PLC交通信号灯设计.docx

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1、目 录摘 要交通信号灯是人们生活中必不可少的基础设施，伴随城市范畴的持续扩张，之前的交通灯控制系统出现众多问题：通行时间相对程式化，无法凭借车流量现实情况来调节红绿灯显示。 本设计将STC15F2K60S2单片机当做中央控制器，采用发光二极管来模拟交通灯信号，并且采用LED数码管倒计时显示红绿灯还需亮的时间。通过红外传感器检测车流量，车检测电路将得到的车流量信息传给单片机系统，单片机系统根据车流量的多少而选定红绿灯转换的时间程序，再将信息传给时间显示电路和信号灯电路，通过上位机软件远程监控车流量与现场状态，进而实现交通信号灯的智能化，提高了十字路口的通行效果。 关键词：交通灯；STC15F2K

2、60S2单片机；倒计时显示；车流量检测 AbstractThe traffic lights are the essential infrastructure in peoples life, with the continuous expansion of city scale, the traditional traffic control system has obvious shortcomings: the passage of time is relatively stylized, not depending on how much traffic and adjust the

3、traffic lights display time.This design uses STC15F2K60S2 microcontroller as the central controller, using LEDs to simulate the traffic light signal, and the use of LED digital tube countdown traffic lights is bright time. Through infrared sensors to detect vehicle flow, vehicle detection circuit wi

4、ll get traffic information to the microcontroller system, MCU The system selected red light conversion time program according to how much traffic, and then send the information to the time display circuit and signal circuit, through the PC software of remote monitoring and traffic condition, and the

5、n realize the intelligent traffic lights, improve the traffic effect at the crossroads.Key words: traffic lights; STC15F2K60S2 SCM; countdown display; traffic flow detection目 录摘 要2Abstract31 绪论121.1 课题研究背景与意义121.2 研究现状121.2.1 城市交通的作用121.2.2 国内外交通系统发展现状131.2.3 我国交通中存在的主要问题141.2.4 城市交通解决的主要途径151.3 论文研

6、究的主要内容161.4 主要章节安排162 交通灯的总体设计方案172.1 设计的主要内容172.2 设计方案172.2.1 系统的总体方案172.2.1 主控制器的选择172.2.2电源提供方案182.2.3 显示模块的选择与论证182.2.4 车流量检测传感器的选择与论证193 系统的硬件设计203.1 主要硬件的选型203.1.1 单片机的选型203.1.2 车流量检测传感器的选型223.1.3 单片机与PC通信模块的选型233.2 其它硬件介绍243.2.1 发光二极管243.2.2 数码管253.2.3 电阻263.2.4 74HC595芯片273.3 系统硬件总电路构成及原理283

7、.3.1 系统的硬件电路283.3.2 系统的工作原理293.3.3 元件清单294系统的软件设计304.1 软件设计流程304.1.1 程序的编译304.2上位机监控部分的设计344.2.1 MCGS 组态的概述344.2.2 MCGS组态监控主画面354.3 Modbus通讯协议365 制作与调试395.1 焊接与完成阶段395.2 最终实物39设计总结41致谢43参考文献44附录一 系统PCB图451 绪论 1.1 课题研究背景与意义 二十一世纪作为一个高科技的时期，汽车产业的持续扩张，小轿车数目持续增加，道路拥堵的负担也越来越大，特别是十字路口的交通非常耽误时间。交通发展促进经济进步，

8、大众生活水平提升。但是城市的交通现状也长期以来困扰着城市的成长、城市经济的发展在很大程度上受其制约。而致使交通问题的主要原因是：在有限的城市道路上无尽增添的车辆这一情况。随着都市街道上的可容纳的汽车数量的不断加多，车辆对道路容量的需求也愈来愈高，但是还不太可能在短期内得到改善。在此情况下，交通灯智能化是将来发展的必要趋向。之前的交通灯控制系统设计非常固化，红绿灯交替时间一样的弊端，智能交通灯控制系统的设计就更显示出了它的探究意义，在十字路口经常出现拥堵这一现状下，利用单片机控制原理，提出了软件和硬件设计方法，可以达到道路的通行无阻这一目标。1.2 研究现状 1.2.1 城市交通的作用 人类进行

9、各种活动的中心是城市，它在社会的成长征程中起到了关键的作用。汽车在给大众提供便利的时候，也造成道路堵塞以及交通安全事故多次出现。在国内，对外开放方针的全面实施，导致经济发展得到全面提高，城市交通出现良好的进步。然而，由于城市化进展过快，城市面积扩大，商业和社会活动越来越多的城市，人们日益增加的相互交往，使交通拥堵和事故越也来越多和越来越重要。交通是城市基础设施的一个重要步骤，因此怎样改进城市交通问题，也愈来愈得到人们的注重。城市交通是城市的关键设施，它是城市活动得以进行的支柱，是城市的“中枢神经”系统，若得不到及时有效的治理，城市居民生活水平和城市经济都会受到严重的影响。因为国内城市主要设备的

10、发展明显不如城市发展，城市内部以及四周区域的经济进步在特定层面上受到影响。所以，解决城市的交通问题，不只可以促进经济以及国家的综合发展，此外还可以确保大众生命财产安全。城市经济的进步以及大众生活质量的提升和交通情况有紧密的关系，现实生产和其有紧密关系，还贯串着家家户户的生活起居。城市交通有效、安全、可靠、经济的同时又拉动了城市的经济效益、提高了工作效率，和改善了人民的生活水平。城市交通体系的运转情况的优劣同时也影响着城市发展的快慢。十字交叉路口是城市道路网络的中心，是交通体系中的关键一步，城市道路的通畅程度受它通行能力的影响。而修筑立交桥是提高十字路口通行能力的最佳举措。但依据我国道路建设情况

11、和各城市经济差异等原因，还不能普及立交桥的修建。人们更多的是通过交通控制来更好的治理十字路口的车辆，根据交通现状予以它们最合适的交通控制，进而减少十字路口的道路拥堵。这使得车辆通过十字路口的速度得到了提升，还可以减少因交通延误而浪费的人们出行的时间。据有关的资料显示，机动车辆在其减速制动和起动期间所排放的有害物质是其正常行驶时的七倍左右。所以，如何实现城市十字路口畅通无阻、削减机动车辆在十字交叉路口周围泊车误时对发展社会经济和保护环境都是至关重要的。1.2.2 国内外交通系统发展现状 （1） 国外研究现状最初在1850年，城市交叉口处持续增加的交通就导致大众对安全以及堵塞的重视。全球首个交通信

12、号灯由此出现，开启了城市交通控制的浪潮，1868年12月10日，信号灯家族的第一个成员就在伦敦议会大厦的广场上诞生了，由那时的英国机械师德哈设计、建造的灯柱高七米，身上挂着一盏红、绿两色的提灯-煤气交通信号灯，这是城市道路的第一盏信号灯。在灯的脚下，一位手拿着长杆的警员随性地转动皮带转改变提灯的颜色。一段时间后，在信号灯中间放置了一个气体灯罩。有两个红色和绿色的玻璃覆盖在它的前面。悲惨的的是只面世23天的煤气灯忽然爆炸自灭，让一名正在当班的警员也为此葬送了生命。然而上述煤气爆炸问题导致此类交通信号灯直接消失将近五十年。1914年之后，美国克利夫兰、纽约以及芝加哥再一次出现了此类信号灯，其选择电

13、力驱动，和现在的信号灯相差无几。1926年英国人首次安装以及使用自动化控制器来管控此类信号灯，其是城市交通自动管控的开端。1930年，最初采用车辆感应式信号控制器的是美国，之后是英国，此时采用的车辆检测器是气动橡皮管类型的。此类控制器的特征就是其可以根据检测的交通流量来调整绿灯时间的长短，全面使用绿灯时段，减少车辆在交叉路口的等待时间，和定时管控模式相比机动性更高。此类控制的上述特点刺激了车辆检测器科技的使用。在气动橡皮管式检测器之后，雷达、超声波、光电、地磁、电磁、微波、红以及环形线圈等类型逐渐出现。而今各国普遍使用的最能代表城市道路交通信号控制系统有英国的TRANSYT与SCOOTS交通控

14、制系统和澳大利亚的SCATS系统。（2） 国内研究现状我国交通范畴的发展起点与国外相比较晚，差不多是从新中国成立以后，因为各方面的条目成熟以及应社会发展的需求，才创立及完善交通体系的。城市交通是一个十分全面而又繁杂的问题，需要从政策，机构，体质，管理，收费价格，基础设施和投资等方方面面一起着手办理。我国城市经济和社会的蓬勃发展致使社会对交通的需要快速增长，也使其面临更严酷的挑战。交通灯日常安设在十字路口，在显眼的位置用红、绿、黄三种色彩的信号灯，并添加倒计时显示器控制汽车的行驶。相对一般情况下的安全行车，车辆分流还能发挥作用，但依据现实行车过程当中发生的情形，还有如下弊端和不足：通行时间比较固

15、化，无法依照车流情况调节具体的显示时间。这会使车流辆多的时候发生道路拥堵，车流辆少的时候耽误时间。所以我国城市发展的谋划，建造以及运转，在广泛参考和汲取国际杰出经验的根源上还应创建并健全适应我国国情的城市交通体系。随着当今社会的发展日益依附于交通运输，交通控制受到了广泛关注。最近几年，欧美国家都在一些城市创建智能交通控制系统。在上述体系中，大部分都位于交叉路口周围，在此部分装置探测器，且利用交叉口的控制设施或人员把交通控制参数通过电话线、电缆、光纤或者是无线网络等方式传送到微处理器，通过计算机管控。尤其是伴随信息科技的使用，交通控制观点逐渐从交通管理者的活动发展成为交通管理者以及道路使用者相同

16、的活动，然后促使交通的改善以及发展。在上述发展中，去除全新设施的使用以外，数据筹集、传播、整合、存储和发送等技术的发展具备显著的作用。由于计算机科技的进步，促使交通控制系统得到显著发展。上述控制科技利用和现代控制观点、现代管理模式相融合，持续促进交通控制系统的完善。我国的交通控制技术较国外的还是非常落后的。目前，我国缺乏科学、适宜、行之有效的城市交通控制体系；道路交通治理不善，无序。所以产生的结果就是道路通行水平不高且变化明显、出行不方便，交通问题多次出现，交通环境差，驾驶者会出现疲劳等。1.2.3 我国交通中存在的主要问题交通的进步，加快了大众社会的进步。其中社会进步，也加快了了交通设备以及

17、工具的发展。但是，伴随汽车数目的持续增加，人们在享用着机动车辆所提供的方便的同时，也将面对由汽车所引发的一些问题。我国经济发展水平并不高，因此产生了展现我国特点的城市交通情况。由于自身问题，国内城市交通控制系统依旧有大量问题没有得到全面的解决，例如系统应用环境容易改变，导致系统适应性不好等问题，上述问题就是国内交通系统的特点。而它具体表现在以下几个方面：（1） 车辆种类繁杂，混合交通严重。因为各种人消费需求的差异，致使街道马路上不同类型的车辆大量涌现。但是现在全球常见的交通控制系统对道路规划以及流量都有清楚的要求，本质上不符合小汽车交通。（2） 交通问题多次出现，不利于大众生命以及财产安全的维

18、护。在汽车出现中以后，交通问题就随之出现。道路情况、环境、驾驶员素养等原因都会造成交通问题。汽车数目多，道路不宽阔，车辆混合，和部分司机以及行人不遵照规则，导致城市交通问题多次出现。（3） 交通堵塞明显，造成行车时间延长，资源损耗增加。我国城市的车辆行驶速度很慢，形势不太乐观。国内人数超出百万的都市，每年因为交通堵塞造成的直接经济损失超出1600亿。（4） 城市污染明显，此处空气以及噪音类型最明显，并且情况每况愈下。目前国际上最严峻的环境污染当中就包含因汽车尾气排放和噪音所致的空气、噪音污染。发达国家通过调查研究发现：城市空气污染和噪声污染中占非常大的比例的为汽车尾气产生的污染物和交通噪声，分

19、别占到了60%和70%，车辆制动和停止这两步最易产生这类污染。上述众多部分展现出国内目前城市交通系统需要处理的众多问题，详细展现在车辆混合、事故多次出现、交通堵塞以及污染更加明显。因此就需要我们寻找本质因素，探究问题，寻找合适的处理方式，选择正面的方式，让城市交通问题得以全面处理。1.2.4 城市交通解决的主要途径 城市交通堵塞，指出新建道路或全新的立交桥。然而，短时间内，道路又马上变回原本拥堵的状态。一般来说修设全新的道路不会处理之前的拥堵问题，然而因此出现的交通量会明显占据全新的道路设备，而这是因为之前道路供给紧张才引发这些潜在的交通量的产生。因为新路不能处理城市交通堵塞的本质问题，大众逐

20、渐寻求全新的处理方案。伴随计算机科技的进步以及大众对控制观点全面的分析，利用控制观点以及计算机科技来解决交通问题就变得更加关键。各个国家都建立了不同的交通控制体系，对处理交通问题有显著的影响。人工智能全新科技的发展促使大众逐渐将其添加到城市交通控制中。利用充足的分析以及现实探究，大众逐渐了解到智能控制就是处理城市交通问题的重要方式。1.3 论文研究的主要内容 在我国，伴随着经济的增长，汽车工业也在迅猛成长，城市规划和城市交通控制如若做不好，那么城市交通将会面临更加严峻的局面。然而如今比较成熟的交通控制系统具有上节中所讲的诸多问题，根据这几个问题，本文在城市交通控制系统中引入了单片机控制,因为其

21、不用创建精确的数学模型并且它还能汲取了人为控制的经验，实现控制过程简单化，并且可以达到实时性和控制精度的要求。随着我国经济的发展，汽车工业也在迅速发展，如果我们做不好城市规划和城市交通控制，那么随之而来的城市交通将会面临严峻的形式。而现有的比较成熟的交通控制系统存在有上节中所讲的诸多问题，针对这些问题，本文把单片机控制引入到城市交通控制系统中,利用其不需要建立精确数学模型和它吸收了人工控制的经验，使得控制过程简化，而且能满足实时性和控制精度的要求。1.4 主要章节安排 第一章就课题研究的背景和意义做出了说明，简单介绍了关于城市交通的各方面内容。第二章主要阐述了交通灯模拟控制系统的整体设计方案。

22、第三章主要为交通灯模拟控制系统的硬件电路设计及本设计使用到的各个元器件选型和介绍。第四章主要介绍了交通灯模拟控制系统的软件设计。第五章主要介绍了系统的制作调试及结果演示。结尾给出结论并对交通灯将来的发展做出了瞻望。2 交通灯的总体设计方案2.1 设计的主要内容（1） 设定十字路口交通灯模拟控制体系，指出南北以及东西方向的交叉路口的车辆交替行驶，两个方向能根据车流量大小自动调节通行时间，车流量大，通行时间长，车流量小，通行时间短。 （2） 在每次红绿灯交替变化转换时黄灯闪烁5秒。 （3） 能实现正常的计时显示功能。 （4） 通过上位机软件远程监控车流量与现场状态和手动设置东西路红灯时间。 2.2

23、 设计方案2.2.1 系统的总体方案通过对设计题目及内容的理解，并考虑到设计要求、实现的难易程度及系统的性价比，得到了系统的总体方案。交通灯模拟控制系统总体设计框图如图所示。主要控制电路、信号灯电路、时间显示电路电路、电源模块、车流量检测电路、上位机远程监控等电路组成。信号灯电路上位机远程监控电源模块单片机车流量检测电路时间显示电路图2.1 交通灯总体设计框图根据设计的要求我们考虑了各功能模块的几种设计方案，以求最佳方案，实现实时显示系统各种状态，以提高效率，缓减交通拥挤。2.2.1 主控制器的选择为了使系统能正成常运行工作，必须要有主控制器来控制各个模块的工作，就好比人的大脑，支配各个部位的

24、动作，以使机体正常运作。本设计考虑了两种主控制器方案：方案一：采用数字电路设计。结合译码器、计数器，以及555定时器等组成一个交通灯模拟控制系统，虽然易于实现，但由于涉及的集成芯片较多且不便于实现车辆流量检测信号的输入，故很难完成系统设计任务。方案二：采用单片机作为主控制器，单片机体积小，结构简单，可靠性高，把各功能部件集成一个芯片，抗干扰能力强；控制功能强，虽然结构简单，但“麻雀虽小，五脏俱全”，具有较多的I/O口，可方便实现对各模块的控制，并且单片机具有低电压、低功耗的特点且价格低廉。比较了以上两种方案，方案二满足本设计要求且方便实现，故选用单片机作交通灯模拟控制系统的主控制器。2.2.2

25、电源提供方案为使模块稳定工作，须有可靠电源。本次设计考虑了两种电源方案：方案一：采用独立的稳压电源。此方案的优点是稳定可靠，且有各种成熟电路可供选用；缺点是各模块都采用独立电源，会使系统复杂，且可能影响电路电平。方案二：采用单片机控制模块提供电源。该方案的优点是系统简明扼要，节约成本；缺点是输出功率不高。方案三：采用电脑USB供电。USB可以提供500毫安电流，一个发光二极管5毫安足够正常工作了，这样发光管需要60毫安，单片机CPU最大工作电流80多毫安，74HC595最大工作电流为35毫安，所以整个可以正常工作。根据以上三种方案的比较，方案三比较容易实现也满足本设计要求，故选择第三种方案。2

26、.2.3 显示模块的选择与论证该系统要求完成倒计时显示红绿灯还需亮的时间这一功能。基于上述原因，本次设计考虑了两种方案：方案一：完全采用点阵式LED显示。这种方案功能强大，可方便的显示各种英文字符，汉字，图形等，但实现复杂，且须完成大量的软件工作。方案二：完全采用数码管显示。数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。数码管实际上是由七个发光管组成8字形而构成的，加上小数点就是8个。这些段分别由a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。其是显示屏，在其不同管脚输入对照电流，让其发亮，进而展现出数字表示时间、日期、温度等全部可用数字表示的参数。因为性价比高，使用便利，在家电行业得到全面使用

27、。这种方案的优点是实现简单，可以完成倒计时功能。缺点是功能较少，只能显示有限的符号和数码字符。根据以上两种方案比较，方案二已经满足了本设计的要求，所以本次设计采用方案二以实现系统的显示功能。2.2.4 车流量检测传感器的选择与论证 基于传统交通灯控制系统通行时间固化，无法根据车流情况而对照调节红绿灯显示时间的问题，本设计思考不同的检测方式，如下：方案一：采用遥感微波检测器(RTMS)。它实际是一个在微波范围内工作的雷达，通过发射和接收反射雷达波即可检测车辆。先在路面投印一定面积的微波带，在发射中心通过10HZ左右的频率调制微波，当有车辆经过检测区域时会向RTMS反射一个微波信号，通过RTMS接

28、收到的微波计算频率和时间变化的参数，这样就能检测出车流量。工作效率高，适用于动、静车辆的实时检测。但它易受环境的影响，运行时受观测区摇动的灌木或钢结构的影响且造价昂贵。方案二：采用磁感应车辆检测器，上述环形线圈检测器是现在交通行业最为普遍的装置。汽车经过埋在地下的线圈而引起线圈磁场的变化，通过磁场的变化量来检测车流量。它具有技术成熟，方便掌握，成本比较少的优点。但也有缺点：要埋入地底下很不方便还会造成道路暂时的封堵且会使路面受到损害，它也受环境的影响。 方案三：使用红外线车辆检测器，也就是光电开关，它在发射器上将电信号转化为光信号输出，也就是发射光信号，当有车辆经过时光会被遮挡或反射，接收器依

29、照得到的光线情况来判定是否出现车辆。具备反应效率高、抗干扰水平高，方便安装的优势。 综合比较以上三种方案发现，方案一成本高，且易受环境的影响，方案二要将检测器埋入地底下，会短暂阻碍交通并且会造成路面的损坏。方案三设计简单较易实现，左右权衡，故选用方案三。 3 系统的硬件设计硬件设计是整个系统的基础，林林总总的都需要考虑到。在完成交通灯主要作用的基础上，也需要思考下面的部分：系统稳定度；器件的通用性或易选购性；软件编程的易实现性；系统其它功能及性能指标；因此交通灯模拟控制系统的硬件设计是相当重要的。下面我针对各个功能部件如何实现来逐一进行分析研究。3.1 主要硬件的选型 3.1.1 单片机的选型

30、 采用STC15F2K60S2 单片机作为主控制器。STC15F2K60S2 单 片 机 是宏晶科技 生 产 的 具有速度快、可靠性高、功耗低、抗干扰能力强等优点的的新一代51单片机。与传统的51单片机相比,STC15F2K60S2 不需要外部的晶振和复位电路，具有38个I/O口和三个十六位定时器/计数器（T0/T1/T2，其中T0/T1兼容普通8051的定时器/计数器)，并均可独立实现内外可编程时钟输出，可以方便实现车流量检测信号的输入。并且具有五个中断源，可方便地实现定时中断检测车流量。将STC15F2K60S2单片机与传统的51单片机作对比可以发现，STC15F2K60S2单片机不仅价格

31、低廉，满足设计要求且最小系统电路简单，性价比高，因此本设计选用STC15F2K60S2单片机作为主控制器。 图3.1 STC15F2K60S2单片机实物图图3.2 STC15F2K60S2单片机引脚图图3.3 STC15F2K60S2单片机最小系统图3.1.2 车流量检测传感器的选型 在本设计中，检测车流量采用光电开关E18-D80NK。该光电开关工作电压为直流5伏，因为本设计是模拟的交通灯控制系统，所以本设计可以检测距离为3-80cm的车辆，响应时间不超过2ms。光电开关是车流量检测传感器的一种，是光电接近开关的简单称呼，其主要使用被检测物对光束的遮挡或折射，由同步回路接通电路，进而测试物体

32、情况。物体没有限制，只要是可以反射光线（或者对光线有遮挡效果）的物体都可被测试。它在发射器上将电信号转化为光信号输出，也就是发射光信号，当有车辆经过时光会被遮挡或反射，接收器依照得到的光线情况来判定是否出现车辆。具备反应效率高、抗干扰水平高，方便安装的优势。 图3.4 光电开关实物图光电开关是由发射器、接收器和检测电路三部分组成。光电开关有对射式和反射式这两种类型，本设计使用的是反射式光电开关。图3.5 对射式光电开关 图3.6 反射式关电开关3.1.3 单片机与PC通信模块的选型通信，根据之前的理解是信息传送以及传输和交换。对于单片机来说，通行就和传感器、存储芯片、外围控制芯片等科技紧密相关

33、，变成综合单片机系统的重要部分。缺少通信，单片机所完成的作用只限制在单片机自身，因此不能利用其余设施得到需要的资料，也不能利用其余设施得到实用的资料，也不能把自身得到的信息告知其余设施。假如单片机通信无法妥善处理，其与外围设备的合作水平就会降低，最后造成综合系统不能完成目标。UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)串行通信是单片机最普遍的通信科技，一般使用在单片机以及计算机两者以及单片机之间的通信。通信根据主要种类被划分成并行以及串行通信。前者数据各个位共同传送，可完成字节为单位通信，然而通信线占据大量的资源，费用高。但是后者就像车道，

34、每次只可以通过一辆，假如0xFE字节的数据要传输，假设低位在前高位在后，那发送模式为0-1-1-1-1-1-1-1-1，一位一位依次发送，要传送八次才可以完成字节。STC15F2K60S2有两个引脚单独来进行UART串行通信，首先是P3.0，其次就是P3.1，其也被称作RXD以及TXD，由它们构成的通信接口是串行接口，也就是串口。单片机与PC的UART串口通信示意图如下： 单片机 TXD RXD GND PCRXDTXDGND 图3.7 单片机与PC之间UART通信示意图在台式电脑中，通常会出现九针串行接口，上述就是RS-232接口，其与UART通信有紧密关系，然而因为目前笔记本电脑不具备上述

35、九针串口，因此与单片机通信开始趋向采用USB虚拟串口，单片机通过串口转TTL和上位机通信，本设计加接了一个USB转串口的硬件设备：USB-TTL模块，它是一款USB转UART功能模块，这样既解决了数据线的连接又解决了单片机供电问题，但PC端需要安装USB驱动。 图3.8 USB-TTL实物图3.2 其它硬件介绍 3.2.1 发光二极管 发光二极管，包括可见光不可见光，激光等不同类型，这里只对可见光发光二极管做一简单介绍。发光二极管的发光颜色决定用所用材料，目前有红、绿、黄、橙等色可以制成各种形状如长方形，圆形等。 图3.9 发光二极管 图3.10 发光二极管发光二极管也具有单向导电性，只有当外

36、加的正向电压使得正向电流足够大时才发光，它的开启电压比普通二极管的大，红色的在1.61.8V之间，绿色的约为2V.正向电流越大，发光越强。发光二极管因其驱动电压低、功耗小、寿命长可靠性高等优点广泛用于用于显示电路中。 根据本设计的特点，红绿灯的显示不可少，在本系统我将用发光二极管来作交通信号灯，我用十二个信号灯组成四组，模拟东南西北四个方向的交通指示灯。3.2.2 数码管 数码管也称LED数码管，数码管就是半导体发光器件，其主要部分就是发光二极管。LED显示屏作为大型显示设备的一种，具有亮度高、价格低、寿命长、维护简便等优点。数码管儿共有a、b、c、d、e、f、g、dp这么八个段，实际上这八个

37、段每一段都是一个LED小灯，所以一个数码管就是由八个LED小灯组成的。数码管按有几个段可分为七段和八段，八段比七段多一个小数点就是dp。数码管还可分为共阴和共阳两种。共阴数码管就是八支LED小灯的阴极是连接在一起的，阴极是公共端，公共端接地，由阳极来控制单个小灯的亮灭。同理，共阳数码管就是阳极接在一起作公共端，公共端接到电源上。 由于本系统的显示没有小数点，且要显示两位数，所以我这里用的是七段双位共阴数码管。图3.11 数码管 图3.12 数码管引脚图 LED 灯的显示原理:通过同名管脚上所加电平的高低来控制发光二极管是否点亮而显示不同的字形。共阴数码管通过阳极来控制单个小灯的亮灭，阳极为高电

38、平时，亮；阳极为低电平时。灭。同理，共阳数码管通过阴极来控制每个段的亮灭，阴极为低电平时，亮；阴极为高电平时，灭。对于本系统使用的双位数码管来说数码管的位选择（即各位和十位的亮灭）是在阳极为高电平时灭，低电平时亮；而数码管的段选择（即该段的亮灭）正相反，它在阳极为高电平时亮，低电平时灭。数码管的驱动代码如下表所示：表3-1 驱动代码表显示数值abcdefg驱动代码（16进制）011111100x3f101100000x06211011010x5b311110010x4f401100110x6b510110110x6d610111110x7d711110000x07811111110x7f911

39、110110x6f3.2.3 电阻电阻器（Resistor）在现实生活中通常被叫做电阻。是目前限流元件，把电阻连接在电路之后，电阻器阻值是不会变动的，通常出现两个引脚，其可以影响通过其所连支路的电流数值。阻值无法改变的就是固定类型的。阻值可变的就是电位器或可变类型的。最佳的电阻器是线性的，也就是电阻器的瞬时电流和外加瞬时电压成正比。 图3.13 色环电阻 图3.14 贴片电阻 3.2.4 74HC595芯片因为本设计要实现的功能多，单片机I/O口不够用，所以要外接一个74HC595芯片来扩展I/O口。74HC595是一种串入并出的芯片,在电子显示屏制作当中有广泛的应用。74HC595是8位串行

40、输入/输出或者并行输出移位寄存器，具有高阻、关、断状态。三态。74HC595芯片的实物图如下所示：图3.15 74HC595芯片74HC595芯片的引脚功能如下表所示：表3-2 引脚功能表管脚编号管脚名管脚定义功能1、2、3、4、5、6、7、15QAQH三态输出管脚8GND电源地9SQH串行数据输出管脚10SCLR移位寄存器清零端11SCK数据输入时钟线12RCK输出存储器锁存时钟线13OE输出使能14SI数据线15VCC电源端3.3 系统硬件总电路构成及原理3.3.1 系统的硬件电路根据系统的设计任务要求，结合各单元电路，得出的系统原理图如下所示：图3.16 系统的电路图3.3.2 系统的工

41、作原理 本设计使用STC15F2K60S2单片机作为中央控制器。采用发光二极管来模拟交通灯信号，并采用LED数码管倒计时显示红绿的还需亮的时间，通过I/O口控制发光二级管的亮灭状态。因I/O口不够用，所以外接74HC595芯片来扩展I/O口。车流量检测利用光电开关检测车道是否有车辆通过。车检测电路将得到的车流量信息传给单片机系统，单片机系统根据车流量的多少而选定红绿灯转换的时间程序，再将信息传给时间显示电路和信号灯电路，单片机通过串口转TTL和上位机通信，上位机软件远程监控车流量与现场状态，进而实现交通信号灯的智能化，提高了十字路口的通行效果。此次设计，我在每个方向上都设置两个光电传感器，一个

42、传感器（a传感器）放置在离信号灯较远处，一个传感器（b传感器）放置在离信号灯较近处，两个传感器在道路同一侧。模拟车辆通行，当a传感器先检测到车辆时说明车辆在驶入；当a,b传感器都能检测到车辆时，说明车辆正在过红绿灯；当b检测到车辆时说明车辆正在驶出。a先检测到，a、b同时检测到，b检测到这样车辆通过一辆，车辆+1后，再从头开始检测本系统只实现了单一方向上的车辆检测，即不能同时检测正在驶入和驶出的车辆。单片机通过P0口得到各个方向的车流量信息，然后对其进行处理、分析和判断，改变信号灯点亮时间，然后直接控制信号灯驱动，实现对信号灯亮灭状态的控制，进而实现单片机对信号灯的智能控制。 3.3.3 元件

43、清单下表是本次设计中用到的元器件及数量：表3-3 元件清单名 称 规 格、型号 数 量单片机STC15F2K60S2 1芯片 74HC595 1发光二极管GREEN 4发光二极管RED 4发光二极管YELLOW 4 数码管两位共阴 4 电阻510 20红外传感器 E18-D80NK 84系统的软件设计本设计软件部分的设计是用Keil uVision4软件编译的。程语言采用单片机c语言设计主要功能。Keil uVision4也称为Keil C51，其是美国Keil Software企业设计的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，它有着非常多的的库函数并且集成开发调试工具功能齐全。C语言就是基于过

44、程的程序设计方式，它简单灵活，具有丰富的数据结构和操作符、先进的结构化程序控制、良好的程序可移植性和高效率的目标代码，因此多被用于开发系统软件和嵌入式软件。C语言之所以能存在和发展，并具有生命力，归纳起来有以下特点：（1） 语言简单灵活，使用起来非常便捷。（2）C语言是高级语言，同时具备了低级语言的特征。它把高级语言的基本结构和语句与低级语言的实用性结合起来。换句话说，C语言具有汇编语言的强大功能，又有高级语言的简单、方便的特点，特别适合做底层开发。（3）结构化程序设计语言。这种结构化方式 可是程序层次清晰，便于使用、维护和调试。 （4）C语言具有各种各样的数据类型。此外 C语言具有强大的图形

45、功能，支持多种显示器和驱动器；而且计算功能、逻辑判断功能也比较强大，可以用于实现决策目的。（5）C语言的一个突出优点就是适合多种操作系统，同时也适用于多种机型。在一个系统中编写的C程序，不用修改就可到其他系统中编译执行。4.1 软件设计流程软件设计主要完成各部分的软件控制和协调。本系统主程序模块主要完成的工作是对系统的初始化，发送显示数据，同时对键盘进行扫描，等待外部中断，以及根据所需要的功能进行相应的操作。程序设计流程如图4.1所示：4.1.1 程序的编译目前的单片机程序中，不同功能程序都需要具备对应的的工程（Project），所以我们需要创建单独的工程,开启Keil软件之后,单击Proje

46、ctNew Vision Project，直接会展现出新建工程的界面,参考图4.2。 在硬盘上建立一个文件夹，之后将上述工程路径指定到此处，便于此后管理程序。将上述工程叫做交通灯，软件会自主添加扩展名.uvproj。开始初始化程序根据红灯时间运行上位机监控与控制红灯时间计算车流量是车流量是否符合规定？ 否 对红灯时间进行修改图4.1 程序设计流程框图图4.2 新建一个工程 直接单击保存按钮，工程会自动保存成交通灯文件.uvproj文件。保存之后会弹出一个对话框，选择单片机型号。选择相应的单片机型号，然后点击OK按钮。这样工程就建立好了，如图4.3所示。 图4.3 工程文件工程出现以后，创建编写代码文件，单击FileSave，创建文件就是编写程序的平台，之后单击FileSave或者Save按钮可储存文件，此时将其叫做交通灯点.c。