智能交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、前 言1.1 概述近年來隨著科技的飛速發(fā)展，單片機(jī)的應(yīng)用正在不斷地走向深入，同時(shí)帶動(dòng)傳統(tǒng)控制日新月益的更新。在實(shí)時(shí)檢測和自動(dòng)控制的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機(jī)往往是作為一個(gè)核心部件來使用，僅單片機(jī)方面知識(shí)是不夠的，還應(yīng)根據(jù)具體硬件結(jié)構(gòu)，以及針對(duì)具體應(yīng)用對(duì)象特點(diǎn)的軟件結(jié)合，加以完善。交通信號(hào)燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制，對(duì)于疏導(dǎo)交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。隨著微控技術(shù)的日益完善和發(fā)展，單片機(jī)的應(yīng)用在不斷走向深入。它的應(yīng)用必定導(dǎo)致傳統(tǒng)的控制技術(shù)從根本上發(fā)生變革。也就是說單片機(jī)應(yīng)用的出現(xiàn)是對(duì)傳統(tǒng)控制技術(shù)的革命。它在工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集、智能化儀表、機(jī)電一體化、家用電器等領(lǐng)路得到了廣

2、泛應(yīng)用，極大的提高了這些領(lǐng)域的技術(shù)水平和自動(dòng)化控制。因此單片機(jī)的開發(fā)應(yīng)用已成為高技術(shù)工程領(lǐng)域的一項(xiàng)重大課題。因此了解單片機(jī)知識(shí)，掌握單片機(jī)的應(yīng)用技術(shù)具有重大的意義。1.2 基于單片機(jī)的智能交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的意義國內(nèi)的交通燈一般設(shè)在十字路口，在醒目位置用紅、綠、黃三種顏色的指示燈。加上一個(gè)倒計(jì)時(shí)的顯示計(jì)時(shí)器來控制行車。對(duì)于一般情況下的安全行車，車輛分流尚能發(fā)揮作用，但根據(jù)實(shí)際行車過程中出現(xiàn)的情況，還存在以下缺點(diǎn)：1.經(jīng)常出現(xiàn)的情況是某一車道車輛較多，放行時(shí)間應(yīng)該長一些，另一車道車輛較少，放行時(shí)間應(yīng)該短些。2.沒有考慮緊急車通過時(shí)，兩車道應(yīng)采取的措施，例如，消防車執(zhí)行緊急任務(wù)通過時(shí)，兩車道的車都

3、應(yīng)停止，讓緊急車通過?；趥鹘y(tǒng)交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過于死板，紅綠燈交替是間過于程式化的缺點(diǎn)，智能交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就更顯示出了它的研究意義，它能根據(jù)道路交通擁護(hù)，交叉路口經(jīng)常出現(xiàn)擁堵的情況。利用單片機(jī)控制技術(shù)提出了軟件和硬件設(shè)計(jì)方案，能夠?qū)崿F(xiàn)道路的最大通行效率。 1 總體設(shè)方案1.1智能交通燈的設(shè)計(jì)思路智能交通燈LED顯示剩余時(shí)間相應(yīng)交通燈發(fā)光中斷進(jìn)入緊急狀態(tài)圖1 總體設(shè)計(jì)思路圖根據(jù)智能交通燈的具有的功能，將它主要分為三部分，包括數(shù)碼管顯示剩余時(shí)間部分、交通燈顯示部分和按鍵實(shí)現(xiàn)部分?？傮w設(shè)計(jì)思路如圖2-1所示。1.1.1 LED顯示剩余時(shí)間根據(jù)實(shí)際生活中使用的交通燈，在此次的智能交通燈的設(shè)計(jì)中

