Điều khiển hệ thống đèn giao thông ngã tư dùng 16f886

Điều khiển hệ thống đèn giao thông ngã tư dùng 16f886 lập trình bằng CCS LỜI NÓI ĐẦU 3 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN 5 1.1.Vi điều khiển là gì ? 5 1.2.Các phương pháp điều khiển hệ thống đèn giao thông 8 CHƯƠNG II: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐÈN GIAO THÔNG 11 2.1. Yêu cầu của bài toán thiết kế 11 2.1.1.Xác định bài toán 11 2.1.2.Mô tả hoạt động của hệ thống 11 2.2.Sơ đồ khối tổng quan 12 2.2.1.Thiết kế các khối 13 1) Khối Đèn Giao Thông: 13 2) Khối Hiển Thị: 14 3) Khối Điều Khiển: 15 4) Khối Vi Điều Khiển: 15 2.3.Sơ đồ nguyên lý 18 CHƯƠNG III: THI CÔNG SẢN PHẨM 21 3.1. Bảng vật tư, linh kiện 21 3.2. Lắp ráp, đấu nối mạch 22 3.2.1. Mạch PCB 22 3.2.2. Thi công 25 CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN 27 4.1. Kết luận 27 4.2. Hạn chế 27 LỜI CẢM ƠN 28

1 Giảng viên hướng dẫn : Dương Tất Thành Sinh viên thực hiện : Nguyễn Vũ Thuật – PH32006

Nguyễn Văn Đương – PH30282 Trương Việt Tiến – PH42274 Bùi Thị Ngọc Lệ - PH30817

Năm 2023

2

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 3

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN 5

1.1.Vi điều khiển là gì ? 5

1.2.Các phương pháp điều khiển hệ thống đèn giao thông 8

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐÈN GIAO THÔNG 11

2.1 Yêu cầu của bài toán thiết kế 11

2.1.1.Xác định bài toán 11

2.1.2.Mô tả hoạt động của hệ thống 11

2.2.Sơ đồ khối tổng quan 12

2.2.1.Thiết kế các khối 13

1) Khối Đèn Giao Thông: 13

2) Khối Hiển Thị: 14

3) Khối Điều Khiển: 15

4) Khối Vi Điều Khiển: 15

2.3.Sơ đồ nguyên lý 18

CHƯƠNG III: THI CÔNG SẢN PHẨM 21

3.1 Bảng vật tư, linh kiện 21

3.2 Lắp ráp, đấu nối mạch 22

3.2.1 Mạch PCB 22

3.2.2 Thi công 25

CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN 27

4.1 Kết luận 27

4.2 Hạn chế 27

LỜI CẢM ƠN 28

3

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây cùng với sự phát triển của nền kinh tế là tốc độ gia tăng

không ngừng về các loại phương tiện giao thông Sự phát triển nhanh chóng của

các phương tiện giao thông dẫn đến tình trạng tắc nghẽn giao thông và tai nạn

giao thông xảy ra thường xuyên Hiện nay, đã có nhiều nhóm nghiên cứu chế tạo

thành công hệ thống đèn giao thông với nhiều phương pháp như dùng PLC, vi

điều khiển16F886, arduino, Qua khảo sát thực tế thì em nhận thấy việc sử dụng

vi điều khiển PIC 16F886 trong hệ thống đèn giao thông chưa được quan tâm

nhiều.Với sự phát triển như vũ bão như hiện nay thì kỹ thuật điện tử , đang

xâm nhập vào tất cả các ngành khoa học – kỹ thuật khác và đã đáp ứng được mọi

nhu cầu của người dân

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 nhóm em đã lựa chọn đề tài:“Thiết kế

sơ đồ nguyên lý và lập trình hệ thống đèn giao thông ngã tư sử dụng vi điều khiển

PIC 16F886”nhằm thiết kế và triển khai một hệ thống điều khiển cho đèn giao

thông tại một ngã tư, nhằm hạn chế ùn tắc và tai nạn cho các phương tiện tham

gia giao thông

Trong quá trình thực hiện đề tài, chúng em đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của

Thầy Lê Tất Thành cùng các bạn trong lớp, nhóm chúng em xin cảm ơn sự giúp

đỡ của cô và các bạn đã giúp nhóm em hoàn thành đề tài đúng thời hạn

Chúng em xin chân thành cảm ơn !!!

