Báo cáo Đồ Án cơ sở 4 (it) Đề tài xây dựng mô hình hệ thống Đèn giao thông

Sử dụng vi điều khiển ESP32 kết hợp với LED 7 đoạn kép và đèn giao thông cho phép xây dựng mô hình mô phỏng linh hoạt, dễ dàng mở rộng và có khả năng ứng dụng thực tế cao.. Mục đích nghi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

VÀ TRUYỀN THÔNG VIỆT - HÀN

KHOA KỸ THUẬT MÁY TÍNH VÀ ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO ĐỒ ÁN CƠ SỞ 4 (IT)

ĐỀ TÀI:

XÂY DỰNG MÔ HÌNH

HỆ THỐNG ĐÈN GIAO THÔNG

Sinh viên thực hiện : Võ Văn Chính-22IT037

: Nguyễn Đức Trung-22IT.B220 Lớp : 22IR

Giảng viên hướng dẫn : TS Vương Công Đạt

Đà Nẵng, tháng 12 năm 2024

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

VÀ TRUYỀN THÔNG VIỆT - HÀN

KHOA KỸ THUẬT MÁY TÍNH VÀ ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO ĐỒ ÁN CƠ SỞ 4 (IT)

ĐỀ TÀI:

XÂY DỰNG MÔ HÌNH

HỆ THỐNG ĐÈN GIAO THÔNG

Sinh viên thực hiện : Võ Văn Chính-22IT037

: Nguyễn Đức Trung-22IT.B220 Lớp : 22IR

Giảng viên hướng dẫn : TS Vương Công Đạt

Đà Nẵng, tháng 12 năm 2024

NHẬN XÉT

(Của giảng viên hướng dẫn)

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

Đà Nẵng, ngày … tháng … năm 2024

Giảng viên hướng dẫn

TS Vương Công Đạt

LỜI CẢM ƠN

Mô hình này là kết quả của quá trình làm việc chăm chỉ, cùng với sự hướng dẫn tận tâm của TS Vương Công Đạt, giảng viên Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông Việt Hàn Sự kiên nhẫn và sự am hiểu sâu rộng của thầy đã giúp em không chỉ nắm bắt kiến thức chuyên môn mà còn phát triển kỹ năng giải quyết vấn đề Những lời khuyên và

sự hỗ trợ kịp thời của thầy đã trở thành nguồn cảm hứng quý giá, giúp em hoàn thành đồ

án này.

Với điều kiện thời gian cũng như kinh nghiệm còn hạn chế, bản báo cáo vẫn không tránh khỏi những thiếu sót Em hi vọng sẽ nhận được những lời góp ý chân thành từ quý thầy cô, giúp em hoàn thiện bản thân và áp dụng những bài học vào thực tiễn, đóng góp vào sự thành công của những dự án tương lai.

