基于单片机的智能交通信号灯控制系统设计.docx
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基于单片机的智能交通信号灯控制系统设计
本科毕业设计论文
题目基于单片机的智能交通信号灯控制系统设计
专业名称电子信息工程
学生姓名
指导教师
毕业时间
毕业
设计
任务书
论文
一、题目
基于单片机的智能交通信号灯控制系统设计
二、指导思想和目的要求
指导思想:
利用所学的理论知识,通过毕业设计,培养学生综合运用所学基础理论、专业知识、基本技能来解决具体的工程技术问题的能力,提高学生的实际动手能力和专业技能,为学生能够胜任第一任职打下坚强的基础。
目的要求:
在毕业设计(论文)过程中,学生要认真对待毕业设计的每一个环节,根据任务书的技术要求,认真分析和设计,在规定期限内独立地、按质按量地完成毕业设计任务。
认真地撰写毕业论文,做到层次结构清晰、语言流畅、书写规范。
三、主要技术指标
1、红绿灯点亮时间可以调节,调节范围:
0~99S。
2、黄灯在红绿灯切换时点亮3S。
数码显示红绿灯切换所剩的秒数值。
3、显示图形或数码稳定、无串扰。
4、具有遥控功能。
四、进度和要求
第1周搜集相关参考资料,熟悉设计内容(包括功能、性能)的需求,学习电气量的采集与传输系统的基本原理。
完成开题报告;
第2周参照相关参考资料,复习有关应用硬件、软件的基本设计方法,学习外围电路设计方法及主要参数选择依据;学习Protel99SE软件使用方法;
第3周参照相关参考资料,完成系统方案设计;学习Protel99SE软件使用方法;
第4周硬件电路设计,主要工作包括:
输入信号调理电路、保护电路,提出主电路的元器件明细学习Protel99SE软件使用方法;
第5周硬件电路设计,主要工作包括:
人机交互硬件电路设计,数据上传接口电路,提出主电路的元器件明细。
学习Protel99SE软件使用方法;
第6周系统软件结构框图与数据流程图设计;
第7周完成采集软件与数据分析软件设计;
第8周数据显示软件设计;
第9周数据接受软件设计;
第10周学习调试电路的基本方法,以及基本调试工具,如示波器、万用表的使用方法;
第11~12周系统分功能调试;
第13周论文撰写;
第14周论文撰写、打印与装订,毕业设计论文答辩。
五、主要参考书及参考资料
[1]MCS-51系列单片机实用接口技术李华北京航空航天大学出版社
[2]微型计算机控制技术潘新民人民邮电出版社
[3]ATMEL89系列单片机应用技术余永权北京航空航天大学出版社
[4]单片机应用程序设计技术(修订版)周航慈北京航空航天大学出版社
学生指导教师系主任
摘要
近年来随着科技的飞速发展,单片机的应用正在不断深入,同时带动传统控制检测技术日益更新。
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软硬件结合,加以完善。
十字路口车辆穿梭,行人熙攘,车行车道,人行人道,有条不紊。
那么靠什么来实现这井然秩序呢?
靠的就是交通信号灯的自动指挥系统。
交通信号灯控制方式很多。
本系统采用MCS-51系列单片机AT89S52为中心器件来设计交通灯控制器,实现了能根据实际车流量通过8051芯片的P3口设置红、绿灯燃亮时间的功能;红绿灯循环点亮,倒计时剩3秒时黄灯闪烁警示(交通灯信号通过P1口输出,显示时间通过P0口输出至双位数码管)。
本系统设计周期短、可靠性高、实用性强、操作简单、维护方便、扩展功能强。
关键词:
AT89S52单片机,交通灯
ABSTRACT
Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,theapplicationofSCMisgoingdeep,drivingthetraditionaldetectiontechniquestorenewdaybyday.Inthereal-timeexaminationandintheautomaticcontrolmonolithicintegratedcircuitapplicationsystem,themonolithicintegratedcircuitoftentookacorepartuses.Themonolithicintegratedcircuitaspectknowledgeisonlyinsufficient,butshouldalsoactaccordingtotheconcretehardwarearchitecturesoftwareandhardwareunion,tobeimproved.
Theintersectionvehiclesshuttle,thepedestrianisbustling,cardealershiptrafficlane,personsidewalk,methodical.Thendependingonwhattorealizesthisorderlyorder?
thetrafficlightsontheautomaticcontrolsystem.Therearegreatnumberkindsofmodestocontrolthetrafficlights.ThesystemusesaseriesofMCS-51asthecenterAT89S52single-chipdevicedesignedtocontrolthetrafficlights,soastorealizethefunctionofsettingred,greenlighttimeby8051chip’sP3portaccordingtotheactualtrafficflows,lightingthered-lightandgreen-lightbyturnandlightingtheyellow-lighttowarmwhile5secondsleft(outputtingthetrafficlightsignalbyP1,outpuingthetimebyP0andshowingthetimeondouble-digitsnixietube).Shortofthedesigncycle,highreliability,practical,simpleoperation,easymaintenance,theexpansionofpowerfulisthissystem.
KEYWORDS:
SCM,AT89S52,trafficlight
前言
随着我国国民经济的迅速发展,城市街道车辆大幅度增长,给城市交通带来巨大压力,交通拥堵已经成为影响城市可持续发展的一个全局性问题。
而街道各十字路口,又是车辆通行的瓶颈所在。
已有的许多建立在精确模型基础上的交通系统控制方案都存在着一定的局限性。
研究车辆通行规律,找出提高十字路口车辆通行效率的有效方法,对缓解交通阻塞,提高畅通率具有十分现实的意义。
地面道路是一个庞大的网络,交通状况十分复杂,使目前交通灯控制器的单一时段控制已不能满足现代交通流量的多变性,特别是在交通流量高峰时,往往会造成交通路口的通过率下降,甚至出现交通混乱现象,城市的交通拥挤问题正逐渐引起人们的注意。
道路平面交叉口(简称交叉口)是交通网中通行能力的“隘口”和交通事故的“多发源”,国内外城市的交通事故约有一半发生在交叉口。
因此,交叉口这个事故多发源不能不引起人们的高度关注。
随着交通技术、电子技术的发展及微机技术的应用,人们设计出了适应各种需要的交通检测器、信号控制机和交通信号灯。
交通灯是交管部分管理城市交通的重要工具。
现在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、车辆分流发挥着作用。
目前绝大部分交通灯其时间都是设定好的,采用的是单段式定时控制或多段式定时控制,其最大的缺点是绿灯时间和绿信比是固定的或是分时段固定的,且最佳绿灯时间和最佳绿信比的整定较为困难,需要大量的实测统计数据,且很多情况下整定所得值并不是最优的,甚至是不合理的。
控制起来都不是很灵活,这使得城市车流的调节不能达到最优。
与传统的交通控制系统相比,该控制系统有一定的智能水平和很强的控制能力。
[1]
第1章绪论
1.1选题的意义与背景
城市交通控制系统主要是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统,它已经成为现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。
因此,如何利用先进的信息技术改造城市交通系统已成为城市交通管理者的共识。
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。
随着经济的发展,交通运输中出现了一些传统方法难以解决的问题。
道路拥挤现象日趋严重,造成的经济损失越来越大,并一直保持大比例的增长。
现在交通系统已不能满足经济发展的需求。
由于生活水平的提高,人们对交通运输的安全性及服务水平提出了更高的要求。
在交通中管理引入单片机交通灯控制代替交管人员在交叉路口服务,有助于提高交通运输的安全性、提高交通管理的服务质量。
并在一定程度上尽可能的降低由道路拥挤造成的经济损失,同时也减小了工作人员的劳动强度。
高效的交通灯智能控制系统是解决城市交通问题的关键。
随着经济的快速发展,城市中的车辆逐渐增多,交通拥挤和堵塞现象日趋严重,引起交通事故频发、环境污染加剧等一系列问题。
本设计采用单片机控制,实现交通信号灯的智能控制。
系统根据东西和南北两个方向的车辆情况,自动进行定时控制和智能控制方式的切换,当某一方向没有车辆时,系统会自动切换使另一方向车辆通行。
当两个方向都有车辆时,按照定时控制方式通行。
本设计与普通的交通信号控制系统相比,其优点是可根据路口情况的不同,对交通灯进行差异化控制,从而达到使道路更为通畅的目的,最大限度的缓解交通拥挤情况。
由于我国经济的快速发展从而导致了汽车数量的猛增,大中型城市的城市交通,正面临着严峻的考验,从而导致交通问题日益严重,其主要表现如下:
交通事故频发,对人类生命安全造成极大威胁;交通拥堵严重,导致出行时间增加,能源消耗加大;空气污染和噪声污染程度日益加深等。
日常的交通堵塞成为人们司空见惯而又不得不忍受的问题,在这种背景下,结合我国城市道路交通的实际情况,开发出真正适合我们自身特点的智能信号灯控制系统已经成为当前的主要任务。
随着电子技术的发展,利用单片机技术对交通灯进行智能化管理,已成为目前广泛采用的方法。
1.2国内的发展现状
交通信号控制系统是现代城市交通控制和疏导的主要手段。
而作为城市交通基本组成部分的平面交叉路口,其通行能力是解决城市交通问题的关键,而交通信号灯又是交叉路口必不可少的交通控制手段。
随着计算机技术和自动控制技术的发展,以及交通流理论的不断发展完善,交通运输组织与优化理论、技术的不断提高,国内外逐步形成了一批高水平有实效的城市道路交通控制系统。
国内应用和研究城市交通控制系统的工作起步较晚,20世纪80年代以来,国家一方面进行以改善城市市中心交通为核心的UTSM(urbantrafficsys—temmanage)技术研究;另一方面采取引进与开发相结合的方针,建立了一些城市道路交通控制系统。
以北京、上海为代表的大城市,交通控制系统主要是简易单点信号机、SCOOT系统、TRANSYT系统和SCATS系统其中几个结合使用;而如湘潭、岳阳等国内中小城市,交通控制系统主要还是使用国产的简易单点信号机和集中协调式信号机。
这些信号系统虽然取得了较好的效果,但我国实际情况决定了需要对这些系统进行改进。
[2]
1)需要完善信号控制。
现有的单点信号控制系统一般只能实现两相位控制,存在一定的局限性。
