智能交通灯控制系统的设计之欧阳化创编.docx
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智能交通灯控制系统的设计之欧阳化创编
前言
时间：
2021.02.06
创作：
欧阳化
1.1概述
近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制日新月益的更新。
在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，加以完善。
交通信号灯的出现，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。
随着微控技术的日益完善和发展，单片机的应用在不断走向深入。
它的应用必定导致传统的控制技术从根本上发生变革。
也就是说单片机应用的出现是对传统控制技术的革命。
它在工业控制、数据采集、智能化仪表、机电一体化、家用电器等领路得到了广泛应用，极大的提高了这些领域的技术水平和自动化控制。
因此单片机的开发应用已成为高技术工程领域的一项重大课题。
因此了解单片机知识，掌握单片机的应用技术具有重大的意义。
1.2基于单片机的智能交通灯控制系统设计的意义
国内的交通灯一般设在十字路口，在醒目位置用红、绿、黄三种颜色的指示灯。
加上一个倒计时的显示计时器来控制行车。
对于一般情况下的安全行车，车辆分流尚能发挥作用，但根据实际行车过程中出现的情况，还存在以下缺点：
1.经常出现的情况是某一车道车辆较多，放行时间应该长一些，另一车道车辆较少，放行时间应该短些。
2.没有考虑紧急车通过时，两车道应采取的措施，例如，消防车执行紧急任务通过时，两车道的车都应停止，让紧急车通过。
基于传统交通灯控制系统设计过于死板，红绿灯交替是间过于程式化的缺点，智能交通灯控制系统的设计就更显示出了它的研究意义，它能根据道路交通拥护，交叉路口经常出现拥堵的情况。
利用单片机控制技术．提出了软件和硬件设计方案，能够实现道路的最大通行效率。
1总体设方案
1.1智能交通灯的设计思路
根据智能交通灯的具有的功能，将它主要分为三部分，包括数码管显示剩余时间部分、交通灯显示部分和按键实现部分。
总体设计思路如图2-1所示。
1.1.1LED显示剩余时间
根据实际生活中使用的交通灯，在此次的智能交通灯的设计中也将具有显示时间的功能，使我们的设计与实际结合起来，在此部分LED灯将配合红黄绿灯的发光时间显示数据，对于每个数据将使用定时器来实现定时1秒，当1秒时间到达，LED上显示的时间自动减1，当时间减至为0，交通灯变换红黄绿灯。
1.1.2交通灯
此部分将与LED灯紧密联系起来，当数码管显示数字减至为0时，变换发光的灯，不为0，将保持原有状态。
1.1.3紧急状态的设计
在现实生活中随时有突发情况的发生，为了保证交通的正常通行，特地设计了应对紧急状况的特殊情况。
在出现紧急状况时，可以通过人为操作进入特殊情况。
在此包含了4种特殊情况，包括加长东西南北方向的通行时间，四个方向均禁行，东西方向保持通行南北方向禁行，南北方向保持通行东西方向禁行。
当特殊情况结束时，人为操作进入正常状态。
2单元模块设计
2.1硬件设计
2.1.1AT89C51介绍
芯片AT89C51的外形结构和引脚图如图3-1所示。
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM-FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
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MC-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，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。
图2AT89C51引脚图
2.1.2芯片74LS273介绍
74LS273是8位数据/地址锁存器，如图3-2所示，它是一种带清除功能的8D触发器，下面介绍一下它的管脚图功能资料。
1脚是复位CLR,低电平有效,当1脚是低电平时，输出脚2（Q0）、5（Q1）、6（Q2）、9（Q3）、12（Q4）、15（Q5）、16（Q6）、19（Q7）全部输出0，即全部复位。
当1脚为高电平时，11（CLK）脚是锁存控制端，并且是上升沿触发锁存，当11脚有一个上升沿，立即锁存输入脚3、4、7、8、13、14、17、18的电平状态，并且立即呈现在在输出脚2（Q0）、5（Q1）、6（Q2）、9（Q3）、12（Q4）、15（Q5）、16（Q6）、19（Q7）上。
图374LS273引脚图
2.1.3多位数码管
图4多位数码管
LED显示器由七段发光二极管组成，排列成8字形状，因此也称为七段LED显示器。
为了显示数字或符号，要为LED显示器提供代码，即字形代码。
其段发光二极管，再加上一个小数点位，共计8段，因此提供的字形代码的长度正好是一个字节。
智能交通灯用到的数字0—9的共阳极字形代码如表3-1：
表1驱动代码表
显示数值
驱动代码（16进制）
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
C0H
F9H
A4H
B0H
99H
92H
82H
F8H
80H
90H
2.1.4时钟电路设计
图5时钟电路
MCS-51单片机芯片内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。
当使用内部振荡电路时，XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体和微调电容，如图所示，图中C2、C3大小一般为30pF。
还加了复位/备用电源引脚的接线方法，任何单片机在工作之前都要进行复位，以便CPU以及其他功能部件都处于一个确定的初始化状态，并从这个状态开始工作，也就是程序开始执行之前，单片机做好准备工作。
如何进行复位呢？
只能在单片机的RST引脚上保持两个机器周期（24个时钟周期）的高电平即可对单片机实现复位操作。
当主电源VCC发生掉电或者是电压降低到电平规定值时，VPD上外接的备用电源自动启用，为单片机内部RAM提供电源，以保护片内RAM中的信息不丢失，使系统在恢复上电后能正常运行。
2.1.5复位电路设计
图6复位电路
AT89C51的复位是由外部的复位电路实现的。
复位电路通常采用上电复位和按钮复位两种方式。
在此次设计中，我使用了上电复位方式。
上电复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。
2.1.6交通灯硬件线路图
结合各部分设计电路，得到交通灯硬件线路如图3-6所示。
图7硬件线路图
2.2程序设计
2.2.1LED显示程序
设计思路如图4-1所示。
图8LED显示流程图
2.2.2交通灯程序
在这部分我设置南北方向通行，东西方向禁行为初始状态，持续时间为60S。
最后5S黄灯闪烁，然后南北方向禁行，东西方向通行，持续时间仍为60S，最后5S黄灯闪烁，回到初始状态。
如此循环，程序流程图如图4-2所示。
图9交通灯程序流程图
2.2.3紧急情况程序
当需要应对特殊情况时，在人为控制下，程序由中断入口地址切换到中断程序，根据实际情况的不同切换到不同的中断子程序，当紧急情况处理完，由人为控制返回原程序。
程序流程图如图4-3所示。
图10紧急情况程序流程图
4软件仿真
4.1KeilC51单片机软件开发系统
采用KEIL开发的89C51单片机应用程序步骤：
（1）在uVision集成开发环境中创建新项目（Project）,扩展文件名.UV2并为该项目选定合适的单片机CPU器件（本设计采用ATMEL公司下的AT89C51）。
（2）用uVision的文本编辑器编写源文件，可以是汇编文件（.ASM），也可以使C语言文件（扩展名.C），并将该文件添加到项目中去。
一个项目文件可以包括多个文件，除了源程序文件外，还可以是库文件、头文件或文本说明文件。
（3）通过uVision2的相关选择项，配置编译环境、连接定位器以及Debug调试器的功能。
（4）对项目中的源文件进行编译连接，生成绝对目标代码和可选的HEX文件，如果出现编译连接错误则返回到第2步，修改源文件中的错误后重构整个项目。
（5）对没有语法错误的程序进行仿真调试，调试成功后将HEX文件写入到单片机应用系统的ROM中。
4.2PROTEUS的操作
4.2.1硬件电路图的接法操作
（1）防止选择（删除）元器件
（2）移动元器件
（3）缩放视图
（4）连接导线
（5）仿真、调试
4.2.2单片机系统PROTEUS设计与仿真过程
Proteus设计过程一般也可分为三步：
（1）在ISIS平台上进行单片机系统电路设计、选择元器件、接插件、连接电路和电气检测等。
简称Proteus电路设计。
（2）在Keil平台上进行单片机系统程序设计、编译、汇编编译、代码级调试，最后生成目标代码文件（*.hex）。
简称Proteus源程序设计和生成目标代码文件。
（3）在ISIS平台上将目标代码文件加载到单片机系统中，并实现单片机系统的实时交互、协同仿真。
它在相当程度上反映了实际单片机系统的运行情况。
简称Proteus仿真。
4.3仿真结果
将在Keil平台上生成目标代码文件（*.hex）加载到单片机系统中，点击运行按钮，运行结果显示如图5-1所示。
图11硬件仿真图
开始运行后，南北方向通行，东西方向禁行，同时数码管从60显示，每隔一秒数码管减一，当减到5时，四路的黄灯开始闪烁，数码管同时从5开始减一，减到0时，南北方向禁行，东西方向通行，同时数码管从60显示，每隔一秒数码管减一，当减到5时，四路的黄灯开始闪烁，数码管同时从5开始减一，减到0时，返回初始状态，再没有外部中断的情况下如此循环下去。
图12四个方向禁行硬件仿真图
K1为外部中断按钮，当按下K1时，数码管不再显示数，黄灯闪烁五秒后，四路灯都为红色。
当按下复位开关后，返回到初始状态。
图13南北通行东西禁行硬件仿真图
K2为外部中断按钮，当按下K2时，数码管不再显示数，黄灯闪烁五秒后，南北方向保持通行，东西方向保持禁行。
当按下复位开关后，返回到初始状态。
图14南北禁行东西通行硬件仿真图
K3为外部中断按钮，当按下K3时，数码管不再显示数，黄灯闪烁五秒后南北方向保持禁行，东西方向保持通行。
当按下复位开关后，返回到初始状态。
图15延长四个方向通行时间的硬件仿真图
K4为外部中断按钮，当按下K4时，南北东西方向的通行时间均延长至120S。
当按下复位开关后，返回到初始状态。
5设计总结
通过一周的课设，我受益匪浅。
回顾起此次课程设计，至今我仍感慨颇多，我学到很多很多的东西，同时巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，比如编程问题，硬件的连接，怎样去调试，怎么去测试芯片能否正常工作，怎样是程序编的简洁易懂，且包含了所需的功能。
可以把书本上的知识得以运用，锻炼了全面思考问题的能力和实践能力，我想这对我以后的学习和工作会有很大的帮助。
这次完成了对单片机的整体设计，更加了解到单片机的各项功能和需要注意的问题，加深了对单片机的了解。
当然，，在设计中遇到了很多程序问题，查阅了好多资料，请教了同学，终于得以解决。
正所谓三人行，则必有我师，我学得到很多实用的知识，同时，我也知道在大学里，好多的知识都是靠自己学习，领悟，并融会贯通。
一些问题需要我们认真思考，注意细节，多与同学交流，分析问题，大家互相学习，共同提高。
最后，谢谢老师的指导。
6参考文献
[1]彭为等.单片机典型系统设计实例精讲[M].北京:
电子工业出版社,2006
[2]张毅刚等.单片机原理与应用设计[M].北京:
电子工业出版社,2008
[3]王义军.单片机原理及应用习题与实验指导书[M].北京:
中国电力出版社,2006
[4]刘乐善.微型计算机接口技术及应用[M].武汉:
华中科技大学出版社,2000
[5]陈明荧.8051单片机课程设计实训教材[M].北京:
清华大学出版社,2004
[6]杨莉.基于单片机控制的步进电机转速控制系统[J].南昌工程学院学报,2005
附录
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