mạch đèn giao thông ở ngã 4

Nếu led 7 đoạn có Anodecực + chung,đầu chung này được nối với +Vcc, các chân còn lại dùng để điều khiển trạngthái sáng tắt của các led đơn, led chỉ sáng khi tín hiệu đặt vào các chân này

BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Giáo viên hướng dẫn: NGUYỄN HUY HÙNG

Sinh viên thực hiện: PHAN THANH LỢI

Lớp: 08DDT1

MSSV: 0851010037

Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH ĐÈN GIAO THÔNG

Điểm đánh giá : Xếp loại:

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2011

Giáo viên hướng dẫn

(Ký và ghi rõ họ tên)

BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Giáo viên phản biện :

Họ tên sinh viên: PHAN THANH LỢI

Lớp: 08DDT1

MSSV: 0851010037

Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH ĐÈN GIAO THÔNG

Điểm đánh giá : Xếp loại:

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2011

Giáo viên phản biện

(Ký và ghi rõ họ tên)

- Lời đầu tiên em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Huy Hùng cùng quý thầy cô bộ môn khoa Cơ-Điện-Điện Tử Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh.

- Trong quá trình thực hiện đồ án em gặp không ít khó khăn và thiếu sót Nhưng được sự hướng dẫn và chỉ dạy nhiệt tình của quý thầy cô đã giúp em khắc phục được những thiếu sót đó và có thể hoàn thành được đề tài đúng thời hạn, giúp em học tốt hơn.

- Do kiến thức của em còn hạn chế nên trong đồ án còn nhiều sai xót em rất mong được sự thông cảm của quý thầy cô Chúng Em xin chân thành cảm ơn.

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG

I/ GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI :

1/ Các chế độ hoạt động:

 Chế độ bình thường: đèn xanh ở 2 hướng bằng nhau

 Chế độ ưu tiên: đèn xanh ở đường ưu tiên dài hơn đường không ưu tiên

 Chế độ đèn vàng nhấp nháy ở cả 2 hướng

 Có 4 led 7 đoạn hiển thị thời gian đếm ngược ở 2 ngã đường

 Có hệ thống led đơn hiển thị cho các đèn xanh, đèn vàng, đèn đỏ tại các ngã tưthực

 Hệ thống nút nhấn: gồm 4 nút

 1 nút chuyển chế độ bình thường

 1 nút chuyển chế độ ưu tiên hướng A

 1 nút chuyển chế độ ưu tiên hướng B

 1 nút chuyển chế độ nhấp nháy đèn vàng

Ngoài ra còn có 1 nút reset các chế độ

2/ Các linh kiện sử dụng:

 Vi xử lí AT89S52

 Hiển thị: Các led 7 đoạn (anode chung), các led đơn xanh, vàng, đỏ

 Các transistor A1015(PNP), để khuyếch đại và điều khiển

CHƯƠNG 2: LINH KIỆN VÀ KIẾN THỨC BỔ TRỢ

1 VI ĐIỀU KHIỂN AT89S52

 256 x 8-bit RAM nội

 4 Port xuất /nhập I/O 8 bit

1.3 Chức năng từng chân:

 Port 0: là port hai chức năng ở các chân 32 đến 39 của AT89S52:

 Chức năng IO (xuất / nhập): dùng cho các thiết kế nhỏ (khôngdùng bộ nhớ ngoài ) đối với các thiết kế lớn với bộ nhớ ngoài, port

0 được dồn kênh giữa bus dữ liệu (D0: D7) và byte thấp của busđịa chỉ (A0:A7)

 Khi dùng làm ngõ vào, Port 0 phải được set mức logic 1 trước đó

 Chức năng địa chỉ / dữ liệu đa hợp: khi dùng các thiết kế lớn, đòihỏi phải sử dụng bộ nhớ ngoài thì Port 0 vừa là bus dữ liệu (8 bit)vừa là bus địa chỉ (8 bit thấp)

 Ngoài ra khi lập trình cho AT89S52, Port 0 còn dùng để nhận mãkhi lập trình và xuất mà khi kiểm tra (quá trình kiểm tra đòi hỏiphải có điện trở kéo lên)

 Port1 (chân 1 – 8): chỉ có một chức năng là I/O, không dùng cho mục

đích khác (chỉ trong 8032/8052/8952 thì dùng thêm P1.0 và P1.1 cho bộđịnh thời thứ 3) Tại Port 1 đã có điện trở kéo lên nên không cần thêmđiện trở ngoài

