Cuprinsul lucrarii:
1. istoria semafoarelor 2. motivarea lucrarii 3. schema intersectiei 4. organigrama de functionare a automatului 5. codificarea starilor 6. .caracteristicile electrice schema de comanda si control a becurilor 7. circuitul de putere 8. legatura microcontrolerului cu partea electrica. 9. programarea microcontrolarului 10. organigrama programului 12.anexe
1.istoria senafoarelor In istoria semaforului, un rol important l-au jucat caile ferate, care s-au dezvoltat, la inceput, mai repede decat caile rutiere. Astfel, in 1848 englezul John Deakin introduce, la caile ferate britanice, semnalizarea mecanica, prin pivotarea unor semnale de cale, constituite din sticle colorate, care se deplasau prin fata unei lampi fixe. In 1851 inventatorul francez Étienne Jean-Joseph Lenoir inventeaza un sistem de semnalizare pentru caile ferate. Acesta a mai inventat motorul cu ardere interna in doi timpi cu aprindere electrica si a construit in 1863 primul motor cu ardere interna care functiona cu benzina. Primul semafor din istoria omenirii a fost un model care functiona pe gaz si a fost instalat la Londra la data de 10 decembrie 1868, la intersectia dintre Bridge Street si Palace Yard. Lanterna era montata pe un pivot de otel de 7 m inaltime. Pe o parte era rosie iar pe cealalta parte era verde. Pivotul de sustinere era rotit cu ajutorul unui levier de catre un agent de politie. Istoria spune ca la data de 2 ianuarie 1869, adica la nici o luna de la punerea in functiune, agentul de politie a fost ranit de explozia instalatiei de gaz. In 1908 se stabilesc, in cadrul unei Conferinte internationale, primele reguli mondiale pentru semnalizarea pe drumuri. Merita mentionat ca cu aproape 100 de ani inainte, adica in 1807, Napoleon a impus in Europa circulatia pe dreapta, aceasta inscriindu-se printre masurile luate in cadrul blocadei continentale contra Angliei. Primul semafor electric, inventat de James Hodge, a fost instalat la data de 5 august 1914 in Cleveland, Ohio. Acesta era prevazut si cu o sonerie electrica ce se declansa la schimbarea culorii. Sistemul era compus din patru perechi de lampi montate la colturile strazilor, ca si in prezent pentru o intersectie simpla in cruce. In fiecare colt era montata cate o lampa pentru STOP si o lampa pentru LIBER. Lampile erau imperecheate doua cate doua astfel incat sa nu existe situatii conflictuale la circulatia pe directiile ortogonale, perpendiculare intre ele. Comanda se dadea manual dintr-un post amplasat intr-unul din colturi. In 1918 a fost inaugurat la New York primul semafor electric cu trei culori: rosu – stop, portocaliu – atentie, verde – cale libera. Comenzile erau date manual de catre o persoana cu atributii in dirijarea circulatiei. In decembrie 1920, politistul William Potts din Detroit a construit un semafor electric cu trei culori si care a fost montat suspendat ca in zilele noastre (foto). Primul semafor din Franta a fost instalat la data de 5 mai 1923, la intersectia bulevardelor Saint-Denis si Sébastopol din Paris. Avea doar culoarea rosie insotita de un semnal sonor. Abia dupa 10 ani s-au introdus si celelalte doua culori: verde si galben. Semaforul automat, asa cum este cunoscut astazi, a fost introdus in 1926. Evolutia acestuia este remarcabila, ajungandu-se astazi la semafoare inteligente. De fapt, acestea primesc informatii de la camere video si senzori de prezenta incastrati in carosabil, respectiv de la senzori de gaze poluante si, pe baza unui program, dirijeaza traficul auto in mod automat. Istorie cu... amenda Un barbat din Longmont, Colorado, Jason Niccum, a gasit o solutie „ingenioasa“ de a nu mai intarzia la serviciu, folosind un dispozitiv care, la apropierea de o intersectie, trimite un semnal care schimba culoarea in verde. Acest dispozitiv este folosit numai de pompieri cand au o urgenta, iar folosirea de catre alte persoane este ilegala. Inginerii care lucrau la trafic au observat o periodicitate a perturbatiilor produse la anumite intersectii. Au filmat intersectiile mai multe zile si au constatat ca nu a trecut nicio ambulanta, doar, de fiecare data, o camioneta Ford alba. Politia i-a dat o amenda de 50 de dolari pentru „suspiciunea ca a interferat cu semnalele din trafic“.„El nu numai ca a pacalit sistemul, insa perturba circulatia celorlalti cetateni din Longmont care mergeau la lucru, la fel ca si el“, a spus politia.
2 Motivarea lucrarii Semaforizarea intersectiilor cu trafic numeros a devenit o necesitate ptr a se asigura fluidizarea traficului si ptr a se evita blocajele din trafic si alte evenimente rutiere neprevazute. Am ales intersectia strazilor Vasile Conta si Closca din municipiul Tecuci judetul Galati ptr a implementa un sistem de semaforizare. Intrucat in realitate aceasta intersectie este o intersectie de strada principala cu una secundara se merge pe principiul cedeaza trecerea. tinandu se cont si de faptul ca traficul rutier cat si cel pietonal este foarte redus conform unui studiu realizat pe o perioada de o 7 zile , esantioane de trafic fiind luate la fiecare 10 minute , nedapasindu se un numar de 20 de autovehicule la interval de jumatate de ora, nu este necesara semaforizarea. Cu toate acestea vom implementa in mod pur fictional un trafic de aproximativ 10 autovehicule pe fiecare strada la fiecare minut astfel incat vor fi prezente la un ciclu de semaforizare verde aproximativ 5 autovehicule pe fiecare sens. 3.schema
intersectiei
4.schema de organizare In cadrul acestei scheme au fost desenate semafoarele asa cum ar fi ele amplasate in intersectie; dupa cum se observa, in schema apar: - 4 semafoare pentru autovehicule, codificate: S1, S2, S3, S4 - 4 perechi de semafoare pentru pietoni, codificate: S11, S22, S33, S44 Dupa cum este si firesc, datorita directiilor de circulatie, urmatoarele semafoare functioneaza identic (afisaza simultan aceeasi culoare): S1=S3; S2=S4. S11=s33;s22=s44
5.codificarea starilor Starile prin care trec semafoarele intersectiei sunt prezentate mai jos, Starea
s1=s 3
s2=s s11=s s22= 4 33 s44
s1 s2 s3 s4 s5
verde rosu galben galben rosu verde galben rosu galben galben
rosu rosu verde rosu galben
verde rosu rosu rosu galben
Timpii asociati fiecarei culori sunt: timpul ptr culoarea verde tv =20 timpul ptr culoarea rosu va fi egal tr=20 iar timpul culori galbene va fi de 3 secunde. Aceasta permite ca toti care merg pe directia inainte sa aiba la dispozitie 15 , indiferent de directie. Acest timp este suficient ca cele aproximativ 5-10 masini care se vor afla in intersectie la un ciclu de semaforizare sa paraseasca perimetrul intersectiei. portul
Codarea in binar
Codarea in hexa
PA PB PC PD PA PB PC PD PA PB PC PD PA PB PC PD PA PB PC PD
00000100 00000001 00000001 00000010 00000010 00000010 00000001 00000001 00000001 00000100 00000010 00000001 00000001 00000001 00000001 00000001 00000010 00000010 00000000 00000000
04 01 01 02 02 02 01 01 01 04 02 01 01 01 01 01 02 02 00 00
starea S1
S2
S3
S4
S5
6.caracteristicile electrice
Temperatura de functionare: -55 grade C .. +125 grade C Temperatura de stocare: -65 grade C .. + 150 grade C Tensiunea pe orice pin in afara de RESET: -1V .. Vcc+0,5V Tensiunea pe pinul RESET: -1V .. +13V Tensiunea de alimentare: max 6V Curentul pe pin I/O: 40mA Curentul de alimentare: 200mA
Solicitarea microcontroler-ului la valori maxime ii reduce durata de viata pana la deteriorare. Pentru o functionare eficienta se au in vedere urmatoarele:
Suma tuturor curentilor din porturi sa nu depaseasca 400mA; Suma curentilor din portul B, C6, D si XTAL2 nu trebuie sa depaseasca 100mA;
7.schema de comanda si control a becurilor Comanda controlul becurilor reprezinta partea executie a semnalelor si de supravegherea functionarii acestora pentru obtinerea semnalelor de control compatibile cu automatul de semaforizare. Conditiile pe care trebuie sa le indeplineasca blocul de comanda si de control sunt:
si de
Separarea galvanica a semnalelor de comanda si control fata de alimentarea becurilor; Nivel logic compatibil cu sistemul de comanda a semnalelor de control; Timpul de reactie al comenzii si al controlului foarte mic; Protectie la semnale parazite produse din cauze fizice (scurtcircuite, supraalimentari, etc);
Exista numeroase solutii de realizare a blocului de comanda si control. In practica se folosesc in ultimul timp schemele de comanda cu optotriac si control cu optocuplor si/sau transformator de curent, avantajele constand in prelungirea duratei de viata a becurilor prin comanda cu optotriac autoamorsat la trecerea prin zero
pentru controlul becurilor (in scpecial pentru cele de culoare rosie) atat in tensiune cat si in curent pentru evitarea impulsurilor de control false. Pentru aplicatia noastra am adoptat varianta schemei de comanda cu releu si controlul cu ajutorul unui optocuplor. In anexa este prezentata detaliat schema electrica. Schema de comanda si control pentru un singur bec arata in felul urmator:
8.circuitul de putere Microcontroler-ul ATMEGA16 are un numar relativ redus de pini necesari realizarii tuturor conexiunilor in cazul semaforizarii unei intersectii mai complicate si ptr a da o generalizare mai mare a schemei am ales varianta multiplexarii semnalului cu ajutorul releului. Deoarece semnalul produs de microcontroler are 5 Vcc si 40 mA acesta nu ajunge la valoarea necesara releului pentru declansare, avem nevoie de un etaj de amplificare a semnalului. Folosim tranzistorul BC 107 conectat la o sursa de tensiune de 12 V. Tranzistorul are caracteristici mult peste cele necesare pentru a nu exista pericolul defectarii lui sau a necesitatii folosirii unui radiator pentru racire (vezi anexa). Factorul de amplificare relativ bun nu ridica probleme asupra intrarii in saturatie sub actiunea de comanda. Pentru a nu avea o tensiune maxima la comanda releului folosim rezistenta R1 de 10 Ohm pentru a obtine o cadere de tensiune la bornele acestuia suficienta eliminarii riscului de ardere. Releul reprezinta elementul de executie care asigura separarea galvanica a sistemului de control fata de reteaua de alimentare a becurilor. Deoarece o singura comanda actioneaza 4 respectiv 2 becuri am folosit un releu dotat cu 4 perechi de contacte electrice independente si normal deschise cate unul pentru fiecare bec. Releul functioneaza la o tensiune de 12 Vcc, are rezistenta interna 350 Ohm si are un curent de aclansare de 34 mA, ceea ce a dus la alegerea anterioara a tranzistorului si a sursei de alimentare. Datorita curentului invers de autoinductie ce se inmagazineaza in bobina releului dupa incetarea semnalului, am folosit dioda 1N4006 pentru scurtcircuitarea acestuia. Becul este de 60 W si sunt alimentate de la reteaua de 220 V curent alternativ, rezultand un curent in circuit de 0,27 A (P = 60 W si U = 220 V, deci 60 / 220 = 0,27). Sunt necesare rezistente fuzibile de clasa rapida de 0,5 A pentru protectia circuitului si pentru a minimiza defectiunile in cazul supratensiunii becurilor sau scurtcircuitarii acestora, conectate direct pe nul cat si pe activ. Deoarece optocuplorul trebuie inseriat in circuit cu becul si stiind ca becul functioneaza la reteaua de 220 Vca, iar optocuplorul functioneaza in curent continuu este necesara redresarea tensiunii alternative. Pentru aceasta am folosit tot o dioda 1N4006. Optocuplorul impreuna cu dioda, condensatorul electrolitic si rezistentele reprezinta etajul de control al becurilor. Principiul de functionare al blocului de control este urmatorul: la inchiderea contactelor releului becurile care se afla sub potentialul fazei retelei sunt puse la nul, curentul care apare prin bec este redresat de dioda si prelucrat de restul circuitului pentru a ajunge la bornele optocuplorului care furnizeaza semnalul de control. Valorile componentelor electrice si electronice au fost alese in functie de necesitatea aplicatiei curente. Optocuplorul ales are o tensiune optima de intrare de 2,2 Vcc si un curent de 15 mA. Stiind aceasta tensiune si acest curent de intrare in optocuplor, cunoscand faptul ca becul produce un curent de 0,27 A la o tensiune electrica de 220 Vca si folosind formula divizorului de tensiune, am obtinut valoarea rezistentei R2 de 12 Ohm.
La redresarea tensiunii alternative am folosit dioda 1N4006 cu un circuit de intarziere de o milisecunda, obtinand o tensiune continua dubla-alternanta necesara optocuplorului. Am intarziat alternanta pozitiva cu o milisecunda deoarece perioada unei sinusoide fiind de 2 milisecunde, iar durata unei alternante fiind de o milisecunda, se asigura astfel si alternantele negative (vezi figura din dreapta).
Circuitul de intarziere contine un condensator de 22 microF si o rezistenta de 100 Ohm, valorile lor fiind calculate din formula de calcul a constantei de timp pentru circuit, acesta din urma fiind alimentat cu o tensiune de lucru de 50 Hz. Compatibilitatea la nivel logic a semnalului de control se obtine foarte simplu de la o sursa de tensiune de curent continuu cu valoarea de 5 V care este aplicata optocuplorului in functie de semnalul de intrare. Astfel sistemul considera becul aprins daca sesizeaza tensiunea de 5 V care corespunde nivelului logic “1” si considera becul stins in lipsa acestei tensiuni care corespunde nivelului logic “0”. Rezistenta R4 de 5000 Ohm din schema electrica are rolul de protectie a intrarii portului B prin absortia curentului rezultat in urma semnalului de control.
9.legatura microcontrolerului cu partea electrica. Fiecare port al microcontrolerului va comanada in mod direct cate un semafor . portul A va comanda semaforul s1 , portul B va comanda semaforul s2 , portul C va comanda semaforul S11 iar portul D va comanda semaforul s33. Primele 3 iesiri ptr porturile A si B vor comanda becurile corespunzatoare culorilor Rosu ,Galben si Verde iar urmatorii 3 pini vor fi folositi ptr intrarea semnalului de control pt verificarea starii becurilor iar ptr porturile C si D primele doua iesiri ptr Rosu si Verde iar urmatorii 2 pini ca intrari.
10. programarea microcontrolerului
include “m16def.inc” Jmp reset Jmp galben Jmp reset Jmp reset Jmp reset Jmp reset Jmp prag_1sec Jmp verificare_becuri Jmp reset Jmp reset Jmp reset Jmp reset Jmp reset Jmp reset Jmp reset Jmp reset Jmp reset Jmp reset Jmp reset Jmp reset Jmp reset Reset Ldi r16,high (ramend) Out sph,r16 Ldi r16,low(ramend) Out spl, r16 Ldi r16, 0b00000111 Out ddra , r16 Out ddrb, r16 Ldi r16, 0b00000011 Out ddrd, r16 Out ddrc, r16 Main: cli Ldi r16,0x00 Out TCCR1A,R16 LDI R16,0X08 OUT TCCR1B,R16 IN R16, TIMSK ANDI R16, 0B11000011 ORI R16,0B00010000 OUT TIMSK,R16 Sei: Bucla: RJMP BUCLA;
S1: Ldi r16,0x04 Out porta,r16 Ldi r16,0x01 Out Portb,r16 Ldi r16,0x01 Out portc,r16 Ldi r16,0x02 Out portd,r16 Ldi r17,0b00001000 Cpse r17,r19 Jmp s1 Jmp s2 Reti S2: Ldi r16,0x02 Out porta,r16 Ldi r16,0x02 Out Portb,r16 Ldi r16,0x01 Out portc,r16 Ldi r16,0x01 Out portd,r16 Ldi r17,0b00001100 Cpse r17,r19 Jmp s2 Jmp s3 Reti S3: Ldi r16,0x01 Out porta,r16 Ldi r16,0x04 Out Portb,r16 Ldi r16,0x02 Out portc,r16 Ldi r16,0x01 Out portd,r16 Ldi r17,0b00010100 Cpse r17,r19 Rjmp s3 Rjmp s4 Reti S4: Ldi r16,0x01 Out porta,r16 Ldi r16,0x01 Out Portb,r16 Ldi r16,0x01 Out portc,r16 Ldi r16,0x01 Out portd,r16 Ldi r17,0b00011000 Cpse r17,r19
Jmp s4 Jmp s1 reti Prag_1sec In r20,sreg In r18,0b00011000 Cpse r18,19 Inc r19 Ldi r19,0x00 In r22,0b00001100 Cpse r22, r21 Inc r21 Jmp verificare_becuri Out sreg,r20 Reti Galben: Ldi r16,0x02 Out porta, r16 Out portb,r16 Ldi r16,0x00 Out portc,r16 Out portd,r16 Reti Verificare_becuri: Ldi r18,0b11111111 Out porta,r18 Out portb,r18 Out portc,r18 Out portd,r18 Ldi r19,pina Cpse r19,r18 Jmp galben Ldi r19,pinb Cpse r19,r18 Jmp galben Ldi r19,pinc Cpse r19,r18 Jmp galben Ldi r19,pind Cpse r19,r18 Jmp galben reti
11 organigrama
C B
B
0
P
A
0
P
B
1
P
A
1
P
B
2
P
A
2
P
B
3
P
A
3
P
B
4
P
A
4
P
B
5
P
A
5
P
B
6
P
A
6
P
A
7
A
R
E
G
N
D
1
0 7
A
V F
4
2
P
C
b U
S
R
1 R
E
4
3
5
1
P R
B E
V G
7 S
E
C
C
N
D
X T A X T A
T
A
V
C
L
2
P
C
7
L
1
P
C
6
P
D
0
P
C
5
P
D
1
P
C
4
P
D
2
P
C
3
P
D
3
P
C
2
P
D
4
P
C
1
P
D
5
P
C
0
P
D
6
P
D
7
F
C
F
5
F
U
S
E
2
2 0
3
1 k
2
1
F
b
N
4 0
9
C 1 2 2 u F 9
1
U P
1 S
2
C
C
5 46 1
2 3
C
2
V
R 4 5 K
