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

LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây trên thế giới cùng với sự phát triển mạnh mẽ của
ngành công nghiệp chế tạo linh kiện bán dẫn và vi mạch tổng hợp, một hƣớng phát
triển mới của các vi xử lý đã hình thành đó là các vi điều khiển. Với nhiều ƣu điểm,
vi điều khiển đã đƣợc sử dụng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực khác nhau. Bằng cách áp
dụng vi điều khiển vào trong quá trình sản xuất và xử lý, vi điều khiển đã thực sự
thể hiện đƣợc ƣu thế của mình so với các thiết bị điều khiển thông thƣờng.
Với thời đại phát triển nhƣ ngày nay thì vấn đề giao thơng ngày càng đƣợc trú
trọng. Các phƣơng tiện tham gia giao thông cũng gia tăng không ngừng và hệ thống
giao thơng ngày càng phức tạp. Vì vậy để đảm bảo đƣợc sự an toàn khi tham gia
giao thơng thì việc sử dụng các hệ thống tín hiệu để điều khiển và phân luồng tại
các nút giao thông là rất cần thiết. Qua thực tế chúng em nhận thấy vấn đề này là rất
sát thực. Hơn nữa là chúng em đã đƣợc trang bị những kiến thức trong quá trình
nghiên cứu và học tập tại trƣờng chúng em đã chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế bộ
điều khiển hệ thống đèn giao thông tại ngã tƣ”.
Qua đề tài này, đã giúp chúng em có đƣợc hình dung thực tế vi xử lý đƣợc áp
dụng nhƣ thế nào trong cuộc sống hiện đại, cụ thể chính là hệ thống đèn giao thông
dùng vi điều khiển AT89S52. Đồ án gồm 3 chƣơng:
Chƣơng I: Tổng quan về hệ thống điều khiển đèn giao thông
Chƣơng II: Phƣơng án lựa chọn thiết bị và phƣơng pháp điều khiển
Chƣơng III: Thiết kế hệ thống điều khiển đèn giao thông sử dụng bộ vi điều khiển
Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, chỉ bảo tận tình của cơ Đinh Hải Lĩnh và
thầy Nguyễn Thành Trung trong suốt thời gian em thực hiện đề tài này.
Hà Nội, ngày 13 tháng 5 năm 2017
Sinh viên thực hiện đề tài

Nguyễn Văn Quang


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU...................................................................................................................... 1

MỤC LỤC ............................................................................................................................ 1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐÈN GIAO THÔNG ... 1
1.1 Khái niệm đèn giao thông ............................................................................................. 1
1.2 Yêu cầu và mục đích của hệ thống điều khiển đèn giao thông .................................. 2
1.3 Tổng quan hệ thống đèn giao thông .............................................................................. 3
1.3.1 Một số hệ thống điều khiển đèn giao thông và nguyên lý hoạt động ...................... 3
1.3.2LED 7 thanh và LED đơn ............................................................................................ 6
1.3.3 Tổng quan về vi điều khiển ........................................................................................ 8
1.4 Giới thiệu chung về một số phần mềm điều khiển ....................................................10
CHƢƠNG 2. 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 bằng vi điều khiển..................................................................................14
2.1.3 Điều khiển bằng PLC ................................................................................................15
2.2 Lựa chọn thiết bị ...........................................................................................................17
2.2.1 Chức năng của các chân tín hiệu ..............................................................................17
2.2.2 Các thanh ghi chức năng đặc biệt.............................................................................19
CHƢƠNG 3.THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐÈN GIAO THÔNG TẠI NGÃ
TƢ SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN .....................................................................................29
3.1 Cách thức hoạt động của đèn giao thông ...................................................................29
3.2 Thiết kế phần cứng ......................................................................................................30
3.2.1Phƣơng án thiết kế......................................................................................................30
3.2.2Các linh kiện chính sử dụng chủ yếu trong mạch ....................................................30
3.2.3Sơ đồ khối hệ thống ...................................................................................................32
3.3 Sơ đồ nguyên lý của mạch đèn giao thông ................................................................38
3.4 Thiết kế chƣơng trình điều khiển ...............................................................................40
3.4.1Lƣu đồ thuật tốn của hệ thống .................................................................................40
3.4.2Chƣơng trình điều khiển hệ thống đèn giao thơng...................................................42
3.4.3Kết quả nhận đƣợc khi thiết kế và chạy chƣơng trình .............................................46

KẾT LUẬN ........................................................................................................................47
TÀI LIỆU THAM KHẢO


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 Chức năng của các chân của Port 3 ...................................................................18
Bảng 2.2 Chức năng các thanh ghi đặc biệt ......................................................................19
Bảng 2.3 Bảng chọn băng thanh ghi .................................................................................22
Bảng 2.4 Chi tiết các bit của thanh ghi IE.........................................................................23
Bảng 2.5 Chức năng các bit địa chỉ của thanh ghi TCON ...............................................24
Bảng 2.6 Các chế độ của bit M1 và M0 ............................................................................26
Bảng 2.7 Chức năng các bit địa chỉ của thanh ghi SCON ...............................................27
Bảng 2.8 Các kiểu Mode của bit SM0, SM1 ....................................................................27
Bảng 3.1 Mã hiển thị LED 7 thanh loại Anode chung .....................................................36
Bảng 3.2 Mức điện áp của các loại LED đơn ...................................................................37