Em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

NHẬN XÉT i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC HÌNH ẢNH v

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 2

1.1 Tổng quan về hệ thống đèn giao thông 2

1.2 Vai trò của đèn giao thông trong điều tiết giao thông đô thị 2

1.3 Giới thiệu về ESP32 và các linh kiện sử dụng 2

1.4 Các công nghệ liên quan 4

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

2.1 Giới thiệu về vi điều khiển ESP32 5

2.1.1 Khái niệm về ESP32 5

2.1.2 Các tính năng của ESP32 5

2.1.3 Ngôn ngữ lập trình ESP32 6

2.2 Thông số và nguyên lý hoạt động của LED 7 đoạn kép 7

2.3 Phân tích hoạt động của hệ thống đèn giao thông 9

2.4 Các thuật toán điều khiển đèn giao thông 9

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 10

3.1 Sơ đồ khối 10

3.1.1 10

3.1.2 10

3.1.3 10

3.2 Sơ đồ nguyên lý và mạch điện 10

3.2.1 10

3.2.2 10

3.2.3 10

3.2 Thuật toán điều khiển 10

3.3.1 10

3.3.2 10

3.3.3 10

CHƯƠNG 4: TRIỂN KHAI VÀ THỰC NGHIỆM 11

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 12

1 Kết luận 12

2 Hướng phát triển 12

TÀI LIỆU THAM KHẢO 13

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 Vi điều khiển esp32 2

Hình 2 Led 7 đoạn kép anode chung 3

Hình 3 Led giao thông 3 màu 3

Hình 4 Thông số minh hoạ led 7

Hình 5 Sơ đồ chân hoạt động của led 8

Xây dựng mô hình hệ thống đèn giao thông

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Giao thông đô thị ngày càng trở nên phức tạp, đặc biệt là tại các ngã tư trong giờ cao điểm Việc tối ưu hóa hệ thống đèn giao thông để giảm thiểu tình trạng ùn tắc và tăng cường an toàn là vấn đề cấp thiết Sử dụng vi điều khiển ESP32 kết hợp với LED 7 đoạn kép và đèn giao thông cho phép xây dựng mô hình mô phỏng linh hoạt, dễ dàng mở rộng

và có khả năng ứng dụng thực tế cao Đề tài không chỉ giúp nâng cao kiến thức về IoT mà còn đóng góp vào giải pháp giao thông thông minh trong tương lai

2 Mục đích nghiên cứu

- Xây dựng mô hình hệ thống đèn giao thông hoạt động theo thời gian thực, có khả năng mô phỏng luồng giao thông tại ngã tư

- Hiển thị thời gian đếm ngược cho các đèn giao thông bằng LED 7 đoạn kép để cung cấp thông tin rõ ràng cho người tham gia giao thông

- Tối ưu hóa hoạt động của hệ thống đèn giao thông bằng cách lập trình vi điều khiển ESP32, nâng cao kỹ năng lập trình điều khiển thiết bị phần cứng

3 Đối tượng nghiên cứu

- Vi điều khiển ESP32 và khả năng điều khiển nhiều thiết bị đồng thời

- LED 7 đoạn kép (anode chung) và kỹ thuật quét LED để hiển thị số đếm ngược

- LED giao thông và cách điều khiển hoạt động luân phiên giữa các đèn xanh, vàng, đỏ

- Các thuật toán điều khiển đèn giao thông mô phỏng thực tế

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp lý thuyết: Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của đèn giao thông,

ESP32, LED 7 đoạn kép và các phương pháp lập trình vi điều khiển

- Phương pháp thực nghiệm: Thiết kế mạch điện, kết nối các thành phần phần

cứng, và lập trình điều khiển Tiến hành chạy thử nghiệm mô hình và điều chỉnh

để đạt hiệu suất tối ưu

- Phương pháp mô phỏng: Sử dụng phần mềm mô phỏng như Proteus để kiểm tra

thiết kế trước khi triển khai thực tế

- Phân tích và đánh giá: Thử nghiệm hoạt động của mô hình trong các tình huống

giao thông khác nhau và đánh giá khả năng đáp ứng của hệ thống

Xây dựng mô hình hệ thống đèn giao thông

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Tổng quan về hệ thống đèn giao thông

Hệ thống đèn giao thông được sử dụng trên toàn thế giới để kiểm soát

và điều tiết lưu lượng phương tiện tại các giao lộ Mỗi chu kỳ đèn bao gồm ba trạng thái chính: đèn xanh (cho phép đi), đèn vàng (cảnh báo chuẩn bị dừng), và đèn đỏ (yêu cầu dừng) Các chu kỳ này giúp giảm thiểu xung đột giữa các luồng giao thông và đảm bảo an toàn cho người đi đường

1.2 Vai trò của đèn giao thông trong điều tiết giao thông

đô thị

- Giảm thiểu ùn tắc: Điều tiết giao thông theo luồng, tránh xung

đột tại các giao lộ

- Đảm bảo an toàn: Cảnh báo và hướng dẫn người tham gia giao

thông, đặc biệt là người đi bộ

- Tăng cường ý thức chấp hành luật giao thông: Đèn tín hiệu

giúp người lái xe tuân thủ quy định, tránh vi phạm giao thông

1.3 Giới thiệu về ESP32 và các linh kiện sử dụng

Hình 1 Vi điều khiển esp32

- ESP32: Là vi điều khiển 32-bit, có khả năng xử lý mạnh mẽ, tích hợp kết nối

Wi-Fi và Bluetooth ESP32 được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng IoT vì khả năng điều khiển nhiều thiết bị cùng lúc và khả năng giao tiếp linh hoạt

Xây dựng mô hình hệ thống đèn giao thông

Hình 2 Led 7 đoạn kép anode chung

- LED 7 đoạn kép anode chung: Dùng để hiển thị số từ 0 đến 99 Loại LED này

gồm hai cụm LED 7 đoạn chung anode, điều khiển luân phiên để hiển thị hai chữ

số khác nhau

Hình 3 Led giao thông 3 màu

Xây dựng mô hình hệ thống đèn giao thông

- LED giao thông: Bao gồm ba màu đỏ, vàng, xanh, mô phỏng đèn tín hiệu thực tế.

1.4 Các công nghệ liên quan

- Internet of Things (IoT): Ứng dụng trong giao thông thông minh để tối ưu hóa

thời gian đèn và phát hiện tình trạng giao thông

- Kỹ thuật quét LED: Cho phép điều khiển nhiều LED bằng cách quét luân phiên,

giảm số lượng chân GPIO cần sử dụng

Xây dựng mô hình hệ thống đèn giao thông

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Giới thiệu về vi điều khiển ESP32

2.1.1 Khái niệm về ESP32

- ESP32 là dòng vi điều khiển 32-bit có khả năng xử lý cao, nhiều

chân GPIO, và hỗ trợ kết nối không dây Với khả năng xử lý đa nhiệm và giao tiếp linh hoạt, ESP32 được ứng dụng rộng rãi trong các dự án IoT và điều khiển thiết bị ngoại vi

- ESP32 là một series các vi điều khiển trên một vi mạch giá rẻ,

năng lượng thấp có hỗ trợ WiFi và dual-mode Bluetooth (tạm dịch: Bluetooth chế độ kép) Dòng ESP32 sử dụng bộ vi xử lý Tensilica Xtensa LX6 ở cả hai biến thể lõi kép và lõi đơn, và bao gồm các công tắc antenna tích hợp, RF balun, bộ khuếch đại công suất, bộ khuếch đại thu nhiễu thấp, bộ lọc và module quản

lý năng lượng ESP32 được chế tạo và phát triển bởi Espressif Systems, một công ty Trung Quốc có trụ sở tại Thượng Hải, và được sản xuất bởi TSMC bằng cách sử dụng công nghệ 40 nm ESP32 là sản phẩm kế thừa từ vi điều khiển ESP8266

2.1.2 Các tính năng của ESP32

- Bộ xử lý:

 CPU: Bộ vi xử lý Xtensa lõi kép (hoặc lõi đơn) 32-bit LX6, hoạt động ở tần số 240 MHz (160 MHz cho ESP32-S0WD

và ESP32-U4WDH) và hoạt động ở tối đa 600 MIPS (200 MIPS với ESP32-S0WD/ESP32-U4WDH)

 Bộ đồng xử lý (co-processor) công suất cực thấp (Ultra low power, viết tắt: ULP) hỗ trợ việc đọc ADC và các ngoại

vi khi bộ xử lý chính (main processor) vào chế độ deep sleep

- Hệ thống xung nhịp: CPU Clock, RTC Clock và Audio PLL Clock

- Bộ nhớ nội:

 448 KB bộ nhớ ROM cho việc booting và các tính năng lõi

 520 KB bộ nhớ SRAM trên chip cho dữ liệu và tập lệnh

- Kết nối không dây:

 Wi-Fi: 802.11 b/g/n

 Bluetooth: v4.2 BR/EDR và BLE (chia sẻ sóng vô tuyến với Wi-Fi)

- 34 GPIO pad vật lý với các ngoại vi:

 ADC SAR 12 bit, 18 kênh

 DAC 2 × 8-bit

 10 cảm biến cảm ứng (touch sensor) (GPIO cảm ứng điện dung)

Xây dựng mô hình hệ thống đèn giao thông

 3 SPI (SPI, HSPI và VSPI) hoạt động ở cả 2 chế độ master/slave.[9] Module ESP32 hỗ trợ 4 ngoại vi SPI với SPI0 và SPI1 kết nối đến bộ nhớ flash của ESP32 còn SPI2

và SPI3 tương ứng với HSPI và VSPI Các GPIO đều có thể được dùng để triển khai HSPI và VSPI

 2 I²C, hoạt động được ở cả chế độ master và slave, với chế

độ Standard mode (100 Kbit/s) và Fast mode (400 Kbit/s)

Hỗ trợ 2 chế độ định địa chỉ là 7-bit và 10-bit. Các GPIO đều có thể được dùng để triển khai I²C

 Ethernet MAC interface cho DMA và IEEE 1588 Precision Time Protocol (tạm dịch: Giao thức thời gian chính xác IEEE 1588)

 CAN bus 2.0

 Bộ điều khiển hồng ngoại từ xa (TX/RX, lên đến 8 kênh)

 PWM cho điều khiển động cơ

 LED PWM (lên đến 16 kênh)

 Cảm biến hiệu ứng Hall

 Bộ tiền khuếch đại analog công suất cực thấp (Ultra low power analog pre-amplifier)

- Bảo mật:

 Hỗ trợ tất cả các tính năng bảo mật chuẩn IEEE 802.11, bao gồm WFA, WPA/WPA2 và WAPI

 Secure boot (tạm dịch: khởi động an toàn)

 Mã hóa flash

 1024-bit OTP, lên đến 768-bit cho khách hàng

 Tăng tốc mã hóa phần cứng: AES, SHA-2, RSA, elliptic curve cryptography (ECC, tạm dịch: mật mã đường cong ellip), random number generator (viết tắt: RNG, tạm dịch: trình tạo số ngẫu nhiên)

- Quản lý năng lượng:

 Hỗ trợ 5 chế độ hoạt động với mức tiêu thụ năng lượng khác nhau: Active, Modem-sleep, Light-sleep, Deep-sleep

và Hibernation

 Bộ ổn áp nội với điện áp rơi thấp (internal low-dropout regulator)

 Individual power domain (tạm dịch: Miền nguồn riêng) cho RTC

 Trở lại hoạt động từ ngắt GPIO, timer, đo ADC, ngắt với cảm ứng điện dung

Xây dựng mô hình hệ thống đèn giao thông

2.1.3 Ngôn ngữ lập trình ESP32

- Espressif hỗ trợ Espressif IoT Development Framework

(IDF) (viết tắt là ESP-IDF), framework chính thức cho ESP32.

- Ngoài ra, các ngôn ngữ lập trình, framework, platform và môi trường lập trình khác được sử dụng để lập trình ESP32 bao gồm:

 Arduino IDE với ESP32 Arduino Core

 MicroPython: Phiên bản triển khai gọn của Python 3 cho

vi điều khiển

 NET nanoFramework: Lập trình bằng.NET C #, triển khai và gỡ lỗi bằng Visual Studio

 NodeMCU: Firmware dựa trên Lua

 Zerynth: Python cho IoT và vi điều khiển, bao gồm cả ESP32…

2.2 Thông số và nguyên lý hoạt động của LED 7 đoạn kép

- Led 10 chân

- Điện áp rơi trên LED là 2.2V

- Dòng tối đa chạy qua mỗi LED là 25mA

- Dòng chạy bình thường: 10mA Nếu nguồn 5V thì mỗi Led phải nối với 1 điện trở

Xây dựng mô hình hệ thống đèn giao thông

Hình 4 Thông số minh hoạ led

- Mỗi đèn led 7 đoạn có chân đưa ra khỏi hộp hình vuông Mỗi một chân sẽ được gán cho một chữ cái từ a đến g tương ứng với mỗi led Những chân khác được nối lại với nhau thành một chân chung

- Như vậy bằng cách phân cực thuận (forward biasing) các chân của led theo một thứ tự cụ thể, một số đoạn sẽ sáng và một số đoạn khác không sáng cho phép hiển thị ký tự mong muốn Điều này cho phép chúng ta hiển thị các số thập phân từ 0 đến 9 trên cùng một led 7 đoạn

- Chân chung được sử dụng để phân loại led 7 đoạn Vì đèn led có

2 chân, 1 chân là anode và 1 chân là cathode nên có 2 loại led 7 đoạn là cathode chung (CC) và anode chung (CA)

- Sự khác nhau giữa 2 loại có thể thấy ngay ở tên gọi của nó Loại

CC là các chân cathode được nối chung với nhau Còn loại CA là các chân anode được nối chung với nhau:

Hình 5 Sơ đồ chân hoạt động của led

Xây dựng mô hình hệ thống đèn giao thông

- Tất cả các chân anode được nối với nhau với logic là 1 Mỗi phân đoạn được chiếu sáng bằng cách sử dụng điện trở tín hiệu logic 0 (hay low) vào các cực cathode (từ

a đến g)

- Nói chung loại CA phổ biến hơn trong 2 loại Loại CA không thay thế được cho loại CC trong mạch điện, và ngược lại vì cách nối đèn led bị đảo ngược

- Tùy vào chữ số thập phân nào được hiển thị mà một bộ đèn led cụ thể sẽ được phân cực thuận Ví dụ để hiển thị chữ số 0, cần phải chiếu sáng 6 đoạn tương ứng

là a, b, c, d, e và f.Như vậy các số từ 0 đến 9 có thể hiển thị bằng 1 led 7 đoạn như hình bên dưới

2.3 Phân tích hoạt động của hệ thống đèn giao thông

- Hệ thống hoạt động theo chu kỳ cố định:

 Đèn xanh: Xe được phép đi qua trong khoảng thời gian

nhất định (ví dụ: 20 giây)

 Đèn vàng: Cảnh báo cho xe chuẩn bị dừng (3 giây).

 Đèn đỏ: Các phương tiện phải dừng lại, trong khi hướng

giao thông khác được phép đi

2.4 Các thuật toán điều khiển đèn giao thông

- Thuật toán vòng lặp: Xử lý chuyển đổi trạng thái đèn theo thời

gian định trước

- Kiểm tra trạng thái đèn: Bật/tắt đèn tương ứng với từng trạng

thái

- Điều khiển LED 7 đoạn: Sử dụng kỹ thuật quét để cập nhật

thời gian đếm ngược trên LED kép

Xây dựng mô hình hệ thống đèn giao thông

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG

3.1 Sơ đồ khối

3.1.1.

3.1.2.

3.1.3.

3.2 Sơ đồ nguyên lý và mạch điện

3.2.1.

3.2.2.

3.2.3.

3.2 Thuật toán điều khiển

3.3.1.

3.3.2.

3.3.3.

Xây dựng mô hình hệ thống đèn giao thông

CHƯƠNG 4: TRIỂN KHAI VÀ THỰC NGHIỆM

Xây dựng mô hình hệ thống đèn giao thông

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

1 Kết luận

- Hiểu và vận dụng được các giao thức mạng (TCP, UDP) và cách hoạt động của chúng trong truyền dữ liệu

- Biết sử dụng socket để xây dựng các ứng dụng mạng, bao gồm cả client và server

- Triển khai được các chương trình giao tiếp mạng cơ bản như chat, truyền file, kết nối đa người dùng qua lập trình socket

- Đã xây dựng được chương trình điều khiển máy tính từ xa bằng cách sử dụng giao thức TCP và mô hình client-server

- Chưa làm được một số điểm như:

 Vẫn còn một số lỗi trong việc điều khiển như hiện tượng lag, mất kết nối…

 Một số phần nâng cao như lập trình mạng trên nền tảng di động hoặc tích hợp các API phức tạp vẫn cần thêm thời gian nghiên cứu và thực hành

2 Hướng phát triển

- Tiếp tục sửa các lỗi trong đồ án để hoàn thiện hơn

- Tiếp tục tìm hiểu về các công nghệ mạng hiện đại như WebSocket, gRPC hoặc RESTful API để xây dựng các ứng dụng mạng hiệu quả hơn

- Thêm một số chức năng thiết yếu cho chương trình để đáp ứng được nhu cầu người dùng

Xây dựng mô hình hệ thống đèn giao thông

TÀI LIỆU THAM KHẢO