Thiết kế hệ thống điều khiển giao thông một chiều

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ SỐ NGUYỄN NGỌC BÌNH Mục lục I PHÂN TÍCH BÀI TỐN Mô tả hệ thống Phương án thiết kế Mô tả thành phần hệ thống II THIẾT KẾ LOGIC Phần tạo dao động: Phần xác định lượng xe đường Phần xác định chênh lệch lượng xe theo hướng 10 Phần tính tốn thời gian đèn xanh: 11 Phần điều khiển: 13 III CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG THIẾT KẾ 17 Page ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ SỐ NGUYỄN NGỌC BÌNH LỜI NĨI ĐẦU Trong hệ thống giao thơng nước ta nay, vấn đề an tồn giao thơng tránh ùn tắc giao thông vấn đề cấp bách xã hội quan tâm Vì phương tiện hướng dẫn giao thơng đóng vai trị quan trong, góp phần hạn chế xung đột giao thông tham gia giao thông Và phương tiện hướng dẫn giao thơng hệ thống đèn điều khiển giao thơng đóng vai trị chủ đạo góp phần làm giảm xung đột giao thơng, tránh ùn tắc… Ở nhiều nơi, giao thông chiều buộc phải thay giao thông chiều cầu nhỏ nông thôn, đường sửa, đoạn đường hẹp cầu phụ thay cầu sửa… Để phương tiện lưu thông đoạn đường u cầu phải có hệ thống đèn giao thơng đặc biệt Vì lý trên, chúng em lựa chọn đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển giao thông chiều” làm đồ án môn học “Điện tử số” Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Lê Xuân Bằng giúp đỡ chúng em thực đồ án Page ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ SỐ NGUYỄN NGỌC BÌNH I PHÂN TÍCH BÀI TỐN Hệ thống đèn tín hiệu giao thơng cho phép xe cộ theo hướng khoảng thời gian sau dừng lại để xe theo chiều ngược lại Với lần đổi chiều, tín hiệu điều khiển giao thông phải dừng xe chiều đợi cho đường hết xe tiếp tục cho xe theo chiều ngược lại Và để tiết kiệm thời gian chờ cho người tham gia giao thông, khoảng thời gian dành cho hướng phải điều chỉnh dựa vào lượng xe lưu thơng qua hướng đó, ví dụ với hướng mà nhiều xe khoảng thời gian lưu thơng tính tốn dành cho hướng nhiều hướng ngược lại đồ án chúng em thiết kế hệ thống điều khiển đèn tín hiệu giao thơng phù hợp nhằm điều khiển đèn tín hiệu hai đầu đường chiều cho phép xe theo hướng cảm biến đặt vị trí thích hợp đầu đường nhằm phát xe vào xe khỏi đường thời gian dành cho hướng tính toán dựa vào lưu lượng xe cộ dược xác định nhờ cảm biến sau khoảng thời gian phút Mơ tả hệ thống Hình 1: Nút giao thông giao đường chiều đường chiều Page ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ SỐ NGUYỄN NGỌC BÌNH Hệ thống điều khiển đèn giao thơng điều khiển đèn đỏ, vàng xanh hai cột đèn tín hiệu (tương ứng R1,Y1,G1 cột R2,Y2,G2 cột ) hai đầu đường Giả sử đèn đèn bật/tắt cách riêng rẽ điều khiển nhận tín hiệu từ sensor nhiệt S1 S2 Trong toán chúng em sử dụng sensor nhiệt nên phải giả thiết tham gia giao thơng có ôtô xe gắn máy Mỗi sensor cung cấp xung có phương tiện qua Hoạt động điều khiển tính đèn chuyển từ màu sang màu Để cho xe theo hướng 1, G1 sáng thời gian T1,(thời gian tính tốn lại sau phút dựa vào lưu lượng xe đường) Sau khoảng thời gian T1, đèn vàng Y1 sáng khoảng thời gian TY (trong thiết kế này, chọn thời gian là) sau đèn đỏ R1 sáng khoảng thời đèn xanh G1 sáng lần Biểu đồ thời gian thể hình Hình 2: Lưu đồ thời gian toán Page ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ SỐ NGUYỄN NGỌC BÌNH Với xe theo hướng 2, đèn G2 không bật hết xe theo hướng đường Số xe đường xác định nhờ so sánh số xe vào đường ( xác định sensor) số xe khỏi đường (xác định sensor khác) Khi hiệu số xe sensor khơng, coi khơng cịn xe đường thời gian đèn xanh G2 sáng tính bằng: T2= Ttot-T1, với Ttot tổng thời gian đèn xanh sáng Tổng thời gian đèn xanh sáng Ttot chia cho G1 G2 dựa vào chênh lệch lưu lượng giao thông hướng Phương án thiết kế Kỹ thuật số, vi xử lý, vi điều khiển lĩnh vực phát triển mạnh mẽ có ứng dụng nhiều ngành sản xuất việc thực toán phương án: sử dụng mạch số, sử dụng vi điều khiển sử dụng vi xử lý hồn tồn đáp ứng So sánh: Sử dụng vi điều khiển Sử dụng vi xử lý Sử dụng mạch số * Ưu điểm: * Ưu điểm: - Thiết kế tương đối đơn - Thành phần đơn giản, - Có thể giải giản, giá thành phù hợp gọn nhẹ, khơng q phức tốn với u cầu - Tốc độ cao, hoạt động tạp phức tạp ổn định, - Giá thành thấp * Nhược điểm: - Dễ lập trình, dễ chỉnh - Giá thành cao, hệ thống sửa phức tạp cồng kềnh, khó * Nhược điểm: khăn tổ chức hệ - Tốc độ chậm (không ảnh thống hưởng nhiều đến yêu cầu toán), độ ồn định thấp Từ nhận xét trên, chúng em định sử dụng mạch số để giải toán Mô tả thành phần hệ thống Bộ điều khiển đèn giao thông gồm thành phần sau :  Phần tạo dao động  Phần xác định lượng xe đường  Phần xác định chênh lệch lưu lượng xe theo hướng  Phần tính tốn thời gian đèn xanh cho hướng  Phần điều khiển chung Page ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ SỐ NGUYỄN NGỌC BÌNH Hình 3: Sơ đồ khối điều khiển Phần tạo dao động Phần tạo dao động cung cấp nguồn xung tín hiệu xung sử dụng để tính thời gian mổi lần chuyển đèn 10s đèn vàng sáng coi thời gian ngắn hệ Như nguồn xung co chu kỳ 10s sử dụng Tổng thời gian đèn xanh chiều tính lại sau phút Bởi vậy, tạo dao động đếm tăng lên dược cung cấp xung phút Phần xác định lượng xe đường Phần xác định lượng xe đường: để biết đường xe chạy sau lần đèn xanh sáng hay không, đếm sử dụng để so sánh số xe vào nút giao(V) thông số xe khỏi nút(R) Nút coi khơng có xe V-R =0 Mỗi xe vào nút ghi nhận xung sensor tạo xe lại ghi nhận xung sensor khác tạo Do vậy, ý tới điều kiện V-R=0 cịn số thực tế khơng quan tâm Bởi sử dụng đếm thuận nghịch Xung vào từ sensor (S1) làm đếm đếm lên xung vào từ sensor (S2) làm đếm đếm xuống Bộ đếm cho tín hiệu thỏa mãn điều kiện V-R=0 Page ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ SỐ NGUYỄN NGỌC BÌNH Phần xác định lượng theo hướng Phần xác định lưu lượng theo hướng: để xác định quan hệ thời gian đèn xanh sáng chiều, đếm sử dụng để đếm số xe qua nút chiều tương tự với phần xác định lượng xe đường ,phần xác định lưu lượng xe theo hướng đếm lên xe qua chiều đếm xuống xe qua chiều ngược lại Tuy nhiên xung từ S1 sử dụng chiều Và đếm bắt đầu lại sau năm phút, xung từ tạo dao động reset đếm cho phút Tính tốn thời gian đèn xanh Hệ thống tính tốn lại thời gian đèn xanh T1,T2 sau phút dựa đầu của phần đếm xe Giả sử d1 số xe hướng d2 số xe hướng T1 tăng d1-d2>0 giảm d2-d10 Hình 4: Bảng Knaugh mạch tạo dao động Từ bảng K ta thấy: +) Bộ đếm vượt 9, đếm tăng đơn vị QA.QD=1 +) Tương tự, đếm vượt +) Cả đếm RESET với điều kiện đếm 2: QA.QB=1 Page ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ SỐ NGUYỄN NGỌC BÌNH Hình 5: Phần tạo dao động Phần xác định lượng xe đường Như mô tả phần trước, nút giao thơng coi khơng có xe V-R = Để xác định kiện đếm nhị phân thuận nghịch sử dụng Xung từ sensor S1, S2 xuất có xe vào hay rời khỏi nút Ví dụ chiều 1(như hình minh họa ), xung từ S1 có xe vào nút Trong với chiều ngược lại cho biết có xe khỏi nút điều tương tự với S2 ngược lại Qua khác xe vào khỏi nút giao thơng có ý nghĩa, xung từ S1 làm đếm đếm lên xung từ S2 làm đếm đếm xuống Bất lúc số đếm không (bộ đếm đếm lên đếm xuống số ) nghĩa nút giao thơng khơng cịn xe IC đếm nhị phân thuận nghịch sử dụng cho phần có giá trị số xe có nút, nghĩa giá trị V-R Ở trường hợp ta sử dụng đếm nhị phân bit nghĩa có tối 15 xe nút thời điểm IC 74LS193 đếm nhị phân thuận vào sử dụng xung vuông đầu vào để đếm lên hay đếm xuống Trong hình S1 nguồn vào để đếm lên S2 để đếm xuống Một cổng NOR đầu vào sử dụng Khi đầu cổng NOR có mức logic có nghĩa VR=0, tức tất xe vào đường rời khỏi Page ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ SỐ NGUYỄN NGỌC BÌNH Hình 6: Phần xác định lượng xe đường Phần xác định chênh lệch lượng xe theo hướng Hoạt động phần đơn giản tính số xe qua nút từ tính tốn khác số xe qua nút chiều đếm thuận nghịch lại sử dụng Nó đếm tăng lên có xe qua hướng giảm xe qua chiều ngược lại Trong trường hợp sensor S1 sử dụng với tín hiệu từ điều khiển cho biết hướng di chuyển xe Nhằm đơn giản hóa cho mạch nhận biết khác số xe lưu thông qua nút theo chiều không lớn 15 sử dụng đếm bit để thực Một đếm nhị phân bit 74LS193 sử dụng Nó tăng đơn vị cho xung từ S1 G1 sáng giảm đơn vị cho xung từ S1 G2 sáng Bộ đếm Reset sau phút Page 10 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ SỐ NGUYỄN NGỌC BÌNH Hình 7: Phần xác định chênh lệch lượng xe theo hướng Phần tính tốn thời gian đèn xanh: Tổng thời gian đèn xanh chu kỳ nút giao thông là:Ttot = T1 + T2 Trong đó: +) T1: thời gian tính toán cho đèn xanh G1 theo hướng +) T2: thời gian tính tốn cho đèn xanh G2 theo hướng Nếu lưu lượng xe phút theo hướng lớn theo hướng 2; T1 tăng lên đơn vị thời gian T2 giảm đơn vị thời gian nhằm giữ thời gian tổng (Ttot) không đổi đồng thời nhằm cải thiện tình trạng ùn tắc hai đầu nút, thời gian chờ đầu nút giảm xuống