Tìm hiểu, nghiên cứu, thực hiện thiết kế mạch Điều khiển Đèn giao thông

Cuộc sống được nâng cao, mật độ dân cư ở các thành phố đô thị lớn ngày càngđông đúc hơn, vấn đề hỗ trợ cho người tham gia giao thông an toàn là việc cầnlàm ngay và hệ thống đèn điều khiể

Lời nói đầu

Ngày nay trong khoa học kỹ thuật và đời sống xã hội các bộ vi điềukhiển có ứng dụng rộng rãi và thâm nhập ngày càng nhiều đến công việc, cuộcsống hằng ngày của con người Từ các thiết bị gia đình đến các thiết bị vănphòng, hay các bộ điều khiển tự động đều sử dụng đến các bộ vi điều khiển, vìvậy các hệ thống nhúng sử dụng vi điều khiển phục vụ cuộc sống con người làthực sự cần thiết

Cuộc sống được nâng cao, mật độ dân cư ở các thành phố đô thị lớn ngày càngđông đúc hơn, vấn đề hỗ trợ cho người tham gia giao thông an toàn là việc cầnlàm ngay và hệ thống đèn điều khiển và phân luồng giao thông ở các điểm ngã

tư, ngã năm được đưa vào sử dụng Không những hạn chế được những xung độttrong giao thông thành phố mà còn tránh được hiện tương ùn tắc, tai nạn giaothông, hướng dẫn người tham gia giao thông đi đúng làn đường Với nhu cầuthực tiễn đó, nhóm chúng em đã tìm hiểu, nghiên cứu, thực hiện thiết kế mạchđiều khiển đèn giao thông

Chương I SƠ LƯỢC VỀ ĐÈN GIAO THÔNG

hè Đèn tín hiệu giao thông có thể hoạt động tự động hay cảnh sát giao thông điều khiển

2 Lịch sử Hình Thành:

Chỉ dành cho tàu hỏa

Ra đời trước ô tô, đèn tín hiệu ban đầu chỉ dành cho tàu hỏa Lúc đầu, nó thắp sáng bằngkhí gas Sau 43 năm chúng chạy bằng điện nhưng vẫn cần người điều khiển cho tới khihoàn 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 tòanhà quốc hội Anh ở Luân Đôn Chúng lắp ở đây để báo hiệu cho những đoàn tàu đingang qua Trên cây cột hình khuỷu tay có hai chiếc đèn: một màu đỏ và một màu xanhdùng 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 đèntại các ngã tư bang Ohio Điều đặc biệt là khi đó đèn tín hiệu vẫn chưa có đèn vàng nênkhi chuyển trạng thái, cảnh sát lại bấm chiếc còi hú vang báo cho các lái xe biết

Đèn tín hiệu 3 màu (Từ năm 1920 đến nay)

Đến năm 1920, đèn tín hiệu mới có đủ ba màu: xanh, đỏ, vàng; do sĩ quan cảnh sátWilliams Posst, sống tại thành phố Detroit sáng chế ra Năm 1923, Gerrette Morgan đãđược nhận bằng phát minh đèn tín hiệu giao thông, mặc dù ông không phải người trựctiếp làm nên cuộc cách mạng đèn tín hiệu hiện đại

Nguyên nhân dẫn tới phát minh đó của Morgan là do tình trạng tai nạn xảy ra nhiều trênđường phố Mỹ trong những năm đó Ông thấy cần có tiêu chuẩn thống nhất để hệ thốngtín 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", "đi" và "dừng lại ở tất cả các hướng" Khi đènbáo "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 cảnhsát phải làm việc 16 giờ hàng ngày và tổng tiền lương là 250.000 USD mỗi năm Donhững khó khăn nói trên, các kỹ sư được lệnh thiết lập và phát triển hệ thống đèn hoạtđộng tự động Tuy nhiên gần 20 năm sau, ước mơ đó của các cảnh sát mới trở thành hiệnthực

Năm 1950, đèn tín hiệu xanh đỏ được sử dụng rất rộng rãi ở Canada và phát triển nhanhchóng trên thế giới Ngày nay, hệ thống đèn tín hiệu hiện đại hơn nhiều, có tính năng đặcbiệt là chụp hình những xe vượt đèn đỏ Bên cạnh đó nhiều nước phát minh hết sức thú vịnhư đèn 4 chế độ ở Anh, New Zeland, Phần Lan v.v Đèn từ đỏ chuyển sang đỏ và vàngrồi 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

3 Các loại đèn giao thông và ý nghĩa

Loại 3 màu (dành cho xe cộ)

Hình 1 Đèn dành cho phương tiện

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 (trừ trường hợp những xe rẽ phải và những xe được quyền ưu tiên

đi làm nhiệm vụ)

 Xanh: Khi gặp đèn xanh, tất cả các phương tiện được phép đi.

 Vàng: Đèn vàng là dấu hiệu của sự chuyển đổi tín hiệu từ xanh sang đỏ.

Khi đèn vàng bật sau đèn xanh nghĩa là chuẩn bị dừng, khi đó các phương tiện phải dừnglại trước vạch sơn dừng vì tiếp đó đèn đỏ sẽ sáng, trường hợp đã vượt quá vạch dừng thìphải nhanh chóng cho xe rời khỏi giao lộ

Nếu đèn vàng bật sau đèn đỏ có nghĩa là chuẩn bị đi, người lái xe có thể đi trước hoặcchuẩn bị để 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 phảichú ý

Loại đèn này lắp theo thứ tự: Nếu lắp chiều dọc thì đèn đỏ ở trên, vàng ở giữa, xanh ởdưới Nếu lắp chiều ngang thì theo thứ tự đỏ ở bên trái, vàng ở giữa, xanh ở bên phải hayngược lại(đèn xanh luôn luôn hướng về phía vỉa hè hoặc dải phân cách, đèn đỏ hướngxuống lòng đường).

Loại 2 màu (dành cho người đi bộ)

Hình 2 Đèn cho người đi bộ

Loại 2 màu có hai màu xanh, đỏ Tác dụng như sau:

 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 yêntrên vỉa hè

 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 đượcphép sang đường Khi đèn xanh nhấp nháy, người đi bộ phải khẩn trương sang nốtquãng đường còn lại

Loại đèn này lắp theo thứ tự: Nếu lắp chiều dọc thì đèn đỏ ở trên, đèn xanh ở dưới Nếulắp chiều ngang thì đèn đỏ ở bên trái, đèn xanh ở bên phải hoặc ngược lại Loại này đôikhi được lắp kèm với đèn đếm lùi để người đi bộ có khả năng ước lượng thời gian sangđường là bao lâu [1]

Đèn đếm lùi

Đèn đếm lùi là loại đèn lắp đặt bổ sung bên cạnh đèn tín hiệu chính Đèn đếm lùi đượchiển 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 ở hàng chục hoặc không có

Đèn dành cho người đi xe đạp (đèn phụ bổ sung)

Đèn giao thông cho người đi xe đạp là loại đèn dành cho xe đạp dắt ngang qua đường.Loại đèn này có biểu tượng hình chiếc xe đạp, được gắn ở phía bên trái hoặc bên phải cộtđèn để báo hiệu cho người đi xe đạp biết Loại đèn này thường chỉ lắp đặt ở đường dànhcho xe đạp, cũng có 3 màu xanh, đỏ, vàng và ý nghĩa như trên Đôi khi, có loại chỉ có 2màu xanh, đỏ mà không có màu vàng (những đoạn đường vắng xe cộ) hoặc chỉ có màuvàng độc lập để cảnh báo người đi xe đạp Loại này được lắp đặt ở những quốc gia cónhiều xe đạp

Quy định điều khiển đèn tín hiệu

Cột đèn xanh đèn đỏ đang hoạt động

Đèn tín hiệu phải bật từng màu riêng biệt, đèn này tắt mới được bật đèn kia lên, khôngđược bật nhiều màu cùng một lúc Giữa 2 chiều đường, khi chiều A bật đèn đỏ thì lập tứcchiều B phải bật ngay đèn xanh và ngược lại Khi chuyển từ xanh-đỏ và đỏ-xanh bắt buộcphải bật qua màu vàng, vì màu vàng đệm giữa 2 màu xanh đỏ Khi bật đèn vàng thì phảibật sáng ở cả hai chiều đường A và B

Chương 2 Phương án thiết kế

2.1Mô tả hoạt động của hệ thống:

Hệ thống đèn điều khiển giao thông gồm: led(xanh, đỏ, vàng) và 2 led 7thanh có chức năng hiển thị thời gian đếm lùi đồng thời điều khiển các đèn Led(Xanh, Vàng, Đỏ) để hướng dẫn các phương tiện tham gia giao thông đi đúnglàn đường cho phép của mình

Do vị trí và lưu lượng người tham gia giao thông ở các nút giao thông là khácnhau, nên thời gian hiển thị của các đèn ưu tiên cũng có thể đặt khác nhau tùytừng thời điểm Ở hệ thống này mỗi pha được điều khiển tự động như sau:

Đèn xanh sáng tương ứng với thời gian hiển thị đếm lùi là 25 giây, hoặc cóthể đặt phù hợp với từng nút giao thông

Đèn vàng sáng 4 giây, thông báo cho các phương tiện tham gia giao thôngứng với pha này giảm tốc độ và chuẩn bị dừng lại

Đèn đỏ sáng 29 giây, thông báo cho các phương tiện biết hướng đi ứng vớipha này phải dừng lại

Để hệ thống hoạt động một cách đồng bộ đèn xanh sáng đồng thời leg 7 đoạnđếm lùi 25s, khi đèn xanh tắt đèn vàng sáng led 7 đoạn đếm lùi 4s, khi đèn vàngtắt led 7 đoạn đếm lùi 29s, quá trình này cứ lặp đi lặp lại

Thời gian hiển thị của hai pha:

triển mạnh mẽ và có ứng dụng trong rất nhiều ngành sản xuất Vì vậy, ta sẽ thiết

kế một hệ thống điều khiển đèn giao thông đơn giản, chỉ sử dụng bộ vi điềukhiển Tất cả các tín hiệu điều khiển đều được đưa đến khối hiển thị trực tiếp từcác cổng của bộ vi điều khiển Phương án này có đặc điểm là mạch gọn nhẹ,không quá phức tạp, cách thức bố trí linh kiện dễ dàng, lập trình đơn giản, dễchỉnh sửa

Các vi điều khiển được sử dụng trong hệ thống:

- Vi điều khiển AT89C51/52/55 hoặc AT89S51/52/55

- Bộ giải mã 74LS47

- Các led 7seg

- Các led đơn hiển thị đèn xanh, đèn vàng, đèn đỏ

- Một số linh kiện hỗ trợ mạch hoạt động ( tụ, trở, thạch anh…)

2.3 Sơ đồ khối của hệ thống:

a Giải thích hoạt động của từng khối:

+ Khối nguồn:

o Dùng bộ nguồn tổ ong (tích hợp trong module PLC) để cấp nguồn cho hệthống hoạt động

+ Khối điều khiển:

o Dùng bộ điều khiển vi xử lý 89S51 để điều khiển hoạt động của hệ thống

+ Khối công tắc và phím nhấn:

o Công tắc Auto/Man dùng để chuyển đồi chế độ hoạt động từ điều khiểnbằng tay sang tự động và ngược lại

o Day/Night dùng để chuyển chế độ hoạt động ngày/đêm

o BT1/BT2 dùng để phân luồng cho đi theo hướng AC hoặc cho đi theo hướng

BD Chỉ hoạt động khi ở chế độ Man

+Khối giải mã:

o Sử dụng IC 74LS47 để giải mã BCD lấy từ các port xuất của vi xử lý thành

mã 7 đoạn đưa đến khối hiển thị

Hình 5 IC giải mã 74LS47

o Để IC giải mã hoạt động thì ngoài các chân nguồn và mass ra; chân 3 vàchân 5 phải được nối với nguồn dương (tích cực mức cao)

o Bảng sự thật của IC 74LS47:

Hình 6 Bảng sự thật các trạng thái hoạt động IC 74LS47

+ Khối hiển thị:

o Sử dụng 12 led 8 ly để hiển thị các trạng thái đèn xanh, vàng, đỏ của các lànđường

o Dùng 8 led 5 ly để hiển thị các trạng thái dành cho người đi bộ

o Dùng 8 led 7 đoạn loại Anot chung để hiển thị thời gian chờ các trạng tháicủa đèn

b Thiết kế hiển thị:

Hình 7 Thiết kế hiển thị

Hình 8 Giản đồ thời gian hoạt động

+ Cấm người đi bộ qua đường theo hướng A sang C và theo hướng ngược lại (đèn đỏngười đi bộ B,D sáng).

*Chế độ Day/Night:

+ Chế độ ban ngày (Day): hoạt động theo công tắc Auto/Man

+ Chế độ ban đêm (Night): Khi gạt công tắc chuyển sang Night thì đèn vàng chớp chớpliên tục với chu kỳ 1 giây

Chương 3 Thiết kế và Viết Code

Để thực hiện thiết kế hệ thống, trước hết chúng ta tìm hiểu về cấu tạo vàchức năng của các vi điều khiển, khối vi điều khiển được sử dụng trong hệthống

3.1 Khối xử lý:

3.1.1 Giới thiệu chung về vi điều khiển 8051:

Vi điều khiển AT89C51 là một vi điều khiển thuộc họ 8051, loại CMOS, cótốc độ cao và công suất thấp với bộ nhớ Flash có thể lập trình được Nó đượcsản xuất với công nghệ bộ nhớ không bay hơi mật độ cao của hãng Atmel.AT89C51 có 40 chân, được đóng gói theo tiêu chuẩn PDIP

Sơ đồ chân ra của dòng vi điều khiển8051

Các đặc điểm tiêu chuẩn của họ 8051:

- 4KB Flash ROM.

- 128 byte RAM

- 4 cổng vào/ra song song 8 bit

- 2 bộ định thời/đếm 16 bit

- Kiến trúc 5 vectơ ngắt 2 mức (five vector two-level interrupt architecture)

- 1 cổng nối tiếp song công (full-duplex)

- Mạch tạo dao động trên chip và mạch đồng hồ

AT89C51 được thiết kế với logic tĩnh cho hoạt động có tần số

giảm xuống 0 và hỗ trợ hai chế độ tiết kiệm năng lượng được lựa

chọn bằng phần mềm Chế độ nghỉ dừng CPU trong khi vẫn cho phép

RAM, các bộ định thời/đếm, cổng nối tiếp và hệ thống ngắt tiếp tục

hoạt động Chế độ nguồn giảm duy trì nội dung của RAM nhưng

không cho mạch dao động cung cấp xung clock nhằm vô hiệu hóa các

hoạt động khác của chip cho đến khi có reset cứng tiếp theo

3.1.2 Chức năng của các chân tín hiệu:

Các cổng vào ra song song:

AT89C52 có 4 cổng vào/ra song song 8 bit ( Port 0, Port 1, Port 2, Port3 ), cáccổng này có thể được sử dụng như là các cổng vào hoặc cổng ra dữ liệu

Cổng P0: Chân 32 - 39, dùng để trao đổi tin về dữ liệu (D0 – D7), hoặc đưa

ra các địa chỉ mức thấp (A0 – A7) theo chế độ dồn kênh (kết hợp với tín hiệuchốt ALE) Đây là cổng vào/ra song song tùy vào chế độ đặt địa chỉ Để có thểvừa làm đầu ra vừa làm đầu vào thì mỗi chân phải được nối tới một điện trở kéo10KΩ bên ngoài Sở dĩ như vậy là vì cổng P0 có dạng cực máng hở, đây là điểmkhác với các cổng P1, P2 và P3 Khái niệm cực máng hở cũng tương tự nhưcolector hở, tuy nhiên ở đây áp dụng cho các chip dang MOS Khi nối 8051 tới

bộ nhớ ngoài thì cổng P0 cung cấp cả địa chỉ và dữ liệu bằng cách dông kênh

để tiết kiệm số chân Chân ALE sẽ báo P0 có địa chỉ hay dữ liệu Nếu ALE = 0thì P0 cấp dữ liệu D0 – D7, còn nếu ALE = 1 thì là địa chỉ

Cổng Port 1: Chân 1 - 8, là cổng vào/ra song song, dùng để trao đổi tin

song song dữ liệu, chúng được dùng cho giao tiếp các thiết bị ngoại vi Khácvới cổng P0, cổng P1 không cần đến điện trở kéo vì nó đã có các điện trở kéobên trong Khi Reset cổng P1 được cấu hình làm cổng ra Để chuyển cổng P1thành đầu vào cần lập trình bằng cách ghi 1 lên tất cả các bit của cổng

Cổng Port 2: Chân 21 – 28, dùng để trao đổi tin song song về dữ liệu (D0

– D7), hoặc đưa ra địa chỉ cao (A8 – A15), được dùng như các đường xuất nhậphoặc là byte của Bus địa chỉ 16 bit đối với các thiết bị dùng bộ nhớ ngoài mởrộng Hai chức năng của cổng P2 là chuyển địa chỉ và dữ liệu

Cổng P3: Chiếm 8 chân, từ chân 10 đến chân 17 Cổng này có thể được sử

dụng làm đầu vào hoặc đầu ra Cũng như P1 và P2, cổng P3 không cần điện trởkéo Khi Reset, cổng P3 được cấu hình làm một cổng ra, tuy nhiên ở đây khôngphải là ứng dụng chủ yếu Cổng P3 có thêm một chức năng quan trong khác làcung cấp một số tín hiệu đặc biệt, chẳng hạn như ngắt

Bit P3.0 và P3.1 được dùng để thu phát dữ liệu trong truyền thông nối tiếp.

Bit P3.2 và P3.3 được dành cho ngắt ngoài Bit P3.4 và P3.5 được dùng cho các

bộ định thời 0 và 1 Bit P3.6 và P3.7 dùng để ghi, đọc các bộ nhớ ngoài

ảng chức năng của cổng P3

P3.0 RxD Đường vào dữ liệu cổng nối tiếp

P3.1 TxD Đường ra dữ liệu cổng nối tiếp

P3.4 T0 Đường vào của bộ định thời/bộ đếm thứ 0

P3.5 T1 Đường vào của bộ định thời/bộ đếm thứ 1

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

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

Các chân tín hiệu điều khiển:

- Chân cho phép bộ nhớ chương trình PSEN (Program Storage

Enable): Tín hiệu PSEN là tín hiệu ra ở chân 29 có tác dụng

kép

Cho phép đọc bộ nhớ chương trình ngoài, thường được nối đến

chân OE (Output Enable) của EPROM cho phép đọc các byte mã lệnh Tín hiệuPSEN ở logic 0 trong thời gian vi điều khiển tìm nạp lệnh Các mã lệnh đượcđọc từ EPROM qua bus dữ liệu và được chốt vào thanh ghi lệnh IR của vi điềukhiển để giải mã

Khi vi điều khiển thi hành chương trình trong ROM nội PSEN

sẽ ở mức logic 1

- Chân cho phép chốt địa chỉ ALE/PROG (Address Latch Enable):

Chân tín hiệu ALE (chân 30) đưa ra xung điều khiển cho phép chốt bytethấp của địa chỉ khi vi điều khiển truy xuất bộ nhớ ngoài

Chân này cũng là đầu vào của xung lập trình khi lập trình cho FLASH, khi

đó chân tín hiệu ở mức 0

Khi hoạt động bình thường, tín hiệu ALE được phát ra với tần số khôngđổi bằng 1/6 tần số của bộ tạo dao động trên chip, và có thể sử dụng cho mụcđích định thời Tuy nhiên, sẽ có một xung ALE bị bỏ qua mỗi khi vi điều khiểntruy xuất bộ nhớ ngoài

- Chân tín hiệu truy xuất ngoài EA (External Access):

Tín hiệu vào EA (chân 31) được nối với 5V (mức logic 1) hoặc vớiGND (mức 0) Nếu ở mức 1, vi điều khiển thi hành chương trình từ ROM nội.Nếu ở mức 0, vi điều khiển sẽ thi hành chương trình ở bộ nhớ mở rộng

Chân EA được lấy làm chân cấp nguồn 12V khi lập trình cho FLASHtrong vi điều khiển

- Chân thiết lập lại RST (Reset):

Chân RST (chân 9) là đường vào xóa chính của vi điều khiển dùng đểthiết lập lại hệ thống Khi chân tín hiệu này đưa lên mức cao ít nhất là 2 chu kìmáy, các thanh ghi bên trong được nạp những giá trị thích hợp để khởi động hệthống

RST có thể được kích khi cấp điện dùng một mạch R-C Mạch này như sau: