Thiết kế hệ thống đèn giao thông ứng dụng vi điều khiển 8051

Thiết kế hệ thống đèn giao thông ứng dụng vi điều khiển 8051
Lời nói đầu
Ngày nay trong khoa học kỹ thuật và đời sống xã hội các bộ vi điều
khiển có ứng dụng rộng rãi và thâm nhập ngày càng nhiều đến công việc, cuộc
sống hằng ngày của con người. Từ các thiết bị gia đình đến các thiết bị văn
phòng, hay các bộ điều khiển tự động đều sử dụng đến các bộ vi điều khiển, vì
vậy các hệ thống nhúng sử dụng vi điều khiển phục vụ cuộc sống con người là
thực sự cần thiết.
Cuộc sống được nâng cao, mật độ dân cư ở các thành phố đô thị lớn ngày càng
đông đúc hơn, vấn đề hỗ trợ cho người tham gia giao thông an toàn là việc cần
làm ngay và hệ thống đèn điều khiển và phân luồng giao thông ở các điểm ngã
tư, ngã năm được đưa vào sử dụng. Không những hạn chế được những xung đột
trong giao thông thành phố mà còn tránh được hiện tương ùn tắc, tai nạn giao
thông, hướng dẫn người tham gia giao thông đi đúng làn đường. Với nhu cầu
thực tiễn đó, nhóm chúng em đã tìm hiểu, nghiên cứu, thực hiện thiết kế mạch
điều khiển đèn giao thông.
1
Thiết kế hệ thống đèn giao thông ứng dụng vi điều khiển 8051
Chương I. Phương án thiết kế
1.1. Mô tả hoạt động của hệ thống:
Hệ thống đèn điều khiển giao thông gồm: led(xanh, đỏ, vàng) và 2 led 7
thanh có chức năng hiển thị thời gian đếm lùi đồng thời điều khiển các đèn Led
(Xanh, Vàng, Đỏ) để hướng dẫn các phương tiện tham gia giao thông đi đúng
làn đường cho phép của mình.
Do vị trí và lưu lượng người tham gia giao thông ở các nút giao thông là khác
nhau, nên thời gian hiển thị của các đèn ưu tiên cũng có thể đặt khác nhau tùy
từng thời điểm. Ở hệ thống này mỗi pha được điều khiển tự động như sau:
Đèn xanh sáng tương ứng với thời gian hiển thị đếm lùi là 25 giây, hoặc
có thể đặt phù hợp với từng nút giao thông.
Đèn vàng sáng 4 giây, thông báo cho các phương tiện tham gia giao
thông ứng với pha này giảm tốc độ và chuẩn bị dừng lại.

Đèn đỏ sáng 29 giây, thông báo cho các phương tiện biết hướng đi ứng
với pha này phải dừng lại.
Để hệ thống hoạt động một cách đồng bộ đèn xanh sáng đồng thời leg 7 đoạn
đếm lùi 25s, khi đèn xanh tắt đèn vàng sáng led 7 đoạn đếm lùi 4s, khi đèn vàng
tắt led 7 đoạn đếm lùi 29s, quá trình này cứ lặp đi lặp lại.
Thời gian hiển thị của hai pha:
Đỏ 1 = Xanh 1 + Vàng 1
1.2. Phương án thiết kế:
Hiện nay việc sử dụng các mạch số kết hợp với chíp vi điều khiển trong
các hệ thống điều khiển tự động đã trở nên rất phổ biến vì những ưu tiên của nó
như: Độ chính xác, khả năng lập trình được, tốc độ điều khiển nhanh, sử dụng
đơn-– giản, Mặt khác kỹ thuật số, vi xử lý, vi điều khiển là lĩnh vực đang phát
triển mạnh mẽ và có ứng dụng trong rất nhiều ngành sản xuất. Vì vậy, ta sẽ thiết
2
Thiết kế hệ thống đèn giao thông ứng dụng vi điều khiển 8051
kế một hệ thống điều khiển đèn giao thông đơn giản, chỉ sử dụng bộ vi điều
khiển. Tất cả các tín hiệu điều khiển đều được đưa đến khối hiển thị trực tiếp từ
các cổng của bộ vi điều khiển. Phương án này có đặc điểm là mạch gọn nhẹ,
không quá phức tạp, cách thức bố trí linh kiện dễ dàng, lập trình đơn giản, dễ
chỉnh sửa.
Các vi điều khiển được sử dụng trong hệ thống:
- Vi điều khiển AT89C51/52/55 hoặc AT89S51/52/55.
- Bộ giải mã 74LS47.
- Các led 7seg.
- Các led đơn hiển thị đèn xanh, đèn vàng, đèn đỏ.
- Một số linh kiện hỗ trợ mạch hoạt động ( tụ, trở, thạch anh…).
1.3. Sơ đồ khối của hệ thống:

