Thiết kế hệ thống điều khiển đèn giao thông tại ngã tư và xây dựng mô hình thực

Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, cuộc sống của con người đã có những thay đổi ngày càng tốt hơn, với những trang thiết bị hiện đại phục vụ công cuộc công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước. Đặc biệt góp phần vào sự phát triển đó thì ngành kĩ thuật điện tử đã góp phần không nhỏ trong sự nghiệp xây dựng và phát triển đất nước. Những thiết bị điện,điện tử được phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng rỗng rãi trong đời sống cũng như sản suất. Từ những thời gian đầu phát triển KTS đã cho thấy sự ưu việt của nó và cho tới ngày nay tính ưu việt đó ngày càng được khẳng định thêm. Những thành tựu của nó đã có thể biến được những cái tưởng chừng như không thể thành những cái có thể, góp phần nâng cao đời sống vật chất và tinh thần cho con người.

Lời nói đầu

Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, cuộc sống của conngười đã có những thay đổi ngày càng tốt hơn, với những trang thiết bị hiện đại phục

vụ công cuộc công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước Đặc biệt góp phần vào sự pháttriển đó thì ngành kĩ thuật điện tử đã góp phần không nhỏ trong sự nghiệp xây dựng vàphát triển đất nước Những thiết bị điện,điện tử được phát triển mạnh mẽ và được ứngdụng rỗng rãi trong đời sống cũng như sản suất Từ những thời gian đầu phát triểnKTS đã cho thấy sự ưu việt của nó và cho tới ngày nay tính ưu việt đó ngày càng đượckhẳng định thêm Những thành tựu của nó đã có thể biến được những cái tưởng chừngnhư không thể thành những cái có thể, góp phần nâng cao đời sống vật chất và tinhthần cho con người

Để góp phần làm sáng tỏ hiệu quả của những ứng dụng trong thực tế của mônKTS chúng em sau một thời gian học tập được các thầy cô giáo trong khoa giảng dạy

về các kiến thức chuyên nghành, đồng thời được sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy ĐàoVăn Đã, cùng với sự lỗ lực của bản thân, chúng em đã “Thiết kế hệ thống điều khiển đèn giao thông tại ngã tư và xây dựng mô hình thực “ nhưng do thời gian,kiến thức và kinh nghiệm của chúng em còn có hạn nên sẽ không thể tránh khỏi nhữngsai sót Chúng em rất mong được sự giúp đỡ & tham khảo ý kiến cảu thầy cô và cácbạn nhằm đóng góp phát triển thêm đề tài

1 Ý TƯỞNG THẾT KẾ

Mạch điều khiển dàn đèn giao thông tại ngã tư ưu tiên xe cơ giới, tại các gócđường, đèn sẽ được bố trí như hình vẽ dưới đây Mỗi góc của ngã tư đường sẽ gồmmột bộ đèn xanh, đỏ vàng dành cho xe cơ giới và đồng thời có led hiểnthị thời gian đếm ngược dành cho xe cơ giới để người đi xe tiện quan sát Hướng chiếucủa các đèn và hướng đi lại trên đường sẽ được mô tả như hình vẽ.

Chiều mũi tên nhỏ chỉ hướng chiếu của đèn và người tham gia giao thông sẽ đitheo hướng mũi tên đậm nằm trên đường và sẽ phải quan sát bộ đèn giao thông gầnnhất bên tay phải làm chỉ dẫn giao thông.

Khi các đèn làm nhiệm vụ điều khiển giao thông thì các bộ đèn đối diện nhau sẽ

có cùng trạng thái về màu đèn Còn các bộ đèn ở đường kề sát sẽ ngược lại về màuđèn Ví dụ như bộ đèn ở nhánh này có màu xanh, vàng, đỏ thì đèn ở nhánh bên cạnh sẽ

có màu đỏ, vàng, xanh, việc thiết kế đèn vàng sáng giữa đèn xanh và đèn đỏ là để báocho phương tiện giao thông biết là sắp có sự chuyển đổi giữa hai đèn màu xanh và đènmàu đỏ

Do vậy, về cơ bản đèn điều khiển giao thông tại ngã tư được chia làm hai dàn:dàn đèn 1 và dàn đèn 2

Ngoài ra mạch còn được thiết kế hai chế độ làm việc ban ngày và ban đêm.Ởchế độ làm việc ban ngày, các đèn led sẽ hoạt động bình thường Còn ở chế độ banđêm sẽ chỉ có một đèn vàng nhấp nháy theo xung nhịp đưa vào.Hai chế độ được thiếtlập chuyển mạch bằng công tắc

+ Định nghĩa: Là mạch có từ hai đầu vào trở lên và có đầu ra bằng tổ hợp or các biến đầuvào.

+ Giản đồ thời gian:

Nếu có n đầu vào thì mắc n điốt tương tự như trên.

2 Phép toán AND và cổng AND

a Phép toán AND hay còn được gọi là phép nhân logic.

+ Hàm AND (hàm và): y = x1.x2

+B ng chân lý: ảng chân lý:

x 1 x 2 y 0

0 1 1

0 1 0 1

0 0 0 1

Mạch điện minh hoạ quan hệ logic AND + Mở rộng cho trường hợp tổng quát có n biến: y = x1 x2 … xn

Mạch điện thực hiện quan hệ logic AND được gọi là cổng AND

Nếu có n đầu vào thì mắc n điốt tương tự.

3 Phép toán NOT và cổng NOT

a Phép toán NOT hay còn được gọi phép đảo hay phép phủ định

+ Hàm NOT (hàm đảo): y  x

&

x1x

2

y X

Mạch điện minh hoạ quan hệ logic NOT:

Mạch điện thực hiện quan hệ logic NOT được gọi là cổng NOT

y

x R

3.2

3.2 V x

mạch tin cậy khi x ở mức thấp EQ và DQ có tác dụng giữ mức cao đầu ra ở giá trị quyđịnh.

4 Hàm NOR (không hoặc: NOT - OR)

0 1 1

0 1 0 1

1 0 0 0

Bộ đếm đồng bộ có đặc điểm là xung Clock đều được đưa đồng thời đến các FF

Bộ đếm dị bộ thì xung Clock chỉ được đưa vào FF đầu tiên, còn các FF tiếp theo thìlấy tín hiệu tại đầu ra của FF phía trước thay cho xung Clock

+ Căn cứ vào hệ số đếm người ta phân chia thành các loại:

- Bộ đếm nhị phân

- Bộ đếm thập phân.

- Bộ đếm Modul bất kỳ

Nếu gọi n là số ký số trong mã nhị phân (tương ứng với số FF có trong bộ đếm)thì dung lượng của bộ đếm là N = 2n Đối với bộ đếm thập phân thì N = 10 là trườnghợp đặc biệt của bộ đếm N phân

N là dung lượng của bộ đếm hoặc có thể nói là độ dài đếm của bộ đếm, hoặc hệ

2.1.1 Bộ đếm nhị phân không đồng bộ (đếm nối tiếp):

a) Khái niệm: là bộ đếm mà các trigơ mắc nối tiếp với nhau, lối ra trigơ trước đượcnối với lối vào của trigơ sau

b) Đặc điểm: xung CLK không được đưa đồng thời vào các trigơ mà chỉ được đưa vào và làm chuyển trạng thái của trigơ đầu tiên, lối ra của trigơ trước làm chuyển trạng thái của trigơ liền sau nó

c) Phân loại: trong đếm nhị phân không đồng bộ có các loại sau:

 Đ ếm tiến (Up counter):

Trigơ 2 thay đổi trạng tháI khi Q1 chuyển từ 1 về 0

Trigơ 3 thay đổi trạng tháI khi Q2 chuyển từ 1 về 0

Trigơ 4 thay đổi trạng tháI khi Q3 chuyển từ 1 về

Đếm lùi(up/down):

 Bộ đếm thuận ngược tuỳ ý:

Để có một bộ đếm vừa thuận vừa ngược ta thêm một đầu vào điều khiển tiến lùiUP/DOWN

- Sơ đồ:

d) Ưu nhược, điểm của bộ đếm không đồng bộ :

- Ưu điểm: đơn giản do đòi hỏi ít linh kiện

- Nhược điểm :Tác động chậm vì thời gian trễ khá lớn do mỗi trigơ hoạt động nhờ

sự chuyển trạng thái tại đầu ra của trigơ trước nó.

