NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ĐÈN TÍN HIỆU GIAO THÔNG ĐƯỜNG THỦY pps

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ĐÈN TÍN HIỆU GIAO THÔNG ĐƯỜNG THỦY KS. BÙI VĂN PHIẾN Bộ môn Điều khiển học TS. NGUYỄN THANH HẢI Bộ môn Kỹ thuật điện tử Khoa Điện - Điện tử Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Bài báo trình bày về một giải pháp nghiên cứu thiết kế và chế tạo đèn tín hiệu giao thông đường thủy. Chế tạo thành công đèn tín hiệu giao thông đường thủy và sử dụng trong thực tế với các tính năng chính như sau: cài đặt, lưu trữ chế độ nháy và sáng cho đèn thông qua điều khiển từ xa, đo và điều khiển điện áp nạp hiện tại cho Ắc qui từ Pin mặt trời, đảm bảo tuổi thọ của Ắc quy cao nhất. Khi trời tối vi điều khiển tự động bật đèn theo chế độ đã đặt Summary: This paper presents a solution to research, design and development of waterway traffic lights. The solution satisfies some requirements in practice; successfully developed waterway traffic lights and proper application in practice with such characteristics as setting up, storing flash modes and intensity light by remote control, measuring and controlling the actual charging voltage to the battery from solar cells, ensuring maximum battery life. In darkness, the microcontroller will start flashing to the set code ĐT I. ĐẶT VẤN ĐỀ Giao thông được ví như là mạch máu của mỗi quốc gia. Một trong những yếu tố đánh giá sự phát triển của mỗi Quốc gia chính là sự phát triển mạng lưới giao thông của chính quốc gia đó. Nước ta với mạng lưới giao thông đang được nâng cấp, mở rộng và phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây. Nhu cầu về việc sử dụng đèn tín hiệu giao thông để điểu khiển dòng giao thông đã tăng đáng kể cả về số lượng và chất lượng. Cũng giống như hệ thống giao thông đường bộ, giao thông đường thủy cũng cần phải có hệ thống đèn tín hiệu để phân làn, báo hiệu các đoạn giao nhau, đoạn rẽ, tốc độ cho phép, nơi nguy hiểm,… cho các phương tiện tham gia giao thông. Hiện nay, hầu hết các đèn tín hiệu giao thông đều nhập ngoại với giá thành cao, khi gặp sự cố thì phải thay mới chứ không sửa chữa được. Xuất phát từ nhu cầu đó tác giả tập trung vào nghiên cứu thiết kế và chế tạo đèn tín hiệu giao thông đường thủy với tính năng tương đương hoặc hơn và giá thành thì thấp hơn so với thiết bị cùng loại nhập ngoại. II. YÊU CẦU THIẾT KẾ Mỗi đèn có thể hoạt động với một trong 222 chế độ nháy khác nhau được nhớ trong vùng Flash của Vi Điều Khiển (VĐK). Việc lựa chọn chế độ hoạt động cũng như điều chỉnh độ sáng của đèn, kiểm tra tình trạng của Ắc qui và chế độ hoạt động hiện thời của đèn bằng điều khiển từ xa. Bảng 1. Bảng tóm tắt các chế độ hoạt động của đèn Flash Code ON (s) OFF (s) ON (s) OFF (s) ON (s) OFF (s) ON (s) OFF (s) ON (s) OFF (s) 000 0.2 0.3 001 0.2 0.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 10 10 10 10 10 10 10 10 10 110 195 2 3 2 3 2 3 2 3 2 3 196 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 197 3 7 3 7 3 7 3 7 3 7 198 3 7 3 7 3 7 3 7 3 7 199 2 8 2 8 2 8 2 8 2 8 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 220 7 5 7 5 19 114 221 7 7 7 7 21 101 - Công suất tiêu thụ của đèn 25mAh x 5V=0.125Watt. - Chế độ nháy được người sử dụng chọn và lưu trong EEPROM. - Khi trời tối đèn hoạt động theo chế độ đã được lưu trữ trong EEPROM. - Khi trời sáng tắt đèn, đo và điều khiển sạc Ắc qui từ pin mặt trời. ĐT - Nếu điện áp Ắc qui nhỏ hơn điện áp ngững thì tắt đèn. - Khi đặt chế độ hoạt động cho đèn vào ban ngày thì ngay sau khi nhấn phím Enter đèn hoạt động thử một lần chế độ đó để cho người sử dụng quan sát rồi sau đó tắt. Còn nếu vào ban đêm thì đèn sẽ hoạt động ở chế độ vừa đặt. - Các phím nhấn trên điều khiển từ xa có các chức năng sau: Bảng 2. Bảng tóm tắt các chế độ hoạt động của đèn Tên phím Chức năng Call Cho phép nhấn các phím khác Power Tắt đèn Dec Giảm độ sáng của đèn Inc Tăng độ sáng của đèn 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 Dùng chọn chế độ cho đèn Enter Dùng để xác nhận chế độ hoạt động - Có thể điều chỉnh độ sáng của đèn thông qua phím nhấn tăng hay giảm trên điều khiển từ xa. Bảng 3. Bảng tóm tắt độ sáng của đèn 100% 75% 50% 25% III. LỰA CHỌN GIẢI PHÁP THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 1. Sơ đồ khối chức năng của đèn IN0 IN1 On/off Phản hồi dòng Vdd 8-12V C8Y29466-24PXI Timer8_IR Timer8 EEPROM Couter8 UART ADC12 Thu hồng ngoại Điều khiển từ xa Pin mặt trời IC Đi ề u khi ể n nạp Ắc quy Đĩa LED IC rung nguồn On/of f Vdd ĐT Hình 1. Sơ đồ khối chức năng của đèn - Chọn loại VĐK C8Y29466 - 24PXI của hãng Cypress với đặc điểm là các khối Timer, Couner, ADC12, EEPROM, UART sẵn có ở bên trong có thể thay đổi cấu hình phần cứng một cách dễ dàng, có các nguồn Clock ở bên trong với các tần số khác nhau rất thuận tiện cho việc thiết kế và lập trình. - Khối ADC12 có đô phân giải cao 12bit được sử dụng để đo điện áp của Ắc qui và đo điện áp trên pin mặt trời nhằ m mục đích phân biết trời sáng hay tối để điều khiển đèn hoạt động hay không đồng thời điều khiển chế độ sạc Ắc qui. - Khối Timer8_IR dùng để đo khoảng thời gian tồn tại của xung do đầu thu hồng ngoại nhận về từ điều khiển từ xa khi có phím được nhấn. Việc đo này để xác định xem phím nào được nhấn. - Khối Timer8 dùng để tạo thời gian trễ 1ms xảy ra ngắt một lần dùng cho việc điều khiển hoạt động nháy của đèn. - Khối EEPROM có sẵn bên trong VĐK dùng để lưu trữ chế độ nháy và độ sáng của đèn. - Khối điều khiển từ xa dùng để đặt các chế độ hoạt động cho đèn. - Khối Counter8 dùng để tạo tốc độ Baud cho khối UART. - Khối UART kết nối với máy tính để Calib các giá trị ngưỡng và Debug khi hiệu chỉnh thiết bị. - IC điều khiển nạp dùng để điều khiển nạp cho Ắc qui từ Pin mặt trời thông qua chân On/Off được kết nối với một chân đầu ra của VĐK. - IC rung nguồn làm nhiệm vụ rung điện áp từ 5V đến 8-12V phù hợp với từng loại đèn. 2. Sơ đồ mạch nguyên lý a. Sơ đồ mạch nguyên lý của đĩa LED Trên mỗi một đĩa LED gồm có 16 LED đơn có độ sáng cao. Dòng tiêu thụ trung bình từ 10 đến 20mA, điện áp rơi trên mỗi LED khoảng từ 2 đến 3V tùy từng loại LED. Nếu như dùng nguồn cung cấp từ Ắc qui trung bình là 5V cấp trực tiếp cho LED thì với 16 LED ta có thể sắp xếp thành 8 nhánh mắc song song với nhau và mỗi nhánh có 2 LED mắc nối tiếp. Dòng tiêu thụ trung bình khi đó là 80 đến 160mA. Nếu Ắc qui là loại 3700mAh và điện áp là 5V thi nó sẽ duy trì được đèn sáng liên tục trong vòng 45 đến 90 giờ. Nếu ta mắc 16 LED thành 4 dãy LED song song với nhau và mỗi dãy có 4 LED thì dòng trung bình là 40 đến 80mA. Với cùng loại Ắc qui như trên thì thời gian duy trì cho đèn sáng sẽ tăng lên gấp đôi. Tuy nhiên với cách kết nối này thì cần điện áp trung bình từ 8 đến 12V trong khi điện áp tối đa của Ắc quy là 5V. Do vậy ta cần phải có một IC rung từ điện áp 5V đến 12V và IC này là LT1 được sử dụng trong bo điều khiển. LED1 LED2 LED3 LED4 LED5 LED6 LED7 LED8 LED9 LED10 LED11 LED12 LED13 LED14 LED15 LED16 ĐT b. Sơ đồ mạch nguyên lý của bo điều khiển. ADJ 1 ON/OFF 2 GND 3 IN 4 OUT 5 U1 MIC2 1 2 3 4 J1 IN D1 1N5819 R6 15K GND C3 103 R5 56K C4 10uF GND GND R11 56K L1 101 GND Vc 1 FB 2 NFB 3 S/S 4 Vi n 5 Vsw 8 GND 7 GNDS 6 U3LT1 C8 103 R9 4K7 D2 1N5819 GND C10 103 C9 10uF GND GND V+ R1 56K C1 103 R2 22K GND R4 56K R3 22K GND V+ GND R8 220R GND 1 2 3 IR1 LED THU C5 10uF C7 103 P1[4] 17 P1[6] 18 Xres 19 P2[0] 20 P2[2] 21 P2[4] 22 P2[6] 23 P0[0] 24 P0[2] 25 P0[4] 26 P0[6] 27 Vdd 28 P1[2] 16 P1[0] 15 P0[7] 1 P0[5] 2 P0[3] 3 P0[1] 4 P2[7] 5 P2[5] 6 P2[3] 7 P2[1] 8 SMP 9 P1[7] 10 P1[5] 11 P1[3] 12 P1[1] 13 Vss 14 U2 CY8C29446 C6 103 1 2 3 J2 LED R10 12K D3 1N5819 C2 103 VCC VCC VCC VCC VCC VCC Hình 3. Sơ đồ mạch nguyên lý của bo điều khiển - Khối mạch điều khiển nạp cho Ắc quy từ Pin mặt trời - Khối rung nguồn sử dụng IC LT1 để rung điện áp từ Ắc qui (khoảng 5V) lên điện áp cao (8 đến 12V tùy từng loại LED) để cung cấp cho đĩa LED. Tùy từng loại GND R1 12K 1 J1 L+ 1 J2 RF 1 J3 L- Hình 2. Sơ đồ mạch nguyên lý của một đĩa LED ADJ 1 ON/OFF 2 GND 3 IN 4 OUT 5 U1 MIC2941ABU 1 2 3 4 J1 IN D1 1N5819 R6 15K GND C3 103 R5 56K C4 10uF GND GND V+ VCC C5 10uF C7 103 C6 103 VCC P0.6 Hình 4. Sơ đồ mạch nguyên lý khối nạp cho ắc quy LED mà dòng phản hồi về chân 2 của LT1 sẽ được điều chỉnh bằng cách chọn điện trở phân áp tương ứng. ĐT - Khối thu IR1 được kết nối vào chân P2.0 để nhận tín hiệu thu được từ điều khiểntừ xa. - Khối phân áp để hiệu chuẩn các tín hiệu được đưa về từ Ắc qui và Pin mặt trời rồi đưa vào ADC12 của VĐK. IV. PHẦN MỀM VÀ LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN 1. Thuật toán của chương trình chính Hình 