển tiêu thụ lượng so với việc dùng mạch điều khiển IC số Tính tương thích: Có khả kết nối với thiết bị đầu vào đầu khác Ngoài việc sử dụng Pic18f4520 điều khiển mạch đèn giao thông tăng khả kết hợp với cảm biến để thu nhận liệu, dễ dàng đấu nối với thiết bị mạng khác 3.3.2 Nhược điểm Độ xác thời gian bị ảnh hưởng điều kiện nhiệt độ thay đổi lượng Mạch điều khiển bị lỗi có nhiễu từ nguồn khác từ tín hiệu radio khác Nếu khơng lập trình cách, vi điều khiển làm giảm hiệu suất mạch Nếu khơng có phụ kiện bảo vệ biến trở, điện áp bị tải, gây cố cháy nổ Khơng có biện pháp đối phó với cố nhiệt, dòng, áp 30 3.4 Ứng dụng sản phẩm Giúp điều khiển đèn giao thơng ngã tư hiệu hơn: Hệ thống có khả phân tích tình hình giao thơng đưa định điều khiển đèn để đảm bảo an tồn thơng suốt cho phương tiện tham gia giao thông Tiết kiệm điện năng: Hệ thống có chức tự động tắt đèn khơng cần thiết, giúp giảm thiểu lãng phí điện giảm ô nhiễm môi trường Dễ dàng quản lý bảo trì: Vi điều khiển 18f4520 có tính ổn định cao, dễ dàng quản lý bảo trì, giảm tối đa chi phí cho việc bảo trì vận hành hệ thống Độ xác cao: Việc sử dụng ds1307, hệ thống đạt độ xác định việc đo thời gian, giúp điều khiển đèn giao thơng xác, tránh trường hợp ùn tắc giao thông, phân luồng lưu lượng vào khung cao điểm 3.5 Tác động sản phẩm thiết kế tới môi trường/kinh tế/ xã hội Mơi trường: Sản phẩm giúp giảm thiểu lượng khí thải nhiễm mơi trường giảm thiểu thời gian chờ đèn đỏ phương tiện giao thơng Ngồi ra, giúp tăng độ an tồn giao thơng giảm nguy tai nạn giao thơng, từ giảm thiểu tác động xấu đến mơi trường nhiễm khơng khí, tiếng ồn lãng phí lượng Kinh tế: Giúp tăng hiệu suất vận hành hệ thống giao thông, giảm thiểu tắc nghẽn giảm thời gian chờ lưu thơng tuyến đường, giúp người lao động đến địa điểm cơng tác nhanh chóng Xã hội: Mạch điều khiển đèn giao thông ngã tư sử dụng vi điều khiển có tác động lớn đến xã hội Đầu tiên, sản phẩm giúp cải thiện an tồn giao thơng giảm thiểu tai nạn giao thông, đặc biệt ngã tư có lưu lượng xe cao Thứ hai, giúp tăng tính hiệu việc điều khiển đèn giao thông, giảm thiểu thời gian chờ đợi cho phương tiện tham gia giao thơng, từ tăng cường thơng suốt giao thông giảm thiểu tắc đường Thứ ba, sản phẩm cịn giúp tiết kiệm điện việc điều khiển đèn giao 31 thông thực thơng qua chương trình lập trình vi điều khiển, hạn chế việc sử dụng thiết bị điều khiển nâng cao, tiết kiệm chi phí ban đầu Thứ tư, việc đưa hệ thống điều khiển đèn giao thông vào giao lộ quan trọng phần nâng cao ý thức người dân tham gia giao thơng đường bộ, nhờ giảm thiếu tối đa trường hợp thương vong không kiểm soát, điều phối cách phương tiện tham gia giao thơng 3.6 Kết luận chương Sau hồn thiện mơ hình theo ý tưởng đặt ra, nhóm em tiến hành thực nghiệm chế độ hoạt động khác từ rút kết nhận xét sau: • Hệ thống hoạt động u cầu tốn đặt • Hệ thống cho phép chuyển đổi chế độ hoạt động nhanh xác mạch điều khiển • Module DS1307 hoạt động tốt, khơng có q nhiều delay time so với môi trường thực tế, kết cài đặt thời gian cho chế độ hoạt động xác ổn định Tuy nhiên đơi lúc cịn chút sai lệch nhỏ bị tác động yếu tố ngoại cảnh thời tiết, khí hậu… • Tăng giảm LED công suất không ảnh hưởng đến hoạt động toàn hệ thống 32 CHƯƠNG KẾT LUẬN 4.1 Kết luận Đồ án tìm hiểu phương án thiết kế mạch điều khiển đèn giao thông nhằm cải thiện tình hình giao thơng ngã tư trọng điểm, giải tốt nhiệm vụ đèn giao thông giúp cho giao thông thông suốt hợp lý Trong đồ án nhóm chúng em chủ yếu tìm hiểu áp dụng phương pháp sử dụng vi điều khiển thiết kế hệ thống, đồng thời sử dụng module thời gian thực, nhằm tối ưu hóa thời gian cài đặt đèn, giúp người tham gia giao thơng thuận tiện nhất, ước lượng tính toán thời gian di chuyển, khả xung đột phương tiện ngã tư Trong trình thực đề tài em tìm hiểu được: • Nguyên tắc hoạt động đèn giao thông • Tìm hiểu ứng dụng vi điều khiển PIC18F4520 để xử lý hiển thị kết lên led … • Thiết kế mạch viết chương trình cho vi điều khiển, đảm bảo hệ thống hoạt động tốt 4.2 Kiến nghị Bên cạnh đó, để khắc phục điểm yếu hệ thống nhóm em đưa số kiến nghị giúp hệ thống tối ưu hồn chỉnh để dễ dàng đưa mơ hình vào hoạt động thực tiễn • Sử dụng thiết bị điều khiển thông minh: Sản phẩm có khả tự động điều chỉnh thời gian đèn chuyển động dựa mật độ giao thông thực tế, giúp giảm thiểu tắc nghẽn giao thơng • Áp dụng công nghệ IoT: Công nghệ giúp đèn giao thông kết nối với thông qua mạng internet, từ thu thập chia sẻ thơng tin tình trạng giao thơng để điều khiển đèn giao thơng tối ưu • Sử dụng hệ thống đèn LED: Đèn LED tiết kiệm điện có tuổi thọ cao so với đèn huỳnh quang truyền thống, giúp giảm chi phí bảo trì đảm bảo 33 hiệu mạch điều khiển 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Vũ Trung Kiên, Giáo trình vi điều khiển PIC, 2014 [2] Nguyễn Viết Nguyên, Giáo trình linh kiện điện tử ứng dụng, 2009 [3] Hồ Văn Sung, Linh kiện bán dẫn vi mạch, 2011 [4] Khoa Điện tử trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội, Đề cương giảng vi điều khiển, 2020 [5] Lê Anh Tuấn, Vũ Trung Kiên, Giáo trình thiết kế ứng dụng sử dụng vi điều khiển, 2015