智能交通信号灯控制系统设计毕业论文.doc

编号 毕业论文毕业论文 设计设计 题 目 智能交通信号灯控制系统设计 指导教师 xxx 学生姓名 杨红宇 学 号 201321501077 专 业 交通运输 教学单位 德州学院汽车工程系 盖章 二 O 一五年五月十日 德州学院毕业论文 设计 中期检查表 院 系 专业 2015 年 月 日 毕业论文 设计 题目 学生姓名学 号 指导教师职 称 三号宋体 计划完成时间 2015 年 5 月 10 日 毕业论文 设计 的进度计划 2014 12 30 2015 5 10 期间内 分 4 个阶段 1 进行选题 2 撰写开题报告 3 撰写论文初稿 4 定稿论文 准备答辩 各指导教师在 2014 12 30 2015 5 10 期间内 可对前述 4 个阶段匹配相应的年月日期间及论文研究活动的说明 注意 各阶段的起止时间要与各个表格的填表的时间相协调 完成情况 对上述进度中 1 4 阶段完成情况进行说明 指导教师评议 指出优点和不足 如有其它建议 可另附页 签 名 2015 年 月 日 备 注 标题 4 号宋体 正文 小 4 号宋体 I 目 录 1 绪论 1 1 1 交通信号灯简介 1 1 1 1 交通信号灯概述 1 1 1 2 交通信号灯的发展现状 1 1 2 本课题研究的背景 目的和意义 1 1 3 国内外的研究现状 1 2 智能交通信号灯系统总设计 1 2 1 单片机智能交通信号灯通行方案设计 1 2 2 功能要求 1 3 系统硬件组成 1 4 系统软件程序设计 2 5 结论和展望 2 参考文献 2 德州学院 汽车工程系 2013 届 交通运输专业 毕业论文 1 智能交通信号灯控制系统设计智能交通信号灯控制系统设计 杨红宇 德州学院汽车工程系 山东德州 253023 摘 要 随着我现代社会交通运输需求量的不断扩大 如何处理好如此庞大的群体 交通信号灯 就就此诞生 但是传统的交通信号灯不已经不能满足于现代日益增长的交通压力 这些缺点体现在 红绿灯时间固定 不能随着车流量的需求来控制红绿灯的时间 本文运用单片机技术 以及车流量检测装置来实现交通信号灯的自控制 随着车流量来改变红绿 灯的时间 达到智能控制 关键词 单片机 交通灯 车流量 智能控制 1 绪论 1 1 交通信号灯的简介 1 1 1 交通信号灯的概述 交通信号灯作为保障行人和车辆顺利顺畅通过的存在 伴随着社会以及人类发展 成为现代生活中必不可少的一部分 交通信号灯用于道路交叉苦口 通过对行人和车辆发出进行或停止的指令 从而使 车与车 人和人之间 人与车之间互不干扰 从而提高路口通过率 保障路口通畅和安 全 在十字路口两条相交的道路中车流量较大的使主干道其次是支干道 在主次干道上 四个方向上有设有红色 绿色 黄色的三色信号灯 红色代表禁止通行 绿色代表可以 通行 黄色代表在停车线以外的禁止通行 1 1 2 交通信号灯的发展现状 目前交通信号灯的种类多种多样 有的应用了 CPLD 设计实现交通信号灯的控制 有的应用了 PLC 实现交通信号灯的控制 有的应用单片机实现对交通信号灯的控制 我 国的交通信号灯一般情况下设置在十字路口 在醒目的地方用红色 绿色 黄色三种指 示灯 加上一个倒计时开控制人车通行 在一般情况下这种信号灯能保障安全 车辆分 流也能发挥不错的作用 但是根据现在车流量日益增加的现状还存在着许多不足 比方 说车辆放行时间固定 在十字路口经常出现东西和南北方向的车流量相差甚大的情况 这样如何给车流量较多的干道给予较多的放行时间就成了问题 1 2 本课题研究的背景 目的和意义 随着城市机动车辆的不断增加 在我国许多的大城市出现了交通超负荷状况 自八 十年代后期 这些城市修建了高速道路来缓解压力 在刚建好的初期这个决策很好的解 决了交通超负荷着状况 但是随着经济的发展 交通量的增长和高速路高昂的费用 高 速路没有发挥人们本来预期的效果 如何用合理的方法在大限度的缓解交通压力成为交 文文题题 小2号黑体 1 5倍行距 作作者者姓姓名名 4号仿宋 1 5倍行 距 作作者者单单位位 小5号楷体 1 5倍行距 摘摘要要 标题5 号黑体 后空 一格 正文宋 体 单倍行距 关关键键词词 标题5号黑体 正文宋 体 单倍行距 两关键词间空两 格 一级标题 一级标题 小三号黑体 序数顶格书写 后空 一格接写标题 二级标题 二级标题 四号黑体 序数顶格书写 后空一 格接写标题 三级标题 三级标题 小小四号黑体 空两格书写 序数 后空 一格书写标 题标题 正文用宋体小四号字 英文用正文用宋体小四号字 英文用 12 磅磅 Times New Roman 字 字 引用观点 序号使用上标 引用观点 序号使用上标 times new roman 字体字体 序号应与文后参考文献序号一致 序号应与文后参考文献序号一致 德州学院 汽车工程系 2013 届 交通运输专业 毕业论文 2 通管理者和城市规划部门的主要问题 目前我国城市依然采用的是传统的交通信号灯控制模式 随着城市的不断发展 车 流量的不断扩大 传统的交通信号灯出现了缺陷 一是车辆放行时 十字路口经常出现 不同车流量干道放行时间相同 易造成车辆堆积 造成交通堵塞 二是当某干道上无车 时 正好是干道的通车时间 在这时间内就造成了指挥盲点 三是当这一干道车流量很 大时 不能够改变红绿灯的时间来延长这干道的通过时间 造成这干道的车辆不能通过 造成堆积 为了更好的解决这些问题 本文介绍的系统通过传感器检测车流量 用单片机对路 口的车流量进行统计 并执行处理程序 来实现智能交通信号灯的控制 达到可以根据 车流量来实时控制信号灯 该系统成本低 实用性好 安全可靠 安装方便等优点 具 有广泛前景 1 3 国内外的研究现状 国外发展状况 伦敦首先发明了信号灯 然后由美国进行改造用电脑及其软件使其 智能化 国外已经研究出使用红外线 电磁感应等多种方式来让交通灯智能化 发展相 对于我国要早很多 国内发展状况 我国在交通管理方面水平还欠发展 随着交通需求越来越旺盛 而 我国城市交通管理智能化不足 在车辆 道路和交通管理系统 城市交通信号控制系统 城市交通管制中应用人工智能技术 信息采集和信息提供技术等方面都与发达国家有很 大差距 近几年 虽然有专人研究 但是应用效果不明显 成本高收益小成了难题 目 前我国交通事故仍然频发 城市车辆逐渐增加 运输速度却普遍下降 这需要进一步提 高城市交通智能化的强度 疏通城市心脏的血液 德州学院 汽车工程系 2013 届 交通运输专业 毕业论文 3 2 智能交通信号灯系统总设计 2 1 单片机智能交通信号灯通行方案设计 图 1 交通信号灯设计简图 该实时交通监控系统主要由车辆检测电路 数码显示电路 电源 以及交通灯控制 系统等几个部分组成 交通灯控制模块作为本系统的核心部分 采用 AT89C51 为 CPU 对整个系统进行控制和管理 本模块从车辆检测模块接收车流量信息 并对接收到的信息 进行综合分析和处理 产生相应控制信息控制倒计时显示电路 状态灯显示电路 当有紧 急情况产生时 可及时中断当前的控制状态 对意外情况进行特殊处理 1 采用 AT89C51 单片机作为控制器 其具有两个十六位定时器 计数器 五个 中断源 便于对车流量模块的中断检测 32 个 I O 借口 使具有足够的借口 来驱动数码管及交通灯 外存储器寻址范围 ROM RAM64K 方便系统扩展 其中 T0 T1 口可以对外部外冲进行实时的计数操作 所以可以方便车流量的 检测信号的输入 2 采用数码管与点阵 LED 结合的办法 因为设计要求既要倒计时数字输出 又 要有状态灯输出 考虑实际情况又方便观看 用数码管和 LED 灯分别显示时 间和状态信息 3 市面上车流量检测的方法多种多样 主要有遥感微波检测器 电磁感应检测 器 红外线检测器三种 只是第一张精度虽高 但是受环境影响大 而且造 价昂贵 随意不选用 第二种需要将感应器埋于地下 对已经建设好的道路 需要重修 施工量大而且对交通影响很大 所以也不采用 第三种设计比较 德州学院 汽车工程系 2013 届 交通运输专业 毕业论文 4 简单 而且造价不高 权衡之下 红外线检测仪器是不错的选择 红外线检 测器是利用检测物对光束的遮挡或反射 通过同步回路检测的物体有无 物 体不仅仅限于金属 只要能反射光线的物体都可以被检测 光电开关把输入电流在 发射器上转换光信号发射出 接收器再根据接收的光线强弱或者有无对目标物体 进行探测 当汽车经过光扫描区域的时候 部分或者全部光束被遮挡 来实现 对汽车辆数据的检测 红外线扫描装置提供了车辆的轮廓扫描解决方案 并提供 车辆的分离信号 并且还能同时检测挂钩是否存在以及其位置 由于光产品的高 速响应 当汽车速低于 100 公里 小时的时候 系统可以对车辆间距0 3 米的车 辆实现可靠的分离检测并抓取到车辆的轮廓数据 当车速低于 200 公里 小时 的时候 对车辆的间距0 6 米的车辆实现可靠的分离检测并抓取到轮廓数据 系 统 可以自动分类超过100 种车辆的类型 车辆自动分类准确度超过 99 2 2 功能要求 实现单片机智能交通信号灯系统的正常启动有如下功能要求 1 倒计时显示是体香驾驶员在信号灯发生改变的时间 在 通行 和 停止 之间作出合适的选择 行人和驾驶员都愿意选择有倒计时的显示方式控制交 通灯的信号改变 并且一直认为有倒计时的路口更加安全 倒计时显示是减 轻驾驶员在信号灯颜色改变时做出错误判断的机率 它能提醒驾驶员颜色即 将发生改变 在 通行 和 停止 之间作出适当的选择 2 车流量检测模块作为单片机智能交通系统的足本组成 在智能交通系统中有 着举足轻重的地位 这个系统采用单片机 车流量传感器 外围器件来实现 3 手动设置时间模块 系统可以跟据车流量来自动调整以外还能根据键盘来调 整 增加了人为可控性 可以避免意外情况的发生 在特定情况下可以把所 有灯都设置成为红灯 3 系统硬件组成 1 实现这个系统单片机是必不可少的 下面就来介绍一下 AT89C51 单片机 AT89C51 单片机包含中央处理器 程序存储器 数据存储器 定时器等组成 a 中央处理器 中央处理器也叫 CPU 使整个部件的核心 是 8 位数据宽度处理器 能对 8 位二进制位数据和代码进行处理 CPU 负责指挥 调度和控制整个系 德州学院 汽车工程系 2013 届 交通运输专业 毕业论文 5 统协调工作 完成数据运算和信号的输入输出等 b 程序存储器 AT89C51 共有 4KB 容量 用于存放用户的程序 原始数据和表格 c 数据存储器 AT89C51 内部有 128 个 8 位存储单元和 128 个专门的寄存单元 他 们统一编址 专用的只能存放控制指令 用户只能访问不能修改和存放 因 而用户能够使用的只有 128 个 可存放可读可写的数据 d I O 口 AT89C51 共有 4 组 8 位 I O 口分别是 P1 P2 P3 P4 用于对外部数据 的传输 e 定时器 计数器 AT89C51 共有两个 16 位的可编程的定时器 计数器 实现计数或 者定时产生的中断 用于控制程序的转向 f 全双工串行接口 AT89C51 内置一个这样的接口 用于和其他设备间的数据传递 g 中断系统 AT89C51 共有两个外中断 两个定时器 计数器中断和一个串行中断 可以满足不同控制的要求 h 时钟电路 AT89C51 内置最高频率达 12MHz 时钟电路 用来整个单片机运行的 脉冲的时序 但 AT89C51 单片机需要外置振荡电容 单片机结构有两种 一种是数据存储器和程序存储器分开的 即哈佛结构 另 一种是采用计算机的程序存储器和数据存储器合为一体的结构 即普林斯顿结构 AT89C51 单片机是哈佛结构形式 AT89C51 引脚 采用 40Pin 封装的双列直接 DIP 结果 40 个引脚 其中正电源 线和地线两根 外置振荡时钟线两根 4 组 8 位一共 32 个 I O 口 中断口的线与 P3 口的线重复用 2 红外线传感器这里用的是其中的光传感器 也就是光电开关 是光电接近开关的 简称 它利用的就是被检测物体对光的遮挡和反射 由同步回路选择通路 进而检测物 体有无 通过同步回路检测的物体有无 物体不仅仅限于金属 只要能反射光线的物体都可 以被检测 光电开关把输入电流在发射器上转换光信号发射出 接收器再根据接收的光线强弱或 者有无对目标物体进行探测 如图 2 所示 德州学院 汽车工程系 2013 届 交通运输专业 毕业论文 6 图 2 光电接近开关工作原理简图 发送器对目标发射光束 发射的一般来源于半导体光源 发光二极管 激光二极管以及红外发射二极 管 通过不间断发射的光束或者改变的脉冲宽度 接收器由光电二极管 光电三极管 光电池组成 接收器前面装有光学元件等 后面是检测电路 能过滤出哪些是有效信号 光电开关分类如果按检测方式分可以分为反射式 对射式和镜面反射式三种 对射式检测的距离比较 远 可以检测半透明的物体 反射式工作距离被限定在光的聚焦处附近 受到的背景影响大 镜面反 射式反射距离远 适合远距离检测 可以检测半透明物体 光电开光随着我国工业的发展 光电开光被广泛的采用 应用领域也在日益扩大 采用集成电路技术 和 SMT 表面安装工艺制作的最新光电开关 具有展宽 延时 外同步 可靠性强等功能 这种新的 光电开光所使用的冷光源有红色光 红外光 蓝色光等 可无损的检测和控制 现在的光电开关具有 体积小 功能多 精度高 检测距离远以及抗干扰能力强等优点 3 数码管 是一种半导体材料的发光器件 基本单元式发光二极管 分段式的数码管由分布在同个平 面上的若干个发光笔画组成 其基本结构是 PN 结 用发光二极管来拼成显示数字 数码管的每个线 段都是一个发光二极管 所以这种数码管也叫做 LED 数码管或则 LED 七段数码显示管 4 电源电路 选取三端稳压器来作为电路电源 其种类主要有两种 一种是输出稳压是固定不 变的 称之为固定输出三端稳压器 另一种输出的电压是可以调节的 称之为可调输出 三端稳压器 其实基本原理相同 都是采用串联型的稳压电路 在线性集成的稳压器中 由于三端稳压器只有三个端子 具有外接元件比较少 性能稳定 价格适中等优点 所 以得到了广泛的应用 5 系统设计 德州学院 汽车工程系 2013 届 交通运输专业 毕业论文 7 4 系统软件程序设计 4 1 主程序流程图 4 2 程序设计 程序清单 ORG 0000H LJMP 100H ORG 000BH LJMP T0 INTERUPT ORG 100H EAST GREEN DATA 70H EAST YELLOW DATA 71H 楷体 1 5 倍行距 开始 初始化 车流量初始值 25 车流量大于 30 车流量小于 20 执行状态 3 执行状态 1 状态显示 执行状态 2 德州学院 汽车工程系 2013 届 交通运输专业 毕业论文 8 EAST RED DATA 72H CAR NUMBERS DATA 73H MOV 73H 20 车流量初值 START MOV DPTR TAB MOV P3 00H MOV SP 60H MOV R3 250 中断延时15S MOV R4 00H MOV TMOD 01010001B MOV TH0 15H MOV TL0 0A0H 60MS初值 MOV TH1 00H MOV TL1 00H MOV IE 82H 开放T0中断 SETB TR0 SETB TR1 SETB P3 5 I O口输入数据前需将其先置1 LOOP CLR P3 7 中断检验位清0 MOV A CAR NUMBERS CJNE A 25 LOOP1 LOOP1 JNC STATE1 CJNE A 15 LOOP2 LOOP2 JC STATE3 LJMP STATE2 STATE1 MOV EAST GREEN 40 车流量大于25时 显示状态1 MOV EAST YELLOW 5 MOV EAST RED 25 LJMP STATE STATE2 MOV EAST GREEN 30 车流量处于15和25之间 显示状态2 MOV EAST YELLOW 5 德州学院 汽车工程系 2013 届 交通运输专业 毕业论文 9 MOV EAST RED 25 LJMP STATE STATE3 MOV EAST GREEN 50 车流量小于15时 显示状态3 MOV EAST YELLOW 5 MOV EAST RED 45 LJMP STATE STATE MOV R0 EAST GREEN 东西绿灯 南北红灯 MOV P1 11011110B STATE 1 LCALL T0 BCD LCALL DISPLAY LCALL DELAY 1S DJNZ R0 STATE 1 STATE 2 MOV R0 EAST YELLOW 显示黄灯 MOV P1 11101110B 低电平有效 东西由绿灯变为红灯时才需要 亮黄灯 南北继续红灯 STATE 22 LCALL T0 BCD LCALL DISPLAY LCALL DELAY 1S MOV P1 11111110B MOV 74H 100 WAIT1 DJNZ 74H WAIT1 MOV P1 11101110B DJNZ R0 STATE 22 STATE 3 MOV R0 EAST RED 东西红灯 南北绿灯 MOV P1 11110011B STATE 33 LCALL T0 BCD LCALL DISPLAY LCALL DELAY 1S DJNZ R0 STATE 33 STATE 4 MOV R0 EAST YELLOW 显示黄灯 南北由绿灯变为红灯时才需 德州学院 汽车工程系 2013 届 交通运输专业 毕业论文 10 要亮黄灯 东西继续红灯 MOV P1 11110101B STATE 44 LCALL T0 BCD LCALL DISPLAY LCALL DELAY 1S MOV P1 11110111B MOV 74H 100 WAIT2 DJNZ 74H WAIT2 MOV P1 11110101B DJNZ R0 STATE 44 LJMP LOOP T0 BCD MOV A R0 BCD转换 MOV B 10 DIV AB MOV R1 B 个位数值 MOV R2 A 十位数值 RET DISPLAY 静态显示 LOW DIS MOV A R1 MOVC A A DPTR MOV P0 A HIGH DIS MOV A R2 MOVC A A DPTR MOV P2 A RET T0 INTERUPT PUSH ACC DJNZ R3 AGAIN MOV R3 250 INC R4 CJNE R4 4 AGAIN 车流量检测周期15 4 60S 德州学院 汽车工程系 2013 届 交通运输专业 毕业论文 11 SETB P3 7 检验中断是否发生 MOV R4 00H MOV CAR NUMBERS TL1 MOV TL1 0 MOV TH1 0 AGAIN MOV TH0 15H MOV TL0 0A0H POP ACC NOP NOP RETI DELAY 1S MOV R7 10 延时1s程序 DEL1 MOV R6 200 DEL2 MOV R5 248 DJNZ R5 DJNZ R6 DEL2 DJNZ R7 DEL1 RET TAB DB 3fh 06h 5bh 4fh 66h DB 6dh 7dh 07h 7fh 6fh END 第 4 章 系统仿真与调试 4 1 系统仿真 4 1 1 Protues仿真软件简介 Proteus是英国Labcenter公司开发的电路分析与仿真软件 Proteus是目前最好 的模拟单片机外围器件的工具 它可以仿真51系列 AVR PIC等常用的MCU及其 外围电路 如LCD RAM ROM 键盘 马达 LED AD DA 部分SPI器件 德州学院 汽车工程系 2013 届 交通运输专业 毕业论文 12 部分IC器件 本文基于Proteus6 7SP3和KEIL uVision3软件 运行于Windows 操作系统上 可以仿真 分析 SPICE 数字电路 模拟电路 数模混合电路 是目前唯一 能实现对51 PIC AVR HC11等处理器的仿真软件 该软件的特点是 1 集原理图设计 仿真和PCB设计于一体 实现从概念到产品的完整开发工具 2 具有模拟电路仿真 数字电路仿真 单片机及其外围电路组成的系统的仿真 是 独一无二的支持处理器与外围电路的协同仿真电路设计软件 3 具有全速 单步 设置断点等多种形式的调试功能 4 具有各种信号源和电路分析所需的虚拟仪表 是电类教学实验与创新的平台 5 支持Keil C51 uVision2 MPTLAB等第三方的软件编译和调试环境 6 具有强大的原理图到 PCB 板设计功能 可以输出多种格式的电路设计报表 4 1 2 仿真原理图 Proteus软件具有仿真功能 要仿真首先要绘制原理图 点击图标打开Proteus 软件 进入绘图界面后点击按扭 点击出现的元件列表框上方的按扭 在出现的 pick device 中的 keywords 下面的框中输入元器件的名字 或者在category中 找到元器件的名字 双击元器件名称或者点击 在元件列表框中就会出现所选 的元器件 再点击按扭 在元件列表框中选择地线和电源 选好所有的元器件后单击 元件列表中的图标就可以把所需要的元件放入编辑窗口中 调整元件的位置 并把地线 和电源放入编辑窗口中 最后进行连线 通过在T1口接入一个开关 模拟光电开关信号 手动控制开关的脉冲数 即为需要模拟的车流量 从而达到仿真效果 系统仿真图如下 4 1 3 加载仿真程序 单击 Debug 菜单 在下拉菜单中单击 Go 选项 或者使用快捷键F5 然 后再单击 Debug 菜单 在下拉菜单中单击 Stop Running 选项 或者使用快捷键 Esc 再单击 View 菜单 再在下拉菜单中单击 Serial Windows 1 选项 就可 以看到程序运行后的结果 单击 Project 菜单 在下拉菜单中单击 单击 Output 中单击 Create HEX File 选项 使程序编译后产生HEX代码 供下载 器软件使用 把程序下载到AT89C51单片机中 4 德州学院 汽车工程系 2013 届 交通运输专业 毕业论文 13 4 1 4 系统仿真 单击仿真界面左下方的开始按扭 仿真就开始了 具体仿真过程如下 当交通灯开始工作后 执行默认状态 系统自动进入状态 东西方向绿灯 南 北方向红灯 倒计时30秒 然后东西黄灯5秒 南北保持红灯5秒 紧接着东西红灯 南北方向绿灯 倒计时25秒后 南北亮黄灯5秒 东西保持红灯状态5秒后 重新扫描 仿真结果如图所示 图 4 2 默认状态仿真图 当手动按下开关 频率小于15次 分时 执行状态 东西方向绿灯 南北方向 红灯 倒计时50秒 然后东西黄灯5秒 南北保持红灯5秒 紧接着东西红灯 南北方 向绿灯 倒计时45秒后 南北亮黄灯5秒 东西方向保持红灯状态5秒后 德州学院 汽车工程系 2013 届 交通运输专业 毕业论文 14 重新扫描 仿真结果如图所示 图 4 3 状态 仿真图 当手动按下开关 频率大于15次 分 小于或等于25次 分 执行状态 东西 方向绿灯 南北方向红灯 倒计时30秒 然后东西黄灯5秒 南北保持红灯5秒 紧接 着东西红灯 南北方向绿灯 倒计时25秒后 南北方向亮黄灯5秒 东西方向保持红灯 状态5秒后 重新扫描 仿真结果如图所示 图4 4 状态 仿 真图 当 手动 按下 开关 频率 德州学院 汽车工程系 2013 届 交通运输专业 毕业论文 15 大于25次 分 执行状态 东西方向绿灯 南北方向红灯 倒计时40秒 然后东西黄 灯5秒 南北保持红灯5秒 紧接着东西红灯 南北方向绿灯 倒计时25秒后 南北亮 黄灯5秒 东西保持红灯状态5秒后 重新扫描 仿真结果如图所示 图 4 5 状态 仿真图 通过本文的研究 可以得到以下结论 参考文献 1 叶金强 动产他物权的善意取得探析 J 现代法学 2004 2 113 2 杨治良 郭力平 王沛等记忆心理学 第 2 版 M 上海 华东师范大学出版社 1999 197 3 杨立新 论一般人格权及民法保护 DB OL http www Y 4 张和生 地质力学系统理论 D 太原 太原理工大学 1998 5 冯西桥 核反应堆压力容