TỔNG QUAN VỀ ĐỒ ÁN HỆ THỐNG TÍN HIỆU ĐÈN GIAO THÔNG

PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ ĐỒ ÁN HỆ THỐNG TÍN HIỆU ĐÈN GIAO THÔNG GIỚI THIỆU CHUNG CỦA HỆ THỐNG: Đèn giao thông còn được gọi tên khác là đèn tín hiệu giao thông hay đèn điều khiển giao thôn

PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ ĐỒ ÁN HỆ THỐNG TÍN HIỆU ĐÈN GIAO

THÔNG

GIỚI THIỆU CHUNG CỦA HỆ THỐNG:

Đèn giao thông (còn được gọi tên khác là đèn tín hiệu giao thông hay đèn điều khiển giao thông) là một thiết bị được dùng để điều khiển giao thông ở những giao lộ

có lượng phương tiện lưu thông lớn (thường là ngã ba, ngã tư đông xe qua lại) Đây là một thiết bị quan trọng không những an toàn cho các phương tiện mà còn giúp giảm

ùn tắc giao thông vào giờ cao điểm Nó được lắp ở tâm giao lộ hoặc trên vỉa hè Đèn tín hiệu có thể hoạt động tự động hay cảnh sát giao thông điều khiển Đèn giao thông

có thể hoạt động hoàn toàn tự động hoặc cảnh sát giao thông điều khiển

MỤC ĐÍCH SỬ DỤNG CỦA HỆ THỐNG ĐÈN GIAO THÔNG:

1 Cải thiện điều kiện làm việc:

Trước tình hình phương tiện tham gia giao thông ngày càng gia tăng không ngừng và hệ thống giao thông ngày càng phức tạp Chính lý do này đã dẫn đến tình trạng ùn tắc và tai nạn giao thông ngày càng gia tăng Vì vậy để đảm bảo giao thông được an toàn và thông suốt thì việc sử dụng các hệ thống tín hiệu để điều khiển và phân luồng tại các nút giao thông là rất cần thiết Với tầm quan trọng như vậy hệ thống điều khiển tín hiệu giao thông cần đảm bảo những yêu cầu sau:

- Đảm bảo trong quá trình hoạt động một cách chính xác và liên tục

- Độ tin cậy cao

- Đảm bảo làm việc ổn định, lâu dài

CHƯƠNG I: XÂY DỰNG SƠ ĐỒ CHO HỆ THỐNG 1.1 Mô tả hoạt động của hệ thống:

Tại thời điểm ban đầu đèn xanh tại vị trí A và C sáng cho phép các phương tiện

và người đi bộ đi theo chiều từ A sang C và ngược lại đồng thời lúc này đèn đỏ tại các

vị trí B và D sáng không cho các phương tiện lưu đi theo chiều từ B sang D và ngược lại Sau một khoảng thời gian đèn xanh tại vị trí A và C tắt và đèn vàng sáng.Sau một thời gian đèn vàng tắt thì đèn đỏ tại B và D tắt đồng thời đèn đỏ tại A và C tại sáng và

đèn xanh tại vị trí A và C sáng Và cứ như thế lập lại

1.2.Phân tích lựa chọn phương án điều khiển:

Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật để điều khiển được hệ thống giao thông chúng ta có nhiều cách khác nhau như là: Dùng IC số, các bộ vi xử lý, vi điều khiển, các bộ điều khiển PLC

1.2.1 Mạch dùng IC số :

Với mạch dùng IC số có những ưu điểm sau:

 Giá thành rẻ

 Mạch đơn giản dễ thực hiện

 Tổn hao công suất bé, mạch có thể dùng pin hoặc acquy

Tuy nhiên khi sử dụng kỹ thuật số rất khó khăn trong việc thay đổi chương trình Muốn thay đổi một chương trình nào đó thì buộc ta phải thay đổi phần cứng Do đó mỗi lần phải lắp lại mạch dẫn đến tốn kém về kinh tế mà nhiều khi yêu cầu đó không thực hiện được nhờ phương pháp này

