智能交通4控制系统设计PG.docx

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智能交通4控制系统设计PG

毕业设计说明书

智能交通控制系统设计

学生姓名：

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2015年6月

第一章引言

1.1选题背景

最早的手牵皮带到20世纪50年代的电气控制，从采用计算机控制到现代化的电子定时监控，交通信号灯在科学化、自动化上不断地更新、发展和完善。

交通指挥灯是非裔美国人加莱特.摩根在1923年发明的[1]。

此前，铁路交通已经使用自动转换的灯光信号有一段时间了。

但是由于火车是按固定的时刻表以单列方式运行的，而且火车要停下来不是很容易，因此铁路上使用的信号只有一种命令：

通行。

公路交通的红绿灯则不一样，它的职责在很大程度上是要告诉汽车司机把车辆停下来[2]。

开车的人谁也不愿意看到停车信号。

美国夏威夷大学心理学家詹姆斯指出，人有一种将刹车和油门与自尊相互联系的倾向。

他说：

驾车者看到黄灯亮时，心里便暗暗作好加速的准备。

如果此时红灯亮了，马上就会产生一种失望的感觉。

他把交叉路口称作“心理动力区”[3]。

如果他的理论成立的话，这个区域在佛罗伊德心理学理论中应该是属于超我而非本能的范畴。

新式的红绿灯能将闯红灯的人拍照下来。

犯事的司机不久就会收到罚款单。

有的红绿灯还具备监测车辆行驶速度的功能[4]。

用于交通灯控制系统的设计方法很多，例如可编程控制器PLC、单片机、标准逻辑器件等实现，然而，基于这些设备需要调整和调试电路的硬件支持，在某种程度上增加了设计过程的难度[5][6]。

提出基于单片机的交通灯系统设计，不仅编程简单、灵活、可靠性高，而且成本低，经济效益高。

为实现交通系统智能控制提供了一个新方法[7]。

1.2国内外发展情况

近年来，在快速城市化进程和经济发展的影响下，城市交通迅速增长，交通问题成为困扰许多大城市发展的通病，已成为日趋严峻的国际性问题[8]。

其中，十字路口则是造成交通堵塞的主要”瓶颈”。

世界发达国家都在积极探索如何最大限度地发挥道路通行能力，尽量减少交通堵塞造成的各种损失[9]。

基于单片机的智能交通灯控制系统，该系统可实现3种颜色灯的交替点亮，实现直行、左转、右转、掉头、四种通行控制，通过信息提示指挥车辆和行人安全通行，并能实时监测交通灯工作状态[10]。

该系统不仅编程简单、灵活、具有较高的可靠性，而且成本低、具有良好的经济效益,是今后一段时间国内外交通灯的主流设计思路[11]。

1.3发展前景

自从1858年英国人，发明了原始的机械扳手交通灯之后，随后的一百多年里，交通灯改变了交通路况，也在人们日常生活中占据了重要地位[12]。

随着人们社会活动日益增加，经济发展，汽车数量急剧增加，城市道路日渐拥挤，交通灯更加显示出了它的功能，使得交通得到有效管制，对于交通疏导，提高道路导通能力，减少交通事故有显著的效果[13]。

近年来，随着科技的飞速发展，电子器件也随之广泛应用，其中单片机也不断深入人民的生活当中。

智能交通灯系统利用单片机AT89C51作为核心元件，实现了通过信号灯对路面状况的智能控制[14]。

从一定程度上解决了交通路口堵塞、车辆停车等待时间不合理、急车强通等问题。

系统具有结构简单、可靠性高、成本低、实时性好、安装维护方便等优点，有广泛的应用前景[15]。

1.4本系统功能

本系统设计一款带直行、左转、右转、掉头、四种通行控制交通控制系统。

带紧急按钮，当按下后所有灯都亮红灯。

带有时钟功能可以设定进入夜间模式的时间段，自动夜间模式此时所有灯都亮黄灯。

同时有数码管显示当前颜色灯的剩余时间，倒计时功能。

第二章系统介绍及方案讨论

2.1系统结构框图

图2.1系统结构图

2.1.1系统介绍

因为系统逻辑较简单，在低成本低复杂度的思想下本系统主要利用STC89C51传统的51单片机作为主控核心，复杂交通灯的调度人机设置和显示。

本系统主要包括红绿灯的驱动，利用发光7段数码管显示倒计时，利用USB接口加载单片机程序和按键进行系统设定。

2.1.2系统各部件功能

1）.双位数码管用来显示各灯状态的剩余停留时间。

2）.USB通信接口用来进行单片机程序的加载，以及备用以后功能升级用来与外部设备通信；

3）.LED驱动用来驱动LED，应为LED为电流驱动型单片机的IO不能直接驱动所以需要加一个大功率的功率转换芯片用以驱动LED。

4）.DS1302时钟基准用于进入夜间模式的时间。

2.2单片机选型

在集成电路，微控制器，DSP，FPGA水平高度发达的今天，设计我们这样一款系统可以选择的为控制器有很多例如：

8位的改进型51单片机、AVR单片机、MSP43016位单片机以及现在比较火的32位的STM32、或者纯硬件控制的FPGA、CPLD、或者DSP等。

对于工程应用应该选择一款合适于我们的系统的单片机，既符合功能要求、又节约成本、才是我们的核心思想，下面我将介绍一下我们常用的几款单片机：

AVR单片机：

AVR单片机是采用美国爱梅尔（ATMEL）公司生产的一款8位单片机。

常用型号为ATMEGA48单片机。

Mega系列单片机是AVR家族的高档系列，采用哈佛结构。

具备较宽的供电电压（2.0-5.5V）,该型单片机可以运行在低频模式（32K时钟）具备较低的功耗但是不能由应用程序更改时钟。

该型单片机采用了RISC精简指令集，集成了硬件乘法器，在速度与外设方面相比51单片机有很大提高，性价比较高，但是相比于51单片机成本还是稍高。

ST公司的STM32单片机，该型单片机基于ARM公司的Cortx-M3核心的由意法半导体（ST）公司生产的32位单片机，主要用于一些较复杂的工业与高端便携式应用，性价比较高，但是软件开发较复杂需要系统学习ARM，虽然性价比高，性能好但是开发复杂。

经过综合考虑之后我采用国产的STC89C52单片机的DIP-40封装的型号，该型单片机相对于传统的AT89C52单片机性能有所提升，程序采用串口加载也很方便。

STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能其内部功能如图2.2所示。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

相比于传统51单片机其主要有以下特征：

1.8K字节程序存储空间；

2.512字节数据存储空间；

3.内带4K字节EEPROM存储空间;

4.工作电压：

5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V单片机）

5.工作频率范围：

0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz

6.可直接使用串口下载ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片

7.共3个16位定时器/计数器。

即定时器T0、T1、T2

8.外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒

图2.2STC89C52内部功能图

2.3计数显示的选择

为了显示明显和显示方便我采用的是8段数码管进行倒计时的显示。

2.3.1数码管结构介绍

led数码管（LEDSegmentDisplays）由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。

数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。

这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。

LED数码管以发光二极管作为发光单元，颜色有单红，黄，蓝，绿，白，黄绿等效果。

LED数码管广泛用于仪表，时钟，车站，家电等场合。

选用时要注意产品尺寸颜色，功耗，亮度，波长等。

多位数码管时其结构分为共阴和共阳极。

我使用的0.56英寸的双位共阴极8段数码管其结构如图2.3所示。

2.3.2数码管动态显示

透过分时轮流控制各个LED数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。

每位元数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示资料，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O口，而且功耗更低。

图2.3双位共阳数码管结构

2.4STC串口加载代码（ISP）

USB，是英文UniversalSerialBus（通用串行总线）的缩写，而其中文简称为“通串线”，是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。

