畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書丁字路口智能交通燈設(shè)計

1、三峽大學(xué)成教學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 丁字路口智能交通燈設(shè)計 系 部 機電工程學(xué)院 專 業(yè) 機電一體化 學(xué)生姓名 王 偉 翔 指導(dǎo)教師 李 寒 生 提交日期 2013 年 9 月 5 日 成教學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）課題任務(wù)書（ 2013 -2014學(xué)年）課題名稱“丁”字路口智能路燈系統(tǒng)設(shè)計學(xué)生姓名王偉翔專業(yè)機電一體化學(xué)號11301320234指導(dǎo)教師李寒生任務(wù)書下達(dá)時間2013年06月課題概述：2007年，宜昌城區(qū)沿江大道完成了刷黑工程改造，新修的柏油馬路寬廣平整、干凈整潔，成為了城區(qū)一道亮麗的風(fēng)景線。同時，柏油馬路有效地減輕了路面灰塵，降低了車輛行駛噪音，改善了路邊行人及道路旁居民的生存環(huán)境

2、。但是，美中不足的是新裝的路燈控制系統(tǒng)卻不能使汽車通行效率達(dá)到最優(yōu)化。很多沿江行駛車輛在“丁”字路口沒有行人橫過馬路的時候卻依舊要停下來等待，這樣不但浪費了司機及乘客時間，而且車輛在等待過程中因發(fā)動機空轉(zhuǎn)浪費了能源，還產(chǎn)生了大量的污染氣體。本課題旨在通過單片機設(shè)計一種智能路燈控制系統(tǒng)，以達(dá)到車輛的最大通行效率而又影響行人的過馬路行為。本次設(shè)計首先對路口交通運行情況進行分析，然后確定具體控制要求再開發(fā)設(shè)計整個控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，最后編制具體的程序完成系統(tǒng)設(shè)計。通過完成整個路燈系統(tǒng)的設(shè)計，可以讓學(xué)生既掌握鞏固以往所學(xué)的理論知識又具備熟練應(yīng)用單片機進行編程和處理實際問題的能力。要求閱讀或檢索的參考資料及

3、文獻（包括指定給學(xué)生閱讀的外文資料）：1. 51單片機相關(guān)教材。2. 51單片機接口相關(guān)教材。3. proteus及keil軟件使用指導(dǎo)書。4. 51單片機工程樣例實現(xiàn)相關(guān)書籍。第 17 頁 目錄摘要錯誤！未定義書簽。一 方案設(shè)計與論證51.1 方案論證51.2 系統(tǒng)設(shè)計5二 硬件電路設(shè)計72.1 總體設(shè)計框圖72.2 各模塊設(shè)計72.2.1單片機最小應(yīng)用系統(tǒng)及接口電路72.2.2車輛流量檢測模塊82.2.3顯示模塊8三 軟件設(shè)計103.1 程序設(shè)計103.2 調(diào)試記錄及結(jié)果分析113.2.1 硬件調(diào)試：113.2.2 軟件調(diào)試：11四 總結(jié)12附錄a 硬件電路圖13附錄b proteus仿真

4、圖14附錄c 程序清單15摘 要：隨著我國經(jīng)濟建設(shè)快速發(fā)展，我國已成為全世界機動車擁有量增長最快的國家， 目前國內(nèi)機動車擁有量已達(dá)2千多萬輛，而這一數(shù)字仍呈快速上升的趨勢。而我國的經(jīng)濟條件有限，短時間內(nèi)立交橋不能普及，決定了現(xiàn)階段十字路口的大量存在。近年來，車輛數(shù)目的增長遠(yuǎn)超過了道路的建設(shè)進而引起了交通堵塞，加大了空氣污染?，F(xiàn)在的交通紅綠燈信號時間都是按照固定程序變化，未考慮實際車流量和車輛狀況，容易出現(xiàn)如下弊端：當(dāng)某條路段的車流量很大時卻要等待紅燈，而此時另一條是空道或車流量相對少得多的道卻長時間亮的是綠燈，這種多等少的尷尬現(xiàn)象是未對實際情況進行實時監(jiān)控所造成的，不僅讓司機乘客怨聲載道，而且

5、對人力和物力資源也是一種浪費。另外，我們注意到當(dāng)交通燈系統(tǒng)停止電力供應(yīng)時，會引發(fā)交通混亂，堵塞更加嚴(yán)重。一方面，交通堵塞引起了很大的經(jīng)濟損失。僅以北京為例，北京市現(xiàn)有機動車擁有量已經(jīng)突破200萬量。按照50的上路率，一天就有100萬輛的汽車上路。機動車在遇到紅燈等情況下停止然后再啟動，一停一開啟動一次造成的機械和燃油損失是0.30.5元。如果僅以 100萬輛機動車一天啟動一次的損耗計算，費用也在30萬元到50萬元之間，那么一年的損失總量就達(dá)到1.2億！經(jīng)過粗略推算，已經(jīng)得出北京市一年因為交通堵塞所造成的損失有121.2億元！相比于北京2004年3300億元的gdp總量，可以發(fā)現(xiàn)交通堵塞造成的損

6、失相當(dāng)于gdp總量的3.6%！另一方面，汽車由于長時間等在十字路口，造成這一區(qū)域尾氣污染和噪聲污染明顯加重。目前我國很多大城市的尾氣污染相當(dāng)嚴(yán)重。汽車尾氣不但對人體有直接危害，還會破壞地球臭氧層，使地球表面溫度升高，在生態(tài)和地球化學(xué)方面造成災(zāi)難。據(jù)估計，我國每年環(huán)境污染損失大約3000億元，其中汽車尾氣造成的大氣污染損失高達(dá)60億元。汽車噪聲的危害也很大，除了損傷人的聽力以外，還會使人心緒不寧、心跳加快、血壓增高。 因此對汽車尾氣，噪聲等參數(shù)的檢測和改善，對環(huán)境、經(jīng)濟和社會資源有深遠(yuǎn)意義。所以，解決交通堵塞問題迫在眉睫。本系統(tǒng)采用msc-51系列單片機atsc51為中心器件來設(shè)計智能交通燈控制

7、器，可以有效解決現(xiàn)有路口交通效率低的問題，交通暢通進而可以降低路口附近尾氣和噪聲等污染，而且減少堵車很大程度上可以節(jié)約能源，也能夠緩解石油緊缺的問題。另外，本系統(tǒng)采用清潔能源太陽能，能節(jié)約電能，并解決由電力無法供應(yīng)而引起的交通混亂問題。本系統(tǒng)也可根據(jù)噪聲污染程度適當(dāng)調(diào)節(jié)交通燈時長，另外，這些數(shù)據(jù)的顯示可增強人們的環(huán)保意識。本系統(tǒng)的使用可以提高交通效率，有效減少行人在路上浪費的時間，使社會更加和諧 。1 方案設(shè)計與論證1.1 方案論證交通系統(tǒng)智能控制是目前交通研究的方向。少數(shù)幾個發(fā)達(dá)國家已經(jīng)采用智能方式來控制交通信號，其中主要運用gps全球定位系統(tǒng)等。采用智能交通系統(tǒng)，被國際上公認(rèn)為是解決交通矛

8、盾投資最少效果最好的途徑。它可以減少塞車時間最高達(dá)45%，能使交通工具的使用率提高50%以上，道路利用率提高80%甚至一倍以上。目前，在我國少數(shù)幾個城市先后引進國外先進的智能交通燈，但其成本高，復(fù)雜，不宜推廣。同時也有部分研究者做過類似研究，但其技術(shù)不夠成熟，在實際中也未得到廣泛應(yīng)用。有學(xué)者提出一種基于agent的智能交通控制系統(tǒng)，并對各agent及其交互進行建模，闡述了各agent交互協(xié)調(diào)的過程。在該系統(tǒng)中，每個交通元素被定義為具有自主性、適應(yīng)性和合作協(xié)調(diào)性的智能化agent。各agent可自主地進行道路數(shù)據(jù)采集、處理，并通過相互通信實現(xiàn)資源共享，從而使每個交通元素都具有足夠的智能參與交通的

9、智能化決策，在很大程度上降低交通系統(tǒng)中的不確定因素和不完備信息對交通穩(wěn)定性的影響，提高了交通控制的精確度。 基于我國城市道路交通控制的現(xiàn)狀，也有人提出一種新的控制方案，采用模糊控制的算法，通過初始綠燈時間和相位轉(zhuǎn)換的模糊設(shè)定，建立擬人化的多相位信號燈智能控制，并由性能優(yōu)越的plc承擔(dān)主要的控制任務(wù)。經(jīng)實驗表明，這種控制方法對減少車輛平均延誤時間具有明顯的控制效果同時還有學(xué)者用虛擬儀器，虛擬儀器是第4代儀器，優(yōu)良的特點使其成為新的仿真平臺。本文介紹了一種利用自組織競爭神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制信號燈相位的方法，詳述了其原理和實施方法，并且在labview環(huán)境下進行了仿真試驗。 對于應(yīng)用方面，一些城市通過攝像系

10、統(tǒng)監(jiān)控路口車流量的方法，但是這樣必須有人員在監(jiān)控，人工處理，不能做到智能化。所以，現(xiàn)在在我國沒有大量普及。本系統(tǒng)采用了一種簡單的方法實現(xiàn)，具體如下。1.2 系統(tǒng)設(shè)計本系統(tǒng)主要包括以下三個模塊： 車流量檢測系統(tǒng)控制系統(tǒng)80c51顯示系統(tǒng) 系統(tǒng)模塊圖1、 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)包括消息接受設(shè)備及信息處理裝置，而信息處理裝置主要由單片機為處理器的裝置。先尋找最優(yōu)的控制策略，再設(shè)計制作實驗板及控制面板，主要以單片機為處理器，再根據(jù)控制策略設(shè)計相應(yīng)的控制程序。主控單片機采用一片80c51。根據(jù)需求，充分利用了單片機靈活控制的優(yōu)點，發(fā)揮其優(yōu)勢功能，提高了系統(tǒng)的靈活性，設(shè)置方便。利用單片機產(chǎn)生的時鐘信號控制交通信

11、號燈達(dá)到控制路口通行時間的效果。80c51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)flash閃速存儲器，256字節(jié)內(nèi)部ram，40個i/o口線，3個16位定時/計數(shù)器，一個6向量兩極中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，80c51可降至0hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止cpu的工作，但允許ram，定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作，掉電方式保存ram中的內(nèi)容振器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位。2、 車流量檢測系統(tǒng)車流量檢測系統(tǒng)主要用電磁感應(yīng)線圈或者紅外線感應(yīng)裝置實現(xiàn)，用來檢測車流量。首先調(diào)查并選擇合適的檢測點，埋設(shè)感應(yīng)線圈或安

12、置紅外線感應(yīng)裝置。3、 顯示系統(tǒng)顯示系統(tǒng)可顯示紅綠燈及倒計時?；灸Ｐ腿缦聢D：系統(tǒng)基本模型 2硬件電路設(shè)計2.1 總體設(shè)計框圖總體設(shè)計系統(tǒng)總框圖(如圖2.1所示)：接口電路單片機小系統(tǒng)倒計時模塊顯示模塊車輛流量檢測模塊2.1系統(tǒng)設(shè)計總框圖其中，單片機小系統(tǒng)為系統(tǒng)的主控制器，用以控制其他模塊協(xié)調(diào)工作。車輛流量檢測模塊用以采集路況信息，送給單片機。顯示燈模塊用以顯示各車道的通行情況(紅燈表示該車道禁止通行，綠燈表示該車道允許通行，黃燈為中間過渡時間)；倒計時模塊用以顯示等待時間。接口電路連接單片機和顯示計時模塊。2.2 各模塊設(shè)計2.2.1單片機最小應(yīng)用系統(tǒng)及接口電路單片機選擇8051芯片，它是i

13、bitel公司推出的采用hmos工藝制造的雙列直插(dw)式芯片。其片內(nèi)有4kb可編程的程序存儲器、具有256個字節(jié)的片內(nèi)ram、具有32條可編程的io端口線、具有2個16位的可編程定時計數(shù)器、有5個中斷源和一個全雙工串行通信口，最高工作頻率可達(dá)24mhz，完全可以滿足本系統(tǒng)的需要。對交通燈的控制主要用其中的計數(shù)器定時來完成。一方面要完成對各模塊的控制，另一方面也要協(xié)調(diào)好各模塊的時序及口線沖突問題。本系統(tǒng)擴展了一塊intel公司生產(chǎn)的可編程輸入輸出接口蒼片8255，它具有3個8位的并行io口，有三種工作方式，使用靈活，通用性強，很適宜作為單片機與多種外圍設(shè)備連接時的中間接口電路(如圖2.2所示

14、)。圖2.2單片機小系統(tǒng)及接口電路2.2.2車輛流量檢測模塊車流量檢測系統(tǒng)主要用電磁感應(yīng)線圈或者紅外線感應(yīng)裝置實現(xiàn)，用來檢測車流量。首先調(diào)查并選擇合適的檢測點，埋設(shè)感應(yīng)線圈或安置紅外線感應(yīng)裝置。由于我們所需要的傳感器信號只要表征車輛在一定的位置上停留的時間長度，所以傳感器系統(tǒng)可采用低成本的hi一11acl00型壓電式傳感器。為每一車道距離十字路口200m遠(yuǎn)的地段安裝2條，傳感器并列相距為3m，將傳感器信號輸出端用電纜與單片機的模擬接口連接。本系統(tǒng)用按鍵s1、s2模擬兩車道的檢測信號，當(dāng)s1、s2為高電平(不按按鍵)時，表示有車，當(dāng)sl、s2為低電平(按下按鍵)時，表示無車。sl、s2相同時屬于

15、正常情況，s1、s2不相同時屬于一道有車另一道無車的情況。依此產(chǎn)生中斷。2.2.3顯示模塊交通燈顯示模塊：整個交通燈顯示模塊由8255的pa口控制，以6個發(fā)光二極管模擬雙向十字路口的紅、黃、綠燈，該電路含741s373(數(shù)據(jù)鎖存器)和限流電阻，可使交通燈正常工作。電路見圖2.3led倒計時顯示模塊：單片機從定時數(shù)據(jù)區(qū)取得延時時間后，由定時器t0控制延時，然后從8255的pb口送顯示碼，從8255的pc口送位選碼，在兩個數(shù)碼管上動態(tài)掃描顯示剩余時間。電路見圖2.4圖2.3交通燈模擬顯示電路圖2.4 led倒計時顯示模塊3軟件設(shè)計3.1 程序設(shè)計 程序流程圖如下圖：開始顯示系統(tǒng)初始化等待接收控制權(quán)

16、已接到？ny流量是否過大顯示時間30秒n根據(jù)流量適當(dāng)增加延遲時間 y顯示紅綠燈及倒計時y獎控制權(quán)移交給其它路口圖3.1主程序流程圖程序清單:見附錄c。3.2 調(diào)試記錄及結(jié)果分析3.2.1 硬件調(diào)試： 硬件調(diào)試是利用dvcc實驗與開發(fā)系統(tǒng)、基本測試儀器（萬用表、示波器等），檢查用戶系統(tǒng)硬件中存在的故障。硬件調(diào)試可分為靜態(tài)調(diào)試與動態(tài)調(diào)試兩步進行。靜態(tài)調(diào)試是在用戶系統(tǒng)未工作時的一種硬件檢測。第一步：目測。檢查外部的各種元件或者是電路是否有斷點。第二步用萬用表測試。先用萬用表復(fù)核目測中有疑問的連接點，再檢測各種電源線與地線之間是否有短路現(xiàn)象。第三步加電檢測。給板加電，檢測所有插座或是器件的電源端是否符

17、合要求的值 第四步是聯(lián)機檢查。因為只有用單片機開發(fā)系統(tǒng)才能完成對用戶系統(tǒng)的調(diào)試。 動態(tài)調(diào)試是在用戶系統(tǒng)工作的情況下發(fā)現(xiàn)和排除用戶系統(tǒng)硬件中存在的器件內(nèi)部故障、器件連接邏輯錯誤等的一種硬件檢查。動態(tài)調(diào)試的一般方法是由近及遠(yuǎn)、由分到合。由分到合是指首先按邏輯功能將用戶系統(tǒng)硬件電路分為若干塊，當(dāng)調(diào)試電路時，與該元件無關(guān)的 器件全部從用戶系統(tǒng)中去掉，這樣可以將故障范圍限定在某個局部的電路上。當(dāng)各塊電路無故障后，將各電路逐塊加入系統(tǒng)中，在對各塊電路功能及各電路間可能存在的相互聯(lián)系進行調(diào)試。由分到合的調(diào)試既告完成。由近及遠(yuǎn)是將信號流經(jīng)的各器件按照距離單片機的邏輯距離進行由近及遠(yuǎn)的分層，然后分層調(diào)試。調(diào)試時

18、，仍采用去掉無關(guān)元件的方法，逐層調(diào)試下去，就會定位故障元件了。3.2.2 軟件調(diào)試：軟件調(diào)試是通過對程序的匯編、連接、執(zhí)行來發(fā)現(xiàn)程序中存在的語法錯誤與邏輯錯誤并加以排除糾正的過程。用proteus加載hex文件，進行仿真，仿真結(jié)果見附錄b。4總結(jié)本系統(tǒng)是以單片機at89c51芯片為核心部件，實現(xiàn)了能根據(jù)實際車流量通過at89c51芯片設(shè)置紅、綠燈燃亮?xí)r間的功能。此次在軟件上是花費時間最多的，我們上網(wǎng)找資料，上圖書館，盡可能的了解有關(guān)于交通燈這方面的知識。通過這次畢業(yè)設(shè)計，使我得到了一次用專業(yè)知識、專業(yè)技能分析和解決問題全面系統(tǒng)的鍛煉。使我在單片機的基本原理、單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)過程，以及在常用編

19、程設(shè)計思路技巧的掌握方面都能向前邁了一大步。附錄a 硬件電路圖附錄b proteus仿真圖proteus仿真圖：附錄c 程序清單 org 0000h sjmp a3 ;四盞紅燈亮 a3: mov sp, #60h mov a, #24h mov p1, a clr p3.4 clr p3.3 setb p3.5 setb p3.2 ;顯示5秒 mov r4, #05hloop1: mov r2, #03h lcall xian ;調(diào)顯示子程序 djnz r4, loop1 mov r4, #00h mov r2, #03h lcall xian ;東西綠燈亮，南北紅燈亮a2: mov a, #

20、0ch clr p3.5 mov p1, a setb p3.3 clr p3.4 setb p3.2 ;顯示20秒 mov r4, #14h loop2: mov r2, #03h lcall xian ;調(diào)顯示子程序 djnz r4, loop2 mov r4, #00h mov r2, #03h lcall xian ;調(diào)顯示子程序 setb p3.2 clr p3.3 ; 顯示5秒 mov r4 ,#05h ;東西黃燈亮，南北紅燈亮 loop9: mov a, #14h mov p1, a clr p3 .5 setb p3.4 mov r2, #02h lcall xian ;調(diào) 顯

21、示子程序 mov r2,#01h ;定時 lcall delay ;調(diào)延時子程序 ;南北紅燈亮 mov a , #04h mov p1, a clr p3.4 clr p3.5 mov r2,#01h ;定時 lcall delay ;調(diào)延時子程序 djnz r4, loop9 mov r4, #00h mov r2,#03h lcall xian ;調(diào)顯示子程序 ;東西紅燈亮，南北綠燈亮a8: mov a, #61h mov p1, a clr p3.4 clr p3.3 clr p3.2 setb p3.5 ; 顯示20秒 mov r4, #14h loop3: mov r2, #03h lcall xian ;調(diào)顯示子程序 djnz r4, loop3 mov r4, #00h mov r2, #03h lcall xian ;調(diào)顯示子程序 setb p3.5 mov r4, #05hloop10: mov r2, #02h lcall xian;調(diào)顯示子程序 ; 東西紅燈亮，南北黃燈亮a0: