Sống trong những năm của “ Cuộc cách mạng công nghiệp 4.0” , rất nhiều công nghệ mới được phát triển mạnh mẽ . Chúng ta càng thấy được sức mạnh từ những bộ xử lí , nó là đầu não , là trái tim của mọi mọi cỗ máy trong cuộc cách mạng 4.0. Các vi xử lí ngày càng được trang bị , tích hợp nhiều tính năng , và đặc biệt ngày càng nhỏ gọn. Các vị được xử lí để hoàn thiện để sử dụng rộng rãi trong công công nghiệp , khoa học kĩ thuật , khoa học , sinh học ,… Để tìm hiểu, học tập về vi xử lí, đưa các tính năng của vi xử lí vào cuộc sống , nhóm em quyết định tìm hiểu về vi xử lý ATMEGA 328P do hãng Atmel sản xuất . Với đề tài tìm hiểu : “ Đèn tín hiệu giao thông tại ngã tư sử dụng vi xử lí Atmega 328P ” . Với mô hình một ngã tư, nhóm em hướng đến hiểu được cách thức hoạt dộng của vi xử lí ATmega 328P, xây dựng một mạch điện đầu tiên trong ngành điện tử của mình .Bước đầu đến với thế giới vi điều khiển để phát triển sau này .
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN BÀI BÁO CÁO MÔN HỌC : LẬP TRÌNH HỆ THỐNG NHÚNG Đề tài : MẠCH ĐÈN GIAO THƠNG Họ tên sinh viên : Hồng Việt Nguyên (Nhóm trưởng) Nguyễn Anh Tú Lý Văn Hiếu Đỗ Đức Long Nguyễn Xuân Tùng Lớp : ĐH11C3 Tên học phần : Lập trình hệ thống nhúng Giảng viên hướng dẫn : Trần Cảnh Dương Hà Nội - 2023 LỜI MỞ ĐẦU Sống năm “ Cuộc cách mạng công nghiệp 4.0” , nhiều công nghệ phát triển mạnh mẽ Chúng ta thấy sức mạnh từ xử lí , đầu não , trái tim mọi cỗ máy cách mạng 4.0 Các vi xử lí ngày trang bị , tích hợp nhiều tính , đặc biệt ngày nhỏ gọn Các vị xử lí để hồn thiện để sử dụng rộng rãi công công nghiệp , khoa học kĩ thuật , khoa học , sinh học ,… Để tìm hiểu, học tập vi xử lí, đưa tính vi xử lí vào sống , nhóm em định tìm hiểu vi xử lý ATMEGA 328P hãng Atmel sản xuất Với đề tài tìm hiểu : “ Đèn tín hiệu giao thơng ngã tư sử dụng vi xử lí Atmega 328P ” Với mơ hình ngã tư, nhóm em hướng đến hiểu cách thức hoạt dộng vi xử lí ATmega 328P, xây dựng mạch điện ngành điện tử Bước đầu đến với giới vi điều khiển để phát triển sau NỘI DUNG I Tổng quan tập Yêu cầu Thiết kế mạch điều khiển đèn tín hiệu giao thơng ngã tư sử dụng vi xử lý AtMEGA 328P Mạch sử dụng cho ngã tư giao thơng có mật độ phương tiện qua lại lớn Giúp điều tiết giao thông giảm ùn tắc , tai nạn giao thông … Thiết kế mạch phải đảm bảo độ an toàn cho người phương tiện tham gia giao thông Sử dụng linh kiện điện tử chất lượng cao , đảm bảo độ bền ổn định cho mạch Thiết kế mạch phải đảm bảo tính hiệu tiết kiệm lượng Thực việc lập trình kiểm tra mạch đảm bảo hoạt động xác đáp ứng yêu cầu cần thiết Đảm bảo quy định mạch điện an toàn lao động Thiết kế mạch phải đảm bảo tính tiện dụng việc sửa chữa bảo trì Kiểm tra kỹ trước đưa vào sử dụng để đảm bảo tính tin cậy mạch II Tổng quan board Arduino , IC dịch 74HC595 , Led đoạn số linh kiện khác Board Arduino uno R3 1.1 Giới thiệu Arduino Arduino tảng phát triển phần cứng phần mềm mã nguồn mở sử dụng rộng rãi việc xây dựng dự án điện tử dự án IoT (Internet of Things) Nền tảng cung cấp mơi trường lập trình loạt bo mạch (boards) nhỏ gọn thiết kế để dễ dàng lập trình điều khiển thiết bị cảm biến khác Dưới số thông tin Arduino: Boards Arduino: Có nhiều loại board Arduino khác nhau, Arduino Uno, Arduino Nano, Arduino Mega, nhiều loại board khác Mỗi loại board có