【智能交通信号灯的设计8200字（论文）】

智能交通信号灯的设计摘要：本系统以STC89C51单片机为核心，由74HC245电路以及外围的按键和数码管显示部件构成。系统由两位一体共阴极数码管显示，并能通过按键对时间进行设置，且具有蜂鸣器提示。本系统实用性强、操作简单、扩展功能强。关键词：交通灯；单片机；显示；计时目录1引言 11.1交通信号灯简介 11.2交通信号灯发展现状 21.3本课题研究的背景、目的和意义 22系统设计方案及要求 32.1交通灯控制系统通行方案设计 32.2单片机交通信号灯控制系统功能要求 52.2.1显示模块功能 62.2.2按键模块功能 62.3单片机交通灯控制系统的基本构成及原理 63系统硬件电路设计 83.1系统硬件总电路构成 83.2单片机系统 83.3显示系统 113.3.1LED显示系统 113.3.2数码管显示 123.4信号显示驱动电路 133.5键盘输入电路 144系统软件程序设计 174.1程序主体设计流程 174.2子程序模块设计 185结束语 20参考文献 23附录 241引言1.1交通信号灯简介如今，每个路口都安装了交通信号灯，已然成为疏导交通最常用、最有效的手段。但这项技术从19世纪就出现了。1858年，英国伦敦的主要道路上安装了红色和蓝色的机械灯，这是世界上第一个红绿灯，1868年，英国机械工程师奈特在伦敦威斯敏斯特区议会大楼对面的广场上安装了世界上第一个天然气交通灯，由红绿灯和绿绿灯组成。红色表示停车，绿色表示通过。1869年1月2日，煤气灯爆炸，警察受伤，所以取消了。美国出现了电动交通灯。它们由红色、绿色和黄色的圆形前照灯组成。它们被安装在纽约第五大街的一座塔上。红色代表“停”，绿色代表“走”。在1918年，有红绿灯和红外线灯。一个是安装一个地下压力探测器，一种是用喇叭打开交通灯，当司机遇到红灯时，按喇叭把红灯变成绿灯，当行人爬上压力敏感的道路时，可以接过街的人。红外线光束可以将信号灯的红灯延长一段时间，延迟车辆的释放时间，避免交通事故的发生，信号灯的出现可以有效控制交通，对驱动交通流起到重要作用，在1968年，联合国在《道路交通协定》和《道路标志和信号》中定义了各种信号的含义。绿灯是交通信号。绿灯前面的车辆可以直行，左转和右转，除非另一个标志禁止驾驶。左转或右转的车辆必须优先考虑在交叉口合法驾驶的车辆和通过交叉口的行人。红灯和禁止通行的信号。在交叉口，红灯前面的车辆必须停在停车线后面。黄灯是一个警告信号。有黄灯的车辆不能越过停车线，但当它们离停车线太近而不能安全停车时，它们可以进入交叉口。电子科学技术的迅猛发展带来了巨大的改变，现代电子技术与机械技术的结合进而催生生了大量先进的电子产品。其中单片机邻域的发展愈发迅速。由于它的特殊结构，在诸多领域实现了普通微机所无法完成的各种功能，具有高性能、低价格、高集成度、小尺寸、高可靠性、控制功能强、低电压的诸多特点。单片机在各种邻域中都有广阔的应用前景。1.2交通灯的发展现状现在，交通信号灯的种类很多。有些用CPLD来实现对交通信号灯的控制。有些用PLC来控制交通灯。有的用单片机控制交通灯。在中国，交通灯往往设置在十字路口。红，绿，黄三色灯分别表示不同的交通信号，并兼具倒计时显示功能来控制行人和车辆的通行。一般来说，这种灯能保证行人和车辆的畅通和安全。但是，从现在我国交通流量不断增加的发展情况来看，还存在很多不足的方面。比如，如果车辆放行时间是固定的，那么交叉口东西向和南北向的车流相差很大，那么如何给车流较大的主干道更多的放行时间就成了一个问题。1.3本课题研究的背景、目的和意义随着我国城市机动车数量的不断增加，诸多城市出现了十字路口车辆堵塞，交通超负荷运作的问题。自上世纪80年代末以来，许多城市纷纷修建了高速路用来解决此类问题。在高速路建成的初期，这一决定一定程度上解决了车辆堵塞的现象。然而，随着我国经济水平的迅猛发展、人民生活水平的不断提高，以及城市机动车数量的增加和高速公路教高的发展成本，该决策逐渐失去了原有的预期效果。用何种方法来最大限度地缓解交通压力，已成为交通管理者和城市规划部门急需解决的问题。当前，我国城市仍采用传统的红绿灯的控制方式。随着城市经济的不断发展以及交通流量的不断扩大，传统的红绿灯的控制方式所存在的问题愈发明显：车辆放行时，交叉口往往出现不同的交通车流量，而干道的放行时间却是一致的。如此造成大量车辆停驶和拥堵，但仅仅改变主干道开通的时间在这段时间形成的盲点，无法最大限度地缓解交通压力。当主路车辆较多，车流较大时，不能及时改变交通时间，延长主路交通时间，造成交通拥堵。为了更好地解决这类问题，本文介绍的系统通过红外感应装置对车流量进行检测并显示，随即利用单片机对路口的交通流进行统计并计数，然后执行处理程序，从而实现对交通信号灯的智能控制，从而实现根据交通流量对交通信号灯的进行实时控制。该系统具有成本低，实用性好，安全可靠等优点，具有广阔的应用前景。2系统设计方案及要求2.1单片机交通灯控制系统通行方案设计设置在十字路口，分为东西向和南北向。在任何时间，交通只有一个方向，同时另一个方向是禁止通行的。并且它会持续一段时候。在较短的时间延时后，通行的方向会发生改变。具体情况如图2.1所示。注：黑表示打开，白表示关闭。业务状态从状态1变为状态6，然后循环到状态1。通过对交叉口红绿灯状态的论证和分析，能小结出这四种状态，如图2．1所示。图2.1交通状态东西方向红灯熄灭，同时绿灯亮，南北方向黄灯熄灭，同时红灯亮，倒数20秒。这种状态下禁止东西通行，允许南北通行。东西方的绿灯熄灭。同时黄色的灯亮。南北方向红灯亮。倒计时是5秒。在这种状态下，已经通行中的其他车辆需要等待状态转换。南北方向红灯熄灭，同时绿灯亮，东西方向黄灯熄灭，同时红灯亮，倒数30秒。这种状态允许东西通行，禁止南北通行。南北方向绿灯熄灭，同时黄灯亮，东西方向红信号亮，倒数5秒。在这种状态下，除了已经通行以外还需要等待车辆的状态转换。下面我们可以用表2.1表示灯状态和行止状态的关系：表2.1交通状态及红绿灯状态状态1状态3状态4状态6东西向禁行等待变换通行等待变换南北向通行等待变换禁行等待变换东西红灯1100东西黄灯0001东西绿灯0010南北红灯0011南北绿灯1000南北黄灯0100东，西，北，南四个路口有红，绿，黄三色灯和四个数码管。在任何交叉口，红灯禁止通过，绿灯允许通过，然后黄灯亮表示通行状态即将发生变化。状态和红绿灯状态见表2．1。注：0表示关，1表示开。2.2单片机交通控制系统的功能要求本设计实现了基本的交通控制系统的功能，分别用红，绿，黄三种灯来表示禁止通行，通过和等待信号，也有倒计时显示的功能。按键可实现紧急模式，深夜模式，复位，东西交通，南北交通，时候增加，时间减少，切换等功能。一共有四个2位阴极数码管，东南西北各一个显示时间，四个数码管的阴极都接到STC89C51的P1口，阳极接到74HC245芯片上，通过P0口控制74HC245芯片，起到驱动放大作用。共12个发光二极管，四个路口每个路口各有一个红（禁行）、黄（警告）发光二极管，四个路口的二极管接到P2口，按键接P3口，蜂鸣器接P3.0。2.2.1显示模块功能显示模块分为数字管和LED显示两部分。倒计时灯表示如果信号颜色发生变化，驾驶员在停止和通过之间做出正确的选择。倒计时是减少驾驶员改变灯颜色时复杂判断的方法。那个告诉司机灯颜色变化的时间。帮助司机在停车和通过之间做出正确的选择。两个显示器的结合，使设计更加合理和可靠。2.2.2按键模块功能本系统要求的按键控制不多，且I／0口足够，可直接采用独立式。按此按钮可设置系统的运行状态。在禁止状态下，数码管显示00，红灯亮。重置按钮将重置整个系统。东西方向的通行这个方向变成蓝色，变成南北方向的红色。往南走，这个方向的绿灯亮，东西方向的红灯亮。时间的延长可以设定通过等待时间。切换按钮可以切换加减速方向。通过安全模块的控制，整个系统灵活实用。2.3单片机交通控制系统的基本构成及原理十字路口，车辆穿梭，行人熙熙攘攘，车道人文有序。那么我们怎样才能实现这个效果呢？交通信号的自动指挥系统。控制信号的方法有很多。该系统采用STC89C51单片机、74HC245驱动电路及周边按键及数字管显示器等构成部分，设计了基于单片机的交通信号灯设计方案。用两个人一体的阴极数字管表示，用按钮可以设定时机。这个系统实用性强，操作简单，扩展功能强。同时提高交通质量和效率。根据高峰时间的实际情况调整主要干线道路的开通时间，可以减少交通堵塞。交通控制系统有紧急控制功能。像这样救护车和救护车通过的话，两个方向的红灯就会亮。救护车、消防车通过后，恢复原状，提高特殊情况处理能力。这个微处理器控制交通灯系统。直接控制信号状态的变化，基本指导具体的交通。当然，如果连接LED的数字管的话，可以显示倒计时提醒驾驶员。更人性化，安全性兼备。在此基础上，宏处理器对具体控制指令进行处理，进而及时调整控制命令。如图2.2所示。键盘设置模块对系统输入模式的选择和具体的通行时间设定信号，系统进入正常工作状态，执行信号显示控制，实时显示输入时间数据的LED数字管。为了达到实时控制紧急事态的目的，需要实时捕捉违规检测和紧急按钮信号。紧急停止按钮和违反检测随时中断或调用。单片机单片机红黄绿信号灯8段LED数码管报警提示电路最小系统外围接口按键控制驱动显示图2.2系统的总体框图据此，本设计系统以单片机为控制核心，连接成最小系统，和按键设置模块等产生输入，信号灯状态模块，LED倒计时模块接受输出。系统的总体框图如图2.2所示。3系统硬件电路的设计3.1系统硬件总电路构成为达到本次设计所要求的具体功能，可选用STC89C51单片机及外围设备组成最小控制系统，12个发光二极管由红、绿、黄4个灯构成信号指示模块。8个LED由东、西、南、北组成逆计算显示模块。多个键盘配置时间设定、模式选择按钮和紧急按钮。该系统以宏处理器为中心，构成闭环控制系统的图像处理和自动控制系统。系统硬件电路由宏处理器、状态灯、LED显示器、驱动电路、按钮等构成。具体硬件电路图如图3.1所示。P0、P1用于显示LED数字管的类型和比特，P2用于控制发光二极管的红、绿、黄照明变化。XTAL1和XTAL2连接到晶片时钟电路，RESTpin连接到复位电路，P3用于按键控制。3.2单片机系统单片机是由集成电路芯片的各种组件集成而成的微型计算机，包括中央处理器的CPU、RAM的数据存储器、程序存储器的ROM、定时器／计数器、中断系统、时钟组件和I／O接口电路的集成。单片机以其体积小、价格低、可靠性高、开发应用方便等优点，在现代电子技术和工业中得到了广泛的应用。在智能仪器方面，单片机是其最活跃的领域之一。在控制方面，人们越来越关注计算机控制的低成本、小体积、可靠性和控制的灵活性。在各种仪器中，单片机的引入使各种仪器智能化，提高了测试的自动化程度和测试精度，提高了计算机的运算速度，简化了仪器的硬件结构，提高了效率。并行I／O口也是单片机的主要内容之一。STC89C51有四个8位并行I／O端口，分别记录为P0、P1、P2和P3。每个端口包含一个锁存器、一个输出驱动器和一个输入缓冲区。事实上，它们被归类为特殊寄存器，具有字节寻址和存储功能。在访问片外扩展存储器时，低8位地址和数据通过P0端口及时传输，高8位地址通过P2端口传输。四个端口中的每一位都可以用作系统中的双向端口，而无需使用ex内存。单片机的四个I／O口均为8位双向口，结构基本相同但各有特点。单片机时钟信号的产生有两种方式：一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式，单片机内部存在电路振荡。当石英晶体与单片机的xtal1和xtal2AOS相连时，在单片机内部形成一个自激振荡器，产生一个手表脉冲信号，图中C1和C2电容器的作用是稳定频率，快速启动振动。电容值为5-30pf，典型值为30pf，频率范围为1.2-12mhz，典型值为12mhz和11.0592Mhz。当第一个stc89c51mcu引脚引入高电平并保持两个机器周期时，执行内部复位操作（如果引脚保持高电平，MCU将处于周期复位状态）。复位电路通常采取上电自动复位和复位按钮两种方式，在最简单的自动复位能量中，自动复位电源是由外部的复位电路电容负载来完成的，只要VCC增加时间小于1ms，电源可自动复位，当时钟频率为6mhz时，C为22uF，R为1K937；有时需要手动按下复位按钮，本项目需要手动使用复位按钮，手动复位方式有电平模式和脉冲模式两种，RST端子通过电阻与电源相连，进行电平复位。系统如图3．1所示。图3.1单片机系统原理图3.3显示系统3.3.1LED显示LED英文单词的缩写，主要含义：LED=LightEmittingDiode，发光二极管，是一种固态半导体器件，能将电能转化为可见光，它能直接将电转化为光。它改变了白炽灯钨丝灯和节能灯三原色粉末灯的原理，并采用电场照明。据分析，LED具有寿命长，光效高，辐射低，功耗低等明显特征。LED以其高亮度、低热、长寿命、无毒等优点成为21世纪最有前途的绿色光源，经过近四十年的发展，LED产品已广泛应用于景观照明和普通照明，中国是世界上最大的照明设备生产国和第二大出口国。随着半导体发光材料的发展、制造技术的进步以及新材料（氮化物和磷晶体）的开发和应用，各种颜色的超高亮度得到了大力发展，最重要的是LED产生的超高白光，使LED超越了有效光源市场，LED灯的高亮度是发明之一，爱迪生发明灯泡后，信号灯用发光二极管显示不同颜色的信号。图3.2LED灯3.3.2数码管显示数码管是一个半导体发光器件，它的基本单元是发光二极管。数码管按段数分为七个数码管和八个数码管，八个数码管有一个LED单元多于七个数码管（十进制显示），根据“8”的不同显示，可分为1、2、4等，根据LED单元的连接方式，分为共阳极数码管和共阳极阴极射线管。共阳极数码管是一种数码管（COM），连接所有的管阳极形成一个共阳极。使用共阳极数码管时，公共阳极必须连接到5V。当给定磁场中的LED阴极为低电平时，相应的磁场将点亮。当给定磁场中的阴极为高电平时，普通数字阴极射线管是一种数码管（COM），它把一根线连接到导管阴极上，形成一个普通阴极。当使用普通数字阴极射线管时，必须把普通电极连接到地线上。当给定电场中的LED阳极高时，相应的连接会点亮，当一个电场的阳极电压低时，相应的电场不会点亮，由于其价格低廉、使用简单，在家用电器领域，特别是家用电器领域得到了广泛的应用。图3.3数码管显示3.4信号显示驱动电路74HC245译码器能接受3位二进制加权地址输入（A0，A1和A2），并在启用时提供8个互斥低效输出（Y0到Y7）。74HC245有三个独特的使能输入：两个低有效（E1和E2）和一个高有效（E3）。74HC138将保持所有有效，直到E1和E2设置为低，E3设置为高。通过此复合激活功能，只需要四个74h245芯片和一个逆变芯片就可以方便地进行并行扩展，并结合一个1-32（5线对32）译码器，如果选择一个低使能输入作为输入数据，另一个使能输入作为选通的目的，74h245也可以作为输出8，未使用能力的投入应处于适当的有效或无效状态。该原理适用于高性能存储器或传输时延较短的数据传输系统的译码，在高性能存储器系统中，译码器可以提高译码系统的效率，在高速存储器中使用快速激活电路时，解码器延迟时间和存储器激活时间通常小于典型的存储器访问时间，这意味着由肖特基箝位系统译码器引起的有效系统延迟可以忽略。Hc138将八个输出转换为基于三个二进制输入码的低电平输出，并启用输入条件。两个有效的低电平允许输入，一个有效的高电平允许输入减少扩展所需的外门或门的数量。电缆解码器24不需要外部服务。电缆解码器32只需要外部逆变器。在解调器应用中，启用的输入可以用作输入数据。图3.474HC245电路图设计中将1脚接VCC，19脚接地，整个芯片是输入端输入高则输出端输出高，输入端输入低则输出端输出地，只是相当于驱动作用。3.5键盘输入电路单片机键盘有两种：独立键盘和矩阵键盘。独立键盘的每个I／O口只接一个键，按键的另一端接电源或接地（一般接地）。这种连接程序比较简单，系统比较稳定。虽然矩阵键盘连接程序比较复杂，但它需要较少的I／O。根据本设计的需要，本文选择了独立的键盘连接方式。独立键盘的方法是利用I／O口的电平来判断按键是否被按下。常开键的一端接地，另一端连接到I／O端口。在程序开始时，I／O端口设置在高电平。通常，当没有按键时，I／O端口保护高电平。按键时，I／O端口和接地之间的短路会迫使I／O端口处于低电平。释放按键后，MCU内部的上拉电阻将I／O端口保持在高电平。我们需要做的是在程序中查找I／O端口的级别状态，然后才能知道是否有键操作。用单片机处理键盘时它涉及到一个重要的过程，即消除键盘抖动。这里的抖动是机械抖动。键盘未按到临界区域是电平不稳定的正常现象。这不是我们在按键时注意就能避免的。这种抖动一般在10到200毫秒之间。这种不稳定电平的抖动时间对人来说太快了，但对于时钟为微秒的MCU来说却很慢。硬件去抖动是利用部分电路对抖动部分进行处理。软件去抖动不是为了消除抖动，而是为了避免部分时间抖动，然后在键盘稳定后再进行处理。因此，选择软件来消除抖动。实现方法是先搜索关键字。当有低电平时，立即延迟10－200ms以避免抖动（典型值为20ms）。延迟后，再次读取I／O端口的值。如果本次值为1，则表示低电平时间小于10－200ms，视为干扰信号。读取值为0时，表示按键并调用相应的处理程序。硬件电路如图3．5所示：图3.5键盘控制电路图4系统软件程序的设计4.1程序主体设计流程整个控制程序实际上分为几个模块：键盘设置处理程序，状态灯控制程序，LED显示程序，子状态判断和处理程序，紧急停车或违法判断程序，中断服务子程序，交通车流量的计数程序，红绿灯时长调改程序等。整个软件程序主要分为两部分：按键处理程序和50ms扫描程序。流程图如图4．1所示。初始化外部中断设置字型码和字位码，完成显示定义状态数组宏定义初始化外部中断设置字型码和字位码，完成显示定义状态数组宏定义返回while(1)函数进入while(1)循环I/O初始化返回while(1)函数进入while(1)循环I/O初始化定义字位码函数定义字位码函数定义共阴极字型编码表定义共阴极字型编码表调用显示控制函数voiddisplay调用显示控制函数voiddisplay（）进入主函数main()定义函数变量并初始化定义函数变量并初始化定时器0初始化定时器0初始化调用Buzzer()函数图4.1系统总的流程图4.2子程序模块设计按键模块的控制是调用中断来实现控制的，独立式键盘的实现方法是利用单片机I/O口读取口的电平高低来判断是否有键按下。将常开按键的一端接地，另一端接一个I/O口，程序开始时将此I/O口置于高电平，平时无键按下时I/O口保护高电平。当有键按下时，此I/O口与地短路迫使I/O口为低电平。按键释放后，单片机内部的上拉电阻使I/O口仍然保持高电平。我们所要做的就是在程序中查寻此I/O口的电平状态就可以了解我们是否有按键动作了。INT1INT0INT1INT0南北通行南北通行东西通行东西通行东西绿灯亮南北红灯亮东西绿灯亮南北红灯亮东西绿灯亮南北红灯亮保持中断保持中断保持中断保持中断中断返回中断返回中断返回中断返回图4.2中断子程序定时中断是本设计的关键。一旦定时器启动，它开始在之前的值上加1。如果我不把Th0和tl0放在程序的开头，它们的默认值是0。假设时钟频率是12Mhz，时钟周期12是机器周期，所以机器的周期是1US。如果你记住Th0和tl0，你需要数字216-1，另一个溢出脉冲计数器，然后它适用于中断的CPU。因此，我们总共需要65536溢出，约65.6ms。如果50ms必须组织，必须先设置Th0和tl0的初始值，根据这个初始值，记录50000位数字后，每50米就有一次定时器溢出。当我们需要编程1s时，溢出计时器就会发生。当我们编写程序时，当我们产生20次50ms中断时，它被认为是1s，中断系统包括输出数据更新程序和各种状态处理程序。中断程序的流程图如图4．3所示。定义1s定时中断入口定义1s定时中断入口设置字型码和字位码，完成数码管倒计时显示启动定时器中断设置字型码和字位码，完成数码管倒计时显示启动定时器中断关闭定时器0初始化定时器0关闭定时器0初始化定时器0计数变量自加1计数变量自加1图4.3定时中断流程图5结束语经过本次的毕业设计，我收获了很多。总的来说，主要有以下几个方面：（1）通过本次的毕业设计，我能将原来所学的专业知识与实践很好的结合