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

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, đ

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

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 Điều khiển nạp

Ắc quy

Đĩa LED

IC rung nguồn

On/off

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 nhằm 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

IN

4 OUT 5

U1 MIC2

1 4

J1

IN

D1 1N5819

R6 15K GND C3 103 R5 56K

C4 10uF

GND

GND

R11 L1

101

GND

Vc

1 FB 2

S/S

4 Vi

Vsw 8

U3 LT1

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 3 IR1 LED THU

C5 10uF C7103

P1[4] 17 P1[6] Xres 18 19 P2[0] 20 P2[2] 21 P2[4] 22 P2[6] 23 P0[0] 24 P0[2] 25 P0[4] 26 P0[6] Vdd 27 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

J2

LED R10

D3 1N5819

C2

103

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

IN

4 OUT 5

U1 MIC2941ABU

1 4

J1

IN

D1 1N5819

R6 15K GND C3 103

R5 56K

C4 10uF

GND GND

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

L1 101

GND

Vc

S/S

U3 LT1

C8 103

R9 4K7

GND

C10 103 C9 10uF

3 J2

LED R10

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

[2]http://www.cypress.com

[3] Application Note AN2091

[4] http://www.alldatasheet.com♦