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文档简介
1、 毕 业 设 计(论 文)题 目 基于单片机的交通灯控制系统设计与模拟毕业设计(论文)任务书学 院指导教师职 称讲师学生姓名专业班级学 号设计题目基于单片机的交通灯控制系统设计与模拟设计内容目标和要求(设计内容目标和要求、设计进度等)指导教师签名:年 月 日基层教学单位审核学 院审 核此表由指导教师填写学院审核毕业设计(论文)学生开题报告课题名称基于单片机的交通灯控制系统设计与模拟课题来源学校课题类型ay指导教师学生姓名学 号0专业班级本课题的研究现状、研究目的及意义交通控制系统是近现代社会随着物流、出行等交通发展产生的一套独特的公共管理系统。要保证高效安全的交通秩序,除了制定一系列的交通规则
2、,还必须通过一定的技术手段加以实现。现代电子科学技术的发展和成熟能比较好的解决系统建立中硬软件方面要求的技术难题。目前,交通控制方面的研究能完全实现自动智能化,甚至将整个区域整合成一个统一的系统范围,还能根据正常时段以及特定突发时段的情况进行科学的自动调整。交通控制研究的发展,旨在解决人类交通因需求的增多而日益繁重带来的问题,局限于道路建设的暂时不足和交通工具的快速增长,就要使更多的车辆安全高效的利用有限的道路资源,避免因无序和抢行等无控制原因造成的不必要阻塞甚至瘫痪,另外,针对整个交通线路车辆的多少实时调整和转移多条线路的分流也十分必要。交通网络是城市的动脉,象征着一个城市的工业文明水平。现
3、在各大中城市交通建设已初具规模,而部分小城市建设日益加快,交通控制的提高势在必行,研发交通控制技术是十分有潜力的。具有优良科学的交通控制技术对资源物流和人们出行都是十分有价值的,保证交通线路的畅通安全,才能保证出行舒畅,物流准时到位,甚至是生命通道的延伸。本设计尝试模拟单个路口的交通控制,目前可以采用以单片机为核心来设计,也可以采用eda技术、数字集成电路等多种方案来实现。将各种方案进行比较,本课题采用以单片机为核心的电子设计方法。充分了解控制方法以及运用相关知识加以实现。通过对本课题的研究,我们将加深对交通控制控制电路的理解,为今后设计出更加精良的交通控制电路打好基础。课题类型:(1)a工程
4、实践型;b理论研究型;c科研装置研制型;d计算机软件型;e综合应用型(2)x真实课题;y模拟课题;(1)、(2)均要填,如ay、bx等。本课题的研究内容(1)分析目前交通路口的基本控制技术以及各种通行方案,并以此为基础提出自己的交通控制的初步方案。(2)确定系统交通控制的总体设计,包括,十字路口具体的通行禁行方案设计以及系统应拥有的各项功能,在这里,本设计除了有信号灯状态控制能实现基本的交通功能,还增加了倒计时显示提示,基于实际情况,又要求了对车流量检测及自调整模拟功能,违规检测及处理,紧急状况处理和键盘可设置等强大功能。 (3)进行智能传感器的硬件电路、显示电路等的设计和对各器件的选择及连接
5、,大体分配各个器件及模块的基本功能要求。(4)进行软件系统的设计,对于本系统,本人采用单片机汇编语言编写,对单片机内部结构和工作情况做了充足的研究,了解定时器,中断以及延时原理,总体上完成了软件的编写。本课题研究的实施方案、进度安排实施方案: 本设计模拟基本的交通控制系统,硬件方面用红绿黄灯表示禁行,通行和等待的信号发生,还能进行倒计时显示提醒行驶者,车流量检测为单片机采集数据并进行调整,交通违规处理和紧急处理等功能。据此,本设计系统以单片机为控制核心,连接成最小系统,由车流量检测模块,违规检测模块,和按键设置模块等产生输入,信号灯状态模块,led倒计时模块和蜂鸣器状态模块接受输出。在软件方面
6、运用单片机汇编语言接受按键的输入设置并控制信号灯的基本变化,同时实时处理各检查装置输入的数据,判断产生对信号灯的变化控制以实现交通灯的设计模拟。进度安排:3月15日3月31日 撰写开题报告。4月01日4月25日 着手进行方案的实施,并开始撰写论文初稿。4月26日5月05日 在梅老师的指导下进行论文初稿的修改。5月06日5月15日 将修改后的论文交给刘老师进行审阅。5月15日5月25日 准备论文答辩工作。已查阅的主要参考文献l边海龙,孙永奎. 单片机开发与典型工程项目实例详解j.电子工业出版社,2008,(10):143-160.2王为青,邱文勋. 51单片机开发案例精选j.人民邮电出版社,20
7、01,(5):45-47.3张鑫,华臻,陈书谦. 单片机原理及应用j.电子工业出版社,2008(5).4张洪润,张亚凡.单片机原理及应用j. 清华大学出版社,2005,(4).5黄智伟.凌阳单片机课程设计指导j. 北京航空航天大学出版社,2007,(6)6蒋辉平,周国雄. 基于proteus的单片机系统设计与仿真实例m.机械工业出版社,2009.7张毅坤. 单片微型计算机原理及应用,m西安电子科技大学出版社 1998 8余锡存 曹国华.单片机原理及接口技术m.陕西:西安电子科技大学出版社,2000.79雷丽文 等.微机原理与接口技术m.北京:电子工业出版社,1997.2指导教师意见指导教师签名