 Port 1 có khả năng kéo được 4 ngõ TTL và còn dùng làm 8 bit địachỉ thấp trong quá trình lập trình hay kiểm tra

 Port 2 (chân 21 – 28) là port có 2 chức năng:

 Chức năng IO (xuất / nhập)

 Chức năng địa chỉ: dùng làm 8 bit địa chỉ cao khi cần bộ nhớ ngoài

có địa chỉ 16 bit Khi đó, Port 2 không được dùng cho mục đích I/

O

Khi dùng làm ngõ vào, Port 2 phải được set mức logic 1 trước đó

Khi lập trình, Port 2 dùng làm 8 bit địa chỉ cao hay một số tín hiệuđiều khiển.

 Port 3 (chân 10 – 17): là port có 2 chức năng:

 Chức năng I/O

 Chức năng khác: ta có bảng chức năng của từng chân sau:

P3.4 T0 Ngõ vào của bộ định thời 0

P3.5 T1 Ngõ vào của bộ định thời 1

P3.6 WR Tín hiệu điều khiển ghi dữ liệu lên bộ nhớ ngoài

P3.7 RD Tín hiệu điều khiển đọc từ bộ nhớ dữ liệu ngoài.

 Nguồn:

Chân 40: VCC = 5V ± 20%

Chân 20: GND

 PSEN (Program Store Enable):

 PSEN (chân 29) cho phép đọc bộ nhớ chương trình mở rộng đốivới các ứng dụng sử dụng ROM ngoài, thường được nối đến chân

OC (Output Control) của ROM để đọc các byte mã lệnh PSEN sẽ

ở mức logic 0 trong thời gian AT89S52 lấy lệnh Trong quá trìnhnày, PSEN sẽ tích cực 2 lần trong 1 chu kỳ máy

 Mã lệnh của chương trình được đọc từ ROM thông qua bus dữ liệu(Port0) và bus địa chỉ (Port0 + Port2)

 Khi 8952 thi hành chương trình trong ROM nội, PSEN sẽ ở mứclogic 1

 ALE/PROG (Address Latch Enable / Program):

 ALE/PROG (chân 30) cho phép tách các đường địa chỉ và dữ liệutại Port 0 khi truy xuất bộ nhớ ngoài ALE thường nối với chânClock của IC chốt (74373, 74573)

 Các xung tín hiệu ALE có tốc độ bằng 1/6 lần tần số dao động trênchip và có thể được dùng làm tín hiệu clock cho các phần khác của

hệ thống

 Xung này có thể cấm bằng cách set bit 0 của SFR tại địa chỉ 8Ehlên 1 Khi đó, ALE chỉ có tác dụng khi dùng lệnh MOVX hayMOVC Ngoài ra, chân này còn được dùng làm ngõ vào xung lậptrình cho ROM nội ( PROG)

2 chu kỳ máy

 XTAL1,XTAL2:

 Ngõ vào và ngõ ra bộ dao động, khi sử dụng có thể chỉ cần kết nốithêm thạch anh và các tụ như hình vẽ trong sơ đồ Tần số thạchanh thường sử dụng cho AT89S52 là 12Mhz

 Chu kì máy (TM) = 1 / (fOSC/12) = 12 / fOSC

 Nếu tần số thạch anh là 12Mhz thì số chu kì máy bằng 1us

2 LED 7 ĐOẠN:

2.1 Các khái niệm cơ bản

Trong các thiết bị, để báo trạng thái hoạt động của thiết bị đó chongười sử dụng với thông số chỉ là các dãy số đơn thuần, thường người ta sửdụng "led 7 đoạn" Led 7 đoạn được sử dụng khi các dãy số không đòi hỏi quáphức tạp, chỉ cần hiện thị số là đủ, chẳng hạn led 7 đoạn được dùng để hiển thịnhiệt độ phòng, trong các đồng hồ treo tường bằng điện tử, hiển thị số lượngsản phẩm được kiểm tra sau một công đoạn nào đó

Led 7 đoạn có cấu tạo bao gồm 7 led đơn có dạng thanh xếp theo hình

và có thêm một led đơn hình tròn nhỏ thể hiện dấu chấm tròn ở góc dưới, bênphải của led 7 đoạn