Với sự phát triển mạnh mẽ của ngành kỹ thuật số đặc biệt là cho ra đời các họ vi

xử lý, vi điều khiển hay PLC đã giải quyết được những bế tắc và kinh tế hơn mà phương pháp dùng IC số kết nối lại không thực hiện được

1.2.2.Điều khiển bằng vi điều khiển:

Ngoài ưu điểm của phương pháp trên, phương pháp này còn có những ưu điểm sau:

Do trong vi điều khiển có sử dụng các bộ timer, các hệ thống ngắt, câu lệnh đơn giản nên việc lập trình đơn giản hơn

Trong mạch có thể sử dụng ngay bộ nhớ trong đối với chương trình có quy mô nhỏ rất tiện lợi mà vi xử lý không thực hiện được

Nó có thể giao tiếp nối tiếp trực tiếp với máy tính mà vi xử lý cũng giao tiếp được nhưng là giao tiếp song song sang nối tiếp để giao tiếp với máy tính

1.2.3.Với vi mạch dùng kỹ thuật vi xử lý:

Với phương pháp này có những ưu điểm sau:

Ta có thể thay đổi một cách linh hoạt bằng việc thay đổi phần mềm trong khi đó phần

cứng không thay đổi mà mạch dùng IC số không thể thực hiện được mà nếu có thể thực hiện được thì cũng cứng nhắc mà người công nhân khó tiếp cận, đễ nhầm

Số linh kiện sử dụng trong mạch cũng ít hơn

Mạch đơn giản hơn mạch dùng IC số

Song do phần cứng của vi xử lý chỉ sử dụng CPU đơn chíp mà không có các bộ nhớ RAM, ROM, các bộ timer, hệ thống ngắt Do vậy việc viết chương trình gặp nhiều

khó khăn Do vậy hiện nay để khắc phục những nhược điểm trên hiện nay người ta sử dụng bộ vi điều khiển

1.2.4.Điều khiển bằng PLC:

Với phương pháp sử dụng PLC có những ưu diểm sau:

Lập trình đơn giản, độ tin cậy cao

Chức năng điều khiển thay đổi dễ dàng bằng thiết bị lập trình (máy tính, màn hình) mà không cần thay đổi phần cứng nếu không có yêu cầu thêm bớt các thiết bị nhập xuất

Thời gian hoàn thành một chu trình điều khiển rất nhanh

Nên nhóm chúng em chọn phương án dung PLC để điều khiển

1.3 Hệ thống điều khiển bằng bộ lập trình PLC:

Trên thực tế có rất nhiều bộ lập trình bằng PLC của nhiều hãng khác nhau như: PLC của siemen, PLC của Mitsubishi…, sau đây chúng e xin được giới thiệu đến thầy cô và các bạn về bộ lập trình PLC của hãng Allen-Bradley

Hình 1.2: PCL Allen-Bradley Micrologix 1500

1.3.1 Ưu và nhược điểm:

 Ƣu điểm:

- Bộ điều khiển lập trình với kích thước siêu gọn, thích hợp cho các ứng dụng đòi hỏi cao về yêu cầu tiết kiệm không gian lắp đặt

- Được thiết kế và tăng bền để chịu được rung động, nhiệt, ẩm và tiếng ồn

- Có sẵn giao diện cho các thiết bị nhập và xuất

- Được lập trình dể dàng với ngôn ngữ lập trình dể hiểu, chủ yếu giải quyết các phép toán logic và chuyển mạch

1.3.3 Xác định thiết bị cho hệ thống điều khiển:

Micrologix 1500 là một bộ lập trình cơ sở bao gồm đơn vị trong đó có một nguồn cung cấp năng lượng,đầu vào và đầu ra mạch,và một xử lý.Bộ điều khiển có sẵn 24 hoặc 28 điểm gồm I/O.thêm nhiều I/O có thể được thêm vào bằng mođun mở rộng I/O Giao diện mở rộng I/O;

Đầu vào đèn LED;

Đầu ra đèn LED;

Cổng Giao tiếp;

Trạng thái đèn LED;

Bộ nhớ/dồng hồ thời gian thực

Pin thay thế;

Pin;

Cửa ra vào thiết bị đầu cuối và giá trị

Công cụ truy cập dữ liệu;

