Thiết kế và mô phỏng hệ thống điều khiển đèn giao thông cho ngã tư

Hiện nay sự tiến bộ khoa học kĩ thuật trên thế giới diễn ra nhanh chóng, với sự ra đời của hàng loạt những sản phẩm mới ứng dụng những tiến bộ ở những nước phát triển.

Bộ môn kỹ thuật máy tính Đồ án môn học Hệ thống nhúngNhận xét của giáo viên hướng dẫn Thái Nguyên, ngày tháng 5 năm 2011.Giáo viên hướng dẫn(Ký ghi rõ họ tên)Nhận xét của giáo viên chấm Thái Nguyên, ngày tháng 5 năm 2011Giáo viên hướng dẫn(Ký ghi rõ họ tên)GVHD Th.S. Nguyễn Văn Huy Trang 1 Bộ môn kỹ thuật máy tính Đồ án môn học Hệ thống nhúngMục lụcMục lục 2Lời nói đầu 4Chương 1 . Phân tích hệ thống 51.1 Tổng quan về hệ thống đèn giao thông 51.1.1. Mạch dùng IC số. .51.1.2. Vi mạch dùng kỹ thuật vi xử lí. 61.1.3.Điều khiển bằng vi điều khiển .61.1.4. Điều khiển bằng PLC 61.2 Xác định bài toán 81.2.1 Xác định bài toán .81.2.2 Yêu cầu của bài toán thiết kế hệ thống điều khiển đèn giao thông 81.2.3 Giải pháp công nghệ .101.2.4 Giải pháp thiết kế .111.2.5 Yêu cầu và giới hạn của hệ thống điều khiền đèn giao thông dùng vi điều khiển 11Chương 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG 122.1 Sơ đồ khối tổng quan của hệ thống .12 122.2 Giản đồ thời gian 132.3 Sơ đồ nguyên lý 142.3.1 Giải thích các khối .142.3.1.1. Bàn phím 142.3.1.2. Khối hiển thị .152.3.1.3 Khối điều khiển trung tâm .162.3.1.3.1 Khối reset .162.3.1.3.2 Khối tạo xung giao động 172.3.1.3.3 Khối vi điều khiển 172.3.1.4 Khối nguồn 182.3.2 Nguyên lý hoạt động 182.4 Sơ đồ thuật toán điều khiển hệ thống đèn giao thông 192.4.1. Chương trình chính .19GVHD Th.S. Nguyễn Văn Huy Trang 2 Bộ môn kỹ thuật máy tính Đồ án môn học Hệ thống nhúng2.4.2.Chương trình ngắt 212.4.3. Chương trình led7 222.4.4 Chương trình hiển thị .232.4.5 Chương trình set (hiển thị thời gian cài đặt cho hệ thống) .232.5 Lựa chọn linh kiện 242.5.1 Bộ điều khiển 8 bit Pic 16F877A .242.5.1.1.Tổng quan về pic .242.5.1.2 Giới thiệu về PIC 16F877A 252.5.1.2.1.Sơ đồ chân 252.5.1.2.2. Các thông số của PIC 16F877A 252.5.1.2.3. Cổng xuất nhập (I/O port) .262.5.1.2.4. Timer .282.5.2 LED 7 đoạn 332.5.3 Diot phát quang (LED) .342.5.5 Điện trở .352.5.6 Tụ điện 352.5.7 Thạch anh . .352.5.8 Nút bấm (Button): 352.5.9 IC ổn áp 7805 .36Chương 3. Xây dựng hệ thống 363.1 Chương trình điều khiển .363.2. Sơ đồ mạch in (layout) 393.2.2. Mạch bàn phím 40Chương 4 Mạch chạy mô phỏng .40Kết luận .41Tài liệu tham khảo: 42GVHD Th.S. Nguyễn Văn Huy Trang 3 Bộ môn kỹ thuật máy tính Đồ án môn học Hệ thống nhúngLời nói đầuNgày nay cùng với sự phát triển đi lên của xã hội, các phương tiện tham gia giao thông cũng gia tăng không ngừngvà hệ thống giao thông ngày càng phức tạp .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. Nhận thấy đây là vấn đề rất sát thực, với những kiến thức đã được trang bị trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp chúng em đã lựa chọn đề tài:”Thiết kế và mô phỏng hệ thống điều khiển đèn giao thông cho ngã tư ”.Trong quá trình thực hiện đồ án chúng em đã nhận được sự chỉ bảo, hướng dẫn tận tình của các thầy cô trong khoa đặc biệt đó là sự chỉ bảo của thầy ThS.Nguyễn Văn Huy. Chúng em xin trân thành cảm ơn sự chỉ bảo của các thầy cô!Trong khi thực hiện đồ án do kiến thức còn hạn chế cũng như chúng em chưa có nhiều điều kiện để đi khảo sát thực tế, với một khoảng thời gian ngắn thực hiện, do vậy mà đồ án của chúng em còn nhiều thiếu sót mong các thầy cô đóng góp và bổ xung ý kiến đề đồ án của chúng em đươc hoàn thiện hơn! Chúng em xin chân thành cảm ơn!Ngày 25 tháng 5 năm 2011. Nhóm sinh viên thưc hiện: Trần Danh Long.Phạm Quang Luận.Nguyễn Tuấn Ninh.GVHD Th.S. Nguyễn Văn Huy Trang 4 Bộ môn kỹ thuật máy tính Đồ án môn học Hệ thống nhúngChương 1 . Phân tích hệ thống.1.1 Tổng quan về hệ thống đèn giao thông.Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, xã hội ngày càng văn minh và hiện đại, sự phát triển ở đô thị ngày một đi lên. Nhu cầu về giao thông ngày càng trở nên cấp thiết, nhất là trong các khu vực thành thị. Do nhu cầu của đời sống con người, đặc biệt là nhu cầu đi lại, các loại phương tiện giao thông đã tăng một cách chóng mặt. Riêng tại Việt Nam số lượng xe máy trong những năm qua tăng một cách đột biến, mật độ xe lưu thông trên đường ngày một nhiều, trong khi đó hệ thống đường xá tại Việt Nam còn quá nhiều hạn chế nên thường gây ra các hiện tượng như kẹt xe, ách tắc giao thông, đặc biệt là tai nạn giao thông ngày càng phổ biến trở thành mối hiểm họa cho nhiều người.Vì lý do đó các luật giao thông lần lượt ra đời và được đưa vào sử dụng một cách lặng lẽ rồi dần trở nên phổ biến như hiện nay. Trong đó hệ thống đèn giao thông là công cụ điều khiển giao thông công cộng thực tế và hiệu quả có vai trò rất lớn trong việc đảm bảo an toàn và giảm thiểu tai nạn giao thông.1.1.1. 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 kết nối lại không thực hiện được. GVHD Th.S. Nguyễn Văn Huy Trang 5 Bộ môn kỹ thuật máy tính Đồ án môn học Hệ thống nhúng1.1.2. 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.1.1.3.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.1.1.4. 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.GVHD Th.S. Nguyễn Văn Huy Trang 6 Bộ môn kỹ thuật máy tính Đồ án môn học Hệ thống nhúng- 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. Ví dụ hệ thống đèn giao thông hiện nay ở Thái Nguyên.(đèn đỏ tại ngã tư đường Minh Cầu giao nhau với đường Hoàng Văn Thụ).Hình 1.1. Khảo sát sơ bộ tại ngã tư đường Minh Cầu. Hệ thống đèn giao thông tại ngã tư này gồm :- Có 4 cột đèn.- Thời gian sáng của các đèn Tđỏ = 28 giây,Tvàng = 3 giây, Txanh = 25 giây.- Hiển thị thời gian đếm ngược bằng led ma trận.- Gồm 3 đèn tín hiệu Xanh, Đỏ ,Vàng .