智能交通灯控制系统的设计

-z.前言1.1概述近年来随着科技的飞速开展，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制日新月益的更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件构造，以及针对具体应用对象特点的软件结合，加以完善。交通信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。随着微控技术的日益完善和开展，单片机的应用在不断走向深入。它的应用必定导致传统的控制技术从根本上发生变革。也就是说单片机应用的出现是对传统控制技术的革命。它在工业控制、数据采集、智能化仪表、机电一体化、家用电器等领路得到了广泛应用，极大的提高了这些领域的技术水平和自动化控制。因此单片机的开发应用已成为高技术工程领域的一项重大课题。因此了解单片机知识，掌握单片机的应用技术具有重大的意义。1.2基于单片机的智能交通灯控制系统设计的意义国的交通灯一般设在十字路口，在醒目位置用红、绿、黄三种颜色的指示灯。加上一个倒计时的显示计时器来控制行车。对于一般情况下的平安行车，车辆分流尚能发挥作用，但根据实际行车过程中出现的情况，还存在以下缺点：1.经常出现的情况是*一车道车辆较多，放行时间应该长一些，另一车道车辆较少，放行时间应该短些。2.没有考虑紧急车通过时，两车道应采取的措施，例如，消防车执行紧急任务通过时，两车道的车都应停顿，让紧急车通过。基于传统交通灯控制系统设计过于死板，红绿灯交替是间过于程式化的缺点，智能交通灯控制系统的设计就更显示出了它的研究意义，它能根据道路交通拥护，穿插路口经常出现拥堵的情况。利用单片机控制技术．提出了软件和硬件设计方案，能够实现道路的最大通行效率。1总体设方案1.1智能交通灯的设计思路智能交通灯智能交通灯LED显示剩余时间相应交通灯发光中断进入紧急状态图1总体设计思路图图1总体设计思路图根据智能交通灯的具有的功能，将它主要分为三局部，包括数码管显示剩余时间局部、交通灯显示局部和按键实现局部。总体设计思路如图2-1所示。1.1.1LED显示剩余时间根据实际生活中使用的交通灯，在此次的智能交通灯的设计中也将具有显示时间的功能，使我们的设计与实际结合起来，在此局部LED灯将配合红黄绿灯的发光时间显示数据，对于每个数据将使用定时器来实现定时1秒，当1秒时间到达，LED上显示的时间自动减1，当时间减至为0，交通灯变换红黄绿灯。1.1.2交通灯此局部将与LED灯严密联系起来，当数码管显示数字减至为0时，变换发光的灯，不为0，将保持原有状态。1.1.3紧急状态的设计在现实生活中随时有突发情况的发生，为了保证交通的正常通行，特地设计了应对紧急状况的特殊情况。在出现紧急状况时，可以通过人为操作进入特殊情况。在此包含了4种特殊情况，包括加长东西南北方向的通行时间，四个方向均禁行，东西方向保持通行南北方向禁行，南北方向保持通行东西方向禁行。当特殊情况完毕时，人为操作进入正常状态。2单元模块设计2.1硬件设计2.1.1AT89C51介绍芯片AT89C51的外形构造和引脚图如图3-1所示。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器〔FPEROM-FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory〕的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MC-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。图2AT89C51引脚图2.1.2芯片74LS273介绍74LS273是8位数据/地址锁存器，如图3-2所示，它是一种带去除功能的8D触发器，下面介绍一下它的管脚图功能资料。1脚是复位CLR,低电平有效,当1脚是低电平时，输出脚2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)全部输出0，即全部复位。当1脚为高电平时，11(CLK)脚是锁存控制端，并且是上升沿触发锁存，当11脚有一个上升沿，立即锁存输入脚3、4、7、8、13、14、17、18的电平状态，并且立即呈现在在输出脚2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)上。图374LS273引脚图2.1.3多位数码管图4多位数码管LED显示器由七段发光二极管组成，排列成8字形状，因此也称为七段LED显示器。为了显示数字或符号，要为LED显示器提供代码，即字形代码。其段发光二极管，再加上一个小数点位，共计8段，因此提供的字形代码的长度正好是一个字节。智能交通灯用到的数字0—9的共阳极字形代码如表3-1：表1驱动代码表显示数值驱动代码〔16进制〕0123456789C0HF9HA4HB0H99H92H82HF8H80H90H2.1.4时钟电路设计图5时钟电路MCS-51单片机芯片部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚*TAL1和*TAL2分别是此放大器的输入端和输出端。当使用部振荡电路时，*TAL1和*TAL2引脚外接石英晶体和微调电容，如下图，图中C2、C3大小一般为30pF。还加了复位/备用电源引脚的接线方法，任何单片机在工作之前都要进展复位，以便CPU以及其他功能部件都处于一个确定的初始化状态，并从这个状态开场工作，也就是程序开场执行之前，单片机做好准备工作。如何进展复位呢？只能在单片机的RST引脚上保持两个机器周期〔24个时钟周期〕的高电平即可对单片机实现复位操作。当主电源VCC发生掉电或者是电压降低到电平规定值时，VPD上外接的备用电源自动启用，为单片机部RAM提供电源，以保护片RAM中的信息不丧失，使系统在恢复上电后能正常运行。2.1.5复位电路设计图6复位电路AT89C51的复位是由外部的复位电路实现的。复位电路通常采用上电复位和按钮复位两种方式。在此次设计中，我使用了上电复位方式。上电复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。2.1.6交通灯硬件线路图结合各局部设计电路，得到交通灯硬件线路如图3-6所示。图7硬件线路图2.2程序设计2.2.1LED显示程序设计思路如图4-1所示。扫描十位扫描十位输出十位数据扫描百位输出百位数据开场完毕扫描个位输出个位数据图8LED显示流程图2.2.2交通灯程序在这局部我设置南北方向通行，东西方向禁行为初始状态，持续时间为60S。最后5S黄灯闪烁，然后南北方向禁行，东西方向通行，持续时间仍为60S，最后5S黄灯闪烁，回到初始状态。如此循环，程序流程图如图4-2所示。YY完毕开场南北绿灯亮东西红灯亮黄灯闪烁LED是否为0000000000000000LED是否为00南北红灯亮东西绿灯亮LED是否为0黄灯闪烁LED是否为00000000NYNYNYN图9交通灯程序流程图2.2.3紧急情况程序当需要应对特殊情况时，在人为控制下，程序由中断入口地址切换到中断程序，根据实际情况的不同切换到不同的中断子程序，当紧急情况处理完，由人为控制返回原程序。程序流程图如图4-3所示。中断入口地址中断入口地址保护断点保护断点判断是哪种中断判断是哪种中断进入相应中断程序进入相应中断程序人为完毕中断人为完毕中断恢复现场恢复现场中断返回中断返回完毕完毕图10紧急情况程序流程图4软件仿真4.1KeilC51单片机软件开发系统采用KEIL开发的89C51单片机应用程序步骤：〔1〕在uVision集成开发环境中创立新工程〔Project〕,扩展文件名.UV2并为该工程选定适宜的单片机CPU器件〔本设计采用ATMEL公司下的AT89C51〕。〔2〕用uVision的文本编辑器编写源文件，可以是汇编文件〔.ASM〕，也可以使C语言文件〔扩展名.C〕，并将该文件添加到工程中去。一个工程文件可以包括多个文件，除了源程序文件外，还可以是库文件、头文件或文本说明文件。〔3〕通过uVision2的相关选择项，配置编译环境、连接定位器以及Debug调试器的功能。〔4〕对工程中的源文件进展编译连接，生成绝对目标代码和可选的HE范文件，如果出现编译连接错误则返回到第2步，修改源文件中的错误后重构整个工程。〔5〕对没有语法错误的程序进展仿真调试，调试成功后将HE范文件写入到单片机应用系统的ROM中。4.2PROTEUS的操作4.2.1硬件电路图的接法操作〔1〕防止选择〔删除〕元器件〔2〕移动元器件〔3〕缩放视图〔4〕连接导线〔5〕仿真、调试4.2.2单片机系统PROTEUS设计与仿真过程Proteus设计过程一般也可分为三步：〔1〕在ISIS平台上进展单片机系统电路设计、选择元器件、接插件、连接电路和电气检测等。简称Proteus电路设计。〔2〕在Keil平台上进展单片机系统程序设计、编译、汇编编译、代码级调试，最后生成目标代码文件〔*.he*〕。简称Proteus源程序设计和生成目标代码文件。〔3〕在ISIS平台上将目标代码文件加载到单片机系统中，并实现单片机系统的实时交互、协同仿真。它在相当程度上反映了实际单片机系统的运行情况。简称Proteus仿真。4.3仿真结果将在Keil平台上生成目标代码文件〔*.he*〕加载到单片机系统中，点击运行按钮，运行结果显示如图5-1所示。图11硬件仿真图开场运行后，南北方向通行，东西方向禁行，同时数码管从60显示，每隔一秒数码管减一，当减到5时，四路的黄灯开场闪烁，数码管同时从5开场减一，减到0时，南北方向禁行，东西方向通行，同时数码管从60显示，每隔一秒数码管减一，当减到5时，四路的黄灯开场闪烁，数码管同时从5开场减一，减到0时，返回初始状态，再没有外部中断的情况下如此循环下去。图12四个方向禁行硬件仿真图K1为外部中断按钮，当按下K1时，数码管不再显示数，黄灯闪烁五秒后，四路灯都为红色。当按下复位开关后，返回到初始状态。图13南北通行东西禁行硬件仿真图K2为外部中断按钮，当按下K2时，数码管不再显示数，黄灯闪烁五秒后，南北方向保持通行，东西方向保持禁行。当按下复位开关后，返回到初始状态。图14南北禁行东西通行硬件仿真图K3为外部中断按钮，当按下K3时，数码管不再显示数，黄灯闪烁五秒后南北方向保持禁行，东西方向保持通行。当按下复位开关后，返回到初始状态。图15延长四个方向通行时间的硬件仿真图K4为外部中断按钮，当按下K4时，南北东西方向的通行时间均延长至120S。当按下复位开关后，返回到初始状态。5设计总结通过一周的课设，我受益匪浅。回忆起此次课程设计，至今我仍感慨颇多，我学到很多很多的东西，同时稳固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会效劳，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的缺乏之处，比方编程问题，硬件的连接，怎样去调试，怎么去测试芯片能否正常工作，怎样是程序编的简洁易懂，且包含了所需的功能。可以把书本上的知识得以运用，锻炼了全面思考问题的能力和实践能力，我想这对我以后的学习和工作会有很大的帮助。这次完成了对单片机的整体设计，更加了解到单片机的各项功能和需要注意的问题，加深了对单片机的了解。当然，，在设计中遇到了很多程序问题，查阅了好多资料，请教了同学，终于得以解决。正所谓三人行，则必有我师，我学得到很多实用的知识，同时，我也知道在大学里，好多的知识都是靠自己学习，领悟，并融会贯穿。一些问题需要我们认真思考，注意细节，多与同学交