是应用在PC领域的接口技术。

USB接口支持设备的即插即用和热插拔功能。

USB是在1994年底由英特尔、康柏、IBM、Microsoft等多家公司联合提出的。

USB系统采用级联星型拓扑，该拓扑由三个基本部分组成：

主机（Host），集线器（Hub）和功能设备。

本次设计采用用的USB设备芯片CH340。

CH340是一个USB总线的转接芯片，实现USB转串口、USB转IrDA红外或者USB转打印口。

在串口方式下，CH340提供常用的MODEM联络信号，用于为计算机扩展异步串口，或者将普通的串口设备直接升级到USB总线。

在红外方式下，CH340外加红外收发器即可构成USB红外线适配器，实现SIR红外线通讯。

CH340具有以下特点

Ø全速USB设备接口，兼容USBV2.0，外围元器件只需要晶体和电容。

Ø仿真标准串口，用于升级原串口外围设备，或者通过USB增加额外串口。

Ø计算机端Windows操作系统下的串口应用程序完全兼容，无需修改。

Ø硬件全双工串口，内置收发缓冲区，支持通讯波特率50bps～2Mbps。

Ø支持常用的MODEM联络信号RTS、DTR、DCD、RI、DSR、CTS。

Ø通过外加电平转换器件，提供RS232、RS485、RS422等接口。

Ø支持IrDA规范SIR红外线通讯，支持波特率2400bps到115200bps。

Ø软件兼容CH341，可以直接使用CH341的驱动程序。

Ø支持5V电源电压和3.3V电源电压。

STC的51单片机内部带有ISP（在系统可编程）加载程序，无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（Rxd/P3.0,Rxd/P3.1）直接下载程序，数秒即可完成一片。

通过这个USB转串口芯片，我们通过USB总线连接上电脑通过编程软件即可实现程序的加载和串口通信。

2.5时钟芯片实现

现在流行的实时时钟芯片很多，例如DS1302、DS1307、PCF8485等等。

这些芯片的通信接口简单、芯片价格低廉、使用方便，因此被广泛地采用。

我使用的实时时钟芯片DS1302，DS1302是美国DALLAS公司推出的一种较高性能、，具有低功耗和带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，同时具有闰年补偿的功能，其工作电压为2.5V～5.5V。

采用三线SPI接口和CPU或者MCU进行同步通信，这个芯片可采用突发方式一次并且传送多个字节的时钟信号或RAM数据。

DS1302的内部有一个31×8的RAM用于临时性存放数据的RAM寄存器。

DS1302是DS1202芯片的升级产品，与DS1202兼容，与DS1202相比增加了主电源/后备电源双电源引脚，同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。

所以说DS1302芯片操作方便使用成熟，并可以保证我们的应用需要的时间的精准度。

第三章硬件设计

3.1系统电源设计

对于一个系统来讲，有一个稳定可靠地电源是必要的。

为了提高电源可靠性、简化供电电路、适应多种不同电源供电，本系统采用外部电源适配器与板载稳压芯片结合的方法给电路供电。

由于板载输入电源芯片采用的是低压差的AMS1117-5.0其适应外部直流供电，范围为5-15V，所以我们只需要一个5-15V的直流源就行。

或者为了适应220V的交流供电我们的板子上面有一个Mini_UAB_A型接口，可以选择手机充电器作为电源适配器，通过一根MP3/MP4的USB线连接到板子就可以。

为适应单片机、LCD等元器件的5V的供电利用AMS1117-5.0将外部供电稳压为5V。

AMS1117为低压差的稳压芯片，最大可提供1A电流此时最小压差仅为为1.2V。

我采用的是SOT-223封装形式。

外部输入我采用500mA的1206封装的自恢复保险，以保证系统用电的安全，避免短路等意外情况发生。

为提高电源质量输入采用22uF电解电容和0.1uF瓷片电容滤波，输出采用10uF电解电容和0.1uF瓷片电容滤波。

DC-DC电路原理图如下所示：

图3.1系统电源

3.2单片机最小系统设计

STC89C52单片机我采用的封装为DIP-40，DIP-40引脚方便焊接和调试，使用方便，其引脚信息如表3-1所示：

引脚名

引脚编号

电源引脚

VCC为40、GND为20

外部时钟引脚

XTAL1为12、XTAL2为11

复位引脚

复位引脚为13

其他I/O或者功能引脚

除上述5个引脚以外

表3-1单片机引脚说明

图3.251单片机最小系统

40脚为单片机电源提供引脚外接5V直流电源，C3和C4用于电源的去耦，以提供良好的电源品质。

9脚为单片机复位引脚，当9脚的电平为高电平时单片机处于复位状态，为低时单片机正常运行，K1开关用来进行手动复位选择。

C1和R10共同组成单片机上电复位电路，当单片机接通电源以后由于C1两端的电压不会突变会有一个上升的过程，而C1和R10串接在VCC和地两端所以RST引脚的电压为VCC-电容电压，上电初期电容电压非常小，所以单片机处于复位状态，复位时间取决于R和C的取值，大约为R*C。

18和19脚为外部晶振接口，单片机的时钟由外部晶振和内部的晶体振荡电路组成，STC89C52单片机最高可以运行在40MHz，C2和C5为晶振电路负载电容，与晶振共同使时钟产生。

31引脚为内部或者外部存储器选择引脚，当31引脚为高电平时单片机的程序运行从内部FLASH执行，当寻址范围超过8K时使用外部存储器。

当31引脚为地电平时单片机默认为使用外部程序存储器。

3.3数码管显示电路设计

3.3.1数码管驱动芯片电路

为了节省IO和增加单片的IO驱动能力，采用74HC573三态锁存芯片驱动数码管。

74HC573包含八进制3态非反转透明锁存器，是一种高性能硅门CMOS器件。

LE为锁存控制端;OE为使能端。

八个锁存器都是透明的D型锁存器，当使能（G）为高时，Q输出将随数据（D）输入而变。

当使能为低时，输出将锁存在已建立的数据电平上。

输出控制不影响锁存器的内部工作，即老数据可以保持，甚至当输出被关闭时，新的数据也可以置入。

这种电路可以驱动大电容或低阻抗负载，可以直接与系统总线接口并驱动总线，而不需要外接口。

特别适用于缓冲寄存器，I/O通道，双向总线驱动器和工作寄存器。

其引脚分布为：

引脚

功能

1

OE低电平有效低电平时Q输出数据高电平Q输出高高阻态

2-9

D0-D7输入数据端兼容TTL和CMOS器件

10

电源地

11

LE引脚当是高电平是将Dn数据输入至D触发器

12-19

Q7-Q0数据输出端

20

提供电源2V-6V

表3-274HC573引脚功能

由于本设计中74HC573只作为一个驱动器使用所以我们将OE接地将LE接高电平即可。

其电路图如图所示：

图3.3数码管驱动电路

3.4红绿灯电路设计

红绿灯的功率较大需要一个驱动电路的连接才能提高足够的功率使LED灯发光，我采用的是ULN2003反相驱动器进行LED红绿灯的驱动。

ULN2003是大电流驱动阵列,多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电路中。

可直接驱动继电器等负载。

输入5VTTL电平，输出可达500mA/50V。

ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列,由七个硅NPN达林顿管组成。

该电路的特点如下:

ULN2003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是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品,具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。

图3.4ULN2003内部原理

ULN2003的1脚到7脚为控制信号输入可以兼容TTL或者COMS电平的器件，10脚到16脚为反相驱动端口，当对应的控制引脚为高电平时这些引脚输出低电平，输入低电平时输出高电平。

ULN2003驱动器输出端的二极管学名续流二极管，如果ULN2003的达林顿管输入端输入低电平使其截止，其驱动的元件是感性元件（电机等），则电流不能突变，此时会产生一个高压；如果没有二极管，达林顿管会被击穿，所以这个二极管主要起保护作用。

由于ULN2003是集电极开路输出，为了让这个二极管起到续流作用，必须将COM引脚（pin9）接在负载的供电电源上，只有这样才能够形成续流回路。

我的ULN2003应用电路如图所示，其中R1到R7电阻为限流电阻，应为LED为电流驱动型，但是为了使用的方便我们一般通过串联一个电阻使LED导通时限定在一个合适的电流。

LED本质上是一个发光二极管，导通时本身要产生压降，对于本设计使用的LED导通的压降大约为1.1V，最大的电流为40mA。

我们使用的这个电路供电电压为5V，由电路可知导通时的电流为：

I=（5-1.1）/100.算出I等于39mA所以符合我们的LED使用要求，可以达到驱动LED发光而不至于损坏的要求。

图3.5ULN2003驱动LED电路

3.5实时时钟电路设计

我采用DS1302的DIP-8封装，DS1302的引脚排列和功能如下：

8脚和1脚分别为Vcc1和Vcc2，其中Vcc1为后备电源，VCC2为主电源。

在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。

DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。

当Vcc2大于Vcc1＋0.2V时，Vcc2给DS1302供电。

当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。

2脚和3脚为X1和X2是外部晶体引脚，外接32.768kHz晶振，作为芯片的时钟信号。

4脚是GND，为芯片提供电源。

5脚RST（CE）是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。

RST输入有两种功能：

首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。

当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。

如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。

上电运行时，在Vcc>2.0V之前，RST必须保持低电平。

6脚I/O为单片机与DS1302的数据交换引脚，通信时序将在软件中介绍。

7脚SCK是三线SPI接口的时钟。

DS1302电路连接如图所示,其中X1为32.768KHz的晶振，C1为一个大电容用以备份当VCC2主供电断开的情况下仍能保证时钟运行一段时间（1/2个小时），C2为一个去耦电容用于保证芯片供电的质量，是系统运行稳定。

图3.6DS1302电路

第四章软件设计

4.1系统运行流程图

图4.1系统运行流程

系统运行流程如图所示，系统上电以后首先等待功能按键（KSTATE（特殊状态按键）、KYEL（夜间模式按键）、KALL（全亮按键））是否按下，如果该按键按下那么系统将会进入运行状态，系统运行主要在定时器1中断函数中和main函数中进行，交通灯的逻辑运行判断主要在定时器1的中断函数中执行，特殊状态和红绿灯时间的设定主要在主函数中执行。

主函数中的执行流程为等待特殊状态按键（KSTATE）、夜间模式（KYEL）和全亮按键（KALL）的按下，如果三个状态按键没有一个按键按下，主函数将只会刷新数码管，直到定时器中断的触发或者等待按键按下。

当KSTATE特殊状态按键按下时系统进入特殊状态点亮两个方向的红灯，同时等待再次KSTATE按键的按下才能退出。

当KYEL夜间模式按键按下时系统进入夜间状态点亮两个方向的黄灯，同时等待再次KYEL按键的按下才能退出特殊状态。

当KALL特殊状态按键按下时系统进入特殊状态点亮全部方向的黄红绿灯，同时等待再次KALL按键的按下才能退出。

每一个按键按下时进入状态后将会禁止计数器技术和中断的触发，再次按下该状态按键时退出时会恢复计数和中断恢复运行。

图4.2功能按键设定

中断函数中的运行逻辑为进入中断以后将会给TH1和TL1寄存器赋值TH1和TL1赋值为15535，单片机运行时钟为1MHz定时器最大值为65535所以没隔50000次技术进行中断一次也就是50ms。

设置一个计数变量count_ints，定时器1没中断一次count_ints加1如果count_ints等于20时监测到时间过了一秒系统状态计数变量sum_tim加上1同时count_ints清0。

sum_tim状态变量为一个循环计数变量，计数的最大值为左右红绿灯时间+上下红绿灯时间+2*黄灯时间，黄灯时间固定为5秒。

系统的状态如表4.1所示。

系统主要有S0～S3四个状态，通过状态判断灯的亮灭和加载数码管倒计时变量的值。

一个周期时间T

T=上下方向红灯时间+上下绿灯时间+黄灯是时间

上下红灯时间=左右方向绿灯时间+黄灯时间

T=左右绿灯时间+上下绿灯时间+黄灯时间*2

时间0T

左右方向

左右绿灯亮时间

黄灯亮

红灯亮

上下方向

红灯亮

上下绿灯亮时间

黄灯亮

状态S0S1S2S3

表4.1系统运行状态跳转表

4.2单片机编程方法和软件

4.2.1KeilC51软件介绍

单片机开发使用的是经典的单片机开发工具KeilC51软件。

KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。

其开发界面如图4.4所示。

Keil软件开发主要过程为建立工程、选择使用的单片机型号、建议一个C语言文本。

添加C语言文本到工程中、编辑文本即可、然后通过编译、调试、仿真、下载就可以实现整个系统了。

4.2.2单片机代码结构

图4.3单片机程序开发思想和结构

单片机软件分为3层，底层位接口定义将实际的接口名字定义为易于理解的别名以供Driver层编写的操作函数使用，第二层为一些基本的器件操作的函数封装，第三层为利用这些函数实现相关的功能。

这种方式利于单片机程序的移植，与功能的更改，程序也更加规范化。

图4.4Keil软件界面

4.3数码管驱动代码实现

数码管的驱动分为直接静态驱动和动态扫描驱动，静态驱动适合于少量位数的数码管，特点是亮度高不会出现闪烁灯情况，并且编程简单，但是需要的I/O口较多。

动态扫描驱动适合于多位数码管特点是需要的硬件资源相对较少，但是需要单片机定时刷新，利用LED灯的余晖来暂存视觉，通过高速的扫描和实现。

由于这个系统涉及8位的数码管加上我使用的51单片机资源有限所以采用动态扫描方式。

数码管显示扫描代码如下所示：

voidDisplay（ucharSXT,ucharZYT）//SXT表示上下的数码管的显示值

{

uchartemp;