用單片機設(shè)計制作道路信號燈控制系統(tǒng)

1、河南經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文摘要摘要以單片機 AT89C51 作為城市交通燈的控制核心，模擬定周期交通信燈的工作狀態(tài)；針對復(fù)雜多變的路況環(huán)境，特別增設(shè)了路段遇忙調(diào)整緊急情況處理、特種車檢測、語音提示等模塊，進(jìn)一步完善了交通燈控制系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：AT89C51 單片機；智能交通燈控制河南經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文目錄摘要摘要.I1.1.緒論緒論.11.1 道路信號燈的發(fā)展背景.11.2 道路信號燈在國內(nèi)外的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀.22.2.道路交通燈道路交通燈.32.1 交通燈硬件系統(tǒng)設(shè)計.32.2 交通燈的軟件系統(tǒng)設(shè)計.8設(shè)計總結(jié)設(shè)計總結(jié).11參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).12致謝致謝.13河南經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文1.緒論緒

2、論1.11.1 道路信號燈的發(fā)展背景道路信號燈的發(fā)展背景 近年來，隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，車輛的增多，交通擁擠和阻塞現(xiàn)象時常出現(xiàn)。交通擁塞已成為城市交通中迫切需要解決的社會問題。而我國傳統(tǒng)使用的定周期控制和各路口各自的獨立控制方法，在解決這些問題時效果并不是很好。越來越多的證據(jù)表明，簡單地擴大道路基礎(chǔ)設(shè)施并不能解決交通擁堵問題。這要求在現(xiàn)有道路條件下，提高交通控制和管理水平，合理使用現(xiàn)有交通設(shè)施，充分發(fā)揮其能力，更加靈活有效地提高道路的利用率。本文采用 51 系列單片機AT89C51 為中心器件設(shè)計交通燈控制系統(tǒng)。19 世紀(jì)初，在英國中部的約克城，紅，綠裝風(fēng)別代表女性的不同身份。其中，這紅裝的

3、女人表示我已結(jié)婚，而這綠裝的女人這是未婚者。后來，英國倫敦議會大廈前經(jīng)常發(fā)生馬車軋人的事故，于是人們受到紅綠裝啟發(fā)，1868 年 12 月 10 日，信號等家族的第一個成員就在倫敦議會大廈的廣場上誕生了，有當(dāng)時英國機械師德哈特設(shè)計，制造的燈柱高 7 米，身上掛著一盞紅、綠兩色的提燈 -煤氣交通信號燈，這是城市街道的第一盞信號燈。在燈的腳下，一名手持長桿的警察隨心所欲地牽動皮帶轉(zhuǎn)換提燈的顏色。后來在信號燈的中心裝上煤氣燈罩 ，它的前面有兩塊紅、綠玻璃交替遮擋。不幸的是只面世23 天的煤氣燈突然爆炸自滅，使一位正在值勤的警察也因此斷送了性命。 從此，城市的交通信號燈被取締了。直到1914 年，在美

4、國的克利夫蘭市才率先恢復(fù)了紅綠燈，不過，這時已是 “電氣信號燈”。稍后又在紐約和芝加哥等城市，相繼重新出現(xiàn)了交通信號燈。 隨著各種交通工具的發(fā)展和交通指揮的需要，第一盞名副其實的三色燈(紅、黃、綠三種標(biāo)志 )于 1918 年誕生。它是三色圓形四面投影器，被安裝在紐約市五號街的一座高塔上，由于它的誕生，使城市交通大為改善。 黃色信號燈的發(fā)明者是我國的胡汝鼎，他懷著 “科學(xué)救國”的抱負(fù)到美國深造，在大發(fā)明家愛迪生為董事長的美國通用電器公司任職員。一天，他站在繁華的十字路口等待綠燈信號，當(dāng)他看到紅燈而正要過去時，一輛轉(zhuǎn)河南經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文彎的汽車呼地一聲擦身而過，嚇了他一身冷汗?；氐剿奚?，他反復(fù)

5、琢磨，終于想到在紅、綠燈中間再加上一個黃色信號燈，提醒人們注意危險。他的建議立即得到有關(guān)方面的肯定。于是紅、黃、綠三色信號燈即以一個完整的指揮信號家族，遍及全世界陸、海、空交通領(lǐng)域了。 1.2 道路信號燈在國內(nèi)外的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀中國最早的馬路紅綠燈，是于 1928 年出現(xiàn)在上海的英租界。 從最早的手牽皮帶到 20 世紀(jì) 50 年代的電氣控制，從采用計算機控制到現(xiàn)代化的電子定時監(jiān)控，交通信號燈在科學(xué)化、自動化上不斷地更新、發(fā)展和完善。 交通指揮燈是非裔美國人加萊特摩根在1923 年發(fā)明的。此前，鐵路交通已經(jīng)使用自動轉(zhuǎn)換的燈光信號有一段時間了。但是由于火車是按固定的時刻表以單列方式運行的，而且火車

6、要停下來不是很容易，因此鐵路上使用的信號只有一種命令：通行。公路交通的紅綠燈則不一樣，它的職責(zé)在很大程度上是要告訴汽車司機把車輛停下來。 開車的人誰也不愿意看到停車信號。美國夏威夷大學(xué)心理學(xué)家詹姆斯指出，人有一種將剎車和油門與自尊相互聯(lián)系的傾向。他說：駕車者看到黃燈亮?xí)r，心里便暗暗作好加速的準(zhǔn)備。如果此時紅燈亮了，馬上就會產(chǎn)生一種失望的感覺。他把交叉路口稱作 “心理動力區(qū) ”。如果他的理論成立的話，這個區(qū)域在佛羅伊德心理學(xué)理論中應(yīng)該是屬于超我（supere go）而非本能（id）的范疇。 河南經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文2.道路交通燈道路交通燈2.12.1 交通燈硬件系統(tǒng)設(shè)計交通燈硬件系統(tǒng)設(shè)計2.1.

7、12.1.1 控制流程分析控制流程分析(1)從循環(huán)圖分析可知：東西方向和南北方向信號燈控制是中心對稱的，即無論是主干道還是支干道兩側(cè)系統(tǒng)對同方向的信號燈控制是同步的。圖 1 交通流向循環(huán)圖（上北下南左西右東）(2)從循環(huán)圖分析可知：人行道無論哪個方向，系統(tǒng)對兩側(cè) 4 個信號燈的控制也是同步的，且人行道的紅綠燈變化和行車道的紅綠燈變化應(yīng)該是一致的。(3)通過對上面整體思路的分析，可以用單片機 P2 口和 P0 口、鎖存芯片和顯示譯碼芯片的配合來實現(xiàn)控制 LED 燈和數(shù)碼管。通過鎖存芯片實現(xiàn)單片機口的分時復(fù)用，簡單易行，且編程簡單，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速交換以及單片機的資源的充分利用。河南經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院畢

8、業(yè)論文2.1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計本系統(tǒng)選用通過 P0 和 P2 用做輸出顯示控制口。P0 口通過鎖存芯片 74HC573 和顯示譯碼芯片 TC4511BP 分時復(fù)用控制 LED 數(shù)碼管實現(xiàn)行車道上紅綠燈規(guī)律變化。P2 口當(dāng)作普通輸出口直接控制人行道紅綠燈規(guī)律變化，記數(shù)采用 2 個 40s 的循環(huán)方式來控制。LED 數(shù)碼管通過靜態(tài)顯示方式實現(xiàn)倒計時讀秒。2.1.3 交通燈的正常顯示圖 2 交通信號燈控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖交通燈正常工作狀態(tài)電路圖和狀態(tài)表如圖 3 和表 1 所示：圖 3 顯示器和鍵盤部分電路河南經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文表 1 系統(tǒng)工作狀態(tài)表車道狀態(tài)時間 s南行北行西行東行10-39紅紅綠綠240

9、-79綠綠紅紅人行道狀態(tài)時間 s南-北北-南東-西西-東10-39綠綠紅紅240-79紅紅綠綠其中，PO 口分時復(fù)用控制的是人行道紅綠燈狀態(tài)的變化，P2 口直接輸出控制的是行車道紅綠燈狀態(tài)的變化。由于 P0 口是作為分時復(fù)用總線使用，單片機 P0口傳送的數(shù)據(jù)首先通過 74HC573 鎖存。通過 P2 口直接輸出控制行車道上紅綠燈的變化，通過編程控制，要和 P0 口控制的人行道紅綠燈的變化相符合。通過P0 口分時復(fù)用，同時控制 LED 數(shù)碼管的顯示，具體顯示方式即倒計時讀秒，而P0 口并不能單獨完成此功能。在這里，選用 TC4511BP 芯片。TC4511BP 是 BCD-七段 LED 鎖存/譯

10、碼/驅(qū)動器。當(dāng)使能端 LE 為低電平時，將加在 A、B、C、D 端的數(shù)據(jù)譯成段驅(qū)動信號，經(jīng)限流電阻送到數(shù)碼管的段控制線上。當(dāng)使能端 LE 為高電平時，驅(qū)動信號被鎖存在 TC4511BP 的輸出端，實現(xiàn)靜態(tài)顯示。2.1.4 其他硬件模塊（1）緊急情況處理如圖 4，外部中斷 INT1 用于對緊急情況、流量控制和恢復(fù)等情況的控制，模擬意外事故等實際情況導(dǎo)致交通突然癱瘓，此時就需要手動對交通狀況進(jìn)行緊急情況下的處理，待意外事故結(jié)束后按下恢復(fù)鍵恢復(fù)交通。河南經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文當(dāng)按下緊急情況處理鍵時，通過外部中斷 INT1 感應(yīng)，通過 P1.7 口軟件編程控制，系統(tǒng)實現(xiàn)車道人行道紅燈全部亮起，禁止一切車

11、輛和行人通行，LED 數(shù)碼管顯示“88” 。（2）交通遇忙調(diào)整為了增加交通燈指示的靈活性，提高交通的流通效率，可根據(jù)調(diào)查交道口的車流量或交警的經(jīng)驗來重設(shè)各交通燈的點亮?xí)r間。為簡化處理，我們假設(shè)了兩種情況：南北路段忙和東西路段忙。表 2 路段遇忙調(diào)整時間表狀況東西道車行時間（s）南北道車行時間（s）東西路段忙6020南北路段忙2060當(dāng)按下南北忙按鍵時，系統(tǒng)實現(xiàn)的功能是:通過外部中斷 INT1 感應(yīng)，通過 P1.6口軟件編程控制，系統(tǒng)實現(xiàn)下個循環(huán)按照如表 2 所示的調(diào)整時間表來實現(xiàn)循環(huán)。河南經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文（3）特種車檢測圖 4 中，用到的特種車檢測開關(guān)即干簧管，通過干簧管的開合直接控制外部

12、中斷 INT0 的變化，進(jìn)而通過程序控制發(fā)光二極管及七段 LED 數(shù)碼管的相應(yīng)變化。（4）語音模塊語音模塊設(shè)計的要求是模擬在交通燈十字路口處有緊急情況或者特種車輛通過時應(yīng)用此模塊實現(xiàn)錄放功能，實現(xiàn)特殊情況下對車輛和行人的提醒和警示作用。在實際應(yīng)用中，要求語音電路單獨實現(xiàn)錄放并能循環(huán)播放錄音內(nèi)容，實際電路圖如圖 5 和圖 6 所示。圖 5 實現(xiàn)的是循環(huán)播放功能，最高位地址(MSB)A8、A9都為高電平時，地址端就作為操作模式選擇端（高電平有效） ，此時若 A3/M3 腳也為高電平，此電路就能實現(xiàn)從 0 地址位開始連續(xù)重復(fù)放音。圖 6 添加了語音電路 SP 模塊，解決了由于干擾大和電壓不足等原因造

