单片机交通信号灯控制系统.pdf
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1、 华北水利水电学院水利职业学院华北水利水电学院水利职业学院 电气自动化专业(三年制专科)毕业论文(设计)单片机交通信号灯控制系统单片机交通信号灯控制系统 姓名:贾西玉 学号:1131261 指导老师:陈素 完成时间:2013 年 12 月 摘要摘要 近年来,随着经济的不断发展,车辆的数量也随之飞速增长。交通堵塞的问题也时常发生,解决这一问题是城市交通所迫切的,交通管理制应当以智能化为目的,所以设计一个合理的交通信号灯控制装置系统意义重大。单片机的应用正在不断深入,单片机往往作为一个核心部分使用,交通信号灯控制方式很多,本文介绍了一种基于单片机控制的交通信号灯的控制系统。本系统采用 MCS-51
2、系列单片机 AT89C51 为中心器件来设计交通灯控制器,以七段 LED作为交通灯红黄绿显示器系统采用上电自动复位,时间显示采用倒计时方式,四组红黄绿三色灯用发光二极管作为模拟交通信号灯,可以模拟各种道路交通灯控制情况。实现了能根据实际车流量通过 8051芯片的 P3 口设置红、绿灯燃亮时间的功能;红绿灯循环点亮,倒计时剩 5秒时黄灯闪烁警示。本系统设计周期短、可靠性高、实用性强、操作简单、维护方便、扩展功能强。关键词:关键词:单片机 LED 数码显示 交通灯 单片机交通信号灯控制系统 机电与信息工程系 贾西玉 1 目录目录 第一章 绪论.3 1.1 引言.3 1.2 设计背景及意义.4 1.
3、2.1 设计背景.4 1.2.2 设计意义.4 1.3 当前研究现状.5 1.3.1 交通信号灯在我国的发展情况.5 1.3.2 国内外交通系统发展现状.5 1.4 论文设计目标.6 第二章 基本理论知识及开发工具介绍.7 2.1 单片机概述.7 2.1.1 单片机的意义.7 2.1.2 AT89C51 芯片介绍.7 2.1.3 MSC-51 芯片简介.8 2.2 具体介绍交通信号系统.8 2.2.1 信号控制方式的分类.9 2.2.2 交通规则介绍.10 2.2.3 AT89c51 单片机交通信号灯控制系统元件清单 10 2.2.4交通信号控制硬件设备与控制系统信息传输系统简介.11 2.2
4、.5 单片机交通信号灯控制系统框图.12 2.2.6 常用交通标志简介.13 2.3 设计方案.14 2.4 总体设计.15 2.4.1 功能概述.15 2.4.2 系统构成.16 主要功能.16 第三章 硬件设计.18 3.1 交通灯通行模式及行车方向.18 3.2 电路模块功能.18 3.2.1 时钟电路模块.18 3.2.2 复位电路模块.19 3.2.3 主控制系统模块.19 3.2.4 时间显示电路模块.21 3.2.5 系统电源模块电路.22 单片机交通信号灯控制系统 机电与信息工程系 贾西玉 2 3.3 系统硬件设计.22 3.3.1 交通信号灯硬件设计说明.23 3.3.2 系
5、统工作原理.23 3.3.3 八段 LED 数码管.24 第四章软件设计.27 4.1 软件总体流程图.27 4.2 软件主要子程序流程.28 4.2.1 复位状态子程序.28 4.2.2 显示状态子程序.29 第五章系统调试分析及结果.31 5.1 系统硬件调试.31 5.2 系统软件调试.31 5.3 系统总体调试.31 结束语.33 总结.34 致谢.35 参考文献.36 附录一电路原理图.37 附录二实物图.37 附录三程序.38 单片机交通信号灯控制系统 机电与信息工程系 贾西玉 3 第一章第一章 绪论绪论 1.1 1.1 引言引言 当今,红绿灯安装在各个道口上,已经成为疏导交通车辆
6、最常见和最有效的手段。但这一技术在 19 世纪就已出现了。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。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,1914 年始安装于纽约市 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,
7、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 单片机交通信号灯控制系统 机电与信息工程系 贾西玉 4 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,
