Thiết kế và mô phỏng đèn giao thông dùng arduino UNO r3 thiết kế, mô phỏng sử dụng arduino để điều khiển đèn giao thông

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN KHOA KỸ THUẬT MÁY TÍNH - - BÁO CÁO Mơn: Thiết Kế Số Đề tài: Thiết kế, mô sử dụng Arduino để điều khiển đèn giao thông GVHD: Ths Hà Lê Hồi Trung Tp Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 05 năm 2015 NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA ĐÈN GIAO THÔNG I Cấu tạo nguyên tắc hoạt động 1.1 Cấu tạo 1.2 Nguyên tắc hoạt động 2 “Làn xanh” CÁC CÔNG CỤ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI II Board Arduino Uno 1.1 Tổng quan 1.2 Sơ đồ chân Arduino 1.3 Cài đặt chương trình Arduino IDE 1.4 Cài đặt Driver Arduino IDE Mô Arduino Proteus 14 III THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 17 Bài toán đặt 17 Mơ hình sơ đồ 17 2.1 Mơ hình tổng qt 17 2.2 Mơ hình thiết kế 18 2.3 Sơ đồ khối 19 2.4 Sơ đồ giải thuật 19 2.5 Sơ đồ ASM 21 2.6 Control Unit 22 IV TỔNG KẾT 22 V TÀI LIỆU THAM KHẢO 23 MỤC LỤC HÌNH Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Trang Mơ hình đèn giao thông ngã tư 2 Arduino Uno Arduino IDE Driver Software Installation Device Manager Right click chọn ”Update Driver Software” Click chọn “Browse my computer for driver software” Driver 9 Arduino IDE 10 10 File menu 11 11 Click Examples 11 12 Edit menu 12 13 Sketch menu 12 14 Tool menu 13 15 Chọn Board 14 16 Thư viện mô Arduino 15 17 Mô Arduino Proteus 16 18 Mơ hình tổng qt 18 19 Mơ hình thiết kế Proteus 18 20 Sơ đồ khối 19 21 Control Unit 22 Thiết kế, mô sử dụng Arduino để điều khiển đèn giao thơng LỜI NĨI ĐẦU Trong năm gần với phát triển kinh tế tốc độ tăng không ngừng loại phương tiện giao thông Sự phát triển nhanh chóng phương tiện giao thơng dẫn đến tình trạng tắc nghẽn giao thơng tai nạn giao thông xảy thường xuyên.Vấn đề đặt để đảm bảo giao thơng thơng suốt an tồn? Để giải vấn đề đó, nhóm em chọn đề tài: “Thiết kế, mô sử dụng Arduino để điều khiển đèn giao thông” nhằm thiết kế triển khai hệ thống điều khiển cho đèn giao thông ngã tư thường, nhằm hạn chế ùn tắc tai nạn cho phương tiện tham gia giao thông GVHD: Th.s Hà Lê Hồi Trung Trang Thiết kế, mơ sử dụng Arduino để điều khiển đèn giao thông I NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA ĐÈN GIAO THÔNG Cấu tạo ngun tắc hoạt động Hình Mơ hình đèn giao thông ngã tư 1.1 Cấu tạo Hệ thống đèn giao thông đèn điều khiển giao thông gồm hai cột đèn lắp đặt hai đầu hai đường khác ngã tư Mỗi cột đèn gồm đèn đèn gồm: đèn xanh, đèn đỏ đèn vàng; đèn phụ đèn dùng điều khiển đường dành cho người bộ: đèn xanh người đèn đỏ người Ngoài ra, hệ thống đèn có hộp điều khiển từ phát tín hiệu điều khiển đèn Tín hiệu điều khiển đèn từ CPU thông qua cổng đến rơle, qua hệ thống dây nối đến đèn 1.2 Nguyên tắc hoạt động Cơ chế hoạt động đèn giao thông thật đơn giản: Khi đèn xanh đường (Green1) bật sáng lúc đèn đỏ đường (Red2), đèn đỏ cho người đường (padRed1), đèn xanh người đường (padGreen2) bật sáng Sau khoảng thời gian định Green1 tắt, đèn vàng 1(Yellow1) bật lên GVHD: Th.s Hà Lê Hoài Trung Trang Thiết kế, mô sử dụng Arduino để điều khiển đèn giao thơng Khi Yellow1 tắt Red2, pedRed1, pedGreen2 tắt lúc đèn xanh 2(Green2), đèn đỏ 1(Red1), đèn đỏ cho người 2(padRed2), đèn xanh cho người 1(padGreen1) bật sáng Lúc đèn vàng 2(Yellow2) bật lên lúc Green2 tắt, Yellow2 tắt chu kì lập lại với Red2, Green1,… “Làn xanh” Khái niệm “làn xanh” đề cập đến làm để phương tiện tham gia giao thơng gặp hai đèn xanh liên tiếp hai ngã tư liền Muốn phải cho chu kỳ đèn ngã tư phù hợp với tốc độ phương tiện khoảng cách hai ngã tư Và giải pháp đề cập ở ngã tư thứ hai ta lắp đặt Timer có tác dụng tạo thời gian trễ chu kỳ đèn thứ hai so với đèn thứ phù hợp Bài tốn đèn giao thơng báo cáo chưa đề cập đến “làn xanh” mà chương trình điều khiển đèn cho ngã tư II CÁC CÔNG CỤ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI Board Arduino Uno 1.1 Tổng quan Arduino thật bo mạch vi xử lý dùng để lập trình tương tác với thiết bị phần cứng cảm biến, động cơ, đèn thiết bị khác Đặc điểm bật Arduino môi trường phát triển ứng dụng dễ sử dụng, với ngơn ngữ lập trình học cách nhanh chóng với người am hiểu điện tử lập trình Và điều làm nên tượng Arduino mức giá thấp tính chất nguồn mở từ phần cứng tới phần mềm Arduino Uno sử dụng chip Atmega328 Nó có 14 chân digital I/O, chân đầu vào (input) analog, thạch anh dao động 16Mhz Một số thông số kỹ thuật sau: GVHD: Th.s Hà Lê Hoài Trung Trang Thiết kế, mô sử dụng Arduino để điều khiển đèn giao thông Chip ATmega328 Điện áp cấp nguồn 5V Điện áp đầu vào (input) (kiến nghị) 7-12V Điện áp đầu vào (giới hạn) 6-20V Số chân Digital I/O 14 (có chân điều chế độ rộng xung PWM) Số chân Analog (Input ) DC Current per I/O Pin 40 mA DC Current for 3.3V Pin 50 mA Flash Memory 32KB (ATmega328) với 0.5KB sử bootloader SRAM KB (ATmega328) EEPROM KB (ATmega328) Xung nhịp 16 MHz 1.2 Sơ đồ chân Arduino Hình Arduino Uno a) USB (1) GVHD: Th.s Hà Lê Hoài Trung Trang dụng Thiết kế, mô sử dụng Arduino để điều khiển đèn giao thông Arduino sử dụng cáp USB để giao tiếp với máy tính Thơng qua cáp USB Upload chương trình cho Arduino hoạt động, ngồi USB nguồn cho Arduino b) Nguồn (2 3) Khi khơng sử dụng USB làm nguồn sử dụng nguồn ngồi thơng qua jack cắm 2.1mm (cực dương giửa) sử dụng chân Vin GND để cấp nguồn cho Arduino Bo mạch hoạt động với nguồn điện áp từ – 20 volt Chúng ta cấp áp lớn nhiên chân 5V có mực điện áp lớn volt Và sử dụng nguồn lớn 12 volt có tượng nóng làm hỏng bo mạch Khuyết cáo bạn nên dùng nguồn ổn định đến 12 volt Chân 5V chân 3.3V (Output voltage): chân dùng để lấy nguồn từ nguồn mà cung cấp cho Arduino Lưu ý: khơng cấp nguồn vào chân làm hỏng Arduino GND: chân mass c) Chip Atmega328 Chip Atmega328 Có 32K nhớ flash 0.5k sử dụng cho bootloader Ngồi cịn có 2K SRAM, 1K EEPROM d) Input Output (4, 6) Arduino Uno có 14 chân digital với chức input output sử dụng hàm pinMode(), digitalWrite() digitalRead() để điều khiển chân đề cập chúng phần sau Cũng 14 chân digital cịn số chân chức là:  Serial: chân (Rx), chân (Tx) Hai chân dùng để truyền (Tx) nhận (Rx) liêu nối tiếp TTL Chúng ta sử dụng để GVHD: Th.s Hà Lê Hoài Trung Trang Thiết kế, mô sử dụng Arduino để điều khiển đèn giao thông giao tiếp với cổng COM số thiết bị linh kiện có chuẩn giao tiếp nối tiếp  PWM (pulse width modulation): chân 3, 5, 6, 9, 10, 11 bo mạch có dấu “~” chân PWM sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ, độ sáng đèn…  SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK), chân hỗ trợ giao chuẩn SPI  I2C: Arduino hỗ trợ giao chuẩn I2C Các chân A4 (SDA) A5 (SCL) cho phép chúng tao giao tiếp giửa Arduino với linh kiện có chuẩn giao