畢 業(yè) 論 文 設(shè) 計 中文題目 中文題目 智能交通信號燈模擬控制系統(tǒng)設(shè)計智能交通信號燈模擬控制系統(tǒng)設(shè)計 英文題目英文題目 DesignDesign ofof SimulationSimulation ControlControl SystemSystem forfor IntelligentIntelligent TrafficTraffic SignalSignal LightsLights 姓姓 名名 00000000 學學 號號 000000 專業(yè)班級專業(yè)班級 電子信息工程電子信息工程 1 1 班班 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師 0000000000 提交日期提交日期 20122012 年年 5 5 月月 2525 日日 教務(wù)處制 惠州學院 HUIZHOU UNIVERSITY 智能交通信號燈模擬控制系統(tǒng)設(shè)計智能交通信號燈模擬控制系統(tǒng)設(shè)計 姓名 0000 班級 000 指導(dǎo)老師 000 職稱 講師 惠州學院電子科學系 廣東 惠州 516007 摘摘 要要 交通信號燈是一種重要的交通指示工具 它能夠指示通過交叉路口的機動車輛和 過往的人群有序地通行 是維系道路交通順暢 減少道路堵塞的主要工具之一 針對 傳統(tǒng)交通信號燈存在不能根據(jù)車流量大小自動調(diào)節(jié)通車時間的缺點 本文提出了以單 片機為主控制器 超聲波傳感器測車流量的新型智能交通信號燈模擬控制系統(tǒng)的方案 本論文設(shè)計的智能交通信號燈模擬控制系統(tǒng)采用 AT89C51 單片機為控制器 以 URF04 超聲波模塊檢測實時通行的車流量 通過 RS 485 傳輸線通訊 主控制器根據(jù)從 控制器反饋回來的信息 實時調(diào)整通行時間 可以有效地疏導(dǎo)交通 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞 交通信號燈 智能 單片機 目錄 1 緒言 1 1 1 智能交通信號燈控制系統(tǒng)概述 1 1 2 交通信號燈的應(yīng)用及其發(fā)展趨勢 1 2 系統(tǒng)控制器及外圍數(shù)字電路 IC 芯片簡介 2 2 1 系統(tǒng)整體電路框圖 2 2 2 AT89C51 單片機簡介 4 2 3 LED 顯示器 7 2 3 1 LED 數(shù)碼管顯示器的結(jié)構(gòu)原理 7 2 4 超聲波收發(fā)模塊 8 2 4 1 超聲波測距原理 8 2 4 2 超聲波收發(fā)模塊簡介 9 2 5 74LS138 譯碼器 10 2 6 74LS373 鎖存器 11 2 7 74LS04 反相器 12 2 8 MAX485 收發(fā)器 13 3 硬件系統(tǒng)設(shè)計 13 3 1 交通信號燈控制方案選擇 13 3 2 硬件電路設(shè)計 15 3 2 1 通行時間顯示電路 15 3 2 2 單片機時鐘電路 17 3 2 3 單片機復(fù)位電路 17 3 2 4 人行道信號燈控制電路 18 3 2 5 機動車道信號燈控制電路 18 4 軟件系統(tǒng)設(shè)計 19 4 1 主機程序流程圖 19 4 2 C 語言程序設(shè)計 21 4 2 1 1 秒鐘程序設(shè)計 21 4 2 2 LED 數(shù)碼顯示器程序設(shè)計 22 5 系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果分析 22 5 1 硬件調(diào)試 22 5 2 軟件調(diào)試和下載 23 5 3 結(jié)果分析 24 致謝 26 參考文獻 27 附錄一 主機系統(tǒng)電路圖 29 附錄二 電路源程序 30 編輯版 word 1 1 緒言緒言 智能交通信號燈控制系統(tǒng)是控制交通道路十字路口中車輛和行人往來順暢 維持 道路正常通行的有效工具 它可以根據(jù)道路車流量的實際狀況進行紅綠燈通行時間的 調(diào)控 減少道路堵塞 優(yōu)化交通 具有一定的智能性 系統(tǒng)組成包括主機和從機系統(tǒng) 兩部分 主機系統(tǒng)的組成包括微型控制器 MCS 51 單片機 電源 紅綠燈顯示 通行時 間顯示和 MAX485 轉(zhuǎn)換器五部分 從機系統(tǒng)的組成包括微型控制器 MCS 51 單片機 電源 超聲波傳感器模塊和 MAX485 轉(zhuǎn)換器四部分組成 1 11 1 智能交通信號燈控制系統(tǒng)概述智能交通信號燈控制系統(tǒng)概述 隨著經(jīng)濟的發(fā)展 汽車的擁有數(shù)量越來越多 道路交通堵塞情況日益嚴重 交通 擁堵已成為城市發(fā)展中的一個需要迫切解決的社會問題 傳統(tǒng)的交通信號燈由于其紅 綠燈的通行時間都是固定不變的 因此 也就無法根據(jù)道路實際的車流量實時調(diào)整紅 綠燈的通行時間 這種不足導(dǎo)致其不能有效地解決道路堵塞的問題 此外 從土地資 源利用的角度來看 由于土地使用的限制 也不能靠簡單的道路擴建來解決交通擁堵 的問題 因此 這就要求我們在現(xiàn)有的道路基礎(chǔ)上 研究 設(shè)計出一種有效的交通信 號燈控制系統(tǒng) 實時控制 提高交通控制水平 更加靈活有效地提高道路的利用率 從而減少交通擁堵 實現(xiàn)道路暢通 緩解日益嚴重的交通問題 1 21 2 