交通信号灯控制系统

湖北理工学院电气与电子信息工程学院《单片机课程设计报告》课设名称：交通信号灯控制系统专业名称：电气工程及其自动化班级：级专升本（2）班学号：0205姓名：佘运满指导教师：胡蔷叶天凤课设时间：.12.24---.1.4课设地点：K2-407《单片机课程设计》任务书～年第1学期专业班级：电气工程及其自动化级专升本（2）班指导教师：胡蔷叶天凤工作部门：电气系一、课程设计题目：单片机控制系统自选：交通信号灯控制系统二、课程设计内容1.根据具体设计课题的技术指标和给定条件，以单片机为核心器件，能独立而对的地进行方案论证和电路设计，完毕仿真操作。规定概念清晰、方案合理、办法对的、环节完整；2.熟悉、掌握多个外围接口电路芯片的工作原理和控制办法；3.纯熟使用单片机汇编语言或C51进行软件设计；4.纯熟使用Proteus、Keil软件进行仿真电路测试；（或用开发板联合调试）5.纯熟使用Protel软件设计印刷电路板；6.学会查阅有关参考资料和手册，并能对的选择有关元器件和参数；7.编写设计报告，参考毕业设计论文格式。（1）根据课题规定拟定系统设计方案；（2）绘制系统框图、系统仿真原理图（印刷电路板图）；（3）计算电路参数和选择元器件，画出软件框图，列出程序清单；（4）打印仿真成果，根据测试成果进行误差分析与修改调节；（5）对设计进行全方面总结。技术指标：LED数码管显示信号灯倒计时。发光二极管显示信号批示灯：人行道红绿灯，左转红绿灯，直行红黄绿灯。设计正常时间段信号灯时间。紧急按钮按下，全部信号灯全部熄灭。对射式红外传感器安全线，人行道红灯时，有人越过安全线，蜂鸣器报警。对射式红外传感器检车车流量，车人流量过多，车辆行驶缓慢是，启动繁忙时间段。三、进度安排地点:K2-407教学第17周：.12.24～.12.28时间星期一星期二星期三星期四星期五星期六星期天1、2节系统硬件设计3、4节系统硬件设计系统硬件设计系统软件设计5、6节方案的选择论证7、8节解说设计题目、规定教学第18周：.12.31～.1.4时间星期一星期二星期三星期四星期五星期六星期天1、2节系统软件设计仿真调试设计答辩3、4节系统软件设计仿真调试设计答辩5、6节7、8节四、基本规定根据过程、报告、答辩等拟定设计成绩，成绩分优、良、中、及格、不及格五等。评定项目基本内涵分值平时体现考勤10分答辩状况回答下列问题状况20分操作能力实物或仿真测试正常无端障运行20分课设报告完毕设计任务、报告规范性等状况50分90～100分：优；80～89分：良；70～79分：中；60～69分，及格；60分下列：不及格五、课程设计参考资料[1]贺哲荣.AT89S51单片机硬件设计与编程实例.北京：中国电力出版社.[2]李泉溪.单片机原理与应用实例仿真.北京:北京航空航天大学出版社,.[3]王平.单片机应用设计与制作.北京:清华大学出版社,.[4]彭为等.单片机典型系统设计实例精讲.北京：电子工业出版社，[5]王庆利等.单片机设计案例实践教程.北京：北京邮电大学出版社，[6]韩志军等.单片机应用系统设计——入门向导与设计实例.北京：机械工业出版社，[7]皮大能等.单片机课程设计指导书.北京：北京理工大学出版社，[8]张毅刚.单片机原理及应用.北京:高等教育出版社,.整体方案设计本课题时基于STC89C52单片机的交通信号灯控制系统设计，本系统采用时钟模块，红外检测模块，信号灯显示模块，蜂鸣器报警模块，数码管显示模块。数码管和LED信号灯对左转车道，直行车道和人行道提供批示作用。红外检测模块和蜂鸣器模块对闯红灯的行人提供一种提示的作用。红外检测模块检测车流量过大时切换到繁忙状态。交通信号灯程序框图如图1-1所示。单片机红外检测模块数码管显示红外检测模块数码管显示时钟模块Led信号灯显示时钟模块Led信号灯显示按键电路蜂鸣器报警按键电路蜂鸣器报警图1-1交通信号灯控制系统框图1.1单片机选型方案论证方案一：选择AT89S52单片机，AT89S52单片机是8K字节程序存储空间、256字节数据储存空间、自带2KB的EEPROM存储空间。方案二：选择STC89C52单片机，STC89C52RC单片机:8K字节程序存储空间、512字节数据存储空间、内带4KB的EEPROM存储空间、可直接使用串口下载。总而言之，STC89C52单片机功效优于AT89C52单片机，即选择方案二。1.2输入输出方案论证方案一：采用8155扩展I/O口、键盘及显示等。该方案的优点是使用灵活可编程，并且有RAM及计数器。若用该方案，可提供较多I/O口,但操作起来稍显复杂。方案二：直接在I/O口线上接上按键开关。