giá trị hợp lý Trong thiết kế chọn tổng thời gian(Ttot) 160s, giá trị vừa 16 chu kỳ xung CLK Thời gian phân chia cho T1,T2 Sơ đồ mạch thể hình IC 74LS93 tăng sau 10s G1 G2 sáng Xung tín hiệu bị vơ hiệu G1 G2 tắt G1 bắt đầu sáng giá trị đếm IC IC so sánh 74LS85 đảm bảo điều kiện t=T1, Page 11 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ SỐ NGUYỄN NGỌC BÌNH G1 tắt đếm dừng lại G2 sáng Sau đếm đếm tới 15(, T2 chuyển lên làm điều khiển tắt G2 Việc tính toán thời gian cho T1 thực đếm thứ Bộ đếm đếm từ 0-7 sau lần reset nên T1=T2=80s đếm đếm tăng hay giảm sau chu kỳ phút dựa kết đếm xe nhằm xác định giá trị cho T1 Một khoảng thời gian tối thiểu 40 áp dụng tăng hay giảm cho T1,T2 Bởi vậy, đếm không đếm giảm xuống giá trị đếm t1=3 không đếm tăng giá trị đếm t1=12 Điều kiện “cấm” cho việc đếm tăng hay giảm đếm biểu diễn bảng Karnaugh hình ý hai bảng không quan tâm tới giá trị số đếm nhỏ lớn 12 Hình 8: Bảng Knaugh phần tính tốn thời gian đèn xanh Phương trình biểu diễn quan hệ “cấm”: CẤM = D C + (QD.QC) Trong DN tín hiệu từ “phần xác định lưu lượng xe theo hướng” cung cấp cho đếm tín hiệu “cấm” nối vào chân đếm T1nghĩa đếm hoạt động “CẤM”=0 ngừng hoạt động “CẤM” Page 12 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ SỐ NGUYỄN NGỌC BÌNH Hình 9: Phần tính tốn thời gian đèn xanh Phần điều khiển: Bộ điều khiển yêu cầu trạng thái ứng với thời gian đèn xanh đèn vàng sáng chiều đèn đỏ chiều sáng Thời gian trạng thái trình bày hình trạng thái xác định bảng dưới: Page 13 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ SỐ Trạng thái A B C D E F NGUYỄN NGỌC BÌNH Đèn Đèn XANH ĐỎ VÀNG ĐỎ ĐỎ ĐỎ ĐỎ XANH ĐỎ VÀNG ĐỎ ĐỎ Hình 10: Bảng trạng thái ứng với đèn Lưu đồ trạng thái biểu diễn: Hình 11: Lưu đồ trạng thái Chú ý điều khiển chuyển trạng thái A D sau T1,T2 (như trình bày trên) Mỗi trạng thái B E kết thúc sau chu kỳ xung Trạng thái C F kết thúc sau số xe vào đường số xe khỏi đường nghĩa khơng cịn xe đường Page 14 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ SỐ NGUYỄN NGỌC BÌNH Trong lưu đồ trạng thái, trạng thái luân chuyển cách liên tục giống đếm trạng thái, nghĩa hệ thông chuyển A-B-C-D-EF tiếp tục thời gian trạng thái thay đổi phụ thuộc vào đầu vào T1,T2 all clear Có vài cách giải tốn thiết kế phương pháp sử dụng sử dụng đếm với đầu Bộ đếm đếm tăng chuyển trạng thái Như lựa chọn, phần trạng thái máy xây dựng thơng qua bảng trạng thái gồm hàng cột, ứng với trạng thái đầu vào Cách xây dựng địi hỏi phải có FF mạch logic phù hợp Ở lựa chọn cách giải phương pháp gán trạng thái, phần trạng thái hệ thống thực nhờ ghi dịch bit Mỗi đầu ghi dịch ứng với trạng thái hệ thống Mỗi đầu A B điều khiển đèn G1 Y1, đầu D E điều khiển đèn G2 Y2 Đèn R1 sáng G1 Y1 tắt, tương tự R2 sáng G2 Y2 tắt quan hệ đầu thể đây: G1 = QA G2 = QD Y1 = QB Y2 = QE R1 = R2 = Khi ấn nút RESET, giá trị bit ghi giá trị bit khác để hệ thống khởi đầu với trạng thái A