基于车流量的智能交通灯控制系统的设计毕业设计2Word格式.docx
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1.2课题研究的背景1
1.3课题研究的主要内容2
1.4课题研究方案2
1.5课题研究的意义5
第2章单元电路设计6
2.1单片机概述6
2.2光电开关概述10
2.3ULN2003芯片简介12
2.4七段数码管13
2.5电源电路设计14
2.6系统设计15
第3章程序设计17
3.1软件可靠性设计17
3.2主程序流程图18
3.3中断程序流程图19
3.4汇编程序设计19
第4章系统仿真与调试24
4.1系统仿真24
4.2系统调试29
第5章PCB制作30
5.1PCB布局规则设置30
5.2PCB布线规则设置31
5.3转印32
5.4蚀刻32
5.5元器件的安装与焊接33
总结35
参考文献36
致谢37
附录I系统总的原理图38
附录IIPCB顶层版图39
附录IIIPCB底层版图40
附录IV元器件清单41
第1章绪论
1.1交通灯控制系统的发展
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。
由红绿两以旋转式方形玻璃提灯组成，红色表示停止，绿色表示注意。
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，装在纽约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，车辆一接近红灯便变为绿灯；
另一种是用扩音器来启动红绿灯，司机遇红灯时按一下嗽叭，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。
1.2课题研究的背景
随着城市机动车的不断增加，许多大城市出现了交通超负荷运行的情况。
因此，自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。
然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制。
高速道路没有充分发挥出预期的作用。
而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。
所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路。
缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。
目前，国内大部分中小城市仍采用传统的交通灯控制模式，但随着城市的不断发展，基于车流量的智能交通灯控制系统必将受到广大人民的青睐。
传统的交通信号灯，通常采用定时分配方式控制，主要存在三方面的缺陷：
（1）车道放行车辆时，十字路口经常出现不同相位上车辆放行时问相同，车辆多的一方容易出现车辆堆积，造成下一路口的交通阻塞；
（2）当某相位上无车时，恰好是该相位上的车辆通行时间，则在这段时间内，就出现了交通指挥盲点；
（3）当一路口车流量很大时，不能够自动延长口的绿灯时间，导致在一个周期内此路口的车辆不能完全通过。
为了更好的解决上述问题，本系统利用传感器检测车流量状态，用单片机AT89C51对路口车流量进行统计，并执行相应的处理程序，来实现智能交通灯控制系统，达到了根据车流量大小实时控制路口的通行情况。
该交通系统的设计具有结构简单、可靠性高、成本低、实时性好、安装维护方便等优点，具有广泛的应用前景。
1.3课题研究的主要内容
本课题研究的内容有如下几个方面：
（1）基于车流量的智能交通灯控制系统的工作原理
（2）基于车流量的智能交通灯控制系统的硬件设计（3）车流量检测原理及其硬件电路设计（4）基于车流量的智能交通灯控制系统的程序设计。
1.4课题研究方案
1.4.1系统总体方案
通过对课题研究内容的理解，并考虑系统的性价比，得到系统的总体方案。
图1.1系统方框图
1.4.2车流量检测方案
方案一：
采用遥感微波检测器RTMS。
微波交通检测器是利用雷达线性调频技术原理，通过发射中心频率为10525GHz或24200GHz的连续频率调制微波FMCW；
在检测路面上，投映一个宽度为34米，长度为64米的微波带。
每当车辆通过这个微波投映区时，都会向RTMS反射一个微波信号，RTMS接收反射的微波信号，并计算接收频率和时间的变化参数以得出车辆的速度及长度，提供车流量、道路占有率、速度和车型等实时信息为了检测出车道上车的数量，RTMS在微波束的发射方向上以2M为一个层面分展探测物体，微波束在15度范围内投影形成一个分为32个十层面的椭圆形波束，椭圆的宽度仪器选择的工作方式，通过这种方式可检测出车量数RTMS具有两种基本的使用模式，分别是路边侧向模式和前方正向模式。
路边侧向模式可以使用一台RTMS同时检测多至8条车道，并提供每条车道的交通信息。
前方正向模式，用一台RTMS实时检测一条单一车道的交通情况。
RTMS的精度高，是一个全天候的车辆检测器。
方案二：
采用磁感应车辆检测器.这种环形线圈检测器是传统的交通检测器，是目前世界上用量最大的一种检测设备。
这些埋设在道路表面下的线圈可以检测到车辆通过时的电磁变化进而精确地算出交通流量。
交通流量是交通统计和交通规划的基本数据，通过这些检测结果可以用来计算占用率表征交通密度，在使用双线圈模式时还可以提供速度、车辆行驶方向、车型分类等数据，这些数据对于交通管理和统计是极为重要的。
原理方框图如下：
图1.2磁检测器方框图
该方案测量精度较好，且性能稳定。
方案三：
利用红外线车辆检测器。
红外线车辆检测器是利用被检测物对光束的遮挡或反射，通过同步回路检测物体有无。
物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。
光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。
如当汽车通过光扫描区域时，部分或全部光束被遮挡，从而实现对车辆数据的综合检测。
红外线车辆扫描系统提供了车辆轮廓扫描的解决方案，并提供车辆分离信号，同时还能够检测挂钩是否存在及其位置，由于光学产品的高速响应，当车速低于100公里/小时，系统可对车辆间距03米车辆实现可靠的分离检测并抓取车辆轮廓数据，当车速低于200公里/小时，对车辆间距06米的车辆实现可靠的分离检测并抓取轮廓数据，系统可自动分类超过100种车型，车辆自动分类的准确率超过99％。
常利用光电开关技术成熟，高速响应，可输出丰富的车辆数据信息，能可靠检测各种特殊车辆。
抗干扰性强，不受恶劣气象条件或物体颜色的影响安装简便。
方案一造价高，且易受环境影响，方案二需将检测器埋入地底下，对已建成道路使用不方便。
方案三性价比高，且设计简单，权衡利弊，故选用方案三。
1.4.3主控制器选择
方案一采用数字电路设计。
通过译码器，计数器，以及555定时器等组成一个交通灯控制系统，虽然易于实现，但由于涉及的集成数字芯片较多，且不便于实现车流量检测信号的输入，故很难完成系统设计任务。
采用AT89C51单片机作为主控制器。
AT89C51具有两个16位定时器/计数器，5个中断源，便于对车流量进行定时中断检测。
32根I/O线，使其具有足够的I/O口驱动数码管及交通灯。
外部存贮器寻址范围ROM、RAM64K，便于系统扩展。
其T0，T1口可以对外部脉冲进行实时计数操作，故可以方便实现车流量检测信号的输入。
单片机具有功耗小、速度快、价格低等优点，且编程简单，故选用方案二。
1.4.4显示方案选择
该系统要求完成倒计时、状态灯等显示功能。
基于上述原因，我们考虑了三种方案：
方案一完全采用数码管显示。
这种方案只显示有限的符号和数码字符，无法胜任题目要求。
完全采用点阵式LED显示。
这种方案实现复杂且须完成大量的软件工作；
但功能强大，可方便的显示各种英文字符，汉字，图形等。
采用数码管与点阵LED相结合的方法因为设计既要求倒计时数字输出，又要求有状态灯输出等，为方便观看并考虑到现实情况，用数码管与LED灯分别显示时间及状态信息。
这种方案既满足系统功能要求，又减少了系统实现的复杂度。
权衡利弊，第三种方案可互补一二方案的优缺，我们决定采用方案三以实现系统的显示功能。
1.5课题研究的意义
本文设计的交通信号控制系统既可以用在单个路口实现独立的智能交通控制功能，也可以多个单路口系统组建网络实现一个区域或者一个城市的交通协调。
本系统组网时需要传输的数据量较小，便于组成网络结构和远距离信息传输。
所组成的网络结构简单，易于维护，运行稳定。
对基于车流量的智能交通灯控制系统进行设计目的在于对所学知识的综合运用，将理论知识与实际应用相结合。
基于车流量的智能交通灯控制系统设计意义重大，特别在人口密度集中的中国，它起着更重要的作用。
最直接的作用是改善车辆的堵塞状况，减少车辆的等待时间，增加单位时间内的通行量，从而解决交通拥挤的问题。
另外的社会经济效益是：
减少交通事故的发生率、人员的死亡率；
推动相关产业的发展，增加就业岗位，促进社会经济的健康发展；
减少能源消耗量，降低环境污染程度。
此设计尤其适合中、小城市的十字路口交通控制，具有安装简单，使用方便，价格实惠等优点，毫无疑问有广泛的应用前景。
第2章单元电路设计
2.1单片机概述
2.1.1单片机发展
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、3三代发展，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，以及低电压功耗。
2.1.2AT89C51单片机简介
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM―FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100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。
AT89C51的内部结构图如下：
图2.1AT89C51内部结构图
AT89C51单片机包含中央处理器、程序存储器ROM、数据存储器RAM、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在分别加以说明：
1中央处理器：
中央处理器CPU是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。
2数据存储器RAM
89C51内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。
3程序存储器ROM：
89C51共有4KB掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。
4定时/计数器ROM：
89C51有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。
5并行输入输出I/O口：
89C51共有4组8位I/O口P0、P1、P2P3，用于对外部数据的传输。
6全双工串行口：
89C51内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。
7中断系统：
89C51具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。
8时钟电路：
89C51内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但851单片机需外置振荡电容。
单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛Harvard结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿Princeton结构。
INTEL的MCS-51系列单片机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品16位的MCS-96系列单片机则采用普林斯顿结构。
AT89C51单片机的引脚说明：
MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，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。
其常用封装形势如下：
图2.2DIP封装图2.3PQFP/TQFP封装
引脚说明：
Pin9：
RESET/Vpd复位信号复用脚，当89C51通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。
初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指针写入07H，其它专用寄存器被清0”。
RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。
然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态，89C51的初始态。
89C51的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，如图2.4。
此外，RESET/Vpd还是一复用脚，Vcc掉电期间，此脚可接备用电源，以保证其内部RAM的数据不丢失[1]。
图2.4两种复位电路
Pin30：
AE/当访问外部程序器时，ALE地址锁存的输出用于锁存地址的低位字节。
而访问内部程序存储器时，ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。
更有一个特点，当访问外部程序存储器，ALE会跳过一个脉冲。
如果单片机是EPROM，在编程其间，将用于输入编程脉冲。
Pin29：
当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令数据放到P0口上，由CPU读入并执行。
Pin31：
EA/Vpp程序存储器的内外部选通线，89C51内置有4kB的程序存储器，当EA为高电平并且程序地址小于4kB时，读取内部程序存储器指令数据，而超过4kB地址则读取外部指令数据。
如EA为低电平，则不管地址大小，一律读取外部程序存储器指令。
显然，对内部无程序存储器的8031EA端必须接地。
在编程时，EA/Vpp脚还需加上21V的编程电压[2]。
2.2光电开关概述
2.2.1光电开关的工作原理
光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。
其工作原理图如下：
图2.5光电开关工作原理简图
发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来于半导体光源，发光二极管LED、激光二极管及红外发射二极管。
光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。
接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。
在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。
在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。
2.2.2光电开关的分类
光电开关按检测方式可分为反射式、对射式和镜面反射式三种类型。
对射式检测距离远，可检测半透明物体的密度（透光度）。
反射式的工作距离被限定在光束的交点附近，以避免背景影响。
镜面反射式的反射距离较远，适宜作远距离检测，也可检测透明或半透明物体。
表2.1给出了光电开关的检测分类方式及特点说明。
表2.1光电开关的按检测方式分类表
光电开关按结构可分为放大器分离型、放大器内藏型和电源内藏型三种。
放大器分离型是将放大器与传感器分离，并采用专用集成电路和混合安装工艺制成，由于传感器具有超小型和多品种的特点，而放大器的功能较多。
因此，该类型采用端子台连接方式，并可交、直流电源通用。
具有接通和断开两种延时功能，兼有接点和电平两种输出方式。
放大器内藏型是将放大器与传感器一体化，采用专用集成电路和表面安装工艺制成，使用直流电源工作。
其响应速度快有0.1ms和1ms两种，能检测狭小和高速运动的物体。
兼有电压和电流两种输出方式，能防止相互干扰，在系统安装中十分方便。
电源内藏型是将放大器、传感器与电源装置一体化，采用专用集成电路和表面安装工艺制成，它一般使用交流电源，适用于在生产现场取代接触式行程开关。
可直接用于强电控制电路，也可自行设置自诊断稳定工作区指示灯，输出备有SSR固态继电器或继电器常开、常闭接点，可防止相互干扰。
2.2.3光电开关的应用
随着我国工业自动化技术的迅速发展，光电开关自动化元件将被普遍采用。
应用领域也在不断扩展，采用集成电路技术和SMT表面安装工艺而制造的新一代光电开关器件，具有延时、展宽、外同步、抗相互干扰、可靠性高、工作区域稳定和自诊断等智能化功能。
这种新颖的光电开关是一种采用脉冲调制的主动式光电探测系统型电子开关，它所使用的冷光源有红外光、红色光、绿色光和蓝色光等，可非接触、无损伤地检测和控制各种固体。
新型光电开关具有体积小、功能多、寿命长、精度高、响应速度快检测距离远以及抗光、电、磁干扰能力强等优点。
目前，这种新型的光电开关已被用作物位检测、液位控制、产品计数、宽度判别、速度检测、定长剪切、孔洞识别、信号延时、自动门传感、色标检出、冲床和剪切机以及安全防护等诸多领域。
在本系统中，采用对射式红外线光电开关HJS18-M14DNK检测车流量。
HJS18-M14DNK工作电压为直流10-30V，检测距离为10m，响应时间小于3ms,能在-25℃～55℃的温度条件下正常工作。
当有车辆通过光电开关之间时，输出端将输出一个开关信号，送入单片机，单片机执行相应程序自动对输入信号进行计数，从而完成对车流量的统计。
2.3ULN2003芯片简介
2.3.1ULN2003概述
ULN2003高耐压、大电流内部由七个硅NPN达林顿管组成的驱动芯片。
它的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。
ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以高负载电流并行运行[6]。
2.3.2ULN2003的内部结构
ULN2003的内部结构方框图如下：
图2.6ULN2003内部结构图
ULN2003经常应用于显示驱动、继电器驱动、照明灯驱动、电磁阀驱动
伺服电机、步进电机驱动等电路中。
2.4七段数码管
数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。
分段式数码由分布在同一平面上若干段发光的笔画组成，如半导体显示器。
其基本结构是PN结，即用发光二极管（LED）组成字型来来显示数字。
这种数码管的每个线段都是一个发光二极管，因此也称LED数码管或LED七段显示器。
共阳数码管（如图2.7）在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。
当某一字段
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