智能交通灯控制系统(单片机)毕业论文.doc
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1、 毕业论文毕业论文 智能交通灯控制系统智能交通灯控制系统 年 级 专 业 : 学 生 姓 名 : 学 号 : 指 导 教 师 : 智能交通灯控制系统智能交通灯控制系统 【摘要摘要】 随着经济的飞速发展,车辆越来越多,给道路交通带来巨大的压力。而微控技术同时也在日益完善和发随着经济的飞速发展,车辆越来越多,给道路交通带来巨大的压力。而微控技术同时也在日益完善和发 展,其中单片机的应用越来越成熟。单片机渗透在我们生活的各个领域,几乎很难找到在哪个领域没有单片机的踪迹。展,其中单片机的应用越来越成熟。单片机渗透在我们生活的各个领域,几乎很难找到在哪个领域没有单片机的踪迹。 其广泛应用于家用电器、仪器
2、仪表、航空航天、医用设备、专用设备的过程控制及智能化管理等领域,大大的提高了其广泛应用于家用电器、仪器仪表、航空航天、医用设备、专用设备的过程控制及智能化管理等领域,大大的提高了 这些领域的自动化控制技术水平。这些领域的自动化控制技术水平。 本系统采用本系统采用 80C5180C51 单片机为核心部件,通过单片机为核心部件,通过 ProteusProteus 仿真交通灯的运行。本系统还包括按键及仿真交通灯的运行。本系统还包括按键及 LEDLED 显示部分。系显示部分。系 统除了基本的人行道、右转、直行、左转等交通灯功能外,还具有倒计时显示、紧急情况处理、夜间模式等功能。其统除了基本的人行道、右
3、转、直行、左转等交通灯功能外,还具有倒计时显示、紧急情况处理、夜间模式等功能。其 中红绿灯变换的倒计时是利用七段数码管来显示,按键控制复位、紧急情况及夜间模式的输入。中红绿灯变换的倒计时是利用七段数码管来显示,按键控制复位、紧急情况及夜间模式的输入。 【关键词关键词】 单片机;交通灯;倒计时;单片机;交通灯;倒计时;74HC59574HC595;ProteusProteus 目目 录录 前言 .1 交通灯的历史 .1 红黄绿交通灯的出现 .1 1 方案介绍 3 1.1 四种常规通行状态3 1.2 紧急情况处理功能 4 1.3 保持当前状态的功能 4 1.4 夜间模式4 2 硬件设计 5 2.1
4、 框图设计5 2.2 电路原理图5 2.3 主要器件的应用简介7 2.3.1 80C51 单片机 7 2.3.2 74HC595 .10 2.3.3 CD4511 11 3 软件设计 .13 3.1 主程序流程图.13 3.2 外部中断 0 子程序流程图.14 3.3 显示子程序流程图.15 4 仿真及调试 .16 4.1 仿真软件介绍 .16 4.2 系统总体调试.16 5 部分程序清单 .21 5.1 主程序清单 .21 5.2 外部中断 0 子程序清单 .21 5.3 外部中断 1 子程序清单 .22 致 谢 .24 参考文献 25 1 前言 十字交叉路口车辆穿梭,行人熙攘,人行人道,车
5、行车道,有条不紊。那么交通的井然秩序是靠 什么来实现的呢?靠的是交通信号灯的自动化指挥系统。交通灯一般由红、黄、绿三种颜色灯组合而 成,用来指挥交通。绿灯亮时,允许车辆通行,黄灯亮时,已经越过停止线的车辆可以继续通行;红 灯亮时,禁止该方向所有车辆通行。 交通灯的历史 如今,红绿灯安装在各个车流较多道口上,已然成为了疏导交通车辆最为常见和最为有效的方法。 但早在 19 世纪就已经出现了这一种技术了。 1858 年,在伦敦主要的街头都安装了红、蓝两色的扳手式信号灯,这些信号灯是以燃烧煤气为光 源的,用来指挥马车的通行,这便是世界上最早的指示交通的信号灯。1868 年,在英国伦敦威斯敏斯 特区议会
6、大厦前的广场上,英国机械工程师纳伊特安装了世界上第一个煤气红绿灯。这种煤气红绿灯 由红、绿两块矩形玻璃提灯组成,以旋转式转换红绿灯,红的代表“停止”,绿的代表“注意”。 1869 年,由于煤气灯爆炸,导致警察受伤,因此这种煤油信号灯被取消。 1914 年,美国纽约的一座高塔上安装了用电气启动的红绿信号灯,此种红绿信号灯由红、黄、绿 三种颜色的圆形投光器构成。绿灯亮时,表示允许通行,红灯亮时,表示禁止通行。 1918 年,又出现了两种新型的红绿灯。一种是红外线红绿灯,当有行人踏上感应压力的路面时, 它就能感应到路面有行人即将从马路上通过,此时红外光束能使信号灯的红灯点亮并延长一定的时间, 暂停车
7、辆的通行,以避免交通事故的发生。另一种是带有控制功能的红绿灯,这种带有控制功能的红 绿灯又分为了两种,其中一种是在地下安装了压力传感器,当车辆行近时,压力传感器采到的信号, 此时红灯变为绿灯;另外一种是用声音传感器来启动红绿灯,当司机遇红灯时,按一下喇叭,就使红 灯转变为绿灯。 信号灯的出现,使交通得到有效管制,对于交通流量的疏导、道路通行能力的提高,以及交通事 故的减少有明显效果。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: 绿灯代表通行信号,面对的绿灯亮时,车辆允许右转弯、直行和左转弯,除非在某一个通行转向 上,有另一种禁行标志。其中左右转弯的车辆,都必须让
8、符合规定且正在路口内行驶的车辆,以及还 在人行横道上的行人优先通行; 黄灯表示“警告”,面对黄灯的车辆,已经越过停车线,或者非常接近停车线而又无法及时安全 的将车停止在停车线前的车辆,可以继续通行,除此其他车辆都不得越过停车线; 红灯表示“禁行”,面对红灯的所有车辆必须在交叉路口的停车线前停车。 伴随着科学与经济的发展,交通运输中相继出现了一些传统办法难以解决的问题。道路拥挤的现 象日趋严重,造成的经济损失愈来愈大,并一直保持着大比例的增长。现在的交通系统已经满足不了 经济发展的需求。随着生活水平的提高,人们对交通运输的安全性以及服务水平提出了更高的要求。 在交通管理系统中引入单片机交通灯控制
9、替代交管人员在交叉路口服务,使得交通运输的安全性、交 通管理的服务质量得到很大的提高,并且在一定程度上尽可能的降低了由道路拥挤造成的经济损失, 同时工作人员的劳动强度也得到了减小。 中国车辆数量在不断的增加,在交通管理中,交通控制越来越重要。智能交通灯的管理比重修一 条马路,无论是在经济、交通运行速率上都有更好的效益,更加的节约了资源。使交管人员有更多的 精力和时间投入到整个城市交通控制的管理中,以带来更大的经济和社会效益,为更美好的城市交通 形象的创造发挥更多的作用。 红黄绿交通灯的出现 2 随着各种交通工具的发展,为满足交通指挥的需求,第一盏名副其实的三色(红、黄、绿)交通信 号灯于 19
10、18 年诞生了。它是三色圆形的四面投影器,安装在纽约市五号街的一座高塔上,由于它的诞 生,大大改善了城市交通。 黄色信号灯是我国的胡汝鼎发明者的,当时他怀着“科学救国”的抱负出国深造,后来任职于美 国通用电器公司,这家公司的董事长正是大发明家爱迪生。有一次,胡汝鼎站在红绿灯路口等待通行, 当他看见绿灯亮了,正准备要通过人行道时,突然一辆急转而来的汽车“呼”的一声与他擦身而过, 把他吓出了一身冷汗。回到宿舍后,胡汝鼎反复琢磨,于是想到在红、绿灯之间再加上一个黄灯,以 提醒人们注意危险。他的建议立即得到有关方面的认可。因此红、黄、绿三色信号灯即组成了以一个 完整的指挥信号,遍及于全世界陆、海、空的
11、交通领域。 3 1 方案介绍 目前,国内的交通灯一般设在十字交叉路口,用红、黄、绿三种颜色的指示灯再加上一个显示倒 计时的计时器放置在醒目位置,用来控制行车。我国交通法规也对交通指挥信号灯做出明确的规定: 绿灯亮时,允许该方向上车辆和行人通行,但转弯的车辆必须让直行的车辆以及被放行的行人 优先通行; 黄灯亮时,不准该方向上车辆和行人通行,但已越过停止线的车辆和已进入人行横道的行人, 可以继续通行; 红灯亮时,禁止该方向上所有车辆和行人通行; 绿色箭头灯亮时,所示方向对应车道上的车辆按箭头所示的方向通行; 黄灯闪烁时,车辆行人在确保安全的原则下可以通行。 1.1 四种常规通行状态 交通信号灯的出
12、现,使交通得到了有效的管制,对于交通流量的疏导、道路通行能力的提高和交 通事故的减少有明显效果。按照交通灯控制规则,每个街口有左拐、直行、右拐及行人四种指示灯。 每个指示灯有红、黄、绿三种颜色灯(人行道一般只有红、绿两种颜色灯)。如图 1-1 所示为本设计 的红绿灯规则的状态图。 图 1-1(a)状态 S1 图 1-1(b)状态 S2 图 1-1(c)状态 S3 图 1-1(d)状态 S4 状态 S1:东西走向,车行道直行和人行道均允许通行,时间 15 秒; 状态 S2:东西南北走向车行道右转允许通行,南北走向左转也允许通行,时间 20 秒; 4 状态 S3:南北走向,车行道直行和人行道均允许
13、通行,时间 25 秒; 状态 S4:东西南北走向车行道右转允许通行,东西走向左转也允许通行,时间 20 秒; 说明: 状态 S1 和 S3,车行道只是直行道开放,以确保不会与同时开放的人行道交叉通行,保证行人安 全; 状态 S2 和 S4,在一个时间段中四个方向都可以通车,这种状态能在一定的时间内达到较大的车 流量,效率特别高。 当系统启动时,经初始化后,依次进入状态 S1、S2、S3、S4,然后返回 S1,如图 1-2 所示。 开始 状态 S1 状态 S3状态 S4 状态 S3 图 1-2 状态循环图 1.2 紧急情况处理功能 在十字交通路口常出现的紧急情况,比如有紧急执行任务的车辆通过,若
14、不及时处理将形成不良 隐患。当交道口的行人有紧急情况发生,那么交警可以对信号灯进行手动控制,按下紧急情况处理键, 通过软件使所有红灯亮,控制路口车辆及行人禁行、通行,直至紧急情况结束后再转成常规的自动状 态。从紧急状态恢复到常规状态,又分了两种方式。第一种是自动恢复,即当进入紧急模式时,启用 定时功能,当定时结束时,自动恢复到常规状态;另一种是手动恢复,即只有手动按下恢复命令时, 才恢复到常规状态。本设计,紧急情况处理功能的优先级别高于其他。 1.3 保持当前状态的功能 车辆与行人南来北往,各个路口待通行的车辆和行人的数量,在不同时刻是不一样的。如果能根 据各个路口的实际情况,改变红绿灯显示的
15、时间,那红绿灯口的效率会大大提高。 对此,本设计采用了“保持当前状态”的功能,即当某个路口带通行的车辆比较多时,等红绿灯 转向该路口可以通行的时候,可以按下“保持当前状态”的按钮,此时,红绿灯暂停倒计时,等车辆 过得差不多时,再撤除保持状态,红绿灯恢复倒计时。 1.4 夜间模式 在夜间的时候,由于交通流量变少,此时根据实际情况可以将红绿灯设置成夜间模式,该模式下, 所有路口均闪烁黄灯,此时,车辆和行人,可以根据路面实际情况,安全的通过十字交叉口。进入和 退出夜间模式最好的方式是利用定时器定时,可以根据实际情况设定何时进入与退出夜间模式。由于 这个时间跨度比较长,答辩的时候,不方便演示,本设计将
16、进入和退出夜间模式设计成手动进入和退 出。 5 2 硬件设计 2.1 框图设计 本设计以 80C51 单片机为控制核心,采用模块化设计,主要分以下几个功能模块:单片机控制模 块、键盘模块、状态显示模块及倒计时模块等。 单片机作为整个硬件系统的核心,它既是数据处理器,又是协调整机工作的控制器。它由单片机 复位电路、晶振电路等组成。 本设计显示倒计时的功能是采用双位数码管,显示数字范围为十进制的 0099,十六进制的 00FF。 在交通比较特殊的情况下,可以通过按键对交通灯进行控制。 交通灯控制的框图如图 2-1 所示,主要有晶振电路、复位电路、电源电路、控制电路、显示电路 及功能按键等电路组成。
17、 单片机 80C51 红绿灯 驱 动倒计时 功能键 装置 电 源 晶振电路 复位电路 图 2-1 系统总体设计框图 2.2 电路原理图 控制部分如图 2-2 所示。 所有功能键,除复位按键外,都是通过外部中断来通知单片机的,其中除夜间模式是用外部中断 1,其余的通过与门,连接到外部中断 0。一旦有中断请求,如果是外部中断 1 的话,就直接响应夜间 模式;如果是外部中断 0,进入中断程序后,再判断是哪个功能键按下,然后转去执行相应的功能。 74HC595 是用于扩展单片机的引脚,串行输入,并行输出,74HC595 还可以无限级联,可以解决单片 机引脚不够用的问题。 6 图 2-2 电路原理图控制
18、部分 显示部分如图 2-3 所示。 图 2-3 电路原理图显示部分 7 2.3 主要器件的应用简介 2.3.1 80C51 单片机 单片机是一种集成在电路的芯片,是采用超大规模集成电路技术将具有数据处理能力的中央处理 器 CPU、只读存储器 ROM、随机存储器 RAM、定时器/计时器、多种 I/O 口和中断系统等功能(可能 还包括显示驱动电路、A/D 转换器等电路、PWM 电路、模拟多路转换器)集成在一块硅片上,构成 一个体积小而功能完善的计算机系统。单片机又叫单片微型控制器,它不是单纯完成某一逻辑功 能的硅芯片,而是把一个 计算机系统 采用超大规模集成电路技术集成在一块芯片上,相当于一台 微
19、型计算机,只是同计算机相比,单片机 缺少了 I/O 设备。总的来说,一块单片机芯片就构成 了一台计算机 ,它不仅体积小、质量轻 而且价格便宜,这些优势使得在单片机的 学习、应用和 开发方面,都非常便利。 如今单片机已渗透到人们生活的各个领域,没有单片机踪迹的领域几乎很难找到:计算机的数据 传输与网络通讯;交通工具上各类仪表的控制;飞机、导弹使用的导航装置;随处可见的各类智能 IC 卡;工业和自动化过程的实时控制和数据处理;摄像机;录像机;全自动智能洗衣机;小轿车安全保 障系统;以及电子遥控玩具等,这些都离不了单片机,更不用说自动控制领域的智能仪表、机器人、 医疗器械等各种智能机械了。因此,单片
20、机的学习、开发及应用将造就一批计算机应用和智能化控制 的科学家、工程师。 单片机的种类有很多,其中 51 系列单片机的功能越来越强大,然而价格却越来越便宜,不同型号 的单片机集成了不同的功能,有些 I/O 口带有 AD 转换的功能,有些内部含有 EEPROM,有些内部有 独立的波特率发生器,还有些内部程序运行速度比传统单片机高几倍不同型号的 51 系列单片机, 内部功能不一样,价格也不一样,然而基于本设计,使用传统的 51 单片机即已满足所需要的功能,故 本设计选用了 80C51 单片机。 80C51 单片机除包含中央处理器外,还包含定时/计数器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM) 、
21、串行接口、并行接口和中断系统等几大单元及地址总线、数据总线和控制总线,如图 2-4 所示。现 在我们分别加以说明: 图 2-4 单片机 8051 的内部结构 1.中央处理器: 中央处理器即 CPU,是整个单片机的核心部件,是 8 位数据宽度的处理器,能同时处理 8 位二进 制数据及代码,CPU 负责调度、指挥和控制整个单元系统的工作,完成数据运算和控制数据读入输出 功能等操作。 2.定时/计数器: 80C51 有两个可编程的 16 位定时/计数器,通过定时或者计数,使寄存器溢出产生中断,从而控 制程序执行的方向。 3.程序存储器: 80C51 总共有 4KB 的 ROM,用于存放程序、原始数据
22、和表格。 4.数据存储器: 8 80C51 内部有 128 字节的专用寄存器和 128 字节的用户数据存储单元,它们是统一编址的,其中 专用寄存器只能用于存放控制指令数据,用户只能访问专用寄存器,而不能用于存储用户数据,所以, 用户能使用的 RAM 其实只有 128 字节,这 128 字节的 RAM 可用于存储读写的数据、运算产生的中 间结果和用户定义的字型表。 5.串行通信口: 80C51 内部有一个全双工串行通信口,用来跟其它设备之间进行串行通信,这个全双工串行口既 可以当同步移位寄存器使用,也可以用作异步通信收发器。 6.并行 I/O 口: 80C51 总共有 4 组 8 位并行 I/O
23、 口(P0、P1、P2 和 P3),用于与外设互相传输数据。 7.中断系统: 80C51 有着比较完善的中断系统,包括两个外部中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断,这 些中断具有 2 级的优先级别可供选择,可根据不同的控制要求到相应的控制寄存器进行设置。 8.时钟电路: 80C51 内部有一个时钟电路,用以产生单片机运行时的脉冲时序,它内置了最高频率可达 12MHz 的晶振电路,但 80C51 单片机在工作时,需要外加振荡电容。外部时钟电路如图 2-5 所示。 图 2-5 时钟电路 9.80C51 的引脚说明: 9 如图 2-6 所示,80C51 采用 40Pin 封装的双列直接 DIP
24、结构,在 40 个引脚中,正电源和地线两根, 外置石英振荡器的时钟线两根,4 组 8 位共 32 个 I/O 口,中断口线与 P3 口线复用。现在我们对这些 引脚的功能加以说明: 图 2-6 单片机的引脚图 P0 口:口:P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 口,它是一个多功能口,用作分时多路转换地址 (低 8 位)和数据总线。在没有外部存储器时,P0 口作为并行 I/O 口使用,但必须外接上拉电阻。它 能驱动 8 个 TTL 门电路。 P1 口:口:P1 口是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。P1 口 常作为通用的 I/O 口,输出缓 冲器能带动 4 个 TTL 门电路
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