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交通信号控制系统设计 毕业论文 2022届毕业设计任务书 一、课题名称：交通灯控制系统的设计 二、指导老师：颜谦和 三、设计内容与要求 1、课题概述 本课题采用单片机设计一个交通控制灯系统，实现交通灯控制系统的基本功能，通过按键调整主次干道的通行时间。通过这个具体控制系统的设计，掌握微机控制系统设计的一般方法和处理问题的思路，特别是一些常用的技术手段，在实践教学环节中，积累设计经验，开拓思维空间，全面提高个人的综合能力。 2、设计内容与要求 （1）设计内容： 1)绘制交通灯控制系统的系统框图，确定设计方案。 2)了解电路所需芯片的功能、参数和工作原理。 3)采用protel完成交通灯控制系统的原理图绘制。 4)采用C语言完成软件设计。 5)采用软件完成编译、仿真、下载. 6)完成交通灯控制系统的硬件设计方案. 7)调试并实现交通灯控制系统的功能. （2）设计功能要求： 1)用二极管显示红、绿、黄灯； 2)用数码管显示十字路口两个方向的剩余时间； 3)用单片机的定时器产生秒信号，控制十字路口的红绿黄灯交替点亮和熄灭； 4)用按键设置两个方向的通行时间（绿灯点亮时间）和暂缓黄灯通行时间（黄灯点 亮的时间）。 四、设计参考书 模拟电子技术、数字电子技术、单片机技术与应用 五、设计说明书要求 1)封面 2)内容摘要 3)目录 4)绪论 5)正文（设计方案比较与选择、设计方案原理、计算、分析、设计结果的说明及特 点） 6)文献 7)致谢 8)附录（参考文献、图纸、材料清单） 六、毕业设计进程安排 第1周：材料准备与借阅，了解设计思路。 第2-3周：设计要求说明及课题内容辅导，完成图纸初稿。 第4-6周：进行毕业设计，完成说明书初稿。 第7-8周：第一次检查，了解设计完成情况。 第9周：第二次检查学生设计完成情况，并做好毕业答辩准备。 第10周：毕业答辩与综合成绩评定。 七、毕业设计答辩及论文要求 1、毕业设计答辩要求 答辩前三天，每个学生应按时将毕业设计说明书或者毕业论文、专题报告等必要数据交指导老师审阅，由指导老师写出审阅意见。 学生答辩时对自述部分写出的书面提纲，内容包括课题的任务、目的和意义，所采用的原始数据或者参考文献、实验方法、测试方法、鉴别学生独立工作的能力、创新能力。 2、毕业设计论文要求 文字要求：说明要求打印，不能手写。文字通顺，语言通顺，排版合理，无错别字，不允许抄袭。 3、图纸要求：按工程制图标准制图，图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，文字注释必须使用工程字书写。 曲线图纸要求：所有曲线、图表、线路图、程序框图等不准手画，必须按国家标准或者工程要求绘制。 近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。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，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，加以完善。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。 十字路口车辆穿梭，行人熙攘，车行车道，人行人道，有条不紊。那么靠什么来实现这井然秩序呢？靠的是交通信号灯的自动指挥系统。交通信号灯控制方式很多。本系统采用MSC-51系列单片机Intel8051和可编程并行I/O接口芯片8255A为中心器件来设计交通灯控制器，实现了能根据实际车流量通过8051芯片的P1口设置红、绿灯燃亮时间的功能；显示时间直接通过8255的PA、PB口输出；交通灯信号通过PC口输出；交通灯的点亮采用VT双向晶闸管来控制，直接采用220V交流电源驱动，系统实用性强、操作简单、扩展性强。 关键词：单片机，交通灯，控制器，设计，实现 目录 摘要. 错误！未定义书签。目录. (5) 前言. 错误！未定义书签。第一章交通灯的总体方案设计与论证. 错误！未定义书签。 1.1 单片机与外围接口部件 (7) 1.2 电源提供 (8) 1.3 倒计时显示界面 (8) 1.4 输入键盘 (8) 第二章硬件的选择与简介. 错误！未定义书签。 2.1 MCS-51单片机 (11) 2.1.1 MCS-51单片机内部结构 (11) 2.1.2 MCS-51单片机外部结构 (12) 2.2 MCS-51的中断系统和定时计数器 (14) 2.2.1 中断源 (14) 2.2.2 T0中断及其响应过程 (14) 2.3 输入输出接口P0-P3 (16) 2.3.1 P0-P3口功能和内部结构 (16) 2.4 时钟电路和复位电路 (17) 2.4.1 时钟电路 (17) 2.4.2 复位电路 (17) 2.5 其他器件 (18) 2.5.1 数码管与交通信号灯 (18) 第三章控制器硬件系统设计. 错误！未定义书签。 3.1 系统硬件设计方案 (19) 3.2 系统工作原理 (23) 第四章交通信号灯的分析与设计. 错误！未定义书签。 4.1 Keil软件的简介 (24) 4.2 设计原理 (25) 4.3 硬件电路设计 (26) 4.4 软件设计 (27) 4.5 主程序流程图 (28) 4.6 定时器0服务程序的流程图 结论. 错误！未定义书签。 致谢. 错误！未定义书签。 参考文献. 错误！未定义书签。 附录. 错误！未定义书签。 单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。 通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和I/O接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。 1858年，在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红，蓝两色的机械扳手式信号灯，用以指挥马车通行。这是世界上最早的交通信号灯。1868年，英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上，安装了世界上最早的煤气红绿灯。它由红绿两色以旋转式方形玻璃提灯组成，红色表示“停止”，绿色表示“注意”。1869年1月2日，煤气灯爆炸，使警察受伤，遂被取消。1914年，电气启动的红绿灯出现在美国。这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成，安装在纽约市5号大街的一座高塔上。红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通行”。1918年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。带控制的红绿灯，一种是把压力探测器安在地下，车辆一接近红灯便变为绿灯；另一种是用扩音器来启动红绿灯，司机遇红灯时按一下嗽叭，就使红灯变为绿灯。红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时，它就能察觉到有人要过马路。红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间，推迟汽车放行，以免发生交通事故。 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。1968年，联合国道路交通和道路标志信号协定对各种信号灯的含义作了规定。绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以直行，左转弯和右转弯，除非另一种标志禁止某一种转向。左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。红灯是禁行信号，面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车。黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线，但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。 根据课题任务的要求，该系统具有交通灯的显示功能，倒计时功能，改变时间设定功能，所以把系统分为几个模块，包括倒计时显示器、键盘、交通信号灯、控制模块。系统硬件框图如下： 图1-1 系统硬件连接框图 1.1 单片机与外围接口部件 该系统主控芯片单片机采用MCS-8051，它内部具有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向，可以满足该控制系统的设计要求。 锁存器选用74LS373，用于单片机输出地址信号锁存。 Intel8255是一个为微机系统设计的通用并行接口电路，可适用于多种微处理器的通用8位并行输入/输出接口芯片，在该系统中用于控制芯片I/O口的扩展。 1.2 电源提供 为使模块稳定工作，须有可靠电源。我们采用220V交流电源与稳压电源块给系统提供电源，这样既可以有高的输出功率，达到题目所给的要求。 1.3 倒计时显示界面 该系统要求完成倒计时、状态灯等功能。基于上述原因，我们采用数码管与点阵LED 相结合的方法因为设计既要求倒计时数字输出，又要求有状态灯输出等，为方便观看并考虑到现实情况，用数码管与LED灯分别显示时间与提示信息。既满足系统功能要求，又减少了系统实现的复杂度。 1.4 输入键盘 键盘在系统作用手动设灯亮时间、紧急情况处理。按键按照结构原理可分为两类：一类是触点式开关按键，如机械式开关、导电橡胶式开关等；另一类是无触点开关按键，如电气式按键，磁感应按键等。前者造价低，后者寿命长。目前，微机系统中最常见的是触点式开关按键。 按键按照接口原理可分为编码键盘与非编码键盘两类，这两类键盘的主要区别是识别键符及给出相应键码的方法。编码键盘主要是用硬件来实现对键的识别，非编码键盘主要是由软件来实现键盘的定义与识别。 全编码键盘能够由硬件逻辑自动提供与键对应的编码，此外，一般还具有去抖动和多键、窜键保护电路，这种键盘使用方便，但需要较多的硬件，价格较贵，一般的单片机应用系统较少采用。非编码键盘只简单地提供行和列的矩阵，其它工作均由软件完成。由于其经济实用，较多地应用于单片机系统中。 独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线的状态。独立式按键的典型应用如图1-2所示： 图1-2 独立式按键电路 独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，因此，在按键较多时，I/O口线浪费较大，不宜采用。 图中按键输入均采用低电平有效，此外，上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线有确定的高电平。当I/O口线内部有上拉电阻时，外电路可不接上拉电阻。不过，在设计键盘的时候，因为采用的是机械式按键，要考虑键盘去抖问题。 按恢复键对上两者进行恢复到正常状态。键盘的按键由机械触点构成的。当开关K未被按下时，P1口输入为低电平，K闭合后，与之对应的P1口输入为高电平。由于按键是机械触点，当机械触点断开、闭合时，会有抖动，P1口输入端的波形会有尖锋脉冲出现。如图1-3所示： 图1-3 按键触点的机械抖动 为了使CPU 能正确地读出P1 口的状态，对每一次按键只作一次回应，就必须考虑如何去除抖动，常用的去抖动的方法有两种：硬体方法和软体方法。单片机中常用软体法，因此，对于硬体方法这里不采用。软体方法是在单片机获得P1。0 口为高的信息后，不是立即认定键盘K已被按下，而是延时10 毫秒或更长一些时间后再次检测P1键盘接口，如果仍为高，说明K的确按下了，这实际上是避开了按键按下时的抖动时间。而在检测到按键释放后（P1。0 为低）再延时5-10 个毫秒，消除后沿的抖动，然后再对键值处理。不过一般情况下，我们通常不对按键释放的后沿进行处理，实践证明，也能满足一定的要求。当然，实际应用中，对按键的要求也是千差万别，要根据不同的需要来编制处理程序，以上是消除键抖动的原则。具体消抖见软件设计。 键盘采用独立式键盘，单片机的I/O口数可以满足该键盘，并且可以完成题目中的所要求的设定时间、紧急情况控制功能。 2.1 MCS-51单片机 2.1.1 MCS-51单片机内部结构 8051单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明： 图2-1 MCS-51结构框图