- Chỉ hoạt động ở một chế độ. - Không có chế độ phân làn xe ở các thời điểm.Với các phương pháp đã nêu ở trên ở đây chúng 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. GVHD Th.S. Nguyễn Văn Huy Trang 7 Bộ môn kỹ thuật máy tính Đồ án môn học Hệ thống nhúng1.2 Xác định bài toán.1.2.1 Xác định bài toán. Thiết kế hệ thống điều khiển đèn giao thông tại ngã tư dùng vi điều khiển gồm:- 4 cột đèn, có đèn tín hiệu phân luồng rẽ trái trước.- Hiển thị thời gian đếm lùi trên led 7 thanh ở vị trí lưng trừng cột và trên đỉnh của cột đèn.1.2.2 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.GVHD Th.S. Nguyễn Văn Huy Trang 8 Bộ môn kỹ thuật máy tính Đồ án môn học Hệ thống nhúngGiả sử có một ngã tư như hình vẽ: Hình 1.3. Sơ đồ mô phỏng hoạt động của 1 hệ thống đèn giao thông- Có chu kỳ đèn tín hiệu T= TĐỏ + TXanh + TVàng- Trong đó :+ TĐỏ : Là thời gian đèn đỏ sáng.+ TXanh : Là thời gian đèn xanh sáng.+ TVàng : Là thời gian đèn vàng sáng.+ TĐỏ = TXanh + TVàng. Xét tại thời điểm xét bài toán thì: - TH 1: Đèn 1 xanh sáng, đèn 2 đỏ sáng.Khi đó hệ thống sẽ cho phép các hướng sau đi:* B1 A1 D2 A2D1 B2 C2 C2- Nếu như không có phân làn, ưu tiên hướng đi thì dễ gây ra tai nạn, ùn tắc tại các điểm giao cắt (E, F) như trên hình vẽ. GVHD Th.S. Nguyễn Văn Huy Trang 9 Bộ môn kỹ thuật máy tính Đồ án môn học Hệ thống nhúng Từ thực tế đó ta thiết kế hệ thống có thêm chỉ dẫn phân làn ưu tiên cho các hướng như sau: B1 đến C2 và D2 đến A1.Hình 1.2. Mô phỏng hệ thống định thiết kế- TH 2: đèn 1 vàng sáng và đèn 2 đỏ sáng thì để cảnh báo chuyển sang TH 3.- TH 3: đèn 1 đỏ sáng và đèn 2 xanh sáng thì ta thiết kế tương tự như TH trên.1.2.3 Giải pháp công nghệ.- Mạch điều khiển dùng vi điều khiển.- Hiện thị thời gian dùng led 7 đoạn.- Đèn báo hướng ưu tiên dùng đèn led đơn.- Các đèn báo dùng led đơn.- Bàn phím để reset và đặt thời gian cho hệ thống (thời gian 1 chu kỳ đèn).GVHD Th.S. Nguyễn Văn Huy Trang 10 [...]... máy tính Đồ án mơn học Hệ thống nhúng 1.2 Xác định bài toán. 1.2.1 Xác định bài tốn. Thiết kế hệ thống điều khiển đèn giao thơng tại ngã tư dùng vi điều khiển gồm: - 4 cột đèn, có đèn tín hiệu phân luồng rẽ trái trước. - Hiển thị thời gian đếm lùi trên led 7 thanh ở vị trí lưng trừng cột và trên đỉnh của cột đèn. 1.2.2 Yêu cầu của bài toán thiết kế hệ thống điều khiển đèn giao thơng. Trước tình... 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 thơng ngày càng gia tăng. Vì vậy để đảm bảo giao thơng được an tồn và thơng 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 thơng... nhưng việc áp dụng trong các hệ thống nhỏ là khơng thích hợp bởi giá thành rất cao. Ví dụ hệ thống đèn giao thơng hiện nay ở Thái Nguyên. (đèn đỏ tại ngã tư đường Minh Cầu giao nhau với đường Hồng Văn Thụ). Hình 1.1. Khảo sát sơ bộ tại ngã tư đường Minh Cầu. Hệ thống đèn giao thông tại ngã tư này gồm : - Có 4 cột đèn. - Thời gian sáng của các đèn T đỏ = 28 giây,T vàng = 3 giây, T xanh = 25 giây. -... học Hệ thống nhúng Kết luận Sau một thời gian nỗ lực không ngừng trong học tập cũng như được sự nhiệt tình chỉ bảo của thầy Th.S.Nguyễn Văn Huy cũng như các thầy giáo bộ mơn, nhóm