智能交通4控制系统设

智能交通控制系统设计所在专业：指导教师：答辩人：摘要随着社会的发展现代社会的道路车流人流量的增加使得对道路的交通灯控制系统的控制需求也更加的复杂。本文设计一款基于STC89C52单片机的智能交通灯控制系统。本系统设计一款带直行、左转、右转、掉头、四种通行控制交通控制系统，可以显示倒计时功能。同时本系统带有紧急和夜间模式按钮，当按下紧急按键以后所有灯都亮红灯，当按下夜间模式按钮以后所有灯都亮黄灯。通过查阅先关资料研究和通过PROTEUS软件仿真测试，发现本设计完全符合设计要求和当前道路对交通灯系统的需求。1引言3硬件设计4软件设计目录2系统介绍及方案讨论1引言1选题背景现今已知最早的交通灯是手牵皮带，而后发展到二十世纪五十年代开始出现电气控制的交通灯。从近代开始通过计算机对交通灯进行控制发展到电子定时监控的现代化交通灯，随着相关技术越来越科学化以及自动化，交通信号灯系统也在与时俱进，不断地进行系统更新，开发新的系统功能，完善不足之处。交通指挥灯最早是由非裔美国人加莱特.摩根在1923年发明的。在此之前，使用自动转换的铁路交通信号灯的铁路交通系统已经运行了很久。可是受限于原有的火车交通系统中火车运行时是按照固定的时刻表以单列方式运行的。而且，由于火车要想停下来并不是很容易的一件事，因此在当时，铁路交通系统中使用的信号灯只能显示传递一种交通指令：通行。而相比而言，在公路交通中的交通红绿灯大不相同，其使命则更多的是需要及时的告知机动车司机将车停下。相信对于所有开车的人而言，他们当中谁都不愿意看到交通灯上显示停车信号。就如美国夏威夷大学心理学家詹姆斯所指出的，人们都有一种很奇怪的倾向情绪，那就是总是会将刹车和油门与自尊相互联系起来。詹姆斯说：每当驾车者观察到黄灯闪亮时，他们的心里就开始做好打算，在潜意识中随时作好加速的准备。但是如果他们发现红灯在这个时候亮了起来，他们的心理立刻就会有一种失望的感觉产生。詹姆斯将神奇的交叉路口称为“心理动力区”。那么我们可以思考一下，如果詹姆斯所提出的理论能够成立的话，那么我们可以称这个区域在佛罗伊德心理学理论中是属于超我而非本能的范畴。现在，在传统功能的基础上，大部分新式的红绿交通灯都添加并具有将闯红灯的人拍照下来的附加功能。闯红灯或者因为违反交通规则而犯事的司机不久之后就会收到罚款单。现在某些新型红绿灯更是具有了监测车辆行驶速度等相关功能。2国内外发展情况在1858年，英国人首先发明了最为原始的机械扳手交通灯，这种交通等经过不断的发展与改进，在至今的一百多年的时间里，我们的生活开始渐渐变得离不开交通灯，交通灯不仅改变了我们生活中的交通路况，同时也在人们的日常生活中占据了越来越重要的地位，最近几年，由于国家经济建设速度的不断加快，国家经济的飞速发展以及人民生活水平的不断提高，汽车的数量随着时间的推移开始变得急剧增加，城市道路变得日渐拥挤，因而更加显示出了交通灯的关键性作用。因为有了交通灯的使用，交通问题得到了行之有效的管制，交通灯对于交通疏导，提高城市道路交通的导通能力，减少交通事故有显著的效果。近年来随着科技的发展，交通事故出现的频率越来越高如何更好地对交通进行管制，交通灯的出现刻不容缓。马路建设对于经济的发展有着举足轻重的作用，也正应为如此，交通灯的作用显得尤为突出。最近几年，由于国家经济建设速度的不断加快，国家经济的飞速发展以级人民生活水平的不断提高，在以上诸多条件的共同影响下，我国的城市交通得到了极大程度的发展。但随之而来的城市交通问题则演变成为困扰许多大城市发展的通病，现在交通问题愈加严重，所遇到的情况也越来越多种多样，交通问题已经发展成为现今日趋严峻的国际性问题。在诸多的交通问题中，十字路口而今已经逐步演变为交通堵塞的主要”瓶颈”所在。目前，各个世界发达国家都在积极需找出路，正在不断地探索怎样才能使道路交通能力能够最大化的发挥出来，使因为交通产生的各种问题所造成的损失降到最少。3研究的可行性与研究的现状近年来，随着科技的飞速发展，电子器件也随之广泛应用，其中单片机也不断深入人民的生活当中。智能交通灯系统利用单片机AT89C51作为核心元件，实现了通过信号灯对路面状况的智能控制。相较于以往的传统交通控制器，智能交通控制系统更易于操作，对于未来愈加严重的交通安全问题以及急需进行系统更新的现行交通系统而言具有更好的适用性，可行性极强，从一定程度上解决了交通路口堵塞、车辆停车等待时间不合理、急车强通等问题。系统具有结构简单、可靠性高、成本低、实时性好、安装维护方便等优点，有广泛的应用前景。基于单片机的智能交通灯控制系统，该系统可实现3种颜色灯的交替点亮，实现直行、左转、右转、掉头、四种通行控制，通过信息提示指挥车辆和行人安全通行，并能实时监测交通灯工作状态。该系统不仅编程简单、灵活、具有较高的可靠性，而且成本低、具有良好的经济效益,是今后一段时间国内外交通灯的主流设计思路。4本系统功能本系统设计一款带直行、左转、右转、掉头、四种通行控制交通控制系统。带紧急按钮，当按下后所有灯都亮红灯。带有时钟功能可以设定进入夜间模式的时间段，自动夜间模式此时所有灯都亮黄灯。同时有数码管显示当前颜色灯的剩余时间，倒计时功能。2系统介绍及方案讨论1系统结构框图系统结构图因为系统逻辑较简单，在低成本低复杂度的思想下本系统主要利用STC89C51传统的51单片机作为主控核心，复杂交通灯的调度人机设置和显示。本系统主要包括红绿灯的驱动，利用发光7段数码管显示倒计时，利用USB接口加载单片机程序和按键进行系统设定。2单片机选型在集成电路，微控制器，DSP，FPGA水平高度发达的今天，设计我们这样一款系统可以选择的为控制器有很多例如：8位的改进型51单片机、AVR单片机、MSP43016位单片机以及现在比较火的32位的STM32、或者纯硬件控制的FPGA、CPLD、或者DSP等。对于工程应用应该选择一款合适于我们的系统的单片机，既符合功能要求、又节约成本、才是我们的核心思想，下面我将介绍一下我们常用的几款单片机：AVR单片机：AVR单片机是采用美国爱梅尔（ATMEL）公司生产的一款8位单片机。常用型号为ATMEGA48单片机。Mega系列单片机是AVR家族的高档系列，采用哈佛结构。具备较宽的供电电压(2.0-5.5V),该型单片机可以运行在低频模式（32K时钟）具备较低的功耗但是不能由应用程序更改时钟。该型单片机采用了RISC精简指令集，集成了硬件乘法器，在速度与外设方面相比51单片机有很大提高，性价比较高，但是相比于51单片机成本还是稍高。ST公司的STM32单片机，该型单片机基于ARM公司的Cortx-M3核心的由意法半导体（ST）公司生产的32位单片机，主要用于一些较复杂的工业与高端便携式应用，性价比较高，但是软件开发较复杂需要系统学习ARM，虽然性价比高，性能好但是开发复杂。经过综合考虑之后我采用国产的STC89C52单片机的DIP-40封装的型号，该型单片机相对于传统的AT89C52单片机性能有所提升，程序采用串口加载也很方便。STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能其内部功能如图所示。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。2单片机选型STC89C52内部功能图相比于传统51单片机其主要有以下特征：1.8K字节程序存储空间；2.512字节数据存储空间；3.内带4K字节EEPROM存储空间;4.工作电压：5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V单片机）5.工作频率范围：0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz6.可直接使用串口下载ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片7.共3个16位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T28.外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒3计数显示的选择双位共阳数码管结构led数码管（LEDSegmentDisplays）由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。LED数码管以发光二极管作为发光单元，颜色有单红，黄，蓝，绿，白，黄绿等效果。LED数码管广泛用于仪表，时钟，车站，家电等场合。选用时要注意产品尺寸颜色，功耗，亮度，波长等。多位数码管时其结构分为共阴和共阳极。我使用的0.56英寸的双位共阴极8段数码管其结构如图所示。透过分时轮流控制各个LED数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。每位元数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示资料，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O口，而且功耗更低。4时钟芯片实现现在流行的实时时钟芯片很多，例如DS1302、DS1307、PCF8485等等。这些芯片的通信接口简单、芯片价格低廉、使用方便，因此被广泛地采用。我使用的实时时钟芯片DS1302，DS1302是美国DALLAS公司推出的一种较高性能、，具有低功耗和带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，同时具有闰年补偿的功能，其工作电压为2.5V～5.5V。采用三线SPI接口和CPU或者MCU进行同步通信，这个芯片可采用突发方式一次并且传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302的内部有一个31×8的RAM用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是DS1202芯片的升级产品，与DS1202兼容，与DS1202相比增加了主电源/后备电源双电源引脚，同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。