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Đèn giao thơng dành cho phƣơng tiện................................................................. 1
Hình 1.2 Đèn giao thơng cho ngƣời đi bộ........................................................................... 2
Hình 1.3 Giản đồ thời gian hoạt động cho ngƣời đi bộ...................................................... 3
Hình 1.4 Giản đồ thời gian hoạt động của phƣơng tiện ..................................................... 3
Hình 1.5 Mơ hình đèn giao thơng tại ngã tƣ ....................................................................... 4
Hình 1.6 Giản đồ thời gian hoạt động của đèn giao thông tại ngã tƣ ................................ 5
Hình 1.7 Mơ hình đèn giao thơng cho ngã ba .................................................................... 5
Hình 1.8 Giản đồ thời gian hoạt động của đèn giao thơng tại ngã ba ............................... 6
Hình 1.9 Phân loại LED 7 thanh ......................................................................................... 7
Hình 1.10 Cấu trúc bên trong LED 7 thanh ........................................................................ 8
Hình 2.1 Module trễ thời gian dùng IC 555......................................................................13
Hình 2.2 Mạch đếm sản phẩm dùng IC 7490 và 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 của CHIP AT89S52...........................................................17
Hình 2.7 Chức năng các bit địa chỉ của thanh ghi IP .......................................................24
Hình 3.1 Mơ hình đèn giao thơng tại ngã tƣ .....................................................................29
Hình 3.2 CHIP AT89S52 thực tế ......................................................................................30
Hình 3.3 LED 7 thanh thực tế ............................................................................................31
Hình 3.4 LED đơn ..............................................................................................................31
Hình 3.5 Transisor A1015..................................................................................................31
Hình 3.6 Nút nhấn điểu khiển loại 4 chân ........................................................................31
Hình 3.7 Hình dạng điện trở thanh ....................................................................................32
Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý của khối vi xử lý .....................................................................33
Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý khối RESET ...........................................................................33
Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý của khối thạch anh ................................................................34
Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn trên mạch...........................................................34
Hình 3.12 Hình ảnh thực tế và các chân tín hiệu của LM7805 .......................................34
Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lý khối KEYBOARD trên mạch ...............................................35
Hình 3.14 Sơ đồ nguyên lý của LED 7 thanh trên mạch .................................................35


Hình 3.15 Sơ đồ nguyên lý các LED đơn .........................................................................37
Hình 3.16 Sơ đồ nguyên lý mạch đèn giao thông trên Altium ........................................38
Hình 3.17 Sơ đồ mạch in hệ thống điều khiển đèn giao thơng........................................39
Hình 3.18 Sơ đồ 3D của hệ thống trên phần mềm ...........................................................39
Hình 3.19 Sơ đồ nguyên lý hệ thống trên phần mềm Proteus .........................................40
Hình 3.20 Sơ đồ giải thuật chƣơng trình chính ................................................................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 về sản phẩm của hệ thống đèn giao thông ...............................46

CHƢƠNG 1
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 là đèn tín hiệu giao thơng, đèn điều
khiển giao thông, hay đèn xanh đèn đỏ) là một thiết bị đƣợc dùng để điều khiển giao
thông ở những giao lộ có lƣợng phƣơng tiện lƣu thơng lớn (thƣờng là ngã ba, ngã tƣ
đông xe qua lại). Đây là một thiết bị quan trọng khơng những an tồn cho các
phƣơng tiện mà cịn giúp giảm ùn tắc giao thơng vào giờ cao điểm. Nó đƣợc lắp đặt
ở tâm giao lộ hoặc trên vỉa hè. Đèn tín hiệu giao thơng có thể hoạt động tự động hay
cảnh sát giao thơng điều khiển.
Thực tế hiện nay hệ thồng đèn giao thông sử dụng chủ yếu các loại đèn nhƣ:
-

Đèn loại 3 màu (dành cho xe cộ): Loại đèn này có 3 kiểu màu là: màu xanh,

màu vàng và màu đỏ. Trong đó
+ Đèn xanh: tất cả phƣơng tiện đƣợc đi.
+ Đèn vàng: dấu hiệu của sự thay đổi tín hiệu từ đèn xanh sang đèn đỏ.
+ Đèn đỏ: tất cả phƣơng tiện đang lƣu thông phải dừng trƣớc vạch dừng.
Loại đèn này lắp theo thứ tự: Nếu lắp chiều dọc thì đèn đỏ ở trên, vàng ở giữa,
xanh ở dƣới. Nếu lắp chiều ngang thì theo thứ tự đỏ ở bên trái, vàng ở giữa, xanh ở
bên phải hay ngƣợc lại

Hình 1.1 Đèn giao thông dành cho phương tiện
- Đèn loại 2 màu (cho ngƣời đi bộ)
+ Đèn xanh: đƣợc phép sang đƣờng.
1

+ Đèn đỏ: Không đƣợc sang đƣờng.
Loại đèn này lắp theo thứ tự: Nếu lắp chiều dọc thì đèn đỏ ở trên, đèn xanh ở
dƣới. Nếu lắp chiều ngang thì đèn đỏ ở bên trái, đèn xanh ở bên phải hoặc ngƣợc
lại. Loại này đôi khi đƣợc lắp kèm với đèn đếm lùi để ngƣời đi bộ có khả năng ƣớc
lƣợng thời gian sang đƣờng là bao lâu