2.1.2 Bộ đếm nhị phân đồng bộ (đếm song song)

- Khái niệm : là bộ đếm mà xung nhịp được kích đồng thời vào tất cả các trigơ

- Sơ đồ:

- Nguyên lí làm việc:

 Điều kiện cho các trigơ JK hoạt động:

- Đầu vào J = K = 1

- Xung CLK phải lật trạng thái từ 1 về 0

- Đầu vào Reset = 1

 Tạo mức logic CE0 = 1 (5V)

 Tại thời điểm ban đầu CLK nhảy từ 1 về 0, lập tức đầu ra Q1 = 1, do

CE0 = 1 các CE đều bằng 01 nên các đầu ra khác giữ nguyên trạng thái Qi = 0 CE1 = 1 đặt điều kiện cho trigơ JK thứ 2 hoạt động

 Khi xung CLK nhảy từ 1 về 0, thì lập tức Q1 nhảy từ 1 về 0 khi đó Q2 có đủđiều kiện hoạt động lập tức nhảy lên mức 1 còn các Q1 khác giữ nguyên trạng tháicũ

 CE2 = 1 đặt điều kiện cho trigơ JK thứ 3 hoạt động và lập tức nhảy lên 1

 Như vậy trigơ JK chỉ lật trạng thái khi trigơ JK ở cấp thấp hơn nó lật trạng thái

từ 1 về 0 các xung CLK được đưa vào song song các trigơ JK Cho nên bộ đếm sẽđếm tuần tự

 Xét tăng dung lượng bộ đếm:

Khi cần đếm số lượng xung lớn hơn 15, người ta không kéo dài thêm trigơ vào sautrigơ số 4 mà ghép từng nhóm 4 trigơ Việc ghép liên tiếp các bộ đếm 4 bit phảI dùngtín hiệu nhớ E và CE, các tín hiệu này được tạo bằng các mạch logic phụ

 Ưu nhược điểm của bộ đếm đồng bộ so với bộ đếm không đồng bộ:

Trong một bộ đếm đồng bộ mọi trigơ sẽ thay đổi trạng tháI đồng thời, nghĩa làchúng được đồng bộ hoá theo theo mức tích cực của xung nhịp Do đó không giốngnhư bộ đếm không đồng bộ, những khoảng trễ do truyền sẽ không được cộng lại vớinhau mà nó chỉ bao gồm thời gian trễ của một trigơ cộng với thời gian dành cho cácmức logic mới truyền qua một cổng AND

Thời gian trễ là như nhau bất kể bộ đếm có bao nhiêu trigơ Nói chung là thờigian trễ bé hơn nhiều so với bộ đếm không đồng bộ Do đó, bộ đếm đồng bộ có thểhoạt động ở tần số cao hơn, dĩ nhiên mạch điện của bộ đếm không đồng bộ phức tạphơn

hai số “1” đi Muốn vậy ta phảI đưa hai lối ra QD và QB (có giá trị là 1 cần dập đi) vàohai lối vào của một cổng NAND Để xây dựng bộ đếm thập phân có kđ 10 phải dùng

có đầu ra có trọng số nhỏ nhất rồi lấy đầu ra đó làm xung cho trigơ tiếp theo có đầu ra

có trọng số nhỏ hơn Vì đây là bộ đếm 10 (1010) nên có 6 trạng thái không xác định

Ta lấy đầu ra QB và QD cho qua cổng NAND rồi cùng CLK qua một cổng AND vàoreset Cổng AND giúp ta xoá bộ đếm về 0 tại thời điểm bất kỳ

+ Bộ đếm BCD không đồng bộ đếm lùi chỉ cần nối Q(đảo) với CLK

+ Bộ đếm BCD đồng bộ thì xung CLK được đưa đồng thời vào các trigơ (tương tự bộđếm nhị phân)

Q3 Q2 Q1

Q0 CLK1

2 3 14

1

11 8 9 12

CLR1 CLR2

Sơ đồ khối của IC7493

Nó gồm hai mạch có thể hoạt động độc lập nhau: Một mạch chia đôi tần số(DIV2) với đầu vào là CLK1 và đầu ra là Q0; một mạch chia 8 tần số, với đầu vào làCLK2 và đầu ra là Q3 sẽ có dãy xung vuông góc lặp với tần số f thì ở đầy ra Q3 sẽ códãy xung vuông góc tần số f/8 Mạch DIV.8 cũng có thể sử dụng như bộ đếm khôngđồng bộ nhị phân 3 bít Xung đếm dẫn vào CLK2, số nhị phân ở cửa ra là Q3Q2Q1(Q1

có trọng số thấp nhất -20, Q3 có trọng số cao nhất -22)

IC 7493 có thể sử dụng làm bộ đếm nhị phân 3 bít (bộ đếm modul 8) Nó cũng

có thể ding làm bộ đếm nhị phân không đồng bộ 4 bit, với đầu vào xung đếm đặt ởCLK1, số nhị phân ở cửa ra là Q3Q2Q1Q0 (Q0 có trọng số 20, Q3 có trọng số 23) và đầuQ0 phảI nối với CLK2

Có thể sử dụng IC 7493 làm các bộ chia 2, chia 8 và chia 16 tần số

Hai đầu CLR1, CLR2 là hai đầu xoá Khi CLR1= CLR2=1 logic thì đầu ra bịxoá Vậy để mạch hoạt động phải nối mass hai đầu này (CLR1=CLR2 = 0 logic)

* Vi mạch 74192,74193 :

CTR

11 14 5

IC 74192 là bộ đếm modul 10, IC 74193 là bộ đếm nhị phân 4 bit (modul 16) Cả hai

IC có vỏ vầ cách bố trí chân hoàn toàn giống nhau IC 74192, 74193 có hai đầu vàođếm UP và DOWN Nếu xung đếm đưa vào UP (còn đầu vào DOWN đặt giá trị 1logic) thì bộ đếm sẽ đếm thuận Ngược lại, nếu xung đầu vào DOWN (còn UP = 1logic), bộ đếm sẽ đếm ngược Nếu đồng thời có hai dãy xung đưa vào đầu vào UP vàDOWN thì mạch sẽ hoạt động theo cach đếm thuận, nghịch

Mạch có đầu CLR (CLEAR) để xoá nội dung bộ đếm Khi CLR = 1 logic, bộđếm bị xoá Vậy, để mạch có thể đếm được thì phảI đặt CLR = 0 logic và Load =1logic

Các đầu ra BO, CO có quan hệ logic với các đầu vào/ra khác như sau:

xung ở đầu vào UP

III-Các bộ giải mã

Sơ đồ khối :

Hình dạng bên ngoài

Led nối anot chung:

Led nối catot chung:

Bảng trạng thái của bộ giải mã

Mã nhị phân BCD được chuyển sang thập phân và được hiển thị các số thập phândưới dạng 7 đoạn sáng , ứng với mỗi tổ hợp xác định các thanh sáng sẽ hiển thị cho ta

D

a b

g

Bộ giải mã

Các vi mạch 7448, 74LS48, 7449, 74LS49 là các IC giải mã 7 đoạn có lối ra tácđộng ở mức cao ta có thể dùng chúng để giải mã từ mã BCD ra thập phân quy luật hiểnthị các chữ số thập phân của các vi mạch này về cơ bản giống như bảng chân lý trên, chỉkhác đôi chút là số 6 không dùng thanh a và số 9 không dùng thanh d