Đầu vào cho phép dịch khởi động ghi dịch chuyển trạng thái ứng với điều kiện lưu đồ trạng thái Những điều kiện thể phương trình tín hiệu cho phép dịch : SHIFT_EN = (A.T1) + B + (C.CLR) + (D.T2) + E + (F.CLR) Như hình 11 Tín hiệu cho phép dịch AND với CLK nối vào chân CK1 74LS95, CLK nối vào CK2 74LS95 Page 15 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ SỐ NGUYỄN NGỌC BÌNH Hình 12: Bộ điều khiển Ngồi thành phần trên, thiết kế cịn có mạch nguồn tạo điện áp 5V để nuôi linh kiên mạch: Hình 13: Mạch nguồn 5V Page 16 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ SỐ NGUYỄN NGỌC BÌNH III CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG THIẾT KẾ *) IC ổn áp 7805 Điện áp đầu : + 5V Dòng điện đầu max : 1A Điện áp đầu vào : 7- 20V DC Hình 13: sơ đồ chân IC 7805 Tuy nhiên sử dụng IC 7805 phải ý tới vấn đề tản nhiệt cho IC để đảm bảo dịng áp *)IC 74LS390: Hình 14: Sơ đồ cấu trúc IC 74LS390 Page 17 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ SỐ NGUYỄN NGỌC BÌNH Mơ tả chức : Vi mạch gồm đếm thập phân Mỗi đếm thập phân cấu tạo từ đếm chia (divide – by – two) đếm chia (divide – by - fire) Hai ngõ vào MR1 MR2 hai ngõ vào xóa tương ứng cho đếm thập phân, tích cực logic CPA ngõ vào xung Clock cho đếm chia CPB ngõ vào xung cho đếm chia QA ngõ đếm chia QB ngõ đếm chia Vi mạch sử dụng làm đếm thập phân làm mạch chia tần số *)IC 74LS93: Mô tả chức năng: tương tự IC đếm 16 Có cấu tạo tương tự IC 74LS390 gồm đếm chia chia Hình 15: Sơ đồ cấu trúc IC 74LS93 *)IC 74LS193: Mô tả chức năng: IC 74LS193 IC đếm bit thuận nghịch đồng sử dụng sườn dương xung vào, gồm 16 chân Trong D0 – D3 chân vào liệu song song, Q0 – Q3 chân IC có chân vào xung UP DOWN, xuất xung chân UP đếm đếm lên chân DOWN đếm đếm xuống.Chân /TCU /TCD chân tín hiệu ln mức tích cực cao Khi đếm đếm tới số đếm cực đại 15 xuất sườn dương xung vào chân Page 18 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ SỐ NGUYỄN NGỌC BÌNH /TCU chuyển xuống mức tích cực thấp trì cho đền xuất hiên sườn dương xung vào tiếp theo, nhiên bị giữ chậm lại chút Chân MR chân reset, chân mức cao “cấm” chân vào khác chốt chân Q0 – Q3 mức tích cực thấp chân PL (prallel load – nạp song song ), chân PL MR mức tích cực thấp, giá trị logic chân vào liệu song song D0 – D3 đưa chân Q0 – Q3 mà khơng cần xung vào Hình 16: Sơ đồ chân chức IC 74LS193 *)IC 74LS191: Mô tả chức năng: IC 74191 IC đếm nhị phân đồng thuận nghịch, có chức tương tự IC 74LS193, IC 74191 khơng có chân vào xung để đếm thuận nghịch riêng Nếu chân D/U mức tích cực cao, chân CLK có xung vào đếm đếm xuống chân D/U mức tích cực thấp chân CLK có xung vào đếm đếm lên Page 19 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ SỐ NGUYỄN NGỌC BÌNH Hình 17: Sơ đồ chân chức IC 74LS191 *)IC 74LS85: Mô tả chức năng: 74LS85 IC so sánh bit để so sánh số nhị phân A,B; số đưa vào song song chân tương ứng A0 – A3 B0 – B3 Và IC có chân A>B,AB,IA