4、也將具有顯示時(shí)間的功能，使我們的設(shè)計(jì)與實(shí)際結(jié)合起來，在此部分LED燈將配合紅黃綠燈的發(fā)光時(shí)間顯示數(shù)據(jù)，對(duì)于每個(gè)數(shù)據(jù)將使用定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)定時(shí)1秒，當(dāng)1秒時(shí)間到達(dá)，LED上顯示的時(shí)間自動(dòng)減1，當(dāng)時(shí)間減至為0，交通燈變換紅黃綠燈。1.1.2交通燈此部分將與LED燈緊密聯(lián)系起來，當(dāng)數(shù)碼管顯示數(shù)字減至為0時(shí)，變換發(fā)光的燈，不為0，將保持原有狀態(tài)。1.1.3緊急狀態(tài)的設(shè)計(jì)在現(xiàn)實(shí)生活中隨時(shí)有突發(fā)情況的發(fā)生，為了保證交通的正常通行，特地設(shè)計(jì)了應(yīng)對(duì)緊急狀況的特殊情況。在出現(xiàn)緊急狀況時(shí)，可以通過人為操作進(jìn)入特殊情況。在此包含了4種特殊情況，包括加長東西南北方向的通行時(shí)間，四個(gè)方向均禁行，東西方向保持通行南北方向禁行

5、，南北方向保持通行東西方向禁行。當(dāng)特殊情況結(jié)束時(shí)，人為操作進(jìn)入正常狀態(tài)。2 單元模塊設(shè)計(jì)2.1硬件設(shè)計(jì)2.1.1 AT89C51介紹芯片AT89C51的外形結(jié)構(gòu)和引腳圖如圖3-1所示。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM-Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MC-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，

6、為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。圖2 AT89C51引腳圖2.1.2芯片74LS273介紹74LS273是8位數(shù)據(jù)/地址鎖存器，如圖3-2所示，它是一種帶清除功能的8D觸發(fā)器，下面介紹一下它的管腳圖功能資料。1腳是復(fù)位CLR,低電平有效,當(dāng)1腳是低電平時(shí)，輸出腳2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)全部輸出0，即全部復(fù)位。當(dāng)1腳為高電平時(shí)，11(CLK)腳是鎖存控制端，并且是上升沿觸發(fā)鎖存，當(dāng)11腳有一個(gè)上升沿，立即鎖存輸入腳3、4、7、8、13、14、17、18的電平狀態(tài)，并且立即呈現(xiàn)在在輸出腳2(Q0)、5

7、(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)上。圖3 74LS273引腳圖2.1.3多位數(shù)碼管圖 4 多位數(shù)碼管LED顯示器由七段發(fā)光二極管組成，排列成8字形狀，因此也稱為七段LED顯示器。為了顯示數(shù)字或符號(hào)，要為LED顯示器提供代碼，即字形代碼。其段發(fā)光二極管，再加上一個(gè)小數(shù)點(diǎn)位，共計(jì)8段，因此提供的字形代碼的長度正好是一個(gè)字節(jié)。智能交通燈用到的數(shù)字09的共陽極字形代碼如表3-1：表1 驅(qū)動(dòng)代碼表顯示數(shù)值驅(qū)動(dòng)代碼（16進(jìn)制）0123456789C0HF9HA4HB0H99H92H82HF8H80H90H2.1.4時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)圖5 時(shí)鐘電路MCS-5

8、1單片機(jī)芯片內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。當(dāng)使用內(nèi)部振蕩電路時(shí)，XTAL1和XTAL2引腳外接石英晶體和微調(diào)電容，如圖所示，圖中C2、C3大小一般為30pF。還加了復(fù)位/備用電源引腳的接線方法，任何單片機(jī)在工作之前都要進(jìn)行復(fù)位，以便CPU以及其他功能部件都處于一個(gè)確定的初始化狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作，也就是程序開始執(zhí)行之前，單片機(jī)做好準(zhǔn)備工作。如何進(jìn)行復(fù)位呢？只能在單片機(jī)的RST引腳上保持兩個(gè)機(jī)器周期（24個(gè)時(shí)鐘周期）的高電平即可對(duì)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。當(dāng)主電源VCC發(fā)生掉電或者是電壓降低到電平規(guī)定值時(shí)，VPD上外接的備用

9、電源自動(dòng)啟用，為單片機(jī)內(nèi)部RAM提供電源，以保護(hù)片內(nèi)RAM中的信息不丟失，使系統(tǒng)在恢復(fù)上電后能正常運(yùn)行。2.1.5復(fù)位電路設(shè)計(jì)圖6 復(fù)位電路AT89C51的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路實(shí)現(xiàn)的。復(fù)位電路通常采用上電復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。在此次設(shè)計(jì)中，我使用了上電復(fù)位方式。上電復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實(shí)現(xiàn)的。2.1.6交通燈硬件線路圖結(jié)合各部分設(shè)計(jì)電路，得到交通燈硬件線路如圖3-6所示。圖7 硬件線路圖2.2程序設(shè)計(jì)2.2.1 LED顯示程序設(shè)計(jì)思路如圖4-1所示。掃描十位輸出十位數(shù)據(jù)掃描百位輸出百位數(shù)據(jù)開始結(jié)束掃描個(gè)位輸出個(gè)位數(shù)據(jù)圖8 LED顯示流程圖2.2.2交通燈程序在這部分我設(shè)置南北

10、方向通行，東西方向禁行為初始狀態(tài)，持續(xù)時(shí)間為60S。最后5S黃燈閃爍，然后南北方向禁行，東西方向通行，持續(xù)時(shí)間仍為60S，最后5S黃燈閃爍，回到初始狀態(tài)。如此循環(huán)，程序流程圖如圖4-2所示。Y結(jié)束開始南北綠燈亮 東西紅燈亮黃燈閃爍LED是否為0000000000000000LED是否為00南北紅燈亮 東西綠燈亮LED是否為0黃燈閃爍LED是否為00000000NYNYNYN圖9 交通燈程序流程圖2.2.3 緊急情況程序當(dāng)需要應(yīng)對(duì)特殊情況時(shí)，在人為控制下，程序由中斷入口地址切換到中斷程序，根據(jù)實(shí)際情況的不同切換到不同的中斷子程序，當(dāng)緊急情況處理完，由人為控制返回原程序。程序流程圖如圖4-3所示。

11、中斷入口地址保護(hù)斷點(diǎn)判斷是哪種中斷進(jìn)入相應(yīng)中斷程序人為結(jié)束中斷恢復(fù)現(xiàn)場中斷返回結(jié)束圖10 緊急情況程序流程圖4 軟件仿真4.1 Keil C51單片機(jī)軟件開發(fā)系統(tǒng)采用KEIL開發(fā)的89C51單片機(jī)應(yīng)用程序步驟：（1）在uVision集成開發(fā)環(huán)境中創(chuàng)建新項(xiàng)目（Project）,擴(kuò)展文件名.UV2并為該項(xiàng)目選定合適的單片機(jī)CPU器件（本設(shè)計(jì)采用ATMEL公司下的AT89C51）。（2）用uVision的文本編輯器編寫源文件，可以是匯編文件（.ASM），也可以使C語言文件（擴(kuò)展名.C），并將該文件添加到項(xiàng)目中去。一個(gè)項(xiàng)目文件可以包括多個(gè)文件，除了源程序文件外，還可以是庫文件、頭文件或文本說明文件。（

12、3）通過uVision2的相關(guān)選擇項(xiàng)，配置編譯環(huán)境、連接定位器以及Debug調(diào)試器的功能。（4）對(duì)項(xiàng)目中的源文件進(jìn)行編譯連接，生成絕對(duì)目標(biāo)代碼和可選的HEX文件，如果出現(xiàn)編譯連接錯(cuò)誤則返回到第2步，修改源文件中的錯(cuò)誤后重構(gòu)整個(gè)項(xiàng)目。（5）對(duì)沒有語法錯(cuò)誤的程序進(jìn)行仿真調(diào)試，調(diào)試成功后將HEX文件寫入到單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的ROM中。4.2 PROTEUS的操作4.2.1硬件電路圖的接法操作（1）防止選擇（刪除）元器件（2）移動(dòng)元器件（3）縮放視圖（4）連接導(dǎo)線（5）仿真、調(diào)試4.2.2單片機(jī)系統(tǒng)PROTEUS設(shè)計(jì)與仿真過程Proteus設(shè)計(jì)過程一般也可分為三步：（1）在ISIS平臺(tái)上進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)電路

13、設(shè)計(jì)、選擇元器件、接插件、連接電路和電氣檢測等。簡稱Proteus電路設(shè)計(jì)。（2）在Keil平臺(tái)上進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)、編譯、匯編編譯、代碼級(jí)調(diào)試，最后生成目標(biāo)代碼文件（*. hex）。簡稱Proteus源程序設(shè)計(jì)和生成目標(biāo)代碼文件。（3）在ISIS平臺(tái)上將目標(biāo)代碼文件加載到單片機(jī)系統(tǒng)中，并實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)交互、協(xié)同仿真。它在相當(dāng)程度上反映了實(shí)際單片機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。簡稱Proteus仿真。4.3仿真結(jié)果將在Keil平臺(tái)上生成目標(biāo)代碼文件（*. hex）加載到單片機(jī)系統(tǒng)中，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，運(yùn)行結(jié)果顯示如圖5-1所示。圖11 硬件仿真圖開始運(yùn)行后，南北方向通行，東西方向禁行，同時(shí)數(shù)碼管從60

14、顯示，每隔一秒數(shù)碼管減一，當(dāng)減到5時(shí)，四路的黃燈開始閃爍，數(shù)碼管同時(shí)從5開始減一，減到0時(shí)，南北方向禁行，東西方向通行，同時(shí)數(shù)碼管從60顯示，每隔一秒數(shù)碼管減一，當(dāng)減到5時(shí)，四路的黃燈開始閃爍，數(shù)碼管同時(shí)從5開始減一，減到0時(shí)，返回初始狀態(tài)，再?zèng)]有外部中斷的情況下如此循環(huán)下去。圖12 四個(gè)方向禁行硬件仿真圖K1為外部中斷按鈕，當(dāng)按下K1時(shí)，數(shù)碼管不再顯示數(shù)，黃燈閃爍五秒后，四路燈都為紅色。當(dāng)按下復(fù)位開關(guān)后，返回到初始狀態(tài)。圖13 南北通行東西禁行硬件仿真圖K2為外部中斷按鈕，當(dāng)按下K2時(shí)，數(shù)碼管不再顯示數(shù)，黃燈閃爍五秒后，南北方向保持通行，東西方向保持禁行。當(dāng)按下復(fù)位開關(guān)后，返回到初始狀態(tài)。圖

15、14 南北禁行東西通行硬件仿真圖K3為外部中斷按鈕，當(dāng)按下K3時(shí)，數(shù)碼管不再顯示數(shù)，黃燈閃爍五秒后南北方向保持禁行，東西方向保持通行。當(dāng)按下復(fù)位開關(guān)后，返回到初始狀態(tài)。圖15 延長四個(gè)方向通行時(shí)間的硬件仿真圖K4為外部中斷按鈕，當(dāng)按下K4時(shí)，南北東西方向的通行時(shí)間均延長至120S。當(dāng)按下復(fù)位開關(guān)后，返回到初始狀態(tài)。5 設(shè)計(jì)總結(jié)通過一周的課設(shè)，我受益匪淺?；仡櫰鸫舜握n程設(shè)計(jì)，至今我仍感慨頗多，我學(xué)到很多很多的東西，同時(shí)鞏固了以前所學(xué)過的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識(shí)。通過這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起

16、來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會(huì)服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計(jì)的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會(huì)遇到過各種各樣的問題，同時(shí)在設(shè)計(jì)的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，比如編程問題，硬件的連接，怎樣去調(diào)試，怎么去測試芯片能否正常工作，怎樣是程序編的簡潔易懂，且包含了所需的功能?？梢园褧旧系闹R(shí)得以運(yùn)用，鍛煉了全面思考問題的能力和實(shí)踐能力，我想這對(duì)我以后的學(xué)習(xí)和工作會(huì)有很大的幫助。這次完成了對(duì)單片機(jī)的整體設(shè)計(jì)，更加了解到單片機(jī)的各項(xiàng)功能和需要注意的問題，加深了對(duì)單片機(jī)的了解。當(dāng)然，在設(shè)計(jì)中遇到了很多程序問題，查閱了好多資料，請教了同學(xué)，終于得以解決。正所謂三人行，則必有我?guī)煟覍W(xué)得到很多實(shí)用的知識(shí)，同時(shí)，我也知道在大學(xué)里，好多的知識(shí)都是靠自己學(xué)習(xí)，領(lǐng)悟，并融會(huì)貫通。一些問題需要我們認(rèn)真思考，注意細(xì)節(jié)，多與同學(xué)交流，分析