而实际中,如果根据交叉路口的情况,适当采用多相位控制、变相序控制,可减少交叉路口的交通冲突,提高交通的安全性。
2)需要合理解决混合交通流问题。
现有信号控制系统对自行车流大多是与机动车同时开始,容易造成交通流冲突。
因此,需要设计一种信号系统能对各个相位包括对自行车流单独进行控制。
3)实现区域网络协调控制。
目前,虽然在我国的几个大城市,引进或研制了具有区域控制功能的集中式计算机控制系统,但对于中小城市来说,建立这样庞大的系统一方面代价高昂,另一方面实际利用效率不高。
为了解决这一情况,在国内的中小城市应大量推广小型区域网络协调控制信号系统。
4)对于小型的路口,应研制并设计能够对交通流量进行监测得交通信号灯系统。
中国车辆数量不断增加,交通控制在未来的交通管理中起着越来越重要的作用。
智能交通灯的管理比重修一条马路无论在经济、交通运行速率上都有很好的效益、更加节约资源。
使交管人员有更多的精力投入到管理整个城市交通控制,带来更大的经济和社会效益,为创造美好的城市交通形象发挥更多的作用。
第2章需求分析和性能分析
2.1需求分析
本设计主要是为了针对随着社会发展所出现的道路超负荷承载的情况,设计一个新型的交通控制系统。
随着人们的消费水平不断的提高,私人车辆不断的增加。
人多、车多道路少的道路交通状况已经很明显了。
车辆的增加反映出了国家的整体进步,但是也给人民带来了其他的一些负面的影响。
当前全国大中城市普遍存在着道路拥挤、车辆堵塞、交通秩序混乱的现象,如何解决城市交通问题已成为全社会关注的焦点和大众的迫切呼声。
城市交通路口实现交通信号控制是城市交通管理现代化的基本标志之一,是提高交通管理效能的重要技术手段。
红绿灯控制器是控制交叉路口交通信号的设备,它是交通信号控制的重要组成部分。
各种交通控制方案,最终都要由红绿灯控制器来实现。
2.2设计内容及要求
本设计应用单片机最小系统实现简易交通灯的设计,可利用单片机的定时器产生秒信号,控制十字路口的红绿黄灯交替点亮和熄灭,并且用5只2位8段数码管显示十字路口两个方向的剩余时间和南北方向绿灯时间,消除司机的烦躁情绪。
并能用按键设置两个方向的交通灯的红、绿灯亮灯时间,黄灯亮的时间不可改变,预定3秒钟,通过按键使交通灯控制有强制通行功能。
系统的工作符合一般交通灯控制要求。
本设计综合应用单片机原理、微机原理、单片机接口技术、单片机仿真系统的使用、C语言的编程,中断系统和定时器的应用等知识。
使交通灯在控制中灵活而有效。
本设计将程序结构模块化处理,使程序的可读性、可维护性和可移植性都得到进一步的提高。
本系统结构简单,操作方便;可实现自动控制;对优化城市交通具有一定的意义。
[3]
2.3开发环境以及软件
1)WINDOWS7系统
2)PROTEUS7.5电子设计软件
3)KEIL4软件
4)PROTEL99SE印制电子线路板软件
2.4设计思路
1)设计一个十字路口交通灯控制电路,根据设定好的周期时间能够指挥车辆在十字路口完成直行运行。
往南和往北的信号一致,即红灯(绿灯或黄灯)同时亮或同时熄灭。
用2个2位8段数码管来显示被点亮的指示灯还将点亮多久。
往东和往西方向的信号一致,其工作方式与南北方向一样,也采用两个数码管来倒计时。
2)当南北方向为绿灯和黄灯时,东西向的红灯点亮禁止通行;而东西方向为绿灯和黄灯时,南北向的红灯点亮禁止通行。
程序开始运行先南北段通行、东西段禁止60秒,后东西段通行、南北段禁止40秒,依此循环。
系统分三种工作模式:
正常模式、特殊模式,并且通过按键使“正常”“特殊”可相互转化。
正常模式下直行时间显示数码管显示60。
此时南北段直行通行(绿灯)、东西段禁止(红灯)60秒,同时南北段和东西段方向的数码管从60秒开始倒计时,至最后3秒时南北段绿灯变成黄灯闪烁;而后东西段直行通行(绿灯)、南北段禁止(红灯)40秒,同时东西段和南北段方向的数码管从40秒开始倒计时,至最后3秒时东西段绿灯变成黄灯闪烁;依次循环。
3)特殊模式下特殊模式灯亮,南北段、东西段的通行时间改为99秒,可以设置南北或东西方向强制通行。
按键可以设置红绿灯的持续时间,默认是南北60秒,东西40秒,按键“+”可以使东西南北各加5秒,按键“-”可以使东西南北各减5秒;上限是南北绿灯99秒,东西绿灯79秒,下限是南北绿灯30秒,东西绿灯10秒。
第3章方案的比较、设计和论证
3.1供电方案:
为使模块稳定工作,须有可靠电源
本设计考虑了两种电源方案:
方案一:
采用独立的稳压电源。
此方案的优点是稳定可靠,且有各种成熟电源可供选用;
方案二:
采用单片机控制模块提供电源。
本方案的优点是系统简明扼要,节约成本;缺点是输出功率不高。
考虑到实际情况和电路的简洁,本设计采用了第一套方案。
3.2显示界面方案
本设计涉及到倒计时、状态灯等功能。
基于功能需求,本设计考虑如下二个方案:
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。
方案二:
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。
考虑到实际情况和电路的简洁,本设计采用了第一套方案。
3.3输入方案
方案一:
采用8155扩展I/O口及键盘,显示等。
该方案的优点是:
使用灵活可编程,并且有RAM,及计数器。
