Tải bản đầy đủ
KHẢO SÁT VÀ PHÂN TÍCH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐÈN GIAO THÔNG

KHẢO SÁT VÀ PHÂN TÍCH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐÈN GIAO THÔNG

Tải bản đầy đủ

2.2 Phân tích hệ thống
2.2.1 Các giải pháp thiết kế
Để thiết kế hệ thống đèn giao thông cho ngã tư này ta có một số giải pháp
để thiết kế sau:
2.2.1.1 Mạch dùng IC số
Với mạch dùng IC số có các ưu điểm sau:

- Tổn hao công suất bé, mạch có thể dùng pin hoặc acquy.
- Giá thành rẻ .
- Mạch đơn giản dễ thực hiện. Song với việc sử dụng kỹ thuật số rất khó
khăn trong việc thay đổi chương trình. Muốn thay đổi một yêu cầu nào
đó của chương trình thì buộc lòng 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 lại không thực hiện được.

2.2.1.2 Vi mạch dùng kỹ thuật vi xử lí
Ngoài những ưu điểm như đã liệt kê trong phương pháp dùng IC số thì
phương pháp dùng kỹ thuật vi xử lý con có những ưu điểm sau:

- Ta có thể thay đổi chương trình 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 cũng khó tiếp cận, dễ nhầm.
Số linh kiện để sử dụng trong mạch ít hơn .
Mạch đơn giản hơn so với 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. Nên việc viết chương trình gặp nhiều khó
khăn. Do vậy hiện nay để khắc phục những nhược điểm trên hiện nay
người ta thường dùng bộ vi điều khiển.

29

2.2.1.3 Điều khiển bằng vi điều khiển
Ngoài những ưu điểm có của hai phương pháp trên, phương pháp này còn
có những ưu điểm sau:

- 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 nên cần có linh kiện
chuyển đổi dữ liệu từ song song sang nối tiếp để giao tiếp với máy
tính.

- 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, dễ thực hiện.

- Phù hợp với kiến thức của sinh viên.
2.2.1.4 Điều khiển bằng PLC
Với phương pháp điều khiển bằng PLC có những ưu điểm sau:

- Làm việc chắc chắn, liên tục và có tuổi thọ 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 xuất nhập.
Có thể làm việc trong nhiều điều kiện khác nhau.
Hướng dẫn người sử dụng đơn giản.
Thời gian hoàn thành một chu trình điều khiển rất nhanh (vài ms).
Tuy phương pháp này có nhiều ưu điểm hơn vi xử lý nhưng việc áp
dụng trong các hệ thống nhỏ là không thích hợp bởi giá thành rất cao.

Kết luận :
Với các phương pháp đã nêu ở trên, em lựa chọn giải pháp điều khiển
bằng vi điều khiển bởi đây là phương pháp phù hợp và tối ưu nhất với đề tài.
2.2.2 Xác định bài toán
2.2.2.1 Nội dung chương trình cần thiết kế
Thiết kế hệ thống điều khiển đèn giao thông tại ngã tư dùng vi điều khiển
gồm:

30

-

Hệ thống có 4 cột đèn.
Thời gian sáng các đèn: Đèn đỏ 29s, đèn xanh 27s ,đèn vàng 2s.
Có nút reset hệ thống.
Có kết nối với máy tính,có khả năng thay đổi thời gian hoạt động của

-

các đèn.
Có hiển thị thời gian đếm ngược trên đỉnh mỗi cột đèn.

2.2.2.2 Yêu cầu của bài toán thiết kế hệ thống điều khiển đèn giao thông
Trước tình hình phương tiện tham gia giao thông ngày càng gia tăng
không ngừng và hệ thống giao thông nước ta ngày càng phức tạp. 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 các yêu cầu sau:

-

Đảm bảo hoạt động một cách chính xác, liên tục trong thời gian dài.
Độ tin cậy cao.
Đảm bảo làm việc ổn định, lâu dài.
Dễ quan sát cho người đi đường.
Chi phí nhỏ, tiết kiệm năng lượng.

2.2.2.3 Yêu cầu và giới hạn của hệ thống điều khiền đèn giao thông dùng vi
điều khiển
Yêu cầu:

-

Hoạt động chính xác.
Mạch điện đơn giản.
Giá thành thấp.
Có khả năng mở rộng.

Giới hạn:

- Có sự sai lệch trong thời gian so với thời gian thực.
- Khó liên kết với các hệ thống giám sát chung của hệ thống giao thông.

31

2.3 Các linh kiện dùng để thiết kế
2.3.1 Vi điều khiển AT89C51

Hình 2.1 Ảnh thực tế của AT89C51
2.3.2 Led 7 thanh

Hình 2.2 Dạng của Led 7 thanh
Dùng để hiển thị thời gian đếm ngược cho mạch.

2.3.2.1 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

32

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. Nếu led 7 đoạn có 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. Nếu led 7 đoạn có Cathode (cực -) chung, đầu chung này 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.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 khiển.
2.3.2.2 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 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). Phần cứng được kết nối với 1 Port

33

bất kì của Vi điều khiển, để thuận tiện cho việc xử lí về sau phần cứng nên được
kết nối như sau: Px.0 nối với chân a, Px.1 nối với chân b, lần lượt theo thứ tự cho
đến Px.7 nối với chân h.
2.3.2.3 Bảng mã của Led Anode chung


Bảng mã cho Led Anode chung (a là MSB, dp là LSB)
Số

A

B

C

D

E

F

g

Dp Mã Hex

0

0

0

0

0

0

0

1

1

03h

1

1

0

0

1

1

1

1

1

9Fh

2

0

0

1

0

0

1

0

1

25h

3

0

0

0

0

1

1

0

1

0Dh

4

1

0

0

1

1

0

0

1

99h

5

0

1

0

0

1

0

0

1

49h

6

0

1

0

0

0

0

0

1

41h

7

0

0

0

1

1

1

1

1

1Fh

8

0

0

0

0

0

0

0

1

01h

9

0

0

0

0

1

0

0

1

09h

• Bảng mã cho Led Anode chung (a là LSB, dp là MSB)
S

Dp

G

F

E

D

C

B

A

Mã Hex

0

1

1

0

0

0

0

0

0

C0h

1

1

1

1

1

1

0

0

1

F9h

2

1

0

1

0

0

1

0

0

A4h



34

3

1

0

1

1

0

0

0

0

B0h

4

1

0

0

1

1

0

0

1

99h

5

1

0

0

1

0

0

1

0

92h

6

1

0

0

0

0

0

1

0

82h

7

1

1

1

1

1

0

0

0

F8h

8

1

0

0

0

0

0

0

0

80h

9

1

0

0

1

0

0

0

0

90h

2.3.2.3 Hiển thị dữ liệu cho Led 7 đoạn
Khi nối chung các đường dữ liệu của Led 7 đoạn, ta không thể cho các
Led này sáng đồng thời, mà phải thực hiện phương pháp quét nghĩa là tại một
thời điểm chỉ sáng một Led và tắt các Led còn lại. Do hiện tượng lưu ảnh của
mắt, ta sẽ thấy các Led sáng đồng thời.
Ngoài ra ta có thể tách riêng các đường dữ liệu của Led, để cho phép các
Led sáng đồng thời mà sẽ không có ảnh hưởng giữa các Led. IC chốt 74LS373
hay 74LS374 có thể được dùng lưu trữ dữ liệu cho các Led.
2.3.3 Thạch anh

Hình 2.3 Thạch anh
Chức năng: Kết hợp với tụ điện tạo xung nhịp dao động clock ổn định
(12MHz) cho dao động của AT89C51. Thạch anh sẽ được gắn vào chân XTAL1
và XTAL2 (Chân số 18 và 19) của AT89C51. Tần số thạch anh thường dùng
trong các ứng dụng là : 11.0592Mhz và 12Mhz Tần số tối đa 24Mhz. Tần số
càng lớn vi điều khiển xử lí càng nhanh.

35

2.3.4 Transistor

Hình 2.4 Transistor
Transistor là một linh kiện bán dẫn thường được sử dụng như một thiết bị
khuếch đại hoặc một khóa điện tử. Tranzitor là khối đơn vị cơ bản xây dựng nên
cấu trúc mạch ở máy tính điện tử và tất cả các thiết bị điện tử hiện đại khác. Vì
đáp ứng nhanh và chính xác nên các tranzitor được sử dụng trong nhiều ứng
dụng tương tự và số, như khuếch đại, đóng cắt, điều chỉnh điện áp, điều khiển tín
hiệu, và tạo dao động.Tranzitor cũng thường được kết hợp thành mạch tích hợp
(IC),có thể tích hợp tới một tỷ tranzitor trên một diện tích nhỏ.
Transistor gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình thành hai mối tiếp giáp
P-N, nếu ghép theo thứ tự PNP ta được Transistor thuận, nếu ghép theo thứ tự
NPN ta được Transistor ngược.
Các transistor sử dụng như những chiếc khóa điện tử đóng mở rất nhanh,
vừa có tác dụng đệm dòng cho các led đủ sáng vì dòng do vi điều khiển cung cấp
không đủ để làm cho các led sáng đẹp và được dùng để khuếch đại dòng vào các
led đơn đồng thời ngăn dòng dò từ vi điều khiển vào các led.Và một lý do nữa là
nếu ta sử dụng trực tiếp các chân của vi điều khiển sẽ làm vi điều khiển hoạt
động quá công suất, dẫn đến vi điều khiển rất nóng và hay bị treo khi hoạt động.
2.3.5 Led đơn

36

Hình 2.5 Led đơn
Hoạt động của led giống như điot bán dẫn phân cực thuận cho led mới có
thể sáng được.
Các led được lập trình sáng theo thứ tự và thời gian khác nhau để điều
khiển giao thông tại các đường giao nhau.
2.3.6 Điện trở, điện trở thanh

• Điện trở
Trong thiết bị điện tử điện trở là một linh kiện quan trọng, chúng được
làm từ hợp chất cacbon và kim loại tuỳ theo tỷ lệ pha trộn mà người ta tạo ra
được các loại điện trở có trị số khác nhau.

Hình 2.6 Điện trở

• Điện trở thanh A103J

37

Hình 2.7Ảnh A103J
A103J là một điện trở thanh 9 chân, sử dụng điện trở thanh thực sự đã
giúp cho việc thiết kế mạch đơn giản hơn nhiều. Điện trở thanh 9 chân thực chất
là 8 điện trở cùng giá trị với mỗi đầu của điện trở được nối với nhau và đầu
chung này được đưa ra ngoài bằng một chân nữa. Khi nhìn trên điện trở thanh,
phía đầu nào có dấu chấm tròn, thì chân ngoài cùng của phía đó là chân chung.
Thông thường chân chung này thường được nối với nguồn Vcc.
2.3.7 Tụ

Hình 2.8 Tụ
Chức năng: Lọc nhiễu cho dao động thạch anh, 2 tụ gốm 33pF sẽ được nối
một đầu với chân của thạch anh, đầu còn lại đấu ra Mass.
2.3.8 Nút bấm (Button)
Sử dụng loại có 1 cặp tiếp điểm thường mở. Dùng làm nút reset hệ thống.

38

2.3.9 IC ổn áp 7805

Hình 2.9 IC 7805

- Điện áp vào từ 7-12V DC được nối vào chân 1(INPUT).
- Điện áp ra 5V DC được lấy từ chân 3 (OUTPUT).
- Chân 2 là chân chung nối âm.
Với những mạch điện không đòi hỏi độ ổn định của điện áp quá cao, sử
dụng IC ổn áp thường được người thiết kế sử dụng vì mạch điện khá đơn giản.
Các loại ổn áp thường được sử dụng là IC 78xx, với xx là điện áp cần ổn áp. Ví
dụ 7805 ổn áp 5V, 7812 ổn áp 12V. Việc dùng các loại IC ổn áp 78xx tương tự
nhau.
Ngõ ra OUT luôn ổn định ở 5V dù điện áp từ nguồn cung cấp thay đổi.
Mạch này dùng để bảo vệ những mạch điện chỉ hoạt động ở điện áp 5V (các loại
IC thường hoạt động ở điện áp này). Nếu nguồn điện có sự cố đột ngột: Điện áp
tăng cao thì mạch điện vẫn hoạt động ổn định nhờ có IC 7805 vẫn giữ được điện
áp ở ngõ ra OUT 5V không đổi.

39