单片机控制交通灯的设计大学生.doc
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1、单片机控制交通灯的设计 - 1 - 单片机控制交通灯的设计单片机控制交通灯的设计 摘要摘要 交通控制系统是近现代社会随着物流、出行等交通发展产生的一套独特的 公共管理系统。要保证高效安全的交通秩序,除了制定一系列的交通规则,还 必须通过一定的科技手段加以实现。本文在对目前交通控制进行深入分析的基 础上,运用检测传感、实时调整智能化控制的实现技术,将传感器监测、实时 调整车辆通行时间的算法与单片机控制作用相结合,提出了基于单片机的交通 控制系统设计方案。 8051 单片机的交通灯控制系统由 8051 单片机、交通灯显示、LED 倒计时、 车流量检测及调整、违规检测、紧急处理、时间模式手动设置等模
2、块组成。系 统除基本交通灯功能外,还具有通行时间手动设置、可倒计时显示、急车强行 通过、车流量检测及调整、交通异常状况判别及处理等相关功能。理论证明该 系统能够简单、经济、有效地疏导交通,提高交通路口的通行能力。 本设计主要做了如下几方面的工作:一是确定系统交通控制的总体设计,包 括,十字路口具体的通行禁行方案设计以及系统应拥有的各项功能,二是进行 传感器的硬件电路、显示电路等的设计和基本功能要求。 关键词:关键词:交通灯 单片机 MSC-51 计时 单片机控制交通灯的设计 - 2 - ABSTRACT Traffic control system is a modern society wi
3、th logistics, travel etc of traffic development a unique set of public management system. To ensure the effective safety traffic, except for a series of traffic rules, still must through certain technological means to achieve. Based on analysis of traffic control, based on real-time detection sensor
4、, adjust the implementation technology of intelligent control, real-time monitoring, sensor adjust vehicles time algorithm and single-chip microcomputer control function is proposed, which combines the traffic control system based on single chip design scheme. This design mainly do the following asp
5、ects: one is the work of the traffic control system design, including the crossroads, specific design and system should be restricted with each function, two is that the sensor, the hardware circuit design of the circuit and the basic function and requirement. Keywords: traffic light SCM MSC-51 timi
6、ng 单片机控制交通灯的设计 - 3 - 目录目录 摘 要 1 ABSTRACT .2 绪论 .5 第一章 交通灯的背景 .6 1.1 交通灯的背景 .6 1.1.1 交通灯的历史 6 1.1.3 交通控制存在的问题 7 1.1.4 交通灯的功能与作用 7 1.1.5 用单片机控制交通灯的优点 8 1.2 单片机简介 .8 1.2.1 单片机的概述 8 1.2.2 单片机的发展历程 8 1.2.3 单片机的内部结构图 9 第二章 单片机控制交通系统总体设计 .10 2.1 单片机交通控制系统通行方案设计 .10 2.2 交通控制的工作原理 .12 2.3 单片机交通控制系统的基本构成及原理 .