4

1 Đối tượng nghiên cứu

Vi điều khiển PIC 16F886, phần mềm proteus và các linh kiện sử dụng trong hệ thống đèn giao thông như (Led 7 thanh, traffic light, điện trở, nút nhấn )

2 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu hoạt động của vi điều khiển PIC 16F886

Nghiên cứu phần mềm mô phỏng Proteus và phần mềm PIC CCS để mô phỏng

và lập trình cho PIC 16F886

3 Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và mô hình thực tế để làm rõ nội dung đề tài

Cụ thể như sau:

Thu thập, phân tích các tài liệu và thông tin liên quan đến đề tài

Vận dụng những kiến thức cơ bản đã học về vi điều khiển

Tìm hiểu qua tài liệu internet, sách báo và nhu cầu đời sống xã hội

Sử dụng phần mềm chuyên dụng như (Proteus, PIC CCS, Pickit 2) để thực hiện

mô phỏng, viết code và nạp code

Tìm hiếu các đồ án có đề tài liên quan

4 Dự kiến kết quả

Hoàn thiện chương trình và mô phỏng được chương trình theo đúng yêu cầu chủ

đề

Các kết quả quá trình thực hiện, đánh giá chất lượng hệ thống

5.Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

Đề tài giúp người nghiên cứu có được kiến thức nền tảng về vi điều khiển

Từ lý thuyết và kết quả nghiên cứu, người nghiên cứu có thể phát triển ý tưởng

để xây dựng những mô hình đèn giao thông thông minh thực tế có tính ứng dụng cao

5

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN

1.1 Vi điều khiển là gì ?

Hình 1.1 Các loại vi điều khiển

Vi điều khiển (VĐK) là một máy tính được tích hợp trên một chíp, nó thường được sử dụng đề điều khiển các thiết bị điện tử Vì điều khiển, thực chất, là một

hệ thống bao gồm một vi xử lý có hiệu suất đủ dùng và giá thành thấp (khác với các bộ vi xử lý đa năng dùng trong máy tính) kết hợp với các khối ngoại vi như

bộ nhớ, các mô đun vào/ra, các mô đun biến đổi số sang tương tự và tương tự sang số Ở máy tính thì các module thường được xây dựng bởi các chíp và mạch ngoài VDK có khả năng như một máy tính, nhưng có ưu điểm đặc biệt về kích

VÐK thường được dùng để xây dựng các hệ thống nhúng Nó xuất hiện khá nhiều trong các dụng cụ điện tử, thiết bị điện, máy giặt lò vi sóng, điện thoại, đầu đọc DVD, thiết bị đa phương tiên, dây chuyền tự động

Kiến trúc của vi điều khiển bao gồm các thành phầm chính sau đây :

Bộ xử lý trung tâm (CPU)

Bộ nhớ (Memory)

Đơn vị giao tiếp (I/O - Input/Output)

Bộ đồng hồ và bộ chia tần số (Clock and Timer)

Các module giao tiếp (Communication Interfaces)

Trình điều khiển nguồn (Power Management)

Bộ điều khiển ngoại vi (Peripheral Controllers)

Các ngắn kết nối (Interconnects)

6 Trình phân tích và gỡ lỗi (Debug and Analysis)

có thể viết trên vi điều khiển 8 bit với chương trình thích hợp

Kiến trúc CISC và RISC

Vi điều khiển CISC là vi điều khiển có tập lệnh phức tạp Các VĐK này có một

số lượng lớn các lệnh nên giúp cho người lập trình có thể linh hoạt và dễ dàng hơn khi viết chương trình Vi điều khiển RISC là vi điều khiển có tập lệnh đơn giản Chúng có một số lượng nhỏ các lệnh đơn giản Do đó, chúng đòi hỏi phần cứng ít hơn, giá thành thấp hơn, và nhanh hơn so với CISC Tuy nhiên nó đòi hỏi người lập trình phải viết các chương trình phức tạp hơn, nhiều lệnh hơn

Kiến trúc Harvard và kiến trúc Von-Neumann

Kiến trúc Harvard sử dụng bộ nhớ riêng biệt cho chương trình và dữ liệu Bus địa chỉ và bus dữ liệu độc lập với nhau nên quá trình truyền nhận dữ liệu đơn giản hơn Kiến trúc Von-Neumann sử dụng chung bộ nhớ cho chương trình và dữ liệu Điều này làm cho VĐK gọn nhẹ hơn, giá thành rẻ hơn

1.1.2 Cấu trúc tổng quan của vi điều khiển

CPU :

Là trái tim của hệ thống Là nơi quản lý tắt cả các hoạt động của VĐK

Bên trong CPU gồm :

ALU là bộ phận thao tác trên các dữ liệu

Bộ giải mã lệnh và điều khiển, xác định các thao tác mà CPU cần thực hiện Thanh ghi lệnh IR, lưu trữ opcode của lệnh được thực thi

Thanh ghi PC, lưu giữ lại địa chỉ của lệnh kế tiếp cần thực thi

Bộ nhớ : Được sử dụng để lưu trữ dữ liệu (RAM) và chương trình (ROM) RAM

lưu trữ các dữ liệu được sinh ra trong thời gian vi điều khiển hoạt động Dữ liệu

ở RAM sẽ mất khi vi điều khiển bị ngắt nguồn nuôi ROM lưu trữ mã lệnh và dữ

7 liệu do người dùng soạn thảo Thông tin trong ROM chỉ bị thay đổi khi người dùng nạp chương trình (mã lệnh) mới

Đơn vị giao tiếp (I/O - Input/Output): Vi điều khiển cần các chân I/O để giao

tiếp với các thiết bị ngoại vi như cảm biến, đèn LED, mạch nạp, và các thiết bị khác Chúng thường có khả năng đầu vào (input) và đầu ra (output)

Thiết bị ngoại vi là tên chung nói đến một số loại thiết bị bên ngoài vỏ của vi điều khiển được gắn kết với vi điều khiển với tính năng nhập xuất (IO) hoặc mở rộng khả năng lưu trữ (như một dạng bộ nhớ phụ)

Ví dụ: Bộ nhớ ngoài, LCD, Bluetooth, led matrix, key, sensor, ADC

1.1.3 Pic là gì?

PIC có thể là viết tắt của Peripheral Interface Controller, và nó thường được liên kết với các vi điều khiển nhúng được sản xuất bởi Microchip Technology Các vi điều khiển nhúng PIC của Microchip được phát triển và sản xuất để thực hiện nhiều nhiệm vụ khác nhau trong ứng dụng điều khiển và tự động hóa Chúng thường được sử dụng để kiểm soát các thiết bị và hệ thống trong các ứng dụng như điều khiển thiết bị gia đình, thiết bị y tế, ô tô, thiết bị công nghiệp, và nhiều ứng dụng khác

8 PIC cũng đã có một vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy phát triển các ứng dụng nhúng và IoT (Internet of Things), và chúng có một cộng đồng lớn các nhà phát triển và người học sử dụng để tạo ra các dự án và sản phẩm sử dụng vi điều khiển PIC

1.1.4 Các dòng PIC và cách lựa chọn

Các kí hiệu của vi điều khiển PIC:

PIC12xxxx: độ dài lệnh: 12 bit

PIC16xxxx: độ dài lệnh 14 bit

PIC18xxxx: độ dài lệnh 16 bit

C: PIC có bộ nhớ EPROM (chỉ có 16C84 là EEPROM)

E: PIC có bộ nhớ flash

LE: PIC có bộ nhớ falsh hoạt động ở điện áp thấp

LV: tương tự như LƑ, đây là kí hiệu cũ

Bên cạnh đó một số vi điều khiển có ký hiệu xxFxxx là EEPROM, nếu có thêm chữ A ở cuối là flash (ví dụ PIC16F877 là EEPROM, còn PIC16F877A là

flash)

Ngoài ra còn có thêm một dòng vi điều khiển PIC mới là dsP1C

Cách lựa chọn một vi điều khiển PIC phù hợp:

Trước hết cần chú ý đến số chân của vi điều khiển cần thiết cho ứng dụng Có nhiều vi điều khiển PIC với số lượng chân khác nhau, thậm chí có vi điều khiển chỉ có 8 chân, ngoài ra còn có các vi điều khiển 28, 40, 44… chân

1.2 Các phương pháp điều khiển hệ thống đèn giao thông

1.2.1 Điều khiển bằng PLC

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

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

- Chức năng điều khiến thay đối dễ dàng bằng thiết bị lập trình (máy tính, màn hình) mà không cần thay đổi phần cứng nếu không có yêu cầu thêm bớt các thiết

bị xuất nhập

- Có thế làm việc trong nhiều điều kiện khác nhau

- Hướng dẫn người sử dụng đơn giản

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

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

1.2.2 Mạch dùng IC số

Với mạch dùng IC sổ có các ưu điểm sau:

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

Giá thành rẻ

Mạch đơn giản dễ thực hiện

Song với việc sử dụng kỹ thuật số rất khó khăn trong việc thay đối chương trình Muốn thay đối một yêu cầu nào đó của chương trình thì buộc lòng phải thay đốiphần cứng Do đó mỗi lần phải lắp lại mạch dẫn đến tốn kém về kinh tế mà nhiều khi 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

1.2.3 Vi mạch dùng kĩ thuật vi xử lý

Ngoài những ưu điểm như đã liệt kê trong phương pháp dùng IC số thì phương pháp dùng kỹ thuật vi xử lý con có những ưu điểm sau:

Ta có thế thay đối chương trình một cách linh hoạt bằng việc thay đối phần mềm

trong khi đó phần cứng không thay đối mà mạch dùng TC số không thế thực hiện được mà nếu có thế thực hiện được thì cũng cứng nhắc mà người công nhân cũng khó tiếp cận, dễ nhầm

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 đế khắc phục những nhược điểm trên hiện nay người ta thường dùng bộ vi điều khiển

10

1.2.4 Điều khiển bằng vi điều khiển

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

Trong mạch có thế 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 tiếp

Với các phương pháp đã nêu ở trên ở đây chúng em lựa chọn giải pháp điều khiển bằng vi điều khiển bởi đây là phương pháp phù hợp và tối ưu nhất với đề tài Phù hợp với kiến thức của sinh viên

Ví dụ hệ thống đèn giao thông hiện nay ở Hà Nội:

Hệ thống đèn giao thông tại ngã tư này gồm:

11

CHƯƠNG II: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

Đề tài “Thiết kế sơ đồ nguyên lý và lập trình hệ thống đèn giao thông ngã tư,

sử dụng vi điều khiển 16F886” mang tính thực tế và dễ dàng áp dụng vào thực

2.1.2 Mô tả hoạt động của hệ thống

Trước tình hình phương tiện tham gia giao thông ngày càng gia tăng không ngừng

và hệ thống giao thông nước ta ngày càng phức tạp Dần đến tình trạng ùn tắc và tai nạn giao thông ngày càng gia tăng Vì vậy để đảm bảo giao thơng được an tòan

và thông suốt thì việc sử dụng các hệ thống tín hiệu đề điều khiến và phân luồng tại các nút giao thông là rất cần thiết Với tầm quan trọng như vậy hệ thống điều khiển tín hiệu giao thông cần phải đảm bảo những yêu 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

12

Hình 1.1 Sơ đồ mô hình hoạt động của 1 hệ thống đèn giao thông

Hình 1.1 Miêu tả sơ đồ đèn tại một ngã tư với 4 cột đèn trong chia làm hai nhánh các cột mắc song song Các đèn xanh vàng và đỏ ở các cột mắc song song sẽ sáng và tắt đồng thời khi hệ thống hoạt động