đặc điểm riêng, kích thước, số lượng chân, khả xử lý khác Các thư viện (Libraries): Arduino có cộng đồng lớn đa dạng thư viện, giúp bạn dễ dàng sử dụng chức phổ biến đọc cảm biến, điều khiển động cơ, giao tiếp với thiết bị khác Sử dụng dự án DIY IoT**: Arduino thường sử dụng dự án tự làm (DIY) ứng dụng IoT Bạn sử dụng Arduino để xây dựng thiết bị đèn LED thông minh, hệ thống giám sát môi trường, robot, nhiều ứng dụng khác Mạng cộng đồng rộng lớn: Cộng đồng Arduino mạnh mẽ, với hàng ngàn dự án tài liệu trực tuyến Điều giúp người dùng tìm hiểu chia sẻ kiến thức dễ dàng Mã nguồn mở: Arduino mã nguồn mở, có nghĩa bạn có quyền truy cập sửa đổi mã nguồn theo nhu cầu bạn Arduino đóng góp nhiều cho việc phổ cập kiến thức lập trình điện tử, đặc biệt lĩnh vực IoT, trở thành công cụ quan trọng giới nhà phát triển người đam mê cơng nghệ Hình 1.1 Arduino 1.2 Phần cứng ngoại vi Arduino Phần cứng module ngoại vi quan trọng Arduino bao gồm: Vi điều khiển (Microcontroller): Arduino trang bị vi điều khiển (microcontroller) để thực chương trình nhiệm vụ điều khiển Các phiên Arduino thường sử dụng vi điều khiển ATmega hãng Atmel (hiện Microchip Technology) Nguồn cung cấp: Arduino có kết nối nguồn dự phịng (USB DC) cấp nguồn nguồn DC thông qua cổng USB Nút nhấn (Push Buttons): Một số phiên Arduino có nút nhấn để thực chức nạp chương trình khởi động lại vi điều khiển Đèn LED: Arduino thường kèm với đèn LED để làm sáng làm mờ tùy thuộc vào chương trình liệu đầu vào Chân kết nối (Pin Headers): Arduino có nhiều chân kết nối dùng để kết nối cảm biến, module ngoại vi linh kiện điện tử khác Cổng nạp chương trình (Programming Port): Cổng USB để nạp chương trình vào Arduino thông qua cáp USB Các module ngoại vi phổ biến sử dụng với Arduino bao gồm: Cảm biến: Arduino kết nối với nhiều loại cảm biến cảm biến ánh sáng, cảm biến nhiệt độ, cảm biến gia tố, cảm biến màu sắc, cảm biến khoảng cách nhiều cảm biến khác để thu thập liệu từ môi trường Màn hình: Arduino kết nối với hình LCD, LED OLED để hiển thị thông tin kết chương trình Mơ-đun khơng dây: Arduino sử dụng mơ-đun khơng dây Bluetooth, Wi-Fi, LoRa để kết nối giao tiếp không dây với thiết bị khác mạng Servo Motor Motor Driver: Để điều khiển động servo motor, bạn sử dụng module ngoại vi L298N Motor Driver servo motor Shield: Các shield module mở rộng cho Arduino, cung cấp tính bổ sung điều khiển động cơ, kết nối Ethernet, giao tiếp không dây 1.3 Công cụ phát triển cho Arduino Để phát triển lập trình cho board Arduino, cần sử dụng số công cụ phát triển phổ biến sau: Arduino IDE (Integrated Development Environment) : Arduino IDE ứng dụng phát triển miễn phí mã nguồn mở thiết kế đặc biệt cho lập trình nạp chương trình cho board Arduino Nó cung cấp giao diện đồ họa thân thiện với người dùng cho việc viết mã nạp chương trình lên board Arduino IDE hỗ trợ nhiều hệ điều hành Windows, macOS Linux PlatformIO: PlatformIO mơi trường phát triển tích hợp (IDE) sử dụng để lập trình cho nhiều loại vi điều khiển nhúng, bao gồm Arduino Nó cung cấp loạt tính mạnh mẽ cho việc phát triển quản lý dự án, bao gồm hỗ trợ cho nhiều board Arduino khác PlatformIO có phiên cài đặt nhiều tảng, bao gồm Visual Studio Code Atom Visual Studio Code (VSCode): VSCode trình soạn thảo mã nguồn mở mạnh mẽ linh hoạt, mở rộng thơng qua tiện ích mở rộng Bạn cài đặt tiện ích mở rộng cho Arduino phát triển VSCode, kết hợp với PlatformIO để tạo mơi trường phát triển Arduino mạnh mẽ Energia: Energia môi trường phát triển phát triển đặc biệt cho lập trình board mbed LaunchPad Texas Instruments, hỗ trợ số board Arduino Nó sử dụng ngơn ngữ lập trình Wiring, giống với Arduino, có IDE dựa Eclipse MPLAB X IDE (cho Arduino 101): MPLAB X IDE IDE phát triển Microchip Technology, sử dụng cho lập trình board Arduino 101, board phát triển dựa tảng Intel Curie Dựa vào sở thích nhu cầu bạn, bạn chọn cơng cụ phát triển để lập trình phát triển cho board Arduino Arduino IDE công cụ phổ biến thích hợp cho người bắt đầu, PlatformIO cung cấp mạnh mẽ linh hoạt cho dự án phức tạp Hình 1.2 Phần mềm Arduino IC ghi dịch 74HC595 2.1 Cấu tạo , đặc tính kỹ thuật IC 74HC595 IC 74HC595 loại IC (Integrated Circuit) sử dụng rộng rãi điện tử kỹ thuật số để mở rộng số lượng đầu GPIO (General Purpose Input/Output) vi điều khiển (microcontroller) vi mạch điện tử Nó loại IC dựa cơng nghệ CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) thuộc họ IC 74HC, phân loại thường sử dụng ứng dụng kỹ thuật số Cấu tạo: IC 74HC595 có 16 chân kết nối, số chân quan trọng bao gồm: Chân VCC (Power Supply): Cung cấp điện áp cung cấp cho IC (thường 5V) Chân GND (Ground): Kết nối đất Chân SER (Serial Data Input): Dữ liệu đầu vào từ vi điều khiển Chân SRCLK (Shift Register Clock): Clock cho việc dịch chuyển liệu vào đăng ký Chân RCLK (Register Clock): Clock để lưu trữ liệu từ dịch vào đăng ký Chân SRCLR (Serial Data Clear): Đặt mức Logic LOW để xóa liệu dịch Chân QA đến QH': chân đầu kết nối đến thiết bị ngoại vi hiển thị đèn LED Đặc tính kỹ thuật (thơng số quan trọng thay đổi theo phiên cụ thể): Điện áp cung cấp (VCC): Thường 2V - 6V, phổ biến 5V Số lượng đầu vào (SER) đầu (QA đến QH'): Mỗi IC 74HC595 có chân đầu vào chân đầu Tốc độ hoạt động (clock frequency): Thường tối đa 20 MHz Dòng tiêu thụ thấp: Rất thấp, điều làm cho phù hợp cho ứng dụng di động tiết kiệm lượng Hình 1.3 Sơ đồ chân IC 74HC595 2.2 Nguyên lý hoạt động IC ghi dịch 74HC595 Nguyên lý hoạt động IC ghi dịch 74HC595 sau: Đầu vào liệu (serial input): IC 74HC595 có đầu vào liệu (SER) để nhận liệu từ nguồn liệu ngoại, chẳng hạn vi điều khiển mạch điều khiển Đầu liệu (serial output): IC có đầu liệu (Q7') để kết nối với IC khác chuỗi Dữ liệu từ nguồn gốc (SER) dịch chuyển qua IC ghi dịch khác thông qua chuỗi Điều khiển liệu: Dữ liệu từ nguồn gốc đưa vào IC 74HC595 thông qua đầu vào SER Sau đó, liệu dịch chuyển từ bit thấp đến bit cao thông qua dãy cung cấp xung clock (SH_CP) xung trình lên (ST_CP) Lưu trữ liệu: Dữ liệu dịch chuyển vào ghi IC lưu trữ đầu IC 74HC595 có tám ghi lưu trữ liệu Sau liệu dịch chuyển vào ghi cuối cùng, xuất đầu IC sử dụng để điều khiển thiết bị ngoại vi, chẳng hạn đèn LED hình đoạn Xung clock (SH_CP) xung trình lên (ST_CP): Xung clock cung cấp qua SH_CP để dịch chuyển liệu từ bit thấp đến bit cao Xung trình lên (ST_CP) sử dụng để chuyển liệu từ ghi tạm thời vào ghi lưu trữ Các linh kiện khác 3.1 Modum led đoạn hàn sẵn IC74HC595 Mô tả Dễ dàng điều khiển hiển thị thông tin lên led đoạn với chân giao tiếp thông qua IC ghi dịch 74HC595, ngồi mạch cịn có khả mở rộng thêm led qua cổng đầu