畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書丁字路口智能交通燈設(shè)計(jì)

1、三峽大學(xué)成教學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 丁字路口智能交通燈設(shè)計(jì) 系 部 機(jī)電工程學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)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(jì)（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(jì)學(xué)生姓名王偉翔專業(yè)機(jī)電一體化學(xué)號(hào)11301320234指導(dǎo)教師李寒生任務(wù)書下達(dá)時(shí)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(shí)，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(méi)有行人橫過(guò)馬路的時(shí)候卻依舊要停下來(lái)等待，這樣不但浪費(fèi)了司機(jī)及乘客時(shí)間，而且車輛在等待過(guò)程中因發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)浪費(fèi)了能源，還產(chǎn)生了大量的污染氣體。本課題旨在通過(guò)單片機(jī)設(shè)計(jì)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(guò)馬路行為。本次設(shè)計(jì)首先對(duì)路口交通運(yùn)行情況進(jìn)行分析，然后確定具體控制要求再開發(fā)設(shè)計(jì)整個(gè)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(jì)。通過(guò)完成整個(gè)路燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以讓學(xué)生既掌握鞏固以往所學(xué)的理論知識(shí)又具備熟練應(yīng)用單片機(jī)進(jìn)行編程和處理實(shí)際問(wèn)題的能力。要求閱讀或檢索的參考資料及

3、文獻(xiàn)（包括指定給學(xué)生閱讀的外文資料）：1. 51單片機(jī)相關(guān)教材。2. 51單片機(jī)接口相關(guān)教材。3. proteus及keil軟件使用指導(dǎo)書。4. 51單片機(jī)工程樣例實(shí)現(xiàn)相關(guān)書籍。第 17 頁(yè) 目錄摘要錯(cuò)誤！未定義書簽。一 方案設(shè)計(jì)與論證51.1 方案論證51.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)5二 硬件電路設(shè)計(jì)72.1 總體設(shè)計(jì)框圖72.2 各模塊設(shè)計(jì)72.2.1單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)及接口電路72.2.2車輛流量檢測(cè)模塊82.2.3顯示模塊8三 軟件設(shè)計(jì)103.1 程序設(shè)計(jì)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(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)快速發(fā)展，我國(guó)已成為全世界機(jī)動(dòng)車擁有量增長(zhǎng)最快的國(guó)家， 目前國(guó)內(nèi)機(jī)動(dòng)車擁有量已達(dá)2千多萬(wàn)輛，而這一數(shù)字仍呈快速上升的趨勢(shì)。而我國(guó)的經(jīng)濟(jì)條件有限，短時(shí)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(lái)，車輛數(shù)目的增長(zhǎng)遠(yuǎn)超過(guò)了道路的建設(shè)進(jìn)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(hào)時(shí)間都是按照固定程序變化，未考慮實(shí)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(shí)卻要等待紅燈，而此時(shí)另一條是空道或車流量相對(duì)少得多的道卻長(zhǎng)時(shí)間亮的是綠燈，這種多等少的尷尬現(xiàn)象是未對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控所造成的，不僅讓司機(jī)乘客怨聲載道，而且