8 led đơn trên led 7 đoạn có Anode(cực +) hoặc Cathode(cực -) được nốichung với nhau vào một điểm, được đưa chân ra ngoài để kết nối với mạchđiện 8 cực còn lại trên mỗi led đơn được đưa thành 8 chân riêng, cũng đượcđưa ra ngoài để kết nối với mạch điện Nếu led 7 đoạn có Anode(cực +) chung,đầu chung này được nối với +Vcc, các chân còn lại dùng để điều khiển trạngthái sáng tắt của các led đơn, led chỉ sáng khi tín hiệu đặt vào các chân này ởmức 0 Nếu led 7 đoạn có Cathode(cực -) chung, đầu chung này được nốixuống Ground (hay Mass), các chân còn lại dùng để điều khiển trạng thái sángtắt của các led đơn, led chỉ sáng khi tín hiệu đặt vào các chân này ở mức 1

Vì led 7 đoạn chứa bên trong nó các led đơn, do đó khi kết nối cần đảm bảo dòngqua mỗi led đơn trong khoảng 10mA-20mA để bảo vệ led Nếu kết nối với nguồn5V có thể hạn dòng bằng điện trở 330Ω trước các chân nhận tín hiệu điều khiển.

Sơ đồ vị trí các led được trình bày như hình dưới:

Các điện trở 330Ω là các điện trởbên ngoài được kết nối để giới hạndòng điện qua led nếu led 7 đoạnđược nối với nguồn 5V

Chân nhận tín hiệu a điều khiển led a sáng

tắt, ngõ vào b để điều khiển led b Tương tựvới các chân và các led còn lại

2.2 Kết nối với Vi điều khiển

Ngõ nhận tín hiệu điều khiển của led 7 đoạn có 8 đường, vì vậy có thể dùng 1Port nào đó của Vi điều khiển để điều khiển led 7 đoạn Như vậy led 7 đoạn nhậnmột dữ liệu 8 bit từ Vi điều khiển để điều khiển hoạt động sáng tắt của từng led ledđơn trong nó, dữ liệu được xuất ra điều khiển led 7 đoạn thường được gọi là "mãhiển thị led 7 đoạn" Có hai kiểu mã hiển thị led 7 đoạn: mã dành cho led 7 đoạn cóAnode(cực +) chung và mã dành cho led 7 đoạn có Cathode(cực -) chung

Chẳng hạn, để hiện thị số 1 cần làm cho các led ở vị trí b và c sáng, nếu sử dụngled 7 đoạn có Anode chung thì phải đặt vào hai chân b và c điện áp là 0V(mức 0)các chân còn lại được đặt điện áp là 5V(mức 1), nếu sử dụng led 7 đoạn có Cathodechung thì điện áp(hay mức logic) hoàn toàn ngược lại, tức là phải đặt vào chân b

và c điện áp là 5V(mức 1)

2.3 Giao tiếp Vi điều khiển với nhiều led 7 đoạn :

Nếu kết nối mỗi một Port của Vi điều khiển với 1 led 7 đoạn thì tối đa kết nốiđược 4 led 7 đoạn Mặt khác nếu kết nối như trên sẽ hạn chế khả năng thực hiện các

công việc khác của Vi điều khiển Cho nên cần phải kết nối, điều khiển nhiều led 7đoạn với số lượng chân điều khiển từ Vi điều khiển càng ít càng tốt Có hai giảipháp: một là sử dụng các IC chuyên dụng cho việc hiện thị led 7 đoạn, hai là kết nốinhiều led 7 đoạn vào cùng một đường xuất tín hiệu hiển thị Sau đây sẽ đề cập đếncách kết nối nhiều led 7 đoạn theo giải pháp thứ 2.

Để kết nối nhiều led 7 đoạn vào vi điều khiển thực hiện như sau: nối tất cả cácchân nhận tín hiệu của tất cả các led 7 đoạn (chân abcdefgh) cần sử dụng vàocùng 1 Port Dùng các ngõ ra còn lại của Vi điều khiển điều khiển on/off cho led

7 đoạn, mỗi ngõ ra điều khiển ON/OFF cho 1 led 7 đoạn,(ON: led 7 đoạn đượccấp nguồn để hiển thị, OFF: led 7 đoạn bị ngắt nguồn nên không hiển thị được)

3.TRANSISTOR

3.1 Cấu tạo của Transistor.

Transistor gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình thành hai mối tiếp

giáp P-N, nếu ghép theo thứ tự PNP ta được Transistor thuận, nếu ghép theo thứ

tự NPN ta được Transistor ngược về phương diện cấu tạo Transistor tương

đương với hai Diode đấu ngược chiều nhau

Ba lớp bán dẫn được nối ra thành ba cực , lớp giữa gọi là cực gốc ký

hiệu là B (Base), lớp bán dẫn B rất mỏng và có nồng độ tạp chất thấp

Hai lớp bán dẫn bên ngoài được nối ra thành cực phát (Emitter) viết tắt

là E, và cực thu hay cực góp (Collector) viết tắt là C, vùng bán dẫn E và C có

cùng loại bán dẫn (loại N hay P) nhưng có kích thước và nồng độ tạp chất khácnhau nên không hoán vị cho nhau được.

3.2 Nguyên tắc hoạt động của Transistor.

* Xét hoạt động của Transistor NPN

Mạch khảo sát về nguyên tắc hoạt động của transistor NPN

Ta cấp một nguồn một chiều UCE vào hai cực C và E trong đó (+)

nguồn vào cực C và (-) nguồn vào cực E

Cấp nguồn một chiều UBE đi qua công tắc và trở hạn dòng vào hai cực

B và E, trong đó cực (+) vào chân B, cực (-) vào chân E

Khi công tắc mở , ta thấy rằng, mặc dù hai cực C và E đã được cấp

điện nhưng vẫn không có dòng điện chạy qua mối C E (lúc này dòng IC = 0)

Khi công tắc đóng, mối P-N được phân cực thuận do đó có một dòng

điện chạy từ (+) nguồn UBE qua công tắc => qua R hạn dòng => qua mối BE về

Trong đó: IC là dòng chạy qua mối CE

IB là dòng chạy qua mối BE

β là hệ số khuyếch đại của Transistor

Giải thích: Khi có điện áp UCE nhưng các điện tử và lỗ trống không

thể vượt qua mối tiếp giáp P-N để tạo thành dòng điện, khi xuất hiện dòng IBE

do lớp bán dẫn P tại cực B rất mỏng và nồng độ pha tạp thấp, vì vậy số điện tử tự

do từ lớp bán dẫn N (cực E) vượt qua tiếp giáp sang lớp bán dẫn P (cực B) lớnhơn số lượng lỗ trống rất nhiều, một phần nhỏ trong số các điện tử đó thế vào lỗtrống tạo thành dòng IB còn phần lớn số điện tử bị hút về phía cực C dưới tácdụng của điện áp UCE => tạo thành dòng ICE chạy qua Transistor

* Xét hoạt động của Transistor PNP.

Sự hoạt động của Transistor PNP hoàn toàn tương tự Transistor NPN

nhưng cực tính của các nguồn điện UCE và UBE ngược lại Dòng IC đi từ E sang

C còn dòng IB đi từ E sang B

Khối nguồn Khối xử lý trung tâm AT89S52 Khối hiển thị

Khối điều khiển(nút nhấn)

Chương 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

I/ Sơ đồ khối:

II/ Chức năng thực hiện từng khối:

2.1/ Khối xử lí trung tâm AT89S52:

IC AT89S52 có tất cả 40 chân có chức năng như các đường xuất nhập.Trong đó có

24 chân có tác dụng kép (có nghĩa một chân có hai chức năng), mỗi đường có thể hoạtđộng như đường xuất nhập hoặc như đường diều khiển hoặc là thành phần của các bus

dữ liệu và bus dịa chỉ

Mặt khác khối này nó được lập trình để điều khiển các khối con của mạch

3 4 5 6 7 8 9

3 4 5 6 7 8 9

P 1 3

L E D A 0

L E D 7 S E G

7 6 4 2 1 9

1 0 5

a b c d e f g

1 0 5

a b c d e f g

1 0 5

a b c d e f g

1 0 5

a b c d e f g

F

2.2/ Khối hiển thị thời gian đếm ngược trên led 7 đoạn và hiển thị led

đơn:

thời gian, được hiển thị trên led 7 đoạn, các chân của led được nối thông qua một

điện trở thanh để nối với IC vi điều khiển Việc giải mã nhị phân sang led 7 đoạn

điều được thực hiện trên vi điều khiển

Led 7 đoạn được nối theo kiểu anode chung Nghĩa là : chân E của transistor

được nối lên nguồn Led hoạt động với dòng tối thiểu là 20mA

Sử dụng port (P0): P0.0, P0.1, P0.2, P0.3, P0.4, P0.5, P0.6, P0.7.

Với các chân điều khiển hoạt động thông qua các transistor PNP A1015 điều

khiển hoạt động ở chế độ bão hòa cung cấp dòng cho led sáng

Transistor PNP A1015 được nối với port (P1) của vi điều khiển có chức năng

khuyếch đại dòng cho led hoạt động bình thường thông thường ta chọn hệ số

khuyếch đại β = (40÷100) Vì vậy ta cần tính các giá trị điện trở như sau:

Dòng nhỏ nhất mà một led đơn có thể sáng là 10mA và dòng giới hạn là: 20mA

Khi một led sáng thì nó sẽ mất một điện áp là 2V trên 1led

Các điện trở 4.7K và điện trở treo 4.7K đảm bảo transitor luôn hoạt động ở chế độ

ngắt/dẫn(đảm bảo khi led 7 đoạn đang ở trạng thái OFF sẽ bị tắt hoàn toàn, không bị

sáng mờ mờ)

Tại mỗi thời điểm, chỉ nên cho Vi điều khiển điều khiển cho 1 led 7 đoạn hoạt

động, do đó tại mỗi thời điểm chỉ nên có 1 ngõ ra duy nhất nối với transitor ở mức 0

Tại mỗi thời điểm chỉ có một led 7 đoạn được ON nên sẽ không xảy ra tình trạng quá

tải cho tải và quá tải cho vi điều khiển khi điều khiển nhiều led 7 đoạn

b) Khối hiện thị báo đèn: báo hiệu các đèn xanh, vàng, đỏ ở ngã tư.

+ P2.0 : Nối với đèn đỏ ở đường bên A

+ P2.1 : Nối với đèn vàng ở đường bên A

+ P2.2 : Nối với đèn xanh ở đường bên A

+ P2.3 : Nối với đèn đỏ ở đường bên B

+ P2.4 : Nối với đèn vàng ở đường bên B

+ P2.5 : Nối với đèn xanh ở đường bên B

Sử dụng các led đơn nối anode chung Còn các chân cathode thì được nối vào điệntrở R Và nó được điều khiển bởi các chân P2.0, P2.1, P2.2, P2.3, P2.4, P2.5 của portP2 Dòng qua Led đơn: Id = 10mA- 20mA

Vì led đơn có dòng hoạt động khoảng 10mA trở lên nên ta có thể chọn điện trở Rsao cho phù hợp với từng loại led đơn

2.3/ Khối nút nhấn:

Khối nút nhấn ở đây là các công tắc

nút ấn dùng để thay đổi các chế độ hoạt

động của đèn giao thông:

Như ta đã biết giá trị mặt định của các chân port của vi điều khiển là ở mức 1,

vì vây sử dụng tính chất này chúng ta sẻ nối các chân port với các công tắc và nối

công tắc với đất

2.4/ Khối nguồn :

Cung cấp nguồn nuôi cho vi điều khiển hoạt động theo yêu cầu đề tài ở đây

ta tạo ra nguồn 5v cấp cho vi điều khiển.

III/ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH:

Khi ta cấp nguồn cho vi xử lí thì vi xử lí sẽ hoạt động Nó sẽ tích cực và cấp

nguồn cho các chân của vi xử lí Và mạch sẽ hoạt động theo chế độ đã định sẵn.Nghĩa

là các led đơn ở 2 ngã đường sẽ sáng lên và led 7 đoạn sẽ được khuyếch đại dòng bởi

transistor A1015 và thực hiện việc quét led để lần lượt được tích cực nhờ vào port P0

của vi xử lí Đồng thời sẽ hiện số giây đếm ngược ở 2 ngã đường theo chế độ mặc

định (chế độ bình thường), số giây đếm ngược ở 2 ngã đường lúc này là bằng nhau

(đỏ 25s, vàng 3s, và xanh là 22s) Và ta có thể điều chỉnh chế độ ưu tiên khác thông

qua điều chỉnh các nút nhấn Chế độ ưu tiên: thời gian ở đường ưu tiên ( đỏ 30s, vàng

3s, xanh 35s) và ở đường không ưu tiên ( đỏ 38s, vàng 3s, xanh 27s)

IV/ Sơ đồ nguyên lý toàn mạch: