智能交通信号灯模拟控制系统设计毕业设计论文稿.doc

毕 业 论 文 设 计 中文题目 中文题目 智能交通信号灯模拟控制系统设计智能交通信号灯模拟控制系统设计 英文题目英文题目 DesignDesign ofof SimulationSimulation ControlControl SystemSystem forfor IntelligentIntelligent TrafficTraffic SignalSignal LightsLights 姓姓 名名 00000000 学学 号号 000000 专业班级专业班级 电子信息工程电子信息工程 1 班班 指导教师指导教师 0000000000 提交日期提交日期 20122012 年年 5 5 月月 2525 日日 教务处制 惠州学院 HUIZHOU UNIVERSITY 智能交通信号灯模拟控制系统设计智能交通信号灯模拟控制系统设计 姓名 0000 班级 000 指导老师 000 职称 讲师 惠州学院电子科学系 广东 惠州 516007 摘摘 要要 交通信号灯是一种重要的交通指示工具 它能够指示通过交叉路口的机动车辆和 过往的人群有序地通行 是维系道路交通顺畅 减少道路堵塞的主要工具之一 针对 传统交通信号灯存在不能根据车流量大小自动调节通车时间的缺点 本文提出了以单 片机为主控制器 超声波传感器测车流量的新型智能交通信号灯模拟控制系统的方案 本论文设计的智能交通信号灯模拟控制系统采用 AT89C51 单片机为控制器 以 URF04 超声波模块检测实时通行的车流量 通过 RS 485 传输线通讯 主控制器根据从 控制器反馈回来的信息 实时调整通行时间 可以有效地疏导交通 关键词关键词 交通信号灯 智能 单片机 目录 1 绪言 1 1 1 智能交通信号灯控制系统概述 1 1 2 交通信号灯的应用及其发展趋势 1 2 系统控制器及外围数字电路 IC 芯片简介 2 2 1 系统整体电路框图 2 2 2 AT89C51 单片机简介 4 2 3 LED 显示器 7 2 3 1 LED 数码管显示器的结构原理 7 2 4 超声波收发模块 8 2 4 1 超声波测距原理 8 2 4 2 超声波收发模块简介 9 2 5 74LS138 译码器 10 2 6 74LS373 锁存器 11 2 7 74LS04 反相器 12 2 8 MAX485 收发器 13 3 硬件系统设计 13 3 1 交通信号灯控制方案选择 13 3 2 硬件电路设计 15 3 2 1 通行时间显示电路 15 3 2 2 单片机时钟电路 17 3 2 3 单片机复位电路 17 3 2 4 人行道信号灯控制电路 18 3 2 5 机动车道信号灯控制电路 18 4 软件系统设计 19 4 1 主机程序流程图 19 4 2 C 语言程序设计 21 4 2 1 1 秒钟程序设计 21 4 2 2 LED 数码显示器程序设计 22 5 系统调试与结果分析 22 5 1 硬件调试 22 5 2 软件调试和下载 23 5 3 结果分析 24 致谢 26 参考文献 27 附录一 主机系统电路图 29 附录二 电路源程序 30 1 1 1 绪言绪言 智能交通信号灯控制系统是控制交通道路十字路口中车辆和行人往来顺畅 维持 道路正常通行的有效工具 它可以根据道路车流量的实际状况进行红绿灯通行时间的 调控 减少道路堵塞 优化交通 具有一定的智能性 系统组成包括主机和从机系统 两部分 主机系统的组成包括微型控制器 MCS 51 单片机 电源 红绿灯显示 通行 时间显示和 MAX485 转换器五部分 从机系统的组成包括微型控制器 MCS 51 单片机 电源 超声波传感器模块和 MAX485 转换器四部分组成 1 11 1 智能交通信号灯控制系统概述智能交通信号灯控制系统概述 随着经济的发展 汽车的拥有数量越来越多 道路交通堵塞情况日益严重 交通 拥堵已成为城市发展中的一个需要迫切解决的社会问题 传统的交通信号灯由于其红 绿灯的通行时间都是固定不变的 因此 也就无法根据道路实际的车流量实时调整红 绿灯的通行时间 这种不足导致其不能有效地解决道路堵塞的问题 此外 从土地资 源利用的角度来看 由于土地使用的限制 也不能靠简单的道路扩建来解决交通拥堵 的问题 因此 这就要求我们在现有的道路基础上 研究 设计出一种有效的交通信 号灯控制系统 实时控制 提高交通控制水平 更加灵活有效地提高道路的利用率 从而减少交通拥堵 实现道路畅通 缓解日益严重的交通问题 1 21 2 交通信号灯的应用及其发展趋势交通信号灯的应用及其发展趋势 在国际上 交通信号的含义大同小异 而且正趋于统一 1968 年联合国 道路交通和 道路标志 信号协定 对各种信号灯的含义作了规定 绿灯是通行信号 面对绿灯的 车辆可以直行 左转弯和右转弯 除非另有一种标志禁止某一种转向 左右转弯车辆 都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通过 红灯是禁行信 号 因为在可见光中红光的电磁波最长 易于为人们在较远距离外辨认 为保证交通 安全 所以采用红灯为禁行信号 面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车 黄灯是警告信号 面对黄灯的车辆不能越过停车线 但车辆已十分接近停车线而不能 安全停车时 可以进入交叉路口 有的国家规定黄灯只能单独出现 有的规定黄灯可以 2 与红灯同时出现 前者是警告信号 后者是预告信号 有些国家的人行横道灯也采用红 黄绿三色信号灯 其中黄灯是警告行人这时不宜穿越马路 在某种情况下 为了分离各种不同方向的交通流并对其提供独立的通行时间 可 以用带箭头的灯来代替普通的绿信号灯 箭头信号灯有两种 一种是单独的绿箭头信 号灯 面对这种信号灯的车辆只可沿着绿箭头所指示的方向行驶 另一种是带红灯的 绿箭头信号灯 面对这种信号灯的车辆在不妨碍那些合法地在人行横道上行人和正在 合法地通过交叉路口的车辆通行的情况下可以沿着箭头指示的方向行驶有的国家还采 用一种闪动的交通信号灯 黄闪灯 红闪灯和绿闪左转弯 靠右行驶的国家为右转弯 箭头信号灯三种 面对黄闪灯的车辆可以小心地通过交叉路口 面对红闪灯的车辆不 得通行 面对绿闪左转弯或右转弯箭头信号灯的车辆除了可以直行之外还可以左转弯 或右转弯 目前 安装在交叉路口的交通信号灯多为自动控制的信号灯 有的是固定周期 有的是变周期 用信号灯控制一个交叉口交通的方式叫点控制 将一条道路上几个交 叉口的信号灯联系起来 协调运转 这种控制交通的方式叫线控制 用计算机控制几 条道路上的若干个交叉口的信号灯 使之协调运转 这种方式叫面控制 随着智能控制技术的发展 未来的交通信号灯控制系统将朝着智能化 自适应的 方向发展 智能交通信号灯控制系统能够根据实际的车流量状况进行实时调控红绿灯 的通行时间 减少道路堵塞 优化道路交通状况 目前已有相关的课题研究 例如 采用基于电磁感应原理的地感线圈检测车流量 PLC 为主控制器的智能交通控制系统 采用压力传感器与控制器组成的实时交通控制系统 基于微波检测的智能交通控制系 统等方案 此外 据报道 德国将采用新型的智能交通控制系统 具体是德国公路上 的探测器将被小型计算机取代 司机可以和智能交通灯随时进行 对话 这一方案是 由德国卡塞尔大学交通技术和运输物流系进行研究 2 2 系统控制器及外围数字电路系统控制器及外围数字电路 ICIC 芯片简介芯片简介 2 12 1 系统整体电路框图系统整体电路框图 本设计系统的硬件电路总体框图见图 2 1 图 2 2 所示 主要组成部分包括 系统 微控制器 AT89C51 单片机 超声波收发模块 外部电路数字 IC 芯片和 LED 数码管显 3 示器等 图 2 1 系统主机总体框图 图 2 2 系统从机结构框图 4 2 22 2 AT89C51AT89C51 单片机简介单片机简介 MCS 51 系列单片机是目前国内应用最广泛的单片机之一 随着基于 MCS 51 系列 单片机的嵌入式实时操作系统的出现与推广 在很长一段时间内 MCS 51 系列单片机 仍将占据嵌入式系统产品中的中 低端产品市场 本文将介绍一种以 MCS 51 系列单 片机为主控制器 以超声波传感器检测车流量的新型交通信号灯模拟控制系统 随着 计算机技术与微电子技术的发展 智能仪表的功能逐步完善 工作的可靠性也进一步 提高 而单片机却是随着功能的不断增强 价格逐渐降低 在本系统设计中 使用美 国 ATMEL 公司生产的 8 位单片机 AT89S51 作为控制器件 AT89C51 是一种带 4K 字节可编程可擦除只读存储器的低电压 高性能 CMOS 结构的 8 位微处理器 该 器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造 与工业标准的 MCS 一 51 指令 集和输出管脚相兼容 并且将多功能 8 位 CPU 和 FLASH 存储器组合在单个芯片中 因而 AT89C51 是一种高效的微控制器 为很多智能仪器和嵌入式控制系统提供了一 种灵活性高且价廉的方案 下面简单介绍一下该单片机的一些特性 8位单片机AT89C51的主要特性是 与MCS 51指令兼容 4K字节在系统可编程 ISP Flash闪烁存储器 寿命 1000写 擦循环 4 0 5 5V的工作电压范围 全静态工作模式 0Hz 33Hz 三级持续加密锁 128 8字节内部RAM 三级程序存储器锁定 32位可编程FO线 两个16位定时器 计数器 5个中断源 全双工串行UART通道 低功耗的闲置和掉电模式 中断可从空闲模式唤醒系统 看门狗 WDT 及双数据指针 5 片内振荡器和时钟电路 掉电标志和快速编程特性 灵活的在系统编程 ISP 字节或页写模式 图 2 3 AT89C51 结构图 单片机 AT89C51 各引脚定义如图 2 4 所示 引脚定义见表 2 1 6 图 2 4 引脚定义图 表 2 1 AT89C51 引脚定义表 引脚序列引脚号 功能 1 8P1 0 P1 78 位准双向 I O 口 9RST复位输入口 10 RXD P3 0串行接收口 P3 0 I O 口 11 TXD P3 1串行输出口 P3 1 I O 口 12 INT0 P3 