交通信號燈的應(yīng)用及其發(fā)展趨勢交通信號燈的應(yīng)用及其發(fā)展趨勢 在國際上 交通信號的含義大同小異 而且正趨于統(tǒng)一 1968 年聯(lián)合國 道路交通和 道路標志 信號協(xié)定 對各種信號燈的含義作了規(guī)定 綠燈是通行信號 面對綠燈的 編輯版 word 車輛可以直行 左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎 除非另有一種標志禁止某一種轉(zhuǎn)向 左右轉(zhuǎn)彎車輛 都必須讓合法地正在路口內(nèi)行駛的車輛和過人行橫道的行人優(yōu)先通過 紅燈是禁行信 號 因為在可見光中紅光的電磁波最長 易于為人們在較遠距離外辨認 為保證交通 安全 所以采用紅燈為禁行信號 面對紅燈的車輛必須在交叉路口的停車線后停車 黃燈是警告信號 面對黃燈的車輛不能越過停車線 但車輛已十分接近停車線而不能 安全停車時 可以進入交叉路口 有的國家規(guī)定黃燈只能單獨出現(xiàn) 有的規(guī)定黃燈可以 與紅燈同時出現(xiàn) 前者是警告信號 后者是預(yù)告信號 有些國家的人行橫道燈也采用紅 黃綠三色信號燈 其中黃燈是警告行人這時不宜穿越馬路 在某種情況下 為了分離各種不同方向的交通流并對其提供獨立的通行時間 可 以用帶箭頭的燈來代替普通的綠信號燈 箭頭信號燈有兩種 一種是單獨的綠箭頭信 號燈 面對這種信號燈的車輛只可沿著綠箭頭所指示的方向行駛 另一種是帶紅燈的 綠箭頭信號燈 面對這種信號燈的車輛在不妨礙那些合法地在人行橫道上行人和正在 合法地通過交叉路口的車輛通行的情況下可以沿著箭頭指示的方向行駛有的國家還采 用一種閃動的交通信號燈 黃閃燈 紅閃燈和綠閃左轉(zhuǎn)彎 靠右行駛的國家為右轉(zhuǎn)彎 箭頭信號燈三種 面對黃閃燈的車輛可以小心地通過交叉路口 面對紅閃燈的車輛不 得通行 面對綠閃左轉(zhuǎn)彎或右轉(zhuǎn)彎箭頭信號燈的車輛除了可以直行之外還可以左轉(zhuǎn)彎 或右轉(zhuǎn)彎 目前 安裝在交叉路口的交通信號燈多為自動控制的信號燈 有的是固定周期 有的是變周期 用信號燈控制一個交叉口交通的方式叫點控制 將一條道路上幾個交 叉口的信號燈聯(lián)系起來 協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn) 這種控制交通的方式叫線控制 用計算機控制幾 條道路上的若干個交叉口的信號燈 使之協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn) 這種方式叫面控制 隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展 未來的交通信號燈控制系統(tǒng)將朝著智能化 自適應(yīng)的 編輯版 word 方向發(fā)展 智能交通信號燈控制系統(tǒng)能夠根據(jù)實際的車流量狀況進行實時調(diào)控紅綠燈 的通行時間 減少道路堵塞 優(yōu)化道路交通狀況 目前已有相關(guān)的課題研究 例如 采用基于電磁感應(yīng)原理的地感線圈檢測車流量 PLC 為主控制器的智能交通控制系統(tǒng) 采用壓力傳感器與控制器組成的實時交通控制系統(tǒng) 基于微波檢測的智能交通控制系 統(tǒng)等方案 此外 據(jù)報道 德國將采用新型的智能交通控制系統(tǒng) 具體是德國公路上 的探測器將被小型計算機取代 司機可以和智能交通燈隨時進行 對話 這一方案是 由德國卡塞爾大學交通技術(shù)和運輸物流系進行研究 2 2 系統(tǒng)控制器及外圍數(shù)字電路系統(tǒng)控制器及外圍數(shù)字電路 ICIC 芯片簡介芯片簡介 2 12 1 系統(tǒng)整體電路框圖系統(tǒng)整體電路框圖 本設(shè)計系統(tǒng)的硬件電路總體框圖見圖 2 1 圖 2 2 所示 主要組成部分包括 系統(tǒng) 微控制器 AT89C51 單片機 超聲波收發(fā)模塊 外部電路數(shù)字 IC 芯片和 LED 數(shù)碼管 顯示器等 編輯版 word 圖 2 1 系統(tǒng)主機總體框圖 圖 2 2 系統(tǒng)從機結(jié)構(gòu)框圖 編輯版 word 2 22 2 AT89C51AT89C51 單片機簡介單片機簡介 MCS 51 系列單片機是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的單片機之一 隨著基于 MCS 51 系列 單片機的嵌入式實時操作系統(tǒng)的出現(xiàn)與推廣 在很長一段時間內(nèi) MCS 51 系列單片機 仍將占據(jù)嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品中的中 低端產(chǎn)品市場 本文將介紹一種以 MCS 51 系列單片 機為主控制器 以超聲波傳感器檢測車流量的新型交通信號燈模擬控制系統(tǒng) 隨著計 算機技術(shù)與微電子技術(shù)的發(fā)展 智能儀表的功能逐步完善 工作的可靠性也進一步提 高 而單片機卻是隨著功能的不斷增強 價格逐漸降低 在本系統(tǒng)設(shè)計中 使用美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的 8 位單片機 AT89S51 作為控制器件 AT89C51 是一種帶 4K 字 節(jié)可編程可擦除只讀存儲器的低電壓 高性能 CMOS 結(jié)構(gòu)的 8 位微處理器 該器件采 用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造 與工業(yè)標準的 MCS 一 51 指令集和輸出 管腳相兼容 并且將多功能 8 位 CPU 和 FLASH 存儲器組合在單個芯片中 因而 AT89C51 是一種高效的微控制器 為很多智能儀器和嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活 性高且價廉的方案 下面簡單介紹一下該單片機的一些特性 8位單片機AT89C51的主要特性是 與MCS 51指令兼容 4K字節(jié)在系統(tǒng)可編程 ISP Flash閃爍存儲器 壽命 1000寫 擦循環(huán) 4 0 5 5V的工作電壓范圍 全靜態(tài)工作模式 0Hz 33Hz 三級持續(xù)加密鎖 128 8字節(jié)內(nèi)部RAM 三級程序存儲器鎖定 編輯版 word 32位可編程FO線 兩個16位定時器 計數(shù)器 5個中斷源 全雙工串行UART通道 低功耗的閑置和掉電模式 中斷可從空閑模式喚醒系統(tǒng) 看門狗 WDT 及雙數(shù)據(jù)指針 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 掉電標志和快速編程特性 靈活的在系統(tǒng)編程 ISP 字節(jié)或頁寫模式 編輯版 word 圖 2 3 AT89C51 結(jié)構(gòu)圖 單片機 AT89C51 各引腳定義如圖 2 4 所示 引腳定義見表 2 1 編輯版 word 圖 2 4 引腳定義圖 表 2 1 AT89C51 引腳定義表 引腳序列引腳號 功能 1 8P1 0 P1 78 位準雙向 I O 口 9RST復(fù)位輸入口 10 RXD P3 0串行接收口 P3 0 I O 口 11 TXD P3 1串行輸出口 P3 1 I O 口 12 INT0 P3 2外部中斷 0 輸入口 P3 2 I O 口 13 INTl P3 3外部中斷 1 輸入口 P3 3 I O 口 14 T0 P3 4定時計數(shù)器 O 輸入口 P3 4 I O 口 15 Tl P3 5定時計數(shù)器 1 輸入口 P3 5 I O 口 16 WR P3 6外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 P3 6 I O 口 17 RD P3 7外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通 P3 7 I O 口 18 XTAL2時鐘振蕩器的輸入腧出端 2 19 XTAL1時鐘振蕩器的輸入腧出端 1 20 GND信號地 21 28 P2 0 P2 78 位雙向 I O 口 可作存儲器的高 8 位地址 29 PSEN程序存儲允許輸出信號端 30 ALE PROG片外存儲器地址鎖存信號 31 EA Vpp外部取指使能信號 32 39 P0 0 P0 7數(shù)據(jù) 低 8 位地址復(fù)用端口 續(xù)表 2 1 40 VCC電源 編輯版 word 2 32 3 LEDLED 顯示器顯示器 在小型控制裝置和數(shù)字化儀器儀表中 往往只要幾個簡單的數(shù)字顯示或字狀態(tài)便 可滿足現(xiàn)場的需求 而 LED 顯示數(shù)碼管因其成本低廉 配置靈活 與計算機接口方便 等特點 在小型微機控制系統(tǒng)中得到極為廣泛的應(yīng)用 2 3 12 3 1 LEDLED 數(shù)碼管顯示器的結(jié)構(gòu)原理數(shù)碼管顯示器的結(jié)構(gòu)原理 發(fā)光二極管 LED 利用 PN 結(jié)把電能轉(zhuǎn)換光能的固體發(fā)光器件 根據(jù)制造材料的不 同 可以發(fā)出紅 黃 綠 白等不同色彩的可見光束 LED 的伏安特性類似于普通二 極管 正向壓降為 2V 左右 工作電流一般在 10mA 20mA 之間較為合適一個 8 段 LED 顯示器的結(jié)構(gòu)如圖 2 5 所示 它是由 8 個發(fā)光二極管造成 各段依次記為 a b c d e f g dp 其中 dp 表示小數(shù)點 不帶小數(shù)點的稱為 7 段 LED 8 段 LED 有共陰極和共陽極兩種結(jié)構(gòu) 分別如圖 2 6 圖 2 7 所示 dp D 圖 2 5 8 段數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖 編輯版 word COM COM 圖 2 6 共陰極結(jié)構(gòu)圖 圖 2 7 共陽極結(jié)構(gòu)圖 共陰極 LED 的所有發(fā)光管的陰極并接成公共端 COM 而共陽極 LED 的所有發(fā)光 管的陽極并接成公共端 COM 當共陰極 LED 的 COM 端接高電平 則某個發(fā)光管的陰 極加上低電平時 則該管有電流流過因而點亮發(fā)光 LED 各段不同點亮的組合可以顯 示 0 9 A F 等十六進制數(shù) 表 2 2 LED 段選碼 顯示 字符 共陰極段選碼共陽極段選 碼 顯示 字符 共陰極段選碼共陽極段選碼 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 編輯版 word 2 42 4 超聲波收發(fā)模塊超聲波收發(fā)模塊 2 4 12 4 1 超聲波測距原理超聲波測距原理 超聲波是指頻率高于 20KHz 的機械波 為了以超聲波作為檢測手段 必須產(chǎn)生 超聲波和接收超聲波 