基于单片机的智能交通灯控制系统设计与实现.docx

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基于单片机的智能交通灯控制系统设计与实现

 

基于单片机的智能交通灯控制系统设计与实现

 

一.选题背景

当今社会,科技不断的发展,作为微控技术其中一部分的单片机也紧跟着脚步,正在迅速发展,普遍运用到了人们生活的各个领域。

它的出现使传统的控制技术发生了本质上的转变。

可以说单片机的创造对于以往的控制技术来说就像是一场革命。

无论在日常生活中,还是在工业领域的自动化控制,电子领域的数据收集等等,都能看到单片机存在的身影,在微控领域占据了极高的地位。

所以单片机的开发应用是高科技领域的一个里程碑。

所以我们有必要更加深入掌握有关单片机的知识以及其应用技术。

本文正是运用单片机来制作一个模拟的智能交通灯,通过此交通灯来智能控制十字路口的交通,有效、科学的控制引导过往的车辆和人流。

[1]

1本设计的目的及意义

本设计的目的是制作一个比较符合实际情况,价格低廉而不乏性能的交通灯智能操控系统。

通过对现在的交通灯的了解和研究,本人打算使用红外线检测传感、根据实际情景来改变智能化控制的技术。

系统除了一般的交通灯的功能之外,还可以通过检测十字路口车的数量的多少来控制红绿灯时间的改变。

不仅如此,除了自动控制红绿灯的变化之外,在紧急的特殊情况下,还可以手动的变换红绿灯来使一些特殊的车辆快速通过交通路口等。

总的来说,本设计意义有如下4个方面:

(a)用单片机这个完善的控制系统在交通灯应用的这个方面来实现与运用。

(b)从人性话的角度来设计交通灯。

(c)探究全新的交通灯管理系统。

(d)通过红外线传感器来检测车流量,以达到自动调整红绿灯时间的功能。

这次除了运用单片机,还运用了可编程并行输入输出接口芯片当作中心件来完成交通灯控制器的设计,对交通十字路口路口进行管理。

通过单片机来控制硬件电路,进行现实情况的模拟,实现红绿灯之间的转换,使之按次序点亮。

通过LED数码管来显示倒计时的时间,红绿灯采用红、黄、绿3种发光二极管来显示,而特殊紧急车辆的通过通过实时中断来实现。

用红外线作为检测车流量的方法,根据车流量的多少来智能的计算倒计时时间。

2本设计应解决的主要问题

本设计将设计并制作一个智能交通灯控制系统。

设计的内容是:

A、熟练掌握单片机的用法与最小系统的搭建。

B、完成智能交通灯控制系统的硬件与软件设计。

C、应具有智能判断车流量功能。

D、应具有根据车流量智能设定红绿灯时间功能。

E、在制作的单片机系统上实现所设计的功能,并完成演示。

F、其他可扩展功能。

目前,限制单片机智能交通灯设计的因素主要有以下两个:

a、根据各道路路口车流量的大小自动调节通行时间,因为这个问题就关系到了通过运用什么技术来检测。

正常情况下车流量检测器通过传感器加单片机,再加上一些其他器件来运行。

考虑到整体情况,本人这次用红外线来检测车流量。

b、考虑特殊车辆通行情况,设计紧急切换开关。

例如消防车、救护车、警车等等,遇到这些紧急情况的话就要考虑到这些车辆的迅速通行,因为这都是性命攸关的时刻,所以设计紧急切换开关是必须的。

而这个紧急切换开关就关系到了程序的设计,这个问题的实现难度对于本人来讲也是一项挑战。

二.方案介绍

1设计原理

本设计所用的部件包括以下这几样:

STC89C52RC单片机及其最小系统,除此之外,还有74HC245的驱动电路和外围的按键和用来看数字的数码管,通过这些来完成本人的这次毕业设计。

在一定的时间内增加车辆安全通过的数量和质量。

而且在车流量密集的时候通过系统的设定来改变主次干道的通过车辆的时间,减少交通密集和堵塞现象。

除此之外,针对紧急特殊情况,系统还具备了紧急处理按钮,通过这些按钮可以让一些如警车、救火车、救护车等快速通过,提高对特殊紧急状况的应变能力。

通过单片机来掌控交通灯的运行,可以让单片机改变信号灯的轮流点亮,能满足一般情况下的车辆运行,当然,接入LED数码管就能够显示倒计时以提醒行使者,更具人性化。

这次设计在这样基础之上,单片机控制系统对这种情况进行了全面的整改,按实际情况掌控并指挥交通的运作。

系统总体框图如图2.1所示:

键盘设置部分可以对模式进行选择,智能时间出现问题时还可以对时间进行人工调整,当系统开始正常运行时,在调整交通灯的正常运作显示的时候,还将相对应的时间数字灌输到数码管上,通过数码管展现出来。

与此同时,还应该时刻能够检查违规的车辆和具有突发的按键处理,实现应对紧急情况处理的目的。

急停按钮以及违法检验立即调用中断。

图2.1系统的总体框图

根据这种情况,此次设计把单片机作为根本,以按键部分和红外接受模块部分作为输入,交通灯显示模块和数码管通过驱动电路进行输出。

系统的总体框图如图2.1所示。

2方案选择

a、控制器方案

作为交通智能控制的中心,控制器的选择十分重要。

方案一:

用FPGA进行控制。

方案二:

用PLC进行控制。

方案三:

51系列单片机,这是一种较为实用的系统。

经过各方面的综合因素考虑。

上面的3种控制方案都能够漂亮的实现智能交通灯的运行,虽然PLC以及FPGA进行操作的时候比较容易,但是它们的价格确实昂贵的。

而本人的这次设计选的是方案三(51系列单片机),因为它不但能够完成智能通交通灯的控制,而且它的性能也非常好,价格也很便宜,是个非常好的选择。

所以本人选择了用的比较常用的89C52单片机当作控制器。

b、供电方案

为了能够让交通灯在正常的状态下运作,应该有一个稳定的电源。

本人的这次设计想到了两种电源方案:

方案一:

使用相对稳定的外接电源。

这个方案的好处是性能比较稳定安全,并且还有各种相对完美的电路;缺陷是每一个部分都使用独立的电源,令系统变得更加复杂,并且有几率改变电路电平。

方案二:

通过单片机控制模块进行电源的供给。

优势是系统比较简单,省资金;缺陷是输出的功率低,导致电路不稳定。

综合考虑到了本设计的情况,本人采用了第一套方案。

c、显示界面方案

这次设计的运用到了倒计时和红绿灯等显示。

本人想到了以下几个方案:

方案一:

全部通过数码管来显示。

但是这样只能实现部分符号和数字,并不能实现全部功能。

方案二:

全部通过点阵式LED显示。

缺点是这种方案比较复杂,而且程序比较难;但是功能全面,基本上能实现所需的功能。

方案三:

通过数码管和点阵LED一起显示。

从实际状况等各方面综合因素考虑,本人选用方案三数码管与LED灯一起来显示时间与状态灯。

这个方案不但实现了全部需求,实现起来又比较简单。

d、输入方案

根据实际情况,本人想到了两种方案:

方案一:

使用8155扩展输入输出口以及键盘、显示等。

这种方案的优势是:

比较灵活,而且含有RAM和计数器。

若用该方案,可提供较多I/O口,但操作起来稍显复杂。

方案二:

通过在输入输出口线上接上按钮开关。

该方案优势是:

编程比较容易,使用起来比较方便,而且成本更加低。

缺点就是功能有限。

从各方面因素考虑之后,本人使用方案二来实现输入。

3分析问题

我们假设设在一个十字路口上,分别有东西南北四个方向,在任意时候只可以让其中一个方向的车辆通过,另外一个方向禁止通过,经过一定时间后,将两个方向互换。

说明:

黑色代表灯亮,白色代表灯灭。

一开始红绿灯的状态如下图(a),然后到(b)、(c)、(d),最后按照这个顺序重复循环,交通状态如图2.2所示:

下面是具体的每一个交通灯的状态显示:

(a)(b)

(c)(d)

图2.2交通状态

(a)东西方向红灯亮,车辆禁止通行,南北方向绿灯亮,车辆可以通行,倒计时13秒(时间只是方便演示)。

(b)东西方向红灯亮,禁止通行,南北方向黄灯亮,车辆应该等待通行,倒计时5秒(时间只是方便演示)。

(c)南北方向红灯亮,静止通行,东西方向绿灯亮,车辆允许通行,倒计时24秒(时间只是方便演示)。

(d)南北方向红灯亮,车辆禁止通行,东西方向黄灯亮,倒计时5秒(时间只是方便演示)。

等待时间倒计时,紧接着回到状态(a)

