đề tài thiết kế mô hình đèn giao thông tại ngã 4 có thể điều khiển bằng plc hoặc vi điều khiển

TỔNG QUAN VÀ CÁC GIẢI PHÁP THỰC HIỆN

Mở đầu

-Đèn giao thông (còn được gọi tên khác là hệ thống đèn tín hiệu giao thông, đèn điều khiển giao thông, hay đèn xanh đèn đỏ) 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 giao thông có thể hoạt động tự động hay cảnh sát giao thông điều khiển

-Mô hình đèn giao thông là một trong những mô hình thực hành có tính thực tế cao Giúp sinh viên thực hành đầy đủ các bài có tính thực tế như thực hành lập trình đèn giao thông ngã tư, ngã sáu từ lập trình cơ bản đến nâng cao, và lập trình thực tiễn

Mô hình đèn giao thông được thiết kế với đầy đủ tính năng của hệ thống điều khiển đèn tín hiệu giao thông trong thực tế

Hệ thống điều khiển có thể dụng PLC hoặc Vi điều khiển

Dưới đây là hình ảnh mô hình đèn giao thông tại ngã 4 được bán ngoài thị trường và đang rất phổ biến trong các phòng thực hành của các trường đại học

Hình 1.2 : Mô hình đèn giao thông tại ngã 4

Lựa chọn các thiết bị

Mô hình sử dụng PLC S7-1200 bao gồm các phần chính như CPU, bộ nhớ RAM và Flash, các cổng giao tiếp như Ethernet, USB, RS485, RS232 và các module I/O để kết nối với các thiết bị điều khiển khác Thiết bị cũng được trang bị nhiều tính năng an toàn như quản lý nguồn, bảo vệ quá tải và giám sát điện áp để đảm bảo sự an toàn trong quá trình vận hành Tất cả những phần này làm nên cấu trúc của PLC S7-1200 và giúp cho thiết bị hoạt động ổn định và chính xác.

 Jack bắp chuối cái 4mm

Sử dụng làm chân tín hiệu cho các đầu ra và nguồn của PLC Thông số kỹ thuật : Màu sắc: Tùy Chọn

 Điện áp tối đa: 60VDC

 Kích thước: Doutmm, Din=4mm, L)mm, Lỗ ren 8mm

Hình 1.2 Jack bắp chuối cái 4mm

 Mạch giảm áp DC LM2596

-Giảm điện áp từ PLC- Vi điều khiển xuống 5vdc để cấp nguồn cho mạch hiển thị

 Điện áp đầu vào: Từ 3V đến 30V.

 Điện áp đầu ra: Điều chỉnh được trong khoảng 1.5V đến 30V.

 Dòng đáp ứng tối đa là 3A.

 Kích thước: 45 (dài) * 20 (rộng) * 14 (cao) mm

Hình 1.3 Mạch giảm áp DCLM2596

PC817 là một opto được sử dụng rất phổ biến, nó chứa một LED hồng ngoại và một transistor quang trong một gói Opto hay còn được gọi là cách ly quang là những linh kiện dạng IC có từ 4 chân đến nhiều chân, chủ yếu được sử dụng để cách ly hai mạch

Tính năng / Thông số kỹ thuật PC817

Loại gói: Dip 4 chân và SMT Loại transistor: NPN

Dòng cực góp tối đa (IC): 50mA Điện áp cực góp - cực phát tối đa (VCEO): 80V Điện áp bão hòa cực góp - cực phát: 0,1 đến 0,2 Điện áp cực phát - cực gốc tối đa (VEBO): 6VCông suất tiêu tán cực góp tối đa (Pc): 200 mWNhiệt độ lưu trữ và hoạt động phải là: -55 đến +120 độ C để lưu trữ và -30 đến +100 để hoạt động

Linh kiện có chức năng cắm kết nối dây dẫn có header

- Khoảng cách giữa tâm 2 chân: 2.54mm

 Led 7 thanh là một mô-đun hiển thị kỹ thuật số được thiết kế đặc biệt để hiển thị thông tin số Nó bao gồm một số lượng đèn LED được sắp xếp theo hình dạng của các con số, tạo ra một màn hình dễ dàng nhìn thấy Mỗi con số trong màn hình được tạo ra bằng cách bật hoặc tắt các đèn LED tương ứng

Thông số làm việc của LED: Điện áp = 2V Dòng = 20mA

 IC CD4511 là một trình điều khiển hiển thị led 7 đoạn Nó là một bộ giải mã BCD và hiển thị trên led 7 đoạn, cách khác là chuyển đổi một số nhị phân sang một số thập phân.

