毕业设计基于51单片机的无线智能交通灯控制系统设计.doc

课程（综合）设计报告设计题目：基于51单片机的无线智能交通灯控制系统目录摘要. . . . .2一、绪论. .51.1概述. . . .51.2设计题目. . . .51.3设计内容. . .51.4 任务分工. . .6二、系统简介. . . . .62.1 总体设计思路. . . .62.1.1 系统设计思路. . .62.1.2 系统设计流程. . .62.1.3 红绿灯显示规律. . .72.1.4 智能控制方案. . . . . . .82.2 硬件设计. . . . . . . . . . .92.2.1 单片机最小系统. . . . . . .92.2.2 单片机最小系统. . . . . .92.2.3 无线传输模块. . . . . . .102.2.4 传感器. . . . . . . . . .122.2.5 LED数码管的结构与原理. . . . 122.2.6 稳压模块. . . . . . . . .132.3 软件设计. . . . . . . . . . .14三、个人设计工作 .163.1系统原理图. . . . . . . .163.2从机原理图 .17四、设计总结. . . . . . . . . . . .18五、参考文献. . . . . . . . . . . .18摘 要交通控制系统是近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得基础上，运用传感器检测技术，无线传输技术，实时调整智能化控制的实现技术，将传感器检测、实时调整车辆通行时间的算法与单片机作用相结合，提出了基于单片机的智能交通控制系统设计方案。8051单片机的交通灯无线智能控制系统由8051单片机、交通灯显示、LED倒计时。车流量检测及调整、无线传输等模块组成。系统除基本交通灯功能外还具有车流量检测，无线传输以达到智能控制车流量的目的。系统通过传感器测试车辆的数目，通过无线传输模块NRF24L01发送给主机，主机通过智能控制算法改变该方向的车道绿灯亮的时间来实现智能控制。理论证明该系统能够简单、经济、有效的疏导交通，提高交通路口的通行能力。本设计主要做了如下几个方面的工作：一、显示部分，传感器，无线传输部分硬件的焊接。二、交通灯的常规控制方法和传感器计数的实现。三、无线传输数据的实现。【关键词】8051单片机 传感器检测 无线传输 智能控制AbstractTraffic control system is a modern society with logistics, travel and other transportation development produce a unique set of public management system. To ensure the efficient and safe traffic order, as well as setting a series of traffic rules must pass a certain technological means to achieve them. Based on the current traffic control based on in-depth analysis to, using the sensor detection technology, wireless transmission technology, real-time adjustment of the realization of the intelligent control technology, the sensor detection, real-time adjustment of traffic time algorithm combined with single chip microcomputer, is proposed based on single chip microcomputer intelligent traffic control system design.8051 single chip wireless intelligent traffic light control system controlled by 8051, traffic light display, LED countdown. Traffic detection and adjustment, such as wireless transmission module. In addition to the basic function of traffic light also has the traffic detection system, wireless transmission in order to achieve the purpose of the intelligent traffic control. System by the number of the test vehicle, by wireless transmission module NRF24L01 sent to the host, the host through the intelligent control algorithm lane in the direction of the change of green light time to realize intelligent control. Theory to prove the system is simple, economic and effective traffic, improve the traffic capacity of the traffic intersection.This design mainly do the following several aspects work: one part, display, sensors, wireless transmission welding part of the hardware. Second, traffic lights of conventional control method and the realization of the sensor count. Third, the realization of the wireless data transmission.【Keywords】The traffic light 8051Single chip microcomputer Wireless transmission Intelligent control sensors一、绪论1.1 概述信号灯的出现使得交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高交通道路通行能力减少交通事故有明显效果。但是，随着城市机动车增长速度加快，我国的城市道路密度和面积率偏低。交通管理水平还欠发展。本设计就这一现象就行分析设计出基于51单片机的无线智能交通灯控制系统。在这个系统中，我们将采用车流量来控制红绿灯的时间并以此来达到舒缓交通压力的目的。本设计主要做了如下几个方面的工作：1、确定系统交通的总体设计，包括，十字路口具体的进行方案设计以及系统应用有的各项功能。在这里，本设计除了有信号灯状态孔子能实现基本的交通功能，还增加了倒计时显示提示。基于实际情况又增加了对车流量进行检测的功能，无线通信的功能。2、进行显示电路，各个无线结点的硬件电路等的设计，对各器件的选择，大体分配各个期间及模块的基本功能要求。3、进行软件系统的设计，对于本系统，我们采用c语言编写。对于无线模块的通信的软件的编写我们做了充分研究，总体上完成了软件的编写。1.2设计题目1、设计任务运用所学传感器技术、计算机网络和单片机原理等方面的知识，设计于无线传感器网络的智能交通红绿灯控制系统，完成无线传感器网络节点设计以及基于单片机的交通红绿灯系统软硬件设计等工作。具体任务如下：2、设计要求（1）绘出无线传感器网络红绿灯控制的原理图（节点布设及系统搭建方案）。（2）设计无线传感器网络节点，实现对车辆的计数功能。（3）设计基于单片机的红绿灯控制方案，实现依赖于车流量的智能交通控制功能。（4）绘出程序流程图并编写调试代码。1.3 设计内容1、无线通信结点无线通信节点是用51单片机和无线模块搭建而成，主要功能是发送节点处的车辆数目信息。 2、主机主机由显示模块，无线模块和51单片机组成。主机负责接收从机发送的车辆数目并对塔进行处理。显示用LED数码管进行数字的显示。无线模块用NRF24l01模块进行短距离无线通信。1.4 任务分工本设计由9位同学组成，每位同学负责的主要任务如表1.1 所示。表1.1 任务分工表序号姓名学号主要负责任务1王 健2011212864从机软件部分，协调工作2王泳峤2011212861硬件焊接，电路连接3杨欣桥2011212867主控程序设计，程序调试4袁龙泉2011212821硬件电路设计制作5窦 佳2011212938无线通信调试6霍栋博2011212876资料查找，文档编辑，绘制电路图7王泽群2011212840硬件焊接，电路连接8宋 壮2011212785硬件电路设计制作9刘鑫淼2011212870资料查找，文档编辑二、系统简介2.1 总体设计思路2.1.1 系统设计思路根据题目要求，设计基于51单片的无线智能交通灯控制系统。我们采用一个主机四个从机来实现整体的控制。综合各个因素我们采用NRF24L01无线传输模块来实现无线传输，用数码管来显示数字。当红外传感器产生脉冲从机开始计数，计数结束的时候从机把数据发送给主机，主机通过控制算法改变下一次红绿灯的时间，以达到智能控制红绿灯的目的。2.1.2 系统设计流程从机通过传感器对车辆数目进行检测，主机对红绿灯进行控制，当每个红绿灯的运行周期结束之后主机对从机发送请求。这个时候从机接收到主机发送的请求，并把车辆数目发送给主机。主机接收到车辆数目之后进行智能化处理达到改变下次红绿灯时间的目的。具体的流程图如下：图2.1 系统主要架构图2.1.3 红绿灯显示规律1、 红绿灯显示规律表表2.1 红绿灯运行状态表状态一状态二状态三状态四北绿灯1000北红灯0011北黄灯0100南绿灯0000南黄灯0100南红灯1011东绿灯0010东黄灯0001东红灯1100西绿灯0010西黄灯0001西红灯11002、红绿灯状态图图2.2 红绿灯运行状态图2.1.4 智能控制方案主机控制红绿灯按照运行规律运行完一个周期之后，主机分别向两个从机请求数据，从机把数据发送给主机。主机接收到数据之后用一个方向的车辆数目除以总的车辆数目得到一个比率，在用这个比率去乘上总的红绿灯运行周期就可以得到这个方向的时间。如果这个方向的车辆占得比率高，那么这个方向的绿灯亮的时间也会随之增加。通过这种方式来达到舒缓交通压力的目的。2.2 硬件设计2.2.1 单片机最小系统AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，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CMS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪存存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 主要特性 与MCS-51单片机产品兼容 4K字节在系统可编程Flash存储器 寿命 1000次写入/擦写周期 全静态工作：0Hz24MHz 三级程序存储锁定 128*8位内部RAM 32条可编程I/O口线 2个16位定时器/计数器 5个中断源 可编程串行通道 低功耗空闲和掉电模式 片内震荡器和时钟电路另外，AT89C51是用静态逻辑设计，工作频率可以下降到0Hz，并提供两种可用软件省电方式空闲方式和掉电方式。2.2.2 单片机最小系统单片机的最小系统就是让单片机能正常工作并发挥其功能时所必须的组成部分，也可理解为是用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对51 系列单片机来说， 最小系统一般应该包括： 单片机、时钟电路、复位电路、输入/ 输出设备等。