7、15 第三章 系统硬件的设计15 3.1 系统硬件的总电路构成及原理 .15 单片机控制交通灯的设计 - 4 - 3.1.1 系统硬件电路构成 16 3.1.2 系统工作原理 16 3.1.3 AT89S51 芯片内部结构简介17 3.1.4 主要引脚功能 19 3.2 交通灯软件的设计 .20 3.2.1 相应程序的代码 21 3.2.3 交通控制的程序 23 第四章 实验平台 .24 4.1 实验平台 .24 4.2 实验步骤 .25 致谢 .29 参考文献 .30 单片机控制交通灯的设计 - 5 - 绪论绪论 今天,红绿灯安装在各个道口上,已经成为疏导交通车辆最常见和最有效 的手段。但这
8、一技术在 19 世纪就已出现了。 1858 年,在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红,蓝两色的机械 扳手式信号灯,用以指挥马车通行。这是世界上最早的交通信号灯。1868 年, 英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上,安装了世 界上最早的煤气红绿灯。它由红绿两块以旋转式方形玻璃提灯组成,红色表示 “停止” ,绿色表示“注意” 。1869 年 1 月 2 日,煤气灯爆炸,使警察受伤,遂 被取消。 1914 年,电气启动的红绿灯出现在美国。这种红绿灯由红绿黄三色圆形的 投光器组成,安装在纽约市 5 号大街的一座高塔上。红灯亮表示“停止” ,绿灯 亮表示“通行” 。 1918
9、 年,又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。带控制的红绿灯,一 种是把压力探测器安在地下,当车辆接近时,红灯便变为绿灯;另一种是用扩音 器来启动红绿灯,司机遇红灯时按一下喇叭,就使红灯变为绿灯。红外线红绿 灯当行人踏上对压力敏感的路面时,它就能察觉到有人要过马路。红外光束能 把信号灯的红灯延长一段时间,推迟汽车放行,以免发生交通事故。 信号灯的出现,使交通得以有效管制,对于疏导交通流量、提高道路通行 能力,减少交通事故有明显效果。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,除非另一种标志禁止某一种转向。左
10、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行。红灯是禁行 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。 随着经济的发展,交通运输中出现了一些传统方法难以解决的问题。道路 拥挤现象日趋严重,造成的经济损失越来越大,并一直保持大比例的增长。现 在交通系统已不能满足经济发展的需求。由于生活水平的提高,人们对交通运 输的安全性及服务水平提出了更高的要求。在交通中管理引入单片机交通灯控 制代替交管人员在交叉路口服务,有助于提高交通运输的安全性、提高交通管 理的服务质
11、量。并在一定程度上尽可能的降低由道路拥挤造成的经济损失,同 单片机控制交通灯的设计 - 6 - 时也减小了工作人员的劳动强度。 中国车辆数量不断增加,交通控制在未来的交通管理中起着越来越重要的 作用。智能交通灯的管理比重修一条马路无论在经济、交通运行速率上都有很 好的效益、更加节约资源。使交管人员有更多的精力投入到管理整个城市交通 控制,带来更大的经济和社会效益,为创造美好的城市交通形象发挥更多的作用。 第一章第一章 交通灯的背景交通灯的背景 1.1 交通灯的背景交通灯的背景 1.1.1 交通灯的历史交通灯的历史 19 世纪初,在英国中部的约克城,红、绿装分别代表女性的不同身份。其 中,着红装
12、的女人表示我已结婚,而着绿装的女人则是未婚者。后来,英国伦 敦议会大厦前经常发生马车轧人的事故,于是人们受到红绿装启发,1868 年 12 月 10 日,信号灯家族的第一个成员就在伦敦议会大厦的广场上诞生了,由当时 英国机械师德哈特设计、制造的灯柱高 7 米,身上挂着一盏红、绿两色的提 灯-煤气交通信号灯,这是城市街道的第一盏信号灯。在灯的脚下,一名手持 长杆的警察随心所欲地牵动皮带转换提灯的颜色。后来在信号灯的中心装上煤 气灯罩 ,它的前面有两块红、绿玻璃交替遮挡。不幸的是只面世 23 天的煤气 灯突然爆炸自灭,使一位正在值勤的警察也因此断送了性命。 1.1.31.1.3 交通控制存在的问题
13、交通控制存在的问题 我国城市交通运输的现状和存在的问题,借鉴国外城市交通管理的先进经 验,强调建立城市交通管理体制的重要性,提出加强城市交通研究的交通规划, 建立稳定的交通基础设施建设的资金出道,实行公交优先政策,建立先进的交 通信息系统等对策。 随着城市机动车增长速度的加快。1994 年卧轨城市机动车保有量已接近 500 完辆。20 世纪 90 年代以来,经济的发展加快,从 1985 年到 1995 年,机动 车增长率达 13%左右,近几年更是增多。 然而,在此同时,城市道路建设规模也在加大,我国城市普遍存在道路密 单片机控制交通灯的设计 - 7 - 度,道路面积率偏低的问题,这是我国城市哟
14、其是大城市有机的一个重要原因。 我国城市道路的密度只有 6.8km 每平方千米,而在 20 世纪 80 年代,世界发达 国家就已到达 20km 每平方千米。20 世纪 90 年代,我国部分城市道路面积率, 北京为 5.9%,上海为 6.4%,而国外东京为 13.8%,巴黎为 25%,普遍高于我国。 近几年,国家虽不断加大城市道路建设的力度,但仍赶不上车辆的增长速度, 且与世界其他国家相比,差距仍很大。 1.1.41.1.4 交通灯的功能与作用交通灯的功能与作用 信号灯的出现,使交通得以有效管制,对于疏导交通流量、提高道路通行 能力,减少交通事故有明显效果。1968 年,联合国道路交通和道路标志
15、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行。红灯是禁行 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。 通常,单片机由单块集成电路芯片构成,内部包含有计算机的基本功能部 件:中央处理器、存储器和 I/O 接口电路等。因此,单片机只需要和适当的软 件及外部设备相结合,便可成为一个单片机控制系统。 1.1.51.1.5 用单片机控制交
16、通灯的优点用单片机控制交通灯的优点 1.2 单片机简介单片机简介 1.2.1 单片机的概述单片机的概述 单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支,也是颇具生命力的机种。 单片机微型计算机简称单片机,特别适用于控制领域,故又称为微控制器。 通常,单片机由单块集成电路芯片构成,内部包含有计算机的基本功能部 件:中央处理器、存储器和 I/O 接口电路等。因此,单片机只需要和适当的软 件及外部设备相结合,便可成为一个单片机控制系统。 单片机经过 1、2、3、3 代的发展,目前单片机正朝着高性能和多品种方向 发展,它们的 CPU 功能在增强,内部资源在增多,引角的多功能化,以及低电 压底功耗。 单片机
17、控制交通灯的设计 - 8 - 1.2.2 单片机的发展历程单片机的发展历程 单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支,也是颇具生命力的机种。 单片机微型计算机简称单片机,特别适用于控制领域,故又称为微控制器。 在 MCS-51 系列单片机中,有两个子系列:51 子系列和 52 子系列。每个 子系列有诺干中型号。51 系列有 8051、8751 和 8031 三个型号,后来经过改进 产生了 80c51、87c51、80c31 三个型号;52 系列有 5021、8752、8032 三个型 号,改进后的型号是 80c52/87c52、80c32。改进后的型号更加省电。52 系列比 对应的 51 系
18、列增加了定时器 T2 并将内部程序存贮器增加到 8KB。Inter 公司停 止生产 MCS-51 系列单片机之后将生产权转让给了许多其他公司,于是出现了许 多与 Mcs-51 兼容的单片机。现在生产 mcs-51 兼容单片机的公司对其进行了不 同程度的改进和提高。我们现在使用比较的多的是 AT89C51/AT89S51 等。 1.2.3 单片机的内部结构图单片机的内部结构图 图 1.1 单片机的内部结构图 单片机控制交通灯的设计 - 9 - 除去图中的存储电路和,I/O 部件剩下的是 CPU,它可以分为运算器和控制 器两部分。运算器功能部件包括算术逻辑运算单元 ALU、累加器 ACC、寄存器
19、B、暂存寄存器 TMP1、TMP2、程序状态字寄存器 PSW 等。控制器功能部件包括 程序计数器 PC、指令寄存器 IR、指令译码器 ID、定时控制逻辑电路 CU、数据 指针寄存器 DPTR、堆栈指针 SP 及时钟电路等。 第二章第二章 单片机控制交通灯的总体设计单片机控制交通灯的总体设计 2.1 单片机交通控制系统通行方案设计单片机交通控制系统通行方案设计 2.1.1 单片机控制交通系统通行方案设计单片机控制交通系统通行方案设计 设在十字路口,分为东西向和南北向,在任一时刻只有一个方向通行,另 一方向禁行,持续一定时间,经过短暂的过渡时间,将通行禁行方向对换。其 具体状态如下图所示。说明:黑
20、色表示亮,白色表示灭。交通状态从状态 1 开 始变换,直至状态 6 然后循环至状态 1,周而复始,即如图 2.1 所示: 图 2.1 交通状态 单片机控制交通灯的设计 - 10 - 通过具体的路口交通灯状态的演示分析我们可以把这四个状态归纳如 下: 东西方向红灯灭,同时绿灯亮,南北方向黄灯灭,同时红灯亮,倒计时 20 秒。此状态下,东西向禁止通行,南北向允许通行。 东西方向绿灯灭,同时黄灯亮,南北方向红灯亮,倒计时 2 秒。此状态 下,除了已经正在通行中的其他所以车辆都需等待状态转换。 南北方向红灯灭,同时绿灯亮,东西方向黄灯灭,同时红灯亮,倒计时 20 秒。此状态下,东西向允许通行,南北向禁
21、止通行。 南北方向绿灯灭,同时黄灯亮,东西方向红灯亮,倒计时 2 秒。此状态 下,除了已经正在通行中的其他所以车辆都需等待状态转换。 下面我们可以用图表表示灯状态和行止状态的关系如下: 表 2.1 交通状态及红绿灯状态 东西南北四个路口均有红绿黄 3 灯和数码显示管 2 个,在任一个路口,遇 红灯禁止通行,转绿灯允许通行,之后黄灯亮警告行止状态将变换。状态及红 绿灯状态如表 2.1 所示。说明:0 表示灭,1 表示亮。 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
22、 南北绿灯 1000 南北黄灯 0100 单片机控制交通灯的设计 - 11 - 2.2 交通灯控制工作原理交通灯控制工作原理 总开关闭合,交通灯开始工作。南北黄灯亮,东西红灯亮,延迟 20 秒;然 后,南北绿灯亮,东西红灯亮,延迟 4 分钟;南北绿灯闪,亮十秒,灭十秒, 循环 3 次,再南北绿灯灭,红灯亮; 南北通行结束,东西开始运行。东西黄灯亮,南北红灯亮,延迟 20 秒; 东西绿灯亮,南北黄灯亮,延迟 4 分钟; 东西绿灯闪,亮十秒,灭十秒,循环 3 次,东西绿灯灭,红灯亮; 按上述状态从开始依次循环。 2.2.1 输入输出控制信号的配置输入输出控制信号的配置 1输入:总开关 S0 P1.
23、0 . 当总开关 S0 闭合,P1.0=1;反之,开关 S0 断开,P1.0=0 2 输出;南北黄灯 P1.1,当 P1.1=1 时南北黄灯亮,P1.1=0 时南北黄灯 灭。 单片机控制交通灯的设计 - 12 - 南北红灯 P1.2,当 P1.2=1 时南北红灯亮,P1.2=0 时南北红灯灭。 南北绿灯 P1.3,当 P1.3=1 时南北绿灯亮,P1.3=0 时南北绿灯灭。 东西黄灯 P1.4,当 P1.4=1 时东西黄灯亮,P1.4=0 时东西黄灯灭。 东西红灯 P1.5,当 P1.5=1 时东西红灯亮,P1.4=0 时东西红灯灭。 东西绿灯 P1.6,当 P1.6=1 时东西绿灯亮,P1.
24、6=0 时东西绿灯灭。 (南北通行,东西禁行) 单片机控制交通灯的设计 - 13 - (南北禁行,东西通行) 2.3 单片机交通控制系统的基本构成及原理单片机交通控制系统的基本构成及原理 单片机设计交通灯控制系统,可用单片机直接控制信号灯的状态变化,基 本上可以指挥交通的具体通行,当然,接入 LED 数码管就可以显示倒计时以提 醒行使者,更具人性化。本系统在此基础上,加入了违规检测电路和车流量检 测电路为单片机采集数据,单片机对此进行具体处理,及时调整控制指挥,为 了超越视觉指挥的局限性,同时接上蜂鸣器,在听觉上加强了指挥提醒作用。 单片机 红黄绿信号灯 8 级 LED 数码管显示 车流量传感
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