3
Thiết kế hệ thống đèn giao thông ứng dụng vi điều khiển 8051

Phần II. Thiết kế
Để thực hiện thiết kế hệ thống, trước hết chúng ta tìm hiểu về cấu tạo và
chức năng của các vi điều khiển, khối vi điều khiển được sử dụng trong hệ
thống.
2.1. Khối xử lý:
2.1.1 Giới thiệu chung về vi điều khiển 8051:
Vi điều khiển AT89C51 là một vi điều khiển thuộc họ 8051, loại
CMOS, có tốc độ cao và công suất thấp với bộ nhớ Flash có thể lập trình được.
Nó được sản xuất với công nghệ bộ nhớ không bay hơi mật độ cao của hãng
Atmel. AT89C51 có 40 chân, được đóng gói theo tiêu chuẩn PDIP.

4
Thiết kế hệ thống đèn giao thông ứng dụng vi điều khiển 8051
Sơ đồ chân ra của dòng vi điều khiển 8051
Các đặc điểm tiêu chuẩn của họ 8051:
- 4KB Flash ROM.
- 128 byte RAM.
- 4 cổng vào/ra song song 8 bit.
- 2 bộ định thời/đếm 16 bit.
- Kiến trúc 5 vectơ ngắt 2 mức (five vector two-level interrupt
architecture).
- 1 cổng nối tiếp song công (full-duplex).
- Mạch tạo dao động trên chip và mạch đồng hồ.
AT89C51 được thiết kế với logic tĩnh cho hoạt động có tần số giảm
xuống 0 và hỗ trợ hai chế độ tiết kiệm năng lượng được lựa chọn bằng
phần mềm. Chế độ nghỉ dừng CPU trong khi vẫn cho phép RAM, các bộ
định thời/đếm, cổng nối tiếp và hệ thống ngắt tiếp tục hoạt động. Chế độ
nguồn giảm duy trì nội dung của RAM nhưng không cho mạch dao động
cung cấp xung clock nhằm vô hiệu hóa các hoạt động khác của chip cho
đến khi có reset cứng tiếp theo.

2.1.2 Chức năng của các chân tín hiệu:
Các cổng vào ra song song:
AT89C52 có 4 cổng vào/ra song song 8 bit ( Port 0, Port 1, Port 2,
Port3 ), các cổng này có thể được sử dụng như là các cổng vào hoặc cổng ra dữ
liệu.
- Cổng P0: Chân 32 - 39, dùng để trao đổi tin về dữ liệu (D0 –
D7), hoặc đưa ra các địa chỉ mức thấp (A0 – A7) theo chế độ dồn kênh (kết hợp
với tín hiệu chốt ALE). Đây là cổng vào/ra song song tùy vào chế độ đặt địa
chỉ. Để có thể vừa làm đầu ra vừa làm đầu vào thì mỗi chân phải được nối tới
5
Thiết kế hệ thống đèn giao thông ứng dụng vi điều khiển 8051
một điện trở kéo 10KΩ bên ngoài. Sở dĩ như vậy là vì cổng P0 có dạng cực
máng hở, đây là điểm khác với các cổng P1, P2 và P3. Khái niệm cực máng hở
cũng tương tự như colector hở, tuy nhiên ở đây áp dụng cho các chip dang
MOS. Khi nối 8051 tới bộ nhớ ngoài thì cổng P0 cung cấp cả địa chỉ và dữ liệu
bằng cách dông kênh để tiết kiệm số chân. Chân ALE sẽ báo P0 có địa chỉ hay
dữ liệu. Nếu ALE = 0 thì P0 cấp dữ liệu D0 – D7, còn nếu ALE = 1 thì là địa
chỉ.
- Cổng Port 1: Chân 1 - 8, là cổng vào/ra song song, dùng để trao
đổi tin song song dữ liệu, chúng được dùng cho giao tiếp các thiết bị ngoại vi.
Khác với cổng P0, cổng P1 không cần đến điện trở kéo vì nó đã có các điện trở
kéo bên trong. Khi Reset cổng P1 được cấu hình làm cổng ra. Để chuyển cổng
P1 thành đầu vào cần lập trình bằng cách ghi 1 lên tất cả các bit của cổng.
- Cổng Port 2: Chân 21 – 28, dùng để trao đổi tin song song về dữ
liệu (D0 – D7), hoặc đưa ra địa chỉ cao (A8 – A15), được dùng như các đường
xuất nhập hoặc là byte của Bus địa chỉ 16 bit đối với các thiết bị dùng bộ nhớ
ngoài mở rộng. Hai chức năng của cổng P2 là chuyển địa chỉ và dữ liệu.
- Cổng P3: Chiếm 8 chân, từ chân 10 đến chân 17. Cổng này có
thể được sử dụng làm đầu vào hoặc đầu ra. Cũng như P1 và P2, cổng P3 không
cần điện trở kéo. Khi Reset, cổng P3 được cấu hình làm một cổng ra, tuy nhiên