2.2 Sơ đồ khối tổng quan

Hình 2.1: Sơ đồ khối tổng quan của hệ thống

Khối hiển thị Khối điều khiển trung tâm

13 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, phần mềm điều khiển

 Khối hiển thị: Led 7 đoạn dùng nguồn 1 chiều hiển thị thời gian đếm ngược của các đèn, đèn xanh, đèn vàng, đèn đỏ, led đơn sử dụng nguồn 1 chiều

2.2.1 Thiết kế các khối

1) Khối Đèn Giao Thông:

Đây là các led đơn xanh, đỏ, vàng dùng làm các đèn tín hiệu để điều khiển các phương tiện lưu thông trên đường theo đúng luật giao thông quy định Theo

đó, khi tín hiệu đèn xanh bên phần đường nào sáng thì các phương tiện bên đó được phép lưu thông Ngược lại với đèn đỏ thì phải dừng lại Còn tín hiệu đèn vàng báo hiệu cho người đi đường biết rằng sắp chuyển sang đèn đỏ để chuẩn bị

dừng lại các trạng thái sáng tắt của các đèn tín hiệu này sẽ được điều khiển thông qua vi điều khiển

Điện áp mà mỗi Led chịu được là 2V mà nguồn cung cấp của chúng ta là nguồn 5V nên cần phải có điện trở hạn dòng và được tính chọn như sau:

+ Dòng qua mỗi led : 10mA

330

330

14

2) Khối Hiển Thị:

Khối hiển thị chính là các led 7 đoạn dùng để hiện thị giá trị thời gian còn lại của các trạng thái của các tín hiệu xanh, đỏ, vàng đã được xử lý qua bộ vi điều khiển

để cho ra các mã tương ứng của led 7 đoạn

Bảng mã cho led 7 đoạn loại Anode chung:

Led 7 đoạn thật ra là 8 led đơn ghép lại nên việc tính chọn led hạn dòng cho led 7 đoạn cũng như led đơn:

+ Dòng qua mỗi led : 10mA

3) Khối nguồn 5V:

4) Khối Vi Điều Khiển:

Ta sử dụng vi điều khiển PIC16F886 dùng để lập trình và điều khiển hệ thống hoạt động cũng như nhận dữ liệu điều khiển truyền từ máy tính xuống để xử lý và điều khiển Hiện nay có rất nhiều họ vi điều khiển khác nhau và mỗi họ là có rất nhiều dòng khác nhau Ở đây, nhóm em chọn PIC16F886 vì có số lượng chân nhiều, giá rẻ hơn nên rất phù hợp cho việc nghiên cứu của sinh viên Việc chọn PIC mà không chọn các họ khác như ATMEGA, 89X, ARM Vì chúng em đã được học cơ bản qua nó mà chưa được làm mạch thực tế nên lần này quyết định làm đề tài với PIC

PIC16F886 là một trong những vi điều khiển 8-bit được sản xuất bằng công nghệ nano-watt Nó được hầu hết các nhà phát triển ưa thích để thử nghiệm do

có nhiều chức năng với mức giá rẻ

16

Nó có 28 chân, một bộ dao động bên trong có thể thay đổi ở một phạm vi cụ thể thông qua lập trình Bộ nhớ flash 16 byte của bộ điều khiển này đủ tốt cho hầu hết các ứng dụng

PIC16F886 đi kèm với các chế độ tiết kiệm năng lượng tự động và bộ hẹn giờ

cơ quan giám sát giúp bộ điều khiển đáng tin cậy hơn Nó cũng có nhiều gói để giải quyết nhiều yêu cầu về mạch Nó cũng đi kèm với hai chân lập trình trên vi điều khiển giúp bạn dễ dàng lập trình

Thông số kĩ thuật:

Dải điện áp hoạt động (2.0V-5.5V)

định thời 16 bit

Độ phân giải ADC tối đa (bit) 10bit