交通灯的设计与研究.doc

芜湖职业技术学院毕业论文（设计）学校代码： 11061 学 号：20113339芜湖职业技术学院毕业论文（设计） 论文题目： 交通灯的设计与研究 学科专业： 电气自动化技术 作者姓名： 王亮 指导教师： 杨杰 完成时间： 2014年5月 选题背景毕业论文进度安排：201310201312201412014320143201442014420145指导教师意见： 指导教师签名： 年 月 日毕业论文（设计）写作提纲1、 论文题目 交通灯的设计与研究二、论题观点来源： 三、基本观点： 使用LM317稳压芯片制作可调稳压电源，把可调电源电压传送给单片机，单片机通过内部的A/D转换把模拟信号转化成数字信号，把数字信号输出给12864液晶显示器显示出电源电压值。4、 论文结构： 第一章 绪论 第二章 交通灯的设计方案 第三章 硬件设计 第四章 软件设计 第五章 调试分析毕业论文（设计）工作中期检查表系别：电气工程学院 班级：11级电气自动化班 学生姓名王亮学号20113339指导教师 杨杰职称副教授论文（设计）题目 交通等的设计与研究选题是否有变化否如有，请填写原因是否一人一题否是否进行了选题背景、及写作提纲是是否进行了文献调研是本论文拟解决的关键问题单片机的硬件与软件设计教师填写部分论文（设计）进度情况： 提前完成 正常进行 延期滞后（请写出原因）工作态度情况（学生对毕业论文（设计）的认真程度、完成指导教师布置任务情况）： 认真 较认真 一般 不认真中期质量评价（学生已完成部分的工作质量情况）： 好 中 差存在的问题与建议： 指导教师（签名）： 年 月 日系毕业论文（设计）工作领导小组意见（如被查学生为差的，请系毕业论文设计领导小组写出处理意见）： 领导小组组长（签名）： 年 月 日II 目 录数显可调稳压电源制作研究1中 文 摘 要1前 言3第一章 绪 论31.1研究目的及意义31.2 国内外发展状况31.3 论文构成及研究内容4第二章交通等的设计方案52.1 系统机构总框架52.2 自动控制方式52.1.2 人工控制方式62.2 交通管理的方案论证82.3 系统电路框图82.4 电路的工作原理93.1 MCS-51单片机简介103.1.1 单片机的内部结构103.1.2单片机应用系统113.1.3单片机的发展趋势123.2 系统电路123.2.1 最小系统模块133.2.2 LED显示模块133.2.3 数码管显示模块143.2.4 按键控制模块153.2.5 驱动模块154 软件设计164.1 主程序流程图164.2子程序流程控制174.2.1 自动控制模式程序174.2.2人工控制模式程序184.2.3键盘扫描程序194.2.4 数码管中断显示程序204.2.5 定时器T1子程序215 调试分析235.1 Proteus软件简介235.2 Proteus仿真图235.2.1 自动控制仿真235.2.2 人工控制仿真24第五章 测试结果265.1测试环境：265.2测试结果：（表格）26结 语27致 谢28参考文献292011级电气工程学院毕业论文数显可调稳压电源制作研究中 文 摘 要当今时代是一个自动化时代，交通灯控制等很多行业的设备都与计算机密切相关。因此，一个好的交通灯控制系统，将在道路拥挤等交通状况方面给予技术革新。本文主要介绍了一个基于89C52单片机的交通灯控制系统，详细介绍了利用89C52设计并仿真实现交通灯控制系统的过程，重点对硬件设计、软件编程、调试分析以及各模块系统流程进行了详细分析，对各部分的电路也一一进行了介绍。本电路由89C52单片机、按键、数码管和LED灯组成，并在Protues软件上实现仿真。关键词: 交通控制；单片机；89C52282011级电气工程学院毕业论文前 言第一章 绪 论1.1研究目的及意义国外对城市区域交通控制的研究，开始于20世纪60年代初。1967年，英国运输与道路实验室(TRRL)成功开发出TRANsYT(TraffioNetworkStudyTools)交通控制系统，后来又在TRANsYT的基础上开发了seOOT(split Cyele and offset OPtimization Technique)系统。澳大利亚在70年代末也开发了基于配时方案实时选择方法来实现路网协调控制的SCAT(Sydney Coordinated Adaptive Traffic Method)系统。这些系统己经在西方国家的城市网络交通中取得了成功的应用。进入20世纪80年代后期，随着城市化进程的加快和汽车的普及，城市交通拥挤、阻塞现象日趋恶化，由此引发的事故、噪声和环境污染己成为日益严重的社会问题，交通问题成为困扰世界各国的普遍性难题。于是，智能交通系统应运而生，并得到迅猛发展。除在技术和功能上得到增强和完善的SCOOT和SCATS以外，STREAM、ITACA、MOTION、RT-TRACS、SURFZ000、PRODYN和UTOPIA等新一代城市交通控制系统相继推出并投入应用1。1.2 国内外发展状况目前我国城市道路普遍存在以下三个弊端：路网密度低；交通干道少；路口平面交叉。道路状况与车辆状况的综合作用形成了我国城市交通的特殊性，主要有以下表现： 城市路网稀，干道少，间距大，市区人口稠密，出行需求集中，迫使车辆集中于少数干道上行驶。尤其是一些中小城市 ，干道特征更为明显，往往只有一两条干道贯穿全市，而其他支路上交通量极小。从流量变化情况来看，除外围过境干道外，都是有一定规律的，高峰小时基本上都集中在几个时段内。我国城市机动车车种繁杂，从50年代的老式车到80年代的新型车，从大货车到小轿车都在一个平面上行驶，不少城市拖拉机还是一种主要运输工具，前面一辆旧车挡道，尾随的新型车只能跟着爬行，过交叉口时经常出现启动慢的车挡住启动快的车，严重影响了人们的生活节奏和出行效率2。1.3 论文构成及研究内容 本课题主要通过利用89C51单片机设计一个交通控制系统通过对十字路口的实际调查，由交通状况的车流量的大小，确定车辆放行时间为60秒，即当一条干道的车辆处于放行状态时，另一条干道禁止放行，持续60秒；并在最后10秒时，放行车道的路灯闪烁，警示行人注意红灯的到来。为了应对可能发生的突发状况，使其中一条干道随时可以强制放行，因此，整个系统的设计分为两种模式：自动控制模式和人工控制模式。在自动控制模式中，两个干道依次各放行60秒，轮流进行。人工控制模式中，通过按键操作，使某个干道处于强行通行状态，另一车道禁止通行。由此大大改善了交通运营状况，提高了交通路口的运转效率，方便了人们的出行。图1.1 图1.2 表1.1 表1.2 第二章交通等的设计方案2.1 系统机构总框架本系统是针对一个大型十字路口设计的交通信号灯控制系统。通过单片机89C52控制LED灯和数码管，模拟现实生活中的交通灯工作情景。南北方向的红绿灯分别用LED1和LED2表示，东西方向的红绿灯分别用LED3和LED4表示，用数码管显示倒计时时间3。交通灯的控制分为自动控制和人工控制两种方式：正常情况下，交通灯处于自动控制方式，此时东西方向和南北方向的交通灯轮流导通；特殊情况下，可以通过人工方式延长南北方向或东西方向交通灯的导通时间。设计三个按键K1、K2、K3；K1为“自动”方式，K2、K3分别为“南北”方向交通导通和“东西”方向交通导通。2.2 自动控制方式系统开始上电后处于自动控制方式：1. 系统上电后，首先是南北方向交通导通，LED1亮、LED2灭、LED3亮、LED4灭，数码管从60秒开始倒计时，每隔1秒减1；2.倒计时到10秒时，南北方向绿灯(LED1)开始闪烁，闪烁间隔为0.5秒(亮、灭各5秒)；3. 60秒倒计时结束之后，东西方向交通导通，LED1灭、LED2亮、LED3灭、LED4亮，数码管重新开始从60秒倒计时，每隔1秒减1；4. 倒计时到10秒时，东西方向绿灯(LED4)开始闪烁，闪烁间隔为0.5秒(亮、灭各0.5秒)；5. 60秒倒计时结束后，操作同步骤1。其控制流程如下： 图2-1 自动控制流程图2.1.2 人工控制方式在自动控制状态下，若将按键K2或K3按下，则系统进入人工控制状态：1. 若K2键按下，则强制南北方向交通导通。此时若系统处于东西方向交通导通状态，则数码管从10秒开始倒计时，操作步骤同自动控制步骤4，倒计时结束后进入南北交通导通状态，数码管显示“9999”，且不递减；2. 若K3键按下，则强制东西方向交通导通。此时若系统处于南北方向交通导通状态，则数码管从10秒开始倒计时，操作步骤同自动控制步骤2，倒计时结束后进入东西交通导通状态，数码管显示“9999”，且不递减。 图2-2 自控转手控 在人工控制状态下，若将按键K1按下，则系统进入自动控制状态：1. 若系统处于东西方向交通导通状态，则数码管从10秒开始倒计时，操作同自动控制步骤4，倒计时完成后进入南北交通导通状态，从自动控制步骤1进入自动控制状态。2. 若系统处于南北方向交通导通状态，则数码管从10秒开始倒计时，操作同自动控制步骤2，倒计时完成后进入东西交通导通状态，从自动控制步骤3进入自动控制状态。 图2-3 手控转自控2.2 交通管理的方案论证东西、南北两干道交于一个十字路口。各干道有红灯、绿灯各一组，指挥车辆和行人安全通行。红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行。绿灯闪烁提示人们注意红、绿灯的状态即将切换，K2强制南北方向交通导通，K3强制东西方向交通导通，K1切换到自动模式。2.3 系统电路框图本系统每个信号指示灯接一个对应的I/O口，通过对I/O口赋值控制交通信号灯的状态来指挥交通。在此基础上按键可以触发单片机转换控制方式，进而控制交通信号灯的状态。 图2-3 控制电路框图2.4 电路的工作原理本系统共分为5个模块，分别为最小系统模块、LED灯显示模块、数码管显示模块、按键控制模块和驱动模块。最小系统模块由单片机89C52、复位电路及晶振电路组成，从读取按键设置到LED灯、数码管的显示为整个系统的控制核心。LED显示模块共设有4个LED，其中红色的2个，绿色的2个，用来模拟十字路口红绿灯点亮情况。数码管显示模块由四个七段数码管组成，用来对红绿灯进行倒计时。按键模块设有K1、K2、K3三个按键，当K1键按下时，系统由人工控制模式转入自动控制模式，当K2、K3键按下时，系统由自动控制模块转入人工控制模块。驱动模块由4个PNP、4个电阻及一个排阻组成，用于驱动数码管。5个模块共同作用完成对整个交通系统的控制。 3 硬件设计3.1 MCS-51单片机简介单片机是微机的一种，是将单片机的CPU、存储器、I/O接口和总线制作在一块芯片上的大规模集成电路。由于单片机具有体积小、功能全、价格低、开发应用方便等优点，又可将其嵌入产品的内部，因此得到了及其广泛的应用4。3.1.1 单片机的内部结构单片机经过几十年的不断发展，其功能和组成结构基本已固定，内部结构示意图如图3-1所示。1. 中央处理器（CPU）CPU是单片机的核心部件，根据CPU字长可分为1位机、4位机、8位机、16位机以及32位机，CPU的运算速度、处理数据能力、实施控制功能等性能都与CPU的字长有关，因此，字长是衡量CPU功能的主要指标。2. 存储器存储器按功能可分为程序存储器和数据存储器，由于单片机主要面向控制，因此一般需要大容量的程序存储器和较少的数据存储器，同时存储器类型也不一样。3. 程序存储器单片机内部程序存储器容量一般为1KB64KB,通常采用只读存储器（ROM）。采用只读存储器作为程序存储器，不仅提高了可靠性，而且由于只读存储器的CPUROM中断系统串行I/O口并行I/O口定时器RAM集成度较高、价格较低，降低了成本。 图3-1 单片机内部结构示意图4. 数据存储器单片机内部的数据存储量一般为64B256B，通常采用静态随即存储器（RAM），还有少数单片机内采用EEPROM作为数据存储器。