tiếp I2C e) Reset (7): dùng để reset Arduino 1.3 Cài đặt chương trình Arduino IDE Các bạn truy cập vào trang web http://arduino.cc/en/Main/Software tải chương trình Arduino IDE phù hợp với hệ điều hành máy bao gồm Windown, Mac OS hay Linux Đối với Windown có cài đặt (.exe) Zip, Zip cần giải nén chạy chương trình khơng cần cài đặt Sau cài đặt xong giao diện chương trình sau: GVHD: Th.s Hà Lê Hoài Trung Trang Thiết kế, mô sử dụng Arduino để điều khiển đèn giao thơng Hình Click chọn “Browse my computer for driver software” Chọn đường dẫn tới folder “driver” nơi mà phần mềm Arduino lưu trữ Hình Driver Click “Next” Windown tự động cài đặt driver, qua trình cài đặt driver hoàn tất Arduino IDE Arduino IDE nơi để soạn thảo code, kiểm tra lỗi upload code cho arduino GVHD: Th.s Hà Lê Hoài Trung Trang Thiết kế, mô sử dụng Arduino để điều khiển đèn giao thơng Hình Arduino IDE a) Arduino Toolbar có số button chức chúng sau: Hình Arduino toolbar - Verify: kiểm tra code có lỗi hay khơng - Upload: nạp code soạn thảo vào Arduino - New, Open, Save: Tạo mới, mở Save sketch - Serial Monitor: Đây hình hiển thị liệu từ Arduino gửi lên máy tính b) Arduino IDE Menu:  File menu: GVHD: Th.s Hà Lê Hồi Trung Trang 10 Thiết kế, mơ sử dụng Arduino để điều khiển đèn giao thông Hình 10 File menu Trong file menu quan tâm tới mục Examples nơi chứa code mẫu ví dụ như: cách sử dụng chân digital, analog, sensor … Hình 11 Click Examples  Edit menu: GVHD: Th.s Hà Lê Hồi Trung Trang 11 Thiết kế, mơ sử dụng Arduino để điều khiển đèn giao thông Hình 12 Edit menu  Sketch menu: Hình 13 Sketch menu Trong Sketch menu :  Verify/ Compile : chức kiểm tra lỗi code  Show Sketch Folder : hiển thị nơi code lưu  Add File : thêm vào Tap code  Import Library : thêm thư viện cho IDE  Tool menu: GVHD: Th.s Hà Lê Hồi Trung Trang 12 Thiết kế, mơ sử dụng Arduino để điều khiển đèn giao thơng Hình 14 Tool menu Trong Tool menu ta quan tâm mục Board Serial Port Mục Board: bạn cần phải lựa chọn bo mạch cho phù hợp với loại bo mà bạn sử dụng Arduino Uno phải chọn hình: GVHD: Th.s Hà Lê Hồi Trung Trang 13 Thiết kế, mô sử dụng Arduino để điều khiển đèn giao thơng Hình 15 Chọn Board Nếu bạn sử dụng loại bo khác phải chọn loại bo mà có sai code Upload vào chip bị lỗi  Serial Port: nơi lựa chọn cổng Com Arduino Khi cài đặt driver máy tính thông báo tên cổng Com Arduino bao nhiêu, ta việc vào Serial Port chọn cổng Com để nạp code, chọn sai khơng thể nạp code cho Arduino Mô Arduino Proteus Để mơ Arduino proteus cần phải download thư viện arduino cho proteus Để có thư viên bạn cần truy cập vào trang web: http://blogembarcado.blogspot.com/search/label/Proteus GVHD: Th.s Hà Lê Hoài Trung Trang 14 Thiết kế, mô sử dụng Arduino để điều khiển đèn giao thơng Hình 16 Thư viện mơ Arduino Sau download bạn chép file ARDUINO.IDX ARDUINO.LIB vào thư mục: Proteus 7: C:\Program Files (hoặc x86)\Labcenter Electronics\Proteus Professional\LIBRARY Proteus 8: C:\Program Files (hoặc x86)\ Labcenter Electronics\Proteus Professional\Data\LIBRARY Trong thư viện hổ trợ loại board Arduino khác gồm có Arduino Uno, MEGA, NANO, LILYPAD UNO SMD cảm biến siêu âm Untrasonic Sau chép xong khởi động Proteus lên vào thư viện linh kiện cách bấm phím P gõ từ khố ARDUINO chúng danh sách board có tơi chọn Arduino Uno GVHD: Th.s Hà Lê Hồi Trung Trang 15 Thiết kế, mơ sử dụng Arduino để điều khiển đèn giao thơng Hình 17 Mô Arduino Proteus Lưu ý cần phải cấp nguồn vào chân 5V Gnd mạch hình Ngồi cơng cụ trên, đề tài sử dụng Led điện trở, gồm có:  10 đèn Led: + Led Xanh + Led Vàng + Led Đỏ + Led Đỏ nhỏ + Led Xanh nhỏ  10 điện trở 1k Ω GVHD: Th.s Hà Lê Hoài Trung Trang 16 Thiết kế, mô sử dụng Arduino để điều khiển đèn giao thông III THỰC HIỆN ĐỀ TÀI Bài tốn đặt Điều khiển tín hiệu đèn cho phương tiện giao thơng: Trên hướng có ba đèn điều khiển xanh, vàng, đỏ  Các đèn hiệu điều khiển theo logic phải đảm bảo thời gian đèn đỏ hướng phải lớn tổng thời gian đèn xanh đèn vàng hướng  Thứ tự đèn cho hướng là: vàng → đỏ → xanh → vàng, Điều khiển tín hiệu đèn cho người bộ:  Trên hướng có đèn hiệu cho người gồm hai tín hiệu xanh đỏ  Tín hiệu đèn xanh người bắt đầu sau đèn đỏ phương tiện hướng sáng 1s kết thúc trước tín hiệu đèn xanh cho phương tiện giao thơng hướng sáng 1s Mơ hình sơ đồ 2.1 Mơ hình tổng qt Bài tốn thiết kế dựa mơ hình đèn giao thơng thực tế ngã tư Gồm trụ đèn, trụ đèn gồm: đèn xanh, đèn đỏ, đèn vàng, đèn xanh bộ, đèn đỏ GVHD: Th.s Hà Lê Hoài Trung Trang 17 Thiết kế, mô sử dụng Arduino để điều khiển đèn giao thơng Hình 18 Mơ hình tổng qt 2.2 Mơ hình thiết kế Hình 19 Mơ hình thiết kế Proteus GVHD: Th.s Hà Lê Hoài Trung Trang 18 Thiết kế, mô sử dụng Arduino để điều khiển đèn giao thơng Mơ hình thiết kế thực tế 2.3 Sơ đồ khối Hình 20 Sơ đồ khối 2.4 Sơ đồ giải thuật - Bảng trạng thái: GVHD: Th.s Hà Lê Hoài Trung Trang 19 Thiết kế, mô sử dụng Arduino để điều khiển đèn giao thông - Lược đồ trạng thái: 01 001 010 10 01 100 GVHD: Th.s Hà Lê Hồi Trung Trang 20 Thiết kế, mơ sử dụng Arduino để điều khiển đèn giao thông 2.5 Sơ đồ ASM GVHD: Th.s Hà Lê Hoài Trung Trang 21 Thiết kế, mô sử dụng Arduino để điều khiển đèn giao thơng 2.6 Control Unit Hình 21 Control Unit IV TỔNG KẾT Chúng em xin chân thành cám ơn thầy giúp chúng em hoàn thành đề tài Qua đề tài giúp chúng em hiểu sâu rõ cấu tạo hoạt động board Arduino giúp chúng em có nhiều kinh nghiệm thực tế thú vị Kết thúc đề tài, chúng em có kết định sau: - Thiết kế mạch điều khiển giao thông cho ngã tư - Mô 90% mạch thật Proteus - Mạch chạy yêu cầu thiết kế ổn định Tuy nhiên, kinh nghiệm yếu lần tiếp xúc với board Arduino nên kết cịn hạn chế Nhóm mong thầy góp ý thêm để nhóm hồn thiện tốt đề tài GVHD: Th.s Hà Lê Hoài Trung Trang 22 Thiết kế, mô sử dụng Arduino để điều khiển đèn giao thông V TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu học Lập trình Arduino http://arduino.vn/ Thơng tư tín hiệu đèn điều khiển giao thơng http://thuvienphapluat.vn/archive/Thong-tu/Thong-tu-915-C57-P5-den-tinhieu-dieu-khien-giao-thong-vb43827t23.aspx GVHD: Th.s Hà Lê Hoài Trung Trang 23 ... Thiết kế, mơ sử dụng Arduino để điều khiển đèn giao thông - Lược đồ trạng thái: 01 001 010 10 01 100 GVHD: Th.s Hà Lê Hoài Trung Trang 20 Thiết kế, mô sử dụng Arduino để điều khiển đèn giao thông. .. hình đèn giao thông thực tế ngã tư Gồm trụ đèn, trụ đèn gồm: đèn xanh, đèn đỏ, đèn vàng, đèn xanh bộ, đèn đỏ GVHD: Th.s Hà Lê Hoài Trung Trang 17 Thiết kế, mô sử dụng Arduino để điều khiển đèn giao. .. Trang Thiết kế, mô sử dụng Arduino để điều khiển đèn giao thông I NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA ĐÈN GIAO THÔNG Cấu tạo nguyên tắc hoạt động Hình Mơ hình đèn giao thơng ngã tư 1.1 Cấu tạo Hệ thống đèn giao