Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển hệ thống đèn giao thông tại ngã tư

LỜI NÓI ĐẦU Trong năm gần giới với phát triển mạnh mẽ ngành công nghiệp chế tạo linh kiện bán dẫn vi mạch tổng hợp, hƣớng phát triển vi xử lý hình thành vi điều khiển Với nhiều ƣu điểm, vi điều khiển đƣợc sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác Bằng cách áp dụng vi điều khiển vào trình sản xuất xử lý, vi điều khiển thực thể đƣợc ƣu so với thiết bị điều khiển thông thƣờng Với thời đại phát triển nhƣ ngày vấn đề giao thông ngày đƣợc trú trọng Các phƣơng tiện tham gia giao thông gia tăng không ngừng hệ thống giao thơng ngày phức tạp Vì để đảm bảo đƣợc an toàn tham gia giao thơng việc sử dụng hệ thống tín hiệu để điều khiển phân luồng nút giao thông cần thiết Qua thực tế chúng em nhận thấy vấn đề sát thực Hơn chúng em đƣợc trang bị kiến thức trình nghiên cứu học tập trƣờng chúng em chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế điều khiển hệ thống đèn giao thông ngã tƣ” Qua đề tài này, giúp chúng em có đƣợc hình dung thực tế vi xử lý đƣợc áp dụng nhƣ sống đại, cụ thể hệ thống đèn giao thơng dùng vi điều khiển AT89S52 Đồ án gồm chƣơng: Chƣơng I: Tổng quan hệ thống điều khiển đèn giao thông Chƣơng II: Phƣơng án lựa chọn thiết bị phƣơng pháp điều khiển Chƣơng III: Thiết kế hệ thống điều khiển đèn giao thông sử dụng vi điều khiển Em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ, bảo tận tình Đinh Hải Lĩnh thầy Nguyễn Thành Trung suốt thời gian em thực đề tài Hà Nội, ngày 13 tháng năm 2017 Sinh viên thực đề tài Nguyễn Văn Quang MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐÈN GIAO THƠNG 1.1 Khái niệm đèn giao thơng 1.2 Yêu cầu mục đích hệ thống điều khiển đèn giao thông 1.3 Tổng quan hệ thống đèn giao thông 1.3.1 Một số hệ thống điều khiển đèn giao thông nguyên lý hoạt động 1.3.2LED LED đơn 1.3.3 Tổng quan vi điều khiển 1.4 Giới thiệu chung số phần mềm điều khiển 10 CHƢƠNG PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ, PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 13 2.1 Các phƣơng án điều khiển 13 2.1.1 Mạch dùng IC số .13 2.1.2 Điều khiển vi điều khiển 14 2.1.3 Điều khiển PLC 15 2.2 Lựa chọn thiết bị 17 2.2.1 Chức chân tín hiệu 17 2.2.2 Các ghi chức đặc biệt 19 CHƢƠNG 3.THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐÈN GIAO THÔNG TẠI NGà TƢ SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN .29 3.1 Cách thức hoạt động đèn giao thông 29 3.2 Thiết kế phần cứng 30 3.2.1Phƣơng án thiết kế 30 3.2.2Các linh kiện sử dụng chủ yếu mạch 30 3.2.3Sơ đồ khối hệ thống 32 3.3 Sơ đồ nguyên lý mạch đèn giao thông 38 3.4 Thiết kế chƣơng trình điều khiển .40 3.4.1Lƣu đồ thuật toán hệ thống 40 3.4.2Chƣơng trình điều khiển hệ thống đèn giao thông 42 3.4.3Kết nhận đƣợc thiết kế chạy chƣơng trình .46 KẾT LUẬN 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Chức chân Port 18 Bảng 2.2 Chức ghi đặc biệt 19 Bảng 2.3 Bảng chọn băng ghi 22 Bảng 2.4 Chi tiết bit ghi IE .23 Bảng 2.5 Chức bit địa ghi TCON .24 Bảng 2.6 Các chế độ bit M1 M0 26 Bảng 2.7 Chức bit địa ghi SCON .27 Bảng 2.8 Các kiểu Mode bit SM0, SM1 27 Bảng 3.1 Mã hiển thị LED loại Anode chung .36 Bảng 3.2 Mức điện áp loại LED đơn 37 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Đèn giao thông dành cho phƣơng tiện Hình 1.2 Đèn giao thông cho ngƣời Hình 1.3 Giản đồ thời gian hoạt động cho ngƣời Hình 1.4 Giản đồ thời gian hoạt động phƣơng tiện Hình 1.5 Mơ hình đèn giao thông ngã tƣ Hình 1.6 Giản đồ thời gian hoạt động đèn giao thông ngã tƣ Hình 1.7 Mơ hình đèn giao thông cho ngã ba Hình 1.8 Giản đồ thời gian hoạt động đèn giao thông ngã ba Hình 1.9 Phân loại LED Hình 1.10 Cấu trúc bên LED Hình 2.1 Module trễ thời gian dùng IC 555 13 Hình 2.2 Mạch đếm sản phẩm dùng IC 7490 IC 7447 .14 Hình 2.3 LED trái tim dung 8051 15 Hình 2.4 Mạch đồng hồ, hiển thị ngày tháng năm 15 Hình 2.5 Giải pháp đo lƣu lƣợng khí BIOGAS 16 Hình 2.6 Sơ đồ chân tín hiệu CHIP AT89S52 17 Hình 2.7 Chức bit địa ghi IP .24 Hình 3.1 Mơ hình đèn giao thơng ngã tƣ .29 Hình 3.2 CHIP AT89S52 thực tế 30 Hình 3.3 LED thực tế 31 Hình 3.4 LED đơn 31 Hình 3.5 Transisor A1015 31 Hình 3.6 Nút nhấn điểu khiển loại chân 31 Hình 3.7 Hình dạng điện trở 32 Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý khối vi xử lý .33 Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý khối RESET 33 Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý khối thạch anh 34 Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn mạch 34 Hình 3.12 Hình ảnh thực tế chân tín hiệu LM7805 .34 Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lý khối KEYBOARD mạch .35 Hình 3.14 Sơ đồ nguyên lý LED mạch 35 Hình 3.15 Sơ đồ nguyên lý LED đơn 37 Hình 3.16 Sơ đồ nguyên lý mạch đèn giao thông Altium 38 Hình 3.17 Sơ đồ mạch in hệ thống điều khiển đèn giao thông 39 Hình 3.18 Sơ đồ 3D hệ thống phần mềm 39 Hình 3.19 Sơ đồ nguyên lý hệ thống phần mềm Proteus 40 Hình 3.20 Sơ đồ giải thuật chƣơng trình 40 Hình 3.21 Sơ đồ giải thuật chế độ ban ngày .41 Hình 3.22 Sơ đồ giải thuật chế độ ban đêm 41 Hình 3.23 Các hình ảnh sản phẩm hệ thống đèn giao thông .46 CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐÈN GIAO THƠNG 1.1 Khái niệm đèn giao thơng Đèn giao thơng (cịn đƣợc gọi tên khác đèn tín hiệu giao thông, đèn điều khiển giao thông, hay đèn xanh đèn đỏ) thiết bị đƣợc dùng để điều khiển giao thơng giao lộ có lƣợng phƣơng tiện lƣu thông lớn (thƣờng ngã ba, ngã tƣ đông xe qua lại) Đây thiết bị quan trọng khơng an tồn cho phƣơng tiện mà cịn giúp giảm ùn tắc giao thơng vào cao điểm Nó đƣợc lắp đặt tâm giao lộ vỉa hè Đèn tín hiệu giao thơng hoạt động tự động hay cảnh sát giao thông điều khiển Thực tế hệ thồng đèn giao thông sử dụng chủ yếu loại đèn nhƣ: - Đèn loại màu (dành cho xe cộ): Loại đèn có kiểu màu là: màu xanh, màu vàng màu đỏ Trong + Đèn xanh: tất phƣơng tiện đƣợc + Đèn vàng: dấu hiệu thay đổi tín hiệu từ đèn xanh sang đèn đỏ + Đèn đỏ: tất phƣơng tiện lƣu thông phải dừng trƣớc vạch dừng Loại đèn lắp theo thứ tự: Nếu lắp chiều dọc đèn đỏ trên, vàng giữa, xanh dƣới Nếu lắp chiều ngang theo thứ tự đỏ bên trái, vàng giữa, xanh bên phải hay ngƣợc lại Hình 1.1 Đèn giao thơng dành cho phương tiện - Đèn loại màu (cho ngƣời bộ) + Đèn xanh: đƣợc phép sang đƣờng + Đèn đỏ: Không đƣợc sang đƣờng Loại đèn lắp theo thứ tự: Nếu lắp chiều dọc đèn đỏ trên, đèn xanh dƣới Nếu lắp chiều ngang đèn đỏ bên trái, đèn xanh bên phải ngƣợc lại Loại đƣợc lắp kèm với đèn đếm lùi để ngƣời có khả ƣớc lƣợng thời gian sang đƣờng Hình 1.2 Đèn giao thông cho người - Đèn đếm lùi: Đèn đếm lùi loại đèn lắp đặt bổ sung bên cạnh đèn tín hiệu Đèn đếm lùi đƣợc hiển thị số đếm ngƣợc với màu sắc khác Khi đèn đếm đến "0" chuyển màu đèn Nhƣ loại đèn đƣợc chọn để làm mô cho đề tài loại đèn LED đơn (dành cho phƣơng tiện ngƣời bộ) LED (hiển thị thời gian sáng LED đơn) 1.2 Yêu cầu mục đích hệ thống điều khiển đèn giao thơng Trƣớc tình hình phƣơng tiện tham gia giao thông ngày gia tăng không ngừng hệ thống giao thơng ngày phức tạp Chính lý dẫn đến tình trạng ùn tắc tai nạn giao thơng ngày tăng Vì để đảm bảo giao thơng đƣợc an tồn thơng suốt việc sử dụng tín hiệu để điều khiển phân luồng nút giao thông cần thiết Với tầm quan trọng nhƣ hệ thống điều khiển đèn giao thông cần đảm bảo yêu cầu sau : - Đảm bảo trình hoạt động cách xác liên tục - Độ tin cậy cao - Đảm bảo làm việc ổn định lâu dài 1.3 Tổng quan hệ thống đèn giao thông - Hệ thống điều khiển đèn giao thông bao gồm: - Hệ thống đèn: gồm LED đơn LED - Hệ thống điều khiển đèn: Thực tế để điều khiển đèn giao thông ngƣời ta dùng phƣơng pháp PLC (Programmable Logic Controller) bời khả ƣu việt nhƣ: Tốc độ xử lý cao, cơng suất tiêu thụ thấp, có khả tự chuẩn đoán lỗi, độ tin cậy cao Do giới hạn đề tài sử dụng loại đèn LED để làm mô nên tác giả lựa chọn phƣơng pháp điều khiển vi điều khiển sử dụng CHIP AT89S52 Dƣới số hệ thống điều khiển đèn giao thông phổ biến 1.3.1 Một số hệ thống điều khiển đèn giao thông nguyên lý hoạt động a Hệ thống điều khiển đèn giao thông ưu tiên cho người Nguyên lý hoạt động: - Ở trạng thái bình thƣờng đèn báo tuyến đƣờng ô tô trạng thái xanh - Khi ngƣời muốn qua đƣờng, ngƣời phải nhấn vào nút nhấn nằm cột đèn dành cho ngƣời - Sau nhấn nút xin đƣờng, hệ thống đèn báo tuyến đƣờng đƣợc mô tả giản đồ thời gian nhƣ sau : Hình 1.3 Giản đồ thời gian hoạt động cho người Hình 1.4 Giản đồ thời gian hoạt động phương tiện b Hệ thống điều khiển đèn giao thơng cho ngã tư A B D C Hình 1.5 Mơ hình đèn giao thơng ngã tư Ngun lý hoạt động: Xét chế độ ban ngày thời điểm ban đầu đèn xanh vị trí A,C sáng cho phép phƣơng tiện ngƣời đi theo chiều từ A sang C ngƣợc lại đồng thời lúc đèn đỏ vị trí B,D sáng không cho phƣơng tiện lƣu theo chiều từ B sang D ngƣợc lại Sau khoảng thời gian đèn xanh vị trí A,C đèn đỏ B D tắt đồng thời đèn vàng vị trí sáng đèn đỏ vị trí dành cho ngƣời nhấp nháy sau khoảng thời gian đèn vàng tắt đèn vàng vị trí A C sáng đèn xanh vị trí B D sáng lúc xanh cho ngƣời A C sang, đỏ cho ngƣời B D sáng Sau đỏ B D sáng Sau đỏ A D xanh B D tắt đèn vàng lại sáng Còn chế độ ban đêm có đèn vàng sáng, hoạt động theo kiểu nhấp nháy theo thời gian định Giản đồ thời gian đƣợc mô tả nhƣ sau Xanh A, C 25S 7S 25S 7S t Vàng A ,C 5S 2S Đỏ A, C §á B, D Xanh B ,D t 9S 30S 30S 9S 30S 9S t t 25S 7S t Vàng B,D Đỏ A , C Xanh ®i bé A , C Đỏ B ,D Xanh B , D 5S2S t 30S 30S9S t 30S t 30S t 30S 30S t Hình 1.6 Giản đồ thời gian hoạt động đèn giao thông ngã tư c Hệ thống điều khiển đèn giao thông cho ngã ba A B C Hình 1.7 Mơ hình đèn giao thông cho ngã ba  Khối thạch anh ngồi AT89S52 Hình 3.10 Sơ đồ ngun lý khối thạch anh Thạch anh dao động ổn định để tạo tần số dao động cho vi điều khiển b Khối nguồn Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn mạch - Khối nguồn để cung cấp nguồn điện cho toàn mạch điện hoạt động Với vi điều khiển dịng 8051 tính ổn định dịng khơng cao nên ta dùng số IC ổn áp nhƣ 7805, LM2596, LM2576, … Với mạch ta dùng IC LM7805 để ổn áp dịng 5V Hình 3.12 Hình ảnh thực tế chân tín hiệu LM7805 34 c Khối KEYBOARD AT89S52 Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lý khối KEYBOARD mạch - Khi nhấn nút SW1 hệ thống đƣợc chạy chế độ ban ngày - Và nhấn SW3 hệ thống hoạt động chế độ ban đêm tức đèn vàng hoạt động theo kiểu nhấp nháy liên tục khoảng thời gian định Để chọn chƣơng trình ta phải thiết lập chƣơng trình phần mềm reset hệ thống qua nút nhấn reset d Khối OUTPUT Bao gồm dạng hiển thị sau: - LED để hiển thị thời gian hoạt động LED đơn - LED đơn để hiển thị chế độ hoạt động hệ thống  LED - Các chân tín hiệu T3 T4 đƣợc nối vào vi điều khiển AT89S2 để thực hiển thị phần thập phân - Cịn chân tín hiệu A, B, C, D, E, F, G, DP đƣợc nối vào vi điều khiển, chân tín hiệu có chức để hiển thị LED Hình 3.14 Sơ đồ nguyên lý LED mạch 35 - Việc giải mã nhị phân sang led đoạn điều đƣợc thực vi điều khiển Nhƣ LED nhận liệu bit từ Vi điều khiển để điều khiển hoạt động sáng tắt LED đơn nó, liệu đƣợc xuất điều khiển LED thƣờng đƣợc gọi “mã hiển thị LED thanh” - Có hai kiểu mã hiển thị LED thanh: mã dành cho LED có Anode(cực +) chung mã dành cho LED có Cathode(cực -) chung - Với hệ thống ta ung LED loại Anode chung Đối với dạng Led Anode chung, chân COM phải có mức logic muốn sáng Led tƣơng ứng chân a – f, dp mức logic Mã thị LED đƣợc thể bảng 3.1 Bảng 3.1 Mã hiển thị LED loại Anode chung Số hiển thị LED Mã hiển thị LED dạng nhị phân hgfedcba Mã hiển thị LED dạng thập lục phân 11000000 C0 11111001 F9 10100100 A4 10110000 B0 10011001 99 10010010 92 11000010 82 11111000 F8 10000000 80 10010000 90 A 10001000 88 B 10000011 83 C 11000110 C6 D 10100001 A1 E 10000110 86 F 10111111 8E 36  LED đơn Các LED đƣợc cấp nguồn theo sơ đồ nhƣ hình 3.15 AT89S52 Hình 3.15 Sơ đồ nguyên lý LED đơn Sử dụng loại LED đơn màu xanh, vàng, đỏ để hiển thị chế độ LED đơn hiển thị cho ngƣời Vì LED đơn có dịng hoạt động khoảng 10mA trở lên nên ta chọn điện trở R = 220Ω Nguồn đƣợc cấp: Vcc = +5V Điện áp phân cực thuận LED đƣợc thể nhƣ bảng 3.2 Bảng 3.2 Mức điện áp loại LED đơn Loại LED Điện áp Led xanh Vx = 2V – 2.8V Led vàng Vv = 2V- 2.5V Led đỏ Vd = 1.4V- 1.8V 37 3.3 Sơ đồ nguyên lý mạch đèn giao thơng Hình 3.16 Sơ đồ ngun lý mạch đèn giao thơng Altium 38 Hình 3.17 Sơ đồ mạch in hệ thống điều khiển đèn giao thơng Hình 3.18 Sơ đồ 3D hệ thống phần mềm 39 3.4 Thiết kế chƣơng trình điều khiển Trƣớc viết chƣơng trình điều khiển, muốn biết đoạn mã chƣơng trình có chạy đƣợc hay khơng tác giả nên vẽ sơ đồ nguyên lý để mô hệ thống Sơ đồ đƣợc thể hình 3.19 Hình 3.19 Sơ đồ nguyên lý hệ thống phần mềm Proteus 3.4.1 Lưu đồ thuật tốn hệ thống Hình 3.20 Sơ đồ giải thuật chương trình \ 40 Hình 3.21 Sơ đồ giải thuật chế độ ban ngày Hình 3.22 Sơ đồ giải thuật chế độ ban đêm 41 3.4.2 Chương trình điều khiển hệ thống đèn giao thơng Chƣơng trình điều khiển hệ thống đèn giao thơng sử dụng ngơn ngữ lập trình C,và đƣợc viết chƣơng trình nhƣ sau: #include #include #include #define den1 P2 char a; // bien chay led sbit led1=P1^0; sbit led2=P1^1; sbit led3=P1^2; sbit led4=P1^3; sbit x1=P3^0; sbit v1=P3^1; sbit d1=P3^2; sbit d2=P3^3; sbit v2=P3^4; sbit x2=P3^5; sbit DAY = P1^4; sbit NIGHT = P1^5; sbit db1 = P0^7; sbit db2 = P0^6; sbit db3 = P0^5; sbit db4 = P0^4; char so[10]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0 x90}; // ma hien thi led doan int num1,donvi1,chuc1; int num2,donvi2,chuc2; void delay(unsigned int ms) { int i,j; 42 for(i=0;i