Vì vậy để đảm bảo giao thông được an toàn và thông suốt thìviệc sử dụng các hệ thống tín hiệu đèn giao thông để điều khiển và phân luồng tại cácnút giao thông là rất cần thiết.Nhận thấy
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tổng quan về hệ thống đèn giaothông
Cùng với Luật Giao thông, biển số xe, bằng lái, đèn tín hiệu giao thông đã trở nên quá quen thuộc, song không phải ai cũng biết rõ lịch sử hình thành và sự phát triển của chúng. Đèn giao thông hay đèn tín hiệu giao thông là một thiết bị được dùng để điều khiển giao thông ở những giao lộ có lượng phương tiện lưu thông lớn (thường là ngã ba, ngã tư đông xe qua lại). Đây là một thiết bị quan trọng không những an toàn cho các phương tiện mà còn giúp giảm ùn tắc giao thông vào giờ cao điểm Nó được lắp ở tâm giao lộ hoặc trên vỉa hè Đèn tín hiệu có thể hoạt động tự động hay cảnh sát giao thông điều khiển Đèn giao thông có thể hoạt động hoàn toàn tự động hoặc cảnh sát giao thông điều khiển.
Lịch sử ra đời ( Chỉ dành cho tàu hỏa ).
Ra đời trước ôtô, đèn tín hiệu ban đầu chỉ dành cho tàu hỏa Lúc đầu, nó thắp sáng bằng khí gas Sau 43 năm chúng chạy bằng điện nhưng vẫn cần người điều khiển cho tới khi hoàn toàn tự động vào năm 1950 Ban đầu tín hiệu giao thông chưa có đèn vàng và thay nó là chiếc còi hú vang khi cần.
Lịch sử đèn tín hiệu có từ tháng 10 năm 1868, khi người ta đặt hệ thống đèn ngay bên tòa nhà quốc hội Anh ở Luân Đôn Chúng lắp ở đây để báo hiệu cho những đoàn tàu đi ngang qua Trên cây cột hình khuỷu tay có hai chiếc đèn: một màu đỏ và một màu xanh dùng cho ban đêm Đèn đỏ nghĩa là dừng lại còn đèn xanh là chú ý.
Tháng 8 năm 1914, công ty tín hiệu giao thông ra đời tại Mỹ và chịu trách nhiệm lắp đèn tại các ngã tư bang Ohio Điều đặc biệt là khi đó đèn tín hiệu vẫn chưa có đèn vàng nên khi chuyển trạng thái, cảnh sát lại bấm chiếc còi hú vang báo cho các lái xe biết. Đèn tín hiệu 3 màu (1920-nay) Đến năm 1920, đèn tín hiệu mới có đủ ba mầu: xanh, đỏ, vàng; do sĩ quan cảnh sát Williams Posst, sống tại thành phố Detroit sáng chế ra Năm 1923, Gerrette Morgan đã được nhận bằng phát minh đèn tín hiệu giao thông, mặc dù ông không phải người trực tiếp làm nên cuộc cách mạng đèn tín hiệu hiện đại.
Hình 1.1 Gerrette Morgan bên chiếc đèn giao thông do ông phát minh
Nguyên nhân dẫn tới phát minh đó của Morgan là do tình trạng tai nạn xảy ra nhiều trên đường phố Mỹ trong những năm đó Ông thấy cần có tiêu chuẩn thống nhất để hệ thống tín hiệu sẵn có hoạt động hiệu quả Sau khi nghiên cứu, Morgan thiết kế cột đèn hình chữ T Trong đó các tín hiệu như: "dừng lại" và "đi" và "dừng lại ở tất cả các hướng".
Khi đèn báo "dừng lại ở các hướng", người đi bộ mới được phép băng qua đường. Sau năm 1923, hệ thống vẫn phải có người vận hành Tính riêng tại thành phố New York, hơn 100 cảnh sát phải làm việc 16 giờ hàng ngày và tổng tiền lương là 250.000 USD mỗi năm Do những khó khăn nói trên, các kỹ sư được lệnh thiết lập và phát triển hệ thống đèn hoạt động tự động Tuy nhiên gần 20 năm sau, ước mơ đó của các cảnh sát mới trở thành hiện thực.
Năm 1950, đèn tín hiệu xanh đỏ được sử dụng rất rộng rãi ở Canada và phát triển nhanh chóng trên thế giới Ngày nay, hệ thống đèn tín hiệu hiện đại hơn nhiều, có tính năng đặc biệt là chụp hình những xe vượt đèn đỏ Bên cạnh đó nhiều nước phát minh hết sức thú vị như đèn 4 chế độ ở Anh, New Zeland, Phần Lan v.v Đèn từ đỏ chuyển sang đỏ và vàng rồi đến xanh và về lại vàng Trạng thái đỏ và vàng báo cho các lái xe biết rằng đèn xanh sẽ sáng lên trong một khoảng thời gian rất ngắn nữa.
Các loại đèn giao thông và ý nghĩa:
Loại 3 màu (dành cho xe cộ)
Loại 3 màu có 3 kiểu: xanh, vàng, đỏ Tác dụng như sau:
• Đỏ: Khi gặp đèn đỏ, tất cả các phương tiện đang lưu thông phải dừng lại ở phía trước vạch dừng.
• Xanh: Khi gặp đèn xanh, tất cả các phương tiện được phép đi và phải chú ý.
• Vàng: Đèn vàng là dấu hiệu của sự chuyển đổi tín hiệu.
Khi đèn vàng bật sau đèn xanh nghĩa là chuẩn bị dừng, khi đó các phương tiện phải dừng lại trước vạch sơn dừng vì tiếp đó đèn đỏ sẽ sáng.
Nếu đèn vàng bật sau đèn đỏ có nghĩa là chuẩn bị đi vì tiếp đó đèn xanh sẽ sáng.