Chế độ chuyển mạch

Micrologix 1500 có thể được kết nối với một máy tính cá nhân,nó có thể cũng

được kết nối với mạng DH-485 bằng cách sử dụng một chuyển đổi giao diện nâng

cao(1761-NET-AIC), một mạng Ethernet dử dụng một giao diện

Ethernet(1761-NET-ENI) hoặc một mạng DeviceNet sử dụng một giao diện DeviceNet(1761-NET-DNI)

hoặc thông qua các DeviceNet Modbus SCADA mạng như một RTU

1.3.4 Vẽ sơ đồ đấu dây cho PLC:

Hình 1.3: Ngõ vào và ra của PCL

1.3.5 Viết chương trình PLC điều khiển hoạt động của hệ thống:

Network 1:

Nhấn I:0 sau khi chọn chế độ tại netowork 13 hoặc 14 thì kệ thống sẽ hoạt động xanh

1 sáng và đỏ 2 sáng đồng thời Set tiếp điểm trung gian B3:0,2

Network 2:

Khi B3:0,2 được Set thì Role thời gian T4:0 bắt đầu dếm và nó tự Reset khi đếm đến giá trị ta đặt

Network 3:

Sau thời gian đếm tùy thuộc ta chọn chế độ 1 hoặc 2 sau 20 hoặc 55s thì đèn xanh 1 chuyển sang vàng 1

Network 19:

Khi nhấn I:0,5 thì tắt toàn bộ hệ thống

Network 20:

1.4 Hệ thống điều khiển bằng vi điều khiển: [1]

Vi điều khiển là một máy tính nhỏ được tích hợp trên một chíp, nó thường được

sử dụng để điều khiển các thiết bị điện tử Vi điều khiển, thực chất, là một hệ thống bao gồm một vi xử lý có hiệu suất đủ dùng và giá thành thấp (khác với các bộ vi xử lý

đa năng dùng trong máy tính) kết hợp với các khối ngoại vi như bộ nhớ, các mô đun vào/ra, các mô đun biến đổi số sang tương tự và tương tự sang số, Ở máy tính thì các

mô đun thường được xây dựng bởi các chíp và mạch ngoài

Vi điều khiển thường được dùng để xây dựng các hệ thống nhúng Nó xuất hiện khá nhiều trong các dụng cụ điện tử, thiết bị điện, máy giặt, lò vi sóng, điện thoại, đầu đọc DVD, thiết bị đa phương tiện, dây chuyền tự động…

Vi điều khiển AVR (Atmel Norway design) thuộc họ vi điều khiển Atmel, nó là

họ Vi điều khiển khá mới trên thị trường cũng như đối với người sử dụng Đây là họ

Vi Điều Khiển được chế tạo theo kiến trúc RISC (Reduced Intruction Set Computer)

có cấu trúc khá phức tạp Ngoài các tính năng như các họ VĐK khác, nó còn tích hợp nhiều tính năng mới rất tiện lợi cho người thiết kế và lập trình

Sự ra đời của AVR bắt nguồn từ yêu cầu thực tế là hầu hết khi cần lập trình cho

vi điều khiển, chúng ta thường dùng những ngôn ngữ bậc cao HLL (Hight Level Language) để lập trình ngay cả với loại chip xử lí 8 bit trong đó ngôn ngữ C là ngôn ngữ phổ biến nhất Tuy nhiên khi biên dịch thì kích thước đoạn mã sẽ tăng nhiều so với dùng ngôn ngữ Assembly.Hãng Atmel nhận thấy rằng cần phải phát triển một cấu trúc đặc biệt cho ngôn ngữ C để giảm thiểu sự chênh lệch kích thước mã đã nói trên

Và kết quả là họ vi điều khiển AVR ra đời với việc làm giảm kích thước đoạn mã khi biên dịch và thêm vào đó là thực hiện lệnh đúng đơn chu kỳ máy với 32 thanh ghi tích lũy và đạt tốc độ nhanh hơn các họ vi điều khiển khác từ 4 đến 12 lần Vì thế nghiên cứu AVR là một đề tài khá lý thú và giúp cho sinh viên biết thêm một họ vi điều khiển vào loại mạnh nhất hiện nay

Hình 1.6: Sơ đồ chân Atmega 16

Hình 1.7: Atmega16

Hình 1.8: Sơ đồ đấu dây Atmega16

CHƯƠNG II: LỰA CHỌN VÀ TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHO HỆ THỐNG 2.1 Đèn [2]

Hình 2.9: LED

Do có nhiều ưu điểm, đèn LED được ưu tiên sử dụng trong chiếu sáng kiến trúc

và các công trình công cộng Đèn LED tiết kiệm tiền điện, bảo vệ môi trường (do không chứa các chất hóa học như cácloại bóng đèn khác) và đặc biệt là khả năng thay đổi màu sắc ánh sáng linh hoạt góp phần làm cho kiến trúc công trình thêm độc đáo

Hoạt động của LED giống với nhiều loại điốt bán dẫn

Khối bán dẫn loại p chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khi ghép với khối bán dẫn n (chứa các điện tử tự do) thì các lỗ trống này có xu hướng chuyển động khuếch tán sang khối n Cùng lúc khối p lại nhận thêm các điện tử (điện tích âm)

từ khối n chuyển sang Kết quả là khối p tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và dư thừa điện tử) trong khi khối n tích điện dương (thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống)

Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung hòa Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (hay các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó)

Tùy theo mức năng lượng giải phóng cao hay thấp mà bước sóng ánh sáng phát

ra khác nhau (tức màu sắc của LED sẽ khác nhau) Mức năng lượng (và màu sắc của LED) hoàn toàn phụ thuộc vào cấu trúc năng

lượng của các nguyên tử chất bán dẫn

LED thường có điện thế phân cực thuận

cao hơn điốt thông thường, trong khoảng 1,5

đến 3 V Nhưng điện thế phân cực nghịch ở

LED thì không cao Do đó, LED rất dễ bị hư

hỏng do điện thế ngược gây ra

LED có tuổi thọ 80.000-100.000 giờ gấp

50 lần so với bong đèn 60W.Điều này có ý

nghĩa là chúng có thể thắp sáng lien tục trong

LED được dùng để làm bộ phận hiển thị trong các thiết bị điện, điện tử,

đèn quảng cáo, trang trí, đèn giao thông

Có nghiên cứu về các loại LED có độ sáng tương đương với bóng đèn bằng khí neon Đèn chiếu sáng bằng LED được cho là có các ưu điểm như gọn nhẹ, bền, tiết kiệm năng lượng

Các LED phát ra tia hồng ngoại được dùng trong các thiết bị điều khiển từ xa cho

đồ điện tử dân dụng

Loại LED

Điện thế phân cực thuận

Vàng 2 - 2,5V

Xanh

2.2.Led 7 đoạn [3]

2.2.1.Các khái niệm cơ bản

Trong các thiết bị, để báo trạng thái hoạt động của thiết bị đó cho người sử dụng

với thông số chỉ là các dãy số đơn thuần, thường người ta sử dụng "led 7 đoạn" Led 7

đoạn được sử dụng khi các dãy số không đòi hỏi quá phức tạp, chỉ cần hiện thị số là

đủ, chẳng hạn led 7 đoạn được dùng để hiển thị nhiệt độ phòng, trong các đồng hồ treo tường bằng điện tử, hiển thị số lượng sản phẩm được kiểm tra sau một công đoạn nào đó

Led 7 đoạn có cấu tạo bao gồm 7 led đơn có dạng thanh xếp theo hình và có thêm một led đơn hình tròn nhỏ thể hiện dấu chấm tròn ở góc dưới, bên phải của led 7 đoạn

8 led đơn trên led 7 đoạn có Anode(cực +) hoặc Cathode(cực -) được nối chung với nhau vào một điểm, được đưa chân ra ngoài để kết nối với mạch điện 8 cực còn lại trên mỗi led đơn được đưa thành 8 chân riêng, cũng được đưa ra ngoài để kết nối với mạch điện

Led 7 đoạn có 2 loại:

 Anode (cực +) chung: đầu (+) chung này được nối với +Vcc, các chân còn lại dùng để điều khiển trạng thái sáng tắt của các led đơn, led chỉ sáng khi tín hiệu đặt vào các chân này ở mức 0

 Cathode (cực -) chung: đầu( -) chung được nối xuống Ground (hay Mass), các chân còn lại dùng để điều khiển trạng thái sáng tắt của các led đơn, led chỉ sáng khi tín hiệu đặt vào các chân này ở mức 1

Hình 2.10: Sơ đồ chân tín hiệu 2 loại LED 7 Đoạn

Hiển thị LED 7 thanh là phần tử hiển thị thông dụng, để hiển thị các phần tử số

từ 0 đến 9 trong một số hệ thập phân Nó gồm 7 thanh xếp thành hình số 8, mỗi thanh

là một diode ( LED ) phát quang hoặc hiển thị tinh thể lỏng Điode thưòng được cấu tạo từ các chất Ga, As, P …nó cũng có tính chất chỉnh lưu như diode thường Nhưng khi điện áp thuận đạt nên diode vượt quá mức ngưỡng Ung nào đó thì diode sáng Điện

áp ngưỡng thay đổi từ 1,5 đến 5 v tuỳ theo từng loại có màu sắc khác nhau

 LED màu đỏ có điện áp ngưỡng Ung = 1,6 đến 2 v

 LED màu cam có điện áp ngưỡng Ung = 2,2 đến 3 v

 LED màu xanh lá cây có điện áp ngưỡng Ung = 2,8 đến 3,2 v

 LED màu vàng có điện áp ngưỡng Ung = 2,4 đến3, 2 v

 LED màu xanh ra trời có điện áp ngưỡng Ung = 3 đến 5 v

Thiết kế bộ giải mã hiển thị cho LED 7 thanh với tín hiệu đầu vào là mã BCD

2.2.2.Dạng chỉ thị led 7 đoạn:

Hình 2.11: Sơ đồ chân LED 7 Đoạn

Vì led 7 đoạn chứa bên trong nó các led đơn, do đó khi kết nối cần đảm bảo dòng qua mỗi led đơn trong khoảng 10mA-20mA để bảo vệ led Nếu kết nối với nguồn 5V

có thể hạn dòng bằng điện trở 330Ω trước các chân nhận tín hiệu điều hiển

Các điện trở 330Ω là các điện trở bên ngoài được kết nối để giới hạn dòng điện qua led nếu led 7 đoạn được nối với nguồn 5V

Chân nhận tín hiệu a điều khiển led a sáng tắt, ngõ vào b để điều khiển led b Tương tự với các chân và các led còn lại

2.2.3.Kết nối với vi điều khiển

Ngõ nhận tín hiệu điều khiển của led 7 đoạn có 8 đường, vì vậy có thể dùng 1 Port nào đó của Vi điều khiển để điều khiển led 7 đoạn Như vậy led 7 đoạn nhận một

dữ liệu 8 bit từ Vi điều khiển để điều khiển hoạt động sáng tắt của từng led led đơn trong nó, dữ liệu được xuất ra điều khiển led 7 đoạn thường được gọi là "mã hiển thị led 7 đoạn" Có hai kiểu mã hiển thị led 7 đoạn: mã dành cho led 7 đoạn có Anode(cực +) chung và mã dành cho led 7 đoạn có Cathode(cực -) chung Chẳng hạn, để hiện thị

số 1 cần làm cho các led ở vị trí b và c sáng, nếu sử dụng led 7 đoạn có Anode chung thì phải đặt vào hai chân b và c điện áp là 0V(mức 0) các chân còn lại được đặt điện áp

là 5V(mức 1), nếu sử dụng led 7 đoạn có Cathode chung thì điện áp(hay mức logic) hoàn toàn ngược lại, tức là phải đặt vào chân b và c điện áp là 5V(mức 1)

Số hiển thị trên led

Hình 2.12: Bảng mã hiển thị led 7 đoạn( led 7 đoạn anot chung: led đơn sáng ở mức 0)

Số hiển thị trên led

Dữ liệu xuất có dạng nhị phân như sau : hgfedcba

Từ bảng chức năng lập bảng karnaught cho 7 hàm rat a có kết quả: