基于单片机的交通灯设计Word下载.docx
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基于单片机的交通灯设计Word下载.docx
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年 月 日
摘要
系统采用两块STC89C52芯片为核心控制器件、三色LED灯作为信号灯状态显示、以两位共阴七段显示数码管描述系统各方向信号灯状态保持的时间。
由按键开关完成上电初始化操作,各LED灯状态保持时间使用倒计时的显示方式,最大显示时间为99S。
两组左转绿、绿、红、黄三色LED灯分别作为南北、东西方向信号灯显示模块,另外四组红、绿两色LED灯分别作为东西、南北方向人行横道交通信号指示灯,至此本设计可以应对交叉路口交通信号系统的基本控制情况。
在此之外,为了真实的模拟交叉路口的交通情况,在另一块单片机电路上设计了一条东西方向循环流动的流水灯来模拟车辆通行时的情况。
当接收到交通灯主电路信号后流水灯根据交通规则作出相应的反应。
关键词:
交通信号灯;
单片机;
LED灯;
数码显示;
流水灯
DesignofIntelligentTrafficLightsBasedonSingleChipComputer
——Hardwaremoduledesign
ABSTRACT
ThesystemUSEStwoSTC89C52chipsasthecorecontroldevice,thethree-colorLEDlightasthesignalofthesignal,andthesevensegmentsofthesevensegmentsshowthetimeforthedigitaltubetodescribethestateofthelight.Completedbykey-pressswitchonelectricityinitialization,thestateofLEDlightstokeepalotoftimeusingthecountdowndisplaymode,thebiggestdisplaytimeof99s.Twogroupsofleftturngreen,green,redandyellowcolorledslightsdisplaymodulerespectivelyasthenorth-south,east-westdirection,theotherfourgroupsofredandgreenLEDlightsassomethingpedestriancrossingtrafficsignallamp,northandsouthdirection,thusthisdesigncanhandlebasiccontroloftrafficlightsattheintersection.Intheoutside,inordertomorerealisticsimulationoftheintersectiontrafficconditions,inanotherpieceofsingle-chipmicrocomputercircuitdesigndirectionofathingwhencirculatingwaterlightstosimulatethetrafficsituation.Whenthesignalofthemaincircuitofthetrafficlightisreceived,therunningwaterlightwillrespondaccordingly.
keywords:
trafficlight;
Singlechipmicrocomputer;
LEDlamp;
Digitaldisplay;
Runningwaterlight
1.绪论
1.1课题研究背景
随着我国城市化发展步伐的不断迈进,我国出现了越来越多城市人口达到百万、千万基数的“巨城”。
人们在追求高质量都市生活的同时,也给城市发展带来了诸多问题。
交通拥挤问题由于贴近人们的生产生活而显得尤为突出。
拥挤的交通阻塞了城市发展的大动脉,降低了城市健康发展的活力,从而对人们的生产生活产生深远影响。
城市路网密度的欠缺与日益增长的机动车体量之间的矛盾是导致交通拥挤的“罪魁祸首”[1]。
但是一个社会焦点问题的出现往往不是单方面因素引起的,城市交通拥堵问题也与某些城市缺乏长远规划和宏观统筹,短期内追求高城镇化率、大规模兴建城区不无关系。
由于城区规模的不断扩张,城市交通系统面临的形势越来越严峻。
计算机控制技术的不断发展和完善为这一问题的解决提供了强有力的支撑,单片机芯片的智能化发展使这项技术得到进一步推广。
采用单片机以及外围电路搭建的信号灯管控系统可以有效的解决城区交通拥挤问题。
系统的成功搭建解决了无规则环境下的交通拥挤问题,能够有效的提高城市的通达度为城市发展注入新的发展活力,进而提高人们的生活品质。
本系统的主要功能为控制东西、南北、东西左转、南北左转以及四组人行横道红绿信号指示灯状态的显示。
除此之外为了真实的模拟城市交叉路口车辆通行时的情况,另外设计了一个单片机控制的流水灯辅助电路。
通过接收交通灯主电路中东西方向红灯端口的电平信号来控制流水灯辅助电路的流转。
1.2应对交通拥挤问题的策略
人们日益增长的机动车保有量与有限的路网密度之间的矛盾是导致交通拥挤的根结所在[2]。
主要有以下两个途径可以解决这一矛盾:
一、限制城市中车辆的数量,通常采取的办法是依据日期限制相关车辆的上路通行,也就是人们常说的:
“限号通行”这一办法非常有效但对个人来说是非常不合理的,因为购买车辆就是为了出行方便限制车辆出行显然不是一个好的选择。
二、新建通行道路,这一办法能够根本解决城市交通拥堵问题,但是由于城市交通系统在规划建设时已经固定,沿途的各项基础设施建设已经搭建完成,有限的空间成为城市道路建设过程中最大的障碍。
近年来轨道交通以其不受上层空间的影响且能够高速运行而受到各城市的热捧,这一新型交通工具的普及将对日益拥挤的交通环境产生巨大影响。
但其也存在建设周期长,建造成本高昂的巨大短板而很难做到大面积普及。
所以优化现有道路的通行能力成为改善城市交通问题的主要途径。
总而言之,对于现有交通体系只有各方共同努力,采取各种积极有效的措施才能使日益拥挤的城市不受影响的稳步向前发展。
2.系统的整体设计
2.1交通信号系统
2.1.1交通管控体系的构成
交通管控体系主要由无主观意识的信号指示灯、交通规则标志、交通标示线和有主观意识的交通警察四部分组成[3]。
由于人力和物力等条件的制约,交通信号灯毫无疑问是交通管制系统的核心。
本文着重介绍交通管控系统硬件结构方面的内容。
目的在于在交通规则的管控下,依据系统LED灯颜色的变化情况,来模拟车子在穿越十字路口时行驶或停止的状态。
在遵守我国道路交通安全法的前提下提升单位时间内交叉路口的车流量。
2.1.2交通信号控制原理
交通系统管制规则是指按照既定的控制流程,在交叉路口的各个方向上通过红、黄、绿以及左转绿三色四个LED灯按照一定的规则进行周期性运转,在南北、东西人行横道通过四组红绿两色LED灯来指挥控制交通流量,并在时间上按照控制规律实施物理隔离。
我国道路交通安全法规定:
红灯状态禁止车辆行驶通过、绿灯状态准许车辆通行、黄灯状态给予警示,也就是允许已经穿越停车线(白线)的车子继续向前行驶,快速通过交通路口。
但是本系统由于空间有限且缺乏必要的精确定位功能,无法准确判定车辆的准确地点。
所以在东西方向模拟车辆通行时不考虑黄灯状态对系统的影响,将之以绿灯状态对待。
简而言之,交通信号管控系统就是各方向信号灯在国家相关法律法规的指导下进行周期性的运转,进而达到对相关路口车辆通行时间进行物理隔离的一种直观体现[5]。
根本目的在于优化交叉路口车辆通行时造成的道路拥堵问题。
2.1.3本文中所涉及到的交通规则
我们在一个有秩序的大环境下生活,而规则则是秩序的保障。
每个行业都有其相关的规则需要遵循。
道路通行也不例外,我国和世界上大多数国家实行道路通行右行制,行人和车子需严格按照不同的规则出行,否则交通秩序将无法正常运转,甚至由此引发严重交通事件。
本文中涉及到的交通管制规则如下介绍:
(1)直行时红灯停、绿灯行、在黄灯闪烁若车辆已经越过停止线(白线)继续行驶,未通过停止线应停止行驶否则按闯红灯处理[4]。
(2)如果同方向直行是红灯时,右转车辆在不阻碍直行机动车和路人的情况下允许通行,但是由于现实情况是车子左转具有一定特殊性。
本系统专门设置了左转情况,如果同时进行左右转与现实不符并且会加重交通阻塞。
所以本系统中没有专门设置右转的情况。
(3)路人通行情况依据南北、东西四组人行横道红绿两色灯的状态通行。
(4)在交通系统中为了更真实地模拟出车辆通行时的情况,在交通灯主电路外设计一条流水灯辅助电路用来模拟行驶中的车辆遇到红绿灯时的通行情况。
但是由于黄灯状态具有一定特殊性如果车辆在黄色LED灯闪烁时,车辆已穿过停止线(白线)在现实情况下允许继续行驶,否则按红灯规则行驶。
但由于本系统空间有限并且缺乏精确定位功能。
不能准确地判定车辆行驶到信号灯的准确位置所以在流水灯电路中以绿灯信号代替黄灯信号所处的状态。
以红、绿两色LED的变换来模拟控制流水灯辅助电路的运转状态。
当东西方向为红灯时流水灯熄灭,当为黄灯或者绿灯时流水灯自动循环点亮以模拟正常情况下车辆通行时的状态。
2.2系统功能概述
此交通灯系统预期功能具体如下:
初设置交叉路口红绿灯运行周期为30s;
黄灯警示时间3s;
东西、南北左转时间分别为10s。
为了真实地模拟交叉路口车辆通行的情况另外设计一个流水灯辅助电路以模拟车辆通过红绿灯时的状态。
当东西方向为红灯时循环点亮的流水灯熄灭,当为黄灯或绿灯时流水灯自动循环点亮,以此来模拟车辆通过交叉路口红绿灯时的状态,系统功能流程见图2-1。
如果初设置各灯跳转时间与实际车流量不符,可以通过设置按键调整各方向红绿灯运行时长。
南北红灯
东西黄灯灯
东西向流水灯点亮
东西人行横道绿灯
东西南北方向红灯
南北左转绿灯
东西向流水灯熄灭
东西南北人行横道灭
南北黄灯
东西红灯
东西黄灯
中断/复位/更改预设时间
东西南北红灯
东西左转绿灯
南北绿灯
东西流水灯熄灭
南北人行横道绿灯
图2-1系统整体功能流程图
在特殊情况下可启用中断,中断情况适用于处理以下几种紧急情况:
按下设置键一次交叉路口全部红灯,此情况适用于路口发生重大交通事故。
按下设置键两次交叉路口黄灯闪烁进入夜间模式,此情况适用于晚间非机动车辆及行人稀少时机动车辆的快速通过。
按下设置键三次东西绿灯常亮南北红灯,优先东西方向通行。
设置键按下四次系统状态为南北绿灯常亮东西红灯,优先南北方向通行。
按下设置键五、六次系统运行状态分别为优先南北左转通行和优先东西左转通行。
针对各方向车流量的变化各方向红绿灯时间可根据具体情况对初设置时间进行加减设置。
2.3方案的设定与论证
方案一:
交通信号管控系统主要通过管控南北,东西、南北左转向和东西左转向以及人行横道的交通情况,本系统用STC89C52RC芯片作为主控器件,通过管控LED的亮灭时间来合理规划交叉路口车流量的变化,除此之外通过按键来对系统进行初始化操作,通过三个按键构成的按键电路来对各通行方向LED灯的运行时间进行设置。
模拟车辆通行的辅助电路通过接收交通灯主电路的电平信号来控制流水灯程序的中断。
总体设计框图如图2-2所示。
图2-2方案一总体设计框图
方案二:
采用STC89C52RC芯片为控制主器件,允许通行时间使用2位共阴数码管显示;
信号灯使用三种颜色的LED灯表示。
设计从节省节省口线资源角度,2位数码管使用动态扫描的工作方式,发生紧急情况可以通过手动按键进行紧急中断操作。
本系统优点电路结构简单可靠性高、设计可操作性强、缺点是占用芯片内部资源过多,方案二设计框图如图2-3所示。
图2-3方案二总体设计框图
结合以上两种设计方案,方案一具有硬件结构简单,各组成元件易于大规模采购应用的优点,本设计采用方案一的构思来完成系统设计的整体工作流程。
2.4系统工作原理
交叉路口的两组红、黄、绿、左转绿及四组人行横道LED灯采用共阳极接法,指示灯电路将电源正极与LED灯的阳极用限流电阻连接。
当输出口线为低电平时LED灯发光,输出端口为高电平时LED灯熄灭,该信号灯运行状态结束,LED灯状态保持时间用2位数码管同步显示。
2位数码管采用共阴极接法,将数码管相应段选位并联在一起通过上拉电阻与P0口相连,两组数码管位选信号引脚分别与P2.0、P2.1及P3.6、P3.7相连,用于动态扫描中位选信号的接收传递。
当位选信号为低电平,段选信号为高电平时数码管正常运转。
如果系统运行过程中出现故障,可以通过复位键来改变RST引脚的电平信号对系统进行初始化操作。
当出现紧急情况时按下模式键通过改变输入端口P1.3的电平信号来进行相关状态的设置,如果实际车流量与系统预设时间不符可通过设置键P1.0和P1.1、P1.2两个输入引脚进行相应方向信号灯的时间增减设置。
东西方向流水灯电路通过接收主电路中P2.4的电平信号来做出相应的运转。
在流水灯辅助电路未接收主电路电平信号时,辅助电路执行循环流水灯程序,来模拟未看到红灯时车辆的行驶情况;
当接收到主电路P2.4的低电平(红灯亮时),流水灯辅助电路判定电平信号发生改变后执行中断程序流水灯熄灭。
当转换为其他颜色交通灯时P2.4电平转换为高电平时流水灯控制芯片跳出外部中断,自动循环执行流水灯程序,并根据主电路交通灯的周期变换而变化,管脚
分配如图2-4所示。
图2-4单片机引脚分配图
3.系统硬件设置
3.1单片机的选择
STC89C52芯片是集合控制和计算机运算功能于一体的微控制器,又被称为MCU[7]。
单片机芯片是第四代嵌入式集成电路的基础和核心。
单片机芯片随着科技进步的不断推进也在一步步的向前发展,它的特点有以下几个方面:
高效率的工作机能、用途更加广泛、适应的工作环境更加多样化、低功耗、具有更大的内部存储空间和32位强大的输入输出功能等。
以如今单片机芯片的发展可知其发展趋势表现如下:
1、功能更加多样化,适用范围广泛
随着集成电路技术的不断完善和发展,单片机芯片将更多的扩展功能集合在了一起,从而大大增加了芯片的功能,并且可以搭配更多的外围电路应用于社会生产中。
单片机芯片集成度的提高可以有效地减少系统的元器件数量,进而减小整个系统的尺寸大小,有利于集成芯片朝着功能多样化方向发展。
2、高效率和高性能
大规模集成电路技术的完善和发展推动了相关领域的不断进步,芯片的设计生产也应用RISC和DSP的设计工艺,这两种工艺的运用有效的提高了芯片的运行速度和工作效率,使芯片性能得到了进一步提升。
由于芯片内部集成元件的不断优化,芯片内部的存储容量不断提升,其寻址速度和效率得到了长足的进步。
3、低电压和低功耗
集成元件由于受其体积的制约决定了其工作电压不能过高,单片机芯片也继承和发展了这一特性。
芯片使用了许多类似于CMOS等优化设计,使得大多数芯片可以在低电压下稳定工作。
由于工作环境的限制系统必须采用更加节能的工作方式否则新系统是没有现实工作意义的[6]。
3.2单片机的基本结构
STC89C52芯片是一款工作电压低、单位时间内消耗小,功能强大的嵌入式芯片,内部有8KB的可擦写可编程存储器,芯片内部的程序存储器允许在线编程或常规开发板编写下载。
所以STC89C52芯片是一款性能强大,价格低廉应用范围广泛的多样化应用芯片[8]。
单片机各功能引脚如图3-1所示。
图3-1芯片引脚图
各引脚功能在本系统中的应用介绍如下:
P0口:
在本设计中将其作为8位输出口线,与10K排阻连接后用于7位数码管段选信号的输出即时间显示输出口。
P1口:
在本系统中用于输入输出口线,其中4位用于按键对系统状态的输入设置,另外4位用于信号灯电平状态的输出。
P2口:
本系统中将P2口用于8位输出口,其中P2.0和P2.1用于数码管位选信号的控制,其他六位分别作为交叉路口红绿灯的控制端口。
并将P2.4端口即东西方向红灯输出口与流水灯辅助电路的P3.3外部中断1端口连接连接,以红灯端口的电平信号来控制流水灯电路的运转。
P3口:
P3口功能与P2口相似,作为数码管位选信号控制位和人行横道信号灯输出口线。
特别说明P3口除了常用的双向I/O口,其第二功能在使用过程中至关重要,在流水灯控制电路中使用了P3.3端口的第二功能,P3口第二功能具体介绍如表3-1所示。
表3-1P3口第二功能
端口引脚
第二功能
P3.0
RXD(串行输出口)
P3.1
TXD(串行输入口)
P3.2
INT0(外部中断0)
P3.3
INT1(外部中断1)
P3.4
T0(定时/计数器0)
P3.5
T1(定时/计数器0)
P3.6
WR(外部数据写选通)
P3.7
RD(外部数据读选通)
RST:
本系统将按键与10uf电解电容串接后与RST引脚相连构成系统的复位电路。
以此来完成对设计系统的初始化操作[9]。
XTAL1、XTAL2:
在本系统中作为时钟电路的输入输出端口,外围电路与12M晶振及20pf电容共同搭建起该系统的时钟电路。
VCC:
40脚电源接入口线。
GND:
20引脚地线端口。
3.3单片机外围电路设计
本设计使用两块STC89C52芯片作为核心器件,使用层次化设计方案。
整个方案分为以下几个独立的模块:
复位初始化模块、系统芯片主控制模块、按键及指示灯显示模块、数码管时间显示模块和流水灯控制模块等。
由于篇幅有限,整体设计原理图见附录
。
灵活多样的控制方式、友好的人机交互体验、简洁明了的元器件布局是本系统的主要特征。
现将各模块具体组成及工作原理介绍如下:
3.3.1复位电路设计
STC89C52芯片的第九引脚RST为控制系统提供了初始化手段,上电复位可以让软件程序从从开机通电状态开始运行。
当芯片的时钟电路运行后,当出现故障需要复位时,按下复位按键,按键复位电路使RST口线上达到初始化条件的高电平状态输入信号,是系统进行初始化操作。
若RST处于高电平状态下,芯片控制系统就会一直运行初始化操作。
本系统使用直接按键进行初始化操作,复位电路原理图如图3-2所示。
图3-2复位电路原理图
3.3.2外部晶振时钟电路设计
STC89C52芯片有内、外部两种时钟发生方式,由于芯片内部有一个反相放大器所以为了操作的可行性,本系统采用内部发生方式将外部12M晶振与XTAL1和XTAL2连接在一起构成一个自激振荡发生器。
芯片内部虽然有反向放大器,但是这还不足以作为一个完整的时钟电路。
所以要外接电容及晶振一起构建一个完整的时钟电路。
本设计使用12MHZ的晶振
和30pf的电容,时钟电路原理图见图3-3。
图3-3时钟电路原理图
3.3.3按键模块
按键功能区的主要任务是在非正常情况下,通过系统按键来对突发状况进行应急管控,从而使本系统能够优先处理突发状况。
其次能够通过按键模块对系统各方向信号灯预设时间,根据现实情况进行合理化设置。
本文应用四个设置按键和一个复位按键直接通过对本系统各模块进行紧急状态的设置。
系统通过分析各按键控制端口的电平信号,来对按键进行的具体操作进行甄别,本系统将P1口的高4位作为按键的输入口线,复位按键与RST口线相连,按键模块连接图如图3-4所示。
图3-4按键模块连接图
3.3.4显示模块电路设计
该功能区主要由两组2位共阴数码管构成,为了节省芯片口线资源使用动态扫描的工作方式。
数码管采用共阴极接法,段选位并联在一起通过排阻与P0口相连,两组位选信号分别与P2.0、P2.1及P3.6、P3.7相连,当位选信号为低电平,段选信号为高电平时显示器件正常运行。
当一位数码管选通另一位数码管处于关闭状态,因为单片机内部时钟频率很高所以数码管点亮时间很短,由于生物学原理中的视觉暂留效应,人们会认为数码管是同时工作的,数码管连接图如图3-5所示。
图3-5数码管连接图
3.3.5东西方向信号灯控制下的流水灯电路
为了真实的模拟交叉路口红绿灯运行时车辆通行时的情况,在完成基本功能的前提下设计一条流水灯辅助电路以模拟车辆通过交叉路口的状态。
电路连接图如图3-6所示。
该模块由单片机最小系统和八颗绿色LED灯构成,通过接收交通灯主电路的红绿灯信号来控制LED灯的状态变化。
电路与主电路共用电源模块,具体工作结构为单片机P3.3外部中断口线与交通灯东西方向的红灯所接端口即主电路标线P24(I/O口P2.4)连接,当流水灯辅助电路接收到主电路低电平时系统执行中断程序,流水灯熄灭。
当P2.4端口即红灯端口为高电平时(红灯熄灭)流水灯自动跳出中断程序,继续执行流水灯闪烁主程序,并按照交通灯主电路的周期性变化而变化。
图3-6流水灯电路连接图
4.系统调试分析及结果
本设计要求在无人操作的条件下系统能够稳定运行,所以系统必须具有稳定度高、维护简单方便等特点,所以在系统调试过程中要充分考虑各种情况下交通灯是否能够正常运转,另外在保证基本功能正常运行的同时应确保流水灯电路在各种情况下能否按照相关交通规则稳定运行。
4.1硬件仿真软件
Proteus是现在全球顶尖的电路分析和硬件仿真于一体的模拟设计平台[10]。
它能够对数字、模拟和嵌入式系统以及其外围电路进行硬件模拟仿真。
Proteus软件的推广使用能够有效的降低系统研发风险,提高系统开发效率。
Proteus应用功能十分强大,内部元件库中几乎包含了所有的硬件开发元件。
打开软件进人仿真页面后,首先将硬件设计电路中所需元器件从各种元件库中找到并添加到工具栏,在软件左侧工具栏找到地线和其他必须工具。
在仿真窗口按照硬件设计原理图的结构将各构件合理美观的放置。
除基本功能外,在四角各设置绿色左转灯及四组人行横道红绿灯。
为了更加真实地
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- 基于 单片机 交通灯 设计