Khi đèn vàng nhấp nháy ở tất cả các hướng nghĩa là được đi nhưng người lái xe vẫn phải chú ý.
Loại đèn này lắp theo thứ tự: Nếu lắp chiều dọc thì đèn đỏ ở trên, vàng ở giữa, xanh ở dưới Nếu lắp chiều ngang thì theo thứ tự đỏ ở bên trái, vàng ở giữa, xanh ở bên phải hay ngược lại (đèn xanh luôn luôn hướng về phía vỉa hè hoặc giải phân cách, đèn đỏ hướng xuống lòng đường).
Loại 2 màu (dành cho người đi bộ) :
Loại 2 màu có hai màu xanh, đỏ.
• Đỏ: Đèn đỏ có nghĩa là "không được sang đường" Nó có hình ảnh người màu đỏ đang đứng yên hoặc chữ "dừng lại" Khi gặp đèn đỏ, người đi bộ phải đứng yên trên vỉa hè Khi người đỏ nhấp nháy nghĩa là sắp được sang đường, người đi bộ phải chuẩn bị sang phía bên kia đường.
• Xanh: Đèn xanh có nghĩa là "được phép sang đường" Nó có hình ảnh người màu xanh đang bước đi hoặc chữ "sang đường" Khi gặp đèn xanh, người đi bộ được phép sang đường Khi đèn xanh nhấp nháy, người đi bộ phải khẩn trương sang nốt quãng đường còn lại. Đèn đếm lùi : Đèn đếm lùi là loại đèn lắp đặt bổ sung bên cạnh đèn tín hiệu chính Đèn đếm lùi được hiển thị bằng một con số đếm ngược với những màu sắc khác nhau Khi đèn đếm đến "0" là lập tức chuyển màu đèn chính Đèn đếm lùi có thể có số 0 trước hàng đơn vị hoặc không có. Đèn điều khiển giao thông một thiết bị được dùng để điều khiển giao thông ở giao lộ có lượng phương tiện lưu thông lớn, thường là ngã ba, ngã tư đông xe qua lại Đây là một thiết bị quan trọng, không những an toàn cho các phương tiện mà còn giúp giảm ùn tắc giao thông vào giờ cao điểm Mọi người tham gia giao thông đều phải tuân theo sự chỉ dẫn của hệ thống đèn này: Đỏ - dừng; xanh - đi; vàng - chuẩn bị Quy luật này đã được thống nhất trên toàn thế giới.
Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, xã hội ngày càng văn minh và hiện đại, sự phát triển ở đô thị ngày một đi lên Nhu cầu về giao thông ngày càng trở nên cấp thiết, nhất là trong các khu vực đông dân cư, khu vực có hệ thống giao thông phức tạp như Hà Nội, TP Hồ Chí Minh Do nhu cầu của đời sống con người, đặc biệt là nhu cầu đi lại, các loại phương tiện giao thông đã tăng một cách chóng mặt Riêng tại Việt Nam số lượng phương tiện giao thông trong những năm qua đã tăng một cách đột biến đặc biệt là xe máy, mật độ xe lưu thông trên đường ngày một nhiều, trong khi đó hệ thống đường xá Việt Nam còn quá nhiều hạn chế nên thường gây ra các hiện tượng như kẹt xe, ách tắc giao thông, đặc biệt là tai nạn giao thông ngày càng phổ biến trở thành mối hiểm họa cho nhiều người.
Vì lý do đó các luật giao thông lần lượt ra đời và được đưa vào sử dụng một cách phổ biến như hiện nay Trong đó hệ thống đèn giao thông là công cụ điều khiển công cộng thực tế và hiệu quả có vai trò rất lớn trong việc đảm bảo an toàn và giảm thiểu tai nạn giao thông.
Tổng quan về mạch điều khiển đèn tín hiệu đèn giao thông
Với mạch dùng IC số có các ưu điểm sau:
- Tổn hao công suất bé, mạch có thể dùng pin hoặc acquy.
-Mạch đơn giản dễ thực hiện.
Song với việc sử dụng kỹ thuật số sẽ rất khó khăn trong việc thay đổi chương trình Muốn thay đổi một yêu cầu nào đó của chương trình thì ta buộc lòng phải thay đổi phần cứng Do đó mỗi lần thay đổi 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, PLC đã giải quyết được những bế tắc và ít tốn kém hơn mà phương pháp dùng Ic số lại không thực hiện được.
1.2.2 Mạch dùng kỹ 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 còn có những ưu điểm sau:
Ta có thể thay đổi chương trình một cách linh hoạt bằng việc thay đổi phần mềm trong khi đó phần cứng không thay đổi mà mạch dùng IC số không thể thực hiện được mà nếu có thể thực hiện được thì người công nhân cũng khó tiếp cậ, dễ nhầm.
Số linh kiện 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 đươn chip 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 để khắc phục những nhược điểm trên hiện nay người ta thường dùng bộ vi điều khiển.
1.2.3 Mạch điều khiển bằng vi điều khiển
Ngoài những ưu điểm có của hai phương pháp trên, phươn pháp này còn có những ưu điểm sau:
-Trong mạch có thể 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 tếp với máy tính mà vi xử lý cũng giao tiếp được nhưng là giao tiếp song song nên cần có linh kiện chuyển đổi dữ liệu từ song song sang nối tiếp để giao tiếp với máy tính.
-Do trong vi điều khiển có sử dụng các bộ timer, các hệ thống ngắt câu lệnh đơn giản nên việc lập trình đơn giản dễ thực hiện.
1.2.4 Mạch điều khiển bằng PLC
Với phương pháp điều khiển bằng PLC có những ưu điểm sau:
-Làm việc chắc chắn, liên tục và có tuổi thọ cao.
-Chức năng điều khiển thay đổi dễ dàng bằng thiết bị lập trình như máy tính mà không cần thay đổi phần cứng.
-Có thể làm việc trong nhiều điều kiện khác nhau
-Hướng dẫn người sử dụng đơn giản.
-Thời gian hoàn thành một chu trình điều khiển rất nhanh Tuy phương pháp này có nhiều ưu điểm hơn vi xử lý nhưng việc áp dụng trong các hệ thống nhỏ là không thích hợp bởi giá thành rất cao.
1.2.5 Lựa chọn phương pháp điều khiển
Từ những kiến thức đã học, tham khảo tài liệu trong thư viện, trên mạng và yêu cầu của đồ án cơ sở ngành là người thực hiện chủ yếu nắm những kiến thức về các linh kiện điện tử, IC số, các kĩ năng cơ bản về thi công , thiết kế mạch nên nhóm chỉ sử dụng IC số.
Tổng quan về kỹ thuật số
1.3.1 Mạch logic tổ hợp Đặc điểm cơ bản của mạch tổ hợp
• Giá trị của tín hiệu đầu ra chỉ phụ thuộc vào tổ hợp các giá trị tín hiệu đầu vào ở thời điểm đang xét
• Cấu trúc gồm các cổng logic, không gồm phần tử nhớ
Phương pháp biểu diễn chức năng logic
• Các phương pháp thường dùng là hàm số logic, bảng trạng thái, bảng Cac nô,đôi khi là đồ thị thời gian dạng xung.
• Vi mạch cỡ nhỏ (SSI) thường biểu diễn bằng hàm logic.
• Vi mạch cỡ vừa (MSI) thường biểu diễn bằng bảng trạng thái.
• Sơ đồ khối tổng quát của mạch logic tổ hợp:
• Có thể có n lối vào và m lối ra.
• Mỗi lối ra là 1 hàm của các biến vào
• Quan hệ vào, ra được thể hiện bằng hệ phương trình tổng quát sau:
Phân tích mạch logic tổ hợp
- Định nghĩa: là đánh giá, phê phán một mạch Trên cơ sở đó, có thể rút gọn, chuyển đổi dạng thực hiện của mạch điện để có được lời giải tối ưu theo một nghĩa nào đấy.
- Mạch tổ hợp có thể bao gồm hai hay nhiều tầng, mức độ phức tạp của của mạch cũng rất khác nhau.
• Nếu mạch đơn giản: ta tiến hành lập bảng trạng thái viết biểu thức rút gọn, tối ưu (nếu cần) vẽ lại mạch điện.
• Nếu mạch phức tạp : ta tiến hành phân đoạn mạch để viết biểu thức rút gọn, tối ưu (nếu cần) vẽ lại mạch điện.
Lợi dụng tính đảo trạng thái của FF JK khi J=K=1, người ta thực hiện các mạch đếm Chức năng của mạch đếm là đếm số xung CK đưa vào ngã vào hoặc thể hiện số trạng thái có thể có của các ngã ra Nếu xét khía cạnh tần số của tín hiệu thì mạch đếm có chức năng chia tần, nghĩa là tần số của tín hiệu ở ngã ra là kết quả của phép chia tần số của tín hiệu CK ở ngã vào cho số đếm của mạch.
Ta có các loại: mạch đếm đồng bộ, không đồng bộ và đếm vòng.
Mạch đếm đồng bộ n tầng, đếm lên Để thiết kế mạch đếm đồng bộ n tầng (lấy thí dụ n=4), trước tiên lập bảng trạng thái,quan sát bảng trạng thái suy ra cách mắc các ngã vào JK của các FF sao cho mạch giao hoán tạo các ngã ra đúng như bảng đã lập Giả sử ta dùng FF tác động bởi cạnh xuống của xung CK (Thật ra, kết quả thiết kế không phụ thuộc vào chiều tác động của xung
CK, tuy nhiên điều này phải được thể hiện trên mạch nên ta cũng cần lưu ý) Với 4 FF mạch đếm được 24 trạng thái và số đếm được từ 0 đến 15 Ta có bảng trạng thái:
- FF A đổi trạng thái sau từng xung CK, vậy: TA = JA = KA = 1
- FF B đổi trạng thái nếu trước đó QA = 1, vậy TB = JB = KB = QA
- FF C đổi trạng thái nếu trước đó QA = QB = 1, vậy: TC = JC = KC = QA.QB
- FF D đổi trạng thái nếu trước đó QA=QB=QC=1, vậy:
TD = JD = KD = QA.QB.QC = TC.QC
Ngoài ra còn các mạch đếm dùng IC số, theo đề bài đồ án chúng em nghiên cứu, bọn em cần dùng ic có thể đặt đầu vào, đếm lùi nên IC số bọn em sử dụng sẽ là IC 74LS192.
Giải mã 2 đường sang 4 đường:
Thiết kế mạch Giải mã 2 đường sang 4 đường có ngã vào cho phép (cũng được dùng để nối mạch) Để đơn giản, ta xét mạch giải mã 2 đường sang 4 đường có các ngã vào và ra đều tác động cao
Bảng sự thật, các hàm ngã ra và sơ đồ mạch:
Giải mã 3 đường sang 8 đường
Dùng 2 mạch giải mã 2 đường sang 4 đường để thực hiện mạch giải mã 3 đường sang
Quan sát bảng sự thật ta thấy: Trong các tổ hợp số 3 bit có 2 nhóm trong đó các bit thấp A1A0 hoàn toàn giống nhau, một nhóm có bit A2 = 0 và nhóm kia có A2 = 1.Như vậy ta có thể dùng ngã vào G cho bit A2 và mắc mạch như sau.
Khi A2=G=0, IC1 giải mã cho 1 trong 4 ngã ra thấp và khi A2=G=1, IC2 giải mã cho 1 trong 4 ngã ra cao
Trên thị trường hiện có các loại IC giải mã như:
- 74139 là IC chứa 2 mạch giải mã 2 đường sang 4 đường, có ngã vào tác động cao, các ngã ra tác động thấp, ngã vào cho phép tác động thấp.
- 74138 là IC giải mã 3 đường sang 8 đường có ngã vào tác động cao, các ngã ra tác động thấp, hai ngã vào cho phép G2A và G2B tác động thấp, G1 tác động cao.
- 74154 là IC giải mã 4 đường sang 16 đường có ngã vào tác động cao, các ngã ra tác động thấp, 2 ngã vào cho phép E1 và E2 tác động thấp
Theo đề tài đồ án , bọn em chọn IC 74LS247 để giải mã từ 4 đường sang 7 đường
Kết luận chương 1
Từ nội dung chương 1 chúng ta đã hiểu thêm về lịch sử hình thành và phát triển của đèn tín hiệu giao thông và các phương pháp thiết kế mạch điều khiển đèn tín hiệu giao thông Qua tìm hiểu về các cổng logic của môn kỹ thuật số, chúng em lựa chọn sử dụng cổng logic OR để thiết kế mạch đếm theo yêu cầu của đề tài đồ án Cụ thể chúng em sẽ sử dụng IC 74LS192 và cổng OR cho mạch đếm, IC 74LS247 cho mạch hiển thị.
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐÈN TÍN HIỆU
Sơ đồ khối và chức năng các khối
Khối nguồn: có chức năng cung cấp điện áp cho toàn bộ mạch hoạt động
Khối tạo xung: Biến đổi tín hiệu điện một chiều thành tín hiệu điện có xung và tần số theo yêu cầu.
Khối đếm: có chức năng nhận tín hiệu xung từ khối tạo xung thực hiện các phép toán logic và đưa kết quả sang khối giải mã
Khối giải mã, hiển thị: có chức năng nhận tín hiệu từ khối đếm, đưa tín hiệu vào khối logic , chuyển từ mã nhị phân sang mã led 7 đoạn để hiển thị kết quả.
Khối khống chế giá trị đầu vào khối đếm
KHỐI ĐẾM KHỐI GIẢI MÃ KHỐI HIỂN
Khối khống chế giá trị đầu vào khối đếm: thiết lập đầu vào khối đếm, hiển thị và chuyển trạng thái led đơn
Khối nguồn
Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lí mạch cấp nguồn a.Thông số kỹ thuật
- Điện áp ngõ vào:100~240VAC, 50/60Hz.
- Điện áp ngõ ra: 5VDC
- Dòng điện ngõ ra tối đa: 2A (nếu sử dụng liên tục nên cung cấp ở mức 80% công suất).
- Kiểu giắc ngõ ra: Chuẩn Jack DC tròn đường kính ngoài 5.5mm, đường kính trong phù hợp với lỗ kim từ 2.1~2.5mm. b Nguyên lý làm việc của các khối
- Khối mạch và chỉnh lưu: Sử dụng diode cầu 5A để chỉnh lưu điện áp xoay chiều có giá trị hiệu dụng ta lấy là 12V Chúng kết hợp với tụ chỉnh lưu để tạo ra điện áp DC có giá trị 15V.
- Khối mạch ổn áp và nâng dòng: Tạo điện áp ổn định 5V ở đầu ra Sử dụng IC 7805 để chuyển điện áp đầu vào 15V thành điện áp có mức 5V IC cho dòng ra định danh là 1A tuy nhiên trên thực tế thì dòng ra khoảng 500mA Do vậy, để tạo ra nguồn cung cấp 3A cần sử dụng mạch nâng dòng.
- Khối bảo vệ áp: Bảo vệ nguồn khi điện áp đầu ra tặng vọt khỏi giá trị
5V Bằng cách đóng role ngắt mạch nguồn khỏi điện áp vào Nếu điện áp đầu ra lớn hơn 5V sẽ dẫn nhờ cầu phân áp.
- Khối bảo vệ dòng: Để bảo vệ dòng định mức ở mức 3A Nếu tăng hơn mức 3A hoặc trường hợp ngắn mạch đầu ra thì mạch bảo vệ dòng sẽ đóng role điện áp vào.
Theo sơ đồ thiết kế, ta có:
Số vòng/vol: n B.S ts k Chọn K= 45 B=1
Số vòng sơ cấp: W1"0.15,6= 3432 vòng
Số vòng thứ cấp: W2.15,67vòng
Ta tính được đường kính dây như sau:
Vậy máy biến áp chọn là: Shh= 1,5.2,13
Mạch chỉnh lưu dùng 4 diode D1, D2, D3, D4
* Nguyên lí làm việc : Ở 1/2 chu kì đầu của điện áp vào, U2có chiều dương trên, âm dưới làm D1, D3dẫn;
D2, D4khoá có dòng qua tải.
\+U2→ D1→ Rt → D3→ -U2 Ở 1/2 chu kì sau của điện áp vào, U2có chiều âm trên, dương dưới làm cho D1, D3 khoá; D2, D4dẫn có dòng qua tải.
Ta có: Điện áp sơ cấp là 220V Điện áp sơ cấp đỉnh bằng:
VP1= 220 2= 311VCuộn dây sơ cấp có W1= 3613 vòng.
Cuộn dây thứ cấp W2= 187 vòng.
W , suy ra điện áp đỉnh thứ cấp bằng :V P 17,2V
Do điện áp cấp toàn sóng được sử dụng để diode dẫn điện trong mạch nối tiếp với điện trở phụ tải, điện áp phụ tải có giá trị đỉnh là 17,2V Có 2 diode dẫn điện trong mạch nối tiếp với điện trở tải trong suốt nửa chu kì, do đó chúng ta phải trừ sụt áp trên
Suy ra điện áp đỉnh bằng
VP= 17,2- 2.0,7= 15,8V16V. Điện áp trung bình trên tải :
Dòng điện trung bình trên tải:
Dòng điện lớn nhất qua diode:
3 0,45= 0.63A. Điện áp ngược lớn nhất:
- Mạch lọc bằng tụ điện
Nguyên lí và tính toán :
Khi không có tụ lọc, điện áp trên tải có độ nhấp nhô lớn (đường hình sin đứt nét trên đồ thị)
Hình 2.3 Giản đồ dạng sóng sau chỉnh lưu
Khi mắc tụ C song song với Rt, trong mạch xảy ra quá trình phóng nạp:
- từ 0t1: điện áp sau chỉnh lưu tăng, tụ C được nạp điện từ:
- từ t1t2: điện áp sau chỉnh lưu giảm tụ C phóng điện qua tải từ : +C → Rt→ mass → -C
- Từ t2t3: điện áp ra lớn hơn điện áp trên tụ, tụ C lại được nạp điện.
Ta có công thức: Kp R t
Muốn Kpnhỏ phải chọn tụ C có giá trị lớn. t t 2 t 1
Hình 2.4 Xét dạng sóng sau chỉnh lưu trong một chu kỳ
Thời gian tụ phóng điện: t1= T 4 + θ
Thời gian tụ nạp điện: t2= T 4 - θ
( T 4 ứng với 90 0 hay 1/4 chu kì)
Do vậy U0min= U0max sin θ hay θ= arcsin
Với dòng tải Rtcoi như không đổi thì It= C. dt dU gs
Trong đó Ugslà điện áp gợn sóng Chọn điện áp gợn sóng có giá trị:
Ta xác định góc θ từ công thức (1): θ= arcsin
Chu kì của điện áp xoay chiều trên thứ cấp T f
1 = 10ms (bằng thời gian tương ứng với 360 0 )
Vậy thời gian tương ứng với 90 0 là
T, do đó t1được xác định bởi : t1= 0
Từ biểu thức (2) ta có : C gs
Vậy chọn tụ tiêu chuẩn là 1000 μF
IC ổn áp 7805 có dòng ra 1A, điện áp ra cố định là +5V Công suất tiêu tán vài W đến vài chục
Khối tạo xung
Gồm bộ chia áp có 3 điện trở có giá trị bằng nhau, chia làm 2 mức điện áp là 2/3 Vcc và 1/3 Vcc.
2 bộ khuếch đại thuật toán: OPAM1, OPAM2.
R,S - FF, với đầu vào R,S được nối với đầu ra của OPAM1, OPAM2,đầu ra của FF được nối với đầu ra của IC555.
Hình 2.7 Sơ đồ chân IC555
- Chức năng hoạt động của từng chân:
Chân 1(GND): Cung cấp dòng cho IC.
Chân 2(Trigger): Là chân đầu vào thấp hơn so với điện áp so sánh và được sử dụng như một chân chốt của một tần số áp.
Chân 3(Output): Đây là chân lấy tín hiệu logic đầu ra Trạng thái tín hiệu ở chân số 3 này được xác định ở mức thấp (mức 0) và mức cao (mức 1).
Chân 4(Reset): Dùng để lập trạng thái đầu ra của IC555 khi chân 4 được nối với mass thì OUTPUT sẽ ở mức 0, còn chân 4 ở mức cao thì trạng thái đầu ra sẽ phụ thuộc theo mức áp ở chân số 2 và chân số 6 Muốn tạo dao động thường chân này sẽ được nối trực tiếp với nguồn Vcc.
Chân 5(Control Voltage): Sử dụng để thay đổi mức điện áp chuẩn trong IC555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài nối với chân số
Chân 6(Threshold): Là chân đầu vào để so sánh điện áp và cũng là một chân chốt.
Chân 7(Discharge): Được coi như là một khóa điện tử và chịu tác động điều khiển từ tầng logic của chân 3 Khi đầu ra là chân OUTPUT ở mức 0 thì khóa này sẽ được đóng và ngược lại Chân số 7 có nhiệm vụ tự nạp và xả điện cho mạch R-C.
Chân 8(Vcc): Đây là chân cấp nguồn dể IC có thể hoạt động được.
- Sơ đồ mạch tạo xung:
Hình 2.8 Sơ đồ mạch tạo xung
+ Trong quá trình hoạt động bình thường của 555, điện áp trên tụ C chỉ dao động quanh điện áp Vcc/3 -> 2Vcc/3.
+Khi nạp điện, tụ C nạp điện với điện áp ban đầu là Vcc/3, và kết thúc nạp ở thời điểm điện áp trên C bằng 2Vcc/3.Nạp điện với thời hằng là (Ra+Rb)C.
+ Khi xả điện, tụ C xả điện với điện áp ban đầu là 2Vcc/3, và kết thúc xả ở thời điểm điện áp trên C bằng Vcc/3 Xả điện với thời hằng là Rb.C.
+ Thời gian mức 1 ở ngõ ra chính là thời gian nạp điện, mức 0 là xả điện.
•Tính tần số điều chế độ rộng xung của 555
+ Tần số của tín hiệu đầu ra là : f = 1/(ln2.C.(R1 + 2R2)) = 1/(ln2.10.10 -6 (6800 + 2.68000))= 1Hz + Chu kì của tín hiệu đầu ra : T = 1/f =1/1 =1(s)
+ Thời gian xung ở mức H (1) trong một chu kì : t1 = ln2 (R1 + R2).C= ln2 (6800 + 68000).10.10 -6 =0,65 (s) + Thời gian xung ở mức L (0) trong 1 chu kì : t2 = ln2.R2.C= ln2.68000.10.10 -6 = 0,33(s) Các linh kiện cần dùng cho mạch là :
Một led đơn thông báo xung
Khối đếm
- Sử dụng IC 74LS192, IC 7432, IC 4072
Sơ lược về IC 74LS192:
Thông số kỹ thuật: Điện áp hoạt động: 4.5 ~ 5.5V
Dòng điện ngõ ra: IOH = -0.4mA, IOL = 8mA
IC 74LS192 là IC dòng TTL dùng để đếm lên và đếm xuống chia 10 hay gọi là vi mạch thuận nghịch thập phân (MOD10) Khi có xung vào chân đếm của 74LS192 thì tùy vào điều kiện mà chúng ta cấu hình đếm lên hay đếm xuống thì IC này cứ mỗi sườn lên của xung đầu vào thì nó giải mã ra mã BCD Nếu mà đếm xuống thì nó sẽ đếm và giải mã kiểu này : Xung vào thứ 1 nó giải mã BCD ra (0001) tức là số 9, tương tự như vậy thì xung thứ 2 nó giải mã BCD ra (1000) tức là số 8 cứ thế cho đến xung thứ 9 và BCD là số 0 Còn đếm lên thì ngược lại.
Hình 2.10 Sơ đồ chân 74LS192
Chức năng của từng chân như sau:
+ Vcc là chân cấp nguồn 5V
+ GND là chân cấp nguồn Mass
+ Q0 đến Q3 là đầu ra của bộ đếm mã BCD
+ CP là ngõ vào cấp xung Clock cho mạch đếm
+ CE là ngõ cho vào tích cực luôn đặt ở mức logic 0
+ U/D : Chân cấu hình cho đếm lên hay đếm xuống Nếu đếm lên thì mức 0 và đếm lùi là 1
+ PL là ngõ đầu vào thiết lập trạng thái đầu cho mạch đếm : PL = 0 ; Qi =
+ A0 đến A3 là các đầu vào dữ liệu
+ TC và RC là hai ngõ ra dùng để kết nối liên tầng giữa hai con 74LS192
IC 74LS32 là cổng OR đầu vào kép với gói Quad Nó chứa bốn cổng độc lập, mỗi cổng thực hiện chức năng logic OR Mỗi cổng có hai đầu vào, đó là lý do tại sao nó được đặt tên là cổng OR đầu vào kép Quad Các cổng mức logic như 74LS32 và flip- flop đóng một vai trò quan trọng trong thiết bị điện tử kỹ thuật số.
- Sơ đồ chân 74LS32: Đặc tính thông số kỹ thuật 74LS32
Cổng OR đầu vào kép Điện áp cung cấp: 5 đến 7V Điện áp đầu vào: 5 đến 7V
Phạm vi nhiệt độ hoạt động -55 ° C đến 125 ° C
Tương đương với 74LS32: CD4071
Các cổng logic khác: 74LS00, 74LS08, 74LS02, 74LS04, 74HCT04
74LS32 hay 74LS32N có 12 chân đầu ra đầu vào với tổng số bốn cổng OR Để sử dụng IC cổng logic 74LS32, chỉ cần cấp nguồn cho nó bằng chân Vcc và chân Ground.Điện áp hoạt động điển hình của IC là + 5V, nhưng nó cũng có thể hoạt động ở + 7V.Điện áp đầu ra của IC trên chân Y sẽ bằng điện áp hoạt động của IC Theo bảng chân lý cổng OR, khi một trong hai hoặc cả hai đầu vào của cổng ở mức cao thì đầu ra sẽ ở mức cao Bảng chân lý của cổng OR như sau:
IC CD4072 chứa hai cổng OR, bốn đầu vào một đầu ra độc lập với nhau.
- Hoạt động cổng OR "cổng hoặc", khi có ít nhất một đầu vào ở mức logic 1 thì đầu ra đều ở mức logic 1, trừ khi cả 4 đầu vào ở mức logic 0 thì đầu ra sẽ ở mức logic 0.
- Dải điện áp hoạt động: 3 ~ 18VDC.
- Dòng tải đầu ra: 25mA.
- 2 cổng OR độc lập, 4 ngõ vào 1 ngõ ra mỗi cổng.
- Kiểu chân: DIP-14(chân cắm)
- Chân 15, 1, 10, 9 của U2 (hàng đơn vị) và chân 9 của U1 (hàng chục) sẽ cắm vào mass, chân 15, 1, 10 của U1 (hàng chục) sẽ dùng khối ghi dịch để thiết lập trạng thái đầu vào và chuyển sang trạng thái đầu vào mới sau khi reset.
- Mục tiêu là 3 trạng thái đếm ngược 40s, 30s, 10s tương ứng với 3 trạng thái đèn giao thông đỏ, xanh , vàng và 30s, 10s, 40s đối với luồng còn lại
- U5, U14 làm nhiệm vụ lấy tín hiệu từ khối giải mã hoặc đếm tạo xung đưa vào chân
PL IC 74LS192 của khối đếm và chân 14 IC 4017 của khối tạo đầu vào, chuyển trạng thái led đơn để thiết lập trạng thái đầu vào mới và chuyển trạng thái led đơn tiếp theo.
2.5 Khối khống chế giá trị đầu vào khối đếm
Hình 2.14 IC 4017 Hình 2.15 Sơ đồ chân IC 4017
-Chức năng các chân ic 4017:
+ Các chân 1,2,3,4,5,6,7,9,10,11: 10 chân đầu ra không xếp theo thứ tự
+ Chân 8 (GND) : chân nối đất
+ Chân 12 : chân này lên mức cao sau khi ic đếm từ 1 đến 10 Thường được sử dụng để kích hoạt cho 1 số ic khác
+ Chân 13 : chân cho phép Chân này tích cực ở mức thấp Khi EN = 0 mạch hoạt động.