所以说DS1302芯片操作方便使用成熟，并可以保证我们的应用需要的时间的精准度。3硬件设计1系统电源设计对于一个系统来讲，有一个稳定可靠地电源是必要的。为了提高电源可靠性、简化供电电路、适应多种不同电源供电，本系统采用外部电源适配器与板载稳压芯片结合的方法给电路供电。由于板载输入电源芯片采用的是低压差的AMS1117-5.0其适应外部直流供电，范围为5-15V，所以我们只需要一个5-15V的直流源就行。或者为了适应220V的交流供电我们的板子上面有一个Mini_UAB_A型接口，可以选择手机充电器作为电源适配器，通过一根MP3/MP4的USB线连接到板子就可以。为适应单片机、LCD等元器件的5V的供电利用AMS1117-5.0将外部供电稳压为5V。AMS1117为低压差的稳压芯片，最大可提供1A电流此时最小压差仅为为1.2V。我采用的是SOT-223封装形式。外部输入我采用500mA的1206封装的自恢复保险，以保证系统用电的安全，避免短路等意外情况发生。为提高电源质量输入采用22uF电解电容和0.1uF瓷片电容滤波，输出采用10uF电解电容和0.1uF瓷片电容滤波。系统电源2单片机最小系统设计40脚为单片机电源提供引脚外接5V直流电源，C3和C4用于电源的去耦，以提供良好的电源品质。9脚为单片机复位引脚，当9脚的电平为高电平时单片机处于复位状态，为低时单片机正常运行，K1开关用来进行手动复位选择。C1和R10共同组成单片机上电复位电路，当单片机接通电源以后由于C1两端的电压不会突变会有一个上升的过程，而C1和R10串接在VCC和地两端所以RST引脚的电压为VCC-电容电压，上电初期电容电压非常小，所以单片机处于复位状态，复位时间取决于R和C的取值，大约为R*C。18和19脚为外部晶振接口，单片机的时钟由外部晶振和内部的晶体振荡电路组成，STC89C52单片机最高可以运行在40MHz，C2和C5为晶振电路负载电容，与晶振共同使时钟产生。31引脚为内部或者外部存储器选择引脚，当31引脚为高电平时单片机的程序运行从内部FLASH执行，当寻址范围超过8K时使用外部存储器。当31引脚为地电平时单片机默认为使用外部程序存储器。单片机最小系统3数码管显示电路设计数码管驱动电路4红绿灯电路设计红绿灯的功率较大需要一个驱动电路的连接才能提高足够的功率使LED灯发光，我采用的是ULN2003反相驱动器进行LED红绿灯的驱动。ULN2003是大电流驱动阵列,多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电路中。可直接驱动继电器等负载。输入5VTTL电平，输出可达500mA/50V。ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列,由七个硅NPN达林顿管组成。该电路的特点如下:ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连,可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品,具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。ULN2003内部原理4软件设计1系统运行流程图系统运行流程如图所示，系统上电以后首先等待功能按键（KSTATE（特殊状态按键）、KYEL（夜间模式按键）、KALL（全亮按键））是否按下，如果该按键按下那么系统将会进入运行状态，系统运行主要在定时器1中断函数中和main函数中进行，交通灯的逻辑运行判断主要在定时器1的中断函数中执行，特殊状态和红绿灯时间的设定主要在主函数中执行。系统运行流程1系统运行流程图功能按键设定2单片机编程方法和软件Keil软件界面3交通灯状态跳转实现STC单片机的定时器1相比于传统的单片增加了了一个时钟选择功能，如图4.5所示。时钟的选择通过STC单片机的下载器选择，选用/6模式可以使定时器的时钟频率加倍，由于我们这个系统需求的频率不高以及简化编程方式所以我使用与传统MCS-51单片机兼容的/12模式。定时器1通过TMOD寄存器进行设置通过TCON寄存器进行控制其中TMOD寄存器是不可以进行位寻址的高四位为定时器1配置位低四位为定时器0配置位，TCON是可以进行位寻址的，主要使用TR1进行定时器的启动和停止和TF1表示定时器1溢出计数标志如果响应了中断该位自动清0，如果不响应中断的话那么需要通过软软件对该位进行清除。定时器1的可以选择为定时器或者计数器模式，通过TMOD第6位C/T位进行设置本设计使用定时器模式所以该位应该为0。第7为GATE位用于选择是否使用P3.3的INT1引脚对定时器进行控制，如果置位该位那么当INT1引脚为低电平时才进行计数，由于我的设计与外部没有交互所以置位位0。由于我们只使用计数模式并且需要1s的时间跳动所以我门采用定时器1的方式1的16位计数方式。所示TMOD配置寄存器高4位的值应该为1只将TMOD的M0位置位。计数器1结构结论随着社会的发展现代社会的道路车流人流量的增加使得对道路的交通灯控制系统的控制需求也更加的复杂。本文对如何设