8、: 年 月 日毕业设计(论文)学生申请答辩表课 题 名 称基于单片机的交通灯控制系统设计与模拟指导教师(职称)梅菲(讲师)申 请 理 由学分修满,申请答辩学生所在学院专业班级学号 学生签名: 日期:毕业设计(论文)指导教师评审表序号评分项目(理工科、管理类)评分项目(文科)满分评分1工作量外文翻译152文献阅读与外文翻译文献阅读与文献综述103技术水平与实际能力创新能力与学术水平254研究成果基础理论与专业知识论证能力255文字表达文字表达106学习态度与规范要求学习态度与规范要求15是否同意参加答辩:总分评语 指导教师签名: 另附毕业设计(论文)指导记录册 年 月 日毕业设计(论文)评阅人评
9、审表学生姓名专业班级学号设计(论文)题目基于单片机的交通灯控制系统设计与模拟评阅人评阅人职称序号评分项目(理工科、管理类)评分项目(文科)满分评分1工作量外文翻译152文献阅读与外文翻译文献阅读与文献综述103技术水平与实际能力创新能力与学术水平254研究成果基础理论与专业知识论证能力255文字表达文字表达106学习态度与规范要求学习态度与规范要求15总分评语 评阅人签名: 年 月 日毕业设计(论文)答辩表学生姓名专业班级学号设计(论文)题目基于单片机的交通灯控制系统设计与模拟序号评审项目指 标满分评分1报告内容思路清新;语言表达准确,概念清楚,论点正确;实验方法科学,分析归纳合理;结论有应用
10、价值。402报告过程准备工作充分,时间符合要求。103创 新对前人工作有改进或突破,或有独特见解。104答 辩回答问题有理论依据,基本概念清楚。主要问题回答准确,深入。40总分答辩组评语答辩组组长(签字): 年 月 日 答辩委员会意见答辩委员会负责人(签字): 年 月 日毕业设计(论文)成绩评定总表 毕业设计(论文)题目:基于单片机的交通灯控制系统设计与模拟成绩类别成绩评定指导教师评定成绩评阅人评定成绩答辩组评定成绩总评成绩×40%+×20%+×40%评定等级注:成绩评定由指导教师、评阅教师和答辩组分别给分(以百分记),最后按“优(90-100)”、“良(80-8
11、9)”、“中(70-79)”、“及格(60-69)”、“不及格(60以下)”评定等级。其中, 指导教师评定成绩占40%,评阅人评定成绩占20%,答辩组评定成绩占40%。摘 要交通控制系统是近现代社会随着物流、出行等交通发展产生的一套独特的公共管理系统。要保证高效安全的交通秩序,除了制定一系列的交通规则,还必须通过一定的科技手段加以实现。本文在对目前交通控制进行深入分析的基础上,运用检测传感、实时调整智能化控制的实现技术,将传感器监测、实时调整车辆通行时间的算法与单片机控制作用相结合,提出了基于单片机的交通控制系统设计方案。8051单片机的交通灯控制系统由8051单片机、交通灯显示、led倒计时
12、、车流量检测及调整、违规检测、紧急处理、时间模式手动设置等模块组成。系统除基本交通灯功能外,还具有通行时间手动设置、可倒计时显示、急车强行通过、车流量检测及调整、交通异常状况判别及处理等相关功能。理论证明该系统能够简单、经济、有效地疏导交通,提高交通路口的通行能力。本设计主要做了如下几方面的工作:一是确定系统交通控制的总体设计,包括,十字路口具体的通行禁行方案设计以及系统应拥有的各项功能,二是进行传感器的硬件电路、显示电路等的设计和基本功能要求。三是进行软件系统的设计,对于本系统,本人采用单片机汇编语言编写,总体上完成了软件的编写。关键词:交通控制,传感检测,at89c52,倒计时显示,异常状
13、况判别及处理abstracttraffic control system is a modern society with logistics, travel etc of traffic development a unique set of public management system. to ensure the effective safety traffic, except for a series of traffic rules, still must through certain technological means to achieve. based on analy
14、sis of traffic control, based on real-time detection sensor, adjust the implementation technology of intelligent control, real-time monitoring, sensor adjust vehicles time algorithm and single-chip microcomputer control function is proposed, which combines the traffic control system based on single
15、chip design scheme.the 8051 microcontroller control system consists of the traffic lights display, 8051 monolithic integrated circuits, and led the countdown, traffic violation detection, emergency adjustment, manual mode, time as modules. in addition to the basic traffic function outside, still hav
16、e time to manually set, can pass the countdown, car that forced through traffic, inspection and adjustment, transportation and processing abnormal discriminant functions. theory shows that the system can simple, economic and effective relieves traffic, improve the crossroads capacity.this design mai
17、nly do the following aspects: one is the work of the traffic control system design, including the crossroads, specific design and system should be restricted with each function, two is that the sensor, the hardware circuit design of the circuit and the basic function and requirement. three is softwa
18、re system design, this system for i mcu assembly language, overall finished writing software.key words: traffic control, sensing detection, display, and countdown at89c52 abnormal discrimination and processing.目 录摘 要iabstractii目 录iii1 绪 论51.1单片机交通控制系统的选题背景51.2单片机交通控制系统选题的现实意义51.3国内外研究现状及其发展71.3.1国内外
19、交通控制技术71.3.2交通控制存在的问题71.4单片机交通控制系统主要研究的内容82 单片机交通控制系统总体设计92.1单片机交通控制系统的通行方案设计92.2单片机交通控制系统的功能要求102.3单片机交通控制系统的基本构成及原理123 系统硬件电路的设计133.1系统硬件总电路构成及原理133.1.1系统硬件电路构成133.1.2系统工作原理133.2单片机的选择153.2.1单片机的概述153.2.2 at89c52芯片的主要性能153.2.3 at89c52芯片的内部结构框图153.2.4 at89c52芯片最小系统163.3其它硬件介绍及连接173.3.1车流量检测电路及模拟173
20、.3.2违规检测电路及模拟183.3.3八段led数码管193.3.4其它器件214 系统软件程序的设计234.1程序主体设计流程234.2理论基础知识244.3子程序模块设计264.4源程序314.5系统软件调试36结 论39参考文献40致 谢41411 绪 论1.1单片机交通控制系统的选题背景随着人口快速的增多,交通工具的爆炸性的发展,以及道路资源的有限性,交通控制就应运而生,在人类的生活、工作环境中,交通扮演着极其重要的角色,人们的出行都无时不刻与交通打着交道。自18世纪工业革命以来,工业发展带动整个交通运输的发展,从而催生了单独的交通控制学问与管理机构。交通控制系统是近现代社会随着物流