13、成的播放不清和聲音偏小的問題。河南經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文河南經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文2.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計2.2.1 軟件設(shè)計思路軟件設(shè)計應(yīng)用單片機 C 語言編程，以其較好的可讀性和可移植性很好的完成了本次設(shè)計任務(wù)。程序設(shè)計上使用定時器 0 中斷來控制交通燈的正常工作。定時器 1 中斷控制特殊車輛的通行時間；外部中斷 INT1 用于緊急情況、流量控制和恢復(fù)等，外部中斷 INT0 用于特種車輛通行處理。系統(tǒng)采用兩個狀態(tài)標(biāo)志位“id” “id_int” ，來記錄交通燈的循環(huán)狀態(tài)。緊急中斷與特種車輛中斷響應(yīng)迅速，以體現(xiàn)緊急情況交通燈的處理。其中，車流量控制中斷在下一個循環(huán)開始時響應(yīng)，以避免突然的紅綠燈變換

14、使交通出現(xiàn)異常。2.2 程序設(shè)計流程圖（如圖 7、8、9、10 所示）河南經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文定時計數(shù)器 0，外部中斷 0，外部中斷 1初始化In_int=?Id=2正常狀態(tài)計時循環(huán) 1上電南北忙狀態(tài)計時循環(huán) 1東西忙狀態(tài)計時循環(huán) 1Id=1Id=1正常狀態(tài)計時循環(huán) 1南北忙狀態(tài)計時循環(huán) 1東西忙狀態(tài)計時循環(huán) 1Id=2圖 7 主程序流程圖 進(jìn)入中斷向定時器重新置數(shù)標(biāo)志數(shù)減 1退出中斷 圖 8 定時器 0，1 中斷程序河南經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 圖 9 外部中斷 0 程序 進(jìn)入中斷哪個按鍵觸發(fā)中斷Id_int=3Id_int=2Id_int=1P0,P 口 2 置數(shù)退出中斷圖 10 外部 1 中

15、斷程序P0,P1 口置數(shù)進(jìn)入中斷定時器 1 初始化15 秒倒計時關(guān)閉定時器 1 中斷降低定時器 1 中斷退出中斷河南經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文設(shè)計總結(jié)設(shè)計總結(jié)本系統(tǒng)采用多種中斷處理和 P0 口的分時復(fù)用功能，實現(xiàn)了各種情況下交通燈的正常指示和倒計時功能。在此過程中還很好的完成了對特種車的檢測。經(jīng)測試可以準(zhǔn)確地利用交通燈和 LED 數(shù)碼管指揮交通，其中附加的語音功能又進(jìn)一步完了本系統(tǒng)。從最終結(jié)果看，本系統(tǒng)模擬交通路口交通燈的情況與實際情況很吻合，有較強的實際應(yīng)用價值。河南經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文參考文獻(xiàn)1王奕凌,蔡偉智.自動調(diào)光 L E D 交通燈P.中國專利:ZL022128840,2003-01-26

16、2鄭智斌,彭萬華.LED 發(fā)光特性分析J.液晶與顯示,2003,12(6):42-453彭萬華.超高亮 LED 性能及可靠性J.液晶與顯示,2001,31(8):101-1044彭志剛.利用單片機改進(jìn)交通燈控制系統(tǒng)J.湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2003,2(2):25-27.5李廣弟.單片機基礎(chǔ)M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社.2001.45-476何立民.單片機應(yīng)用技術(shù)選編M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社.2004.82-867張毅坤.單片微型計算機原理及應(yīng)用M.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1998.52-578胡宴如.模擬電子技術(shù)M.北京:高等教育出版社,2004.121-134河南經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文致謝本課題在選題