2外部中断 0 输入口 P3 2 I O 口 13 INTl P3 3外部中断 1 输入口 P3 3 I O 口 14 T0 P3 4定时计数器 O 输入口 P3 4 I O 口 15 Tl P3 5定时计数器 1 输入口 P3 5 I O 口 16 WR P3 6外部数据存储器写选通 P3 6 I O 口 17 RD P3 7外部数据存储器读选通 P3 7 I O 口 18 XTAL2时钟振荡器的输入腧出端 2 19 XTAL1时钟振荡器的输入腧出端 1 20 GND信号地 21 28 P2 0 P2 78 位双向 I O 口 可作存储器的高 8 位地址 29 PSEN程序存储允许输出信号端 30 ALE PROG片外存储器地址锁存信号 31 EA Vpp外部取指使能信号 32 39 P0 0 P0 7数据 低 8 位地址复用端口 续表 2 1 40 VCC电源 7 2 32 3 LEDLED 显示器显示器 在小型控制装置和数字化仪器仪表中 往往只要几个简单的数字显示或字状态便 可满足现场的需求 而 LED 显示数码管因其成本低廉 配置灵活 与计算机接口方便 等特点 在小型微机控制系统中得到极为广泛的应用 2 3 12 3 1 LEDLED 数码管显示器的结构原理数码管显示器的结构原理 发光二极管 LED 利用 PN 结把电能转换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束 LED 的伏安特性类似于普通二极管 正向压降为 2V 左右 工作电流一般在 10mA 20mA 之间较为合适一个 8 段 LED 显示器的 结构如图 2 5 所示 它是由 8 个发光二极管造成 各段依次记为 a b c d e f g dp 其中 dp 表示小数点 不带小数点的称为 7 段 LED 8 段 LED 有共阴极和共阳极两种结构 分别如图 2 6 图 2 7 所示 dp D 图 2 5 8 段数码管结构图 COM COM 8 图 2 6 共阴极结构图 图 2 7 共阳极结构图 共阴极 LED 的所有发光管的阴极并接成公共端 COM 而共阳极 LED 的所有发光管的 阳极并接成公共端 COM 当共阴极 LED 的 COM 端接高电平 则某个发光管的阴极加上低 电平时 则该管有电流流过因而点亮发光 LED 各段不同点亮的组合可以显示 0 9 A F 等十六进制数 表 2 2 LED 段选码 显示 字符 共阴极段选码共阳极段选 码 显示 字符 共阴极段选码共阳极段选码 0 3FH C0H 8 7FH 80H 1 06H F9H 9 6FH 90H 2 5BH A4H A 77H 88H 3 4FH B0H B 7CH 83H 4 66H 99H C 39H C6H 5 6DH 92H D 5EH A1H 6 7DH 82H E 79H 86H 7 07H F8H F 71H 8EH 2 42 4 超声波收发模块超声波收发模块 2 4 12 4 1 超声波测距原理超声波测距原理 超声波是指频率高于 20KHz 的机械波 为了以超声波作为检测手段 必须产生 超声波和接收超声波 完成这种功能的装置称为超声波传感器 超声波传感器有发送 器和接收器 有的也可具有发送和接收声波的双重作用 根据超声波的产生方式 超声波传感器可分为两大类 一类是电气式 如压电式 磁致伸缩式和电动式等 一类是机械式 如加尔统笛 液哨等 目前常用的是压电式 9 超声波传感器 它利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化 即发射超声波时 将电能转换为超声波发射出去 在收到回波时 将超声振动转换成电信号 超声波测 距的原理一般采用时间差法 即测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间 T 再乘以超声波的速度 C 就得到二倍的声源与障碍物之间的距离 D 即 D C T 2 式中 D 传感器与障碍物之间的距离 C 声波在介质中的传输速度 由于超声 波易于定向发射 方向性好 强度易控制 与被测物体不需直接接触 故超声波传感 器广泛地应用于液体高度测量 汽车倒车等方面 为了提高测量精度 减小误差 根 据公式可知 测距误差由传播速度误差和传播时间误差引起 当传播速度准确时 传 播时间差值精度只要达到微秒级 就可保证测距误差小于 1mm 设计中 可采用 12MHz 晶体作时钟的基准 单片机定时器的计数精度可达 1us 从而保证测量精度 传播速度受空气密度的影响 空气密度越高 传播速度越快 而空气密度与温度有密 切关系 在理想气体中声波的传播速度 C 为 C MRT 式中 气体定压比热容与定容比热容之比 R 气体常数 M 气体分子量 T 绝对温度 若温度变化不大 则可认为声速基本不变 其值为 340m s 若测距精 度要求较高 为减小温度变化对声速产生的影响 在设计中 应增加温度传感器来监 测环境温度 进行实时温度补偿 近似公式为 C C0 0 607 T 式中 C0 零度时的 声波速度 332m s T 实际温度 2 4 22 4 