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:
直接在I/O口线上接上按键开关。
该方案优点是:
编程更加简洁,使用更加简单,且成本更低,缺点就是功能有限。
综合考虑本设计的实际需要,在使用输入的时候不需要过于复杂的功能,故采用方案二。
[4]
3.4系统设计
3.4.1硬件系统组成框图
图3-4-1硬件系统
3.4.2单片机介绍
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代的发展,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,以及低电压低功耗。
本设计选用了市面上较为常见的AT89S52单片机(如右图),AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。
AT89S52具有以下标准功能:
8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。
另外,AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
图3-4-2单片机管脚
P0口:
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口,每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时,引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时,P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下,P0不具有内部上拉电阻。
在Flash编程时,P0口也用来接收指令字节;在程序校验时,输出指令字节。
程序校验时,需要外部上拉电阻。
P1口:
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
此外,P1.0和P1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和定时器/计数器2的触发输入(P1.1/T2EX)。
在Flash编程和校验时,P1口接收低8位地址字节。
引脚号第二功能:
P1.0T2(定时器/计数器T2的外部计数输入),时钟输出
P1.1T2EX(定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制)
P1.5MOSI(在系统编程用)
P1.6MISO(在系统编程用)
P1.7SCK(在系统编程用)
P2口:
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2输出缓冲器能驱动个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器(例如执行MOVX@DPTR)时,P2口送出高八位地址。
在这种应用中,P2口使用很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址(如MOVX@RI)访问外部数据存储器时,P2口输出P2锁存器的内容。
在Flash编程和校验时,P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
P3口:
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,p3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P3端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
P3口亦作为AT89S52特殊功能(第二功能)使用,如下表所示。
在Flash编程和校验时,P3口也接收一些控制信号。
端口引脚第二功能:
P3.0RXD(串行输入口)
P3.1TXD(串行输出口)
P3.2INTO(外中断0)
P3.3INT1(外中断1)
P3.4TO(定时/计数器0)
P3.5T1(定时/计数器1)
P3.6WR(外部数据存储器写选通)
P3.7RD(外部数据存储器读选通)
此外,P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。
RST:
复位输入。
当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。
ALE/PROG:
当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下,ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是:
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对FLASH存储器编程期间,该引脚还用于输入编程脉冲(PROG)。
如有必要,可
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