完成這種功能的裝置稱為超聲波傳感器 超聲波傳感器有發(fā)送 器和接收器 有的也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用 根據(jù)超聲波的產(chǎn)生方式 超聲波傳感器可分為兩大類 一類是電氣式 如壓電式 磁致伸縮式和電動式等 一類是機械式 如加爾統(tǒng)笛 液哨等 目前常用的是壓電式 超聲波傳感器 它利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化 即發(fā)射超聲波時 將電能轉(zhuǎn)換為超聲波發(fā)射出去 在收到回波時 將超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號 超聲波測 距的原理一般采用時間差法 即測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時間 T 再乘以超聲波的速度 C 就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離 D 即 D C T 2 式中 D 傳感器與障礙物之間的距離 C 聲波在介質(zhì)中的傳輸速度 由于超聲 波易于定向發(fā)射 方向性好 強度易控制 與被測物體不需直接接觸 故超聲波傳感 器廣泛地應(yīng)用于液體高度測量 汽車倒車等方面 為了提高測量精度 減小誤差 根 據(jù)公式可知 測距誤差由傳播速度誤差和傳播時間誤差引起 當傳播速度準確時 傳 播時間差值精度只要達到微秒級 就可保證測距誤差小于 1mm 設(shè)計中 可采用 12MHz 晶體作時鐘的基準 單片機定時器的計數(shù)精度可達 1us 從而保證測量精度 傳播速度受空氣密度的影響 空氣密度越高 傳播速度越快 而空氣密度與溫度有密 切關(guān)系 在理想氣體中聲波的傳播速度 C 為 C MRT 編輯版 word 式中 氣體定壓比熱容與定容比熱容之比 R 氣體常數(shù) M 氣體分子量 T 絕對溫度 若溫度變化不大 則可認為聲速基本不變 其值為 340m s 若測距精度 要求較高 為減小溫度變化對聲速產(chǎn)生的影響 在設(shè)計中 應(yīng)增加溫度傳感器來監(jiān)測 環(huán)境溫度 進行實時溫度補償 近似公式為 C C0 0 607 T 式中 C0 零度時的聲 波速度 332m s T 實際溫度 2 4 22 4 2 超聲波收發(fā)模塊簡介超聲波收發(fā)模塊簡介 圖 2 8 是本設(shè)計系統(tǒng)采用的超聲波測距模塊 URF04 模塊 實物圖 其主要技術(shù) 參數(shù)如下 圖 2 8 超聲波測距模塊實物圖 工作電壓 DC 5V 靜態(tài)工作電流 小于 2mA 電平輸出 高 5 V 電平輸出 低 0V 感應(yīng)角度 不大于 15 編輯版 word 探測距離 2cm 500cm URF04 模塊工作原理 采用 IO 觸發(fā)測距 給至少 10us 的高電平信號 模塊得到有效觸發(fā)電平后 自動 發(fā)射 8 個 40Hz 的方波 自動檢測是否有信號返回 當有信號返回時 通過 IO 輸出一 高電平 高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間 根據(jù)下面公式計算 L T C 2 式中 L 表示測量距離 T 表示高電平持續(xù)時間 C 表示聲速 在測量精度要求不 高時 取 C 340m s 計算 2 52 5 74LS13874LS138 譯碼器譯碼器 74LS138 引腳圖見圖 2 9 引腳符號分別表示 引腳 1 2 3 表示地址碼輸入 引腳 6 表示芯片選通端 高電平有效 引腳 4 5 選通端 低電平有效 Y0 Y7 輸出端 低電平有效 引腳 8 為接地端 引腳 16 為電源端 圖 2 9 74LS138 引腳圖 74LS138 譯碼器的功能如表 2 3 所示 表中字母含義 G2 G2A G2B H 表示高 編輯版 word 電平 L 表示低電平 X 表示任意電平 表 2 3 74LS138 譯碼器功能表 2 62 6 74LS37374LS373 鎖存器鎖存器 圖 2 10 是 74LS373 鎖存器的引腳圖 各引腳含義是 引腳 1 表示三態(tài)允許控制端 低電平有效 引腳 3 4 7 8 13 14 17 18 表示輸入端 D0 D7 引腳 2 5 6 9 12 15 16 19 表示輸出端 引腳 11 表示鎖存允許端 圖 2 10 74LS373 鎖存器引腳圖 74LS373 鎖存器的真值表如表 2 4 所示 表中 H 表示高電平 L 表示低電平 X 表 示任意電平 Z 高阻態(tài) 編輯版 word 表 2 4 74LS373 鎖存器真值表 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 反相器的引腳圖見圖 2 11 74LS04 為六組反相器 引腳 1 為輸入端 對應(yīng) 2 輸出端 3 輸入端 4 輸出端 如此類推 引腳 7 接地端 引腳 14 電源端 圖 2 11 74LS04 反相器引腳圖 2 82 8 MAX485MAX485 收發(fā)器收發(fā)器 MAX485 收發(fā)器是 Maxim 公司的一種 RS 485 芯片 采用單一電源 5 V 工作 額 定電流為 300 A 采用半雙工通訊方式 它完成將 TTL 電平轉(zhuǎn)換為 RS 485 電平的功 能 MAX485 引腳圖見圖 2 12 編輯版 word 圖 2 12 MAX485 引腳圖 RO 為接收器的輸出端 DI 為驅(qū)動器的輸入端 與單片機連接時只需分別與單片 機的 RXD 和 TXD 相連即可 RE 和 DE 端分別為接收和發(fā)送的使能端 當 RE 為邏輯 0 時 器件處于接收狀態(tài) 當 DE 為邏輯 1 時 器件處于發(fā)送狀態(tài) 因為 MAX485 工作在半雙工狀態(tài) 所以只需用單片機的一個管腳控制這兩個引腳即可 A 端和 B 端分別為接收和發(fā)送的差分信號端 當 A 引腳的電平高于 B 時 代表發(fā)送 的數(shù)據(jù)為 1 當 A 的電平低于 B 端時 代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為 0 在與單片機連接時接 線非常簡單 只需要一個信號控制MAX485 的接收和發(fā)送即可 同時將 A 和 B 端 之間加匹配電阻 一般可選 100 的電阻 3 3 硬件系統(tǒng)設(shè)計硬件系統(tǒng)設(shè)計 3 13 1 交通信號燈控制方案選擇交通信號燈控制方案選擇 作為交通信號燈控制系統(tǒng)的微型控制器可以有多種選擇 因而實現(xiàn)的方案有多種 包括選用標準數(shù)字可編程邏輯控制器件 可編程控制器 PLC 嵌入式控制器 ARM 以 及 MSP430 單片機等控制器作為主控制器 但是 這些控制器要么在控制上要求專業(yè)知 識較高 要么價格相對較高 一方面給系統(tǒng)設(shè)計的調(diào)試帶來一定困難 另一方面則增 加了生產(chǎn)成本 有鑒于此 通過綜合考慮后 本設(shè)計最終選擇了價格相對較低 控制 編輯版 word 設(shè)計技術(shù)相當成熟的 AT89C51 單片機作為系統(tǒng)的主控制器 該型號單片機具有簡單實 用 高可靠性和性價比高等優(yōu)點 而且這種單片機已經(jīng)在國內(nèi)外的各個領(lǐng)域中得到了 很好的運用 可參考資料多 使得設(shè)計人員在設(shè)計過程中遇到技術(shù)困難時 可以找到 相關(guān)的參考方案來輔助解決 此外 實現(xiàn)超聲波檢測實時車流量的控制方案有三種可以選擇 一是超聲波安裝 在交通信號燈處 直接檢測 二是超聲波模塊安裝在 50 米處 主機和從機通過無線收 發(fā)模塊通訊 三是超聲波也是安裝在 50 米處 主機和從機通過 RS 485 傳輸通訊 對于 第一種方案 由于超聲波能檢測到 50 米遠的模塊較少 而且價格不菲 為此 不選 第二種方案 由于使用到無線收發(fā)傳輸 在控制上難度較大 第三種方案 RS 485 傳 輸距離可以達到 1000 米左右 滿足設(shè)計要求 控制相對簡單 價格較低 基于上述考 慮 系統(tǒng)設(shè)計采取第三種方案 本設(shè)計系統(tǒng)由主機控制系統(tǒng)和從機控制系統(tǒng)兩部分組成 其中 主機控制系統(tǒng)可 以實現(xiàn)控制通行時間的倒計時顯示 直走 左拐 綠燈 紅燈 黃燈以及行人道通行 信號燈等狀態(tài) 時間顯示使用兩位一體 LED 數(shù)碼管顯示器 信號燈則采用發(fā)光二極管 在時間和信號燈的指示下 指揮機動車輛和人群有序地通過交叉路口 實現(xiàn)道路通行 順暢 另外 從機控制系統(tǒng)負責檢測道路的實時車流量 進而反饋到主機控制系統(tǒng) 主機控制系統(tǒng)根據(jù)收到的信息做出是否增加通行時間的調(diào)整控制 主機控制系統(tǒng)通過 RS 485 線和從機控制系統(tǒng)通訊 本系統(tǒng)設(shè)計運行的交通規(guī)則如圖 3 1 所示 具體控制是 1 南北車道 B 車道指示直走 同時指示左拐 A 車道紅燈亮 東西車道亮紅 燈 2 南北車道 A B 同時指示直走 編輯版 word 3 南北 B 車道紅燈亮 A 車道指示直走 同時指示左拐 4 南北車道紅燈亮 東西 C 車道指示直走 同時指示左拐 D 車道紅燈亮 5 東西 C D 車道同時指示直走 6 東西 C 車道紅燈亮 D 車道同時指示直走 左拐 如此類推循環(huán)運行 此外 當一車道正在通行時 且此時從機控制系統(tǒng)檢測到該 車道 50 米處還有車輛停滯 則向主機控制系統(tǒng)發(fā)出增加通行時間的信息 實時調(diào)整通 行時間 這樣可以減少車輛堵塞 優(yōu)化道路交通狀況 圖 3 1 交通運行圖 3 23 2 硬件電路設(shè)計硬件電路設(shè)計 3 2 13 2 1 通行時間顯示電路通行時間顯示電路 本系統(tǒng)采用 LED 數(shù)碼管作為時間倒計時顯示器 鑒于實際顯示時間位數(shù) 取兩位 編輯版 word 一體的 LED 數(shù)碼管顯示器 此外 由于控制器端口數(shù)有限 同時也是為了節(jié)約電能 在控制顯示時采取動態(tài)顯示的方式 電路見圖 3 2 其中 段選碼由 AT89C51 單片機 的 圖 3 2 時間顯示屏電路圖 P0 口輸出 位選碼控制由 74LS138 譯碼器的輸出端接反相器后控制 為共陽控制方式 74LS138 的控制電路接線見圖 3 3 所示 74LS138 譯碼器的輸入端 A B C 接單 編輯版 word 圖 3 3 74LS138 電路接線圖 片機的 P3 5 P3 6 P3 7 端口 使能端 E1 接 P3 4 3 2 23 2 2 單片機時鐘電路單片機時鐘電路 AT89C51 單片機的時鐘信號通常用兩種電路形式得到 內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩 方式 在本設(shè)計中 采用內(nèi)部振蕩方式 電路見圖 3 4 所示 單片機引腳 XTAL1 和 圖 3 4 時鐘電路圖 XTAL2 外接晶振 12MHz 構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式 由于單片機內(nèi)部有一個高增益反相放 大器 當外接晶振后 就構(gòu)成了自激振蕩 并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖 電容器 C1 C2 起穩(wěn) 編輯版 word 定振蕩頻率 快速起振作用 3 2 33 2 3 單片機復(fù)位電路單片機復(fù)位電路 本設(shè)計系統(tǒng)的復(fù)位電路見圖 3 5 所示 復(fù)位操作完成單片機內(nèi)電路的初始化 圖 3 5 復(fù)位電路圖 使單片機從一種確定的狀態(tài)開始運行 當 AT89C51 單片機的復(fù)位引腳 RST 出現(xiàn) 5ms 以 上的高電平時 單片機就完成了復(fù)位電路操作 需要注意的是 當復(fù)位端 RST 持續(xù)高 電平的時間過長 單片機就會處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài) 這樣 單片機就無法執(zhí)行程序 因 此 要求單片機復(fù)位后能夠脫離復(fù)位狀態(tài) 本系統(tǒng)的復(fù)位電路采用上電開關(guān)復(fù)位電路 上電后 由于電容充電 使 RST 持續(xù)一段時間 當單片機已經(jīng)在運行時 按下復(fù)位鍵 也能使 RST 持續(xù)一段時間的高電平 從而實現(xiàn)上電開關(guān)復(fù)位的功能 3 2 43 2 4 人行道信號燈控制電路人行道信號燈控制電路 為了節(jié)省控制端口 電路控制采取 74LS373 鎖存器 74LS04 反相器控制 經(jīng)分析 由于人行道信號燈的亮滅狀態(tài)剛好相反 即同一處的信號燈 若亮綠燈 則該處的紅 燈滅 根據(jù)這種狀態(tài)控制方式 故采取上述電路控制 此外 51 單片機的端口可以最 多驅(qū)動 8 個 TTL 電平 所以 在設(shè)計時采取了一個輸出端口 控制鎖存器的兩個數(shù)據(jù) 編輯版 word 輸入端口 以節(jié)省電路控制端口 電路見圖 3 6 所示 圖 3 6 人行道信號燈控制電路圖 3 2 53 2 5 機動車道信號燈控制電路機動車道信號燈控制電路 經(jīng)分析 可以發(fā)現(xiàn)有這么一種狀態(tài) 如果是南北車道通行控制 則東西車道只需 控制紅燈的亮滅 也就是說 每次只需單獨控制十個燈的狀態(tài)即可 為此 南北車道 和東西車道的直走 左拐和黃燈控制可以由同一單片機端口輸出控制信號 外加使能 控制 分時工作即可 這樣 又可減少端口的使用 電路采取兩片 74LS373 鎖存器 鎖存器的 LE 口都接高電平 OE 口則由單片機的 P2 4 和 P2 5 控制 數(shù)據(jù)輸入由 P1 口的 0 1 3 4 5 7 端口輸出 控制電路圖見圖 3 7 所示 編輯版 word 圖 3 7 機動車道信號燈控制電路圖 4 4 軟件系統(tǒng)設(shè)計軟件系統(tǒng)設(shè)計 4 14 1 主機程序流程圖主機程序流程圖 主機程序流程圖如圖 4 1 所示 編輯版 word 系統(tǒng)初始化 南北A車道直行 左拐燈亮 顯示秒倒計時 向從機發(fā)送啟動檢測信號 從機傳輸回有效信號 時間增加20秒 南北A車道直行 左拐時間到 南北A B車道直走燈亮 秒倒計時顯示 向從機發(fā)送檢測信號 從機傳回有效信號 時間增加20秒 南北A B車道直走時間到 東西C車道直行 左拐燈亮 秒倒計時顯示 向從機發(fā)送啟動檢測信號 從機傳輸回有效信號 時間增加20秒 東西C車道直行 左拐時間到 東西C D車道直行 秒倒計時顯示 向從機發(fā)送啟動檢測信號 從機傳回有效信號 時間增加20秒 東西C D車道直行時間到 東西D車道直行 左拐燈亮 秒倒計時顯示 向從機發(fā)送啟動檢測信號 YES YES YES YES YES YES YES YES NO NO NO NO NO NO NO NO 開始 編輯版 word 從機傳回有效信號 時間增加20秒 東西D車道直行 左拐時間到 YES NO YES NO 圖 4 1 主機程序流程圖 4 24 2 C C 語言程序設(shè)計語言程序設(shè)計 4 2 14 2 1 1 1 秒鐘程序設(shè)計秒鐘程序設(shè)計 AT89C51 單片機定時 計數(shù)器有 4 種工作方式 不同的工作方式有不同的特點 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 位自動裝入計 數(shù)初值方式 工作方式 3 是 T0 為 2 個八位方式 定時器工作時必須給計數(shù)器送計數(shù)器初值 這個值是送到 TH 和 TL 中的 它是以 加法記數(shù)的 并能從全 1 到全 0 時自動產(chǎn)生溢出中斷請求 因此 我們可以把計數(shù)器 記滿為零所需的計數(shù)值設(shè)定為 C 和計數(shù)初值設(shè)定為 TC 可得到如下計算通式 TC CM 式中 M 為計數(shù)器摸值 該值和計數(shù)器工作方式有關(guān) 在方式 0 時 M 為 8192 在 方式 1 時 M 的值為 65536 在方式 2 和 3 為 256 計數(shù)TTCMT 編輯版 