图2.4单片机最小系统框图图2.5 单片机最小系统2.2.3 无线传输模块本次课设是基于无线传输的交通灯控制，因此必须用到无线传输模块。起初考虑有蓝牙，GSM,wifi。但是由于对传输距离，操作难易程度以及价格的考虑，最终选择了nRF24L01无线射频芯片。NRF24L01芯片概述NRF24L01是由NORDIC生产的工作在2.4GHz-2.5GHz的ISM频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括：频率发生器、增强型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器。NRF24L01的实物图及封装：图2.6 NRF24L01 图2.7 NRF24L01参数以及引脚功能说明： (1)VCC脚接电压范围为1.9V3.6V之间，不能在这个区间之外，超过3.6V将 会烧毁模块。推荐电压3.3V左右。 (2)除电源VCC和接地端，其余脚都可以直接和普通的5V单片机IO口直接相连， 无需电平转换。当然对3V左右的单片机更加适用了。 (3)硬件上面没有SPI的单片机也可以控制本模块，用普通单片机IO口模拟 SPI不需要单片机真正的串口介入，只需要普通的单片机IO口就可以了，当然用 口连接不需要。b:其他系列的单片机，如果是5V的，请参考该系列单片机IO口输 出电流大小，如果超过10mA，需要串联电阻分压，否则容易烧毁模块!如果是 3.3V的，可以直接和nRF24l01模块的IO口线连接。比如AVR系列单片机如果是5V 的，一般串接2K的电阻）引脚及功能：CE:使能发射或接收CSN,SCK,MOSI,MISO:SPI引脚端，微处理器可以通过此引脚配置NRF24L01IRQ:中断标志位VDD:电源输入端VSS:电源地XC1，XC2：晶体振荡器引脚VDD_PA:为功率放大器供电，输出为1.8VANT1，ANT2：天线接口IREF:参考电流输入工作模式通过配置寄存器可以将nRF24L01配置为发射、接收、待机和掉电四种工作模式：表2.3 NRF24l01工作模式图模式PWR_UPPRIM_RXCEFIFO寄存器状态接收模式111-发射模式101数据在TX FIFO寄存器中发射模式1010停留在发射模式直至数据发送完待机模式101TX FIFO为空待机模式1-0无数据传输掉电模式0-图2.8 NRF24l01原理图2.2.4 传感器系统使用红外对管传感器检测通过各车道的车辆数。红外对管是红外线发射管与光敏接收管，或者红外线接收管，或者红外线接收头配合在一起使用时候的总称。型号: HD-DS25CM-3MM技术参数:1.感应距离：25cm2.感应方式：对射型（非透明物）3.工作电压：DC 3.0 VDC - 5 .5VDC4.工作电流：10MA5.输出方式：0V或5VNPN/PNP常开(常闭要定做)6.输出电流：100mA(可以直接驱动继电器)7.发射角度：直线（红外光）8.接收角度：<10度9.响应时间：2ms10.工作温度：-25度 60度11.工作环境：室内(不防水)12.外形尺寸：长2cm宽1cm高0.9cm 13.线长：15cm发射： 红线=5VCC / 黑线=GND 接收：红线=5VCC / 黑线=GND / 黄线=OUT (NPN)图2.9 红外对管传感器2.2.5 LED数码管的结构与原理七段LED数码管系发光器件的一种。数码管内部由七个条形发光二极管和一个小圆点发光二极管组成，根据各管的亮暗组合成字符。管脚排列如下图所示。图2.10 七段LED数码管管脚排列图七段数码管为共阳极接法，段码采用同相驱动，输入端加低电平，选中的数码管亮。2.2.6 稳压模块NRF24l01的工作电压为3V-3.9V在这个范围内。超出这个范围的时候会烧毁无线传输模块，当低于这个范围的时候无线模块不能正常工作。单片机的工作电压为5v已经超出了无线模块的工作范围，所以要用到AMS117稳压模块。AMS117稳压模块介绍如下：1 输入：直流4.75V-12V2 输出：3.3V，800mA （负载电流不能超过800ma）3输入输出使用2P单排排针，方便连接；4带电源指示灯（红色）AMS1117是一个低漏失电压调整器，它的稳压调整管是由一个PNP驱动的NPN管组成的，漏失电压定义为：VDROP=VBE+VSAT。AMS1117有固定和可调两个版本可用，输出电压可以是：1.2V，1.5V，1.8V，2.5V，2.85V，3.0V，3.3V，和5.0V。片内过热切断电路提供了过载和过热保护，以防环境温度造成过高的结温。图2.11 稳压模块原理图2.3 软件设计图2.13 主机软件流程图从机的作用主要是对车辆的计数功能的实现。我以我采用外部中断计数来实现对车辆的计数功能由于51单片机只提供两个外部中断。外部中断0和外部中断1。所以两个节点刚好能够实现对4个车道的车辆进行计数功能。在对无线模块进行初始化之后进入循环等待模式，直到从机接收到主机的请求时把faflag置1，当faflag为1是发送数据到主机。在发送数据的时候从机1使用频道0，从机2使用频道1。图2.14 从机软件流程图三、个人设计工作3.1系统原理图图2.12 系统原理图3.2从机的原理图图2.15从机原理图四、设计总结通过本次课程设计不但重新回顾了微控制器原理及应用的知识，还学到了很多在书本上学不到的知识，学会了无线通信模块NRF24L01的使用，本次设计同学们互相协作，不断克服难题，虽然有时候很痛苦很累，但当我们最终完成的时候还是很兴奋的，充满了收获知识的喜悦。通过此次实践，锻炼了我各方面的能力，对理论学习进行了一次检验，积累的一定的实践经验。五、参考文献1 向敏，程安宇，罗志勇，罗洪平，蒋畅江微控制器原理及应用人民邮电出版社2013.2 何利民单片机应用文集。 北京航空航天大学出版社 19913 赵瑞鑫 单片机原理及应用教程 机械工业出版社 2005.7 4 张毅刚MCS-51单片机应用设计 哈工大出版社 2004年第二版 5 徐惠民，安德宁单片微型计算机原理接口与应用（第一版） 北京邮电大学出版社 199619