21、、出行等交通发展产生的一套独特的公共管理系统。要保证高效安全的交通秩序,除了制定一系列的交通规则,还必须通过一定的技术手段加以实现。现代人类科学技术,特别是电子科学技术的发展和成熟能比较好的解决系统建立中硬软件方面要求的技术难题。目前,交通控制方面的研究能完全实现自动智能化,甚至将整个区域整合成一个统一的系统范围,还能根据正常时段以及特定突发时段的情况进行科学的自动调整。交通对于社会的工业经济和人们的生活生产中有着十分重要的意义。随着单片机和传感技术的迅速发展,自动检测领域发生了巨大变化,交通自动监测控制方面的研究有了明显的进展,并且必将以其优异的性能价格比,逐步取代传统的交通控制措施。1.2
22、单片机交通控制系统选题的现实意义城市道路交通自动控制系统的发展是以城市交通信号控制技术为前导,与汽车工业并行发展的。在其各个发展阶段,由于交通的各种矛盾不断出现,人们总是尽可能地把各个历史阶段当时的最新科技成果应用到交通自动控制中来,从而促进了交通自动控制技术的不断发展。早在1850年,城市交叉口处不断增长的交通就引发了人们对安全和拥堵的关注。世界上第一台交通自动信号灯的诞生,拉开了城市交通控制的序幕,1868年,英国工程师纳伊特在伦敦威斯特敏斯特街口安装了一台红绿两色的煤气照明灯,用来控制交叉路口马车的通行,但一次煤气爆炸事故致使这种交通信号灯几乎销声匿迹了近半个世纪。1914年及稍晚一些时
23、候,美国的克利夫兰、纽约和芝加哥才重新出现了交通信号灯,它们采用电力驱动,与现在意义上的信号灯已经相差无几。1926年英国人第一次安装和使用自动化的控制器来控制交通信号灯,这是城市交通自动控制的起点。早期的交通信号灯使用“固定配时”方式实行自动控制,这种方式对于早期交通流量不大的情况曾起过一定的作用。但随着汽车工业的发展、交通流量增加、随机变化增强,采用以往那种单一模式的“固定配时”方式已不能满足客观需要,于是一种多时段多方案的信号控制器开始出现并逐步取代了传统的只有一种控制方案的控制器。 20世纪30年代初,美国最早开始用车辆感应式信号控制器,之后是英国,当时使用的车辆检测器是气动橡皮管检测
24、器。车辆感应控制器的特点是它能根据检测器测量的交通流量来调整绿灯时间的长短,使绿灯时间更有效地被利用,减少车辆在交叉口的时间延误,比定时控制方式有更大的灵活性。车辆感应控制的这一特点刺激了车辆检测器技术的发展。继气动橡皮管式检测器之后,雷达、超声波、光电、地磁、电磁、微波、红外以及环形线圈等检测器相继问世。当今在城市道路交通自动控制、交通监测和交通数据采集系统中,应用最广的是环形线圈车辆检测器。超声波检测器主要在日本等少数国家得到广泛应用。计算机技术的出现为交通控制技术的发展注入了新的活力,更是实现了以一个城市或者更大地域,而非简单的一个路口的交通总体控制系统。1952年,美国科罗拉多州丹佛市
25、首次利用模拟计算机和交通检测器实现了对交通信号机网的配时方案自动选择式信号灯控制,而加拿大多伦多市于1964年完成了计算机控制信号灯的实用化,建立了一套由ibm650型计算机控制的交通信号协调控制系统,成为世界上第一个具有电子数字计算机城市交通控制系统的城市。这是道路交通控制技术发展的里程碑。可以说,在近百年的发展中,道路交通信号控制系统经历了手动到自动,从固定配时到灵活配时,从无感应控制到有感应控制,从单点控制到干线控制,从区域控制到网络控制的长远过程。交通控制研究的发展,旨在解决人类交通因需求的增多而日益繁重带来的问题,局限于道路建设的暂时不足和交通工具的快速增长,就要使更多的车辆安全高效
26、的利用有限的道路资源,避免因无序和抢行等无控制原因造成的不必要阻塞甚至瘫痪,另外,针对整个交通线路车辆的多少实时调整和转移多条线路的分流也十分必要。交通网络是城市的动脉,象征着一个城市的工业文明水平。交通关系着人们对于财产,安全和时间相关的利益。具有优良科学的交通控制技术对资源物流和人们出行都是十分有价值的,保证交通线路的畅通安全,才能保证出行舒畅,物流准时到位,甚至是生命通道的延伸。1.3国内外研究现状及其发展1.3.1国内外交通控制技术当前世界各国广泛使用的最具代表性却有实施的城市道路交通信号控制系统有英国的transyt与scoots交通控制系统和澳大利亚的scats系统。在信号机的发展
27、历程中,自适应理论一直受到各研究机构的欢迎,比如上面所述的scoots和scats系统。最近几年,国外仍偏向于引进自适应理论来对交通信号控制系统进行研制,特别是美国有十几个大学或研制机构正在研制自适应交通信号控制系统,具有代表性的有美国亚利桑那大学研制的rhodes。我国交通领域的发展起步较晚,基本是从新中国建国之后,随着各方面的条件的成熟以及社会发展的要求,才建立及健全交通控制系统的。城市交通是一个高度综合而又复杂的问题,必须从政策,机构,体制,管理,收费价格,基础设施建设和投资各个方面同时入手解决。我国城市经济和社会的高速发展使得社会对交通的需求急剧增加。也对此提出了严峻的挑战,一句城市发
28、展的规划,建设以及运行原照,在广泛借鉴和吸取国外先进经验的基础上,建立并完善适合我国国情的城市交通系统1.3.2交通控制存在的问题我国城市交通运输的现状和存在的问题,借鉴国外城市交通管理的先进经验,强调建立城市交通管理体制的重要性,提出加强城市交通研究的交通规划,建立稳定的交通基础设施建设的资金出道,实行公交优先政策,建立先进的交通信息系统等对策。随着城市机动车增长速度的加快。1994年卧轨城市机动车保有量已接近500完辆。20世纪90年代以来,经济的发展加快,从1985年到1995年,机动车增长率达13%左右,近几年更是增多。然而,在此同时,城市道路建设规模也在加大,我国城市普遍存在道路密度
29、,道路面积率偏低的问题,这是我国城市哟其是大城市有机的一个重要原因。我国城市道路的密度只有6.8km每平方千米,而在20世纪80年代,世界发达国家就已到达20km每平方千米。20世纪90年代,我国部分城市道路面积率,北京为5.9%,上海为6.4%,而国外东京为13.8%,巴黎为25%,普遍高于我国。近几年,国家虽不断加大城市道路建设的力度,但仍赶不上车辆的增长速度,且与世界其他国家相比,差距仍很大。出租车以及公交的发展运营情况并不尽如人意,虽然车辆和线路长度增长,但运营速度成了瓶颈,新增的运力被运输效率低下所抵消。交通管理方面水平还欠发展,随着交通需求越来越旺盛,而我国城市中小交通管理和交通安
30、全的现代化设施却做得不足。在车辆,道路和交通管理系统,城市交通信号控制系统,城市交通管制中应用人工智能技术,信息 采集和信息提供技术等方面都与发达国家有很大差距。近几年,虽然有部分城市研究和引进一些国外先进的交通信号管理系统,但是由于交通管理设施不足等原因,我国交通事故率居高不下。城市车流行驶速度逐年下降,目前不少城市交通运量年年增长,但运输速度普遍下降,这都源于交通通行不佳。1.4单片机交通控制系统主要研究的内容基于整个交通控制系统的发展情况,本设计主要进行如下方面的研究:用智能,集成,且功能强大的单片机芯片为控制中心,设计出一套十字路口的交通控制系统,以指挥该路口的实时通行状态。本设计主要
31、做了如下几方面的工作:一是确定系统交通控制的总体设计,包括,十字路口具体的通行禁行方案设计以及系统应拥有的各项功能,在这里,本设计除了有信号灯状态控制能实现基本的交通功能,还增加了倒计时显示提示,基于实际情况,又要求了对车流量检测及自调整模拟功能,违规检测及处理,紧急状况处理和键盘可设置等强大功能。 二是进行智能传感器的硬件电路,显示电路等的设计对各器件的选择及连接,大体分配各个器件及模块的基本功能要求。三是进行软件系统的设计,对于本系统,本人采用单片机汇编语言编写,对单片机内部结构和工作情况做了充足的研究,了解定时器,中断以及延时原理,总体上完成了软件的编写。2 单片机交通控制系统总体设计2
32、.1单片机交通控制系统的通行方案设计设在十字路口,分为东西向和南北向,在任一时刻只有一个方向通行,另一方向禁行,持续一定时间,经过短暂的过渡时间,将通行禁行方向对换。其具体状态如下图所示。说明:黑色表示亮,白色表示灭。交通状态从状态1开始变换,直至状态6然后循环至状态1,周而复始,即如图2.1所示:图2.1 交通状态 通过具体的路口交通灯状态的演示分析我们可以把这四个状态归纳如下:东西方向红灯灭,同时绿灯亮,南北方向黄灯灭,同时红灯亮,倒计时20秒。此状态下,东西向禁止通行,南北向允许通行。东西方向绿灯灭,同时黄灯亮,南北方向红灯亮,倒计时2秒。此状态下,除了已经正在通行中的其他所以车辆都需等
33、待状态转换。南北方向红灯灭,同时绿灯亮,东西方向黄灯灭,同时红灯亮,倒计时20秒。此状态下,东西向允许通行,南北向禁止通行。南北方向绿灯灭,同时黄灯亮,东西方向红灯亮,倒计时2秒。此状态下,除了已经正在通行中的其他所以车辆都需等待状态转换。下面我们可以用图表表示灯状态和行止状态的关系如下:状态1状态3状态4状态6东西向禁行等待变换通行等待变换南北向通行等待变换禁行等待变换东西红灯1100东西黄灯0001东西绿灯0010南北红灯0011南北绿灯1000南北黄灯0100表2.1 交通状态及红绿灯状态东西南北四个路口均有红绿黄3灯和数码显示管2个,在任一个路口,遇红灯禁止通行,转绿灯允许通行,之后黄
34、灯亮警告行止状态将变换。状态及红绿灯状态如表2.1所示。说明:0表示灭,1表示亮。2.2单片机交通控制系统的功能要求本设计能模拟基本的交通控制系统,用红绿黄灯表示禁行,通行和等待的信号发生,还能进行倒计时显示,车流量检测及调整,交通违规处理和紧急处理等功能。(1)倒计时显示倒计时显示可以提醒驾驶员在信号灯灯色发生改变的时间、在“停止”和“通过”两者间作出合适的选择。驾驶员和行人普遍都愿意选择有倒计时显示的信号控制方式,并且认为有倒计时显示的路口更安全。倒计时显示是用来减少驾驶员在信号灯色改变的关键时刻做出复杂判断的1种方法,它可以提醒驾驶员灯色发生改变的时间,帮助驾驶员在“停止”和“通过”两者
35、间作出合适的选择 。(2)车流量检测及调整随着我国经济建设的蓬勃发展,城市人口和机动车拥有量在急剧增长,交通流量日益加大,交通拥挤堵塞现象日趋严重,交通事故时有发生。车辆检测器作为智能交通系统的基本组成部分,在智能交通系统中占有重要的地位。现阶段,车辆检测器检测方式有很多,各有其优缺点,如红外线检测器、地磁检测器、机械压电检测器,磁频检测器、波频检测器、视频检测器等。一般车流量检测器采用传感器+单片机+外围器件来实现。 而且,目前国内使用的红绿灯都是固定的红绿灯时间,并自动切换。红灯时间和绿灯时间,是根据道口东西向和南北向的车流量,利用统计方法确定的。交通警察不断观察十字路口的两个方向,根据车
36、辆密度和流速决定是否切换红绿灯,以保证最佳的道路交通控制状态。(3)时间手动设置 除系统根据车流量自动控制调整,也可以通过键盘进行手动设置,增加了人为的可控性,避免自动故障和意外发生,并再紧急状态下,可设置所有灯变为红灯。键盘是单片机系统中最常用的人机接口,一般情况下有独立式和行列式两种。前者软件编写简单,但在按键数量较多时特别浪费i0口资源,一般用于按键数量少的系统。后者适用于按键数量较多的场合,但是在单片机i0 口资源相对较少而需要较多按键时,此方法仍不能满足设计要求。本系统要求的按键控制不多,且i0口足够,可直接采用独立式。(4)紧急处理 交通路口出现紧急状况在所难免,如特大事件发生,救
37、护车等急行车通过等,我们都必须尽量允许其畅通无阻,毕竟在这种情况下是分秒必争的,时时刻刻关系着公共财产安全,个人生死攸关等。由此在交通控制中增设禁停按键,就可达到想此目的。(5)违规检测 交通规则必须人人遵守,但是违反规则,如闯红灯等,也时有发生,交警等交通管理人员虽然可以进行实时监管,但是耗费精力,在路口设置检测传感器就可以进行自动的警报提示。2.3单片机交通控制系统的基本构成及原理单片机设计交通灯控制系统,可用单片机直接控制信号灯的状态变化,基本上可以指挥交通的具体通行,当然,接入led数码管就可以显示倒计时以提醒行使者,更具人性化。本系统在此基础上,加入了违规检测电路和车流量检测电路为单
38、片机采集数据,单片机对此进行具体处理,及时调整控制指挥,为了超越视觉指挥的局限性,同时接上蜂鸣器,在听觉上加强了指挥提醒作用。图2.2 系统的总体框图据此,本设计系统以单片机为控制核心,连接成最小系统,由车流量检测模块,违规检测模块,和按键设置模块等产生输入,信号灯状态模块,led倒计时模块和蜂鸣器状态模块接受输出。系统的总体框图如上所示。键盘设置模块对系统输入模式选择及具体通行时间设置的信号,系统进入正常工作状态,执行交通灯状态显示控制,同时将时间数据倒计时输入到led数码管上实时显示。在此过程中还要实时捕捉违规检测和紧急按键信号,以达到对异常状态进行实时控制的目的。急停按键和违规检测随时调
39、用中断。在模式选择上,若为自动模式,将不断调用车流量检测模块对车流量进行检测统计,到达一定时间将修正通行时间一满足不同路况的需要。3 系统硬件电路的设计3.1系统硬件总电路构成及原理实现本设计要求的具体功能,可以选用at89c52单片机及外围器件构成最小控制系统,12个发光二极管分成4组红绿黄三色灯构成信号灯指示模块,8个led东西南北各两个构成倒计时显示模块,车流量检测传感器采集流量数据,光敏传感器捕获违规信号,若干按键组成时间设置和模式选择按钮和紧急按钮等,以及用1个蜂鸣器进行报警。3.1.1系统硬件电路构成本系统以单片机为核心,组成一个集车流量采集、处理、自动控制为一身的闭环控制系统。系
40、统硬件电路由车流量检测电路、单片机、违规检测电路,状态灯,led显示,按键,蜂鸣器组成。其具体的硬件电路总图如图3.1所示。其中p0,p1,用于送显两片led数码管,p2用于控制红绿黄发光二极管,xtal1和xtal2接入晶振时钟电路,rest引脚接上复位电路,p3.2即int1接违规检测电路和紧停东西时间设置键j,p3.3即int1接车流量检测电路,p3.6接南北时间设置键s,p3.7接自动模式选择返回键f,p3.4接蜂鸣器。3.1.2系统工作原理系统上电或手动复位之后,系统等待模式选择设置键按下,模式分两种:红绿灯时间自动和红绿灯时间设置。若此时f键按下,则设置为自动模式,若此时按下的是s
41、键,则设置为时间设置模式,依次按s若干次,j键若干次可设置好两个方向的红绿灯时间,再按f键确认。其实这个过程就是将存储时间值的寄存器进行设置,以及标志是否要进行车流量检测及调整。接下来,系统必须先显示状态灯及led数码管,将状态码值送显p2口,将要显示的时间值的个位和十位分别送显p0和p1口,在此同时以50ms为周期,用软件方法计时1秒,到达1s就要将时间值减1,刷新led数码管。时间到达一个状态所要全部时间,则要进行下一状态判断及衔接,并装入次状态的相应状态码值以及时间值,当然,还要开启两个外部中断,其一为违规信号或禁停信号输入,一旦信号有效,中断开始,进入中断服务子程序,开启蜂鸣器禁止全部
42、通行,当按下f键,中断结束返回。其二为车流量检测信号输入,若检测到车辆经过,进入相应的中断子程序,将存储车流量的寄存器加1,然后中断结束返回。每满一个状态循环周期,若为自动模式,则须将检测到的车流量数据处理一次,判断两个方向的交通轻重缓急状况,再调整下次状态循环的红绿灯时间,以达到自动控制的目的。图3.13.2单片机的选择3.2.1单片机的概述单片微型计算机简称单片机,又称微控制器,嵌入式微控制器等,属于第四代电子计算机。它把中央处理器、存储器、输入/输出接口电路以及定时器/计数器集成在一块芯片上,从而具有体积小、功耗低、价格低廉、抗干扰能力强且可靠性高等特点,因此,适合应用于工业过程控制、智
43、能仪器仪表和测控系统的前端装置。正是由于这一原因,国际上逐渐采用微控制器(mcu)代替单片微型计算机(scm)这一名称。“微控制器”更能反映单片机的本质,但是由于单片机这个名称已经为国内大多数人所接受,所以仍沿用“单片机”这一名称。单片机的主要特点有:1)具有优异的性能价格比。2)集成度高、体积小、可靠性高。3)控制功能强。4)低电压,低功耗。3.2.2 at89c52芯片的主要性能芯片at89c52是atmel公司生产的带2k字节快闪存储器的8位单片机。它具有如下的一些特性:指令和89c51产品兼容 内含2k字节可重复编程快闪存储器耐久性1,000写/擦除周期 2.7v6v的工作电压范围全静
44、态操作0hz24mhz 二级程序存储器加锁内含128*8位内部ram 15根可编程i/0引线2个16位的计数器/定时器 6个中断源带有可编程串行通讯口 可直接驱动led输出片内模拟电压比较器 低功耗空载和掉电方式另外,该单片机还具有体积小,价格低等特点。3.2.3 at89c52芯片的内部结构框图at89c52是一带有2k字节快闪可编程可擦除存储体(eeprom)的低电压、高性能8位cmos微型计算机。它采用atmel的高密非易失存储技术制造并和工业标准mcs51指令集和引脚结构兼容。通过在单块芯片上组合通用的cpl1和快闪存储器,atmel公司生产的at89c52是一强劲的微型计算机,它对许
45、多嵌入式控制的应用,提供了一种高度灵活和成本低的解决办法。图3.2为at89c52的内部结构框图。图3.2at89c2051内部结构图3.2.4 at89c52芯片最小系统一个最简单的单片机系统包括晶振、复位、电源、系统的输入控制、输出显示,以及其他外围模块(如通信、数据采集等)。(1)时钟电路首先介绍一下单片机的晶振电路,即时钟电路。单片机的工作流程,就是在系统时钟的作用下,一条一条地执行存储器中的程序。单片机的时钟电路由外接的一只晶振和两只起振电容,以及单片机内部的时钟电路组成,晶振的频率越高,单片机处理数据的速度越快,系统功耗也会相应增加,稳定性也会下降。单片机系统常用的晶振频率有6mh
46、z、110592mhz、12mhz、本系统采用110592mhz晶振,电容选22pf或30pf均可。(2)复位电路系统刚上电时,单片机内部的程序还没有开始执行,需要一段准备时间,也就是复位时间。一个稳定的单片机系统必须设计复位电路。当程序跑飞或死机时,也需要进行系统复位。复位电路有很多种,有上电复位,手动复位等。 (3)ea脚的功能及接法单片机的ea脚控制程序从内部存储器还是从外部存储器读取程序。由于现在单片机内部的flash容量都很大,因此基本都是从内部的存储器读取程序,即不需要外接rom来存储程序,因此,ea脚必须接高电平。本设计中复位方式采用上电按键手动复位方式,时钟采用内部时钟。如下图
47、3.3所示。图3.3 本系统复位与时钟方式3.3其它硬件介绍及连接3.3.1车流量检测电路及模拟为了达到对红绿灯的时间控制,需要对道路上的车流量进行检测。当前比较流行的车流量检测器件,是一种自感式的车辆传感器。其工作原理是当车辆经过传感器时,引起其自感的变化,考虑到单片机系统的便利性,本次设计用一种手动的操作方式,即车流量的检测电路用拨断开关代替。其基本思路为:当车流量大时,有拨断开关送出一个高电平。另外,再单片机和坡度按开关之间加了光电隔离。下面叫简绍光电隔离,以tlp550为例。tlp550是日本东芝公司生产的一款光耦,该光耦没有和基极连接,适合与再噪声比较大的环境中应用。tlp550的工
48、作原理如下:当2.3叫的电压为正,且能时发光二极管正常发光时,控制的发光二极管发光,使得输出端的光敏二极管导通。这样输出端的基极相当于与8引脚连接,其电平为高,使得三极管导通,及5.6两个引脚导通。由于5引脚接地,这样输出端6叫就为低电平。再实际使用中,6.8引脚通常会连接一个电阻。这样当2.3引脚的电压不足使发光二级光发光时,输出端三极管就不到同,就相当于输出端6引脚通过一个电阻接到了8脚上。相对于后面的连接电路来书,其为高电平。这样就可以通过控制2.3引脚之间的电压,来控制输出6引脚的电平,达到电压耦合的隔离的作用。车流量检测电路如下图3.4所示。图3.4 车流量检测电路基于光电隔离的作用
49、,再加上拨断开关和led,为了避免干扰信号,可以加入光电耦合器。如图所示,当开关状态如图所示时,led点亮,同时低电平被单片机捕获。当开关拨下时led熄灭,同时高点平被单片机捕获,这样单片机通过捕获的电平状态做出相应的控制,与led的状态即车流量的状态互相配合协调。3.3.2违规检测电路及模拟在红灯和黄灯期间,车辆是禁行的,为了对那些违反规则的车辆进行检测,可使用超声波车辆传感器。但是,用于受到条件的限制,本系统设计中只是使用了普通光敏二极管。图3.5 违规检测电路其基本设计思想是:将光敏二极管放在停车线上,当车辆行驶过将光敏二极管遮住,这样,光敏二极管就不导通,单片机检测到这一信号执行警报操
50、作。违规检测电路如下图3.5所示。但是除了使用光敏二极管,还需使用三极管,三极管的型号是9031.由于普通光敏二极管的开关特性不太好,所以设计在电路中加入了三极管作为开关。由于普通光敏二极管在导通的情况下的电阻都能达到0.5-1k,所以在设计中将光敏二极管直接连到了电源上。同时三极管还可以起到一定的隔直作用。当光敏二极管关闭时,三极管的基极为低电平,基极与发射基之间的电压为零,三极管关断,检测口的电压为高电平。同理,当光敏二极管导通时,三极管的基极电压为高,基极与发射极之间的电平为高,三极管导通,检测口的电压为低电平。基于此就可以检测是否有违规车辆了。3.3.3八段led数码管led显示屏作为
51、大型显示设备的一种,具有亮度高、价格低、寿命长、维护简便等优点。led数码管的结构简单,分为七段和八段两种形式,也有共阳和共阴之分。以八段共阳管为例,它有8个发光二极管(比七段多一个发光二极管,用来显示sp,即点),每个发光二极管的阳极连在一起,如图3.6所示。这样,一个led数码管就有i根位选线和8根段选线,要想显示一个数值,就要分别对它们的高低电平来加以控制。为方便起见,本文主要讨论共阳八段led数码显示管,其他类形的显示管与其类似。图3.6 led数码管led 灯的显示原理:通过同名管脚上所加电平的高低来控制发光二极管是否点亮而显示不同的字形,如 dp,g,f,e,d,c,b,a全亮显示
52、为,采用共阳极连接驱动代码,代码表如下表3.1所示。显示数值dp,g,f,e,d,c,b,a驱动代码011010000c0h111111001f9h210100100a4h310110000b0h41001100199h51001001092h61000001082h711111000f8h81000000080h91001000090h表3.1 驱动代码表相应在程序软件上,可以通过调用程序给定的秒值经过特定计算算出需要显示的个位和十位,然后有dptr调取ledmap的代码。led8段数码管的设置为每个方位上的一对2为显示器。四个方位上总共用8个led接在单片机的io口上。虽然路口不一样,但是
53、显示的时间在数字上是一样的,所以两边连接的io口是对称的。如图3.7所示,其中a,b分别是p0,p1的网络标号。图3.7 led连接图3.3.4其它器件(1)发光二极管根据本设计的特点,红绿灯的显示不可少,红绿灯的显示采用普通的发光二极管。每个方向上设置红绿黄灯,总共4组。如果东西红灯亮,那南北方向就是绿灯亮,反之亦然,所以在硬件上连接图上也是对称分布的,如下图3.8所示。图3.8 信号灯的连接(2)蜂鸣器本设计采用一般蜂鸣器,蜂鸣器使用pnp三极管进行驱动控制,当p1.0引脚输出为低电平,pnp导通,蜂鸣器蜂鸣;当p0.1引脚输出高电平时,pnp截止,蜂鸣器停止蜂鸣。如下图3.9所示图3.9 蜂鸣器连接(3)按键控制本设计设置了有3个键:s键p3.2,j键p3.2,f键p3.7。每个按键一端接地,另一端接上拉电阻。低电平有效,当按键按下端口接地,单片机捕获到低电平,从而知道相应的输入信息。如下图3.10所示图3.9 按键示意图4 系统软件程序的设计4.1程序主体设计流程全部控制程序实际上分为若干模块:键盘设置处理程序,状态灯控制程序,led显示程序,消抖动延时程序,次状态判断及处理程序,紧停或违规判断程序,中断服务子程序,车流量计数程序,红绿灯时间调整程序等。整个软件程序方面主要分两大部分:按键处理程序和50ms扫描程序。流程图如图4.1所示。
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