Chương 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐÈN GIAO THÔNG VÀ MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐÈN GIAO THÔNG 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. 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 GVHD TS. Đỗ Tuấn Khanh Trang 7 Đồ án Chuyên Ngành I 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.
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.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. Đỗ Tuấn Khanh Trang 8 Đồ án Chuyên Ngành I 1. 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. Ví dụ hệ thống đèn giao thông hiện nay ở Thái Nguyên.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.
Đỗ Tuấn Khanh Trang 9 Đồ án Chuyên Ngành I 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.2 Xác định bài toán.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.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. Đỗ Tuấn Khanh Trang 10 Đồ án Chuyên Ngành I Giả sử có một ngã tư như hình vẽ: Hình 1.2 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. Xét tại thời điểm xét bài toán thì: TH 1: Đèn 1 xanh sáng, đèn 2 đỏ sáng. Đỗ Tuấn Khanh Trang 11 Đồ án Chuyên Ngành I Khi đó hệ thống sẽ cho phép các hướng sau đi: * B1 A1 D2 A2 D1 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.
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 A1.3 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. Đỗ Tuấn Khanh Trang 12 Đồ án Chuyên Ngành I 1.3 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).4 Giải pháp thiết kế.
- Thiết kế mạch mô phỏng trên phần mềm Proteus 7. - Công cụ lập trình: phần mềm PIC C Compiler (CCS). - Thiết kế mạch in bằng phần mềm Orcad 10.5 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 tính ứng dụng trong thực tế cao. 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.3 Bộ điều khiển 8 bit Pic 16F877A. aTổng quan về pic. PIC LÀ GÌ ? PIC là viết tắt của “Programable Intelligent Computer”, có thể tạm dịch là“máy tính thông minh khả trình”do hãng Genenral Instrument đặt tên cho vi điều khiển đầu tiên của họ: PIC1650 được thiết kế để dùng làm các thiết bị ngoại vi cho vi điều khiển CP1600. Vi điều khiển này sau đó được nghiên cứu phát triển thêm và từ đó hình thành nên dòng vi điều khiển PIC ngày nay.
Tại sao lại dùng PIC mà không phải là các loại vi điều khiển khác. Hiện nay trên thị trường có rất nhiều họ vi điều khiển như 8051, Motorola 68HC, AVR, ARM,.Ngoài họ 8051 được hướng dẫn một cách căn GVHD TS. Đỗ Tuấn Khanh Trang 13 Đồ án Chuyên Ngành I bản ở môi trường đại học, bản thân người viết đã chọn họ vi điều khiển PIC để mở rộng vốn kiến thức và phát triển các ứng dụng trên công cụ này vì các nguyên nhân sau: Họ vi điều khiển này có thể tìm mua dễ dàng tại thị trường Việt Nam. Giá thành không quá đắt.
Có đầy đủ các tính năng của một vi điều khiển khi hoạt động độc lập. Là một sự bổ sung rất tốt về kiến thức cũng như về ứng dụng cho họ vi điều khiển mang tính truyền thống: họ vi điều khiển 8051. Số lượng người sử dụng họ vi điều khiển PIC. Hiện nay tại Việt Nam cũng như trên thế giới, họ vi điều khiển này được sử dụng khá rộng rãi.
Điều này tạo nhiều thuận lợi trong quá trình tìm hiểu và phát triển các ứng dụng như: số lượng tài liệu, số lượng các ứng dụng mở đã được phát triển thành công, dễ dàng trao đổi, học tập, dễ dàng tìm được sự chỉ dẫn khi gặp khó khăn,…Sự hỗ trợ của nhà sản xuất về trình biên dịch, các công cụ lập trình, nạp chương trình từ đơn giản đến phức tạp,…Các tính năng đa dạng của vi điều khiển PIC, và các tính năng này không ngừng được phát triển. b Giới thiệu về PIC 16F877A.4 Ảnh thực tế PIC16F877A GVHD TS. Đỗ Tuấn Khanh Trang 14 Đồ án Chuyên Ngành I Hình 1.