5、對(duì)人力和物力資源也是一種浪費(fèi)。另外，我們注意到當(dāng)交通燈系統(tǒng)停止電力供應(yīng)時(shí)，會(huì)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(jì)損失。僅以北京為例，北京市現(xiàn)有機(jī)動(dòng)車擁有量已經(jīng)突破200萬(wàn)量。按照50的上路率，一天就有100萬(wàn)輛的汽車上路。機(jī)動(dòng)車在遇到紅燈等情況下停止然后再啟動(dòng)，一停一開啟動(dòng)一次造成的機(jī)械和燃油損失是0.30.5元。如果僅以 100萬(wàn)輛機(jī)動(dòng)車一天啟動(dòng)一次的損耗計(jì)算，費(fèi)用也在30萬(wàn)元到50萬(wàn)元之間，那么一年的損失總量就達(dá)到1.2億！經(jīng)過(guò)粗略推算，已經(jīng)得出北京市一年因?yàn)榻煌ǘ氯斐傻膿p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(zhǎng)時(shí)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(guó)很多大城市的尾氣污染相當(dāng)嚴(yán)重。汽車尾氣不但對(duì)人體有直接危害，還會(huì)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(jì)，我國(guó)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(huì)使人心緒不寧、心跳加快、血壓增高。 因此對(duì)汽車尾氣，噪聲等參數(shù)的檢測(cè)和改善，對(duì)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)資源有深遠(yuǎn)意義。所以，解決交通堵塞問(wèn)題迫在眉睫。本系統(tǒng)采用msc-51系列單片機(jī)atsc51為中心器件來(lái)設(shè)計(jì)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(wèn)題，交通暢通進(jìn)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(wèn)題。另外，本系統(tǒng)采用清潔能源太陽(yáng)能，能節(jié)約電能，并解決由電力無(wú)法供應(yīng)而引起的交通混亂問(wèn)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(shí)長(zhǎng)，另外，這些數(shù)據(jù)的顯示可增強(qiáng)人們的環(huán)保意識(shí)。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(fèi)的時(shí)間，使社會(huì)更加和諧 。1 方案設(shè)計(jì)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(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)采用智能方式來(lái)控制交通信號(hào)，其中主要運(yùn)用gps全球定位系統(tǒng)等。采用智能交通系統(tǒng)，被國(guó)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(shí)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(guó)少數(shù)幾個(gè)城市先后引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的智能交通燈，但其成本高，復(fù)雜，不宜推廣。同時(shí)也有部分研究者做過(guò)類似研究，但其技術(shù)不夠成熟，在實(shí)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(duì)各agent及其交互進(jìn)行建模，闡述了各agent交互協(xié)調(diào)的過(guò)程。在該系統(tǒng)中，每個(gè)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(jìn)行道路數(shù)據(jù)采集、處理，并通過(guò)相互通信實(shí)現(xiàn)資源共享，從而使每個(gè)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(duì)交通穩(wěn)定性的影響，提高了交通控制的精確度。 基于我國(guó)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(guò)初始綠燈時(shí)間和相位轉(zhuǎn)換的模糊設(shè)定，建立擬人化的多相位信號(hào)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(shí)驗(yàn)表明，這種控制方法對(duì)減少車輛平均延誤時(shí)間具有明顯的控制效果同時(shí)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(diǎn)使其成為新的仿真平臺(tái)。本文介紹了一種利用自組織競(jìng)爭(zhēng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制信號(hào)燈相位的方法，詳述了其原理和實(shí)施方法，并且在labview環(huán)境下進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。 對(duì)于應(yīng)用方面，一些城市通過(guò)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(guó)沒(méi)有大量普及。本系統(tǒng)采用了一種簡(jiǎn)單的方法實(shí)現(xiàn)，具體如下。1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)主要包括以下三個(gè)模塊： 車流量檢測(cè)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(jī)為處理器的裝置。先尋找最優(yōu)的控制策略，再設(shè)計(jì)制作實(shí)驗(yàn)板及控制面板，主要以單片機(jī)為處理器，再根據(jù)控制策略設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制程序。主控單片機(jī)采用一片80c51。根據(jù)需求，充分利用了單片機(jī)靈活控制的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)功能，提高了系統(tǒng)的靈活性，設(shè)置方便。利用單片機(jī)產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)控制交通信

11、號(hào)燈達(dá)到控制路口通行時(shí)間的效果。80c51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)flash閃速存儲(chǔ)器，256字節(jié)內(nèi)部ram，40個(gè)i/o口線，3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量?jī)蓸O中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，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。空閑方式停止cpu的工作，但允許ram，定時(shí)/計(jì)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(gè)硬件復(fù)位。2、 車流量檢測(cè)系統(tǒng)車流量檢測(cè)系統(tǒng)主要用電磁感應(yīng)線圈或者紅外線感應(yīng)裝置實(shí)現(xiàn)，用來(lái)檢測(cè)車流量。首先調(diào)查并選擇合適的檢測(cè)點(diǎn)，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(jì)時(shí)?；灸Ｐ腿缦聢D：系統(tǒng)基本模型 2硬件電路設(shè)計(jì)2.1 總體設(shè)計(jì)框圖總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)總框圖(如圖2.1所示)：接口電路單片機(jī)小系統(tǒng)倒計(jì)時(shí)模塊顯示模塊車輛流量檢測(cè)模塊2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)總框圖其中，單片機(jī)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(cè)模塊用以采集路況信息，送給單片機(jī)。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(guò)渡時(shí)間)；倒計(jì)時(shí)模塊用以顯示等待時(shí)間。接口電路連接單片機(jī)和顯示計(jì)時(shí)模塊。2.2 各模塊設(shè)計(jì)2.2.1單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)及接口電路單片機(jī)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(chǔ)器、具有256個(gè)字節(jié)的片內(nèi)ram、具有32條可編程的io端口線、具有2個(gè)16位的可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器、有5個(gè)中斷源和一個(gè)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(duì)交通燈的控制主要用其中的計(jì)數(shù)器定時(shí)來(lái)完成。一方面要完成對(duì)各模塊的控制，另一方面也要協(xié)調(diào)好各模塊的時(shí)序及口線沖突問(wèn)題。本系統(tǒng)擴(kuò)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(gè)8位的并行io口，有三種工作方式，使用靈活，通用性強(qiáng)，很適宜作為單片機(jī)與多種外圍設(shè)備連接時(shí)的中間接口電路(如圖2.2所示

