交通信号系统设计

毕业论文论文题目交通信号系统设计设计与实现系别电子信息工程系专业电子信息工程班级09电本2班学号学生姓名指导教师（签名）完成时间2013年5月摘要本设计以单片机STC89C52为核心，结合数码管显示电路、无线遥控电路、检测单元电路、LED灯驱动控制电路、蜂鸣器驱动部分和电源等部分，模拟城市交通信号灯的工作原理设计出一个智能交通信号控制系统。本设计以单片机STC89C52为主控模块，无线遥控部分采用315MHZ无线收发模块的SC2262和SC2272编解码芯片来实现。该系统能够进行路灯故障检测，并通过串口联机到电脑上，实现上位机监控。本设计除了能够实现方向指示、特殊车辆（如救护车、消防车等）优先通行、自动控制及手动控制转换等功能外，还能通过无线遥控模块实现特殊车辆优先通行，更加完善了交通系统的运行。论文首先介绍了现代城市道路交叉路口交通信号系统设备的应用背景和原理，然后介绍系统的路灯自动检测原理及无线模块数据的收发过程，用KEILC软件完成路灯自动检测及无线收发模块的软件设计，为管理者提供一个很好的管理环境，并可进行远程控制。关键词自动控制；交通灯；单片机；无线接收模块THEDESIGNOFTRAFFICSIGNALSYSTEMABSTRACTINTHISPAPER,ANINTELLIGENTTRAFFICSIGNALCONTROLSYSTEMISDESIGNEDBYSIMULATINGTHEWORKINGPRINCIPLEOFURBANTRAFFICSIGNALLIGHTSTC89C52MCUISTHECOREOFTHESYSTEMTHESYSTEMCOMBINEDWITHTHEDIGITALDISPLAYCIRCUIT,WIRELESSREMOTECONTROLCIRCUIT,DETECTIONCIRCUIT,LEDDRIVECONTROLCIRCUIT,BUZZERDRIVEPARTANDPOWERPARTTHEDESIGNISBASEDONSCMSTC89C52ASTHEMAINCONTROLMODULEITSWIRELESSREMOTECONTROLPARTISADOPTEDOFSC2262ANDSC2272OF315MHZWIRELESSTRANSCEIVERMODULETOCODECCHIPTHESYSTEMCANDETECTTHESTREETLAMPSFAULTDETECTION,ANDCONNECTTOTHECOMPUTERTOREALIZECOMPUTERMONITORTHROUGHASERIALPORTNOTONLYCANTHESYSTEMACHIEVETHEDIRECTIONINSTRUCTIONS,SPECIALVEHICLESSUCHASAMBULANCES,FIREENGINES,ETCPRIORITYACCESS,AUTOMATICCONTROLANDTHEMANUALCONTROLCONVERSIONFUNCTIONS,BUTITALSOCANREALIZETHESPECIALVEHICLEPRIORITYANDMAKETHETRAFFICOPERATIONOFTHESYSTEMMOREPERFECTTHROUGHTHEWIRELESSREMOTECONTROLMODULEATFIRST,THEPAPERINTRODUCESTHEPRINCIPLEANDAPPLICATIONBACKGROUNDOFTHEMODERNURBANROADINTERSECTIONTRAFFICSIGNALSYSTEM,ANDTHENTHEPRINCIPLEOFSYSTEMOFSTREETLAMPAUTOMATICDETECTIONANDWIRELESSDATATRANSCEIVERMODULEPROCESSAREINTRODUCEDTHESOFTWAREOFTHEDESIGNWITHSTREETLAMPAUTOMATICDETECTIONANDWIRELESSTRANSCEIVERMODULEISCOMPLETEDWITHKEILCTHEDESIGNPROVIDESMANAGERSWITHAGOODMANAGEMENTENVIRONMENT,ANDCANBEREMOTELYCONTROLLEDKEYWORDSAUTOMATICCONTROLTRAFFICLIGHTSMICROCOMPUTERWIRELESSRECEIVERMODULE目录第一章前言111课题背景与意义112课题设计内容和方案1第二章系统概述321系统结构322系统设计方案论证323系统的功能介绍及相关操作说明4第三章硬件电路结构与设计631整体电路组成632电源电路833主控模块834按键电路935数码管显示电路1036LED灯驱动控制模块和蜂鸣器驱动模块1237单片机与上位机通信模块1338检测模块1439无线遥控模块16第五章系统测试与分析2351系统设计过程2352单个模块的调试2353系统测试主要达到的技术指标25第六章总结27参考文献28附录29致谢63第一章前言11课题背景与意义随着国民经济建设的高速发展和现代城市建设的快速推进，人口增长快速，使得交通工具爆炸性的发展。机动车辆的数量不断增加，而且增加的速度非常的快，而道路资源的有限性使得许多大城市出现了交通超负荷运行的情况。自二十世纪80年代后期，部分城市逐渐开始修建城市高速道路。当时这些建成后的高速道路，能使当时拥堵的交通状况得到了较为有效缓解。但随着城市的迅速发展，交通量不断地增大，这些道路没能充分发挥出预期的作用。并且当时这些城市高速道路在构造上布局不是很合理，缺乏对道路体系的研究，使得在一定程度上决定了它的交通状况必然受高速道路与普通道路藕合处交通状况的制约。因此，交通控制是解决这些问题的关键。在人们的生活、工作环境中，道路交通是必不可少的。人们的出行与交通有着不可分割的关系。交通控制系统是随着人们的出行、物流的运转等交通需求的发展而产生的一种特殊的大家认可的公共管理系统1。现代社会的发展非常的迅速，怎样才能保证安全高效的交通秩序制定正确的交通规则，并通过一定的技术手段加以实现。目前，在交通控制方面的研究之所以能够实现智能自动化管理，及根据情况进行科学的自动调整，这些都归功于现代电子科技的发展壮大，并慢慢的变得成熟起来，应用于交通控制系统的研究与开发。交通在人们的生活生产和对社会的工业经济的发展有着十分重要的意义。随着单片机和硬件材料不断优化的迅速发展，自动检测领域发生了巨大的变化，交通自动控制方面的研究有了明显的进展，并且必将以其优异的性能及廉价的价格性价比，逐步取代传统的交通控制措施。九十年代末，我国公安交通管理部门及相关科研单位开始对怎样才能实现各个系统之间的信息共享与交换进行研究2。研究如何实现智能的系统的快速反应决策，实现统一调度与指挥。以建立新的效率更高的城市交通指挥系统，实现城市交通的高效统一智能化。交通控制研究的发展，是为了解决人类日益繁重的交通出行问题。现在人们的生活水平提高了，交通工具的种类、数量不断增多。所以要求车辆安全高效的利用有限的道路资源，尽量避免交通堵塞。和谐的城市交通具有重要的现实意义。城市交通是城市经济生活的命脉，是衡量一个城市文明进步的标志。城市交通对于城市经济的发展和人民生活水平的提高起着十分重要的作用。12课题设计内容和方案这个设计主要是要设计一个有特殊车辆优先通过和信号灯灯坏故障检测功能的交通信号系统，这个系统主要功能如下1自动控制交通信号灯，十字路口的东西南北都设置有红、黄、绿三种信号灯。正常情况下，东西、南北方向的行人车辆轮流放行。当东西方向绿灯亮起时，东西方向可通行且该方向的绿灯会持续点亮30秒，然后东西方向的黄灯亮5秒，与此同时南北方向是禁行的且南北方向红灯亮35秒；当南北方向绿灯亮起时，南北方向可通行且该方向的绿灯会持续点亮30秒，然后南北方向的黄灯亮5秒，与此同时东西方向是禁行的且东西方向红灯亮35秒。就这样一直循环着，实现对道路交通秩序的自动控制。2用两位数码管倒计时显示当前点亮的信号灯所剩的时间。3提供上位机监控软件，即模拟交通信号灯监控中心站管理系统，上位机可以实时显示交通信号灯情况。4定时时间调整设定功能，即在系统上设置有小按键，可以通过这些小按键来设定信号灯点亮的时间长短。5灯坏故障检测功能，即该系统会自动检测红、黄、绿共12个交通信号灯是否有损坏，若有信号灯损坏，灯坏故障信息会通过串口发送到上位机，蜂鸣器响起，报警提示。6特殊车辆优先通行功能，即当有特殊车辆（如120救护车、消防车、执行紧急任务的警车等）到达路口时，通过无线遥控系统来控制路口的信号灯，使之全部变红灯，以便这些特殊车辆快速安全的通过，这些车辆的通行时间设为15秒，或可根据实际需要设其他值。特殊车辆通过后，交通灯恢复先前状态。目前交通信号系统的设计方案有很多，有的用FPGA实现交通信号系统的设计；有的是应用PLC实现交通信号系统的设计；还有的就是应用单片机来设计交通信号系统，以实现对交通信号灯的控制。目前国内的交通信号系统多半设在十字路口，一般情况下的安全行车，车辆分流尚能发挥作用，但一旦有特殊情况时，如救护车需紧急通行等，就没能达到紧急需求的效果。本设计以单片机STC89C52为核心，对各单元电路以及系统的整体硬件部分进行了设计与调试，并结合软件，实现了特殊车辆优先通过和信号灯灯坏自动检测并提示功能。经检测系统工作稳定可靠，实用性强。这样就能有效的解决了发生特殊情况时没能达到紧急需求的问题。第二章系统概述21系统结构整个系统以单片机为主体展开。实现功能的其他外围电路器件有LED灯驱动控制部分、数码管显示电路部分、检测单元部分、无线遥控控制部分、蜂鸣器驱动部分和电源部分等。大体结构框图如图21所示。LED信号灯控制部分电路单片机蜂鸣器电路数码管显示电路电源电路无线遥控控制电路路LED灯检测单元串口通信电路上位机界面图21系统组成框图22系统设计方案论证221主控芯片的选择方案一STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程、可檫除、只读存储器的低电压、高性能CMOS8位的微处理器。该器件采用ATMEL高密度非易失性存储器制造技术，与工业标准的MCS51指令集和输出管脚相兼容。其具有如下功能512字节RAM,8K字节FLASH,看门狗定时器，32位I/O口线，MAX810复位电路，内置4KBEEPROM，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口等。方案二ATMEGA16是基于增强型AVRRISC结构的低功耗CMOS八位微控制器。其功能比51单片机庞大，拥有51所具备的所有功能，通用工作寄存器数量上，AVR具有32个，在数据吞吐率上，AVR要比普通的CISC微控制器快最高至十倍。16K字节的系统内可编程FLASH（具有同时读写的能力，即RWWW），8路10位具有可选差分输入级可编程增益（TQFP封装）的ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行端口，以及6个可以通过软件进行选择的省电模式和64K外部存储器寻址的外部扩展总线ERRORREFERENCESOURCENOTFOUND。从本设计的要求来考虑，要用到的单片机资源并不是很多，STC89C52足够实现系统的功能。从资源利用率来比较，STC89C52有较高的资源利用率；而从价格来考虑，ATMEGA16芯片的价格相对较高，而STC89C52的价格低，综合考虑，本系统设计采用方案一的主控芯片。222无线模块的选择方案一SC2272M4是与SC2260R4/SC2262配对使用的一款无线遥控解码集成电路。采用CMOS工艺制造，它最大拥有12位的三态地址管脚，可支持多达531441（312）个地址编码13。因此极大的减少了码的冲突和非法对编码进行扫描以使匹配的可能性。其体积小，具有高稳定性，采用SMT进口贴片元件，声表面谐振器稳频，65G超高频三极管具有稳定好，抗干扰强等特点,广泛应用在要求较高的工业控制等场合。方案二NRF24L01的工作频段是在24GHZ25GHZ的ISM单片无线收发器芯片。当芯片发射功率为0DBM时，则为在发射模式下工作，电流消耗为113MA，接收模式时为123MA。相比较而言,第一种方案更适合本系统的设计。223显示模块的选择方案一采用LCD1602液晶显示屏，1602屏幕显示面较小，只可以显示2行字符，每行可以显示16个ASCII字符，160个不同的点阵字符图形已经存储其内部的字符发生器（CGROM）了，包括日语部分文字、阿拉伯数字和英文字母等。每个字符对应一个固定的代码，其标准的ASCII字符代码与代码一致，优点是功耗低，显示直观，效果好，体积小。缺点是不能够显示汉字。方案二采用数码管。数码管是由8个发光二极管组装在一起组成显示器件，显示位数越多，电路越复杂，占用的I/O口也较多。并且数码管只能显示数字，不能显示字符和汉字。考虑到本设计只需显示数字，并且可采用具有I2C接口的ZLG7290芯片直接驱动8位共阴式数码管，节省单片机的I/O口，因此选择方案二。23系统的功能介绍及相关操作说明本系统的特点和可实现的功能以及具体的操作说明主要有1系统运行正常的交通信号灯指示功能通常情况下，东西、南北方向的行人车辆轮流放行。当东西方向绿灯亮起时，东西方向可通行且该方向的绿灯会持续点亮30秒，然后东西方向的黄灯亮5秒，与此同时南北方向是禁行的且南北方向红灯亮35秒；当南北方向绿灯亮起时，南北方向可通行且该方向的绿灯会持续点亮30秒，然后南北方向的黄灯亮5秒，与此同时东西方向是禁行的且东西方向红灯亮35秒。就这样一直循环着，实现对道路交通秩序的自动控制。2该系统中的红、黄、绿三种交通信号灯被交替循环点亮，并用两位数码管倒计时显示当前点亮的信号灯所剩的时间。3系统可以提供上位机监控软件模拟交通信号灯监控中心站管理系统，信息通过串口连接到上位机实时显示检测交通信号灯情况，若有灯坏故障立即报警，提示工作人员维护。4系统有时间调整设定功能当需要调整定时时间时，通过板上的四个设置按键（S1、S2、S3、S4）进行时间的设定。其中四个按键的功能分别是S1设置键，按下进入设置时间；S2向上调节；S3向下调节；S4确认键。5系统有灯坏故障检测功能当有灯坏故障时（如即可模拟取下其中任意一个或多个LED信号灯），蜂鸣器报警提示，该信息会通过串口发送到上位机（监控中心站），并显示其灯坏信息。6特殊车辆优先通行功能当有急救到达时（模拟），按下遥控器上面的按键，经过板上的接收模块处理后，四个路口的LED信号灯全部变为亮红灯，以此实现急救车通过，急救车的通行时间为15秒，长短可设置，急救车过后，交通信号灯恢复先前状态。第三章硬件电路结构与设计硬件设计包括整个系统的电路图，还有各个模块的详细电路图和其功能，涉及到的一些芯片的详细资料。下面将整个交通信号灯系统从整体到局部分别做个介绍，先对整体电路进行介绍，然后再对各个模块逐一进行介绍。31整体电路组成整体电路图除主芯片单片机电路部分外，还有交通信号灯检测电路部分、无线遥控控制电路部分、LED灯驱动控制电路部分、数码管显示电路部分、蜂鸣器驱动电路部分和电源电路部分等构成。该设计主要突出的特点是使用了无线遥控控制模块，还有信号灯灯坏检测功能，所以显得复杂一些。在无线模块这一部分的选材方面，需要花不少时间和精力去了解无线模块的电路功能，数据的发送和接受的原理及模块的功耗甚至费用等方面知识。为了顺利完成无线数据的发送和接收，本设计选用315MHZ超再生频率解码接收模块。超再生接收模块使用的振荡电路是LC振荡电路，其内含放大整形电路，输出为解码后的高电平数据信号。该模块不仅价格便宜，而且使用方便，被广泛使用3。另外，灯坏检测可以通过上位机模拟灯坏情况，如有灯坏即会在上位机图板上显示出来，蜂鸣器将报警提示灯坏。整体电路图如图31所示。S1WPB234LEL567890JDCPFU东EVGNTX_MURKIAOQYH/XZITGABCDFKYOSV图31整体电路图32电源电路电源电路主要用到LM7805三端稳压IC，经过稳压后得到5V电压，如图32所示。104C8AP27UFPOL9DNIOUT3GLM5KRESSE6V图32电源电路图本设计之所以选择使用LM7805来设计电源是因为LM7805三端稳压IC来组成外围稳压电源所需的原件较少，而且其电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来安全可靠、方便。还有它价格便宜也是个重要的考虑因素。LM7805的输出电压为5V。该电源的设计采用一个输出9V的变压器，经过4个稳压二极管IN4001组成的整流桥稳压整流后，可输出比较稳定的直流电压，二极管具有单向导电性，这里利用二极管IN4001主要起到整流稳压作用。为了防止电路各部分供电电压因负载变化而产生变化，利用两个电解电容C17和C19使整流后的直流电压变成相对比较稳定的直流电压。再利用C18和C20两个瓷片电容对电路进行耦合，滤波等作用，即为两组电容前后对电路进行滤波去除电压噪声和纹波，以此保证电路输出所需的稳定电压值。33主控模块经过多方面的考虑和对比筛选，决定本设计的主控模块芯片选用的是性能稳定、价格便宜的STC89C52单片机。STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器的低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS51指令集和输出管脚相兼容。还有就是单片机的最小系统，单片机最小系统就是利用最少的外围器件而使单片机工作的电路组织形式。STC89C52单片机最小系统只包含单片机、振荡器结构、复位电路和电源的系统。通过晶振Y1、电容C1和C2与单片机XTAL1和XTAL2相连，与单片机内部结构组成一个时钟信号源，作为单片机的工作时序4。本设计将以STC89C52单片机最小系统为基础，向外扩展外围电路，通过STC89C52来控制外围电路设备工作来实现本设计的智能化的功能。STC89C52单片机最小系统图如图33所示20PFC1U3KRP/TEX45678S9XDINWALVGYMB图33STC89C52单片机最小系统图34按键电路本设计的设计板上总共设置有五个功能按键，分别为复位键、选择键、上档键、下档键、确认键。其中的复位键是当有需要时用来复位单片机的单片机复位按键，其余的四个按键都是用来设置交通信号灯的灯亮时间情况的。选择键作用是可以选择需要设置灯亮时间的红灯、黄灯或绿灯；上下档键是设置各个颜色灯亮定时时间，按上档键时间增加，按下档键时间减小；当时间设定好后，再按下确认键，系统将按刚才的设置时间运行并保存。按键电路原理图如图34所示U图34按键电路原理图35数码管显示电路这块电路主要通过单片机的P20和P21口输出缓冲器驱动输出电流控制芯片ZLG7290工作情况，再由ZLG7290驱动控制两块数码管工作情况这些过程。数码管显示电路原理图如图35所示C5104KR3GNDVI2_SLAE6W78UTP/X9XPFOBZYMITEGABCDFKY东图35数码管显示电路原理图351ZLG7290的工作原理ZLG7290在本设计中的作用是驱动两个四位共阴数码管显示。这块ZLG7290芯片，它采用I2C接口，能直接驱动8位共阴式数码管。可以直接向显示缓存写入显示数据，而且无需外接元件即可直接驱动数码管，还可扩展驱动电压和电流5。ZLG7290B的电路简单，使用也很方便。它只需要一根数据信号线SDA和一根时钟信号线SCL。只用这两根信号线就可以实现对数码管的位选、段选以及闪烁的控制。不过I2C通信的双方要共地，并应用INT传递键盘中断信号，微控制器通过RST将ZLG7290复位6。352AT24C02的作用及介绍AT24C02是一个内部含有256个8位字节的2K位串行CMOSE2PROM。AT24C02有一个16字节页写缓冲器。对该器件的操作是通过IC总线接口进行的，它还有一个专门的写保护功能7。另外，CATALYST公司先进的CMOS技术使得器件的功耗降低了不少。AT24C02在电路中起到数据缓冲及保存数据的功能。AT24C02支持I2C总线数据传送协议I2C，总线协议规定只要是把数据传送到总线的器件都看做是发送器，而从总线接收数据的器件都视为接收器。数据的传输是由所有起始停止信号和产生串行时钟的主器件控制的。通过器件地址输入端A0、A1和A2可以实现将最多8个AT24C02器件连接到总线上8。353两位共阴数码管（CPS05621CR）首先数码管有共阴极和共阳极之分，区别他们的方法是使其公共端接地，其他端接电源，若各段测试能亮，说明是共阴的，反之共阳的。两位一体数码管有8个段选和2个位选，总共10个引脚。其中A、B、C、D、E、F、G、DP为段引脚，7、8为两个数码管的位引脚。其内部各个位的两个数码管的段已对应连接好。本设计选用的四个两位一体共阴数码管型号为CPS05621CR。两位一体共阴数码管CPS05621CR引脚图如图36所示1094365PK图36CPS05621CR引脚图36LED灯驱动控制模块和蜂鸣器驱动模块这部分电路主要是由单片机的P0和P2口控制两个芯片ULN2003进而控制驱动LED发光二极管灯的工作情况，LED发光二极管共有十二个，分别作为四个路口的指示灯，每个路口即为红黄绿三种颜色。同时，通过其中一片ULN2003控制驱动蜂鸣器工作情况。361ULN2003的作用及其介绍ULN2003的封装模式为16脚双列直插型,采用NPN晶体管矩阵。输入电压为5V,适用于TTLCOMS,其驱动电路由达林顿管组成。它的输出端允许通过最大电流为200MA，饱和压降VCE约为1V，耐压BVCEO约为36V9。该器件采用集电极开路输出。ULN2003具有带负载能力强、温度范围宽、电流增益高等特点。因此选用ULN2003来直接驱动LED发光二极管以及蜂鸣器工作。以下是LED发光二极管控制部分和蜂鸣器部分电路原理图，如图37所示。LS1BELD东234567890KRINOUTCMGAP/EXXWV_FYZ图37LED灯和蜂鸣器驱动控制原理图37单片机与上位机通信模块该部分电路的设计是利用单片机的P30与P31这两个管脚接电平转换电路芯片MAX232，再通过DB9一公一母RS232标准串口接头连接到PC机上，进行数据传输通信。MAX232芯片是MAXIM公司专门为PC机RS232标准串口设计的电平转换电路。该芯片与TTL/COMS电平兼容，片内有2个发送器，2个接收器，供电电源为5V10。单片机与上位机通信电路图如图38所示J图38单片机与上位机通信电路图PC机界面效果图如图39所示图39PC机界面效果图38检测模块这部分电路主要是利用单片机的P15P17三个I/O口和一块74HC595芯片以及两块CD4051芯片来控制检测灯坏情况。单片机的P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。当P1口作输入口时，因为有内部上拉电阻，那些被外部拉低的引脚会输出一个电流。检测单元部分电路原理图如图310所示LS1BEL20PFC67UD东34589KRMOIVGNQEAHUTP/XXW_YZ图310检测单元部分电路原理图38174HC595作用及介绍74HC595在本电路中的作用是驱动两块CD4051来控制各通道的选通，以达到对LED信号灯的灯坏轮流检测。74HC595具有一个存储器和8位移位寄存器，且具有三态输出功能。移位寄存器有一个异步的低电平复位、一个串行移位输入（DS）和一个串行输出（Q7）11。存储寄存器有一个并行8位的具备三态的总线输出。8位串行输入/输出或者并行输出移位寄存器，具有高阻关断状态。将串行输入的8位数字，转变为并行输出的8位数字。74HC595引脚图如图311所示图31174HC595引脚图11382CD4051作用及介绍CD4051是由单八通道数字控制的模拟电子开关。它有四个输入端，分别是A、B、C三个二进制控制输入端及一个INH禁止端。且它具有很低的截止漏电流及低导通阻抗。CD4051相当于一个单刀八掷开关，接通哪一通道由输入的3位地址码A、B、C决定。INH作为禁止端，当“INH”1时，所有的通道都被禁止接通。对CD4051进行操作，用的代码格式是十六进制。例如P10X07，这时CD4051选择的是7号（二进制111）通道。若模拟开关的供电电源VDD5V，VSS0V，只要对此模拟开关施加05V的数字控制信号，这里ABC数字控制信号就可以使用5V信号了,因为VDD是5V,里面控制部分就都是5V逻辑。CD4051管脚图如图312所示图312CD4051管脚图9检测原理STC89C52通过IO口模拟SPI总线驱动74HC595来控制切换八路电子开关CD4051轮流检测LED发光二极管是否有损坏，即当电子开关切换到导通状态时，检测LED灯输入端的电平是否与单片机引脚输出端的电平相对应。当有灯坏时（即两端电平不对应），数据会传回单片机，单片机会自动做出处理，驱动蜂鸣器报警，同时将灯坏信息传送给上位机并显示在PC机界面。39无线遥控模块本设计无线模块在电路中起到很重要的作用，它的作用就是将管理者的命令信息通过无线发射器发射到接收器并传给单片机，然后单片机做出处理，达到远距离控制的目的。无线接收有两种，一种是超再生接收，一种是超外差接收。超再生接收受间歇振荡频率影响，电路的抗干扰性与接收灵敏度很难调节平衡，这样就使得电路的稳定性差，不适用与本设计。而超外差是将接收到的信号加以放大，并和本机产生的等幅振荡信号相减，产生一个固定频率的中频信号12。要得到的低频调制控制信号就包含在产生的这个中频信号的幅度中。先将这个中频信号放大两到三级，再进行检波，然后将中频信号中所包含的低频指令信息取出，才得到正确的遥控信号。因为采用了中频放大器，使得它的信号放大倍数可以达到很大，所以电路的接收灵敏度大大提高。与超再生检波电路相比，超外差式接收模块无论是在抗干扰性上还是在接收灵敏度上，都优于前者。因此，本设计选用超外差带解码接收模块。该接收模块主要芯片为编解码芯片SC2272M4。391无线发射模块无线发射模块用到的是超外差带解码无线遥控器，该遥控器体积小，具有高稳定性，采用SMT进口贴片元件，声表面谐振器稳频SAW，65G超高频三极管具有稳定好，抗干扰强等特点,广泛应用在要求较高的工业控制等场合。主要的技术指标1工作电压DC12V（23A/12V电池一粒；2工作电流150M（空阔地，接收装置灵敏度为105DBM）；7编码类型固定码A学习码B，滚动码K可选；8振荡方式SAW谐振；9外型尺寸5938514MM（LWH）；遥控器实物图如图313所示图313遥控器实物图392无线接收模块接收板实物图如图314所示，它是采用台湾生产的RF集成电路设计而成，超外差工作方式，SAW谐振，具有稳定好，抗干扰强等特点,带有解码IC可直接使用，广泛应用在要求较高的工业控制等场合。图314315M接收模块XYDJM5V适用范围1各种低速率数字信号的接收；4位数据无线接收；2工业遥控,遥测,遥感；3防盗报警器信号接收,各种家用电器的遥控等。主要技术指标如下工作电压DC5V工作电流45MA调制方式调幅工作频率315MHZ、4339MHZ（266433MHZ频率段可任选）接收灵敏度（DBM）105DB工作温度1070编码方式焊盘编码（固定码）产品特点接收模块的接受带宽一般为10MHZ，出厂时一般调在315MHZ或43392MHZ。接收模块一般采用DC5V供电，如有特殊要求可调整电压范围。接收模块脚位及其使用说明如表31所示表31无线接收模块脚位极其使用说明脚位名称功能说明1VT输出状态指示2D3数据输出3D2数据输出4D1数据输出5D0数据输出65V电源正极7GND电源负极ANT接天线端接收模块一共有八个外部接口，上面有英文表示。其中“VT”表示接状态指示灯端，“D0、D1、D2、D3表示输出端，“5V”表示接电源正极，“GND”表示接电源负极，“ANT”表示接天线端。393无线编解码SC2272M4SC2272M4是与SC2260R4/SC2262配对使用的一款无线遥控解码集成电路。采用CMOS工艺制造，它最大拥有12位的三态地址管脚，可支持多达531441（312）个地址编码13。因此极大的减少了码的冲突和非法对编码进行扫描以使匹配的可能性。SC2272M4的主要特点如下1工作电压范围宽（VCC46V）。2低功耗和较强的噪声抑制能力。3最大12位三态地址管脚或6位数据管脚。4外接一个双端电阻的振荡电路。5数据输出有锁存、瞬态和自锁型。SC2272M4对从DIN端子送入的信号进行解码。所送入的编码波形被译成字码，它含有地址位，数据位和同部位，解码出来的地址码与所设置地址输入端进行比较。如果所设置的地址与连续2个字码匹配，则SC2272M4做以下动作A、当解码得到有“1”数据时，驱动相应的数据输出端为高电平；B、驱动输出为高电平。SC2272M4工作流程图如图315所示开始电源接通后SC2272开始待机是否收到信号对接收到的信号进行解码解出来的地址码与设置码是否相同VT引脚输出高电平电源是否关闭结束VT保持低电平否是是是否否图315SC2272M4工作流程图工作流程的具体描述上电后SC2272M4进入待机状态，检查是否接收信号。若无接收信号，保持待机状态；若收到信号，则将设置码地址与接收码地址进行比较。当设置地址与接收地址相匹配时，数据存到寄存器中。当检查到连续两帧的码地址都匹配且数据都一致时，相应的数据端有输出，驱动VT输出。当连续两帧的码地址不匹配时，VT不被驱动，对于瞬态输出型来说，输出数据复位12。无线收发这个模块,在设计调试过程中遇到很多困难，经过了多次修改调试后终于调试成功，明白了要应用这无线收发模块，则需要弄清楚以下几点1编码发射芯片2262和编码接收芯片2272的地址码必须一致；2单片机接收到的来自编码接收芯片2272的数据码和编码发射芯片2262的数据码必须一致；3编码发射芯片2262和编码接收芯片2272的振荡电阻必须匹配；4通过使用天线来加强发射功率和增强接收灵敏度，以增大发射和接收的距离。第四章软件设计系统功能的实现是依靠硬件和软件的良好结合，硬件决定了系统基本结构和特性，而软件则是驱动系统的灵魂。本系统的软件分为主程序和子程序。主程序控制整个系统，控制和协调各个执行模块。子程序实现具体的性质功能。本设计的软件程序包括主程序、无线收发子程序、数码显示程序等等。主程序流程图如图41所示开始初始化信号系统按设置好的默认值正常运行是否通过按键调整时间是否有信号灯损坏是否有无线请求信号结束返回按调整后的时间运行报警并向上位机发送灯坏信息各路口红灯按设置好的时间持续点亮之后，恢复点亮之前的状态是否是是否否图41主程序流程图本设计主程序主要是完成上电初始化，按键设置处理，故障检测处理，声音报警，无线遥控处理，数码管显示等。其程序流程图如图41所示。整个软件设计过程中一些模块相对简单，难点是故障检测与无线遥控部分的设计。故障检测的设计联系到蜂鸣器报警与上位机显示。检测是在灯点亮时候进行的，当有灯坏时候，连接PC上位机软件，上位机软件会提示灯坏信息，并蜂鸣器会在5秒钟报警一次。无线遥控部分是整个设计的重难点，也是设计的意义很大体现部分，设计过程中必须注意收发模块地址码的匹配和数据码的一致等等。上电开始烧录成功后，系统导入时间设定值，检测设定值是否在设定范围内，若是，则交通灯按设定时间值工作，否则，导入默认设定值，按默认值工作；同时进行灯坏故障检测，信息同时在上位机上显示出来，判断是否有灯坏，若有，蜂鸣器报警提示，并向上位机发送灯坏信息，若没有，继续按原来设定工作；灯坏检测同时，系统将也会判断是否有按键按下进行时间设定，若有红绿灯按新的时间值进行工作，若没有，继续原来时间值工作；同时，判断有没有上位机对时间的修改，若有，系统保存新的时间值，并按此工作，若没有，系统按照原来时间值工作；判断是否收到无线信息请求，若是，系统各个路口将都亮红灯15秒（时间可以任意设定）模拟救护车通过，救护车通过后恢复原来的状态，若没有，直接结束返回，按原来设定时间循环工作。第五章系统测试与分析51系统设计过程系统硬件电路的设计和制作过程也是比较花费时间和精力的。先是经过一段时间的资料查阅，慢慢积累相关知识，对一些主要芯片的技术资料也逐渐深入了解，并明确了毕业设计方案。然后使用专业的电路制图软件PROTELDXP来设计原理图，再导入PCB图。PCB图中，元器件位置的摆放，既要考虑美观、干扰等问题，也要考虑到元器件的封装是否和实际器件相匹配14。各元器件放好，接下来是布线。布线要遵守布线的原则，一般要求地线是最大的，其次是电源线，然后是信号线。画好PCB图后，将PCB图进行打印并压板。如果出现压制到铜板的线路不清楚或有断开的现象，用油性笔将其画好补上，待油干之后将压好的铜板用盐酸与双氧水混合配置成的腐蚀液进行腐蚀泡制。泡板之后对废液进行回收，保护环境。然后选合适的钻孔针对不同的封装孔进行打孔。打完孔后用砂纸擦去铜板上的碳粉，涂上用酒精和松香配置的松香水，因为这样可以帮助焊接锡。最后是焊板，焊接的时间不能太久，焊太久容易烧坏元器件。还有就是要避免虚焊，虚焊会导致电路连接断开。焊完板，电路板就制作完成了，接下来的就是对单个模块进行一一调试。52单个模块的调试制作好硬件之后，就进行软件编程，把两者结合起来对每一个模块进行调试。各个模块包括单片机部分，数码管显示器部分，LED发光二极管驱动控制和蜂鸣器驱动模块，灯坏检测单元模块以及无线收发模块的接收和发射四个大模块。单片机部分模块，包括与串口连接部分，这部分主要利用串口测试助手测试串口是否可用，还得保证芯片MAX232正常工作，连接该芯片的几个瓷片电容作用是隔直、耦合、旁路和滤波等等，开始测试这部分时，串口已经可用，由于瓷片电容的烧坏，还是没法下载程序到单片机，当换了一样大小的电容后，单片机接串口部分调试成功。LED发光二极管和蜂鸣器的调试模块也相对简单，只要熟悉蜂鸣器的驱动指令，线路连接正确，熟悉ULN2003用于驱动提供电流给发光二极管的电路指令，通过对它们电流或电压控制的编程，只要能让它们发光或者报警，便算成功了。在烧入正确的程序后，发光二极管和蜂鸣器便可正常工作了。开始测试时，用烧入流水灯的程序，下载运行后，LED灯实现了流水灯功能，再对蜂鸣器部分下载相应的程序，运行后，蜂鸣器报警，还可以根据需要设置报警声音连续或者间隔连续性。从而该部分调试成功。数码管部分的调试相对而言是比较简单的，只要熟悉了它的那些指令，线路连接正确，便可以显示出数字。通过对它的地址码的编程，让它显示出所需要的数字，能够进行简单的上下翻查询就算是成功了。在烧入正确的数码管测试程序，数码管就能够正常的显示。实践表明只要烧入正确得程序，下载运行后，两个四位数码管显示器则会依次显示被所设置的数字，例如从1到9依次跳动显示。同时，还可以通过键盘上的选择键和上下翻键来设置需要显示的数字大小或者从多少开始。灯坏检测部分调试则需要严格的编写程序，用软件控制CD4051芯片以实现对电子开关的导通与断开的控制，从而达到时刻对LED灯进行检测的目的。检测结果由串口传输到上位机并显示在界面上。该部分必须以前面部分测试成功为基础，当前面部分调试成功后。烧入正确的程序，下载运行，灯的工作情况就会在界面显示出来。模拟灯坏情况是通过任意取下其中若干个LED灯下来，待刷新后，观察界面的显示情况，可看到相应灯的工作情况。这块调试过程中失败了很多次，不过，经过不断的分析总结，不断修改程序后，最终调试完成，达到目的。无线通信模块是中心，是重点，如果调试不成功也就无法达到无线遥控的功能了。在刚开始进行无线模块的调试时，它并不能像预想的那样有效的控制LED灯的点亮，LED灯没有反应，没有任何的变化效果。仔细阅读了SC2272M4的相关资料才明白，SC2272M4的VT脚输出端解码有效变成了高电平，而单片机不能判别上升沿的电平，只能判别低电平和下降沿。所在改进时在VT脚到INT0脚之间加了一个非门。做完这些之后又出现了新的问题，那就是收发不是很远或者很难收发到，模块上有加天线的位置，因为对于如何制作天线不是很懂就拿了一些漆包线来绕制，但问题依然没有解决，经过尝试几种天线，一个一个的进行测试并进行比较，最后用一个比较细的网线拉直焊在模块上效果最好。由于单片机的时钟频率的倍频会对接收模块产生干扰，因此需要尽量降低CPU晶体的频率来增加无线接收设备的灵敏度15。由于受到环境因素的影响，比如隔墙等，它的发射距离有所影响。经过无数次的调试得知，无线收发的距离与天线关系密切，天线的粗细，长短，材料等都直接影响收发的灵敏度和收发距离。串口通信用串口调试助手来调试。首先，通过串口调试助手可以检测电路板串口部分是否与电脑联上；其次，用串口调试助手查看单片机执行发送的指令是否正确。串口调试助手如图51所示。图51串口调试助手上位机PC界面是通过串口联接到电脑上工作的软件，通过界面可以观察交通灯的工作情况，有助于完成等坏检测功能等等。PC界面如下图52所示。图52上位机PC界面53系统测试主要达到的技术指标1正常的交通灯功能；2定时时间调整可以任意设定交通灯各个状态下的工作时间；3无线遥控功能无论交通灯处于何种状态，只要按遥控发射接收信号，各路口LED灯马上只亮红灯，持续设定的时间后，回复原来状态；4无线遥控距离大于等于100米；5灯坏故障检测蜂鸣器灯坏报警，通过串口联机到电脑上，提供上位机监控显示；6数码管显示屏工作数码管分组显示各路口LED灯亮时间。第六章总结本系统经过不断的测试和调试，已经能很好的实现该系统设计的基本要求。该系统硬件设计不难,软件方面稍微有点复杂，不过整体易于开发,操作方便实用。此外，本系统还可以根据实际要求，设置指示灯定时时间，满足交通实际需要。本系统可应用于各个城市郊区十字路口等场所，可以有效地方便特殊车辆优先通过和交通灯管理等需求，给日常人们生活带来方便，提升城市交通质量，有很强的实用性。有灯坏故障检测和特殊车辆优先通过的交通信号系统的设计采用了STC89C52单片机作为系统的中央控制单元,并结合软件编程,实现了无线遥控控制的功能,符合现代以及将来无线传输在社会各个领域的应用，满足智能化、安全节能的方向。通过这次富有意义而又深刻的毕业设计，使笔者更加深入的了解到了无线传输模块、数码管显示、以及STC89C52单片机的结构功能和具体应用，也使笔者更深入的学习了电路PCB板的设计与制作。更熟练掌握了PROTELDXP电路板制图软件的使用。本次设计，不但巩固了所学的专业知识，而且还增长了课外的知识，受益匪浅，能力得到了提升，有着实质性意义。参考文献1陈宗梅交通灯控制系统电路设计J重庆职业技术学院学报，2005，14（2）1241252王长君我国城市交通管理智能化的问题与对策J交通运输系统工程与信息，2001,132042063李朝青无线发送/接收IC芯片及其数据通信技术选编2M北京北京航空航天大学出版社,200417294李正浩等51单片机在LED数码管显示中的应用J实验科学与技术，2006，4（Z1）95985范赛华等键盘扩展设备ZLG7290在UC/OSII操作系统中的驱动设计J科学技术与工程，2009，9（7）193419376熊为霞，谭文若串行接口LED数码管及键盘管理器件ZLG7289A的原来与应用J外国电子元器件，2004，（4）62667卢旭锦基于KEILC的AT24C02串行E2PROM的编程J现代电子技术，2007，30（8）1541608方炜电话银行系统密码拨号器设计J华北工学院学报，2005，26（3）1941959谢自美电子线路设计实验测试M武汉华中科技大学出版社，2000344110陈廷侠，赵红枝MAX232在串口通信中的作用分析与测试J新乡学院学报（自然科学版），2009，26（4）192111翟震,张春玲用74HC595芯片驱动LED的电路设计J机床与液压，2004，（12）15115212颜建军，刘哲纬单相电动机的无线遥控调速控制器J轻工机械，2010，28（5）707113吴文佳PT2262/PT2272编解码IC在无线智能报警系统中的应用J世界电子元器件，2004，（12）454614MAXJSCHINDLERMICROPROCESSORSOFTWAREDESIGNMHAYDENBOOKCOMPANY,INC，2002212715IBRAHIMKAYANUSRETTANDEREKPATHERTONAREFINEMENTPROCEDUREFORPIDCONTROLLERSJELECTRICALENGINEERING，2006，88215221附录一、系统实物图二、系统正常工作图三、系统特殊情况下图四、上位机界面显示截图五、系统部分程序/延时函数部分/INCLUDE“DELAYH“INCLUDE“MCUH“INCLUDE“INTRINSH“IFDEFAT89C51VOIDUSDELAYUCHARUSUS1DO_NOP_USWHILEUSVOIDMSDELAYUCHARMSDOUSDELAY250USDELAY250USDELAY250USDELAY70MSWHILEMSENDIF/IFDEFAT89C51RD2VOIDUSDELAYUCHARUSUS3DO_NOP_USWHILEUSVOIDMSDELAYUCHARMSDOUSDELAY250USDELAY250USDELAY250USDELAY200MSWHILEMSVOIDDELAYHWVOID/红外解码用的延时UCHARI13WHILEIIVOIDDELAYMSUCHARI/延时函数UCHARJ,KFORJIJ0JFORK110K0K/ENDIF/数码管部分/INCLUDE“IICH“INCLUDE“DELAYH“INCLUDE“MCUH“INCLUDE“SHUMAGUANH“INCLUDE“LEDH“INCLUDE“COUNTTIMEH“UCHARSMG_DISPLAY_NUM0,1,2,3,4,5,6,7,8,9/初始化，数码管上要显示的数字范围VOIDSMGINITVOIDI2CWRITEZLG7290ADDR,FLASHONOFF,LIGHTONLY/数码管只亮不灭I2CWRITEZLG7290ADDR,SCANNUM,EIGHT/可扫描数码管8位/I2CWRITETWODATABIT0,SMG_DISPLAY_NUM2VOIDSMG_DISPLAYVOID/东西路口I2CWRITETWODATABIT0,SMG_DISPLAY_NUMTEN_SECOND_EWI2CWRITETWODATABIT1,SMG_DISPLAY_NUMONE_SECOND_EWI2CWRITETWODATABIT4,SMG_DISPLAY_NUMTEN_SECOND_EWI2CWRITETWODATABIT5,SMG_DISPLAY_NUMONE_SECOND_EW/南北路口I2CWRITETWODATABIT2,SMG_DISPLAY_NUMTEN_SECOND_SNI