Các mạch giải mã 7 đoạn 7447A, 74L47, 74S47 là các vi mạch 16 chân, số 6 và

số 9 chỉ có 5 thanh sáng giống như 7448, 7449 Vi mạch có lối ra tác động thấp (mức0) nên đèn chỉ thị 7 đoạn có anốt chung

Mạch giải mã MC 14495 cũng là giải mã nhị phân ra 7 đoạn Vi mạch 16 chân, cólối ra tác động cao (mức 1) nên đèn chỉ thị 7 đoạn có katốt chung Số 6 và số 9 có 6thanh sáng, các số thập phân: 10, 11, 12, 13, 14, 15 được hiển thị giống như các chữ sốtrong hệ thập lục phân Trên hình 4.23 minh hoạ sự hiển thị của các đèn chỉ thị số theo

mã 7 đoạn khi nó được dùng với mạch giải mã MC 14495

Khảo sát với vi mạch 74247

- Sơ đồ vi mạch

V3 5V

abcdefg.

V+

DISP1 +V

V2 5V

74LS47

A3 A2 A1 A0

test RBI

g f e d c b a

RBO

U2 74LS192

CPU CPD PL MR D3 D2 D1 D0

TCU TCD Q3 Q2 Q1 Q0

- Chân 14,15,1,10,9 của IC 74192 được nối mass.

- Chân 3,2,6,7 của IC 74192 tương ứng với Q0 ,Q1 ,Q2 ,Q3 được nối với các đầu tương ứng A0 ,A1 ,A2 ,A3 (tương ứng các chân 7,1,2,6) của IC 7447.

- Các chân 13,12,11,10,9,15,14 là các đầu ra được nối với các chân a,b,c,d,e,g,f của LED 7 thanh.

LED 7 thanh dùng loại Anot chung

B ng tr ng thái ảng chân lý: ạng thái

- chân số 1(GND): cho nối mase để lấy dòng cấp cho IC

- chân số 2(TRIGGER): ngõ vào của 1 tần so áp.mạch so áp dùng các transistor PNP.Mức áp chuẩn là 2*Vcc/3

- Chân số 3(OUTPUT): Ngõ ra trạng thái ngõ ra chỉ xác định theo mức volt cao(gầnbằng mức áp chân 8) và thấp (gần bằng mức áp chân 1)

- Chân số 4(RESET): dùng lập định mức trạng thái ra Khi chân số 4 nối masse thì ngõ

ra ở mức thấp Còn khi chân 4 nối vào mức áp cao thì trạng thái ngõ ra tùy theo mức

áp trên chân 2 và 6

- Chân số 5(CONTROL VOLTAGE): dùng làm thay đổi mức áp chuẩn trong IC 555theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối mase Tuy nhiên tronghầu hết các mạch ứng dụng chân số 5 nối masse qua 1 tụ từ 0.01uF -0.1uF, các tụ cótác dụng lọc bỏ nhiễu giữ cho mức áp chuẩn ổn định

- Chân số 6(THRESHOLD) : là ngõ vào của 1 tầng so áp khác mạch so sánh dùng cáctransistor NPN mức chuẩn là Vcc/3

- Chân số 7(DISCHAGER) : có thể xem như 1 khóa điện và chịu điều khiển bỡi tầnglogic khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóa này đóng lại.ngược lại thì nó mở ra Chân 7

tự nạp xả điện cho 1 mạch R-C lúc IC 555 dùng như 1 tầng dao động

- Chân số 8 (Vcc): cấp nguồn nuôi Vcc để cấp điện cho IC.Nguồn nuôi cấp cho IC 555trong khoảng từ +5v +15v và mức tối đa là 18v

Chương II: Thiết kế mạch điều khiển đèn giao thông

I- Sơ đồ khối mạch điện

5 Sơ đồ khối tổng quan:

Mạch điều khiển đèn giao thông ngã tư về cơ bản gồm các khối:

Mạch nguồn

2 Chức năng các khối :

Sơ đồ khối của mạch gồm 4 khối như hình :

- Khối nguồn : khối này có nhiệm vụ cung cấp toàn bộ năng lượng cho mạch điềukhiển

- Mạch chia tần: cứ 80 xung của NE555 tạo ra sẽ cho ra 8 xung để đưa đến bộđiều khiển đèn giao thông và bộ hiển thị

- Mạch điều khiển đèn: lấy xung điều khiển từ bộ chia tần và sẽ sáng lần lượttheo các trạng thái xanh - vàng - đỏ trên hai đường sẽ có trạng thái ngược nhaugiữa các đèn

- Mạch hiển thị: đó là các led 7 thanh sẽ có nhiệm vụ đếm lùi thời gian sáng củacác đèn xanh - vàng - đỏ cho người điều khiển phương tiện giao thông dễ dàngquan sát và chủ động trong quá trình điều khiển phương tiện

Mạch chia tần (mạch đếm)

SƠ ĐỒ TOÀN MẠCH

II- Mạch nguồn và mạch tạo xung

Sau khi biến áp hạ thế xuống 12VAC tại thứ cấp được bộ chỉnh lưu 2 nửa chu kỳhình cầu chỉnh lưu về điện 1 chiều qua tụ lọc nguồn C1 làm san bằng biên độ giảmthành phần xoay chiều còn lại làm ảnh hưởng nhiễu đến nguồn Tại đầu ra 2 nguồn ta

sử dụng 2 tụ lọc gạt bớt thành phần xoay chiều sau khi chỉnh lưu Nguồn 5V cung cấpcho toàn bộ mạch điều khiển

2.Mạch tạo xung

a) Sơ đồ mạch:

b) Nguyên lí hoạt động

Cấu tạo của NE555 gồm OP-amp so sánh điện áp, mạch lật và transistor để xảđiện Cấu tạo của IC đơn giản nhưng hoạt động tốt Bên trong gồm 3 điện trở mắc nối tiếp chia điện áp VCC thành 3 phần Cấu tạo này tạo nên điện áp chuẩn Điện áp 1/3 VCC nối vào chân dương của Op-amp 1 và điện áp 2/3 VCC nối vào chân âm của Op-amp 2 Khi điện áp ở chân 2 nhỏ hơn 1/3 VCC,chân S = [1] và FF được kích Khi điện áp ở chân 6 lớn hơn 2/3 VCC, chân R của FF = [1] và FF được reset

Giai đoạn ngõ ra ở mức 1:

Khi bấm công tắc khởi động, chân 2 ở mức 0

Vì điện áp ở chân 2 (V-) nhỏ hơn V1(V+), ngõ ra của Op-amp 1 ở mức 1 nên S = [1],

Vì = [1], transistor mở dẫn, Op-amp2 có V+ = [0] bé hơn V-, ngõ ra của Op-amp 2

ở mức 0 Vì vậy Q và không đổi giá trị, tụ C xả điện thông qua transistor

Kết quả cuối cùng: Ngõ ra OUT có tín hiệu dao động dạng sóng vuông, có chu kỳ ổn

định

III- Mạch chia tần 80:10 tạo mã điều khiển đèn giao thông

1 Sơ đồ mạch điện:

2 Nguyên lý hoạt động:

Nguyên lý hoạt độngcủa mạch chia tần 80:10

Từ bộ định thời NE555 sẽ tạo ra xung vuông, tác động vào chân 14(CK) của IC2(74190) (đây cũng là IC đếm cho hàng đơn vị) Mục đích là cứ 80 xung vuông từ bộđịnh thời NE555 ta tạo ra được 8 xung ứng với 80s, để đưa vào mạch đèn giao thông.Tín hiệu QA, QB, QC, QD sẽ được đưa đến IC 3 (7432) trong đó có (QB or QA) or (QC orQD) đầu ra “ MW1” sẽ cho ra mức 0 khi QA= QB= QC= QD =0 Đồng thời lúc đó bộđếm hàng đơn vị hiển thị số 0 Tín hiệu từ MW1 kích vào chân 1 của IC4(7493) Khi

đó bộ đếm 8 hoạt động từ các chân 9,8,11 ta lấy được các tín hiệu QB, QC, QD cung cấpcho mạch đèn giao thông