Hình 1.2 Đèn giao thông cho người đi bộ
- Đèn đếm lùi: Đèn đếm lùi là loại đèn lắp đặt bổ sung bên cạnh đèn tín hiệu
chính. Đèn đếm lùi đƣợc hiển thị bằng một con số đếm ngƣợc với những màu sắc
khác nhau. Khi đèn đếm đến "0" là lập tức chuyển màu đèn chính.
Nhƣ vậy các loại đèn đƣợc chọn để làm mô phỏng cho đề tài là các loại đèn
LED đơn (dành cho phƣơng tiện và ngƣời đi bộ) và LED 7 thanh (hiển thị thời gian
sáng của các LED đơn).
1.2 Yêu cầu và mục đích của hệ thống điều khiển đèn giao thơng
Trƣớc tình hình phƣơng tiện tham gia giao thông hiện nay ngày càng gia tăng
không ngừng và hệ thống giao thơng ngày càng phức tạp. Chính lý do này đã dẫn
đến tình trạng ùn tắc và tai nạn giao thơng ngày càng tăng. Vì vậy để đảm bảo giao
thơng đƣợc an tồn và thơng suốt thì việc sử dụng các tín hiệu để điều khiển và
phân luồng tại các nút giao thông là rất cần thiết. Với tầm quan trọng nhƣ vậy hệ
thống điều khiển đèn giao thông cần đảm bảo những yêu cầu sau :
- Đảm bảo q trình hoạt động một cách chính xác và liên tục.
- Độ tin cậy cao.
- Đảm bảo làm việc ổn định và lâu dài.

2


1.3 Tổng quan hệ thống đèn giao thông
- Hệ thống điều khiển đèn giao thông bao gồm:

- Hệ thống đèn: gồm các LED đơn và LED 7 thanh
- Hệ thống điều khiển đèn: Thực tế hiện nay để điều khiển đèn giao thông ngƣời
ta dùng phƣơng pháp PLC (Programmable Logic Controller) bời vì những khả năng
ƣu việt của nó nhƣ: Tốc độ xử lý cao, công suất tiêu thụ thấp, có khả năng tự chuẩn
đốn lỗi, độ tin cậy cao.
Do giới hạn là đề tài sử dụng các loại đèn LED để làm mô phỏng nên tác giả
đã lựa chọn phƣơng pháp điều khiển bằng vi điều khiển sử dụng CHIP AT89S52.
Dƣới đây là một số hệ thống điều khiển đèn giao thông phổ biến hiện nay.
1.3.1 Một số hệ thống điều khiển đèn giao thông và nguyên lý hoạt động
a. Hệ thống điều khiển đèn giao thông ưu tiên cho người đi bộ
Nguyên lý hoạt động:
- Ở trạng thái bình thƣờng đèn báo trên tuyến đƣờng ơ tơ ln ở trạng thái xanh.
- Khi ngƣời đi bộ muốn qua đƣờng, ngƣời đi bộ phải nhấn vào nút nhấn nằm trên cột
đèn dành cho ngƣời đi bộ.
- Sau khi nhấn nút xin đƣờng, hệ thống đèn báo trên tuyến đƣờng đƣợc mơ tả
bằng giản đồ thời gian nhƣ sau :

Hình 1.3 Giản đồ thời gian hoạt động cho người đi bộ

Hình 1.4 Giản đồ thời gian hoạt động của phương tiện
3


b. Hệ thống điều khiển đèn giao thông cho ngã tư

A

B

D

C

Hình 1.5 Mơ hình đèn giao thơng tại ngã tư
Ngun lý hoạt động:
Xét ở chế độ ban ngày tại thời điểm ban đầu đèn xanh tại vị trí A,C sáng cho
phép các phƣơng tiện và ngƣời đi bộ đi theo chiều từ A sang C và ngƣợc lại đồng
thời lúc này đèn đỏ tại các vị trí B,D sáng khơng cho các phƣơng tiện lƣu đi theo
chiều từ B sang D và ngƣợc lại.
Sau một khoảng thời gian đèn xanh tại vị trí A,C và đèn đỏ tại B và D tắt đồng
thời đèn vàng tại các vị trí sáng và đèn đỏ tại vị trí dành cho ngƣời đi bộ nhấp nháy
sau một khoảng thời gian đèn vàng tắt đèn vàng tại vị trí A và C sáng đèn xanh tại
vị trí B và D sáng lúc này xanh cho ngƣời đi bộ tại A và C sang, đỏ cho ngƣời đi bộ
tại B và D sáng. Sau khi đỏ tại B và D sáng. Sau khi đỏ tại A và D và xanh tại B và
D tắt đèn vàng lại sáng.
Cịn ở chế độ ban đêm chỉ có đèn vàng sáng, hoạt động theo kiểu nhấp nháy
theo thời gian nhất định
Giản đồ thời gian đƣợc mô tả nhƣ sau.

4


Xanh
A, C

25S
7S

25S 7S
t

Vàng 0
A ,C

5S
2S

Đỏ 0
A, C
0
Đỏ
B, D
Xanh
B ,D

t

9S
30S

30S
9S

30S
9S

t
t

0

25S
7S
t

Vàng 0
B,D
0
Đỏ
đi bộ A , C
0
Xanh
đi bộ A , C
0
Đỏ
đi bộ B ,D
0
Xanh
®i bé B , D
0

5S2S
t

30S

30S9S
t

30S

t

30S
t

30S

30S

t

Hình 1.6 Giản đồ thời gian hoạt động của đèn giao thông tại ngã tư
c. Hệ thống điều khiển đèn giao thơng cho ngã ba