由于设计时精简和优化了电路，因此剩余的端口资源还比较多。综合来看，由于该系统是对交通灯及数码管的控制，只需用单片机本身的I/O口就可实现，且本身的计数器及RAM已经够用，故选择方案二1.3红外感应器方案论证方案一：热释电红外传感器，它的制作简朴、成本低，安装比较方便，抗干扰能力强、敏捷度高、安全可靠。为了探测移动人体，普通使用双元件型热释电红外线传感器，在这种传感器内部，两个敏捷元件反相连接，当人体静止时两元件极化程度相似，互相抵消。但人体移动时，两元件极化程度不同，净输出电压不为0，从而达成了探测移动人体的目的。方案二：对射式光电传感器：射式检测方式的发射器和接受器互相对射安装，发射器的光直接对准接受器。当被测物挡住光束时，传感器输出产生变化以批示被测物被检测到。对射式是最早使用的一种光电检测模式。由于本课题还用于检测车流量，光电传感器比较为适合本系统，因此选择方案二。2、硬件设计LED批示灯显示人行道红灯和绿灯，左转红灯和绿灯，直行红灯、黄灯和绿灯。数码管显示每种信号灯的倒计时时间。当人行道批示灯为红灯的时候，通过红外检测模块检测行人与否越过安全线，并对越过安全线的行人进行报警。红外检测模块检测车流量，车流量过大时产生一种信号，单片机通过解决变化红色和绿色信号灯的时间，按键模块用来复位和启动特殊紧急模式。系统总原理图如图2-1所示。图2-1基于单片机的交通信号灯控制系统原理图2.1光电传感器图2-4光电传感器对射式实物图1.传感器概述光电传感器普通由解决通路和解决元件2部分构成。其基本原理是以光电效应为基础，把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将非电信号转换成电信号。光电效应是指用光照射某一物体，能够看作是一连串带有一定能量为的光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递给电子，并且是一种光子的全部能量一次性地被一种电子所吸取，电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化，从而使受光照射的物体产生对应的电效应。普通把光电效应分为3类：（1）在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，如光电管、光电倍增管等；（2）在光线作用下能使物体的电阻率变化的现象称为内光电效应，如光敏电阻、光敏晶体管等；（3）在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应，如光电池等。光电检测办法含有精度高、反映快、非接触等优点，并且可测参数多，传感器的构造简朴，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。光电传感器是多个光电检测系统中实现光电转换的核心元件，它是把光信号（可见及紫外镭射光）转变成为电信号的器件。光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引发光量变化的非电物理量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其它非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。光电式传感器含有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化妆置和机器人中获得广泛应用。2.工作原理光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。光电传感器在普通状况下，有三部分构成，它们分为：发送器、接受器和检测电路。发送器对准目的发射光束，发射的光束普通来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者变化脉冲宽度。接受器有光电二极管、光电三极管、光电池构成。在接受器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其背面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。3.光电传感器对射式原理：光电传感器对射式，也叫光电开关，其内部构造为一种红外发射二极管和一种红外接受二极管，分为反射式和直射式的，运用集聚光线来控制光敏二极管的打开与关闭。无论如何，原理都是光电转化。当对管以近似直线的位置相对时，接受管才会有一种比较明显的阻值变化。红外发射二极管：普通的红外发射二极管其外形构造都与发光二极管LED非常相似，发出红外光，管内压降大概是1.4V，工作电流不大于20mA，普通串联限流电阻。红外发射二极管发出的红外光强度会根据不同方向而进行变化，当红外光发出的角度为零时，我们以此角度的光线强度为最大值1，然后变化红外光发出的角度，使其慢慢变大，当光轴为方向角度的0.5倍时，此时的光线强度为最大值的二分之一，并依此做为方向半值角，如果这个角度很小则表达该元件的指向性很敏捷。普通状况下，发光二极管都会配有透镜，目的是使元件更为敏捷。红外接受二极管:红外接受二极管能够叫光敏二极管，也可称为光电二极管，它与普通半导体二极管在构造上是类似的，光电二极管的外表面装带着能够通过光线的玻璃透镜，发出的红外光能过进入透镜精确的直射到管芯，管芯位于管内部，是带有光敏特性的PN结。光敏二极管管芯的光敏面是通过扩散工艺在N型单晶硅上形成的一层薄膜。光敏二极管的管芯以及管芯上的PN结面积做得较大，而管芯上的电极面积做得较小，PN结的结深比普通半导体二极管做得浅，这些构造上的特点都是为了提高光电转换的能力。另外，与普通半导体二极管同样，在硅片上生长了一层SiO2保护层，它把PN结的边沿保护起来，从而提高了管子的稳定性，减少了暗电流。4.性能优点：光电传感器含有精度高、反映快、非接触等优点，并且可测参数多，传感器的构造简朴，形式灵活多样。在某方面有不可替代的性能：（1）检测距离长：如果在对射型中保存10m以上的检测距离等，便能实现其它检测手段（磁性、超声波等）无法远距离检测。（2）对检测物体的限制少：由于以检测物体引发的遮光和反射为检测原理，因此不象靠近传感器等将检测物体限定在金属，它可对玻璃、塑料、木材、液体等几乎全部物体进行检测。（3）响应时间短：光本身为高速，并且传感器的电路都由电子零件构成，因此不包含机械性工作时间，响应时间非常短。（4）分辨率高：能通过高级设计技术使投光光束集中在小光点，或通过构成特殊的受光光学系统，来实现高分辨率。也可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。（5）可实现非接触的检测：能够不必机械性地接触检测物体实现检测，因此不会对检测物体和传感器造成损伤。因此，传感器能长久使用。（6）可实现颜色鉴别：通过检测物体形成的光的反射率和吸取率根据被投光的光线波长和检测物体的颜色组合而有所差别。运用这种性质，可对检测物体的颜色进行检测。（7）便于调节：在投射可视光的类型中，投光光束是眼睛可见的，便于对检测物体的位置进行调节。2.2输入模块电路图2-5车流量检测模块电路图2-6人行道光电传感器模块电路图2-7按键模块电路紧急按键和复位按键输入模块功效：车流量检测模块电路：运用对射式光电传感器检测车流量，当车流量过大，车辆行驶缓慢时，给单片机一种信号，切换成繁忙状态，变化红绿灯时间。光电传感器模块电路：用来感应行人与否越过安全线，当人行道红灯时，行人进入感应区域，给单片机一种高电平，蜂鸣器发声以提示。按键模块电路紧急按键和复位按键：当路口出现某些不正常状态时，如交通事故，救护车、消防车等需要优先通过时，按下紧急按键，全部信号灯熄灭。当程序出现错误时按下复位键重新运行。2.3输出模块电路图2-8数码管显示模块电路图2-9LED信号灯显示模块电路图2-10蜂鸣器报警模块电路输出模块功效：数码管显示模块电路：系统运行时显示每种信号灯的持续时间的倒计时。LED信号灯显示模块电路：用来显示直行车道、左转车道和人行道的信号批示功效，在红、黄和绿三种颜色之间切换。蜂鸣器报警模块电路：当人行道光电传感器给单片机发信号的时候，蜂鸣器进行报警。3.软件设计3.1主程序流程图红灯、黄灯和绿灯之间的切换图3-1主程序流程图3.2光电传感器流程图行人越过安全线进行报警图3-2光电感应流程图4.仿真成果及其分析图4-1实验成果图1图4-2实验成果图2按下K1，系统进入正常模式直行红灯为45秒，直行绿灯为40秒，左转绿灯20秒。当按下K2进入繁忙模式后，直行红灯等待时间变更为50秒，直行绿灯变更为45秒，左转绿灯变为15秒。人行道灯为红灯的时候按下开关蜂鸣器报警，当人行道为绿灯的时候按下开关蜂鸣器不响。5、实验总结本次研究的课题是交通信号灯控制系统。本系统采用红外检测模块，信号灯显示模块，蜂鸣器报警模块，数码管显示模块。并以单片机作为核心控制器，提高了系统的可靠性和稳定性，并且系统的调试和维护方便。另外，本系统的一种不同在于：运用红外检测模块检测到车流量过大，车辆行驶缓慢时更改交通信号灯的时间，使得红绿灯的显示时间是动态的，使十字路口更加畅通，避免了现有的交通灯系统的红绿灯显示