 Dải nhiệt độ hoạt động: -55 ~ 125 độ C

 Công suất tiêu tán tại nhiệt độ -55 đến 100 độ C: 500mW

LED (viết tắt của Light Emitting Diode, có nghĩa là điốt phát quang) là các điốt có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoaị, tử ngoại Cũng giống như điốt, LED được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại p ghép với một khối bán dẫn loại n

 Màu sắc hiển thị: đỏ, vàng, xanh lá, xanh dương

 Dòng: 5mA – 40mA (Khuyên dùng 10-20mA là bền)

Hình 1.8 Led đơn 5mm phủ màu

 Điện trở Điện trở hay Resistor là một linh kiện điện tử thụ động gồm 2 tiếp điểm kết nối, thường được dùng để hạn chế cường độ dòng điện chảy trong mạch, điều chỉnh mức độ tín hiệu, dùng để chia điện áp, kích hoạt các linh kiện điện tử chủ động như transistor, tiếp điểm cuối trong đường truyền điện

THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Sơ đồ khối

2.1.2 Giải thích lưu đồ thuật toán :

- Đầu tiên ở bộ điều khiển trung tâm là PLC sẽ cấp nguồn cùng các chân tín hiệu vào đầu ra của mạch Optor

Nguồn 24Vdc sẽ đi qua mạch hạ áp LM2596 và được giảm xuống 5V đi xuống đầu ra của Optor

Các chân tín hiệu của PLC sẽ được kết nối với đầu vào của Mạch Optor Đầu ra của Optor sau khi nhận được nguồn 5V sẽ đi vào và cấp nguồn cho Mạch hiển thị

-Lập trình trên PLC và đặt các chân tín hiệu tương ứng để điều khiển Mạch hiển thị chạy theo mong muốn của người dung

Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển

Hình 2.2.a : Sơ đồ mạch nguyên lý

Nguyên lý hoạt động của mạch và giải thích các tham số và linh kiện :

-Ở mạch hiển thị sử dụng Led 7 thanh loại Cathode chung tức các diod có cực âm được nối chung với nhau ! Cần cấp nguồn dương ( 3-5-12 or 24v) và cấp nguồn 0v vào châm âm để mạch hiển thị

Sử dụng Ic giải mã CD4511 có khả năng chuyển đổi các số hệ thập phân từ 0 đến 9 từ đầu vào BCD thành các tín hiệu đầu ra tương ứng để kích hoạt các đoạn LED trong một hiển thị LED 7 đoạn

Có thể giải mã được nhiều led 7 thanh cùng lúc và không cần các resistor nào để điều chỉnh dòng đầu ra, do đó nó rất tiện lợi để sử dụng hơn là IC7447

Sử dụng 1 header 12 chân để kết nối với bên khối khác

2.2.2 Mạch Optor 817 Sơ đồ nguyên lý :

Hình 2.2.a : Sơ đồ nguyen lý Optor 817

Nguyên lý hoạt động của mạch và giải thích các tham số và linh kiện : Đây được gọi là một mạch trung gian kết nối giữa PLC or vi điều khiển và Mạch hiển thị đèn giao thông

Optor 817 là một loại thiết bị điện tử được sử dụng để cách điện và cách ly điện từ giữa hai mạch điện tử Nó bao gồm một đèn LED và một cảm biến ánh sáng

(photodetector) được đặt trong cùng một gói vật lý, nhưng được cách điện hoàn toàn

Tác dụng của Optor 817 bao gồm như sau : - Cách điện hoàn toàn giữa hai mạch điện, giúp ngăn chặn dòng điện hoặc tín hiệu từ một mạch làm ảnh hưởng đến mạch khác

-Khi một tín hiệu điện được áp dụng vào đèn LED bên trong Opto817, nó tạo ra ánh sáng Ánh sáng này được chuyển đến cảm biến ánh sáng (photodetector), và điều này gây ra một tín hiệu điện tại đầu ra của Opto817 Do đó, Opto817 có khả năng chuyển đổi tín hiệu điện từ một mạch sang một mạch khác mà không cần một liên kết dây dẫn trực tiếp

=> Vì PLC sử dụng nguồn 24vdc mà mạch hiển thị chỉ dùng dòng có 5vdc nên việc sử dụng Optor sẽ đảm bảo độ an toàn rất lớn giữa 2 mạch điện này

Và khi mỗi chân kết nối từ PLC vào các chân đầu vào của Optor đèn LED sẽ sáng báo tín hiệu đã được kết nối

Chân 1 là chân dương của led hồng ngoại , nó là đầu vào của các chân tin hiệu từ PLC kết nối sang

Chân 2 là chân âm của led hồng ngoại sẽ kết ngồi với 1 led ,1 trở khi có tín hiệu điện từ PLC vào chân 1 thì led sẽ sáng và báo cáo chân đã hoạt động

Chân 3 là chân cực phát của tranzitor quang sẽ được kết nối 1 trở xuống GND

Chân 4 là chân cực góp của tranzitor quang sẽ là đầu ra kết với mạch hiển thị đèn giao thông

-Mạch này là mạch ở giữa nên cần 2 đầu Header để kết nối với các khối còn lại Một số lưu ý : Ở chõn số 2 của Optor được kết nối với Led sử dụng Trở 1k ễm và ẵ Watt , lý do chọn trở này vì khi đo dòng điện

Nguồn của PLC là 24VDC và Cường độ dòng điện I là 20mAmpe vậy sau khi trừ 1 số linh kiện hỗ trợ dòng điện sẽ về 20VDC , ta sử dụng Công thức tính toán dòng điện thông thường R=U/I00 ôm

 Vậy nờn ta sẽ sử dụng trở 1K ụm loại ẵ watt

Hình 2.2.a : Sơ đồ nguyen lý mạch nguồn 2596F

Nguyên lý hoạt động của mạch và giải thích các tham số và linh kiện : Cuối cùng đây là Mạch Nguồn :

Mạch nguồn này có sử dụng mạch giảm áp LM2596F có khả năng giảm áp đầu vào từ 3,2V đến 46V xuống đến 1,25V đến 35V với dòng điện tối đa 3A

Mạch nguồn này đã được tích hợp vào mạch trung gian Optor 817 nhằm hạ nguồn điện PLC từ 24Vdc xuống còn 5Vdc để đảm bảo nguồn điện trong tầm của mạch hiển thị , giúp mạch không bị quá tải và nóng

Ngoài ra nó còn một số tác dụng khác rất hữu ích để đảm bảo an toàn mạch như :

Bảo vệ quá dòng (over-current protection), bảo vệ quá nhiệt (thermal protection), và bảo vệ quá áp (over-voltage protection) Nó cũng có tính ổn định cao và ít dao động Rất phù hợp với bài toán mình đang đặt ra

Hình 2.2.b : Mạch in 3D Mạch nguồn

KẾT QUẢ THỰC HIỆN VÀ KẾT LUẬN

Kết quả thực nghiệm

+ Đã nghiên cứu và hiểu rõ hơn về thiết kế mạch và khả năng tương tác giữa cách khối mạch

+ Hiểu rõ hơn về tầm quan trọng của PLC và có thêm kiến thức lập tình PLC khi kết hợp với các thiết bị phần cứng

+ Nâng cao tư duy làm việc và chế tạo.

+ Thiết kế thành công mô hình đèn giao thông tại ngã 4 có thể lựa chọn bộ điều khiển PLC hoặc Vi điều khiển tùy theo mong muốn của người dùng

+ Nâng cao kỹ năng vận hành chế tạo thiết kế phần cứng phức tạp và về mặt thẩm mĩ cao

+ Chi phí tự sản xuất mô hình sẽ rẻ hơn chiếc máy bán ở thị trường rất nhiều

- Hướng phát triển: o Hiện thị tất cả các thông số lên LCD o Gửi các thônng báo và kết quả lên Wed Sever và có thể điều chỉnh các thiế lập từ xa o Thiết kế thêm các ngã rẽ và tuyến đường cho người đi bộ

Mô tả cách vận hành

Kết luận và hướng phát triển của đề tài