NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ĐÈN TÍN HIỆU
GIAO THÔNG ĐƯỜNG THỦY
KS. BÙI VĂN PHIẾN
Bộ môn Điều khiển học
TS. NGUYỄN THANH HẢI
Bộ môn Kỹ thuật điện tử
Khoa Điện - Điện tử
Trường Đại học Giao thông Vận tải
Tóm tắt: Bài báo trình bày về một giải pháp nghiên cứu thiết kế và chế tạo đèn tín hiệu
giao thông đường thủy. Chế tạo thành công đèn tín hiệu giao thông đường thủy và sử dụng
trong thực tế với các tính năng chính như sau: cài đặt, lưu trữ chế độ nháy và sáng cho đèn
thông qua điều khiển từ xa, đo và điều khiển điện áp nạp hiện tại cho Ắc qui từ Pin mặt trời,
đảm bảo tuổi thọ của Ắc quy cao nhất. Khi trời tối vi điều khiển tự động bật đèn theo chế độ
đã đặt...
Summary: This paper presents a solution to research, design and development of
waterway traffic lights. The solution satisfies some requirements in practice; successfully
developed waterway traffic lights and proper application in practice with such characteristics
as setting up, storing flash modes and intensity light by remote control, measuring and
controlling the actual charging voltage to the battery from solar cells, ensuring maximum
battery life. In darkness, the microcontroller will start flashing to the set code...
ĐT
I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Giao thông được ví như là mạch máu của mỗi quốc gia. Một trong những yếu tố đánh giá
sự phát triển của mỗi Quốc gia chính là sự phát triển mạng lưới giao thông của chính quốc gia
đó. Nước ta với mạng lưới giao thông đang được nâng cấp, mở rộng và phát triển mạnh mẽ
trong những năm gần đây. Nhu cầu về việc sử dụng đèn tín hiệu giao thông để điểu khiển dòng
giao thông đã tăng đáng kể cả về số lượng và chất lượng. Cũng giống như hệ thống giao thông
đường bộ, giao thông đường thủy cũng cần phải có hệ thống đèn tín hiệu để phân làn, báo hiệu
các đoạn giao nhau, đoạn rẽ, tốc độ cho phép, nơi nguy hiểm,… cho các phương tiện tham gia
giao thông. Hiện nay, hầu hết các đèn tín hiệu giao thông đều nhập ngoại với giá thành cao, khi
gặp sự cố thì phải thay mới chứ không sửa chữa được. Xuất phát từ nhu cầu đó tác giả tập trung
vào nghiên cứu thiết kế và chế tạo đèn tín hiệu giao thông đường thủy với tính năng tương
đương hoặc hơn và giá thành thì thấp hơn so với thiết bị cùng loại nhập ngoại.
II. YÊU CẦU THIẾT KẾ
Mỗi đèn có thể hoạt động với một trong 222 chế độ nháy khác nhau được nhớ trong vùng
Flash của Vi Điều Khiển (VĐK). Việc lựa chọn chế độ hoạt động cũng như điều chỉnh độ sáng
của đèn, kiểm tra tình trạng của Ắc qui và chế độ hoạt động hiện thời của đèn bằng điều khiển
từ xa.
Bảng 1. Bảng tóm tắt các chế độ hoạt động của đèn
Flash
Code
ON
(s)
OFF
(s)
ON
(s)
OFF
(s)
ON
(s)
OFF
(s)
ON
(s)
OFF
(s)
ON
(s)
OFF
(s)
000 0.2 0.3
001 0.2 0.4
. . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
194 10 10 10 10 10 10 10 10 10 110
195 2 3 2 3 2 3 2 3 2 3
196 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
197 3 7 3 7 3 7 3 7 3 7
198 3 7 3 7 3 7 3 7 3 7
199 2 8 2 8 2 8 2 8 2 8
: : : : : : : : : : :
: : : : : : : : : : :
220 7 5 7 5 19 114
221 7 7 7 7 21 101
- Công suất tiêu thụ của đèn 25mAh x 5V=0.125Watt.
- Chế độ nháy được người sử dụng chọn và lưu trong EEPROM.
- Khi trời tối đèn hoạt động theo chế độ đã được lưu trữ trong EEPROM.
- Khi trời sáng tắt đèn, đo và điều khiển sạc Ắc qui từ pin mặt trời.
ĐT
- Nếu điện áp Ắc qui nhỏ hơn điện áp ngững thì tắt đèn.
- Khi đặt chế độ hoạt động cho đèn vào ban ngày thì ngay sau khi nhấn phím Enter đèn
hoạt động thử một lần chế độ đó để cho người sử dụng quan sát rồi sau đó tắt. Còn nếu vào ban
đêm thì đèn sẽ hoạt động ở chế độ vừa đặt.
- Các phím nhấn trên điều khiển từ xa có các chức năng sau:
Bảng 2. Bảng tóm tắt các chế độ hoạt động của đèn
Tên phím Chức năng
Call Cho phép nhấn các phím khác
Power Tắt đèn
Dec Giảm độ sáng của đèn
Inc Tăng độ sáng của đèn
0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 Dùng chọn chế độ cho đèn
Enter Dùng để xác nhận chế độ hoạt động
- Có thể điều chỉnh độ sáng của đèn thông qua phím nhấn tăng hay giảm trên điều khiển từ
xa.
Bảng 3. Bảng tóm tắt độ sáng của đèn
100% 75% 50% 25%
III. LỰA CHỌN GIẢI PHÁP THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
1. Sơ đồ khối chức năng của đèn
IN0
IN1
On/off
Phản
hồi
dòng
Vdd
8-12V
C8Y29466-24PXI
Timer8_IR
Timer8
EEPROM
Couter8
UART
ADC12
Thu hồng
ngoại Điều khiển từ xa
Pin mặt trời
IC Đi
ề
u khi
ể
n
nạp
Ắc quy
Đĩa LED
IC rung
nguồn
On/of
f
Vdd
ĐT
Hình 1. Sơ đồ khối chức năng của đèn
- Chọn loại VĐK C8Y29466 - 24PXI của hãng Cypress với đặc điểm là các khối Timer,
Couner, ADC12, EEPROM, UART sẵn có ở bên trong có thể thay đổi cấu hình phần cứng một
cách dễ dàng, có các nguồn Clock ở bên trong với các tần số khác nhau rất thuận tiện cho việc
thiết kế và lập trình.
- Khối ADC12 có đô phân giải cao 12bit được sử dụng để đo điện áp của Ắc qui và đo điện
áp trên pin mặt trời nhằm mục đích phân biết trời sáng hay tối để điều khiển đèn hoạt động hay
không đồng thời điều khiển chế độ sạc Ắc qui.
- Khối Timer8_IR dùng để đo khoảng thời gian tồn tại của xung do đầu thu hồng ngoại
nhận về từ điều khiển từ xa khi có phím được nhấn. Việc đo này để xác định xem phím nào
được nhấn.
- Khối Timer8 dùng để tạo thời gian trễ 1ms xảy ra ngắt một lần dùng cho việc điều khiển
hoạt động nháy của đèn.
- Khối EEPROM có sẵn bên trong VĐK dùng để lưu trữ chế độ nháy và độ sáng của đèn.
- Khối điều khiển từ xa dùng để đặt các chế độ hoạt động cho đèn.
- Khối Counter8 dùng để tạo tốc độ Baud cho khối UART.
- Khối UART kết nối với máy tính để Calib các giá trị ngưỡng và Debug khi hiệu chỉnh
thiết bị.
- IC điều khiển nạp dùng để điều khiển nạp cho Ắc qui từ Pin mặt trời thông qua chân
On/Off được kết nối với một chân đầu ra của VĐK.
- IC rung nguồn làm nhiệm vụ rung điện áp từ 5V đến 8-12V phù hợp với từng loại đèn.
2. Sơ đồ mạch nguyên lý
a. Sơ đồ mạch nguyên lý của đĩa LED
Trên mỗi một đĩa LED gồm có 16 LED đơn có độ sáng cao. Dòng tiêu thụ trung bình từ 10
đến 20mA, điện áp rơi trên mỗi LED khoảng từ 2 đến 3V tùy từng loại LED.
Nếu như dùng nguồn cung cấp từ Ắc qui trung bình là 5V cấp trực tiếp cho LED thì với 16
LED ta có thể sắp xếp thành 8 nhánh mắc song song với nhau và mỗi nhánh có 2 LED mắc nối
tiếp. Dòng tiêu thụ trung bình khi đó là 80 đến 160mA. Nếu Ắc qui là loại 3700mAh và điện áp
là 5V thi nó sẽ duy trì được đèn sáng liên tục trong vòng 45 đến 90 giờ.
Nếu ta mắc 16 LED thành 4 dãy LED song song với
nhau và mỗi dãy có 4 LED thì dòng trung bình là 40 đến
80mA. Với cùng loại Ắc qui như trên thì thời gian duy trì
cho đèn sáng sẽ tăng lên gấp đôi. Tuy nhiên với cách kết nối
này thì cần điện áp trung bình từ 8 đến 12V trong khi điện
áp tối đa của Ắc quy là 5V. Do vậy ta cần phải có một IC
rung từ điện áp 5V đến 12V và IC này là LT1 được sử dụng
trong bo điều khiển.
LED1
LED2
LED3
LED4
LED5
LED6
LED7
LED8
LED9
LED10
LED11
LED12
LED13
LED14
LED15
LED16
ĐT
b. Sơ đồ mạch nguyên lý của bo điều khiển.
ADJ
1ON/OFF
2
GND
3
IN
4OUT 5
U1
MIC2
1
2
3
4
J1
IN
D1
1N5819
R6 15K
GND
C3 103
R5 56K
C4
10uF
GND
GND
R11
56K
L1
101
GND
Vc
1FB 2
NFB
3
S/S
4
Vi n 5
Vsw 8
GND
7
GNDS
6
U3LT1
C8
103
R9
4K7
D2 1N5819
GND
C10
103
C9
10uF
GND
GND
V+
R1
56K
C1
103
R2
22K
GND
R4
56K
R3
22K
GND
V+
GND
R8
220R
GND
1
2
3
IR1
LED THU
C5
10uF
C7
103
P1[4] 17
P1[6] 18
Xres 19
P2[0] 20
P2[2] 21
P2[4] 22
P2[6] 23
P0[0] 24
P0[2] 25
P0[4] 26
P0[6] 27
Vdd 28
P1[2] 16
P1[0] 15
P0[7]
1
P0[5]
2
P0[3]
3
P0[1]
4
P2[7]
5
P2[5]
6
P2[3]
7
P2[1]
8
SMP
9
P1[7]
10
P1[5]
11
P1[3]
12
P1[1]
13
Vss
14
U2
CY8C29446
C6
103
1
2
3
J2
LED
R10
12K
D3
1N5819
C2
103
VCC
VCC
VCC VCC
VCC
VCC
Hình 3. Sơ đồ mạch nguyên lý của bo điều khiển
- Khối mạch điều khiển nạp cho Ắc quy từ Pin mặt
trời
- Khối rung nguồn sử dụng IC LT1 để rung điện áp
từ Ắc qui (khoảng 5V) lên điện áp cao (8 đến 12V tùy
từng loại LED) để cung cấp cho đĩa LED. Tùy từng loại
GND
R1
12K
1
J1
L+
1
J2
RF
1
J3
L-
Hình 2. Sơ đồ mạch nguyên
lý của một đĩa LED
ADJ
1ON/OFF
2
GND
3
IN
4OUT 5
U1
MIC2941ABU
1
2
3
4
J1
IN
D1
1N5819
R6 15K
GND
C3 103
R5 56K
C4
10uF
GND
GND
V+ VCC
C5
10uF
C7
103
C6
103
VCC
P0.6
Hình 4. Sơ đồ mạch nguyên lý
khối nạp cho ắc quy
LED mà dòng phản hồi về chân 2 của LT1 sẽ được điều
chỉnh bằng cách chọn điện trở phân áp tương ứng.
ĐT
- Khối thu IR1 được kết nối vào chân P2.0 để nhận tín
hiệu thu được từ điều khiểntừ xa.
- Khối phân áp để hiệu chuẩn các tín hiệu được đưa
về từ Ắc qui và Pin mặt trời rồi đưa vào ADC12 của VĐK.
IV. PHẦN MỀM VÀ LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN
1. Thuật toán của chương trình chính
Hình 6. Lưu đồ thuật toán chương trình chính
F
T
F
T
End
Khởi tạo Timer8, Counter8, Timer8_IR, UART,
ADC12, P2.6=0, P0.6=1 và ngắt toàn cục, ngắt
cho phép nhận phím nhấn
Params.CodeFlash=0 ||
Params.CodeFlash>=223
main()
Đọc EEPROM để xác định chế độ nháy. Đọc
ADC, Điều khiển nạp Ắc quy, Xác định
ngưỡng cắt của đèn, Xác định trời sáng hay tối
Ắc quy tốt và trời tối
Tắt đèn Gọi hàm tìm kiếm chế độ nháy và cho
phép nháy
GND
R11
56K
L1
101
GND
Vc
1FB 2
NF
3B
S/S
4
Vin 5
Vsw 8
GND
7
GNDS
U3LT1
6
C8
103
R9
4K7
D2 1N5819
GND
C10
103
C9
10uF
GND 1
2
3
J2
LED
R10
12K
VCC
D3
1N5819
P2.6
Hình 5. Sơ đồ mạch nguyên lý khối
rung nguồn