毕业设计(论文)-基于单片机的交通灯模拟控制设计.doc
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1、SHANDONG 毕业设计说明书 基于单片机的交通灯模拟控制设计基于单片机的交通灯模拟控制设计 学 院: 理学院 专 业: 光信息科学与技术 学生姓名: 学 号: 指导教师: 2012 年 6 月 摘 要 I 摘要摘要 现代交通中交通灯作为一个组成部分是非常重要的,好的交通灯设计系统 对城市有至关重要的影响,它可大大提升城市交通运输效率,降低事故发生率。 该设计的控制系统我选用单片机,原因是考虑到了单片机的通用性和廉价性, 在此基础上再扩展设计基本的外围电路,利用 C 语言编写程序代码,然后利用 KEIL 生成可用文件,再利用 Proteus 进行仿真设计。目前存在很多单独功能的 设计,所以我
2、的工作重点是将各个功能程序的有机结合及各功能电路的整体连 接使这些独自的设计能整合在一起并正常运行,仿真成功后即可进行实物设计。 本系统除了可实现最基本的交通灯功能以外,还设计了高低峰分时段控制方案 从而可应对不同时段的不同交通状况,城市的交通车流量往往能够在早晚时段 达到最大,分时控制对于提高城市的交通效率有非常重要的作用。 关键词:关键词: 单片机;交通灯;模拟控制;倒计时 ABSTRACT II Abstract Traffic lights as an integral part of Modern transportation is very important, a good tr
3、affic light design system has a crucial impact on the city ,it can greatly enhance the efficiency of urban transport and can reduce the accident rate. I chose to use the microcontroller as the control system in this design for taking into account the versatility and affordability of the microcontrol
4、ler. On this basis, we expanded to design a basic peripheral circuits, using C language code and then use KEIL to generated available files, using the Proteus to make simulation design. There are many individual features of the design currently, so my focus is to combine various functional program a
5、nd connect each functional circuit together. Only on this way they could run well. If the simulation is successfully made, we can make a physical design. In addition to basic traffic lights, we also designed the control program of high and low peak time periods in order to respond to different perio
6、ds of different traffic conditions, the citys traffic often reaches the maximum in the morning and evening hours, time-sharing control for improving the transport efficiency of the city has a very important role. Keyword: Microcontroller; Traffic lights; Analog control; Countdown 目录 III 目录目录 摘要摘要I I
7、 ABSTRACTABSTRACTIIII 目录目录IIIIII 第一章第一章 概述概述1 1 1.1 课题的目的意义1 1.2 国内外研制状况1 1.3 任务要求2 第二章第二章 设计方案分类及选择设计方案分类及选择3 3 2.1 基于 CPLD 法交通灯设计.3 2.2 基于 PLC 法交通灯设计3 2.3 基于单片法交通设计4 2.4 中规模数字集成电路法4 第三章第三章 硬件系统设计硬件系统设计7 7 3.1 设计思路及硬件框图.7 3.2 单片机最小系统8 3.3 倒计时显示电路.11 3.4 LED 指示电路 12 3.5 强通强断电路14 3.6 4.5V 稳压工作电源 14 第
8、四章第四章 软件设计软件设计1 15 5 4.1 主程序流程图.15 4.2 子程序框图(中断程序).16 第五章第五章 系统仿真与调试系统仿真与调试1 17 7 5.1 PROTEUS系统仿真17 5.2 仿真结果.18 5.3 测试及结果分析.19 第六章第六章 总结总结2 20 0 致谢致谢2121 参考文献参考文献2222 附录附录2424 第一章 概述 - 1 - 第一章第一章 概述概述 1.11.1 课题的目的意义课题的目的意义 交通灯控制系统的出现是人类发展历史上的一次重大进步,对人类的聚居 生活,产生了重要而深远的影响,它使交通得以有效管制。对于交通流量的疏 导,道路通行能力的
9、提升,交通事故的减少具有显著效果。交通灯主要采用超 高亮度红、绿、黄色 LED 灯, 这因为采用 LED 信号灯既可靠性高又节能,所 以在全国范围内,它使得交通信号灯正在得以快速更替,也因此市场需求量很 大,具有很好的市场机会。 目前我国经济迅速发展,汽车数量也迅速上增,城市道路日渐拥挤,交通 拥塞已发展成为一个国际性的问题。在这种境况下,当前的主要任务便是能够 开发出真正适合我国自身特点的智能信号灯控制系统。交通控制工程的重要研 究课题之一便是对交叉口实行科学的管理与控制,这是保障交叉口的交通安全 和充分发挥交叉口良好通行能力的重要措施,是解决城市交通运输问题的最有 效途径。所以,设计和完善
10、我国现有的交通灯控制系统已成为当务之急。 1.21.2 国内外研制状况国内外研制状况 目前交通灯的设计方案有很多。有应用 CPLD 设计实现交通信号灯控制器 方法、有应用 PLC 实现对交通灯控制系统的设计、有应用单片机实现对交通信 号灯设计的方法。目前,国内的交通灯设计一般是在十字路处的醒目位置用红、 绿、黄 3 个三种颜色的指示灯,再加上一个显示倒计时的计时器模块来控制车 行。对于一般情况下的行车安全,车辆分流具有重大作用,但根据实际行车过 程中出现的情况,还存在以下缺点: (1)两车道的车辆轮流放行时间不应该或不应一直相同,在十字路口,经常 在某些时刻一个车道车辆较多设为主干道,放行时间
11、应该长些;另一车道车辆 较少为副干道,放行时间应该短些。 (2)两条干道的红绿时间不能随时间的改变而修改。 针对这些问题,国内外经长时间的课题研究设计发展了智能交通灯,并且国 外智能交通灯的发展已相当成熟。 第一章 概述 - 2 - 图1-1 交通灯示意图 1.31.3 任务要求任务要求 目前随着单片机技术的飞速发展,目前广泛采用的方法是利用单片机技术 对交通灯进行智能化管理。本设计就是采用 AT89S52 单片机以及其它芯片和外 围功能电路来设计交通灯控制器,实现了根据实际车流量分时段控制红、绿灯 点亮的功能,以及倒计时现实的功能。具体功能说明如下: (1): 基本功能(主功能)。选用 AT
12、89S52 单片机来实现,交通信号灯控 制器件的外部输出信号为东西两个方向通行红、黄、绿灯共 6 个驱动信号;编 程使得十字路口的红、绿灯交替点亮;在两个方向通行交换时,黄灯提醒。用 八段数码管器件作为时间显示。 (2): 紧急状况。在发生突发事件的时候启动紧急状态,全部红灯亮。这 种状态主要适用于例如救护车,军车执行任务时候使用。 (3): 分时段控制,基于一天中存在有得时间端南北和东西车流量差别较 大,放行时间应有区别,所以设计控制电路。 第二章 设计方案及分类 - 3 - 第二章第二章 设计方案分类及选择设计方案分类及选择 2.12.1 基于基于 CPLDCPLD 法交通灯设计法交通灯设
13、计 基于 CPLD 芯片进行十字路口的交通灯的控制,是用 CPLD 作为交通灯控 制系统的主控芯片,采用 VHDL 语言编写控制程序。CPLD 具有的可重复编程和 在动态系统的重构特性,对于数字系统设计的灵活性和通用性具有重大的提高, 但它的处理复杂,造价较高。 红、绿、黄灯 主控制器 定时计数器 置数器译码器显示器 特殊情况 红、绿、黄灯 图2-1 CPLD法交通灯控制系统 2.22.2 基于基于 PLC 法交通灯设计法交通灯设计 PLC 可编程序控制器是以微处理器为基础,综合了计算机技术,自动控制 技术和通讯技术发展而来的,具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点。但 造价较高,适用于复杂大
14、面积网络应用。 输 入 接 口 部 件 中央处理单元 CPU 板 电源部件 输 出 接 口 部 件 现场信号 受控单元 图2-2 PLC法交通灯控制系统 第二章 设计方案分类及选择 - 4 - 2.32.3 基于单片法交通设计基于单片法交通设计 近年来随着科技的飞速发展,单片机的应用正不断深入,同时带动传统检 测控制技术日益更新,在实时检测和自动控制的单片机应用系统中它往往作为 核心部件来使用,利用单片机设计交通灯具有设计周期短、可靠性强、操作简 单、维护方便、扩展功能强等优点。 急停按键 重启按键 AT89S52 单片机 锁存电路 指 示 灯 电 路 倒 计 时 显 示 电 路 图2-3 单
15、片机法交通灯系统 2.42.4 中规模数字集成电路法中规模数字集成电路法 利用中规模数字集成电路实现:交通灯定时控制器的原理框图:由状态控 制器、状态译码器、减法计数器、秒信号发生器等组成。 信号发生器 主干道信号灯 状态译码器 状态控制器 译码,显示 减法计数器 置数控制 支干道信号灯 红灯闪烁控 制 图 2-4 中规模数字集成电路 状态控制器主要用于记录十字路口交通灯的工作状态,通过状态译码器分 别点亮相应状态的信号灯。秒信号发生器产生整个定时系统的时基脉冲,通过 减法计数器实现减计数,控制每一种工作状态的持续时间。减法计数器的回零 脉冲使状态控制器完成状态转换,同时状态译码器根据系统下一
16、个工作状态决 第二章 设计方案分类及选择 - 5 - 定减法计数器下一次减计数的初始值。减法计数器的状态由 BCD 译码器译码、 数码管显示。在黄灯亮期间,状态译码器将秒脉冲引入红灯闪烁控制电路,红 灯闪烁。 方案选择及设计: 本设计在实现相应功能的时候主要是考虑到现有的条件及应用范围,采用 高度成熟的 AT89S52 单片机作为 CPU 的解决方案,同时采用用性能优良的 LED 灯和双位数码管作为显示模块,软件则使用了移植性好的 C 语言进行编程。 从现实功能需求上来看,已经可以满足实际需要。单片机作为已经发展了 30 多 年的成熟产品,虽然很多优势正在逐渐弱化,让位于更加先进的芯片系统。但
17、 是它作为一个成熟的设计方案还是在很多领域能够发挥重大作用的。因此我选 择方案四作为设计方向,并做出了如下工作。 现规定如下状态: (1):基本状态。S1:南北方向车辆通行,东西方向、南左转到西、北左 转到东、西左转北、东左转南禁行,东西方向人行道通行、南北方向人行道禁 行。 S2:东西方向车辆通行,南北方向、南左转到西、北左转到东、西左转北、 东左转南禁行,南北方向人行道通行、东西方向人行道禁行。 S3:南左转西、北左转东车辆通行,南北方向、东西方向、西左转北、东 左转南车辆禁行,南北方向、东西方向人行道禁行。 S4:西左转北、东左转南车辆通行,南北方向、东西方向、南左转西、北 左转东车辆禁
18、行,南北方向、东西方向人行道禁行。 (2):故障或紧急状态。分别用黄、红、绿色灯的不同组合来表示。设计 有紧急车辆通过时,全部道强制全红灯,紧急事件状态。 (3):高低峰分时管理机制:本设计为提升交通灯系统效率,设置了高低峰分 时管理机制。高低峰分时定义如下: 高峰时段:8 点到 10 点,一般为上班上学出行的高峰期,18 点到 20 点, 一般为下班放学出行高峰期,此时主干道车流量高于次干道的车流量; 低峰时段:除高峰时段的其他时段。 在高峰时段,采取增加主干道绿灯通行时间,减少次干道绿灯通行时间以 最大限度的通过车辆。 在低峰时段,采取减少主干道绿灯通行时间,增加次干道绿灯通行时间以 平衡
19、通过车辆。 第二章 设计方案分类及选择 - 6 - 高低峰时段状态如表 2-1 所示。 表2-1 高低峰时段状态表 S1S2S3S4 低峰时 段 高峰时 段 南北向车行道绿 灯时长 20s 南北向车行道绿 灯时长 25s 东西向车行道绿 灯时长 15s 东西向车行道绿 灯时长 10s 南左转西,北转 东绿灯时长 10s 南左转西,北转 东绿灯时长 10s 东左转南,西 左转北绿灯时 长 10s 东左转南,西 左转北绿灯时 长 10s 在高低峰两个时段中,全部车行道绿灯的总和都为 55 秒,即相位都为 55s。 状态转换图如图 2-5 所示。 图2-5 状态转化图 第三章 硬件系统设计 - 7
20、- 第三章第三章 硬件系统设计硬件系统设计 3.13.1 设计思路及硬件框图设计思路及硬件框图 本设计采用了两组红、绿、黄三个不同的发光二极管分别代表东西和南北 两个方向的交通指示灯,运用 AT89S52 单片机的 P2 口驱动来控制两组发光二 极管的亮与灭,在软件程序中对 P2 口进行相应设置就可实现控制东西或南北方 向的指示状态,本设计对十字路口状态预分为两种,一种是正常状态,另一种 是故障或紧急状态,分别用黄、红、绿色灯的不同组合来表示。倒计时显示电 路通过设置单片机的定时器 T0 口的初始值来产生一秒钟的延时,然后利用循环 的方式产生通行时间和剩余等待时间,控制交通信号灯来控制路口的通
21、行时间; 软件程序中采用外部中断请求方式来实现急车强通功能;倒计时显示电路采用 串行口驱动显示,利用八段数码管器件产生时间显示;为了充分利用单片机控 制灵活的优点,发挥它的优势功能,可根据不同时段通行量来调节通行时间, 从而提高通行效率,此外还设置了急车强通功能。 选用 AT89S52 单片机来实现基本功能,交通信号灯的控制器件的外部输出 信号为东西和南北四个方向通行红、黄、绿灯共 6 个驱动信号;编程使相应位 置实现信号灯的亮/灭控制,使得十字路口的红、绿灯按需交替点亮;当两个通 行方向交换时,黄灯闪烁提醒。设当有紧急车辆通过时,强制所有红灯临时行 点亮,待紧急车辆通过后恢复。我们可以通过软
22、件中断控制来完成此设计,定 义单片机的 INT0 和 INT1 端口的中断为下降沿触发,编写对应中断向量子程序 和中断服务程序,完成该中断处理。 设计中这些功能主要是依赖在硬件电路基础上结合软件程序来实现,是要 靠程序的设计来完成预定功能的设定。在程序设计中涉及的倒计时精确定时, 应该用计数器加以控制,这样会使硬件实现复杂度增加。但考虑到该设计对时 间精确度要求不高,所以可采用软件延时的方法来实现,这将大大简化电路。 首先计算出程序单步执行的时间,然后设置循环参数从而完成程序定时控制。 整个设计以 AT89S52 单片机为核心,由 LED 指示灯电路、数码管显示电 路、晶振电路、复位电路等组成
23、。如图 3-1 第三章 硬件系统设计 - 8 - 图3-1 交通灯控制方框图 3.23.2 单片机最小系统单片机最小系统 单片机是由运算器、控制器、存储器、输入设备以及输出设备工五个基部 分组成的。单片机是把包括运算器、控制器、少量的存储器、最基本的输入输 出口电路、串行口电路、中断和定时电路等都集成在一个尺寸有限的芯片上。 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,单片机只需要和适合
24、的软 件及外部设备相结合, 一个单片机控制系统。 单片机经过 1、2、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,引脚的多功能化,以及低电压低功耗。本设计应用 AT89S52 单片机, 下面具体说明。 AT89S52 引脚图如 3-2-1 所示: P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 RST 9 P3.0 10 P3.1 11 P3.2 12 P3.3 13 P3.4 14 P3.5 15 P3.6 16 P3.7 17 XTAL1 18 XTAL2 19 GND
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- 毕业设计 论文 基于 单片机 交通灯 模拟 控制 设计
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