基于51单片机的智能交通灯制作大学毕业论文.doc
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1、哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计(论文)摘 要近年来随着科技的飞速发展,交通灯在交通控制和管理方面起着越来越重要的作用。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?靠的就是交通信号灯的自动指挥系统。交通信号灯控制方式很多。本设计结合城乡交通的实际情况阐述了交通灯控制系统的工作原理,并给出了一种简单实用的交通灯数字控制的电路设计方案。本系统实用性强、操作简单、扩展功能强。关键词:交通灯,单片机,数码显示 AbstractWith the rapid development of science and technology in recent y
2、ears,The traffic light has becoming increasingly important in traffic control and management.Crossroads shuttle vehicles,pedestrians bustling,car dealers driveway, People walkways,methodical.Then rely on to achieve this discipline of the order of It?Isthetrafficlightsbytheautomaticcontrolsystem.Traf
3、ficsignalcontrolmanyways.Based on the actual traffic situation in urban and rural areas,this design expounds the operational principles of control system of traffic light and give a simple and practical circuit design of digital control of traffic light.The system practical,simple,extending strong f
4、unction.Keywords:Traffic light.Pulse signal generator.Timer,Deconder -23-摘 要IAbstractII第1章 绪 论11.1 课题背景11.2 目的意义21.3 技术要求21.4 本章小结2第2章 设计方案3第2章 设计方案32.1 设计方案选择32.2系统总框图42.2.1 系统框图42.2.2 整机电路图52.2.3 系统工作原理52.3 本章小结6第3章 AT89S52单片机73.1 单片机的发展及应用73.2AT89S52单片机引脚图73.3单片机最小系统83.3.1 复位电路83.3.2 晶振电路93.4本章小结
5、9第4章 单元电路设计104.1 驱动电路104.1.1 74LS245芯片引脚图104.1.2 74LS245芯片功能104.2LED显示电路114.3 本章小结13第5章 软件流程设计145.1 软件设计145.2 程序流程图155.3 本章小结17第6章 系统仿真及调试186.1 电路调试186.2 本章小结18结论19致谢20参考文献21附录1 译文22附录2 英文参考资料25第1章 绪 论1.1 课题背景随着经济的不断发展,汽车等代步工具已大大方便了人们的出行及日常生活。然而,交通拥堵问题也成为了急需解决的课题。早先由人站在路上通过手势信号疏导交通,但是随着交通工具的增多,仅仅只依靠
6、人力无法满足交通的需要,因此交通灯被发明,应用,并随之得到了迅速的发展。实践证明,交通灯是疏导交通最常见最有效的方法。交通灯发展至今,已经历了上百年漫长的时间。从最早的手牵皮带式到现在的十字路口交通灯,从稀有到普遍的同时,自动化、智能化,可靠性也得到很大的提高,现今交通灯早已成为维护交通秩序,保障人身安全必不可少的一环。早在1858年,英国伦敦主要街头安装了以然煤气为光源的红、蓝两色的机械扳手式信号灯,用以指挥马车的通行。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。它由红绿两色旋转式方形玻璃提灯组成,红色表示
7、“停止”,绿色表示“通行”。直到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”。而中国最早的马路交通灯诞生在1928年的上海英租界。交通灯的控制方案多种多样,有纯硬件交通灯,PLC控制交通灯,单片机控制交通灯。其中,单片机控制的交通灯兼有成本低、性能较可靠、控制简单等功能,已经得到广泛应用。当前,大量的信号电路正向着数字化、小功率、多样化发展,方便人、车、路三者关系的协调,多值化方向发展。随着社会的发展,城市规模不断扩大,城市交通成为制
8、约城市发展的一大因素,因此,有许多设计工作者为改善城市交通环境设计了许多方案,而大多数都为交通指挥灯,交通指挥灯也因此得到迅速的发展。1.2 目的意义在道路交通上,交通信号灯对疏导交通,使得交通道路畅通,保证人们出行更加有秩序,最好的节省人们在交通道路上的时间。最重要的是交通灯的存在大大的减少了交通事故的发生保证人们在交通道路上的人身安全。提高了人们的生活质量。所以说交通灯的存在对维持交通秩序和维护交通安全都有着非常重要的意义。单片机控制的交通信号灯与老式交通灯相比,具有计数精确,成本低廉,可靠性高,机动性好等优点,选择性的放行车辆使管理更加人性化,较大程度的提高了车辆通行的效率。1.3 技术
9、要求 用AT89S52单片机控制一个交通信号灯,晶振采用12MHZ。设A车道和B车道交叉组成十字路口,A是主道,B是支道。设计要求如下:1)用发光二极管模拟交通信号灯,用按键开关模拟车辆检测信号。2 )正常情况下,A,B两车道轮流放行,A车道放行50s,其中5s用于警告;B车道放行30s,其中5s用于警告。4)在交通繁忙时,交通信号灯控制系统应有手控开关,可人为的改变信号灯的状态,以缓解交通拥挤状况。在B车道放行期间,若A车道有车而B车到无车,按下开关使A车道放。在A车道放行期间,若B车道有车而A车道无车,按下开关使B车道放行。1.4 本章小结本章介绍了交通灯的背景,目的意义和本课题的技术要求
10、。其中包括了交通灯的产生,交通灯的应用领域,以及在未来的发展中,交通灯的发展方向更趋向于智能化和人性化的特点。同时随着城市化的发展,交通灯在生产生活中占有越来越重要的地位。另外本章也介绍了课题的技术要求和功能指标,交通灯的A、B两条车道的放行状况和当有特殊状态产生时单片机对交通灯的控制。 第2章 设计方案2.1 设计方案选择交通灯的相应的技术指标可以通过数字电路实现,也可以用单片机控制实现,同时也可以通过PLC控制。以下简单介绍对于三种方案的比较和选择。方案一:数字电路实现。数字电路可以用555芯片作为多谐振荡器为整个电路提供秒脉冲,计数器计数,并由译码器将信号送到数码管显示时间。这个方案虽然
11、可行,但是所需要的元器件多,焊接及调试麻烦,且计时不精准,可靠性不高。方案二:单片机控制交通灯。单片机控制交通灯主要由单片机及其晶振电路,复位电路,数码显示电路,红黄绿显示电路组成。这个设计方案硬件电路较为简单,易于连接和调试,机器周期由晶振提供,计时较为精准,并且单片机有内部的定时器,计数器,外部中断资源丰富,有很好的应用价值。单片机成本比较低廉,它同时也具有良好的生产价值。方案三:PLC控制交通灯。由于市场上PLC价格昂贵,由其控制的交通灯多应用于工业生产中,在人们平时的出行中难以得到广泛的应用。综合三种方案的优缺点,由单片机控制交通灯这一方案有很好的应用价值,因此选择方案二。2.2 系统
12、总框图2.2.1 系统框图AT89S52单片机复位电路晶振电路按键电路驱动电路驱动电路A道LED显示电路驱动电路驱动电路A道红黄绿显示电路B道红黄绿显示电路B道LED显示电路图2-1 交通灯系统框图如图2-1所示,系统由复位电路,晶振电路,按键电路单片机,驱动电路,LED数码显示电路及红黄绿灯显示电路构成。其中,复位电路为了方便调试,设计了两种复位方式,手动复位及上电复位。由于单片机需要高稳定,高频率的实时脉冲,因此需要晶体振荡器。考虑到延时时间的计算和取材的方便,晶振电路选用12MHz晶振,此时单片机的每个机器周期是1us。单片机选用AT89S52单片机,与其他型号的单片机相比,此型号的单片
13、机在市面上和生产上应用相对广泛,调试和修改程序比较容易,并且其功能和ROM,RAM的大小符合设计的要求。驱动电路用集成模块,信号经过驱动电路放大后送入LED显示电路和两个道口的红黄绿灯显示电路中。在本次设计中,红黄绿灯用三种颜色的发光二极管模拟,紧急情况的检测用开关信号模拟,2.2.2 整机电路图图2-2 交通灯电路图2.2.3 系统工作原理AT89C52在XTAL1和XTAL2两管脚上接晶体振荡器,在晶体振荡器的两端并联两个电容C1和C2,参数为30pF,对震荡频率有微调作用。时间倒计时显示电路采用两位共阴极七段数码管显示。工作时,单片机P1口输出信号控制数码管的显示,P1,P2口则控制十字
14、路口的红黄绿三色交通灯顺序点亮。2.3 本章小结本章介绍了整机电路的设计思想和设计方案。并列出了方框图和整机电路图。在方案的选择里,提供了通过数字电路实现,用单片机控制实现,通过PLC控制交通灯的三种控制方案,对每种设计方案都做了一定的分析,并列出各自的优缺点。整个电路包括单片机,晶振电路,复位电路,驱动电路,数码管显示电路和红黄绿交通灯显示电路这几个方面。在本章对各部分电路都进行了简单的阐述。第3章 系统原理说明3.1 AT89S52单片机3.1.1 单片机的发展及应用单片微型计算机简称单片机,是典型的嵌入式微控制器(Microcontroller Unit),常用英文字母的缩写MCU表示单
15、片机,它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中,使计算机系统更小,更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。1971 Intel公司的霍夫研制成功世界上第一块4位微处理器芯片Intel 4004,标志着第一代微处理器问世,微处理器和微机时代从此开始。1973年8月,霍夫等人研制出8位微处理器Intel 8080,以N沟道MOS电路取代了P沟道,第二代微处理器就此诞生。1975年4月,MITS发布第一个通用型Altair 8800,售价375美元,带有1KB存储器。这是世界上第一台微型计算机。19
16、76年intel公司研制出MCS-48系列8位的单片机,这也是单片机的问世。20世纪80年代初,Intel公司在MCS-48系列单片机的基础上,推出了MCS-51系列8位高档单片机。MCS-51系列单片机无论是片内RAM容量,I/O口功能,系统扩展方面都有了很大的提高。现在单片机单片机在内部已集成了越来越多的部件,这些部件包括一般常用的电路,例如:定时器,比较器,A/D转换器,D /A转换器,串行通信接口,Watchdog电路,LCD控制器等。目前单片机已广泛用于智能仪器、工业控制、家用电器、通信领域、医用设备领域、大型电器及汽车设备领域中。而在今后,单片机已明显地朝三个方向发展即:巨型化,单
17、片化,网络化。3.1.2 AT89S52单片机引脚图AT89S52是一个低电压,高性能CMOS 8位单片机,片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,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。其引脚图如下:图3-1 AT89S52单片机引脚图在本次设计中,单片机P0、P1、P2都用作输入/输出口,其中P0口外接上拉电阻。单片机其他用到的引脚功能介绍如下:RST复位输入。当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。E
18、A/VPP外部访问允许。欲使CPU 仅访问外部程序存储器(地址为0000HFFFFH),EA 端必须保持低电平。如果加密位LB1 被编程,复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平,CPU 则执行内部程序存储器中的指令。XTAL1振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。XTAL2振荡器反相放大器的输出端。3.1.3 单片机最小系统(1)复位电路复位电路可以实现手动复位和上电复位。图3-2 单片机复位电路上电后,由于电容存在一定的充电时间,使RST持续一段时间的高电平,实现单片机的复位。当单片机已在运行当中时,按下复位键K后松开,也能使RST为一段时间的高电平,从而实现上电或开关复位的操作
19、。(2)晶振电路晶振采用12MHz晶振,则单片机的机器周期为其倒数,即1us。图3-3 单片机晶振电路3.2本章小结单片机自问世就得到十分迅速的发展,现在单片机已广泛运用与生活生产中,成为电路开发不可缺少的一环。AT89C52单片机是一个低电压,高性能CMOS 8位单片机,与同类产品相比有性价比高,程序写入简单,调试方便的特点。本章介绍了单片机的生产、应用,以及单片机最小系统的搭接和原理。第4章 单元电路设计4.1 驱动电路4.1.1 74LS245芯片引脚图图4-1 74LS245引脚图当片选端/CE低电平有效时,DIR=“0”,信号由 B 向 A 传输(接收); DIR=“1”,信号由 A
20、 向 B 传输(发送);当CE为高电平时,A、B均为高阻态。电路中将片选端/CE接地,将DIR置1,信号从单片机的P0,P1或P2口输出,送入A0A7,经74LS245芯片将其放大,从而带动负载,即发光二极管和数码管。4.1.2 74LS245芯片功能74LS245在电路设计中常用来驱动LED或者其他的设备,它是8路同相三态双向总线收发器,可双向传输数据。74LS245还具有双向三态功能,既可以输出,也可以输入数据。当单片机的数据输出口总线负载达到或超过P0最大负载能力时,必须接入74LS245等总线驱动器。引出端符号的意义为A:A端总线;B:B端总线G:三态允许端(低电平有效)DIR:方向控
21、制端芯片的封装方式为双列直插式封装,其逻辑图如下:图4-2 74LS245逻辑图极限值:电源电压 7V 输入电压 7V 输出高电平时高组态电压 5.5V 工作环境温度 070 存储温度 -651504.2 LED显示电路LED数码管是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件,引线已在内部连接完成,只需引出它们的各个笔划,公共电极。LED数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点,还有一种是类似于3位“+1”型。位数有半位,1,2,3,4,5,6,8,10位等等,LED数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类,不同类型的数码管,除了它们的硬件电路有差异外,编程方法也是不同的。图4-4是
22、共阴和共阳极数码管的内部电路,它们的发光原理是一样的,只是它们的电源极性不同而已。颜色有红,绿,蓝,黄等几种。LED数码管广泛用于仪表,时钟,车站,家电等场合。选用时要注意产品尺寸颜色,功耗,亮度,波长等。交通灯的时间倒计时显示电路采用两位共阴极七段数码管显示。颜色选用红色。共阴极七段数码管引脚图如下:图4-3 七段共阴极数码管引脚图图4-4 共阴极LED数码管的内部结构原理图如图4-4,A,B,C,D,E,F,G,DP分别为七段发光二极管,当其对应引脚1,2,4,5,6,7,9,10高电平时,数码管与其对应的二极管发光。在电路中,将VT端接电源,引脚a,b,c,d,e,f,g,dp接单片机的
23、输出口。当单片机的信号从单片机输出,经由驱动电路放大,再送到数码管的对应引脚时,数码管的这个引脚由低电平变为高电平,则数码管对应的段点亮。位元选通由各自独立的I/O线控制,当单片机输出字形码时,所有数码管都接收到相同的字形码,但究竟是那个数码管会显示出字形,取决于单片机对位元选通COM端电路的控制,所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开,该位元就显示出字形,没有选通的数码管就不会亮。透过分时轮流控制各个LED数码管的COM端,就使各个数码管轮流受控显示,在轮流显示过程中,每位元数码管的点亮时间为12ms,由于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应,尽管实际上各位数码管并非同时点亮,但只要
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