word T 計數(shù)是單片機時鐘周期 TCLK 的 12 倍 TC 為定時初值 如單片機的主脈沖頻 率為 TCLK 12MHZ 經(jīng)過 12 分頻 方式 0 TMAX 2131us 8 192ms 方式 1 TMAX 2161us 65 536ms 顯然 秒鐘已經(jīng)超過了計數(shù)器的最大定時間 所以設(shè)計時只有采用定時器和軟件 相結(jié)合的辦法才能解決這個問題 本設(shè)計中采用在主程序中設(shè)定一個初值為 20 的軟件計數(shù)器和使 T0 定時 50ms 這 樣每當 T0 到 50ms 時 CPU 就響應(yīng)它的溢出中斷請求 進入他的中斷服務(wù)子程序 在中 斷服務(wù)子程序中 CPU 先使軟件計數(shù)器減 然后判斷它是否為零 為零表示 秒已 到可以返回到輸出時間顯示程序 4 2 24 2 2 LEDLED 數(shù)碼顯示器程序設(shè)計數(shù)碼顯示器程序設(shè)計 LED 數(shù)碼管顯示分為靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種方式 為了節(jié)省控制端口和節(jié)約能 源 系統(tǒng)設(shè)計采取動態(tài)顯示方式 動態(tài)顯示是利用了人的視覺慣性 雖然同一時間里 只能顯示一個 但是 通過不斷地分時輪流掃描顯示 只要每個顯示保持延時幾毫秒 刷新周期不超過 20ms 刷新周期和 LED 工作電流有關(guān) 就可獲得視覺穩(wěn)定的顯示效 果 本系統(tǒng)設(shè)計中有四個二位一體的 LED 數(shù)碼管顯示器顯示交通信號燈通行時間 為 了實現(xiàn)動態(tài)顯示 系統(tǒng)采用 74ls138 譯碼器作為位選端控制輸入 單片機的 P0 口作為 段選碼輸出控制 分時控制顯示時間 顯示時采取倒計時方式顯示 具體編程時將 0 9 數(shù)字段碼的十六進制放在一個一維數(shù)組里 如 uchar code tap 10 0 xC0 0 xF9 0 xA4 0 xB0 0 x99 0X92 0 x82 0 xF8 0 x80 0 x90 此為共陽極 0 9 數(shù)字段碼 在顯示函數(shù) 編輯版 word Show LED 里按動態(tài)顯示 逐一輪流顯示 5 5 系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果分析系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果分析 5 15 1 硬件調(diào)試硬件調(diào)試 電路調(diào)試操作流程 1 短路 開路檢測 電路焊接完成后 為了確保焊接的正確性 必需進行短路 短路的檢測 把萬用 表打到二極管檔 用紅 黑筆接到電路的正負極 檢測電路是否存在短路現(xiàn)象 另外 把萬用表的紅 黑筆分別接到有相連接的回路中 檢測回路中是否存在斷路 虛焊現(xiàn) 象 2 確認電路連接的正確性 把焊接好的電路板和電路原理圖詳細對照 仔細觀察各個連接點是否和電路原理 圖一致 此外 對于電路中元器件的正負極性的連接是否正確 3 檢查系統(tǒng)時鐘電路 凡是單片機系統(tǒng) 正常運行的必要條件是單片機系統(tǒng)的時鐘穩(wěn)定正常 實際中 因為各種原因?qū)е孪到y(tǒng)時鐘不正常而出現(xiàn)系統(tǒng)無法正常運行的情況時有 因此系統(tǒng)時 鐘是否振蕩是通電檢查的首要環(huán)節(jié) 檢查方法如下 通電后 用萬用表的直流電壓檔 20V 分別測量 XTAL1 和 XTAL2 兩引腳的電壓 看是否正常 在調(diào)試過程中 測 得電壓 XTAL1 引腳應(yīng)為 2 05V XTAT2 應(yīng)為 2 15V 4 檢查復(fù)位電路 復(fù)位不正常也會導(dǎo)致系統(tǒng)不能工作 如果復(fù)位引腳始終為高電平 系統(tǒng)將始終處 編輯版 word 于復(fù)位狀態(tài) 如果始終為低電平 不能產(chǎn)生復(fù)位所需的高電平信號脈沖 則系統(tǒng)也可 能無法正常工作 單片機正常工作時 RST 復(fù)位引腳應(yīng)為 0V 5 25 2 軟件調(diào)試和下載軟件調(diào)試和下載 系統(tǒng)軟件軟件調(diào)試采用 Keil C51 軟件 操作界面見圖 5 1 該軟件集編譯 編輯 仿真于一體 支持匯編語言和 C 語言的程序設(shè)計 界面友好 易學易用 C 語言程序的一般操作步驟為 建立一個新項目 保存項目 選擇單片機型號 創(chuàng)建 C 文件 將 C 文件加入項目 輸入 C 語言源程序 設(shè)置輸出文件格式 編譯鏈接 仿真 運行程序等流程 圖 5 1 Kiel C51 操作界面圖 燒錄程序到單片機采用 STC ISP 軟件燒錄 軟件的界面見圖 5 2 所示 操作步驟如 下 選擇單片機型號 Open File 打開文件 找到要燒錄的 HEX 文件 選擇串 行口 最高波特率 Down Load 下載 先點下載按鈕 在單片機上電復(fù)位 冷啟動 對于加載結(jié)果 在界面的左下處可看到 如 已加密 就表示加載成功 編輯版 word 圖 5 2 STC ISP 軟件操作界面圖 5 35 3 結(jié)果分析結(jié)果分析 經(jīng)測試工作 系統(tǒng)能夠正常工作 交通信號燈的狀態(tài)顯示能夠按照設(shè)定的循環(huán)方 式輪流顯示 時間顯示能夠按照設(shè)定的倒計時方式動態(tài)顯示 運行時間及方向次序見 表 5 1 此外 從機收到主機發(fā)送來的啟動檢測信號后 能夠啟動超聲波檢測 且在檢 測到后可以向主機傳輸信號 主機收到有效信號后能夠在不違反交通運行的情況下 實時增加通行時間 20 秒 如在南北 A 車道直行 左拐時間里 在倒計時 18 秒收到從 機傳輸來有效信號時 即增加 20 秒 變?yōu)?38 秒 圖 5 3 和圖 5 4 對比 圖 5 5 和圖 5 6 對比 編輯版 word 表 5 1 運行時間表 通行時間 5S 3S 12S 3S 5S 3S 南北車道A 車道直行 左拐 A 車道左 拐閃爍 A B 車道 直行 A 車道黃 燈閃爍 B 車道直行 左拐 B 車道黃 燈閃爍 東西車道紅燈亮紅燈亮紅燈亮紅燈亮紅燈亮紅燈亮 通行時間 5S 3S 12S 3S 5S 3S 南北車道紅燈亮紅燈亮紅燈亮紅燈亮紅燈亮紅燈亮 東西車道C 車道直行 左拐 C 車道左 拐閃爍 C D 車道 直行 C 車道黃 燈閃爍 D 車道直行 左拐 D 車道黃 燈閃爍 圖 5 3 檢測前運行圖 圖 5 4 檢測后運行圖 圖 5 5 檢測前運行圖 圖 5 6 檢測后運行圖 致謝致謝 本設(shè)計是在彭文娟老師的指導(dǎo)下完成的 彭老師是一位極其負責任的指導(dǎo)老師 編輯版 word 畢業(yè)設(shè)計初期時 就制定了詳細的工作時間表 對于各個階段要完成的設(shè)計任務(wù)都詳 盡列出 而且按時要求完成 期間 多次集中開會 分析指導(dǎo) 提供修改意見 這種 指導(dǎo)方式對于完成電路設(shè)計和論文撰寫非常有效 是一種不可多得的指導(dǎo)方式 為此 對彭老師在畢業(yè)設(shè)計期間提供的悉心指導(dǎo)與幫助表示衷心的感謝 此外 在畢業(yè)設(shè)計完成期間 還得到了其他老師與同學們提供的極具建設(shè)性的意 見與指導(dǎo) 對此一并表示感謝 編輯版 word 參考文獻參考文獻 1 閻石 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) M 北京 高等教育出版社 2006 2 李群芳 張士軍 黃建 單片微型計算機與接口技術(shù) M 電子工業(yè)出版社 2008 3 郁有文 常健 程繼紅 傳感器原理及其工程應(yīng)用 M 西安 西安電子科技大學出版社 2008 4 沈紅衛(wèi) 基于單片機的智能系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) M 北京 電子工業(yè)出版社 2005 5 戴仙金 51 單片機及其 C 語言程序開發(fā)實例 M 北京 清華大學出版社 2008 6 于勇 戴佳 常江 51 單片機 C 語言常用模塊與綜合系統(tǒng)設(shè)計實例精講 M 北京 電子工業(yè)出版 社 2007 7 李航 王可人 基于 STC89C52RC 的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計 J 電子測試 2010 1 55 58 8 朱士虎 何培忠 王立魏 基于 AT89S52 超聲波測距儀設(shè)計 J 儀表技術(shù) 2009 6 22 24 9 蘇小紅 陳惠鵬 孫志崗 C 語言大學實用教程 M 北京 電子工業(yè)出版社 2004 10 齊向東 許志強 于少娟 韓如成 交通信號燈智能控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) J 太原科技大學學報 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 Design of Simulation Control System for 編輯版 word 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 AbstractAbstract 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 KeyKey wordswords Traffic lights Intelligent Single Chip Processor 編輯版 word 編輯版 word 附錄一附錄一 主機系統(tǒng)電路圖主機系統(tǒng)電路圖 編輯版 word 附錄二附錄二 電路源程序電路源程序 智能交通信號燈主機控制系統(tǒng) C 語言程序 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 系統(tǒng)初始化函數(shù) 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 編輯版 word void SendData uchar Dat 發(fā)送函數(shù) 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 串行中斷接收函數(shù) if RI 1 RI 0 uart data SBUF if uart data 0 x55 if Flag 1 SN Timer SN Timer 20 時間增加二十秒 EW Timer EW Timer 20 Flag 1 void T0 Timer interrupt 1 T0 中斷處理函數(shù) count if count 20 count 0 SN Timer 編輯版 word EW Timer TH0 65536 50000 256 TL0 6