A

B
C

Hình 1.7 Mơ hình đèn giao thơng cho ngã ba

5


Nguyên lý hoạt động:
Giả sử xét chế độ ban ngày tại thời điểm ban đầu đèn xanh tại vị trí A và B
đang sáng cho phép các phƣơng tiện đi thẳng từ A và B theo C. Đồng thời lúc này
đèn đỏ tại các vị trí C sáng khơng cho phép xe lƣu thông theo chiều từ C sang
đƣờng A và B. Sau khoảng thời đèn đỏ tại A và B sáng, không cho phép phƣơng
tiện đi thẳng từ A và B, đồng thời đèn xanh tại vị trí C sáng cho phép phƣơng tiện đi

vào C và đi từ C sang đƣờng A và B. Trong quá trình chuyển từ đèn xanh sang đỏ
và ngƣợc lại thì đèn vàng sáng một khoảng thời gian. Ở chế độ ban đêm chỉ có đèn
vàng nhấp nháy.
Ta có thời gian mơ tả hoạt động của hệ thống nhƣ sau.

Hình 1.8 Giản đồ thời gian hoạt động của đèn giao thông tại ngã ba
1.3.2 LED 7 thanh và LED đơn
Trong các thiết bị, để báo trạng thái hoạt động của thiết bị đó cho ngƣời sử
dụng với thông số chỉ là các dãy số đơn thuần, thƣờng ngƣời ta sử dụng "LED 7
thanh". LED 7 thanh đƣợc sử dụng khi các dãy số khơng địi hỏi q phức tạp, chỉ
cần hiện thị số là đủ, chẳng hạn LED 7 thanh đƣợc dùng để hiển thị nhiệt độ phòng,
trong các đồng hồ treo tƣờng bằng điện tử, hiển thị số lƣợng sản phẩm đƣợc kiểm
tra sau một cơng đoạn nào đó...
LED 7 thanh có cấu tạo bao gồm 7 LED đơn có dạng thanh xếp theo hình và
có thêm một LED đơn hình trịn nhỏ thể hiện dấu chấm trịn ở góc dƣới, bên phải
của LED 7 thanh. 8 LED đơn trên LED 7 thanh có Anode(cực +) hoặc Cathode(cực
6


-) đƣợc nối chung với nhau vào một điểm, đƣợc đƣa chân ra ngoài để kết nối với
mạch điện. 8 cực còn lại trên mỗi LED đơn đƣợc đƣa thành 8 chân riêng, cũng đƣợc
đƣa ra ngoài để kết nối với mạch điện.
LED 7 thanh thƣờng có 2 loại:
 Anode (cực +) chung: đầu (+) chung này đƣợc 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.
 Cathode (cực -) chung: đầu( -) chung đƣợc 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.

Hình 1.9 Phân loại LED 7 thanh
Hiển thị LED 7 thanh hay LED 7 thanh là phần tử hiển thị thông dụng, để
hiển thị các phần tử số từ 0 đến 9 trong một số hệ thập phân. Nó gồm 7 thanh xếp
thành hình số 8, mỗi thanh là một diode ( LED ) phát quang hoặc hiển thị tinh thể
lỏng. Điode thƣòng đƣợc cấu tạo từ các chất Ga, As, P …nó cũng có tính chất chỉnh
lƣu nhƣ diode thƣờng. Nhƣng khi điện áp thuận đạt nên diode vƣợt quá mức
ngƣỡng Ung nào đó thì diode sáng. Điện áp ngƣỡng thay đổi từ 1,5 đến 5V tuỳ theo
từng loại có màu sắc khác nhau nhƣ:
 LED màu đỏ có điện áp ngƣỡng Ung = 1,6 đến 2V.
 LED màu cam có điện áp ngƣỡng Ung = 2,2 đến 3V.
 LED màu xanh lá cây có điện áp ngƣỡng Ung = 2,8 đến 3,2V.
 LED màu vàng có điện áp ngƣỡng Ung = 2,4 đến 3,2V.
 LED màu xanh ra trời có điện áp ngƣỡng Ung = 3 đến 5V.

7


 Dạng chỉ thị LED 7 thanh:

Hình 1.10 Cấu trúc bên trong LED 7 thanh
Vì LED 7 thanh 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 220Ω trƣớc các chân nhận tín hiệu điều
khiển.
Các điện trở 220Ω là các điện trở bên ngồi đƣợc kết nối để giới hạn dịng
điện qua LED nếu LED 7 thanh đƣợc nối với nguồn 5V.
Chân nhận tín hiệu “a” điều khiển LED “a” sáng tắt, ngõ vào “b” để điều
khiển LED “b”. Tƣơng tự với các chân và các LED còn lại.
1.3.3 Tổng quan về vi điều khiển
Bộ vi điều khiển viết tắt là Micro-controller, là mạch tích hợp trên một CHIP

có thể lập trình đƣợc, dùng để điều khiển hoạt động của một hệ thống. Theo các tập
lệnh của ngƣời lập trình, bộ vi điều khiển tiến hành đọc, lƣu trữ thông tin, xử lý
thơng tin, đo thời gian và tiến hành đóng mở một cơ cấu nào đó.
Trong các thiết bị điện, điện và điện tử dân dụng, các bộ vi điều khiển, điều
khiển hoạt động của TV, máy giặt, đầu đọc laser, điện thọai, lò vi-ba … Trong hệ
thống sản xuất tự động, bộ vi điều khiển đƣợc sử dụng trong Robot, dây chuyền tự
động. Các hệ thống càng “thông minh” thì vai trị của vi điều khiển càng quan trọng.

8


 Lịch sử phát triển của các loại vi điều khiển
Bộ vi điều khiển thực ra là một loại vi xử lí trong tập hợp các bộ vi xử lý nói
chung. Bộ vi điều khiển đƣợc phát triển từ bộ vi xử lí từ những năm 70 do sự phát
triển và hồn thiện về cơng nghệ vi điện tử dựa trên kỹ thuật MOS (Metal-OxideSemiconductor), mức độ tích hợp của các linh kiện bán dẫn trong một CHIP ngày
càng cao.
Năm 1971 xuất hiện bộ vi xử lí 4 bit loại TMS1000 do công ty Texas Instruments
vừa là nơi phát minh vừa là nhà sản xuất. Nhìn tổng thể thì bộ vi xử lí chỉ có chứa
trên một con CHIP, những chức năng cần thiết để xử lí chƣơng trình theo một trình
tự, cịn tất cả bộ phận phụ trợ khác cần thiết nhƣ: bộ nhớ dữ liệu, bộ nhớ chƣơng
trình , bộ chuển đổi AID, khối điều khiển, khối hiển thị, điều khiển máy in, khối
đồng hồ và lịch là những linh kiện nằm ở bên ngoài đƣợc nối vào bộ vi xử lí.
Mãi đến năm 1976 cơng ty INTEL (Interlligen-Elictronics). Mới cho ra đời bộ
vi điều khiển đơn CHIP đầu tiên trên thế giới với tên gọi 8048. Bên cạnh bộ xử lí
trung tâm 8048 cịn chứa bộ nhớ dữ liệu, bộ nhớ chƣơng trình, bộ đếm và phát thời
gian các cổng vào và ra Digital trên một CHIP.
Các công ty khác cũng lần lƣợc cho ra đời các bộ vi điều khiển 8 bit tƣơng tự
nhƣ 8048 và hình thành họ vi điều khiển MCS-48 (Microcontroller-system-48).
Đến năm 1980 công ty INTEL cho ra đời thế hệ thứ hai của bộ vi điều khiển
đơn CHIP với tên gọi 8051. Và sau đó hàng loạt các vi điều khiển cùng loại với

8051 ra đời và hình thành họ vi điều khiển MCS-51 .
Đến nay họ vi điều khiển 8 bit MCS51 đã có đến 250 thành viên và hầu hết
các công ty hàng dẫn hàng đầu thế giới chế tạo. Đứng đầu là công ty INTEL và rất
nhiều công ty khác nhƣ : AMD, SIEMENS, PHILIPS, DALLAS …
Ngồi ra cịn có các cơng ty khác cũng có những họ vi điều khiển riêng nhƣ:
Họ

68HCOS của công ty Motorola

Họ

ST62

của công ty SGS-THOMSON

Họ

H8

của công ty Hitachi

Họ

PIC

của công ty MicroCHIP

9

1.4 Giới thiệu chung về một số phần mềm điều khiển
Hệ thống điều khiển đèn giao thông sử dụng các phần mềm chính nhƣ :
- Phần mềm vẽ mạch: Altium Designer v15.0
- Phần mềm mô phỏng mạch: Proteus v8.5 Professional
- Phần mềm viết code lập trình: Keil C
a. Phần mềm vẽ mạch
Phần mềm Altium Designer

Altium ngày nay đang là một trong những phần mềm vẽ mạch điện tử mạnh và
đƣợc ƣa chuộng ở Việt Nam.Ngoài việc hỗ trợ tốt cho hoạt động vẽ mạch,Altium
còn hỗ trợ tốt trong việc quản lý mạch, xuất file thống kê linh kiện.
Altium Designer cung cấp một ứng dụng kết hợp tất cả công nghệ và chức
năng cần thiết cho việc phát triển sản phẩm điện tử hoàn chỉnh, nhƣ thiết kế hệ
thống ở mức bo mạch và FPGA, phát triển phần mềm nhúng cho FPGA và các bộ
xử lý rời rạc, bố trí mạch in (PCB)… Altium Designer thống nhất tồn bộ các q
trình lại và cho phép quản lý đƣợc mọi mặt quá trình phát triển hệ thống trong mơi
trƣờng tích hợp duy nhất. Khả năng đó kết hợp với khả năng quản lý dữ liệu thiết kế
hiện đại cho phép ngƣời sử dụng Altium Designer tạo ra nhiều hơn những sản phẩm
điện tử thơng minh, với chi phí sản phẩm thấp hơn và thời gian phát triển ngắn hơn.
Các điểm đặc trƣng của Altium Designer :
 Giao diện thiết kế, quản lý và chỉnh sửa thân thiện, dễ dàng biên dịch, quản lý
file, quản lý phiên bản cho các tài liệu thiết kế.
 Hỗ trợ mạnh mẽ cho việc thiết kế tự động, đi dây tự động theo thuật toán tối
ƣu, phân tích lắp ráp linh kiện.
10


 Hỗ trợ việc tìm các giải pháp thiết kế hoặc chỉnh sửa mạch, linh kiện, netlist
có sẵn từ trƣớc theo các tham số mới.
 Mở, xem và in các file thiết kế mạch dễ dàng với đầy đủ các thơng tin linh

kiện, netlist, dữ liệu bản vẽ, kích thƣớc, số lƣợng…
 Hệ thống các thƣ viện linh kiện phong phú, chi tiết và hoàn chỉnh bao gồm tất
cả các linh kiện nhúng, số, tƣơng tự…
 Đặt và sửa đối tƣợng trên các lớp cơ khí, định nghĩa các luật thiết kế, tùy
chỉnh các lớp mạch in, chuyển từ schematic sang PCB, đặt vị trí linh kiện trên PCB.
 Mơ phỏng mạch PCB 3D, đem lại hình ảnh mạch điện trung thực trong không
gian 3 chiều, hỗ trợ MCAD-ECAD, liên kết trực tiếp với mơ hình STEP, kiểm tra
khoảng cách cách điện, cấu hình cho cả 2D và 3D.
 Hỗ trợ thiết kế PCB sang FPGA và ngƣợc lại.
Có thể thấy rằng Altium Designer có nhiều điểm mạnh so với các phần mềm
khác nhƣ đặt luật thiết kế, quản lý dự án dễ dàng ,giao diện thân thiện ….
b. Phần mềm Keil C
Keil C - Trình biên dịch là phần mềm mà trên đó sẽ đƣợc viết các chƣơng
trình điều khiển để nạp xuống cho VĐK. Ta không thể viết chƣơng trình cho VĐK
trên word, excel ... mà mỗi một loại VĐK khác nhau lại phải dùng một phần mềm
chuyên dụng riêng để viết chƣơng trình cho nó.
Đối với dịng VĐK 8051 thì cũng có một vài trình biên dịch khác nhau, nhƣng
cơ bản nhất, phổ biến nhất là trình biên dịch KeilC. Từ phần mềm này ta có thể viết
chƣơng trình bằng cả 2 loại ngơn ngữ là C hoặc ASM .
Ở đây sẽ có một vài câu hỏi rằng tại sao lại phải viết trên các phần mềm
chuyên dụng này(?) Xin trả lời rằng vì VĐK khơng thể hiểu đƣợc các ngơn ngữ mà
chúng ta viết chƣơng trình, nó chỉ hiểu đƣợc các mã máy (mà do nhà sản xuất tạo
ra), phần mềm này có chức năng "phiên dịch" các dòng lệnh mà ta viết bằng C hoặc
ASM sang "ngôn ngữ mã máy"( tạo ra một file .hex) từ đó ta sẽ dùng mạch nạp để
nạp file .hex này cho VĐK.

11


c. Phần mềm mô phỏng (Proteus v8.4 Professional)

Proteus là phần mềm cho phép mô phỏng hoạt động của mạch điện tử bao gồm
phần thiết kế mạch và viết chƣơng trình điều khiển cho các họ vi điều khiển nhƣ
8051, PIC, AVR, … Proteus là phần mềm mô phỏng mạch điện tử của Lancenter
Electronics, mô phỏng cho hầu hết các linh kiện điện tử thông dụng, đặc biệt hỗ trợ
cho cả các MCU nhƣ PIC, 8051, AVR, Motorola.
Proteus là công cụ mô phỏng cho các loại vi điều khiển khá tốt, nó hỗ trợ các
dịng PIC, 8051, PIC, dsPIC, AVR, HC11, MSP430, ARM7/LPC2000 … các giao
tiếp I2C, SPI, CAN, USB, Ethenet,… ngịai ra cịn mơ phỏng các mạch số, mạch
tƣơng tự một cách hiệu quả.
Trong lĩnh vực giáo dục, Proteus có ƣu điểm là hình ảnh mạch điện đẹp, cho phép
ta tùy chọn đƣờng nét, màu sắc mạch điện, cũng nhƣ thiết kế theo các mạch mẫu.
Những khả năng khác của ISIS là:


Chạy trên nền Windows 98/Me/2k/XP/Win7/Win8/Win10



Tự động sắp xếp đƣờng mạch và vẽ điểm giao đƣờng mạch.



Chọn đối tƣợng và thiết lập thông số cho đối tƣợng dễ dàng



Xuất file thống kê linh kiện cho mạch



Xuất ra file Netlist tƣơng thích với các chƣơng trình làm mạch in thơng dụng.



Đối với ngƣời thiết kế mạch chuyên nghiệp, ISIS tích hợp nhiều công cụ giúp

cho việc quản lý mạch điện lớn, mạch điện có thể lên đến hàng ngàn linh kiện.


Thiết kế theo cấu trúc (hierachical design)



Khả năng tự động đánh số linh kiện.

Thêm nữa, chƣơng trình cung cấp cho chúng ta rất nhiều mơ hình linh kiện có
chức năng mơ phỏng, từ các vi điều khiển thông dụng đến các linh kiện ngoại vi
nhƣ LED, LCD, keypad, cổng RS232.
12


CHƢƠNG 2
PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ, PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
2.1 Các phƣơng án điều khiển
Để điều khiển đƣợc hệ thống đèn giao thơng chúng ta có nhiều cách khác nhau
nhƣ là: Dùng IC số, các bộ vi xử lý, vi điều khiển và các bộ điều khiển bằng PLC ...
2.1.1 Mạch dùng IC số
a. Ưu điểm
-

Thiết bị số dễ thiết kế.

-

Mạch số ít bị ảnh hƣởng bởi nhiễu, có khả năng tự lọc nhiễu,tự phát hện sai

và sửa sai.
-

Nhiều mạch số có thể đƣợc tích hợp trên một CHIP IC.