ở đây không phải là ứng dụng chủ yếu. Cổng P3 có thêm một chức năng quan
trong khác là cung cấp một số tín hiệu đặc biệt, chẳng hạn như ngắt.
Bit P3.0 và P3.1 được dùng để thu phát dữ liệu trong truyền thông nối tiếp.
Bit P3.2 và P3.3 được dành cho ngắt ngoài. Bit P3.4 và P3.5 được dùng cho các
bộ định thời 0 và 1. Bit P3.6 và P3.7 dùng để ghi, đọc các bộ nhớ ngoài.
6
Thiết kế hệ thống đèn giao thông ứng dụng vi điều khiển 8051
Bảng chức năng của cổng P3
Bit Tên Chức năng chuyển đổi
P3.0 RxD Đường vào dữ liệu cổng nối tiếp
P3.1 TxD Đường ra dữ liệu cổng nối tiếp
P3.2 INT0 Đường vào ngắt ngoài 0
P3.3 INT1 Đường vào ngắt ngoài 1
P3.4 T0 Đường vào của bộ định thời/bộ đếm thứ 0
P3.5 T1 Đường vào của bộ định thời/bộ đếm thứ 1
P3.6 WR Tín hiệu ghi dữ liệu bộ nhớ ngoài
P3.7 RD Tín hiệu đọc dữ liệu bộ nhớ ngoài
Các chân tín hiệu điều khiển:
- Chân cho phép bộ nhớ chương trình PSEN (Program Storage Enable):
7
Thiết kế hệ thống đèn giao thông ứng dụng vi điều khiển 8051
Tín hiệu PSEN là tín hiệu ra ở chân 29 có tác dụng kép.
Cho phép đọc bộ nhớ chương trình ngoài, thường được nối đến
chân OE (Output Enable) của EPROM cho phép đọc các byte mã lệnh. Tín hiệu
PSEN ở logic 0 trong thời gian vi điều khiển tìm nạp lệnh. Các mã lệnh được
đọc từ EPROM qua bus dữ liệu và được chốt vào thanh ghi lệnh IR của vi điều
khiển để giải mã.
Khi vi điều khiển thi hành chương trình trong ROM nội PSEN sẽ ở
mức logic 1.
- Chân cho phép chốt địa chỉ ALE/PROG (Address Latch Enable):

Chân tín hiệu ALE (chân 30) đưa ra xung điều khiển cho phép chốt
byte thấp của địa chỉ khi vi điều khiển truy xuất bộ nhớ ngoài.
Chân này cũng là đầu vào của xung lập trình khi lập trình cho FLASH,
khi đó chân tín hiệu ở mức 0.
Khi hoạt động bình thường, tín hiệu ALE được phát ra với tần số không
đổi bằng 1/6 tần số của bộ tạo dao động trên chip, và có thể sử dụng cho mục
đích định thời. Tuy nhiên, sẽ có một xung ALE bị bỏ qua mỗi khi vi điều khiển
truy xuất bộ nhớ ngoài.
- Chân tín hiệu truy xuất ngoài EA (External Access):
Tín hiệu vào EA (chân 31) được nối với 5V (mức logic 1) hoặc với
GND (mức 0). Nếu ở mức 1, vi điều khiển thi hành chương trình từ ROM nội.
Nếu ở mức 0, vi điều khiển sẽ thi hành chương trình ở bộ nhớ mở rộng.
Chân EA được lấy làm chân cấp nguồn 12V khi lập trình cho FLASH
trong vi điều khiển.
- Chân thiết lập lại RST (Reset):
Chân RST (chân 9) là đường vào xóa chính của vi điều khiển dùng để
thiết lập lại hệ thống. Khi chân tín hiệu này đưa lên mức cao ít nhất là 2 chu kì
8
Thiết kế hệ thống đèn giao thông ứng dụng vi điều khiển 8051
máy, các thanh ghi bên trong được nạp những giá trị thích hợp để khởi động hệ
thống.
RST có thể được kích khi cấp điện dùng một mạch R-C. Mạch này như
sau:
Trạng thái các thanh ghi của vi điều khiển được tóm tắt trong bảng
dưới.Quan trọng nhất trong các thanh ghi trên là thanh ghi bộ đếm chương
trình (PC – Program Counter). Sau khi thiết lập lại (RST trở về mức thấp),
thanh ghi PC có giá trị 0000H, tức là chương trình luôn bắt đầu tại địa chỉ đầu
tiên trong bộ nhớ chương trình. Nội dung của RAM trên chip không bị thay đổi
khi thiết lập lại.
9

