Tr-êng §HSPKT H-ng Yªn
§å An chuyªn ngµnh 2
Khoa §iÖn - §iÖn Tö

ĐỒ ÁN
Đề tài: “

2

Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển tín hiệu giao

thông cho ngã tư lập trình bằng vi điều khiển”
Giảng viên hướng dẫn :

Nguyễn Trung Thành

Sinh viên thực hiện

Trần Đông

:

Nguyễn Văn

oàng

Nguyễn Huy Toàn
Lớp

:


......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
Hưng Yên, ngày ... tháng ... năm 2010
Giảng viên hướng dẫn

Nguyễn Trung Thành

2
Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Trung Thành
SVTH: Trần Đông- Nguyễn Văn Hoàng - Nguyễn Huy Toàn


Tr-êng §HSPKT H-ng Yªn
§å An chuyªn ngµnh 2
Khoa §iÖn - §iÖn Tö

MỤ LỤ
NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ........................... 2
MỤC LỤC .................................................................................................................. 3
LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................... 5
Phần I: GIỚI THIỆU CHUNG ................................................................................... 6
I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TÍN HIỆU GIAO THÔNG. . 6
1. Yêu cầu và mục đích của hệ thống điều khiển tín hiệu giao thông. .............. 6
2. Một số hệ thống điều khiển tín hiệu giao thông. ........................................... 6

Tr-êng §HSPKT H-ng Yªn
§å An chuyªn ngµnh 2
Khoa §iÖn - §iÖn Tö

2. Sơ đồ chân tín hiệu của 80C51/AT89C51 ................................................... 27
3. Các thanh ghi chức năng đặc biệt ................................................................ 29
Phần II: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ........... 43
I. Sơ đồ nguyên lý theo từng khối ...................................................................... 43
1. Khối hiển thị ................................................................................................ 43
2. Khối tín hiệu điều khiển .............................................................................. 44
3. Khối điều khiển đèn ..................................................................................... 45
II.

Sơ đồ mạch nguyên lý chung ...................................................................... 46

III.

Chương trình điều khiển .............................................................................. 47

Phần III: PHẦN TỔNG KẾT ................................................................................... 53

4
Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Trung Thành
SVTH: Trần Đông- Nguyễn Văn Hoàng - Nguyễn Huy Toàn


Tr-êng §HSPKT H-ng Yªn
§å An chuyªn ngµnh 2
Khoa §iÖn - §iÖn Tö



I. TỔ
Q A VỀ Ệ T Ố
ĐIỀ K IỂ TÍ
IỆ
IAO
THÔNG.
1. êu cầu và mục đích của hệ thống điều khiển tín hiệu giao
thông.
Trước tình hình phương tiện tham gia giao thông ngày càng gia tăng không
ngừng và hệ thống giao thông ngày càng phức tạp. Chính lý do này đã 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 những yêu cầu sau:
-

Đảm bảo trong quá trình hoạt động một cách chính xác và liên tục.

-

Độ tin cậy cao.

- Đảm bảo làm việc ổn định, lâu dài.

2. Một số hệ thống điều khiển tín hiệu giao thông.
2.1.

ệ thống điều khiển tín hiệu giao thông ưu tiên cho người đi bộ.



t

0

t

0

t

§á
«t«
Xanh
®i bé
0
§á
®i bé

sau.
2.2.

0

t

t

ệ thống điều khiển tín hiệu giao thông cho ngã tư.



25S
7S

25S 7S
t

Vµng 0

5S
2S

A ,C
§á 0
A, C
0
§á
B, D
Xanh
B,D

t

9S
30S

30S
9S

30S

30S

30S9S
t

30S
t

30S
t

30S

30S
t

Ta giả sử rằng xét ở chế độ ban ngày tại thời điểm ban đầu đèn xanh tại vị
trí A và C sáng cho phép các phương tiện và người đi bộ đi theo chiều từ A sang C
và ngược lại đồng thời lúc này đèn đỏ tại các vị trí B và D sáng không cho các
phương tiện lưu đi theo chiều từ B sang D và ngược lại. Sau một khoảng thời gian
9
Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Trung Thành
SVTH: Trần Đông- Nguyễn Văn Hoàng - Nguyễn Huy Toàn


Tr-êng §HSPKT H-ng Yªn
§å An chuyªn ngµnh 2
Khoa §iÖn - §iÖn Tö

đèn xanh tại vị trí A và C và đèn đỏ tại B và D tắt đồng thời đèn vàng tại các vị trí


đỏ và ngược lại thì đèn vàng sáng một khoảng thời gian. Ở chế độ ban đêm chỉ có
đèn vàng nhấp nháy. Ta có thời gian mô tả hoạt động của hệ thống như sau.

II.

P Â TÍ

LỰA

Ọ P ƯƠ

Á ĐIỀ K IỂ

Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật để điều khiển được hệ thống giao
thông chúng ta có nhiều cách khác nhau như là: Dùng IC số, các bộ vi xử lý, vi
điều khiển, các bộ điều khiển PLC.

1. Mạch dùng I số
Với mạch dùng IC số có những ưu điểm sau:
 Giá thành rẻ
 Mạch đơn giản dễ thực hiện
 Tổn hao công suất bé, mạch có thể dùng pin hoặc acquy
11
Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Trung Thành
SVTH: Trần Đông- Nguyễn Văn Hoàng - Nguyễn Huy Toàn


Tr-êng §HSPKT H-ng Yªn
§å An chuyªn ngµnh 2


Tr-êng §HSPKT H-ng Yªn
§å An chuyªn ngµnh 2
Khoa §iÖn - §iÖn Tö

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. Do vậy việc viết chương trình
gặp nhiều khó khăn. Do vậy hiện nay để khắc phục những nhược điểm trên hiện
nay người ta sử dụng bộ vi điều khiển.

4. Điều khiển bằng PL .
Với phương pháp sử dụng PLC có những ưu diểm sau:
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 không cần thay đổi phần cứng nếu không có yêu cầu thêm bớt các thiết bị
nhập xuất.
Thời gian hoàn thành một chu trình điều khiển rất nhanh.
Tuy nhiên phương pháp này có nhiều ưu điểm hơn vi xử lý nhưng việc áp
dụng trong hệ thống nhỏ là không thích hợp bởi giá thành rất cao.
Với những ưu điểm của từng phương pháp là khác nhau. Tuy nhiên thực
hiện đề tài này nhóm chúng em chọn phương pháp điều khiển bằng vi điều khiển
bởi đây là phương án tối ưu nhất phù hợp với đề tài.
Hiện nay bộ vi điều khiển AT89C51 đang được sử dụng rộng rãi vì vậy
chúng em lựa chọn bộ điều khiển này để điều khiển hệ thống.
III.

Á TI
Ẩ LỰA
Ọ BỘ VI ĐIỀ K IỂ
Có 4 bộ vi điều khiển 8 bit chính. Đó là 6811 của Motorola, 8051 của Intel

 Khả năng dễ dàng nâng cấp cho hiệu suất cao hoặc giảm công suất tiêu
thụ.
 Giá thành cho một đơn vị: Điều này quan trọng quyết định giá thành cuối
cùng của sản phẩm mà một bộ vi điều khiển được sử dụng.

2. Tiêu chuẩn thứ hai trong lựa chọn một bộ vi điều khiển là khả năng phát
triển các sản phẩm xung quanh nó dễ dàng như thế nào? Các cân nhắc chủ yếu bao
14
Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Trung Thành
SVTH: Trần Đông- Nguyễn Văn Hoàng - Nguyễn Huy Toàn


Tr-êng §HSPKT H-ng Yªn
§å An chuyªn ngµnh 2
Khoa §iÖn - §iÖn Tö

gồm khả năng có sẵn trình lượng ngữ, gỡ rối, trình biên dịch ngôn ngữ C hiệu quả
về mã nguồn, trình mô phỏng hỗ trợ kỹ thuật và khả năng sử dụng trong nhà và
ngoài môi trường. Trong nhiều trường hợp sự hỗ trợ nhà cung cấp thứ ba (nghĩa là
nhà cung cấp khác không phải là hãng sản xuất chíp) cho chíp cũng tốt như, nếu
không được tốt hơn, sự hỗ trợ từ nhà sản xuất chíp.

3. Tiêu chuẩn thứ ba trong lựa chọn một bộ vi điều khiển là khả năng sẵn
sàng đáp ứng về số lượng trong hiện tại và tương lai. Đối với một số nhà thiết kế
điều này thậm chí còn quan trong hơn cả hai tiêu chuẩn đầu tiên. Hiện nay, các bộ
vi điều khiển 8 bit dấu đầu, họ 8051 là có số lượng lớn nhất các nhà cung cấp đa
dạng. Nhà cung cấp có nghĩa là nhà sản xuất bên cạnh nhà sáng chế của bộ vi điều
khiển. Trong trường hợp 8051 thì nhà sáng chế của nó là Intel, nhưng hiện nay có
rất nhiều hãng sản xuất nó (cũng như trước kia đã sản xuất).
Các hãng này bao gồm: Intel, Atmel, Philips/signe-tics, AMD, Siemens,

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 được 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.

Hiển thị 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 thưòng
được cấu tạo từ các chất Ga, As, P …nó cũng có tính chất chỉnh lưu như diode
thường. Nhưng khi điện áp thuận đạt nên diode vượt quá mức ngưỡng Ung nào đó
16
Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Trung Thành
SVTH: Trần Đông- Nguyễn Văn Hoàng - Nguyễn Huy Toàn


Tr-êng §HSPKT H-ng Yªn
§å An chuyªn ngµnh 2
Khoa §iÖn - §iÖn Tö

thì diode sáng. Điện áp ngưỡng thay đổi từ 1,5 đến 5 v tuỳ theo từng loại có màu
sắc khác nhau.
 LED màu đỏ có điện áp ngưỡng Ung = 1,6 đến 2 v
 LED màu cam có điện áp ngưỡng Ung = 2,2 đến 3 v
 LED màu xanh lá cây có điện áp ngưỡng Ung = 2,8 đến 3,2 v
 LED màu vàng có điện áp ngưỡng Ung = 2,4 đến3, 2 v
 LED màu xanh ra trời có điện áp ngưỡng Ung = 3 đến 5 v
Thiết kế bộ giải mã hiển thị cho LED 7 thanh với tín hiệu đầu vào là mã BCD
 Dạng chỉ thị led 7 đoạn:


Bảng mã hiển thị led 7 đoạn( led 7 đoạn anot chung: led đơn sáng ở mức 0)

Số hiển thị trên Mã hiển thị led 7 Mã hiển thị led 7
led 7 đoạn

đoạn dạng nhị phân

đoạn dạng thập lục
phân

hgfedcba
0

11000000

C0
18

Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Trung Thành
SVTH: Trần Đông- Nguyễn Văn Hoàng - Nguyễn Huy Toàn


Tr-êng §HSPKT H-ng Yªn
§å An chuyªn ngµnh 2
Khoa §iÖn - §iÖn Tö

1

11111001


82

7

11111000

F8

8

10000000

80

9

10010000

90

A

10001000

88

B

10000011



đoạn dạng nhị phân

đoạn dạng thập lục
19

Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Trung Thành
SVTH: Trần Đông- Nguyễn Văn Hoàng - Nguyễn Huy Toàn


Tr-êng §HSPKT H-ng Yªn
§å An chuyªn ngµnh 2
Khoa §iÖn - §iÖn Tö

phân
hgfedcba
0

00111111

3F

1

00000110

06

2


00000111

07

8

01111111

7F

9

01101111

6F

A

01110111

77

B

01111100

7C

C



Phần cứng được kết nối với 1 Port bất kì của Vi điều khiển, để thuận tiện cho
việc xử lí về sau phần cứng nên được kết nối như sau: Px.0 nối với chân a, Px.1 nối
với chân b, lần lượt theo thứ tự cho đến Px.7 nối với chân h.
Dữ liệu xuất có dạng nhị phân như sau : hgfedcba
Từ bảng chức năng lập bảng karnaught cho 7 hàm rat a có kết quả:
a = AB C D + A BCD
b = A B C D + A BC D
c = A BC D
d = A B C D + A B C D + ABC D
e = A B C D + AB C D + A B C D + A B C D + ABC D
f = A B C D + A B C D + AB C D + ABC D
g = A B C D + ABC D + A B C D
V.

IAO TIẾP VI ĐIỀ K IỂ VỚI LED 7 ĐOẠ
Nếu kết nối mỗi một Port của Vi điều khiển với 1 led 7 đoạn thì tối đa kết

nối được 4 led 7 đoạn. Mặt khác nếu kết nối như trên sẽ hạn chế khả năng thực hiện
các công việc khác của Vi điều khiển. Cho nên cần phải kết nối, điều khiển nhiều
led 7 đoạn với số lượng chân điều khiển từ Vi điều khiển càng ít càng tốt. Có hai
giải pháp: một là sử dụng các IC chuyên dụng cho việc hiện thị led 7 đoạn, hai là
kết nối nhiều led 7 đoạn vào cùng một đường xuất tín hiệu hiển thị. Nội phần này
sẽ đề cập đến cách kết nối nhiều led 7 đoạn theo giải pháp thứ 2.
Để kết nối nhiều led 7 đoạn vào vi điều khiển thực hiện như sau: nối tất cả
các chân nhận tín hiệu của tất cả các led 7 đoạn (chân abcdefgh) cần sử dụng vào
21
Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Trung Thành
SVTH: Trần Đông- Nguyễn Văn Hoàng - Nguyễn Huy Toàn



22
Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Trung Thành
SVTH: Trần Đông- Nguyễn Văn Hoàng - Nguyễn Huy Toàn


Tr-êng §HSPKT H-ng Yªn
§å An chuyªn ngµnh 2
Khoa §iÖn - §iÖn Tö

 Trong thực tế người ta đã chế tạo sẵncác vi mạch để giảI mã nhị phân ra
mã 7 đọan như :
Các vi mạch 7448 , 74LS48 , 7449 , 74LS49 là các IC giảI mã 7 đoạn có lối ra
tác động ở mức cao , ta có thể ding chung để giải mã từ mã BCD ra thập phân Quy
luật hiển thị các chữ số thập phân của các vi mạch này về cơ bản là giống nhau như
bảng chân lý sau, chỉ khác đôi chút là số 6 không dùng thanh a và số 9 không dùng
thanh d .
Số thập Mã BCD đầu vào

Đầu ra mã 7 thanh

phân
D

C

B

A


0

1

0

1 1 0 1 1 0 1

3

0

0

1

1

1 1 1 1 0 0 1

4

0

1

0

0


1

1

1

1 1 1 0 0 0 0

8

1

0

0

0

1 1 1 1 1 1 1

9

1

0

0

1


một cổng nối tiếp và 4 cổng (đều rộng 8 bit) vào ra tất
cả đ-ợc đặt trên một chíp. Lúc ấy nó đ-ợc coi là một
hệ thống trên chíp. AT89C51 là một bộ xử lý 8 bit có
nghĩa là CPU chỉ có thể làm việc với 8 bit dữ liệu tại
một thời điểm. Dữ liệu lớn hơn 8 bit đ-ợc chia ra thành
các dữ liệu 8 bit để cho xử lý. AT89C51 có tất cả 4
cổng vào - ra I/O mỗi cổng rộng 8 bit (xem hình 1.2).
Mặc dù 8051 có thể có một ROM trên chíp cực đại là 64 K
byte, nh-ng các nhà sản xuất lúc đó đã cho xuất x-ởng
chỉ với 4K byte ROM trên chíp. Điều này sẽ đ-ợc bàn chi
tiết hơn sau này.
24
Ging viờn hng dn: Nguyn Trung Thnh
SVTH: Trn ụng- Nguyn Vn Hong - Nguyn Huy Ton


Tr-ờng ĐHSPKT H-ng Yên
Đồ An chuyên ngành 2
Khoa Điện - Điện Tử

AT89C51 đã trở nên phổ biến sau khi Intel cho phép
các nhà sản xuất khác sản xuất và bán bất kỳ dạng biến
thế nào của AT89C51 mà họ thích với điều kiện họ phải
để mã lại t-ơng thích với AT89C51. Điều này dẫn đến sự
ra đời nhiều phiên bản của AT89C51 với các tốc độ khác
nhau và dung l-ợng ROM trên chíp khác nhau đ-ợc bán bởi
hơn nửa các nhà sản xuất.

Điều này quan trọng là mặc


1

Nguồn ngắt

6

Bộ vi điều khiển 8051:

Bộ vi điều khiển 8051

là thành viên đầu tiên của họ AT89C51. Hãng Intel ký
25
Ging viờn hng dn: Nguyn Trung Thnh
EXTERNAL
SVTH: Trn
ụng- Nguyn Vn Hong - Nguyn Huy Ton
INTERRUPTS

ETC
C