-

Tổn hao cơng suất bé, mạch có thể dùng pin hoặc acquy.

b. Nhược điểm
-

Khó khăn trong việc thay đổi chƣơng trình. Muốn thay đổi chƣơng trình nào

đó ta buộc phải thay đổi phần cứng.
-

Tốn kém về kinh tế

Ví dụ:
-

Module trễ thời gian dùng IC 555 (Hình 2.1)

-

Mạch đếm sản phẩm dùng IC 7490 và IC 7447 (Hình 2.2)

Hình 2.1 Module trễ thời gian dùng IC 555

13


Hình 2.2 Mạch đếm sản phẩm dùng IC 7490 và IC 7447
2.1.2 Điều khiển bằng vi điều khiển
a. Ưu điểm:
- 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 hơn.
- Giá thành rẻ.
- Mạch đơn giản, dễ thực hiện.
- Thay đổi linh hoạt bằng cách thay đổi phần mềm mà phần cứng không thay đổi.
- Thiết kế gọn nhẹ, độ tin cậy cao.
b. Nhược điểm
- Dễ bị nhiễu, mạch không ổn định.
- Bộ nhớ thấp, tốc độ hoạt động nhỏ.
Ví dụ:
- Mạch LED trái tim (Hình 2.3)
- Mạch đồng hồ báo thức, lịch vạn niên (Hình 2.4)
- Mạch đo nhiệt độ, độ ẩm…
- Mạch điều khiển tốc độ động cơ

14

Hình 2.3 LED trái tim dung 8051

Hình 2.4 Mạch đồng hồ, hiển thị ngày tháng năm
2.1.3 Điều khiển bằng PLC
a. Ưu điểm
- Lập trình đơn giản, độ tin cậy cao.
- Chức năng điều khiển thay đổi dễ dàng bằng thiết bị lập trình (máy tính, màn
hình) mà khơng cần thay đổi phần cứng.
- Thời gian hồn thành một chu trình điều khiển nhanh.
b. Nhược điểm
- Giá thành mua vật liệu, linh kiện sử dụng cao nên việc áp dụng trong hệ thống
nhỏ lẻ là khơng thích hợp.
15


c. Ứng dụng
- Dây chuyền đóng gói.
- Cơng nghệ sản xuất giấy.
- Quản lý tự động bãi đậu xe.
- Hệ thống đo lƣờng – kiểm sốt khí BIOGAS

Hình 2.5 Giải pháp đo lưu lượng khí BIOGAS
Tóm lại qua các phƣơng án điều khiển nhƣ trên để điều khiển một hệ thống
đèn giao thơng mà dễ dàng thực hiện thì ta sử dụng phƣơng pháp điều khiển bằng vi
điều khiển.

16

2.2 Lựa chọn thiết bị
Xuất phát từ các tiêu chí trên và việc cần thiết phải có một hệ thống đèn giao
thông với các yêu cầu nhƣ: Dễ thực hiện, mạch đơn giản, giá thành rẻ…
Vậy lựa chọn vi điều khiển AT89S52 là tối ƣu hiện nay.

Hình 2.6 Sơ đồ chân tín hiệu của CHIP AT89S52
AT89S52 có tất cả 40 chân có chức năng nhƣ các đƣờng xuất nhập . Trong đó
có 24 chân có tác dụng kép (có nghĩa là một chân có hai chức năng), mỗi đƣờng có
thể hoạt động nhƣ đƣờng xuất nhập hoặc nhƣ đƣờng điều khiển hoặc là thành phần
của các bus dữ liệu và bus địa chỉ.
2.2.1 Chức năng của các chân tín hiệu
a. Các Port
- Port 0 (Chân 32-39): là cổng hai chiều dùng 8 bit để mở, nhƣ là cổng ra, Port 0
có những cấu hình cơng đƣờng dẫn địa chỉ, dữ liệu để truy xuất tới chƣơng trình
ngồi và bộ nhớ dữ liệu. Yêu cầu bên ngoài dừng lại trong lúc kiểm tra chƣơng
trình.
- Port 1 (Chân 1-8): là cổng hai chiều 8bit, trong phép cộng P1.0 và P1.1 có thể
thực hiện để đi tới bộ định thời/bộ đếm bên trong, đếm ngõ vào(P1.0/T2) và hai bộ
định thời/bộ đếm truy xuất ngõ vào(P1.1/T2EX).
- Port 2 (Chân 21-28): có cổng hai chiều 8bit, phát ra những địa chỉ byte cao
khác trong lúc tìm về từ bộ nhớ chƣơng trình bên ngồi và truy xuất từ bộ nhớ dữ

17


liệu bên ngồi việc đó sử dụng 8bit địa chỉ. Port 2 phát ra những nội dung của thanh
ghi có chức năng đặc biệt P2.
- Port 3 (Chân 10-17): có hai công dụng. Khi không hoạt động xuất/nhập, các
chân của port 3 có nhiều chức năng riêng (mỗi chân có chức năng riêng liên quan
đến các đặc trƣng cụ thể của AT89S52).

Các chức năng của các chân Port 3 đƣợc thể hiện nhƣ trong bảng 2.1
Bảng 2.1 Chức năng của các chân của Port 3
Các chân Port

Chức năng

P3.0 (RxD)

Chân nhận tín hiệu kiểu nối tiếp

P3.1 (TxD)

Chân truyền tín hiệu kiểu nối tiếp

P3.2 (INT0)

Ngõ vào ngắt ngoài 0

P3.3 (INT1)

Ngõ vào ngắt ngoài 1

P3.4 (T0)

Chân vào 0 của bộ Timer/Counter 0

P3.5 (T1)

Chân vào 1 của bộ Timer/Counter 1

P3.6 (WR)

Ghi dữ liệu từ bộ nhớ ngoài

P3.7 (RD)

Đọc dữ liệu từ bộ nhớ ngoài

b. Chân PSEN (Chân 29)
Chân cho phép bộ nhớ chƣơng trình PSEN (Program Store Enable) điều khiển
truy xuất bộ nhớ chƣơng trình ngồi. Khi AT89S52 đang thực thi chƣơng trình trong bộ
nhớ chƣơng trình ngồi, PSEN tích cực hai lần cho mỗi chu kỳ máy, ngoại trừ trƣờng
hợp 2 tác động của PSEN bị bỏ qua cho mỗi lần truy xuất bộ nhớ dữ liệu ngoài.
c. Chân ALE/PROG (Chân 30)
Xung của ngõ ra cho phép chốt địa chỉ ALE (address latch enable) cho phép
chốt byte thấp của địa chỉ trong thời gian truy suất bộ nhớ ngoài. Chân này cũng
đƣợc dùng làm ngõ vào xung lập trình (PROG) trong thời gian lập trình cho Flash.
Khi hoạt động bình thƣờng, xung của ngõ ra ALE ln ln có tần số bằng 1/6
tần số của mạch dao động trên CHIP, có thể đƣợc sử dụng cho các mục đích định
thời từ bên ngồi và tạo xung clock. Tuy nhiên cần lƣu ý là một xung ALE sẽ bị bỏ
qua trong mỗi một chu kỳ truy xuất bộ nhớ dữ liệu ngoài.

18


d. Chân EA/VPP (Chân 31)
Chân cho phép truy xuất bộ nhớ ngoài EA (External Access Enable) phải đƣợc nối
với GND để cho phép CHIP vi điều khiển tìm nạp lệnh từ các vị trí nhớ của bộ nhớ
chƣơng trình ngồi, bắt đầu từ địa chỉ 0000H cho đến FFFFH. Tuy nhiên cần lƣu ý là
nếu bit khóa 1 (lock bit 1) đƣợc lập trình, EA sẽ đƣợc chốt bên trong khi reset.

EA nên nối với Vcc để thực thi chƣơng trình bên trong CHIP.
Chân EA/Vpp cịn nhận điện áp cho phép lập trình Vpp trong thời gian lập
trình cho Flash, điện áp này cấp cho các bộ phận có yêu cầu điện áp 12V.
e. Chân VCC (Chân 40)
Chân cung cấp điện áp 5V.
f. Chân GND (Chân 20)
Chân mát hay nối đất (0V).
g. Chân Reset (Chân 9)
Ngõ vào RST (chân 9). Mức cao trên chân này trong 2 chu kỳ máy trong khi
bộ dao động đang hoạt động sẽ reset AT89S52.
h. Chân XTAL1 và XTAL2
XTAL1 ngõ vào đến mạch khuếch đại đảo của mạch dao động và ngõ vào đến
mạch tạo xung clock bên trong CHIP.
XTAL2 ngõ ra từ mạch khuếch đại đảo của mạch dao động.
2.2.2 Các thanh ghi chức năng đặc biệt
Các thanh ghi chức năng đặc biệt có ký tự, tên, địa chỉ và giá trị đƣợc thể hiện
nhƣ trong bảng 2.2.
Bảng 2.2 Chức năng các thanh ghi đặc biệt
Symbol
* ACC
*B
* PSW
SP
DP0L

Name

Address

Reset Values

Thanh ghi tích lũy

0E0h

00000000b

Thanh ghi B

0F0h

00000000b

Từ trạng thái chƣơng trình

0D0h

00000000b

Con trỏ ngăn xếp

81h

00000111b

Byte cao của con trỏ dữ liệu 0

82h

00000000b

19


Byte thấp của con trỏ dữ liệu 0

83h

00000000b

* P0

Cổng 0

80h

11111111b

* P1

Cổng 1

90h

11111111b

* P2

Cổng 2

0A0h

11111111b

* P3

Cổng 3

0B0h

11111111b

* IP

TG điều khiển ngắt ƣu tiên

0B8h

xxx00000b

* IE

TG điều khiển cho phép ngắt

0A8h

0xx00000b

TMOD

Điều khiển kiểu Timer/Couter

89h

00000000b

* TCON

TG điều khiển Timer/Counter

88h

00000000b

TH0

Byte cao của Timer/Counter 0

8Ch

00000000b

TL0

Byte thấp của Timer/Counter 0

8Ah

00000000b

TH1

Byte cao của Timer/Counter 1

8Dh

00000000b

TL1

Byte thấp của Timer/Counter 1

8Bh

00000000b

Serial Control

98h

00000000b

SBUF

Serial Data Buffer

99h

indeterminate

PCON

Power Control

87h

0xxx0000b

DP0H

* SCON

a. Thanh ghi ACC
Là thanh nghi tích lũy, dùng để lƣu trữ các tốn hạng và kết quả của phép tính.
Thanh ghi ACC dài 8 bit. Trong các tập lệnh của ON-CHIP, nó thƣờng đƣợc quy
ƣớc đơn giản là A.
b. Thanh ghi SP
Là thanh ghi con trỏ ngăn xếp dài 8 bit. Thanh ghi SP chứa địa chỉ của dữ liệu
hiện đang ở đỉnh của ngăn xếp. Giá trị của nó đƣợc tự động tăng lên khi thực hiện
lệnh PUSH trƣớc khi dữ liệu đƣợc lƣu trữ trong ngăn xếp và sẽ tự động giảm
xuống khi thực hiện lệnh POP. Ngăn xếp có thể đặt ở bất kỳ vị trí nào trong RAM
ON-CHIP, nhƣng sau khi khởi động lại hệ thống thì con trỏ ngăn xếp mặc định sẽ
20