数据存储器可分为工作寄存器、堆栈，位标志和数据缓冲器使用。5. I/O接口及特殊功能部件单片机内部有数量不等的并行接口，可以作为外界无输入/输出设备，通常也包含12个串行口，用于实现异步串行通信。特殊功能部件通常包括定时/计数器，其他例如A/D、PWM、DMA等根据不同类型的单片机，其配置不同5。3.1.2单片机应用系统根据单片机应用场合及系统控制的要求不同，在规模、结构上存在很大不同，根据使用功能器件的种类和数量，可分为基本系统和扩展系统。1. 基本系统在此系统中，包含一个单片机，在该单片机中含有程序存储器和数据存储器，仅在外部配置了维持系统运行的基本部件，例如电源、输入/输出，除了这些，还包括不扩充程序存储器、数据存储器、I/O接口以及其他功能部件，因此也被称为最小系统，其结构示意图如图3-2所示。复位电路电源电路单片机时钟电路输入/输出 图3-2 单片机最小系统示意图2. 扩展系统在大多数系统中，由于需要实现一些特殊的功能，采用最小系统无法满足系统的控制要求，所以要扩展特殊功能部件，弥补单片机内部资源的不足。单片机扩展系统通过并行I/O口或者串行口做总线，在外部扩展了程序存储器、数据存储器、A/D转换等特殊部件，以满足控制系统的特殊要求，其结构示意图如图3-3所示6。EPROM程序存储器RAM数据存储器A/DD/A并行接口串行接口复位电路时钟电路输入/输出电源电路单片机图3-3 单片机扩展系统钢结构示意图3.1.3单片机的发展趋势随着科学技术的不断发展，单片机的工艺和集成度不断提高，其功能正朝着多功能、高性能的方向发展，主要体现在以下几方面。1. 各种等级的单片机性能提高随着工艺技术和集成度技术的发展，许多低端单片机的性能在CPU功能、内部资源及寻址范围等方面有了较大的提高，甚至可以完成部分高端单片机才能实现的功能，其运算速度、功能和可靠性等方面也得到了快速的发展。2. 小型化、低功耗在一些智能控制系统中，其整体系统体积较小，功率不大，因此要求单片机的体积和功耗都要在一定范围内，促使单片机向小型化、低功耗的方向发展。例如，1992年美国推出的i80860超级单片机，运算速度为1.2亿次每秒，可进行32位整数运算、64位浮点运算，同时片内集成了一个三维图形处理器，可构成超级图形工作站7。3.2 系统电路系统共分为5个模块，最小系统模块、LED显示模块、数码管显示模块、按键控制模块和驱动模块。3.2.1 最小系统模块最小系统模块由89C52单片机、晶振电路及复位电路组成。89C52单片机作为整个系统的核心部分，将LED模块、数码管显示模块、按键控制模块及驱动模块连结成一个整体的系统，并提供程序的输入端口；晶振电路提供时钟激励，保证单片机内部和外部电路的时序逻辑电路协调动作；复位电路在上电或复位的过程中，控制CPU的复位状态，这段时间内让CPU保持复位状态，防止CPU发出错误的指令或执行错误的操作。 图3-4 最小系统模块3.2.2 LED显示模块LED显示模块由4个LED等组成，分别为LED1、LED2、LED3、LED4，4个LED分别接入89C52单片机的P1.1、P1.5、P1.4、P1.0。其中，LED1和LED2分别表示南北方向的绿灯和红灯，LED4和LED3分别表示东西方向的绿灯和红灯。当LED1和LED3点亮时，南北方向可以通行，东西方向禁止通行；当LED2和LED4点亮时，南北方向禁止通行，东西方向可以通行。 图3-5 LED显示模块3.2.3 数码管显示模块数码管显示模块由4个七段数码管组成，接单片机89C52在自动控制模式中，后两个数码管显示时间（从60秒倒计时到1秒）。在人工控制模式中，在K2键按下时，若当前交通为南北通行，则四个数码管直接显示“9999”，若当前交通为东西通行，则四个数码管先显示10秒倒计时（从10秒到1秒），完成后显示“9999”；在K3键按下时，若当前交通为东西通行，则四个数码管直接显示“9999”，若当前交通为南北通行，则四个数码管先显示10秒倒计时（从10秒到1秒），完成后显示“9999”；在K1键按下时，四段数码管由“9999”变为10秒倒计时，此时系统进入自动控制模式。 图3-6 数码管显示模块3.2.4 按键控制模块按键控制模块由K1、K2、K3三个按键组成，系统初始为自动控制模式。若按下K2键，则系统由自动控制模式进入手动控制模式，此时交通系统强制南北方向通行，东西方向禁止通行；若按下K3键，则系统有自动控制模式进入手动控制模式，此时交通系统强制东西方向通行，南北方向禁止通行；若按下K1键，则系统由手动控制模式进入自动控制模式。 图3-7 按键控制模块3.2.5 驱动模块驱动模块由4个PNP8550、4个240欧电阻及1个10k欧的排阻组成。数码管的段码端口通过排阻与单片机的P0口相连，此处电阻起到限流作用。而数码管的位选端口与PNP型三极管的射极相连，集电极接电源，为数码管提供足够大的驱动电流，三极管的基极与单片机的P2.0到P2.3相连，通过单片机端口的电位变化控制三极管的导通与截止，从而达到驱动数码管稳定显示的功能8。 图3-8 驱动模块4 软件设计4.1 主程序流程图单片机初始化后显示初始数值，首先进入自动控制模式，然后调用键盘扫描函数获取键盘信息，根据按键情况进入不同的的工作模式，从进入各模式的子函数中，最终通过数码管、LED灯将交通信号显示出来。图4-1 主流程图4.2子程序流程控制4.2.1 自动控制模式程序在自动控制模式下，通过判断工作模式标志位modelflag来判断是保持自动控制模式还是进入人工控制模式。自动控制模式下，数码管开始60秒倒计时显示（从60秒到1秒），LED1、LED3点亮且LED1最后10秒闪烁。如果modelflag为1，则进入人工控制模式。 图4-2 自动控制流程图4.2.2人工控制模式程序在人工控制模式下，按下K2键或K3键通过判断工作模式标志位modelflag来判断如何保持人工控制状态。当工作模式标志位modelflag为0时，说明是由自动控制模式转入人工控制模式，再通过判断以前的交通状态来确定当前显示状态：若之前状态和所要求状态相同时，数码管直接显示“9999”，LED灯也直接显示所要求状态；若之前状态和所要求状态不同时，数码管首先显示10秒递减，完成后显示“9999”，LED灯经过延时后，显示所要求状态。当工作模式标志位modelflag为1时，说明之前工作状态已为人工控制模式。若之前状态与所要求状态不同，则LED灯转变为所要求状态，数码显示管保持“9999”；若之前状态与所要求状态相同，则LED灯保持之前状态，数码显示管仍保持“9999”。图4-3 人工控制流程图4.2.3键盘扫描程序所用三个简单按键作为输入控制端，单片机通过P3口写入全1，然后再判断P3信息是否改变，即判断出是否有键按下。如若有键按下或电路电平抖动，都可能使P3口电位发生变化。因此，为确定是否的确有键按下，要经过一定时间的延时再次判断键值与延时前是否相同。如果相同且不全为1，则断定有确定键按下，否则无键按下。 图4-4 键盘扫描流程图4.2.4 数码管中断显示程序数码管通过单片机定时器以一定时间间隔刷屏，当时间间隔小于人眼所能分辨的最小时间间隔时，所观察的数码管显示稳定，从而使时间正常显示。此处用到定时器0的工作方式1，即16位定时器。每次记满之后需将计数值再次写入TH0、TL0中。 图4-5 数码管中断显示流程图4.2.5 定时器T1子程序通过T1定时器提供的时序来控制交通灯显示。每隔0.5秒中断一次，中断120次时实现60秒倒计时。中断100次后控制LED灯闪烁，闪烁时间间隔为0.5秒，这样来实现最后的10秒闪烁提醒9。 图4-6 定时器T1子程序5 调试分析5.1 Proteus软件简介Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16