Thiết kế hệ thống đèn giao thông ứng dụng vi điều khiển 8051
- Các chân XTAL1, XTAL2:
Các chân này (chân 18, 19) nối với bộ tạo dao động trên chip. Mạch
tạo dao động như sau:
Tần số của dao động thường là 12MHz. Khi đó tụ có giá trị 33pF. Chân
VCC nối đến +5V của nguồn cấp, chân GND nối đất.


2.1.3. Bộ nhớ trên chip
RAM trong:
Bộ vi điều khiển 8051 có 128 byte RAM trong bao gồm 32 byte đầu
tiên(00H đến 1FH) dành cho các thanh ghi, 16 byte tiếp theo (20H đến 2FH) là
vùng RAM định địa chỉ theo bit, sau đó là 80 byte RAM nháp.
Vùng thanh ghi có 32 byte, chia thành 4 khối (bank 0 đến bank 3), mỗi
khối có 8 thanh ghi (từ R0 đến R7).
Ở vùng RAM định địa chỉ theo bit, các bit được dánh địa chỉ từ 00H
đến 7FH.
10
Thiết kế hệ thống đèn giao thông ứng dụng vi điều khiển 8051
Các thanh ghi chuyên dụng (SFRs – Special Function Registers):
Các thanh ghi này có địa chỉ từ 80H đến FFH. Chúng chứa nội dung
của các thanh ghi điều khiển.

Tổ chức không gian bộ nhớ RAM của 8051:

11
Thiết kế hệ thống đèn giao thông ứng dụng vi điều khiển 8051

2.2. Khối giải mã:
Khối giải mã nhận tín hiệu điều khiển từ khối xử lý, sau đó giải mã để

đưa đến hiển thị trên các đồng hồ đếm ngược. Với chức năng trên thì
khối này chính là khối giải mã cho đèn LED 7 thanh.
12
Thiết kế hệ thống đèn giao thông ứng dụng vi điều khiển 8051
Các đầu ra (từ a đến f) nối đến các chân tương ứng của LED 7 thanh. Ta
thấy các đầu ra đều có mức tích cực là mức thấp. Do đó, loại LED 7
thanh cần sử dụng là loại Anode chung.
2.3. Khối hiển thị:
Khối hiển thị có chức năng đưa ra thông tin điều khiển giao thông
tương ứng với trạng thái hiện thời của hệ thống. Khối này gồm 2
phần: đèn điều khiển và đồng hồ.
Đèn điều khiển bao gồm: Đèn dành cho các phương tiện tham gia
giao thông: xanh, đỏ, vàng.
Đồng hồ dùng các Led 7 thanh để tạo các hiển thị tử 00 đến 29, ở
đây ta dùng loại Anot chung.
Phần III. Nguyên lý hệ thống
3.1. Nguyên lý hoạt động:
13
Thiết kế hệ thống đèn giao thông ứng dụng vi điều khiển 8051
Mạch hiển thị hoạt động dựa trên nguyên tắc điều khiển tín hiệu
vào/ra của vi điều khiển AT89C51.
Vi điều khiển được lập trình để thực hiện 2 công việc chính:
a) Điều khiển chuyển mức các đèn tín hiệu giữa hai làn đường, cụ thể là:
Việc chuyển mức sẽ được thực hiện bằng 6 bit truyền dữ liệu:
P0.0: Đèn xanh
P0.1: Đèn vàng
P0.2: Đèn đỏ
Các đèn hiển thị là các Led đơn nối chung nhau anot, đèn sáng tương
ứng với mức logic thấp.
Đèn xanh ở làn 1 sẽ tương ứng là đèn đỏ ở làn 2 và ngược lại, chuyển

mức giữa các đèn sẽ xen kẽ những bộ đếm lùi thời gian.
Kết thúc mỗi bộ đếm sẽ tương ứng thiết lập lại các bit để hiển thị đèn
tiếp theo.
Giữa đèn xanh và vàng là 25 giây
Giữa đèn vàng và đèn đỏ là 4 giây
Giữa đèn đỏ và đèn xanh là 29 giây
b) Hiển thị bộ đếm lùi tương ứng từng trạng thái của đèn tín hiệu:
IC 74LS47 thực hiện việc giải mã BCD sang thập phân và hiển thị các
thập phân đó sang Led 7 đoạn. Hệ thống sử dụng 4 IC 74LS47 được nối với các
cổng Port 1 và Port 2 dùng cho việc hiển thị hai Led trên hai làn đường.
Việc tạo ra số thập phân được thực hiện bằng cách nạp giá trị đếm 29
giảm dần vào bộ nhớ RAM. Để thu được mã BCD hiển thị ra dãy số thập phân
29 – 0 ta sẽ bỏ qua các trạng thái 0A,0B…1F.
Nạp các giá trị biến đếm trạng thái hiển thị cho hai làn đường vào các
thanh ghi R1 và R2, lần lượt giảm dần giá trị có trong thanh ghi và kiểm tra các
trạng thái không cho phép hiển thị (1F…0B,0A).
14
Thiết kế hệ thống đèn giao thông ứng dụng vi điều khiển 8051
3.2. Sơ đồ nguyên lý mạch mô phỏng:
3.3. Chương trình điều khiển:
$MOD51
ORG 0000h
Xanh1 EQU P0.0
Vang1 EQU P0.1
15
Thiết kế hệ thống đèn giao thông ứng dụng vi điều khiển 8051
Do1 EQU P0.2
MAIN:
MOV R1,#29h; BIEN DEM TRANG THAI HIEN THI DEN DO
LAP1:

CLR Do1; DEN DO
MOV P1,R1
DEC R1
ACALL DELAY
CJNE R1,#01Fh,LAP2
MOV R1,#19h; NAP LAI BIEN DEM CHO R1
LAP2:
MOV P1,R1
DEC R1
ACALL DELAY
CJNE R1,#0Fh,LAP2
MOV R1,#09h
LAP3:
MOV P1,R1
SETB Do1; TAT DEN DO
CLR Xanh1
DEC R1
ACALL DELAY
CJNE R1,#00h,LAP3
MOV R1,#25h
LAP4:
MOV P1,R1
CLR Xanh1; DEN XANH SANG
DEC R1
ACALL DELAY
CJNE R1,#01Fh,LAP4
MOV R1,#19h
16
Thiết kế hệ thống đèn giao thông ứng dụng vi điều khiển 8051
LAP5:

MOV P1,R1
DEC R1
ACALL DELAY
CJNE R1,#0Fh,LAP5
MOV R1,#09h
LAP6:
MOV P1,R1
DEC R1
ACALL DELAY
CJNE R1,#00Fh,LAP6
MOV R1,#04h
LAP7:
MOV P1,R1
SETB Xanh1
CLR Vang1
DEC R1
ACALL DELAY
CJNE R1,#00Fh,LAP7
MOV R1,#29h
LJMP MAIN
DELAY:
PUSH 00H
MOV TMOD,#01H
MOV R0,#100
AAA:
MOV TH0,#HIGH(-10000)
MOV TL0,#LOW(-10000)
SETB TR0
JNB TF0,$
CLR TF0

CLR TR0
17
Thiết kế hệ thống đèn giao thông ứng dụng vi điều khiển 8051
DJNZ R0,AAA
POP 00H
RET
END
Kết Luận
Hệ thống đèn điều khiển giao thông hiện nay đã góp phần hết sức quan
trọng trong việc tham gia giao thông an toàn của mọi người dân. Và ở những
thành phố lớn, tại những nút giao thông trọng điểm không chỉ là sự giao nhau
của hai làn đường mà là rất nhiều làn đương khác nhau cùng với lượng lưu
thông càng lớn. Chính vì thế ngoài hệ thống đèn điều khiển chính còn có thêm
các hệ thống phân làn đường khác.
Trong quá trình làm bài và thiết kế hệ thống, kết quả vẫn chưa được hoàn
thiện và cần được bổ sung thêm. Nhóm chúng em mong được sự góp ý của
thầy giáo cùng các bạn để tất cả sẽ có được một sản phẩm hoàn hảo. Em xin
chân thành cảm ơn!!!
18