14、)。圖2.2單片機(jī)小系統(tǒng)及接口電路2.2.2車輛流量檢測(cè)模塊車流量檢測(cè)系統(tǒng)主要用電磁感應(yīng)線圈或者紅外線感應(yīng)裝置實(shí)現(xiàn)，用來(lái)檢測(cè)車流量。首先調(diào)查并選擇合適的檢測(cè)點(diǎn)，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(hào)只要表征車輛在一定的位置上停留的時(shí)間長(zhǎng)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(hào)輸出端用電纜與單片機(jī)的模擬接口連接。本系統(tǒng)用按鍵s1、s2模擬兩車道的檢測(cè)信號(hào)，當(dāng)s1、s2為高電平(不按按鍵)時(shí)，表示有車，當(dāng)sl、s2為低電平(按下按鍵)時(shí)，表示無(wú)車。sl、s2相同時(shí)屬于

15、正常情況，s1、s2不相同時(shí)屬于一道有車另一道無(wú)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(gè)交通燈顯示模塊由8255的pa口控制，以6個(gè)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(jì)時(shí)顯示模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)從定時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)取得延時(shí)時(shí)間后，由定時(shí)器t0控制延時(shí)，然后從8255的pb口送顯示碼，從8255的pc口送位選碼，在兩個(gè)數(shù)碼管上動(dòng)態(tài)掃描顯示剩余時(shí)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(jì)時(shí)顯示模塊3軟件設(shè)計(jì)3.1 程序設(shè)計(jì) 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(guò)大顯示時(shí)間30秒n根據(jù)流量適當(dāng)增加延遲時(shí)間 y顯示紅綠燈及倒計(jì)時(shí)y獎(jiǎng)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(shí)驗(yàn)與開發(fā)系統(tǒng)、基本測(cè)試儀器（萬(wàn)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(dòng)態(tài)調(diào)試兩步進(jìn)行。靜態(tài)調(diào)試是在用戶系統(tǒng)未工作時(shí)的一種硬件檢測(cè)。第一步：目測(cè)。檢查外部的各種元件或者是電路是否有斷點(diǎn)。第二步用萬(wàn)用表測(cè)試。先用萬(wàn)用表復(fù)核目測(cè)中有疑問(wèn)的連接點(diǎn)，再檢測(cè)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(cè)。給板加電，檢測(cè)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(jī)檢查。因?yàn)橹挥杏脝纹瑱C(jī)開發(fā)系統(tǒng)才能完成對(duì)用戶系統(tǒng)的調(diào)試。 動(dòng)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(cuò)誤等的一種硬件檢查。動(dòng)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(shí)，與該元件無(wú)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(gè)局部的電路上。當(dāng)各塊電路無(wú)故障后，將各電路逐塊加入系統(tǒng)中，在對(duì)各塊電路功能及各電路間可能存在的相互聯(lián)系進(jìn)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(hào)流經(jīng)的各器件按照距離單片機(jī)的邏輯距離進(jìn)行由近及遠(yuǎn)的分層，然后分層調(diào)試。調(diào)試時(shí)

18、，仍采用去掉無(wú)關(guān)元件的方法，逐層調(diào)試下去，就會(huì)定位故障元件了。3.2.2 軟件調(diào)試：軟件調(diào)試是通過(guò)對(duì)程序的匯編、連接、執(zhí)行來(lái)發(fā)現(xiàn)程序中存在的語(yǔ)法錯(cuò)誤與邏輯錯(cuò)誤并加以排除糾正的過(guò)程。用proteus加載hex文件，進(jìn)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(jī)at89c51芯片為核心部件，實(shí)現(xiàn)了能根據(jù)實(shí)際車流量通過(guò)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(fèi)時(shí)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(shí)。通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我得到了一次用專業(yè)知識(shí)、專業(yè)技能分析和解決問(wèn)題全面系統(tǒng)的鍛煉。使我在單片機(jī)的基本原理、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程，以及在常用編

19、程設(shè)計(jì)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(shí) lcall delay ;調(diào)延時(shí)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(shí) lcall delay ;調(diào)延時(shí)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: