电子线路设计交通灯控制系统.doc
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1、 交通灯控制系统的设计与制作摘 要:道路交通信号灯是交通安全产品中的一个类别,是为了加强道路交通管理,减少交通事故的发生,提高道路使用效率,改善交通状况的一种重要工具。适用于十字、丁字等交叉路口,由道路交通信号控制机控制,指导车辆和行人安全有序地通行。近年来随着科技的飞速发展,单片机的应用正在不断深入,同时带动传统控制技术日益更新。本文将介绍一种基于单片机控制的交通信号灯的自动指挥系统。交通信号灯控制方式很多。本系统采用MSC-51系列单片机AT89C51和芯片74LS245为中心器件来设计交通灯控制系统。本系统性能稳定,功能完善,实用性强。Abstract: Road traffic lig
2、hts is a safety product categories, is to enhance road traffic management and reduce the occurrence of traffic accidents and enhance road use efficiency and improve the traffic conditions of an important tool. Applicable to cross, such as T-intersection, from road traffic signal control machine cont
3、rol, guidance of vehicles and pedestrian traffic safety in an orderly manner. In recent years, with the rapid development of science and technology, the application of SCM is at the same time, increasingly driven to update the traditional control technology. This article will introduce a single-chip
4、 microcomputer-based control of the automatic traffic signal control system. Many traffic lights control. The system uses MSC-51 series single-chip and chip AT89C51 devices to 74LS245-centric design of the traffic light control system. Stable performance of the system, functional, practical. 目 录引 言1
5、第1章 方案选择及总体设计111方案选择112 总体设计2121 系统构成2121功能概述2第2章 系统硬件设计32. 1单片机简介2.1.1 单片机的发展历程22.1.2 单片机的特点:32.1.3 AT89C51单片机简介422交通灯四种通行模式及行车方向指示323各功能模块硬件设计及实现5231行人通行指示及其实现5232主次干道独立控制功能6233倒计时计数功能及其实现6第3章 系统软件设计731 软件总体流程图7第4章 系统调试分析及结果1041 电路板实物的制作10411 印刷电路板PCB图的绘制10412 实物的制作1142 系统硬件调试1343 系统软件调试1344 系统总体调
6、试13第5章 心得体会16参考文献15附录:16附录一:元件清单16附录二:原理图与仿真图17附录三:程序清单1826引 言当今世界,红绿灯已经被安装在各个道口上,已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段。但这一现象在19世纪就已出现了,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
7、,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第1部分 方案选择及总体设计11方案选择能实现此电路的方法很多,我们根据实际将范围定在以下几个比较切合我们的方案中。第一种方案:采用数字电子技术实现。用基本的555芯片(利用单稳态实现定时),计数芯片(如74LS163,74LS160等)完成计时功能,控制电路芯片,译码芯片(如74LS138)等基本芯片,结合电阻,电容等基本元件,通过逻辑电路实现交通灯的功能。 第二种方案:使用单片可编程来实现交通灯的功能。利用单片机的外围扩展,显示电路构成基本硬件。然后编程实现对定时,控制,显示电路的控制,然后调试,完
8、成设计。 结合实际情况,根据毕业设计任务书的要求,我们经过讨论和论证,最终一致选用第二种方案的设计思路对交通灯控制系统进行设计。12 总体设计121 系统构成整个系统的构成以AT89C51单片机为核心,由I/O口扩展,LED数码管显示,紧急情况中断电路还有复位电路等组成。单片机作为整个硬件系统的核心,它既是协调整机工作的控制器,又是数据处理器。它由单片机、时钟电路、复位电路等组成。行车方向指示采用LED发光二极管,可有红、绿两种颜色指示放行与禁止,黄灯作为红绿转换的提示,形象直观。行人通行指示也同样采用LED发光二极管,用红、绿两种颜色指示放行与禁止,黄灯作为红绿转换的提示,形象直观,简洁明了
9、,更方便控制。按键控制台,可供警察在室内实时监视交通状况。通过按键可设置紧急情况发生时的交通灯状态控制人机界面非常友好。系统采用双数码管倒计时计数功能,最大显示数字99。友好的人机界面、灵活的控制方式、优化的物理结构以及丰富的功能是本设计的亮点。整个硬件电路组成模块如图1;AT89C51单片机I/0口扩展LED数码管显示复位电路图1-1.系统硬件构成模块121功能概述本设计由中断系统、单片机、LED数码显示模块和按键等构成。单片机是集成的IC芯片AT89C51单片机,只需根据实际选型。其他部分都需要根据应用要求和性能指标自行设计。LED数码显示电路复 位 电 路AT89C51单 片 机电源稳压
10、控制电路键盘控制电路交通灯控制电路程序运行指示电路硬件总体框图第2部分 系统硬件设计2.1单片机简介2.1.1 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5
11、1系列增加了定时器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。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
12、的多功能化,以及低电压底功耗2.1.2 单片机的特点:(1)性价比高,开发周期短,易于产品化,(2)集成度高,可靠性好,抗干扰性强,(3)功能完善,接口多样,(4)低功耗、低电压一般电源供电电压在53V范围内单片机都能正常工作,供电的下限可达12V。(5)总线多样,易于扩展单片机外部的典型三总线结构,方便系统构扩展,构成各种规模的应用系统。外部总线增加了I2C及SPI等串行总线方式, 可根据需要进行并行或者串行扩展。2.1.3 AT89C51单片机简介AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器(FPEROMFlash Programmable and Erasable Read
13、Only Memory)的低电压、高性能CMOS 8位微处理器,俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。主要特性:与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命:1000写/擦循环 数据保留时间:10
14、年全静态工作:0Hz-24MHz三级程序存储器锁定1288位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路22交通灯四种通行模式及行车方向指示按交通灯控制规则,每个街口有左拐、右拐、直行及行人四种指示灯。每个灯有红、绿两种颜色灯。交道口模型如图21所示:北 南东西图2 交通指挥灯示意图绿 黄红绿黄红红黄绿绿红黄4组LED数码管按照设置的通行时间(各路口默认的通行时间均为1分钟)进行倒计时,并各自进行红、绿灯显示,共有四种通行方式,分别为: 系统工作方式:1. 现实系统提示符“P”2. 按S2键启动交通灯控制器。主通道首先放
15、行,绿灯亮55秒后,黄灯开始亮2秒,接着黄灯闪烁3次,每次一秒,接着红灯亮,主通道停止放行;次通道开始放行,绿灯亮25秒后,黄灯开始亮2秒,接着黄灯闪烁3次,每次一秒,次通道停止放行;依次循环。3. 时间在显示器上显示出来。4. 按S4键复位。一般主干道通行时间要比次干道要长一些,可以根据实际情况进行调整,以提高车辆通过率,缓减交通压力。本设计选用LED发光二极管的红绿灯状态用来指示左右拐、直行等交通指示信息。绿色表示通行,红色则表示禁止通行。中间绿色灯亮,表示直行,两边红色灯亮,表示禁止通行;左边绿色灯亮,表示左拐弯;其他红色灯亮则表示禁止通行和右拐弯。所有指示信息一目了然。实物流程图:(L
16、ED均显示南北干道闪亮时间)1: 30东西干道 红灯南北道绿灯 (主干道绿灯亮55秒,次干道红灯亮(55秒)2: 4南北干道黄灯黄灯东西干道 红灯(主干道黄灯亮2秒再闪烁3秒 次干道亮红灯)3: 54东西干道绿灯南北道红灯(次干道 绿灯亮25秒 主干道亮红灯)23各功能模块硬件设计及实现231行人通行指示及其实现人行道的通行采用红绿两种颜色的发光二极管来指示,其中多加了一个黄灯作为提示红绿转换的提示标志。按规则,南北车辆直行的时间也就是东西路口行人通行的时间。所以,在该时刻南北直行的指示灯和东西路口人行道上的指示灯的点亮情况应该是一致的。在现实中,人行道的状态切换是用该信号指示灯闪烁来提示红绿
17、状态的切换的。但是在我们这个设计中,我们认为直接再加一个黄色信号灯来提示红绿状态的转换效果会更加明了。当然,相应地要考虑到单片机的带载能力了。 黄色信号灯的发明者是我国的胡汝鼎,他怀着“科学救国”的抱负到美国深造,在大发明家爱迪生为董事长的美国通用电器公司任职员。一天,他站在繁华的十字路口等待绿灯信号,当他看到红灯而正要过去时,一辆转弯的汽车呼地一声擦身而过,吓了他一身冷汗。回到宿舍,他反复琢磨,终于想到在红、绿灯中间再加上一个黄色信号灯,提醒人们注意危险。他的建议立即得到有关方面的肯定。于是红、黄、绿三色信号灯即以一个完整的指挥信号家族,遍及全世界陆、海、空交通领域了。 我们的视网膜含有杆状
18、和三种锥状感光细胞,。杆状细胞对黄色的光特别敏感,三种锥状细胞则分别对红光、绿光及蓝光最敏感。由于这种视觉结构,人最容易分辨红色与绿色。虽然黄色与蓝色也容易分辨,但因为眼球,对蓝光敏感的感光细胞较少,所以分辨颜色,还是以红、绿色为佳。所以,交通灯用什么颜色也是有大学问的。232主次干道独立控制功能当主干道方向的车辆过多发生堵塞, 而次干道方向车辆却很稀少时,正常的信号灯时序将会使交通状况更加恶化。本设计添加了主次干道独立控制功能,交警可按需求控制任意路口的通行,该措施可在一定程度缓减短暂的交通压力。233倒计时计数功能及其实现本系统使用数码管完成倒计时显示功能。以南北方向为例,数码管显示的数值
19、从绿灯的设置时间最大值往下减,每秒钟减1,一直减到0。然后又从红灯的设置时间最大值往下减,一直减到0。接下来又显示绿灯时间,如此循环。系统共有4 个二位的LED 数码管,分别放置在模拟交通灯控制板上的四个路口。因为相同直线方向上的数码管应该显示同样的内容,所以我们可以把它们同样对待。也就是说各个方向的数码管个位(把数码管第二位定义为个位,第一位定义为十位)用一根信号线控制,十位用另一根信号线控制。这里采用动态显示。考虑到单片机的P1口驱动数码管七位段码的能力,我们利用一片74LS245芯片来作为数码管的位驱动芯片。经实验证明,该8路同相三态双向总线收发器芯片的驱动能力完全可以满足本设计的显示要
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