机电一体化专业毕业设计

机电一体化专业毕业设计机电一体化专业毕业设计 课题名称 交通灯控制系统的设计 院 系 电气工程学院 学生姓名 向 专 业 机电一体化 班 级 机电 1209 指导老师 张 评阅老师 年 月 日 毕业设计 论文 任务书 题目 交通灯控制系统的设计 任务与要求 1 1 设计任务设计任务 1 绘制交通灯控制系统框图 确定设计方案 2 了解电路所需芯片的功能 参数和工作原理 3 采用软件完成编译 仿真 下载 4 完成交通灯控制系统的硬件设计方案 5 调试并实现交通灯控制系统的功能 2 2 要求 要求 1 用二极管显示红 绿 黄灯 2 用数码管显示十字路口两个方向的剩余时间 3 用单片机的定时器产生秒信号 控制十字路口的红绿 黄灯交替点亮和熄灭 4 用按键设置两个方向的通行时间 绿灯点亮时间 和 暂缓黄灯通行时间 黄灯点亮的时间 毕业设计 论文 进度计划表 日 期 工 作 内 容 执 行 情 况 指导教师 签 字 10 月 14 号 10 月 15 号 查阅资料 确定设计方案 完成 10 月 16 号 10 月 19 号 硬件电路图设计 完成 10 月 20 号 10 月 23 号 编写软件 完成 10 月 24 号 10 月 26 号 软硬件整体调试 完成 10 月 27 10 月 30 号 完成论文初稿 完成 11 月 1 号 11 月 3 号 论文定稿 总结答辩 完成 指导教师对进度计划实施情况总评 签名 年 月 日 摘 要 近年来随着科技的飞速发展 单片机的应用正在不断深入 同时带动传统控制技术日益更新 在实时检测和自动控制的单 片机应用系统中 单片机往往作为一核心部件来使用 仅单片 机方面知识是不够的 还应根据具体硬件结构软硬件结合 加 以完善 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 本系统采用 mcs 51 系列单片机 at89c51 为中心器件来设计交通灯控制器 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 交通灯信号通过 p1 口输出 显示时间通过 p0 口输出至 双位数码管 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 交通灯 单片机 mcs 51 abstract in recent years with the rapid development of science and technology the application of scm is going deep driving the traditional detection techniques to renew day by day in the real time examination and in the automatic control monolithic integrated circuit application system the monolithic integrated circuit often took a core part uses the monolithic integrated circuit aspect knowledge is only insufficient but should also act according to the concrete hardware architecture software and hardware union to be improved the intersection vehicles shuttle the pedestrian is bustling car dealership traffic lane person sidewalk methodical then depending on what to realizes this orderly order the traffic lights on the automatic control system there are great number kinds of modes to control the traffic lights the system uses a series of mcs 51 as the center at89c51 single chip device designed to control the traffic lights so as to realize the function of setting red green light time by 8051 chip s p3 port according to the actual traffic flows lighting the red light and green light by turn and lighting the yellow light to warm while 5 secondsleft outputting the traffic light signal by p1 outpuing the time by p0 and showing the time on double digits nixie tube short of the design cycle high reliability practical simple operation easy maintenance the expansion of powerful is this system key words scm mcu traffic light mcs 51 目 录 毕业设计任务书 i 毕业设计进度计划表 ii 摘 要 iii 第一章 绪论 1 1 11 1 课题研究背景与意义课题研究背景与意义 1 1 21 2 论文研究内容及结构安排论文研究内容及结构安排 1 第 2 章 系统总体方案 3 2 12 1 总体方案设计总体方案设计 3 2 22 2 软硬件平台介绍软硬件平台介绍 4 第 3 章 系统设计与仿真 10 3 13 1 显示部分电路模块设计显示部分电路模块设计 10 3 23 2 时钟部分电路模块设计时钟部分电路模块设计 10 3 33 3 按键模块设计按键模块设计 11 第 4 章 总结 12 致 谢 13 参考文献 14 附录 1 i 15 附录 2 ii 16 第一章 绪论 1 11 1 课题研究背景与意义课题研究背景与意义 1 1 11 1 1 背景 背景 随着工业化水平与经济的提高 交通问题成为我国社会主 义发展的重大问题 交通事故也在我们身边出现的次数越来越 多 而城市道路交通问题的核心就是对十字交叉路口交通信号 的控制 1 1 21 1 2 意义 意义 人们对十字路口交通信号的控制方法大致有如下两种方式 其一是建立城市交通流的数学模型 提出优化算法 二是根据 模糊控制的方法 根据十字路口交通的车辆数确定某一相位的 绿灯初始时间和绿灯延长时间 对交通灯的控制实现了一定的 模糊化 因此 结合我国城市道路交通的实际情况 开发出真 正适合我们自身特点的智能信号灯控制系统是当前的主要任务 以最大限度地减少了十字路口的车辆平均延误时间 提高了路 口通行能力 从而达到缓解交通拥挤的目的 因此 有许多设 计上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 本电路也正是基于前人设计的基础上进行改进的 由于交通的各种矛盾的不断出现 人们总是尽可能的把各个历 史阶段当时最新科技成果应用到交通控制系统中来 从而促进 了交通控制技术的不断发展 1 21 2 论文研究内容及结构安排论文研究内容及结构安排 1 2 11 2 1 研究内容研究内容 1 1 由一条主干道和一条支干道的汇合点形成十字交叉路口 由一条主干道和一条支干道的汇合点形成十字交叉路口 为确保车为确保车 辆安 全 迅速地通行 在交叉路口的每个入口处 设置红 绿 黄三色信号灯 红灯亮静止通行 绿灯亮允许通 行 黄灯亮则给行使中的车辆有时间停靠到禁行线外 按下列 7 点要求设计一交通灯控制系统 1 1 用红 绿 黄三色发光二极管作信号灯 用传感器 用红 绿 黄三色发光二极管作信号灯 用传感器 或用逻辑开关代替传感器作检测车辆是否到来或是否闯红灯的或用逻辑开关代替传感器作检测车辆是否到来或是否闯红灯的 信号 信号 2 2 由于主干道车辆较多而支干道车辆较少 所以主干 由于主干道车辆较多而支干道车辆较少 所以主干 道处于常允许通行状态 而支干道有车来时才允许通行 道处于常允许通行状态 而支干道有车来时才允许通行 当主 干道允许通行亮绿灯时 支干道亮红灯 而支干道亮绿灯时 主干道亮红灯 3 3 当主 支干道都有车时 两者交替允许通行 主干 当主 支干道都有车时 两者交替允许通行 主干 道每次放行道每次放行 2424 秒 支干道每次放行秒 支干道每次放行 2020 秒 秒 4 4 分析目前交通路口的基本控制技术以及各种通行方 分析目前交通路口的基本控制技术以及各种通行方 案 并以此为基础提出自己的交通控制的初步方案 案 并以此为基础提出自己的交通控制的初步方案 5 5 确定系统交通控制的总体设计 包括 十字路口具 确定系统交通控制的总体设计 包括 十字路口具 体的通行禁行方案设计以及系统应拥有的各项功能 在这里 体的通行禁行方案设计以及系统应拥有的各项功能 在这里 本设计除了有信号灯状态控制能实现基本的交通功能 还增加本设计除了有信号灯状态控制能实现基本的交通功能 还增加 了倒计时显示提示 基于实际情况 又要求了对车流量检测及了倒计时显示提示 基于实际情况 又要求了对车流量检测及 自调整模拟功能 违规检测及处理 紧急状况处理和键盘可设自调整模拟功能 违规检测及处理 紧急状况处理和键盘可设 置等强大功能 置等强大功能 6 6 进行智能传感器的硬件电路 显示电路等的设计和 进行智能传感器的硬件电路 显示电路等的设计和 对各器件的选择及连接 大体分配各个器件及模块的基本功能对各器件的选择及连接 大体分配各个器件及模块的基本功能 要求 要求 7 7 进行软件系统的设计 对于本系统 本人采用单片 进行软件系统的设计 对于本系统 本人采用单片 机汇编语言编写 对单片机内部结构和工作情况做了充足的研机汇编语言编写 对单片机内部结构和工作情况做了充足的研 究 了解定时器 中断以及延时原理 总体上完成了软件的编究 了解定时器 中断以及延时原理 总体上完成了软件的编 写 写 8 8 主要以 主要以 at89c51at89c51 单片机为核心 以控制红 绿 黄 单片机为核心 以控制红 绿 黄 灯按时间的依次变换 并有倒读秒功能 每一种灯亮的时间都灯按时间的依次变换 并有倒读秒功能 每一种灯亮的时间都 用数码管显示器进行显示 用数码管显示器进行显示 但因考虑到闯红灯电子照相的情况 设置逻辑开关 9 9 由时钟信号发生器 计数器 译码显示器 信号灯 由时钟信号发生器 计数器 译码显示器 信号灯 译码驱动电路几部分成来实现交通组信号灯的自动控制 译码驱动电路几部分成来实现交通组信号灯的自动控制 1 2 21 2 2 结构安排结构安排 1 1 对总体方案设计的一个分析 包括十字路口具体的 对总体方案设计的一个分析 包括十字路口具体的 通行禁行方案设计以及系统应拥有的各项功能 本设计除了有通行禁行方案设计以及系统应拥有的各项功能 本设计除了有 信号灯状态控制能实现基本的交通功能 还增加了倒计时显示 信号灯状态控制能实现基本的交通功能 还增加了倒计时显示 基于实际情况 又有违规检测及拍照处理功能 基于实际情况 又有违规检测及拍照处理功能 2 2 还需要采用计数器 译码器 数码管测试 还需要采用计数器 译码器 数码管测试 将测试 节点 1 的跳冒连接 断开计数器 1 与计数器 2 的连接 使得只 有低位计数 观察到数码管的数字依次从 9 到 0 再循环 说明 低位计数器 译码芯片及其数码管连接无误 测试通过 用函 数信号发生器给计数器 2 的 cp 端测试高位计数器 译码器和 数码管是否正常 第 2 章 系统的方案设计 2 12 1 总体方案设计总体方案设计 东西 南北两干道交于一个十字路口 各干道有一组红 黄 绿三色的指示灯 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 黄灯亮提示人们注意红 绿灯的状态 即将切换 且黄灯燃亮时间为东西 南北两干道的公共停车时 间 5s 设东西道比南北道的车流量大 指示灯燃亮的方案见 表 表 2 1 交通灯显示状态 1 1 当东西方向为红灯 此道车辆和行人禁止通行 南 当东西方向为红灯 此道车辆和行人禁止通行 南 北道为绿灯 此道车辆和行人通过 北道为绿灯 此道车辆和行人通过 时间为 60 秒 2 2 黄灯闪烁 黄灯闪烁 5 5 秒 警示车辆和行人红 绿灯的状态即秒 警示车辆和行人红 绿灯的状态即 将切换 将切换 3 3 当东西方向为绿灯 此道车辆通行 南北方向为红 当东西方向为绿灯 此道车辆通行 南北方向为红 灯 南北道车辆禁止通过 灯 南北道车辆禁止通过 时间为 80 秒 东西方向车流大通 行时间长 4 4 这样如上表的时间和红 绿 黄出现的顺序依次出 这样如上表的时间和红 绿 黄出现的顺序依次出 现这样行人和车辆就能安全的畅通现这样行人和车辆就能安全的畅通 设在十字路口 分为东西向和南北向 在任一时刻只有一 个方向通行 另一方向禁行 持续一定时间 经过短暂的过渡 时间 将通行禁行方向对换 交通状态从状态 1 开始变换 直 至状态 4 然后循环至状态 1 周而复始 把这四个状态归纳如 下 1 1 东西方向红灯亮 南北方向绿灯亮 倒计时 东西方向红灯亮 南北方向绿灯亮 倒计时 2727 秒 秒 此状态下 东西方向禁止通行 南北向允许通行 2 2 东西方向红灯亮 南北方向黄灯闪烁 倒计时 东西方向红灯亮 南北方向黄灯闪烁 倒计时 3 3 秒 秒 此状态下 除了已经正在通行中的其他所以车辆都需等待状态 转换 3 3 南北方向红灯亮 东西方向绿灯亮 倒计时 南北方向红灯亮 东西方向绿灯亮 倒计时 2727 秒 秒 此状态下 东西方向允许通行 南北方向禁止通行 4 4 南北方向红灯亮 东西方向黄灯闪烁 倒计时 南北方向红灯亮 东西方向黄灯闪烁 倒计时 3 3 秒 秒 此状态下 除了已经正在通行中的其他所以车辆都需等待状态 转换 东西南北四个路口均有红绿黄 3 灯和数码显示管 2 个 在任一个路口 遇红灯禁止通行 转绿灯允许通行 之后黄灯 亮警告行止状态将变换 状态及红绿灯状态如下表 2 2 所示 说明 0 表示灭 1 表示亮 表 2 2 交通灯状态及红绿灯状态 2 22 2 软硬件平台介绍软硬件平台介绍 2 2 12 2 1 at89s51at89s51 芯片介绍芯片介绍 选用的 at89s51 与同系列的 at89c51 在功能上有明显的提 高 最突出是的可以实现在线的编程 用于实现系统的总的控 制 其主要功能列举如下 1 1 为一般控制应用的 为一般控制应用的 8 位单片机 2 2 晶片内部具有时钟振荡器 传统最高工作频率可至 晶片内部具有时钟振荡器 传统最高工作频率可至 33mhz 3 3 内部程式存储器 内部程式存储器 romrom 为 为 4kb 4 4 内部数据存储器 内部数据存储器 ramram 为 为 128b 5 5 外部程序存储器可扩充至 外部程序存储器可扩充至 64kb64kb 6 6 外部数据存储器可扩充至 外部数据存储器可扩充至 64kb64kb 7 7 3232 条双向输入输出线 且每条均可以单独做 i o 的 控制 8 8 5 5 个中断向量源 9 9 2 2 组独立的 16 位定时器 10 1 个全双工串行通信端口 11 8751 及 8752 单芯片具有数据保密的功能 12 单芯片提供位逻辑运算指令 2 2 22 2 2 at89s51at89s51 各引脚功能介绍 各引脚功能介绍 at89c51 为双列直插式封装的 51 单片机芯片 有 40 个引 脚 其引脚功能分类如图所示 图 2 3 at89s51 单片机引脚图 vcc atat89s51 电源正端输入 接 5v vss 电源地端 xtal1 单芯片系统时钟的反向放大器输入端 xtal2 系统时钟的反向放大器输出端 一般在设计上只 要在 xtal1 和 xtal2 上接上一只石英振荡晶体系统就可以动 作了 此外可以在两个引脚与地之间加入一个 20pf 的小电容 可以使系统更稳定 避免噪声干扰而死机 reset at89s51 的重置引脚 高电平动作 当要对晶片 重置时 只要对升至高电平并保持两个机器周期以上的时间 at89s51 便能完成系统重置的各项动作 使得内部特殊功能寄 存器之内容均被设成已知状态 并且至地址 0000h 处开始读入 程序代码而执行程序 ea vpp ea 为英文 external access 的缩写 表示存 取外部程序代码之意 低电平动作 也就是说当此引脚接低电 平后 系统会取用外部的程序代码 存于外部 eprom 中 来执 行程序 因此在 8031 及 8032 中 ea 引脚必须接低电平 因 为其内部无程序存储器空间 如果是使用 8751 内部程序空间 时 此引脚要接成高电平 此外 在将程序代码烧录至 8751 内部 eprom 时 可以利用此引脚来输入 21v 的烧录高压 vpp ale prog ale 是英文 address latch enable 的缩写 表示地址锁存器启用信号 atat89s51 可以利用这个引脚来触发外部的 8 位锁存器 如 74ls373 将端口 0 的地址总线 a0 a7 锁进锁存器 中 因为 atat89s51 是以多工的方式送出地址及数据 平时在 程序执行时 ale 引脚的输出频率约是系统工作频率的 1 6 因 此可以用来驱动其他周边晶片的时基输入 此外在烧录 8751 程序代码时 此引脚会被当成程序规划的特殊功能来使用 psen 此为 program store enable 的缩写 其意为程序储存 启用 当 8051 被设成为读取外部程序代码工作模式时 ea 0 会送出此信号以便取得程序代码 通常这支脚是接 到 eprom 的 oe 脚 atat89s51 可以利用 psen 及 rd 引脚分别 启用存在外部的 ram 与 eprom 使得数据存储器与程序存储器 可以合并在一起而共用 64k 的定址范围 port0 p0 0 p0 7 端口 0 是一个 8 位宽的开路电极 open drain 双向输出入端口 共有 8 个位 p0 0 表示位 0 p0 1 表示位 1 依此类推 其他三个 i o 端口 p1 p2 p3 则不具有此电路组态 而是内部有一提升电路 p0 在当作 i o 用时可以推动 8 个 ls 的 ttl 负载 如果当 ea 引脚为低电平时 即取用外部程序代码或数据存储器 p0 就以多工方式提供地址总线 a0 a7 及数据总线 d0 d7 设计者必须外加一个锁存器将端口 0 送出的地址锁住成为 a0 a7 再配合端口 2 所送出的 a8 a15 合成一组完整的 16 位 地址总线 而定位地址到 64k 的外部存储器空间 port2 p2 0 p2 7 端口 2 是具有内部提升电路的双 向 i o 端口 每一个引脚可以推动 4 个 ls 的 若将端口 此 端口便能当成输入端口来 p2 除了当作一般 i o 端口使用外 若是在 atat89s51 扩充外接程序存储器或数据存储器时 也提 供地址总线的高字节 a8 a15 这个时候 p2 便不能当作 i o 来 使用了 port1 p1 0 p1 7 端口 1 也是具有内部提升电 路的双向 i o 端口 其输出缓冲器可以推动 4 个 ls ttl 负载 同样地 若将端口 1 的输出设为高电平 便是由此端口来输入 数据 如果是使用 8052 或是 8032 的话 p1 0 又当作定时器 2 的外部脉冲输入脚 而 p1 1 可以有 t2ex 功能 可以做外部 中断输入的触发引脚 port3 p3 0 p3 7 端口 3 也具有内部提升电路的双 向 i o 端口 其输出缓冲器可以推动 4 个 ttl 负载 同时还多 工具有其他的额外特殊功能 包括串行通信 外部中断控制 计时计数控制及外部数据存储器内容的读取或写入控制等功能 其引脚分配如下 p3 0 rxd 串行通信输入 p3 1 txd 串行通信输出 p3 2 int0 外部中断 0 输入 p3 3 int1 外部中断 1 输入 p3 4 t0 计时计数器 0 输入 p3 5 t1 计时计数器 1 输入 p3 6 wr 外部数据存储器的写入信号 p3 7 rd 外部数据存储器的读取信号 2 2 32 2 3 proteusproteus 的介绍 的介绍 proteus 软件是由 isis 和 ares 两个软件构成 其中 isis 是一款便捷的电子系统仿真平台软件 ares 是一款高级的布 线编辑软件 它集成了高级原理布线图 混合模式 spice 电路 仿真 pcb 设计以及自动布线来实现一个完整的电子设计 通 过 proteus isis 软件的 vsm 虚拟仿真技术 用户可以对模 拟电路 数字电路 模数混合电路 以及基于微控制器的系统 连同所有外围接口电子元器件一起仿真 图 2 4 isis 的编辑界面 选择左侧 模式选择工具栏 中的 图标 并选择 对象选 择窗口 中的 p 按钮 就 会出现如图 2 5 的元器件选择界面 图 2 5 元器件库选择界面 在元器件列表框中点击你需要的器件类型 例如 电阻 resistors 单片机芯片 microprocessorics led optoelectronics 或在左上角的关键字 keywords 框中输 入你需要的器件名称的关键字 如 信号源 clock 运放 ca3140 等 就会在图 2 5 中间的大空白框列出你所需的一 系列相关的元件 第三章 系统模块设计 3 13 1 显示部分电路模块设计显示部分电路模块设计 该设计采用如下所示的数码管 分别显示东西和南北灯的 剩余时间 左边两位为东西 右边两位为南北 该数码管为共 阳接法 0 脉冲有效 片选部分接单片机管脚的 p2 口和数 码段显示部分接单片机管脚的 p0 口 见图 3 1 所示 图 3 1 显示部分电路设计图 3 23 2 时钟部分电路模块设计时钟部分电路模块设计 时钟电路用于产生 mcs 51 单片机工作时所必须的时钟控 制信号 其内部电路在时钟信号控制下 严格地按时序执行指 令进行工作 在执行指令时 cpu 首先要到程序存储器中取出 需要执行的指令操作码 然后译码 并由时序电路产生一系列 控制信号去完成指令所规定操作 本设计采用 12mhz 晶振和 两个 33pf 电容 他们构成一个稳定的自激振荡器 该电容的 大小影响振荡器频率的高低 振荡器的稳定性和起振的快速性 为单片机提供标准时钟 其中两个电容起微调作用 见图 3 2 所示 图 3 2 时钟部分电路图 3 33 3 按键模块按键模块 在此系统中 按键模块是实现各项功能的关键 按键通过 电阻与 单片机相连接 可以对单片机进行控制 低电平信号 对相应的单片机引脚有效 可使按键的另一端接地 本设计中 有夜间模式按键 正常模式按键 紧急模式按键五个按键 分 别对应着相应的子模式 见图 3 3 所示 图 3 3 按键模块电路图 第四章 总结 交通灯控制在交通运输领域有着非常重要的作用 本文完 成了基于单片机的交通灯控制系统的设计与模拟 包括通行方 案的设计 系统的硬件开发 软件编程与仿真调试等 在论文 完成过程中 主要做的工作有 1 1 确定交通系统具体的通行方案 规定东西向和南北 确定交通系统具体的通行方案 规定东西向和南北 向车辆的行止状态和时间分配 以及要求其他