+ Chân 14: Mạch đếm hoạt động khi có xung từ chân clock, chân này tích cực cạnh lên , thường kết nối với bộ định thời 555 hoặc thạch anh khác để tạo ra xung. + Chân 15 (RESET): Đưa trạng thái ngõ ra lên mức cao.
+ Chân 16 ( VCC) : Kết nối với nguồn 5V Đặc điểm:
- Bộ đếm thập phân CMOS 16 chân.
- Hỗ trợ 10 đầu ra đã được giải mã
- Dải điện áp cung cấp rộng từ 3V đến 15V, thường là + 5V
- Tần số tối đa: 5,5Mhz Ứng dụng.
- IC này thường được ứng dụng trong các mạch đếm, mạch timer, ma trận LED, LED chaser và các dự án LED khác.
- Bộ đếm nhị phân hoặc bộ giải mã nhị phân
- Có thể được sử dụng để làm bộ chia.
- Đo sáng từ xa, ô tô, điện tử y tế
- Đây là IC hoạt động bởi xung kích cạnh lên ( xung kích từ mức 0 lên mức 1).
- Chân số 13 (chân E) là chân cho phép IC hoạt động, để kích hoạt chân này ta phải nối chân này với mức 0 (nối mass)
- Chân MR là chân reset, khi ta cấp cho nó điện áp mức 1 (5V) thì các ngõ ra Q bị reset, mặc đinh ngõ ra Q0 mức 1, các ngõ ra còn lại ở mức 0 Nếu không sử dụng tới chân MR nên ta nối chân này với mass Sơ đồ trên ta dùng chân MR để khống chế lượt đếm thứ 4 nên ta nối chân MR với chân Q4.
- Tụ C4 và R9 dùng chống dội cho nút nhấn.
- Chân CO dùng để kết nối thêm với các IC 4017 khác tuỳ theo nhu cầu thiết kế, ví dụ như khi chúng ta cần tầm đếm của 4017 nhiều hơn thì sẽ dùng tới chân này (chỉ cần kết nối chân CO của 4017 này với chân CLK của IC 4017 kế tiếp).
=> Khi ta kết nối IC 4017 và các linh kiện theo sơ đồ trên và cấp nguồn lần đầu thì mạch hoạt động như sau: Đầu tiên Q0 mặc định ở mức 1, các Q khác ở mức 0 Khi ta nhấn nút rồi thả ra nghĩa là ta đã cấp 1 xung cho IC hoạt động, chân Q1 sẽ xuất ra mức 1, các chân Q khác vẫn ở mức 0 Nhấn thả nút lần nữa thì ta lại cấp thêm xung thứ 2 cho IC hoạt động, Q2 sẽ ở mức 1, các chân Q khác ở mức 0 Nhấn thả nút đến lần thứ 4 thì Q4 ở mức 1 và các Q khác ở mức 0, vì Q4 nối với MR nên MR nhận được tín hiệu mức 1 từ Q4 sẽ reset IC, bắt đầu đếm lại từ đầu từ Q0 (mức 1).
- Sơ lược về led đơn:
Led (hay còn gọi là diode phát quang) là diode có thể phát ra ánh sáng Led có cấu tạo giống như diode gồm có một đầu bán dẫn P và một đầu bán dẫn.
Hình 2.17 Cấu tạo bên trong của LED
Hình2.18 Khối tạo đầu vào, chuyển trạng thái led đơn
- Nhận xung từ khối logic và chuyển trạng thái cho khối đếm
- Ở đây với mục tiêu là hiển thị giá trị đầu là 40s, chuyển trạng thái sang 30s sau khi khối đếm reset và cuối cùng là 10s sau đó lặp lại, ta sử dụng 3 chân 3, 2 , 4 tương ứng 3 trạng thái và chân 7 nối đến chân MR để lặp lại chuyển trạng thái đến chân số 4,
3 chân 3,2,4 của ic 4017 sẽ làm nhiệm vụ thiết lặp trạng thái ban đầu cho khối đếm
- Trạng thái led đỏ là 40s, led xanh là 30s và led vàng là 10s, chuyển trạng thái led khi có xung vào chân CLK của IC 4017 từ khối đếm.
2.6 Khối giải mã, hiển thị
- Sơ lược về IC 74LS247:
- Là IC giải mã từ BCD sang mã LED 7 thanh với 4 chân đầu vào và 7 chân đầu ra.
Thông số của IC 74LS74:
–Điện áp cung cấp: từ 4.75V đến 5.25V
–Dòng điện cung cấp: khoảng 13mA
–Nhiệt độ có thể chịu được: 0 đến 70 độ C
–Điện áp ngõ ra: từ 0V đến 3.4V
Sơ đồ chân của 74LS47:
Chân số 1, 2, 6, 7 là các chân dữ liệu BCD (A1, A2, A3, A0) vào dữ liệu được lấy từ IC đếm.
Chân số 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 là các chân ra tác động mức tích cực thấp (0) và được nối với LED 7 thanh.
Chân số 8 là chân nối đất
Chân số 16 là chân cấp nguồn
Chân số 3 là chân tín hiệu điều khiển ( lamp Test)
Chân số 4 ( Ripple Blanking Output) và chân số 5 (Ripple Blanking Input) có mức tích cực thấp để tạo lên một số chức năng cho IC.
- Sơ lược về led 7 đoạn:
-Led 7 đoạn có cấu tạo bao gồm 7 led đơn có dạng thanh xếp theo hình dạng số 8 và có thêm một led đơn hình tròn nhỏ thể hiện dấu chấm tròn ở góc dưới, bên phải của led 7 đoạn 8 led đơn trên led 7 đoạn có Anode(cực +) hoặc Cathode(cực -) được nối chung với nhau vào một điểm, được đưa chân ra ngoài để kết nối với mạch điện 8 cực còn lại trên mỗi led đơn được đưa thành 8 chân riêng, cũng được đưa 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 trạng thái sáng tắt của các led đơn, led chỉ sáng khi tín hiệu đặt vào các chân này ở mức 0 Nếu led 7 đoạn có Cathode(cực -) chung, đầu chung này được nối xuống Ground (hay Mass), các chân còn lại dùng để điều khiển trạng thái sáng tắt 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 dòng qua mỗi led đơn trong khoảng 10mA-20mA để bảo vệ led Nếu kết nối với nguồn 5V 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
Hình 2.22 Sơ đồ vị trí các LED
– Các điện trở 330Ω là các điện trở bên ngoài được kết nối để giới hạn dòng điện qua led nếu led 7 đoạn được nối với nguồn 5V Chân nhận tín hiệu a điều khiển led a sáng tắt, ngõ vào b để điều khiển led b Tương tự với các chân và các led còn lại.
Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển hai luồng giao thông
Hình 2.25 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển hai luồng giao thông
Nguyên lý hoạt động 1 luồng :
- Ban đầu khi cấp nguồn cho tất cả các khối, ic 4017 bắt đầu trạng thái đầu tiên với chân 3 được đưa lên mức cao, chân 2, 3 của ic 4017 đi vào cổng or của ic 7432, đầu ra cổng or đi vào chân 15 của ic 74ls192 của hàng chục, chân 3 4017 nối vào chân 1 ic 74ls192 và chân 4 ic 4017 nối vào chân 10 ic 74ls192 Cách tính đầu thiết lập ban đầu như sau:
- Chân 3 ic 4017 có điện đi vào chân 1, chân 3 ic 4017 qua cổng or đi vào chân 15 nên chân 1, 15 ic 74ls192 có điện với giá trị được thiết lập là 2 0 +2 1 =3 Với các đầu vào ic 74ls192 hàng đơn vị nối mass ta có giá trị ban đầu là 30s (đèn xanh).
- Sau đó xung lấy từ ic 555 kích vào chân 4 DN của ic 74ls192 hàng đơn vị khống chế ic 74ls192 bắt đầu đếm xuống tuần tự theo xung của ic 555 Khi đếm về 0 lập tức khối logic kích 1 xung âm vào chân PL của 2ic 74ls192 làm ic 74ls192 reset về giá trị thiết lập ban đầu Ngay lúc này khối logic cũng kích 1 xung vào chân 14 ic 4017 khiến chân 2 của ic 4017 lên mức cao, chân 2 ic 4017 đi qua cổng or vào chân 15 ic 74ls192 làm chân 15 có điện và giá trị ban đầu thiết lập của 74ls192 trở thành 2 0 =1 nên giá trị thiết lập ban đầu của khối đếm trở thành 10s(đèn vàng) và tương tự khi chuyển đến giá trị tiếp theo là 40s đèn đỏ và lặp lại tất cả trạng thái trên khi kết thúc đếm ngược giá trị 40s.
Nguyên lý hoạt động luồng 2 tương tự như luồng 1 nhưng giá trị thiết lập đếm ban đầu là 40s (đèn đỏ), 30s (đèn xanh) và 10s (đèn vàng).
MÔ PHỎNG VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH
Mô phỏng mạch
Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển đèn tín hiệu giao thông hai luồng
Hình 3.1 Sơ đồ mô phỏng đèn giao thông 2 luồng
Một số hình ảnh mô phỏng nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển đèn tín hiệu giao thông:
Hình 3.2 Đèn đỏ luồng 1 hiển thị 17s, đèn xanh luồng 2 hiển thị 7s
Hình 3.3 Đèn đỏ luồng 1 hiển thị 9s, đèn vàng luồng 2 hiển thị 9s
Thiết kế mạch
- Mạch nguồn, mạch dao động
Hình 3.4 Sơ đồ mạch nguồn, mạch dao động
Hình 3.5 Mạch in mạch nguồn, mạch dao động
Hình 3.6 Mạch in 3D trên proteus
- Mạch giải mã, hiển thị 2 luồng
Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
- Vì mạch nguyên lý sử dụng rất nhiều ic số nên em đã chia mạch ra làm 2 luồng riêng biệt và thiết kế mạch in trên từng luồng
Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý luồng 1
Hình 3.9 Mạch in mô phỏng luồng 1
Hình 3.10 Mạch in luồng 1 thực tế
Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý luồng 2
Hình 3.12 Sơ đồ mạch in mô phỏng luồng 2
Hình 3.13 Mạch in luồng 2 thực tế
Lắp ráp mạch
Hình 3.14 Mạch nguồn lắp ráp thực tế
Test 1 luồng trên bo cắm
Hình 3.15 Đèn đỏ đang hiển thị 40s
Hình 3.16 Đèn xanh đang hiển thị 29s
Hình 3.17 Đèn vàng đang hiển thị 10s
Luồng giao thông thứ nhất
Hình 3.18 Mạch lắp ráp luồng 1 thực tế
Luồng giao thông thứ hai
Hình 3.19 Mạch lắp ráp luồng 2 thực tế
Thi công mô hình
Các vật liệu sử dụng để thi công mô hình:
- 2 tấm bìa fomex làm mô hình kích thước 60x40cm dày 5mm
Một số hình ảnh trong quá trình thực hiện làm mô hình điều khiển hai luồng đèn tín hiệu giao thông.
Hình ảnh thi công phần cột đèn:
Hình 3.20 Lắp ráp cột đèn
Thi công phần đế và bề mặt của mô hình
Hình 3.21 Hình ảnh thi công đế mô hình
Mô hình sản phẩm
Một số hình ảnh mô hình sản phẩm sau khi hoàn thiện.
Hình 3.22 Mô hình với cột đèn đầu tiên
Hình 3.23 Mô hình hoàn thiện