6. Lưu đồ thuật toán chương trình chính F T F T End Khởi tạo Timer8, Counter8, Timer8_IR, UART, ADC12, P2.6=0, P0.6=1 và ngắt toàn cục, ngắt cho phép nhận phím nhấn Params.CodeFlash=0 || Params.CodeFlash>=223 main() Đọc EEPROM để xác định chế độ nháy. Đọc ADC, Điều khiển nạp Ắc quy, Xác định ngưỡng cắt của đèn, Xác định trời sáng hay tối Ắc quy tốt và trời tối Tắt đèn Gọi hàm tìm kiếm chế độ nháy và cho phép nháy GND R11 56K L1 101 GND Vc 1 FB 2 NF 3 B S/S 4 Vin 5 Vsw 8 GND 7 GNDS U3LT1 6 C8 103 R9 4K7 D2 1N5819 GND C10 103 C9 10uF GND 1 2 3 J2 LED R10 12K VCC D3 1N5819 P2.6 Hình 5. Sơ đồ mạch nguyên lý khối rung nguồn 2. Thuật toán đọc khoảng thời gian sáng tối của đèn Start=TRUE? Start = FALSE p[i] = 0? P2.6 = 1 b_on = TRUE t_on = p[i] t_off = p[i+1] finite_cycle = TRUE End F F T T Begin Hình 7. Lưu đồ thuật toán đọc khoảng thời gian sáng tối của đèn 3. Thuật toán thuật toán tìm chế độ hoạt động của đèn được lưu trong EEPROM Begin End K = 0; for(j=0;j<MaxData;j++) d[j]=255? k++ k= Prams.CodeFlash? d[numstart]!=255 && numData<18 numstart=j+1 numData=0 p[numData]=100* d[numstart] numstart++ numData++ numData<1 p[numData]=0 numData++ F F F F T T T ĐT Hình 8. Lưu đồ thuật toán tìm chế độ hoạt động của đèn V. KẾT LUẬN Đã chế tạo thành công đèn tín hiệu giao thông đường sông với các yêu cầu kỹ thuật đặt ra. Qua kết quả thử nghiệm trong thực tế cho thấy rằng thiết bị hoạt động tốt và ổn đinh. Một số hình ảnh thực tế mà đèn đã được lắp đặt: ĐT Ưu điểm: Ngoài những tính năng tương đương thiết bị còn có ưu điểm vượt trội hơn so với thiết bị ngoại nhập là khả năng cài đặt chế độ hoạt động và điều khiển sáng tối cho thiết bị bằng điều khiển từ xa trong khi thiết bị ngoại nhập sử dụng các switch được gắn trên thiết bị gây khó khăn cho việc cài đặt các tham số cho thiết bi khi đã được lắp đặt. Vể giá thành chỉ bằng một phần ba so với thiết bị ngoại nhập. Nhược điểm: Thiết bị tiêu thụ công suất cao hơn một chút so với thiết bị nhập ngoại (nguồn cấp cho vi xử lý 6mA so với 3 mA của thiết bị nhập ngoại). Tuy nhiên tác giả cũng đã có giải pháp khắc phục là chọn loại chip khác (Atmega88p) có công suất tiêu thu thấp hơn nhằm tiết kiệm năng lượng. Tài liệu tham khảo [1]. www.sealite.com.au [2]http://www.cypress.com [3]. Application Note AN2091 [4]. http://www.alldatasheet.com♦ . học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Bài báo trình bày về một giải pháp nghiên cứu thiết kế và chế tạo đèn tín hiệu giao thông đường thủy. Chế tạo thành công đèn tín hiệu giao thông đường thủy. vào nghiên cứu thiết kế và chế tạo đèn tín hiệu giao thông đường thủy với tính năng tương đương hoặc hơn và giá thành thì thấp hơn so với thiết bị cùng loại nhập ngoại. II. YÊU CẦU THIẾT KẾ. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ĐÈN TÍN HIỆU GIAO THÔNG ĐƯỜNG THỦY KS. BÙI VĂN PHIẾN Bộ môn Điều khiển học TS. NGUYỄN THANH