chúng em đã hồn thành được đề tài: Thiết kế và mô phỏng hệ thống điều khiển đèn giao thông cho ngã tư ”. Trong quá trình thực hiện đề tài em đã đúc kết được rất nhiều kinh nghiệm quý báu cho bản thân để phục vụ cho. .. quan sát cho người đi đường. - Chi phí nhỏ, tiết kiệm năng lượng. GVHD Th.S. Nguyễn Văn Huy Trang 8 Bộ mơn kỹ thuật máy tính Đồ án mơn học Hệ thống nhúng Chương 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2.1 Sơ đồ khối tổng quan của hệ thống Hình 2.1: Sơ đồ khối tổng quan của hệ thống Trong đó: - Khối nguồn: + Nguồn 1 chiều điện áp 5V cấp cho vi điều khiển, led hiển thị. - Khối điều khiển trung tâm: + Vi điều khiển trung... được hê thống cảnh báo và điều khiển giao thông. Hướng phát triển - Mỗi chốt giao thông được lắp thêm cảm biến tốc độ, cảm biến cơ để tính được mật độ giao thông và tốc độ của các phương tiện giao thông, GVHD Th.S. Nguyễn Văn Huy Trang 41 Bộ mơn kỹ thuật máy tính Đồ án mơn học Hệ thống nhúng - Hướng dẫn người sử dụng đơn giản. - Thời gian hồn thành một chu trình điều khiển rất nhanh (vài ms).... thuật máy tính Đồ án mơn học Hệ thống nhúng Lời nói đầu Ngày nay cùng với sự phát triển đi lên của xã hội, các phương tiện tham gia giao thông cũng gia tăng không ngừngvà hệ thống giao thơng ngày càng phức tạp .Vì vậy để đảm bảo giao thơng được an tồn và thơng 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. Nhận thấy đây là vấn... dụng mạch này vào thực tế một cách dễ dàng và thay đổi được thời gian hoạt đông của các đèn để phù hợp hơn với tình hình giao thơng của tưng nơi - Các chức năng điều khiển bằng tay hoạt động được. - Việc thiết kế mạch đơn giản và tốn ít chi phí.  Khuyết điểm - Mạch thiết kế chưa tối ưu. - Chưa chính xác so với thời gian thực Với những kết quả đạt được như trên, hệ thống rất hữu ích cho các bạn sinh... thông là rất cần thiết. Nhận thấy đây là vấn đề rất sát thực, với những kiến thức đã được trang bị trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp chúng em đã lựa chọn đề tài: Thiết kế và mô phỏng hệ thống điều khiển đèn giao thông cho ngã tư ”. Trong quá trình thực hiện đồ án chúng em đã nhận được sự chỉ bảo, hướng dẫn tận tình của các thầy cơ trong khoa đặc biệt... các chốt giao thơng được kết nối về một trạm trung tâm thông qua mạng Internet, WiFi hoặc Wimax. Xây dựng hệ thống cơ sở dữ liệu và điều khiển trung tâm từ máy tính để có thể kết nối các điểm giao thơng với nhau để cập nhật dữ liệu đưa ra các quyết định xử lý từ trung tâm. - Áp dụng thời gian thực vào hệ thống để có thể phát triển hệ thống đưa ra các giờ; Cao điểm, thấp điểm, bình thường và các chiến . tập và nghiên cứu tại trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp chúng em đã lựa chọn đề tài: Thiết kế và mô phỏng hệ thống điều khiển đèn giao thông cho ngã tư. Bộ môn kỹ thuật máy tính Đồ án môn học Hệ thống nhúng1.2 Xác định bài toán.1.2.1 Xác định bài toán. Thiết kế hệ thống điều khiển đèn giao thông tại ngã