2 超声波收发模块简介超声波收发模块简介 图 2 8 是本设计系统采用的超声波测距模块 URF04 模块 实物图 其主要技术参 数如下 10 图 2 8 超声波测距模块实物图 工作电压 DC 5V 静态工作电流 小于 2mA 电平输出 高 5 V 电平输出 低 0V 感应角度 不大于 15 探测距离 2cm 500cm URF04 模块工作原理 采用 IO 触发测距 给至少 10us 的高电平信号 模块得到有效触发电平后 自动 发射 8 个 40Hz 的方波 自动检测是否有信号返回 当有信号返回时 通过 IO 输出一 高电平 高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间 根据下面公式计算 L T C 2 式中 L 表示测量距离 T 表示高电平持续时间 C 表示声速 在测量精度要求不 高时 取 C 340m s 计算 2 52 5 74LS13874LS138 译码器译码器 74LS138 引脚图见图 2 9 引脚符号分别表示 引脚 1 2 3 表示地址码输入 引脚 6 表示芯片选通端 高电平有效 引脚 4 5 选通端 低电平有效 Y0 Y7 输出端 低电平有效 引脚 8 为接地端 引脚 16 为电源端 11 图 2 9 74LS138 引脚图 74LS138 译码器的功能如表 2 3 所示 表中字母含义 G2 G2A G2B H 表示高电 平 L 表示低电平 X 表示任意电平 表 2 3 74LS138 译码器功能表 2 62 6 74LS37374LS373 锁存器锁存器 图 2 10 是 74LS373 锁存器的引脚图 各引脚含义是 引脚 1 表示三态允许控制端 低电平有效 引脚 3 4 7 8 13 14 17 18 表示输入端 D0 D7 引脚 2 5 6 9 12 15 16 19 表示输出端 引脚 11 表示锁存允许端 12 图 2 10 74LS373 锁存器引脚图 74LS373 锁存器的真值表如表 2 4 所示 表中 H 表示高电平 L 表示低电平 X 表 示任意电平 Z 高阻态 表 2 4 74LS373 锁存器真值表 Dn LE OE On H H L H L H L L X L L Q0 X X H Z 2 72 7 74LS0474LS04 反相器反相器 74LS04 反相器的引脚图见图 2 11 74LS04 为六组反相器 引脚 1 为输入端 对应 2 输出端 3 输入端 4 输出端 如此类推 引脚 7 接地端 引脚 14 电源端 图 2 11 74LS04 反相器引脚图 13 2 82 8 MAX485MAX485 收发器收发器 MAX485 收发器是 Maxim 公司的一种 RS 485 芯片 采用单一电源 5 V 工作 额定 电流为 300 A 采用半双工通讯方式 它完成将 TTL 电平转换为 RS 485 电平的功能 MAX485 引脚图见图 2 12 图 2 12 MAX485 引脚图 RO 为接收器的输出端 DI 为驱动器的输入端 与单片机连接时只需分别与单片 机的 RXD 和 TXD 相连即可 RE 和 DE 端分别为接收和发送的使能端 当 RE 为逻 辑 0 时 器件处于接收状态 当 DE 为逻辑 1 时 器件处于发送状态 因为 MAX485 工作在半双工状态 所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可 A 端和 B 端分别为接收和发送的差分信号端 当 A 引脚的电平高于 B 时 代表发送 的数据为 1 当 A 的电平低于 B 端时 代表发送的数据为 0 在与单片机连接时接 线非常简单 只需要一个信号控制MAX485 的接收和发送即可 同时将 A 和 B 端 之间加匹配电阻 一般可选 100 的电阻 3 3 硬件系统设计硬件系统设计 3 13 1 交通信号灯控制方案选择交通信号灯控制方案选择 作为交通信号灯控制系统的微型控制器可以有多种选择 因而实现的方案有多种 包括选用标准数字可编程逻辑控制器件 可编程控制器 PLC 嵌入式控制器 ARM 以及 MSP430 单片机等控制器作为主控制器 但是 这些控制器要么在控制上要求专业知识 较高 要么价格相对较高 一方面给系统设计的调试带来一定困难 另一方面则增加 14 了生产成本 有鉴于此 通过综合考虑后 本设计最终选择了价格相对较低 控制设 计技术相当成熟的 AT89C51 单片机作为系统的主控制器 该型号单片机具有简单实用 高可靠性和性价比高等优点 而且这种单片机已经在国内外的各个领域中得到了很好 的运用 可参考资料多 使得设计人员在设计过程中遇到技术困难时 可以找到相关 的参考方案来辅助解决 此外 实现超声波检测实时车流量的控制方案有三种可以选择 一是超声波安装 在交通信号灯处 直接检测 二是超声波模块安装在 50 米处 主机和从机通过无线收 发模块通讯 三是超声波也是安装在 50 米处 主机和从机通过 RS 485 传输通讯 对 于第一种方案 由于超声波能检测到 50 米远的模块较少 而且价格不菲 为此 不选 第二种方案 由于使用到无线收发传输 在控制上难度较大 第三种方案 RS 485 传 输距离可以达到 1000 米左右 满足设计要求 控制相对简单 价格较低 基于上述考 虑 系统设计采取第三种方案 本设计系统由主机控制系统和从机控制系统两部分组成 其中 主机控制系统可 以实现控制通行时间的倒计时显示 直走 左拐 绿灯 红灯 黄灯以及行人道通行 信号灯等状态 时间显示使用两位一体 LED 数码管显示器 信号灯则采用发光二极管 在时间和信号灯的指示下 指挥机动车辆和人群有序地通过交叉路口 实现道路通行 顺畅 另外 从机控制系统负责检测道路的实时车流量 进而反馈到主机控制系统 主机控制系统根据收到的信息做出是否增加通行时间的调整控制 主机控制系统通过 RS 485 线和从机控制系统通讯 本系统设计运行的交通规则如图 3 1 所示 具体控制是 1 南北车道 B 车道指示直走 同时指示左拐 A 车道红灯亮 东西车道亮红 灯 2 南北车道 A B 同时指示直走 3 南北 B 车道红灯亮 A 车道指示直走 同时指示左拐 4 南北车道红灯亮 东西 C 车道指示直走 同时指示左拐 D 车道红灯亮 5 东西 C D 车道同时指示直走 6 东西 C 车道红灯亮 D 车道同时指示直走 左拐 如此类推循环运行 此外 当一车道正在通行时 且此时从机控制系统检测到该 车道 50 米处还有车辆停滞 则向主机控制系统发出增加通行时间的信息 实时调整通 行时间 这样可以减少车辆堵塞 优化道路交通状况 15 图 3 1 交通运行图 3 23 2 硬件电路设计硬件电路设计 3 2 13 2 1 通行时间显示电路通行时间显示电路 本系统采用 LED 数码管作为时间倒计时显示器 鉴于实际显示时间位数 取两位 一体的 LED 数码管显示器 此外 由于控制器端口数有限 同时也是为了节约电能 在控制显示时采取动态显示的方式 电路见图 3 2 其中 段选码由 AT89C51 单片机的 16 图 3 2 时间显示屏电路图 P0 口输出 位选码控制由 74LS138 译码器的输出端接反相器后控制 为共阳控制方式 74LS138 的控制电路接线见图 3 3 所示 74LS138 译码器的输入端 A B C 接单 图 3 3 74LS138 电路接线图 17 片机的 P3 5 P3 6 P3 7 端口 使能端 E1 接 P3 4 3 2 23 2 2 单片机时钟电路单片机时钟电路 AT89C51 单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到 内部振荡方式和外部振荡 方式 在本设计中 采用内部振荡方式 电路见图 3 4 所示 单片机引脚 XTAL1 和 图 3 4 时钟电路图 XTAL2 外接晶振 12MHz 构成了内部振荡方式 由于单片机内部有一个高增益反相放 大器 当外接晶振后 就构成了自激振荡 并产生振荡时钟脉冲 电容器 C1 C2 起 稳定振荡频率 快速起振作用 3 2 33 2 3 单片机复位电路单片机复位电路 本设计系统的复位电路见图 3 5 所示 复位操作完成单片机内电路的初始化 图 3 5 复位电路图 18 使单片机从一种确定的状态开始运行 当 AT89C51 单片机的复位引脚 RST 出现 5ms 以上的高电平时 单片机就完成了复位电路操作 需要注意的是 当复位端 RST 持续 高电平的时间过长 单片机就会处于循环复位状态 这样 单片机就无法执行程序 因此 要求单片机复位后能够脱离复位状态 本系统的复位电路采用上电开关复位电 路 上电后 由于电容充电 使 RST 持续一段时间 当单片机已经在运行时 按下复 位键也能使 RST 持续一段时间的高电平 从而实现上电开关复位的功能 3 2 43 2 4 人行道信号灯控制电路人行道信号灯控制电路 为了节省控制端口 电路控制采取 74LS373 锁存器 74LS04 反相器控制 经分析 由于人行道信号灯的亮灭状态刚好相反 即同一处的信号灯 若亮绿灯 则该处的红 灯灭 根据这种状态控制方式 故采取上述电路控制 此外 51 单片机的端口可以最 多驱动 8 个 TTL 电平 所以 在设计时采取了一个输出端口 控制锁存器的两个数据 输入端口 以节省电路控制端口 电路见图 3 6 所示 图 3 6 人行道信号灯控制电路图 3 2 53 2 5 机动车道信号灯控制电路机动车道信号灯控制电路 经分析 可以发现有这么一种状态 如果是南北车道通行控制 则东西车道只需 19 控制红灯的亮灭 也就是说 每次只需单独控制十个灯的状态即可 为此 南北车道 和东西车道的直走 左拐和黄灯控制可以由同一单片机端口输出控制信号 外加使能 控制 分时工作即可 这样 又可减少端口的使用 电路采取两片 74LS373 锁存器 锁存器的 LE 口都接高电平 OE 口则由单片机的 P2 4 和 P2 5 控制 数据输入由 P1 口 的 0 1 3 4 5 7 端口输出 控制电路图见图 3 7 所示 图 3 7 机动车道信号灯控制电路图 4 4 软件系统设计软件系统设计 4 14 1 主机程序流程图主机程序流程图 主机程序流程图如图 4 1 所示 20 系统初始化 南北A车道直行 左拐灯亮 显示秒倒计时 向从机发送启动检测信号 从机传输回有效信号 时间增加20秒 南北A车道直行 左拐时间到 南北A B车道直走灯亮 秒倒计时显示 向从机发送检测信号 从机传回有效信号 时间增加20秒 南北A B车道直走时间到 东西C车道直行 左拐灯亮 秒倒计时显示 向从机发送启动检测信号 从机传输回有效信号 时间增加20秒 东西C车道直行 左拐时间到 东西C D车道直行 秒倒计时显示 向从机发送启动检测信号 从机传回有效信号 时间增加20秒 东西C D车道直行时间到 东西D车道直行 左拐灯亮 秒倒计时显示 向从机发送启动检测信号 YES YES YES YES YES YES YES YES NO NO NO NO NO NO NO NO 开始 21 从机传回有效信号 时间增加20秒 东西D车道直行 左拐时间到 YES NO YES NO 图 4 1 主机程序流程图 4 24 2 C C 语言程序设计语言程序设计 4 2 14 2 1 1 1 秒钟程序设计秒钟程序设计 AT89C51 单片机定时 计数器有 4 种工作方式 不同的工作方式有不同的特点 其 中 工作方式 0 是 13 位方式 工作方式 1 是 16 位方式 工作方式 2 是 8 位自动装入 计数初值方式 工作方式 3 是 T0 为 2 个八位方式 定时器工作时必须给计数器送计数器初值 这个值是送到 TH 和 TL 中的 它是以 加法记数的 并能从全 1 到全 0 时自动产生溢出中断请求 因此 我们可以把计数器 记满为零所需的计数值设定为 C 和计数初值设定为 TC 可得到如下计算通式 TC CM 式中 M 为计数器摸值 该值和计数器工作方式有关 在方式 0 时 M 为 8192 在 方式 1 时 M 的值为 65536 在方式 2 和 3 为 256 计数TTCMT T 计数是单片机时钟周期 TCLK 的 12 倍 TC 为定时初值 如单片机的主脉冲频 率为 TCLK 12MHZ 经过 12 分频 方式 0 TMAX 2131us 8 192ms 方式 1 TMAX 2161us 65 536ms 22 显然 秒钟已经超过了计数器的最大定时间 所以设计时只有采用定时器和软件 相结合的办法才能解决这个问题 本设计中采用在主程序中设定一个初值为 20 的软件计数器和使 T0 定时 50ms 这 样每当 T0 到 50ms 时 CPU 就响应它的溢出中断请求 进入他的中断服务子程序 在中 断服务子程序中 CPU 先使软件计数器减 然后判断它是否为零 为零表示 秒已 到可以返回到输出时间显示程序 4 2 24 2 2 LEDLED 数码显示器程序设计数码显示器程序设计 LED 数码管显示分为静态显示和动态显示两种方式 为了节省控制端口和节约能源 系统设计采取动态显示方式 动态显示是利用了人的视觉惯性 虽然同一时间里只能 显示一个 但是 通过不断地分时轮流扫描显示 只要每个显示保持延时几毫秒 刷 新周期不超过 20ms 刷新周期和 LED 工作电流有关 就可获得视觉稳定的显示效果 本系统设计中有四个二位一体的 LED 数码管显示器显示交通信号灯通行时间 为 了实现动态显示 系统采用 74ls138 译码器作为位选端控制输入 单片机的 P0 口作为 段选码输出控制 分时控制显示时间 显示时采取倒计时方式显示 具体编程时将 0 9 数字段码的十六进制放在一个一维数组里 如 uchar code tap 10 0 xC0 0 xF9 0 xA4 0 xB0 0 x99 0X92 0 x82 0 xF8 0 x80 0 x90 此为共阳极 0 9 数字段码 在显示函数 Show LED 里按动态显示 逐一轮流显示 5 5 系统调试与结果分析系统调试与结果分析 5 15 1 硬件调试硬件调试 电路调试操作流程 1 短路 开路检测 电路焊接完成后 为了确保焊接的正确性 必需进行短路 短路的检测 把万用 表打到二极管档 用红 黑笔接到电路的正负极 检测电路是否存在短路现象 另外 把万用表的红 黑笔分别接到有相连接的回路中 检测回路中是否存在断路 虚焊现 象 23 2 确认电路连接的正确性 把焊接好的电路板和电路原理图详细对照 仔细观察各个连接点是否和电路原理 图一致 此外 对于电路中元器件的正负极性的连接是否正确 3 检查系统时钟电路 凡是单片机系统 正常运行的必要条件是单片机系统的时钟稳定正常 实际中 因为各种原因导致系统时钟不正常而出现系统无法正常运行的情况时有 因此系统时 钟是否振荡是通电检查的首要环节 检查方法如下 通电后 用万用表的直流电压档 20V 分别测量 XTAL1 和 XTAL2 两引脚的电压 看是否正常 在调试过程中 测 得电压 XTAL1 引脚应为 2 05V XTAT2 应为 2 15V 4 检查复位电路 复位不正常也会导致系统不能工作 如果复位引脚始终为高电平 系统将始终处 于复位状态 如果始终为低电平 不能产生复位所需的高电平信号脉冲 则系统也可 能无法正常工作 单片机正常工作时 RST 复位引脚应为 0V 5 25 2 软件调试和下载软件调试和下载 系统软件软件调试采用 Keil C51 软件 操作界面见图 5 1 该软件集编译 编辑 仿真于一体 支持汇编语言和 C 语言的程序设计 界面友好 易学易用 C 语言程序的一般操作步骤为 建立一个新项目 保存项目 选择单片机型号 创建 C 文件 将 C 文件加入项目 输入 C 语言源程序 设置输出文件格式 编译链接 仿真 运行程序等流程 24 图 5 1 Kiel C51 操作界面图 烧录程序到单片机采用 STC ISP 软件烧录 软件的界面见图 5 2 所示 操作步骤 如下 选择单片机型号 Open File 打开文件 找到要烧录的 HEX 文件 选择 串行口 最高波特率 Down Load 下载 先点下载按钮 在单片机上电复位 冷启动 对于加载结果 在界面的左下处可看到 如 已加密 就表示加载成功 25 图 5 2 STC ISP 软件操作界面图 5 35 3 结果分析结果分析 经测试工作 系统能够正常工作 交通信号灯的状态显示能够按照设定的循环方 式轮流显示 时间显示能够按照设定的倒计时方式动态显示 运行时间及方向次序见 表 5 1 此外 从机收到主机发送来的启动检测信号后 能够启动超声波检测 且在检 测到后可以向主机传输信号 主机收到有效信号后能够在不违反交通运行的情况下 实时增加通行时间 20 秒 如在南北 A 车道直行 左拐时间里 在倒计时 18 秒收到从 机传输来有效信号时 即增加 20 秒 变为 38 秒 图 5 3 和图 5 4 对比 图 5 5 和图 5 6 对比 表 5 1 运行时间表 通行时间 5S 3S 12S 3S 5S 3S 南北车道A 车道直行 左拐 A 车道左 拐闪烁 A B 车道 直行 A 车道黄 灯闪烁 B 车道直行 左拐 B 车道黄 灯闪烁 东西车道红灯亮红灯亮红灯亮红灯亮红灯亮红灯亮 通行时间 5S 3S 12S 3S 5S 3S 南北车道红灯亮红灯亮红灯亮红灯亮红灯亮红灯亮 东西车道C 车道直行 左拐 C 车道左 拐闪烁 C D 车道 直行 C 车道黄 灯闪烁 D 车道直行 左拐 D 车道黄 灯闪烁 图 5 3 检测前运行图 图 5 4 检测后运行图 26 图 5 5 检测前运行图 图 5 6 检测后运行图 致谢致谢 本设计是在彭文娟老师的指导下完成的 彭老师是一位极其负责任的指导老师 毕业设计初期时 就制定了详细的工作时间表 对于各个阶段要完成的设计任务都详 尽列出 而且按时要求完成 期间 多次集中开会 分析指导 提供修改意见 这种 指导方式对于完成电路设计和论文撰写非常有效 是一种不可多得的指导方式 为此 对彭老师在毕业设计期间提供的悉心指导与帮助表示衷心的感谢 此外 在毕业设计完成期间 还得到了其他老师与同学们提供的极具建设性的意 见与指导 对此一并表示感谢 27 参考文献参考文献 1 阎石 数字电子技术基础 M 北京 高等教育出版社 2006 2 李群芳 张士军 黄建 单片微型计算机与接口技术 M 电子工业出版社 2008 3 郁有文 常健 程继红 传感器原理及其工程应用 M 西安 西安电子科技大学出版社 2008 4 沈红卫 基于单片机的智能系统设计与实现 M 北京 电子工业出版社 2005 5 戴仙金 51 单片机及其 C 语言程序开发实例 M 北京 清华大学出版社 2008 6 于勇 戴佳 常江 51 单片机 C 语言常用模块与综合系统设计实例精讲 M 北京 电子工业出 版社 2007 7 李航 王可人 基于 STC89C52RC 的超声波测距系统设计 J 电子测试 2010 1 55 58 8 朱士虎 何培忠 王立魏 基于 AT89S52 超声波测距仪设计 J 仪表技术 2009 6 22 24 9 苏小红 陈惠鹏 孙志岗 C 语言大学实用教程 M 北京 电子工业出版社 2004 10 齐向东 许志强 于少娟 韩如成 交通信号灯智能控制系统设计与实现 J 太原科技大学 学报 2005 2 36 38 11 R Demirli J Saniie Model Based Estimation of Ultrasonic Echoes Part I Analysis and Algorithms IEEE Trans Ultrason Ferroelect Freq Contr 2001 48 3 12 GAO J LI J Multiphase fuzzy control under hybrid traffic flow of single intersection A Intelligent Transportation Systems 2003 c Washington 2003 1 329 1 333 13 Frank V Givargis T D A unified hardware software introduction J Embedded System Design 2002 2 1 28 Design of Simulation Control System for Intelligent Traffic Signal Lights Name Guan TianZi Specialized class and grade Electronic and Information Engineering Instructs teacher Peng WenJuan Title Lecturer HuiZhou University Electronic science department HuiZhou GuangDong 516007 Abstract Traffic signal light is an important traffic directions tool It can be directed through the intersection of motor vehicles and orderly movement of people in the past is to maintain smooth traffic and reduce road congestion one of the main tools The existence of traditional traffic signals can not be adjusted automatically according to the size of the opening time traffic flow shortcomings this paper presents a microcomputer based controller ultrasonic sensor in measuring traffic volume of the new intelligent traffic light control system simulation program In this thesis simulation of intelligent traffic light control system of AT89C51 microcontroller controller to URF04 ultrasonic detection of real time access to traffic flow module through the RS 485 transmission line communication the host controller according to the information fed back from the controller real time adjustment of access time can effectively ease traffic Key words Traffic lights Intelligent Single Chip Processor 29 30 附录一附录一 主机系统电路图主机系统电路图 31 附录二附录二 电路源程序电路源程序 智能交通信号灯主机控制系统 C 语言程序 include define uchar unsigned char sbit G1 P1 0 sbit Y1 P1 1 sbit R2 P1 2 sbit GL1 P1 3 sbit G2 P1 4 sbit Y2 P1 5 sbit R1 P1 6 sbit GL2 P1 7 sbit S1 P2 4 sbit S2 P2 5 sbit ST P3 4 sbit K1 P3 5 sbit K2 P3 6 sbit K3 P3 7 sbit LED1 P2 0 sbit LED2 P2 1 sbit LED3 P2 2 sbit LED4 P2 3 sbit R3 P2 6 sbit R4 P2 7 sbit DO DE P3 2 int count SN Timer EW Timer sec Flag uchar uart data uchar code tap 10 0 xC0 0 xF9 0 xA4 0 xB0 0 x99 0X92 0 x82 0 xF8 0 x80 0 x90 void init 系统初始化函数 TMOD 0 x21 TH0 65536 50000 256 TL0 65536 50000 256 EA 1 ET0 1 TR0 1 TH1 0 xFD TL0 0 xFD SCON 0 x50 TR1 1 ES 1 32 void SendData uchar Dat 发送函数 SBUF Dat while 1 if TI TI 0 break void Send DO DE 1 SendData 0 x55 DO DE 0 void serial IT interrupt 4 串行中断接收函数 if RI 1 RI 0 uart data SBUF if uart data 0 x55 if Flag 1 SN Timer SN Timer 20 时间增加二十秒 EW Timer EW Timer 20 Flag 1 void T0 Timer interrupt 1 T0 中断处理函数 count if count 20 count 0 S