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

状态a

状态b

状态c

状态d

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

1

1

0

0

东西黄灯

0

0

0

1

东西绿灯

0

0

1

0

南北红灯

0

0

1

1

南北绿灯

1

0

0

0

南北黄灯

0

1

0

0

东西南北四个交通口都含有红绿灯以及数码管,无论是哪一个交通口,凡是看到红灯的应该禁止通行,看见转了绿灯就可以通过,如果黄灯亮了表示红绿灯状态即将发生变化。

各方向的状态以及红绿灯状态如上表2.1。

(说明:

0表示灭,1表示亮)

三.设计过程

1硬件设计

1.1系统硬件总电路构成

为了满足这次的交通灯设计所需要实现的功能,本人选用了STC89C52RC芯片和外围设备组成的最小系统,代表红、绿、黄三种颜色的led交通灯总共14个,4个2位LED数码管和包括复位键、紧急控制按键等,红外线接受器,驱动电路模块,若干导线、电阻和电容。

构成了此次设计的各个模块。

本系统把单片机最小系统作为关键核心,由各个硬件模块软件为控制主体组成一个处理、智能控制为一体的封闭操控系统。

其中P0用来送显LED数码管的段选和位选,P1用来操控红绿灯的亮暗,12MHz晶振接在单片机芯片引脚的XTAL1和XTAL2上,REST引脚接连接复位电路,P3端口用来实现按钮的控制。

1.2单片机最小系统

单片机的应用系统可以分为硬件部分和软件部分。

软件部分指挥各个硬件执行烧录进单片机内的程序,如果没有程序那么它显然是无法工作的的。

但如果它仅仅只是烧录了程序,它还是同样无法工作。

原因是除了单片机和软件部分外,要使单片机能够正常工作,还需要时钟电路和复位电路。

芯片加上时钟和复位电路,这样才是完整的最小单片机系统。

在XTAL1引脚和XTAL2引脚间跨接一定频率的晶振构成时钟电路为单片机的正常工作提供基本时钟,机器周期则由晶振频率决定。

复位电路则将系统恢复初始化。

就如同此系统中,将系统恢复至东西通行,南北禁止的刚启动系统的状态。

为了实现单片机的同步工作,系统必须有唯一的时钟信号,并在这个时钟信号下严格的按时序进行状态转换和工作。

这个时钟信号可以外部时钟也可以芯片自带的时钟信号。

这种时钟信号由时钟电路提供。

在本系统中,在STC89C51单片机XTAL1和XTAL2之间接的是晶振频率为12MHz的晶振。

机器周期是晶振频率的十二分频,所以机器周期为1us。

适当编写程序,则可以定时1ms或者1s的时间。

单片机与计算机相同,都有可能会出现故障死机或断电的情况,这时候则需要和计算机一样有一个复位键将系统重启,单片机的复位电路也是使CPU和系统中的其他功能部件都恢复到一个确定的初始状态。

实现复位的条件就是RST引脚输入持续2次机器周期的高电平。

复位后PC=0000H,即是从新从程序存储器的第1个单元取指令进行译码。

若持续高电平则会循环复位。

按键复位和上电自动复位是复位电路经常采用的两种不同的方式。

本系统所使用的是按键复位。

按键在其余4个按键的中间,接芯片的RST引脚。

按键瞬间RST引脚端电位与Vcc一致,随着电容C1的充电,充电电流的减少,导致RST引脚的高电位下降。

只要RST引脚的高电位能够保证在2个机器周期以上,单片机就会进行复位操作,使系统复位。

上电复位则要求接上电源之后能够自动实现系统的复位,原理相同,不再赘述。

单片机最小系统原理图如图3.1所示:

图3.1单片机最小系统原理图

1.3LED显示

发光二极管简称为LED。

它是一种半导体二极管。

它的可见光是由空穴和电子结合时辐射而出的,因此它可以把电能转化为光能。

主要由镓(Ga)与砷(As)、磷(P)、氮(N)、铟(In)等化合物制成这种半导体二极管。

三极管具有2个PN结,而发光二

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