Thiết kế hệ thống đèn giao thông ứng dụng vi điều khiển và mô phỏng trên phần mềm PROTEUS

Ngày nay, với sự phát triển ngày càng mạnh về lĩnh vực khoa học kỹ thuật cũng như tất cả các lĩnh vực khác. Đặc biệt ngành điện tử là một trong những ngành khoa học kỹ thuật đáp ứng rất tốt nhu cầu cuộc sống của con người. Trong ngành điện tử thì có rất nhiều lĩnh vực chuyên môn hóa khác nhau, nhưng vi điều khiển là một trong những lĩnh vực đáp ứng rất tốt nhu cầu trên của con người. Vì nó là một vi mạch rất nhỏ nhưng giải quyết được rất nhiều vấn đề khó khăn, phức tạp. Chính vì vậy, hầu hết các thiết bị điện tử hiện nay đều sử dụng vi mạch điều khiển. Nói đến vi điều khiển thì phải nói đến 89XX. Đây là một trong những con vi xử lí được sử dụng khá rộng rãi và rất phổ biến trong đời sống hiện nay, giá thành lại vừa phải. Vì vậy, nó là một con vi điều khiển được sử dụng nhiều trong giảng dạy và học tập.

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, với sự phát triển ngày càng mạnh về lĩnh vực khoa học

kỹ thuật cũng như tất cả các lĩnh vực khác Đặc biệt ngành điện tử là mộttrong những ngành khoa học kỹ thuật đáp ứng rất tốt nhu cầu cuộc sốngcủa con người

Trong ngành điện tử thì có rất nhiều lĩnh vực chuyên môn hóakhác nhau, nhưng vi điều khiển là một trong những lĩnh vực đáp ứng rấttốt nhu cầu trên của con người Vì nó là một vi mạch rất nhỏ nhưng giảiquyết được rất nhiều vấn đề khó khăn, phức tạp Chính vì vậy, hầu hết cácthiết bị điện tử hiện nay đều sử dụng vi mạch điều khiển

Nói đến vi điều khiển thì phải nói đến 89XX Đây là một trong

những con vi xử lí được sử dụng khá rộng rãi và rất phổ biến trong đờisống hiện nay, giá thành lại vừa phải Vì vậy, nó là một con vi điều khiểnđược sử dụng nhiều trong giảng dạy và học tập

Trang 1

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

šš

š

Trang 2

Tp.HCM, ngày … tháng … năm 2010 Ký tên

NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG CHẤM ĐỒ ÁN šš š

Trang 3

Tp.HCM, ngày … tháng … năm 2010 Ký tên MỤC LỤC Trang Lời nói đầu: 1

Trang 4

Lời cảm ơn: 2

Nhận xét của Giáo Viên Hướng Dẫn: 3

Nhận xét của hội đồng chấm đồ án: 4

Mục lục: 5

PHẦN I: VẤN ĐỀ ĐẶT RA: 7

PHẦN II: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ: 9

1 Mô tả hoạt động của hệ thống: 10

2 Phương án thiết kế: 10

3 Sơ đồ khối hệ thống: 11

PHẦN III PHẦN THIẾT KẾ: 12

1 Khối vi điều khiển: 13

Sơ lược về vi điều khiển: 13

Sơ đồ bên trong của vi điều khiển: 14

Khảo sát, chức năng từng chân: 15

Nhóm chân nguồn nuôi: 15

Chức năng của các chân tín hiệu: 15

Các chân tín hiệu điều khiển: 16

Bộ nhớ trên chip: 18

Các Bộ định thời/Bộ đếm: 19

Điều khiển ngắt: 20

Trang 5

2 Khối hiển thị: 20

2.1 LED 7 thanh dùng Anode chung: 20

2.2 LED đơn hiển thị Xanh, Váng, Đỏ: 21

2.3 Tính giá trị điện trở hạn dòng cho LED: 21

3 Khối nguồn: 21

PHẦN IV THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH: 23

1 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch: 24

2 Nguyên lý hoạt động: 26

3 Lưu đồ giải thuật: 27

4 Chương trình điều khiển: 29

5 Một số hình ảnh sau khi mô phỏng trên protues: 35

6 Tài liệu tham khảo: ……… 37

Trang 6

PHẦN I VẤN ĐỀ ĐẶT RA

Trang 7

Trong hệ thống giao thông hiện nay ở nước ta, vấn đề về an toàn giaothông và tránh ùn tắc tại các đô thị và thành phố lớn là một trong nhữngvấn đề hết sức cấp bách và được toàn xã hội quan tâm Vì vậy các phươngtiện hướng dẫn giao thông đóng vai trò rất quan trọng, nó góp phần hạnchế những xung đột xảy ra khi tham gia giao thông Tại các đô thị thì hệthống đèn điều khiển giao thông là rất quan trọng Hệ thống đèn điềukhiển giao thông không những có tác dụng hạn chế những xung đột tronggiao thông thành phố mà còn là công cụ điều khiển các luồng giao thôngnhằm hạn chế ùn tắc - một vấn đề nan giải tại các thành phố lớn Vì lí do

Trang 8

trên, chúng em quyết định chọn đề tài “Thiết kế hệ thống đèn điều khiển đèn giao thông” cho đồ án môn học:

PHẦN II

Trang 9

PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

1 Mô tả hoạt động của hệ thống:

Mật độ giao thông phát triển mạnh mẽ ở các đô thị lớn đòi hỏi hệthống điều khiển giao thông phải chính xác, linh hoạt, đơn giản nhưnghiệu quả cao Hệ thống đèn giao thông phần nào đã đáp ứng được những

Trang 10

yêu cầu trên Mỗi cột gồm các đèn: Xanh - Đỏ - Vàng điều khiển cácphương tiện đang tham gia giao thông.

Hoạt động của từng pha ở chế độ điều khiển tự động như sau:

 Đèn xanh: Hướng đi ứng với pha này được phép đi.

 Đèn vàng: Thông báo cho các phương tiện ứng với pha này

giảm tốc độ, chuẩn bị dừng lại

 Đèn đỏ: Các phương tiện dừng lại.

2 Phương án thiết kế:

Hiện nay việc sử dụng các mạch số kết kợp với chíp vi điều khiểntrong các hệ thống điều khiển tự động đã trở nên rất phổ biến vì những ưuviệt của nó như: độ chính xác cao, khả năng lập trình được, tốc độ điềukhiển nhanh, sử dụng đơn giản,… Mặt khác kỹ thuật số, vi xử lý, vi điềukhiển là lĩnh vực đang phát triển mạnh mẽ và có ứng dụng trong rất nhiềungành sản xuất Vì vậy, ta sẽ thiết kế một hệ thống điều khiển giao thôngđơn giản, chỉ sử dụng bộ vi điều khiển Tất cả các tín hiệu điều khiển đềuđược 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, cáchthức bố trí linh kiện dễ dàng, lập trình đơn giản, dễ chỉnh sửa

Trang 11

KHỐI HIỂN THỊ THỜI GIAN

KHỐI ĐÈN LED ĐƠN

KHỐI

NÚT

NHẤN

NGUỒN

Trang 13

PHẦN III.

PHẦN THIẾT KẾ

1 Khối vi điều khiển:

1.1 Sơ lược về vi điều khiển:

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 trìnhđược Nó được sản xuất với công nghệ bộ nhớ không bay hơi mật độ cao

30 31

1 2 3 4 5 6 7 8

21 22 23 24 25 26 27 28 10 11 12 13 14 15 16 17

39 38 37 36 35 34 33 32

RST XTAL2

ALE/PROG EA/VPP

P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7

P2.0/A8 P2.1/A9 P2.2/A10 P2.3/A11 P2.4/A12 P2.5/A13 P2.6/A14 P2.7/A15 P3.0/RXD P3.1/TXD P3.2/INTO P3.3/INT1 P3.4/TO P3.5/T1 P3.6/WR P3.7/RD

P0.0/AD0 P0.1/AD1 P0.2/AD2 P0.3/AD3 P0.4/AD4 P0.5/AD5 P0.6/AD6 P0.7/AD7

Hình 2:Sơ đồ chân ra của vi điều khiển AT89C51.

1.2 Sơ đồ bên trong của vi điều khiển:

Điều khiển

ROM 4k - 8051

Timer 0 Timer 1

Hình 3: Sơ đồ bên trong vi điều khiển.

Trang 16

- Các đặc điểm tiêu chuẩn (của họ vi điều khiển 8051):

+ 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 chọnbằng 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 daođộng cung cấp xung clock nhằm vô hiệu hóa các hoạt động khác của chipcho đến khi có reset cứng tiếp theo

1.3 Khảo sát, chức năng từng chân:

1.3.1 Nhóm chân nguồn nuôi:

- nguồn nuôi +5V (chân số 40)

Trang 17

Là cổng vào/ra song song có haichức năng Trong các thiết

kế cỡ nhỏ không dùng bộ nhớ mở rộng, nó có chức năng như các đườngvào/ra Trong các thiết kế cỡ lớn có bộ nhớ mở rộng nó trở thành bus địachỉ và bus dữ liệu đa hợp

Cổng Port 1 (các chân 1÷8):

Là cổng vào/ra song song Các chân được ký hiệu P1.0,P1.1, P1.2, …có thể dùng cho giao tiếp với các thiết bị ngoài nếu cần.Cổng Port1 không có các chức năng khác, vì vậy chúng chỉ được dùng chogiao tiếp với các thiết bị ngoại vi

Cổng Port 2 (các chân 21÷28):

Trang 18

Là một cổng vào/ra song song có tác dụng kép, được dùngnhư các đường xuất nhập hoặc là byte của bus địa chỉ 16 bit đối với cácthiết bị dùng bộ nhớ mở rộng.

chân tín hiệu điều khiển:

- Chân cho phép bộ nhớ chương trình PSEN (Program Storage Enable): 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

Trang 19

Enable) của EPROM cho phép đọc các byte mã lệnh Tín hiệu PSEN ởlogic 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 điềukhiển để giải mã.Khi vi điều khiển thi hành chương trình trong ROM nộiPSEN sẽ ở mức logic1.Chân cho phép chốt địa chỉ ALE/PROG (AddressLatch Enable):

- Chân tín hiệu ALE (chân 30) đưa ra xung điều khiển cho

phépchốt byte thấp của địa chỉ khi vi điều khiển truy xuất bộ nhớngoài.Chân này cũng là đầu vào của xung lập trình khi lập trình choFLASH, khi đó chân tín hiệu ở mức 0 Khi hoạt động bình thường, tín hiệuALE được phát ra với tần số không đổi bằng 1/6 tần số của bộ tạo daođộng trên chip, và có thể sử dụng cho mục đích định thời Tuy nhiên, sẽ cómột 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 vàoEA (chân 31) được nối với 5V (mức logic 1) hoặcvới GND (mức0) Nếu ở mức 1, vi điều khiển thi hành chươngtrình từ ROM nội Nếu ởmức 0, vi điều khiển sẽ thi hành chươngtrình ở bộ nhớ mở rộng Chân EAđược lấy làm chân cấp nguồn 12V khi lập trình choFLASH trong vi điềukhiển.Chân thiết lập lại RST (Reset):

Trang 20

- 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 ítnhất là 2 chu kì máy, các thanh ghi bên trong được nạp những giá trị thíchhợp để khởi động hệ thống RST có thể được kích khi cấp điện dùng mộtmạch R-C Mạch này như sau:

Hình 4: Mạch thiết lập lại cho 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:

Trang 21

Hình 5: Mạch tạo dao động cho bộ tạo dao động trên chip của

-Vùng thanh ghi có 32 byte, chia thành 4 khối (bank 0 đến bank3),mỗi khối có 8 thanh ghi (từ R0 đến R7)

- Ở vùng RAM định địa chỉ theo bit, các bit được đánh địa chỉ từ00H đến 7FH

- Các thanh ghi chuyên dụng (SFRs – Special FunctionRegisters):

Trang 22

- Các thanh ghi này có địa chỉ từ 80H đến FFH Chúng chứanộidung của các thanh ghi điều khiển.

ROM:

- Bộ vi điều khiển AT89C51 có 4KB FLASH lập trình được

- ROM luôn chiếm vùng địa chỉ thấp nhất trong bộ nhớ chươngtrình

- Nếu bit GATE xóa, các Bộ định thời/Bộ đếm được phép hoạt

đông khi bit TR# tương ứng trong thanh ghi TCON thiết lập Ngượclại,nếu GATE thiết lập thì các Bộ định thời/Bộ đếm chỉ hoạt động khicácchân INT# tương ứng tích cực (mức thấp)

- Bit C/T# dùng để lựa chọn chế độ hoạt động bộ đếm hay bộ

địnhthời Nếu được thiết lập thì nó hoạt đông theo chế độ đếm sự kiện,lúcnày nguồn xung cho bộ đếm là xung ngoài đưa vào từ chân T# tương ứng

Trang 23

(chân 14, 15) Nếu bị xóa, thì nó hoạt động theo chế độ định thời vớinguồn xung là xung tạo ra từ bộ tạo dao đông trên chip sau khi chia 12.

- Các bit M0, M1 dùng để xác dịnh chế độ đếm cho các bộ đếm:

Sự hoạt động của các Bộ định thời/Bộ đếm được điều khiển bởi thanh ghiTCON:

- Các bit TR# cho phép Bộ định thời/Bộ đếm hoạt động (nếu

được thiết lập) hoặc không cho phép chúng hoạt động (nếu bị xóa)

- Các bit TF# là các cờ tràn tương ứng với các Bộ định thời/Bộ

đếm Chúng được thiết lập khi xảy ra tràn và được xóa bằng phần cứngnếu khi đó bộ xử lý rẽ nhánh đến chương trình phục vụ ngắt tương ứng

- Các bit IT# là các bit ngắt Thiết lập IT# tạo ra chế độ ngắtcạnh, chân INT# nhận ra một ngắt khi nhận ra có một sườn âm (↓) của tínhiệu vào Xóa IT# tạo ra chế độ ngắt mức, tức là ngắt được tạo ra khi tínhiệu vào ở mức thấp (0) Ở chế độ ngắt mức, khi tín hiệu vào còn ở mứcthấp thì ngắt được tạo ra liên tục cho đến khi tínhiệu vào chuyển lên mứccao hoặc thiết lập IT#

- Các bit IE# là các cờ ngắt cạnh, được thiết lập khi dò thấy ngắtcạnh

1.6 Điều khiển ngắt:

Trang 24

Bộ vi điều khiển 8051 có 5 nguồn ngắt: TF0, TF1, INT0, INT1 vàngắt do cổng nối tiếp Sự điều khiển hoạt động ngắt được cất trong 2 thanhghi là thanh ghi cho phép ngắt IE (Interrupt Enable) và thanh ghi xác địnhthứ ự ưu tiên ngắt IP (Interrupt Priority).Các bit và chức năng của chúngtrong thanh ghi IE như sau (thiết lập là cho phép, xóa là cấm):

2 Khối hiển thị:

- Khối hiển thị có chức năng đưa ra thông tin điều khiển giao thôngtương ứng với trạng thái hiện thời của hệ thống Khối này gồm 2 phần:đèn điều khiển và đồng hồ hiển thị thời gian

- Đèn điều khiển bao gồm: Đèn dành cho các phương tiện tham giagiao thông: xanh, đỏ, vàng Đồng hồ dùng các LED 7 thanh để tạo thànhcác bộ hiển thị từ 00 đến 99 Ở đây ta dùng loại anode chung), cấu trúc của

f

Hình 6: Cấu trúc bên trong của LED 7 thanh Anode chung

- Mạch này chúng em dùng phương pháp quét: Tối thiểu là các LED

hiển thị phải sáng 24 lần/giây (tiêu chuẩn của điện ảnh) Thực tế người tathường làm cao hơn một chút, có thể đến 60, 70 lần/giây Hiển thị LED

Trang 26

bằng phương pháp quét là phương pháp hiển thị mà tại mỗi thời điểm dữliệu được truyền đến tất cả các LED nhưng chỉ cĩ một LED được cho phéphiển thị dữ liệu đĩ.

2.2 LED đơn hiển thị Xanh, Vàng, Đỏ:

2.3 Tính giá trị điện trở hạn dịng cho LED:

Dòng qua mỗi nhánh của led khoảng 10 - 20mA

Sụt áp trên mỗi nhánh của led khoảng 1,8V  3VV

Giá trị điện trở R nhỏ nhất:

LM7805 để cung cấp cho tồn mạch.

Trang 27

Hình 8: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn.

Trang 28

PHẦN IV.

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH

1 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch:

Trang 29

Trang 30

f g

d p A

f g

d p A

f g

d p A

f g

2.Nguyên lý hoạt động:

Cấp nguồn từ 9 – 12V qua mạch nguồn ổn áp còn 5VDC ổn địnhcấp cho toàn mạch hoạt động

Các mạch hiển thị hoạt động trên nguyên tắc điều khiển bit vào/ra

của các cổng trên IC 89C51 Chương trình được nạp vào IC này và cụ thểnhư sau: Vi điều khiển được lập trình để điều khiển 2 công việc chính: Chuyển mức của các đèn tín hiệu trên hai làn đường (Xanh, Đỏ,Vàng) Việc chuyển mức này sẽ được thực hiện bằng 6 bit truyền tín hiệu:Làn đường thứ nhất và làn đường thứ hai sẽ dùng P0.0 – P0.7 để hiển thịđèn Xanh, Vàng, Đỏ

Các đèn hiển thị là các LED 7 thanh nối chung nhau anốt Đèn sáng

sẽ tương ứng với mức logic thấp Giữa các lần hiển thị sẽ kết hợp đèn củahai làn đường Đèn xanh ở làn 1 thì tương ứng sẽ là đèn đỏ ở làn 2 vàngược lại Và chuyển mức giữa các đèn sẽ xen kẽ những bộ đếm, kết thúcmỗi bộ đếm sẽ tương ứng thiết lập lại các bit để hiển thị các trạng thái đèntiếp theo

Trang 32

Việc tạo ra số thập phân được thực hiện bằng cách ghi dãy số Hexa

21 giảm dần vào vị trí ROM nội.(Lúc này ta sử dụng chân số 31(EA/VPP)

và cho nó mức điện áp cao(mức 1) để đọc dữ liệu từ Rom nội)

Các trạng thái đèn hiển thị được điều khiển thông qua khối nút nhấn

3 Lưu đồ giải thuật:

Trang 33

Begin Khởi tạo

Biến mode = 0

Đọc thời gian xanh và thời gian vàng lưu vào 2 biến tgx, tgv

Tg1: = tgx Tg2: = tgx + tgv

Tg = 1s

1

Tg1:= tg1 – 1 Tg2:= tg2 - 1

Tg1 = 0

2

S A

S

A

S A

S A

Đ

2

Chỉnh giờ, phút

3

Trang 34

Chỉnh giờ, phút

Đ 1 2

Tg1 = 0

Mode1 = 0

T =1s

Tg:= tg1 -1 Tg:= tg2 -1

Chỉnh tgx, tgv Đ

S A

S A

Đ

S A

S A

3

4 Chương trình điều khiển:

;Thiet ke va lap trinh mach den giao thong voi 3 den xanh vang do

; - Dung Port 0 de dieu khien den xanh vang do

; - Dung Port 2 de hien thi thoi gian

; - Dung port 1 de noi voi cac phim nhan dung de dieu khien va

;chinh thoi gian cua den xanh, vang va do

Trang 36

5 Một số hình ảnh sau khi mô phỏng trên protues:

P1.0 P1.2 P1.4 P1.6

P2.0 P2.2 P2.4 P2.6 P3.0 P3.2 P3.4 P3.6 P1.1

VCC VCC VCC

P1.0 P1.1 P1.2

P0.5 P0.4 P0.3

P P P P P P 18 XTAL2

XTAL1 19

ALE 30 EA 31 PSEN 29

RST 9

P0.0/AD0 39P0.1/AD1 38P0.2/AD2 37P0.3/AD3 36P0.4/AD4 35P0.5/AD5 34P0.6/AD6 33P0.7/AD7 32

P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8

P3.0/RXD 10P3.1/TXD 11P3.2/INT0 12P3.3/INT1 13P3.4/T0 14P3.7/RD 17P3.6/WR 16P3.5/T1 15P2.7/A15 28

P2.0/A8 21P2.1/A9 22P2.2/A10 23P2.3/A11 24P2.4/A12 25P2.5/A13 26P2.6/A14 27

1 3 5 7

16 14 12 10 9