模拟交通灯论文.doc

泉州理工职业学院毕 业 论 文（设 计）2011届题 目 交通灯控制器 题 目 姓 名 陈小安 学 号 08202113 专业班级 08电子 指导教师 李慧 2011 年 3 月 15 日目录前言11 系统总体方案设计22 方案论证与比较32.1 主控制器的比较与选择32.2 显示时间、指示电路的比较与选择33 系统的硬件结构43.1 电源电路概述53.2 交通管理的方法53.3 AT89S52单片机介绍73.3.1 单片机概述73.3.2 8051内核概述73.4 LED指示电路93.5 数码管显示电路94 系统软件设计114.1 系统流程图114.2 单片机定时器中断服务程序流程图125 实验测试及数据分析155.1 交通灯基本功能测试155.2 主干道忙和紧急车情况测试16结论16参考文献17交通灯控制器学院 泉州理工学院 专业班级电子信息技术 姓名陈小安摘要本文介绍了基于单片机控制的交通灯控制器系统。系统采用AT89S52单片机作为核心控制器，集时间显示和控制、红绿灯指示为一体，实现了根据车流信息、紧急车情况控制系统的系统设计。本文详细介绍了系统总体方案、部分硬件软件设计方案。【关键词】AT89S52 交通灯 转弯前言当今，红绿灯安装在各个道口上，已经成为疏导交通车辆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，世界上最早的交通信号灯出现英国伦敦的主要街头。当时用燃煤气为光源的红、蓝两色的机械扳手式信号灯来指挥马车通行。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”。1918年，美国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。目前，随着社会经济的发展，交通问题越来越引起人们的关注。人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。交通灯是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。交通灯控制器的安装及使用,大大缓解了城市道路堵塞现象，提高了道路的通行能力，减少了驾驶员违章的次数,抑制了交通事故的发生,同时对减轻车辆尾气排放,从而降低环境污染都起到了不可低估的作用。因此，设计可靠、安全、便捷的多功能交通灯控制器有极大的现实必要性。通常情况下，交通信号灯控耐主要有两个缺陷：1、车道放行车辆时，时间设定相同且固定。十字路口经常出现主车道车辆多。放行时间短，车流无法在规定时间内通过，而副车道车辆步，放行时间明显过长：2、未考虑急车强通(譬如，消防车执行紧急任务时，两车道都应等待消防车通过)。由于交通信号灯控制系统缺乏有效的应急措旗，导致十字路口交通受阻，造成不必要的经济损失。本系统利用单片机AT89S52作为核心控制器，实现了根据区域车流是否有紧急撤进行十字路口交通信号灯智能控制，并在软、硬件方面采取一些改进措施，实现了根据十字路口车流进行通车时间的控制，使交通信号灯现场控制灵话、有效。从一定程度上解决了空通路口堵塞、车辆停车等待时间不合理、急车强通等问题。系统具有结构简单、可靠性高、成本低、实时性好、安装维护方便等优点，有广泛的应用前景。1 系统总体方案设计本交通信号灯控制器硬件主要由时间显示电路、红绿灯电路、车流信息检测电路、主干路忙时开关电路、紧急车开关电路、单片机最小系统电路、电源电路等组成。系统原理框图如图1所示。车流信息检测电路电源电路主干路忙时开关电路单片机最小系统电路紧急车开关电路红绿灯电路时间显示电路图1 系统原理框图车流检测装置安放在各十字路口东西、南北道路方向实时检测车道车流信息。并将检测刊的信息输至单片机进行处理。通过单片机编程技术实现信号灯绿、红切换，主干路是否忙，是否有紧急车的设定。2 方案论证与比较2.1 主控制器的比较与选择方案一：采用普通的模拟电路、数字电路设计方法进行控制交通灯。容易购买，但总体价格昂贵，电子线路设计比较复杂，难于显示时间和检测车流量信息。故本设计不采取该方案。方案二：采用51系列中的Atmel公司的AT89S52单片机控制。AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS的8位单片机。它有4K字节在系统可编程Flash 存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory），32个可编程I/O线，2个定时器/计数器，1个全双工UART串行口，5个中断源，该单片机的价格便宜，性能稳定存储容量大，易于控制并且控制性能能良好，可用多种软件编程实现各种控制看法和逻辑控制。可实现时间显示和键盘设定等多种功能，并且该单片机系统集成度高，性价比较高。因此，本系统采用AT89S52单片机作为主控制器。2.2 显示时间、指示电路的比较与选择方案一：LCD（Liquid Crystal Display）的缩写，即液晶显示器，是一种数字显示技术，可以通过液晶和彩色过滤器过滤光源，在平面面板上产生图象。与传统的阴极射线管（CRT）相比，LCD占用空间小，低功耗，低辐射，无闪烁，降低视觉疲劳，有着使用简单,温度范围宽,可靠性高,显示模式多样,节省能源,防辐射等优点。LCD1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)存储了160个不同的点阵字符图形，使用LCD1602虽然能显示众多的符号和字符，但价格昂贵，体积太小，无法满足行人的观察视觉。故本设计放弃该方案。方案二 ：采用普通的发光二极管作为指示红绿灯指示。它有价格便宜，容易安装，性能稳定等特点。故本系统采用发光二极管作为红绿灯指示。方案三 ：数码管是采用8段数码管来做显示器. 8段数码管的内在特征决定了它是最理想的光源去代替传统的光源，它有着广泛的用途。以其色彩鲜艳、动态范围广、亮度高、寿命长（使用寿命可达10万小时）、工作稳定可靠等优点及随着大规模集成电路和计算机技术的不断进步使得其生产成本不高，进而使得LED显示器正在迅速。LED足能显示本设计的时间。故采用该方案进行显示时间。3 系统的硬件结构 系统的硬件结构由电源电路、AT89S52最小系统、切换开关电路、数码管显示电路、LED指示电路灯组成。系统硬件电路图如图2所示。图2 系统硬件电路图交通灯控制系统部分元器件详细选型如表1所示表1 交通灯所需部分元器件序号名称型号数量1稳压管LM78051块2单片机AT89S521片3数码管驱动芯片74hc5732片4数码管SM4103644个5指示灯LED21个6电容无若干只7电阻无若干只3.1 电源电路概述三端集成稳压电路的外部只有三个端子：输入、输出和公共端。在三端稳压电源芯片内有过流、过热及短路保护电路。该种芯片具有使用安全可靠，接线简单，维护方便、价格低廉等优点，当前正被广泛采用。三端固定集成稳压电路的输出电压是固定的，常用的是CW7800/CW7900系列。W7800系列输出正电压，其输出电压有5、6、7、8、9、10、12、15、18、20和24V共11个档次。该系列的输出电流分5档，7800系列是1.5A，78M00是0.5A，78 L00和是0.1 A，78T00是3A，78H00是5A。 W7900系列与W7800系列所不同的是输出电压为负值。三端稳压器的工作由采样、基准、放大和调整等单元组成。集成稳压器只有三个引出端子： 输入、输出和公共端。输入端接整流滤波电路，输出端接负载；公共端接输入、输出的公共连接点。为使它工作稳定，在输入和输出端与公共端之间并接一个电容。使用三端稳压器时注意一定要加散热器，否则是不能工作到额定电流。本交通灯控制器选用LM7805。其电路图如下图3所示。图3 7805稳压电路3.2 交通管理的方法交通灯通常具有拐弯功能，可假设本系统的交通灯模型如图4所示。图4 交通灯模型图东西、南北两干道交于一个十字路口，各干道2个红色、1个黄色、2个绿色的指示灯指挥车辆和行人安全地直走与转弯。红绿灯分配如图5所示。图5 主次干道指示灯红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行。当主干道通行时，次干道的直走红灯和拐弯红灯都亮起，当主干道向左拐弯时主干道上的直走红灯和拐弯红灯都亮起。干道的黄灯亮提示人们注意红、绿灯的状态即将切换。具体的指示如下表2所示。其中1表示灯灭，0表示灯亮，-表示闪烁。表2 交通灯指示说明执行步骤主干道次干道表示功能拐弯黄灯直走拐弯黄灯直走红灯绿灯绿灯红灯红灯绿灯绿灯红灯11110101110主干道直走211-1101110主干道准备拐弯31011101110主干道左拐411-1101110次干道准备通行50111011101次干道直走60111011-11次干道准备拐弯70111010111次干道左拐80111011-11主干道准备通行3.3 AT89S52单片机介绍3.3.1 单片机概述 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。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。3.3.2 8051内核概述本交通灯控制器所用的AT89S52以8051为内核。8051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，其内部结构如图6所示。图6 8051单片机内部结构中央处理器：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。程序存储器(ROM)：8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。定时/计数器(ROM)：8051有两个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。并行输入输出(I/O)口：8051共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。全双工串行口：8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。中断系统：8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。时钟电路：8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。3.4 LED指示电路LED（发光二极管Light Emitting Diode的英文缩写）是利用PN结把电能转换成光能的固体发光器件，根据制造材料的不同可以发出红、黄、绿、白等不同色彩的可见光来。LED的伏安特性类似于普通二极管，正向压降约为2伏左右，工作电流一般在10 -20 mA之间较为合适。其电路如图7所示。其中R5、R6、R7、R8、R9为限流电阻，其作用是防止二极管烧坏。图7 LED指示电路3.5 数码管显示电路数码管按段数分为7段数码管和8段数码管。八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码。发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。8段LED在控制系统中应用最为广泛，其接口电路也具有普遍借鉴性。因此，本系统使用8段数码管。由于单片机的IO口电流驱动能力较差，故本交通灯系统使用74HC573进行数码管驱动。74HC573是八进制3态非反转透明锁存器。其引脚图如图8所示图8 74HC573引脚图每个锁存器具有独立的D 型输入，以及适用于面向总线的应用的三态输出。所有锁存器共用一个锁存使能（LE）端和一个输出使能（OE）端。当LE为高时，数据从Dn输入到锁存器，在此条件下，锁存器进入透明模式，也就是说，锁存器的输出状态将会随着对应的D输入每次的变化而改变。当LE为低时，锁存器将存储D输入上的信息一段就绪时间，直到LE的下降沿来临。当OE为低时，8个锁存器的内容可被正常输出；当OE为高时，输出进入高阻态。OE端的操作不会影响锁存器的状态。74HC573驱动数码管电路如图9所示图9 数码管及其驱动电路4 系统软件设计4.1 系统流程图 根据交通灯的设计要求，系统流程图如图10所示开始按键检测系统初始化主干道是否忙是否有紧急车定时器定时通行剩余时间显示及LED指示主干道忙时程序紧急车程序图10 系统流程图4.2 单片机定时器中断服务程序流程图当单片机设置好定时器初始值后，单片机根据其运行的时钟进行计时。本系统使用单片机内部的定时器T0，其初始化程序为：TMOD=0X01;/定时计算器设置寄存器TH0=0XD8;/T0的初始值TL0=0XF0;单片机定时器中断服务程序流程图如图11所示图11 单片机定时器中断服务程序流程图。单片机的中断服务程序如下：void time0(void) interrupt 1 using 1 /定时中断子程序b+;if(b=19) / 定时器中断次数 b=0; tt+; if(tt=sett+1&tt=sett+7&tt=sett+38&tt=sett+44&tt=sett+105&tt=sett+111&tt=sett+142&ttsett+147) tt=0; timedx=0;timenb=0; P2=0XAE;/ 开始默认状态，东西绿灯，南北黄灯60s P36=1;P37=1; 5 实验测试及数据分析5.1 交通灯基本功能测试根据系统硬件电路图可做一个交通灯模型，然后分析实验所得数据。根据交通灯的特点得到实验执行顺序：主干道直（60S）主干道准备拐弯（主干道上的黄灯闪烁5S）主干道左拐（30S）次干道准备通行（主干道上的黄灯闪烁5S）次干道直走（60S）次干道准备拐弯（次干道上的黄灯闪烁5S）次干道左拐（30S）主干道准备通行（次干道上的黄灯闪烁5S）。表3为8次试验的执行结果，表中1表示交通灯控制器执行该步骤，否则用0表示。表3 交通灯试验数据实验次数执行顺序主干道直走主干道准备拐弯主干道左拐次干道准备通行次干道直走次干道准备拐弯次干道左拐主干道准备通行1111111112111111113111111114111111115111111116111111117111111118111111115.2 主干道忙和紧急车情况测试在交通灯执行基本步骤时，按下主干道忙时选择开关，主干道通车时间由原来的60S变为90秒，经多次试验，无出错情况。在交通灯执行基本步骤时，按紧急车情况所有红灯亮，紧急车通过。经多次试验，无出错情况。根据以上数据可知，该交通灯控制器有拐弯功能，具有主干道忙时选择和紧急车情况选择功能，性能稳定，具有一定的实用性。结论系统统采用AT89S52作为中心器件