8、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。1.2 1.2 设计背景及意义设计背景及意义 1.2.1.2.1 1 设计背景设计背景 交通掌握着城市经济活动的命脉,对发展城市经济起着重要作用。但是城市的交通问题对于困扰城市的发展、制约城市经济建设是个重要因素。城市街道网 络上的的交通容量的不断增加,表明车辆对道路容量的要求仍然很高,短期内还不能改变。而城市道路多十字路口、多交叉
9、的特点,也决定了城市道路的交通状况必然受这种路况的制约。所以,如何采用合适的控制方法,最大限度利用好耗费巨资修建的多车道城市道路,缓解城区的交通拥堵状况,越来越成为交通运输管理城市规划部门亟待解决的主要问题。在这种情况下,道路交通信号灯开始发挥了越来越重要的作用,并已成为交管部门管理交通的重要工具之一。1.2.2 1.2.2 设计意义设计意义 本文提出一种利用单片机自动控制交通灯及时间倒计时显示的方法,将整个系统缩小在一块小小的单片机上,提高了产品的经济性和轻便性。自从交通灯诞生以来,其内部的电路控制系统就不断的被改进,设计方法也开始多种多样,从而使交 单片机交通信号灯控制系统 机电与信息工程
10、系 贾西玉 5 通灯显得更加智能化。尤其是近几年来,随着电子与计算机技术的飞速发展,电子电路分析和设计方法有了很大的改进,电子设计自动化也已经成为现代电子系统中不可缺少的工具和手段,这些为交通灯控制电路的设计提供了一定的技术基础。利用单片机控制技术,实现道路的最大通行效率。将理论与实践相结合,提高动手动脑能力,同时通过交通信号灯控制系统的设计,掌握定时计数器、中断的使用方法、简单程序的编写、最终提高逻辑抽象能力。1.3 1.3 当前研究现状当前研究现状 1.3.1 1.3.1 交通信号灯在我国的发展情况交通信号灯在我国的发展情况 智能交通系统的研究和推进在我国还处于起步阶段,但ITS作为跨世纪
11、经济增长点和交通系统建设必然选择的重要性已得到国家有关部门的高度重视。1998 年 1月交通部正式批复成立交通智能运输系统工程研究中心(ITSC)。为加强该中心在交通智能交通系统的开发及试验能力,投资 1400万元建设交通智能运输系统中心试验室,将为今后国家制定道路交通运输的发展和政策提供科学依据,现已完成了“交通智能运输系统发展战略研究”。1998 年 2 月,在国家科委的领导下,交通智能交通系统工程研究中还与欧盟合作成立了中欧 ITS 信息服务中心(STICNISC/ITS),并于同年 7 月正式向国际社会提供基于Internet 的信息咨询和技术服务。1.3.2 1.3.2 国内外交通系
12、统发展现状国内外交通系统发展现状 随着现代社会对交通运输的日趋依赖,交通系统的控制越来越受到普遍的重视。近年来,英国、美国等西方国家均在某些城市建立智能交通控制系统。在这些系统中,大部分都在路口 单片机交通信号灯控制系统 机电与信息工程系 贾西玉 6 附近装有车辆检测器,并由各路口的控制设备或工作人员将交通控制参数通过电话线、电缆、光纤或是无线网络等方式输入到微处理器,用小型计算机控制。尤其是伴随着信息技术的发展,交通控制的概念已从交通管理者的行为改变为交通管理者和道路使用者共同的行为,从而使得交通的最优化向全局最优发展。在这些发展中,除了新设备的应用外,数据的采集、传输、处理、存储与发送等技
13、术的发展也起了关键的作用。新型的监测器,包括用摄像机采集图像信息和进行图像处理技术,为人们提供了大量的时变数据;新的通信技术,包括光纤通信、无线通信等技术,能使人们更快的传送数据。而计算机技术的发展,使交通控制系统的发展又向前进了一大步。这些控制技术与现代控制理论、现代的管理方法相结合,使交通控制系统日趋完善。与国外相比,我国目前的交通控制很落后,目前中国城市的问题呈现如下些问题:管理不力,秩序混乱;没有科学、合理、有效的城市交通监控系统。由此带来的后果表现为道路的通行能力明显低于设计要求且波动性大、出行难,交通事故发生率高,交通环境恶化,出行者易疲劳等问题。1.4 1.4 论文设计目标论文设
14、计目标 1.了解交通灯管理的基本工作原理 2.熟悉 AT89C51的工作原理和应用编程 3.熟悉 AT89C51并行接口的各种工作方式和应用 4.熟悉 AT89C51计数器/定时器的工作方式和应用编程外部中断的方法 5.掌握多位 LED显示问题的解决 单片机交通信号灯控制系统 机电与信息工程系 贾西玉 7 第二章第二章 基本理论知识及开发工具介绍基本理论知识及开发工具介绍 2.12.1 单片机概述单片机概述 2.1.12.1.1 单片机的意义单片机的意义 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
15、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。单片机经过 1、2、3、3代的发展,目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展,它们的 CPU 功能在增强,内部资源在增多,引角的多功能化,以及低电压底功耗。2.1.2 AT89C512.1.2 AT89C51 芯片介绍芯片介绍 单片机主控电路的主要元件是 AT89C51,AT89C51是一个低电压,高性能 CMOS 8 位单片机,片内含 4k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和 128 bytes
16、的随机存取数据存储器(RAM),器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存储技能生产,兼容标准 MCS-51 指令系统,片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元,内置功能强大的微型计算机的AT89C51 提供了高性价比的处理方案。AT89C51是一个低功耗高性能单片机,40个引脚,32个外部双向输入/输出(I/O)端口,同时内含 2个外中断口,2个 16位可编程定时计数器,2 个全双工串行通信口,AT89C51 可以按照常规要领执行 编程,也可以在线编程。其将通用的微处理器 单片机交通信号灯控制系统 机电与信息工程系 贾西玉 8 和 Flash 存储器结合在一起,特别是可反复擦写
17、的 Flash存储器可有效地降低开发成本。AT89C51 各中断源向量地址如图.所示:图.AT89C51 各中断源向量地址 2.1.3 MSC2.1.3 MSC-5151 芯片简介芯片简介 MCS-51 单片机内部结构:8051 是 MCS-51 系列单片机的典型产品,它包含中央处理器、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,现在我们分别进行简单介绍:中央处理器:中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件,是 8 位数据宽度的处理器,能处理 8 位二进制数据或代码,CPU 负责控制、指挥和调度整个
18、单元系统协调的工作,完成运算和控制输入输出功能等操作。数据存储器(RAM):8051 内部有 128 个 8 位用户数据存储单元和 128 个专用寄存器单元,它们是统一编址的,专用寄存器只能用于存放控制指令数据,用户只能访问,而不能用于存放用户数据,所以,用户能使用的 RAM 只有 128 个,可存放读写的数据,运算的中间结果或用户定义的字型表。2.2 2.2 具体介绍交通信号系统具体介绍交通信号系统 中断源 向量地址 外部中断 0(INTO)(IEO)0003H 定时/计数器 0(TF0)000BH 外部中断 1(INT1)(IE1)0013H 定时/计数器 1(TF1)001BH 串行通讯
19、(RI+TI)0023BH 单片机交通信号灯控制系统 机电与信息工程系 贾西玉 9 2.2.1 2.2.1 信号控制方式的分类信号控制方式的分类 使用信号机控制交通流称为交通信号控制,交通信号控制的目的是与交通量相适应,用时间比分配给相互交错的交通流通行权。信号控制的方式和分类有很多种。本文按控制的范围将信号控制分为点控、线控和面控。(1)点控 单点交叉口交通信号控制通常简称为“点控制”。它以单个交叉口为控制对象,通过灯色的变化,在保证安全的前提下尽可能多地使各方向车辆通过。它是交通信号控制的最基本形式。点控制又可分为:定周期控制、感应式信号控制及模糊逻辑式信号控制。(2)线控“线控”是干道交
20、通信号协调控制系统的简称,就是把一条主干道上一批相邻的交通信号联动起来,让干线上交叉口的信号控制器具有相同的周期,绿信号开启时间相继错开,从而使干线上行驶的车辆尽可能少遇或不遇红灯以减少延误,以便提高整个干道的通行能力。(3)面控 区域交通信号控制系统简称为“面控”,它把整个区域中所有信号交叉口作为协调控制的对象。控制区内各受控交通信号都受中心控制室的中央控制机集中控制,从而可以提高道路通行能力,增加交通安全,节省能源和减少污染等等。无论哪种控制,其控制变量主要有三个:信号周期,绿信比和相位差。点控制只需控制前两个变量即可。总之,交通控制过程可描述如下:根据交通法规,通过信号灯色的变化指示 单
21、片机交通信号灯控制系统 机电与信息工程系 贾西玉 10 或提示车辆在交叉口处通信或暂停,在保证安全的前提下最大限度地提高交叉路口的通行能力。2.2.2 2.2.2 交通规则介绍交通规则介绍 通行制是道路交通规则中的最基本原则,不然的话,人们在道路上随意走动,通必然造成交的无秩序,车辆和行人各行其道是交通秩序的重要表现。世界现存有两种通行制:一是左行制,另一是右行制。全世界大约有 90%的国家实行右行制,将来全世界有可能统一采用右行制。我国也是采用右行制。现将一些基本的交通规则介绍如下:1、系统设置四组红、黄、绿交通指示灯,并配置四队 LED显示器。正常情况下两个干线上的红、黄、绿灯进行转换。2
22、、东西方向和南北方向交替通行,东西方向每次放行 60秒,南北方向每次放行 60秒。3、绿灯亮表示可以通行,红灯亮表示禁止通行,每次绿灯变红灯前,黄灯亮 5秒钟。4、十字路口要有倒计时显示,以便人们更方便直观的把握时间,具体要求东西方向、南北方向通行时间及黄灯亮的时间均以秒为单位作减计数。2.2.3 AT89c512.2.3 AT89c51 单片机交通信号灯控制系统元件清单单片机交通信号灯控制系统元件清单 元 件名称 型号 数量 用途 元 件名称 型号 数量 用途 单 片机 AT89C51 1个 控制核心 集 成块 74LS04 1个 按键电路 单片机交通信号灯控制系统 机电与信息工程系 贾西玉
23、 11 图.AT89c51 单片机交通信号灯控制系统元件清单 2.2.42.2.4 交通信号控制硬件设备与控制系统信息传输系统简交通信号控制硬件设备与控制系统信息传输系统简介介 信息传输系统,也叫通讯系统,就是把信息从一个地方传输到另一个地方。1、交通信号灯的硬件设备。其构成可分为以下五部分:(1)信号灯:就是悬挂在道路上空或设置在路侧灯柱上的发光装置,内装彩色信号灯;(2)车辆检测器:车辆通过检测器时,由感应原理可以检测交通参数的设施,是感应式信号控制系统的必要设施;(3)无线遥控装置:启闭信号灯,控制紧急车辆通过时的红晶振 12MHz 1个 晶振电路 集 成块 74LS86 1个 按键电路
24、 电容 30pF 2个 晶振电路 电阻 4.7k 2个 按键电路 电 解电容 10UF/10V 1个 复位电路 按键 4个 按键电路 电阻 10k 1个 复位电路 电阻 300 12个 LED限流 驱 动器 74LS07 1个 LED驱动 电源+5V/0.5A 1个 提供+5V电源 发 光二 极管 LED 12个 黄、红、绿、灯 单片机交通信号灯控制系统 机电与信息工程系 贾西玉 12 灯;(4)电子警察(摄像机):监控违章车辆;(5)单片机系统:整个信号灯控制的核心;2、控制信息传输系统也是交通信号控制系统中的重要组成部分。通信系统的组成:a)信道的容量 信息传送的通路通常称为信道或线路。描
25、述一个信道不仅要通过它所连接的点到点的地理通路,而且还要根据它所具有的携带信息的容量。b)信道的方向 单工:在信息源和接收器之间提供单一的单向性通道。半双工:这种通信方式是在A站和B站之间只有一个通信信道,数据要么是 A站发送,B站接收,要么 B站发送,A站接收。双工:(1)允许信息同时在两个方向上传输的信道。(2)数字数据传输 (3)调制和解调 2.2.52.2.5 单片机交通信号灯控制系统框图单片机交通信号灯控制系统框图 单片机交通信号灯的控制系统由电源电路、单片机主控电路、按键控制电路、道路显示电路几部分组成,框图组成如 2.3 单片机交通信号灯控制系统 机电与信息工程系 贾西玉 13
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