nối tiếp, mạch có thư viện kèm dễ sử dụng phù hợp cho ứng dụng: đếm, đồng hồ, Thông Số Kỹ Thuật - Điện áp: - 6VDC - Dòng điện tiêu thụ: 50mA - Sử dụng led đoạn: 0.56inch - IC ghi dịch: 74HC595 x2 - Kích thước: 25 x 38mm Hình 1.4 Led đoạn giao tiếp IC 74HC595 3.2 Mạch Led Đèn Giao Thơng Mơ Hình 5V 3.2.1 Mô tả mạch Mạch đèn giao thông 5V sử dụng Arduino để điều khiển LED đoạn thơng qua IC 74HC595 Mạch cài đặt để mô đèn giao thông với chế độ khác đèn đỏ, đèn xanh đèn vàng 3.2.2 Cách thức hoạt động Arduino gửi liệu thông qua IC 74HC595 để điều khiển LED đoạn tương ứng Dữ liệu gửi từ Arduino đến IC 74HC595 dạng số nhị phân, xác định trạng thái sáng tắt đèn LED đoạn IC 74HC595 sau điều khiển LED đoạn để hiển thị ký tự tương ứng, tạo hiển thị giống đèn giao thông thực tế 3.2.3 Thơng số kỹ thuật Kích thước: 56 * 21 * 11mm Màu sắc: đỏ, vàng, xanh LED: led đục - đường kính bóng led 8mm Điện áp: 5V Trọng lượng: 25 gram Chân nối: GND Red Yellow Green Hình 1.5 Modum Đèn Giao Thông 3.3 Breadboard 3.3.1 Giới thiệu Breadboard Breadboard (hay cịn gọi test board) cơng cụ sử dụng nhiều để thiết kế thử nghiệm mạch 3.3.2 Cấu tạo Breadboard Khu vực trung tâm breadboard khối gồm hai cột Mỗi cột tạo thành từ nhiều hàng Mỗi hàng nối điện theo hàng Dọc hai bên hai bus dọc để cấp điện vào cột bên Hình 1.6 Breadboard III Thiết kế mạch trình thực Cấu trúc chi tiết cách hệ thống hoạt động thiết kế Hệ thống đèn giao thông ngã tư gồm : Thời gian sáng đèn Tđỏ= 17+3 giây, Tvàng = 03 giây, Txanh = 17 giây Hiến thị thời gian đếm ngược led đoạn Gồm đèn tín hiệu Xanh, Đỏ , Vàng Chỉ hoạt động chế độ Khơng có chế độ phân xe thời điểm Với phương pháp nêu chúng em lựa chọn giải pháp điều khiển vi điều khiển phương pháp phù hợp tối ưu với đề tài Thiết kế hệ thống điều khiến đèn giao thông ngã tư dùng vi điều khiển gồm: cột đèn, có đèn tín hiệu phân luồng rẽ trái trước Hiển thị thời gian đếm lùi led vị trí lưng trừng cột đỉnh cột đèn Hình 1.7 Hệ thống đèn giao thơng Chu kỳ đèn tín hiệu T= Tđ0+ T0x + Tv Trong : Tđ: Là thời gian đèn đỏ sáng Tx: Làthời gian đèn xanh sáng Tx: Là thời gian đèn vàng sáng Tđ=Tx + V Nguyên lí hoạt động Xử lý lệnh đèn đỏ: Khi chiều đường đèn đỏ, tất phương tiện chiều phải dừng lại Xử lý lệnh đèn xanh: Khi đèn xanh chiều đường bật, phương tiện chiều phép di chuyển qua ngã tư Xử lý lệnh đèn vàng: Đèn vàng thường bật để cảnh báo phương tiện trước đèn đỏ chiều đường bật Khi đèn vàng sáng, phương tiện chiều đường nên chậm lại chuẩn bị dừng Chuyển trạng thái lặp lại quy trình: Khi đèn xanh chiều đường phụ bật, đèn đỏ chiều đường bật Quy trình liên tục lặp lại để điều khiển luân phiên di chuyển phương tiện ngã tư Quy trình giúp tạo an tồn thơng thống việc quản lý việc lại phương tiện ngã tư Quyết định bật đèn nào, bật bao lâu, thứ tự luân phiên dựa vào hệ thống đèn giao thơng tín hiệu điều khiển phía sau mạch đèn giao thơng, thường lập trình cẩn thận để đảm bảo hiệu suất an toàn giao thông tốt Bảng đấu nối mạch 3.1 Led đoạn với Arduino VCC 5V GND GND SDI Chân số Arduino SCLK Chân số Arduino LOAD Chân số Arduino 3.2 Mạch đèn giao thông 5V với Arduino GND GND R1,R2 , 11 Y1,Y2 , 12 G1,G2 10 , 13 Sơ đồ mạch proteus hình ảnh sản phẩm Hình Mơ peoteus Hình Mặt trước mặt sau sản phẩm Code lập trình cho Arduino phần mềm Arduino IDE