交通信號燈控制器的設計與制作畢業(yè)論文

目錄1700第一部分設計任務與調(diào)研 1101411課題調(diào)研 1235221.1課題研究背景與意義 126761.2研究現(xiàn)狀 1106991.2.1城市交通的作用 1253621.2.2國內(nèi)外交通系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀 2266281.2.3我國交通中存在的主要問題 389071.2.4城市交通解決的主要途徑 4168482設計研究的主要內(nèi)容 412840第二部分設計說明 616871設計的思路和方法 6122401.1理論分析 6153031.1.1信號控制方式的分類 6203331.1.2交通規(guī)則介紹 6170271.1.3交通信號控制硬件設備簡介 784751.1.4交通信號控制系統(tǒng)信息傳輸系統(tǒng)簡介 7225211.1.5常用交通標志簡介 732941.1.6交通信號控制原理 8116182設計方案 9274383系統(tǒng)工作原理 10319834簡單介紹STC89C52RC單片機 10109225總體設計 12274445.1功能概述 12134015.2系統(tǒng)構(gòu)成 13165896系統(tǒng)硬件設計 1328726.1交通燈通行模式及行車方向指示 1398126.2各單元電路模塊功能 14186516.2.1時鐘電路模塊 1473946.2.2復位電路模塊 15267306.2.3主控制系統(tǒng)模塊 15326836.2.4交通燈輸出控制模塊 1667306.2.5時間顯示電路模塊 17326366.2.6系統(tǒng)電源模塊電路 17281967系統(tǒng)軟件設計 18202597.1軟件總體流程圖 18200217.2軟件主要子程序流程 19122897.2.1復位狀態(tài)子程序 19240727.2.2顯示狀態(tài)子程序 19185268系統(tǒng)調(diào)試分析及結(jié)果 2081998.1電路板實物的制作 20146518.1.1印制電路板PCB圖的繪制 2083248.1.2實物的制做 20224418.2系統(tǒng)硬件調(diào)試 2167028.3系統(tǒng)軟件調(diào)試 21199568.4系統(tǒng)總體調(diào)試 2126383第三部分設計成果 2319243第四部分結(jié)束語 3027261第五部分致謝 3123491第六部分參考文獻 32第33頁第一部分設計任務與調(diào)研1課題調(diào)研1.1課題研究背景與意義交通掌握著城市經(jīng)濟活動的命脈，對發(fā)展城市經(jīng)濟、提高人民的生活水平非常重要。但是城市的交通問題對于困擾城市的發(fā)展、制約城市經(jīng)濟建設是個重要的因素。而導致交通問題的根本原因是有限的城市道路與無限增加的車輛這一矛盾。城市街道網(wǎng)絡上的交通容量的不斷增加，表明車輛對道路容量的要求仍然很高，短期內(nèi)還不可能改變。設計提出一種利用單片機自動控制交通燈及時間倒計時顯示的方法，將整個系統(tǒng)縮小在一塊小小的單片機上，大大提高了產(chǎn)品的經(jīng)濟性和輕便性。設計過程包括硬件電路設計和程序設計兩大步驟。硬件電路其結(jié)構(gòu)比較簡單，主要包括核心器件單片機、12只二極管組成的模擬交通燈、復位電路、振蕩電路、顯示數(shù)碼管模塊。單片機開發(fā)中除必要的硬件外，同樣離不開軟件，本文就用Keil編程，相比硬件設計程序較為復雜，必需同時考慮燈控制、時間顯示、緊急開關(guān)等問題，并且具有一定的C語言基礎和一定的思維能力及邏輯能力。智能交通燈控制系統(tǒng)設計就顯示出了它的研究意義。它能根據(jù)道路交通擁護，交叉路口經(jīng)常出現(xiàn)擁堵的情況，利用單片機控制技術(shù)，實現(xiàn)道路的最大通行效率。通過單片機課程設計，熟練掌握C語言的編程方法，將理論聯(lián)系到實踐中去，提高動腦和動手的能力。同時通過交通信號燈控制系統(tǒng)的設計，掌握定時/計數(shù)器、中斷的使用方法，和簡單程序的編寫，最終提高邏輯抽象能力。1.2研究現(xiàn)狀1.2.1城市交通的作用城市是人類從事經(jīng)濟、政治、社會和文化的活動中心，對于社會的發(fā)展起到了非常重要的作用。汽車是現(xiàn)代社會的文明產(chǎn)物，它一方面給人們帶來了巨大的便利，而另一方面也使人們面臨交通擁擠和道路交通安全事故等問題。在我國，伴隨改革開放政策的貫徹和實施的同時，國民經(jīng)濟也得到了迅速的發(fā)展，道路交通也得到了飛速發(fā)展。但是，由于城市化進程加速進行，城市的規(guī)模不斷得到擴張，城市的經(jīng)濟貿(mào)易和城市內(nèi)的社會活動也越來越頻繁，人員流動與社會交往越來越多，使得交通擁擠和道路交通安全事故等問題更加突出。城市交通作為城市的基礎設施里重要的一部分，所以如何改善和發(fā)展城市交通問題，也越來越得到人們的重視。城市交通是城市的主要基礎設施，它支撐著城市活動的進行，是城市的樞紐和命脈，如果沒有得到及時的治理，城市居民生活水平的提高和城市經(jīng)濟的發(fā)展將會受到嚴重的影響。因為我國城市的基礎設施的發(fā)展比城市建設的發(fā)展落后，城市及周邊地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展受到了嚴重的影響。所以，城市交通問題的解決，不但可以使人們的生命財產(chǎn)有保障，而且可以加快經(jīng)濟的發(fā)展和社會的進步。城市交通系統(tǒng)在城市大系統(tǒng)中占著很大的比例，是其中非常重要的一個系統(tǒng)。發(fā)展城市國民經(jīng)濟和提高人民生活水平都需要它，社會生產(chǎn)與其環(huán)環(huán)相連，并且維系著千家萬戶的日常生活。城市交通有其兩面性：城市結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟狀況、生產(chǎn)布局、人口分布等因素雖然制約了它，但它的有效性、安全性、可靠性、經(jīng)濟性同時又影響了城市的經(jīng)濟效益、工作效率、和人民的生活水平。城市交通系統(tǒng)的運行狀況的好壞同時也反映了城市發(fā)展的高低。因此，先進的科學技術(shù)和管理方法應用于交通管理中也保證了道路的安全暢通，是經(jīng)濟發(fā)展的需要。交叉路口是交通系統(tǒng)中的非常重要的一部分，是城市道路網(wǎng)的核心所在，它通行能力的高低影響著城市道路的通暢程度。眾所周知，而提高交叉路口通行能力的最好辦法就是修建立交橋。受到我國道路基礎設施現(xiàn)狀和各個城市經(jīng)濟水平的不同等因素，立交橋還不能得到廣泛應用。所以，人們更多是采用交通控制來更好的管理交叉路口，按照它們現(xiàn)實的交通情況給予它們最適宜的交通控制，盡可能得提高交叉路口的通行能力，這不僅可以提高車輛通過交叉路口的速度，還能減少交通延誤并且節(jié)約人們出行的時間，同時能避免該交叉路口發(fā)生堵車，影響交叉路口臨近路段及更遠路段的順利通行。據(jù)有關(guān)的資料顯示，機動車輛在其減速制動和起動期間所排放的有害物質(zhì)是其正常行駛時的7倍左右。因此，解決好城市交叉路口通行問題，減少機動車輛在交叉路口附近停車延誤對提高社會的經(jīng)濟效益和環(huán)境保護都是具有重大意義的[1]。1.2.2國內(nèi)外交通系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀隨著現(xiàn)代社會對交通運輸?shù)娜遮呉蕾?，交通系統(tǒng)的控制越來越受到普遍的重視。近年來，英國、美國等西方國家均在某些城市建立智能交通控制系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中，大部分都在路口附近裝有車輛檢測器，并由各路口的控制設備或工作人員將交通控制參數(shù)通過電話線、電纜、光纖或是無線網(wǎng)絡等方式輸入到微處理器，用小型計算機控制。尤其是伴隨著信息技術(shù)的發(fā)展，交通控制的概念已從交通管理者的行為改變?yōu)榻煌ü芾碚吆偷缆肥褂谜吖餐男袨?，從而使得交通的最?yōu)化向全局最優(yōu)發(fā)展。在這些發(fā)展中，除了新設備的應用外，數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理、存儲與發(fā)送等技術(shù)的發(fā)展也起了關(guān)鍵的作用。新型的監(jiān)測器，包括用攝像機采集圖像信息和進行圖像處理技術(shù)，為人們提供了大量的時變數(shù)據(jù)；新的通信技術(shù)，包括光纖通信、無線通信等技術(shù)，能使人們更快的傳送數(shù)據(jù)。而計算機技術(shù)的發(fā)展，使交通控制系統(tǒng)的發(fā)展又向前進了一大步。這些控制技術(shù)與現(xiàn)代控制理論、現(xiàn)代的管理方法相結(jié)合，使交通控制系統(tǒng)日趨完善。與國外相比，我國目前的交通控制很落后，目前中國城市的問題呈現(xiàn)如下些問題：管理不力，秩序混亂；沒有科學、合理、有效的城市交通監(jiān)控系統(tǒng)。由此帶來的后果表現(xiàn)為道路的通行能力明顯低于設計要求且波動性大、出行難，交通事故發(fā)生率高，交通環(huán)境惡化，出行者易疲勞等問題。1.2.3我國交通中存在的主要問題交通的發(fā)展，促進了人類社會的發(fā)展。而社會的發(fā)展，同時又促進了交通設施建設、交通工具的發(fā)展。但是，伴隨著車輛數(shù)目的迅速增長，人們一方面享受著機動車輛給予的好處，另一方面也面臨著汽車所帶來的一系列問題。作為發(fā)展中國家的我國，它的經(jīng)濟不是非常發(fā)達，由此產(chǎn)生了具有中國特色的城市交通局面。由于先天上的劣勢，我國的城市交通控制系統(tǒng)還有很多問題沒有解決，例如系統(tǒng)應用的環(huán)境變數(shù)大導致系統(tǒng)適應性差等問題，這些問題應該是我國交通系統(tǒng)的特點。而它具體表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）車輛種類繁雜，混合交通嚴重。由于不同人群的不同消費需求，導致道路上各種類型的車輛大量出現(xiàn)。然而目前世界上廣泛使用的交通控制系統(tǒng)對路網(wǎng)和流量都有一定的要求，并不太適合小汽車的交通。（2）頻繁的交通事故，威脅著人類的生命安全。自從汽車問世以來，交通事故就伴隨而來。交通事故的產(chǎn)生與道路狀況、環(huán)境、駕駛員素質(zhì)等因素有關(guān)。車輛多，道路窄，機動車輛和非機動車輛混行，部分司機和行人不遵守交通規(guī)則，構(gòu)成了城市交通事故主要原因。據(jù)統(tǒng)計，每年10萬人中就有9人死于車禍，這個數(shù)字是和戰(zhàn)爭中死亡的人數(shù)差不多。就西安來說，每年都有很多人死于車禍。（3）交通擁擠嚴重，導致出行時間增加，能源消耗增大。我國全國城市的車速非常的低，形勢非常的嚴峻。我國國內(nèi)百萬人口以上的大城市，每年因為交通擁擠導致?lián)p失的直接經(jīng)濟多達1600億。（4）城市污染嚴重，其中空氣、噪音等污染尤為嚴重，且情況日益惡化。當今世界上最嚴重的環(huán)境污染里面就有汽車尾氣排放、噪音導致的空氣、噪音污染。根據(jù)發(fā)達國家的調(diào)查顯示：汽車排放的污染物和交通噪聲占城市空氣污染和噪音污染的絕大比例，分別問60%和70%，而車輛制動和起動這兩個過程最容易導致這種污染物的產(chǎn)生。上述的四個方面所顯示的問題表明了我國現(xiàn)階段城市交通系統(tǒng)的突出問題，具體表現(xiàn)在混雜的車輛、頻繁的事故、擁擠的交通和日趨嚴重的污染。這要求我們找出根本原因，分析問題，找出解決的辦法，采用積極的措施，以期徹底改善城市的交通問題。1.2.4城市交通解決的主要途徑針對城市交通擁擠，有人提出修建新的城市道路或是修建新的立交橋?？墒?，過不了多長的時間，道路又恢復到原來的擁擠狀態(tài)。一般來說修建新的道路不會改變原來的擁擠，由此引發(fā)的交通量將會以極快的速度占據(jù)新增的道路設施，而這是由于以前道路供給短缺的制約才導致這部分潛在的交通量的產(chǎn)生。因為修建新的道路解決不了城市交通擁擠的根本問題，所以人們才開始尋找新的解決方法。伴隨著計算機技術(shù)的發(fā)展以及人們對控制理論不斷的了解和深入，利用控制理論和計算機技術(shù)來解決交通問題顯得越來越重要了。各國相繼開發(fā)了不同的交通控制系統(tǒng)，為緩解交通問題做出了很大的貢獻。隨著人工智能這一新興的科學的興起，人們開始將其引入到城市交通控制中來。經(jīng)過大量的探索和研究實踐，人們相信智能控制是解決城市交通問題的強有力的工具。2主要內(nèi)容隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，汽車工業(yè)也在迅速發(fā)展，如果我們做不好城市規(guī)劃和城市交通控制，那么隨之而來的城市交通將會面臨嚴峻的形式。而現(xiàn)有的比較成熟的交通控制系統(tǒng)存在有上節(jié)中所講的諸多問題，針對這些問題，本文把單片機控制引入到城市交通控制系統(tǒng)中,利用其不需要建立精確數(shù)學模型和它吸收了人工控制的經(jīng)驗，使得控制過程簡化，而且能滿足實時性和控制精度的要求。在城市交通控制中，定周期控制在交通不大且穩(wěn)定的情況下是簡單有效的，與感應控制沒什么區(qū)別。第二部分設計說明1設計的思路和方法1.1理論分析1.1.1信號控制方式的分類使用信號機控制交通流稱為交通信號控制，交通信號控制的目的是與交通量相適應，用時間比分配給相互交錯的交通流通行權(quán)。信號控制的方式和分類有很多種。本文按控制的范圍將信號控制分為點控、線控和面控。（1）點控單點交叉口交通信號控制通常簡稱為“點控制”。它以單個交叉口為控制對象，通過燈色的變化，在保證安全的前提下盡可能多地使各方向車輛通過。它是交通信號控制的最基本形式。點控制又可分為：定周期控制、感應式信號控制及模糊邏輯式信號控制。（2）線控“線控”是干道交通信號協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的簡稱，就是把一條主干道上一批相鄰的交通信號聯(lián)動起來，讓干線上交叉口的信號控制器具有相同的周期，綠信號開啟時間相繼錯開，從而使干線上行駛的車輛盡可能少遇或不遇紅燈以減少延誤，以便提高整個干道的通行能力。（3）面控區(qū)域交通信號控制系統(tǒng)簡稱為“面控”，它把整個區(qū)域中所有信號交叉口作為協(xié)調(diào)控制的對象?？刂茀^(qū)內(nèi)各受控交通信號都受中心控制室的中央控制機集中控制，從而可以提高道路通行能力，增加交通安全，節(jié)省能源和減少污染等等。無論哪種控制，其控制變量主要有三個：信號周期，綠信比和相位差。點控制只需控制前兩個變量即可。總之，交通控制過程可描述如下：根據(jù)交通法規(guī)，通過信號燈色的變化指示或提示車輛在交叉口處通信或暫停，在保證安全的前提下最大限度地提高交叉路口的通行能力。1.1.2交通規(guī)則介紹通行制是道路交通規(guī)則中的最基本原則，不然的話，人們在道路上隨意走動，必然造成交通的無秩序，車輛和行人各行其道是交通秩序的重要表現(xiàn)。世界現(xiàn)存有兩種通行制：一是左行制，另一是右行制。全世界大約有90%的國家實行右行制，將來全世界有可能統(tǒng)一采用右行制。我國也是采用右行制。現(xiàn)將一些基本的交通規(guī)則介紹如下：（1）駕駛?cè)藛T必須對兩邊的斑馬線讓道，除非中間有隔離島。（2）如果進入轉(zhuǎn)盤左拐彎或右拐彎，必須分別打左右指示燈進入；如果是經(jīng)過轉(zhuǎn)盤直行，則不要打指示燈。當你進入轉(zhuǎn)盤時，必須讓路給所有右邊來的車流。出轉(zhuǎn)盤時，必須順著進入轉(zhuǎn)盤時的車道打左轉(zhuǎn)向燈。（3）當在十字路口有禁止左轉(zhuǎn)燈時，不能左轉(zhuǎn)。（4）若經(jīng)轉(zhuǎn)盤左拐彎，進入和拐彎知道離開轉(zhuǎn)盤都必須一直打左轉(zhuǎn)向燈。（5）自行車道僅供自行車使用；公車道僅供自行車、摩托車和公交巴士使用。其他駕駛?cè)耸靠梢源┰竭@兩種特殊車道借道拐彎或停車（如果標志許可的話），但必須讓路給正在合法使用這兩種車道的車輛。1.1.3交通信號控制硬件設備簡介交通信號燈的硬件設備。其構(gòu)成可分為以下四部分：（1）信號燈：就是懸掛在道路上空或設置在路側(cè)燈柱上的發(fā)光裝置，內(nèi)裝彩色信號燈；（2）車輛檢測器：車輛通過檢測器時，由感應原理可以檢測交通參數(shù)的設施，是感應式信號控制系統(tǒng)的必要設施；（3）無線遙控裝置：啟閉信號燈，控制緊急車輛通過時的紅燈；（4）電子警察(攝像機)：監(jiān)控違章車輛。1.1.4交通信號控制系統(tǒng)信息傳輸系統(tǒng)簡介信息傳輸系統(tǒng)，也叫通訊系統(tǒng)，就是把信息從一個地方傳輸?shù)搅硪粋€地方。信息傳輸系統(tǒng)也是交通信號控制系統(tǒng)中的重要組成部分。1.1.5常用交通標志簡介交通標志是交通系統(tǒng)中重要的一部分，用以幫助駕駛員掌握方向情況?，F(xiàn)將部分常用標志介紹如下：

直行

向左轉(zhuǎn)彎

向右轉(zhuǎn)彎

直行向右轉(zhuǎn)彎

向左和向右轉(zhuǎn)彎

靠右側(cè)道路行駛

靠左側(cè)道路行駛

立交直行/右轉(zhuǎn)彎行駛

環(huán)島行駛

直行向左轉(zhuǎn)彎

立交直行和轉(zhuǎn)彎行駛

鳴喇叭

機動車道

準許試剎車

單向行駛（向左/向右）

單向行駛（直行）表2.1指示標志1.1.6交通信號控制原理交通信號控制原理是按照一定的控制程序，在交叉路口的每個方向上通過紅、黃、綠三色燈循環(huán)顯示，指揮交通流，在時間上實施隔離。交通規(guī)則規(guī)定：紅燈——停止通行，綠燈——放行，黃燈——清尾，即允許已過停車線的車輛繼續(xù)通行，通過交叉路口。信號相位方案是指交通信號燈輪流給某些方向的車輛或行人分配交通權(quán)的一種順序安排。我們把每一種控制（即對各進口道不同方向所顯示的不同色燈的組合）稱為一個信號相位。而一個相位又對應多個步伐，每一步伐對應該時刻不同燈色的狀態(tài)。2設計方案方案一：交通控制系統(tǒng)主要控制東西、南北，車道的交通，整個系統(tǒng)以STC89C52RC單片機為核心芯片，通過控制三色LED的亮滅來控制各車道的通行，另外通過復位鍵來恢復到程序的初始狀態(tài)?？傮w設計框圖如圖2.1所示：圖2.1方案一設計框圖方案二：采用標準STC89C52RC單片機為控制器，通行倒計時顯示采用3位數(shù)碼管；車道指示燈采用三色發(fā)光二極管，LED顯示采用動態(tài)掃描，以節(jié)省端口。緊急車輛通行采用實時中斷完成，識別方法采用手動按鈕。按以上系統(tǒng)構(gòu)架設計，單片機端口資源剛好滿足要求。該系統(tǒng)具有電路簡單，設計方便，顯示亮度高耗電少，可靠性高，但是占用單片機資源太多了，整個框圖設計如圖2.2所示：圖2.2方案二設計框圖方案三：采用標準STC89C52單片機為控制器，通行倒計時、東西、南北車道通行指示采用單塊LCD液晶點陣顯示器。這種方案設計占用單片機的端口最少，硬件也最少，耗電也最少，雖然顯示圖案也精美，但由于亮度太暗，晚上還得開背光燈，所以較少采用。通過以上綜合分析可以看出，方案一具有綜合設計優(yōu)點，因此城市道口交通燈控制系統(tǒng)模型采用方案一設計。3系統(tǒng)工作原理采用單片機的I/O口P0口通過上拉電阻和交通燈相連接，P3.0、P3.1口接到數(shù)碼管控制位上，控制數(shù)碼管的顯示，程序放在STC89C52RC單片機的ROM中，在十字路口的四組紅、黃、綠交通燈中，由單片機的P1.0-P1.2、P1.5-P1.7、P2.0-P2.2、P2.5-P2.7控制，由于交通燈為發(fā)光二極管且陽極通過限流電阻和電源正極相連，因此I/O口輸出低電平時，與之相連的指示燈會亮，并通過數(shù)碼管顯示時間倒計時。I/O口輸出高電平時，相應指示燈會滅。當交通出現(xiàn)障礙需要恢復到初始狀態(tài)時，按下復位鍵即可，此鍵由單片機的9腳RST鍵控制。4簡單介紹STC89C52RC單片機STC89C52RC是STC公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含8Kb的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和512b的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用高密度，非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準MCS—51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，功能強大STC89C52RC單片機可為您提供許多高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制領(lǐng)域。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100000次。將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，是一種高效微控制器，STC89C52RC單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案該器件采用ATMEL搞密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。1.時鐘電路STC89C52內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳RXD和TXD分別是此放大器的輸入端和輸出端。時鐘可以由內(nèi)部方式產(chǎn)生或外部方式產(chǎn)生。內(nèi)部方式的時鐘電路如圖2.3(a)所示，在RXD和TXD引腳上外接定時元件，內(nèi)部振蕩器就產(chǎn)生自激振蕩。定時元件通常采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。晶體振蕩頻率可以在1.2～12MHz之間選擇，電容值在5～30pF之間選擇，電容值的大小可對頻率起微調(diào)的作用。外部方式的時鐘電路如圖2—2（b）所示，RXD接地，TXD接外部振蕩器。對外部振蕩信號無特殊要求，只要求保證脈沖寬度，一般采用頻率低于12MHz的方波信號。片內(nèi)時鐘發(fā)生器把振蕩頻率兩分頻，產(chǎn)生一個兩相時鐘P1和P2，供單片機使用。（a）內(nèi)部方式時鐘電路（b）外部方式時鐘電路圖2.3時鐘電路2.復位及復位電路（1）復位操作復位就是單片機對自己進行的初始化操作。他的主要功能就是把PC初始化為0000H，從而使單片機從0000H單元開始執(zhí)行程序。除了系統(tǒng)的正常初始化外，當由于操作失誤或程序運行出錯導致系統(tǒng)進入死鎖狀態(tài)時，同樣需要按復位鍵重新啟動來擺脫所面臨的困境。除PC之外，復位操作還對其他一些寄存器有影響。（2）復位信號及其產(chǎn)生RST引腳是復位信號的輸入端。復位信號是高電平有效，其有效時間應持續(xù)24個振蕩周期(即二個機器周期)以上。若使用頗率為6MHz的晶振，則復位信號持續(xù)時間應超過4us才能完成復位操作。產(chǎn)生復位信號的電路邏輯如圖2.4所示：圖2.4復位信號的電路邏輯圖復位操作有上電自動復位和按鍵手動復位兩種方式。上電自動復位是通過外部復位電路的電容充電來實現(xiàn)的，其電路如圖2.5（a）所示。這佯，只要電源Vcc的上升時間不超過1ms，就可以實現(xiàn)自動上電復位，即接通電源就成了系統(tǒng)的復位初始化。按鍵手動復位有電平方式和脈沖方式兩種。其中，按鍵電平復位是通過使復位端經(jīng)電阻與Vcc電源接通而實現(xiàn)的，其電路如圖2.5（b）所示；而按鍵脈沖復位則是利用RC微分電路產(chǎn)生的正脈沖來實現(xiàn)的。其電路如圖2.5（c）所示：（a）上電復位（b）按鍵電平復位（c）按鍵脈沖復位圖2.5復位電路上述電路圖中的電阻、電容參數(shù)適用于6MHz晶振，能保證復位信號高電平持續(xù)時間大于2個機器周期。本系統(tǒng)的復位電路采用圖2.5（b）上電復位方式。3．STC89C52RC引腳圖圖2.6是AT89C51的引腳圖。圖2.651系列單片機的引腳圖5總體設計5.1功能概述本設計由單片機、LED數(shù)碼顯示模塊和按鍵等構(gòu)成。單片機是集成的IC芯片STC89C52單片機，只需根據(jù)實際選型。其他部分都需要根據(jù)應用要求和性能指示設計，為了更貼合實際的紅綠燈交通規(guī)則和模型，對《交通信號燈控制器的設計與制作》任務書做出一定的修改和變化，后續(xù)的硬件和軟件設計是按照修改后的任務書進行描述的。①本系統(tǒng)交通燈控制規(guī)則如下：1）系統(tǒng)設置四組紅、黃、綠交通指示燈，并配置四隊LED顯示器。正常情況下兩個干線上的紅、黃、綠燈進行轉(zhuǎn)換。2)東西方向和南北方向交替通行，東西方向每次放行30秒，南北方向每次放行30秒。5.2系統(tǒng)構(gòu)成整個系統(tǒng)的構(gòu)成以STC89C52RC單片機為核心，由I/O口擴展，LED數(shù)碼管顯示，還有復位電路、時鐘電路等組成。單片機作為整個硬件系統(tǒng)的核心，它既是協(xié)調(diào)整機工作的控制器，又是數(shù)據(jù)處理器。它由單片機、晶振電路、復位電路等組成。6系統(tǒng)硬件設計6.1交通燈通行模式及行車方向指示按交通燈控制規(guī)則，每個道口有紅、黃、綠三種指示燈，交道口模型如圖3.1所示：圖3.1交道口模型圖2組LED數(shù)碼管按照設置的通行時間（各路口默認的通行時間均為30s）進行倒計時，倒計時到5S時，綠燈變成黃燈，并各自進行紅、黃、綠燈顯示，共有兩種通行方式分別為：圖3.2通行方式一示意圖圖3.3通行方式二示意圖通行方式一：倒計時時間為30s（通行時間），紅綠燈狀態(tài)為：東西通行：綠，南北禁行：紅;如圖3.2所示。通行方式二：倒計時時間為30s（通行時間），紅綠燈狀態(tài)為：南北通行：綠；東西禁行：紅;如圖3.3所示。6.2各單元電路模塊功能6.2.1時鐘電路模塊時鐘電路由一個晶體振蕩器12MHZ和兩個30pF的瓷片電容組成。時鐘電路用于產(chǎn)生單片機工作所需的時鐘信號，而時序所研究的是指令執(zhí)行中各信號之間的相互關(guān)系。單片機本身就是一個復雜的同步時序電路，為了保證同步工作方式的實現(xiàn)，電路應在唯一的時鐘信號控制下嚴格地工作。其電路如圖3.4所示:圖3.4時鐘電路模塊6.2.2復位電路模塊復位電路是使單片機的CPU或系統(tǒng)中的其他部件處于某一確定的初始狀態(tài)，并從這狀態(tài)開始工作，除了進入系統(tǒng)的正常初始化之外，當由于程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫困境，也需要按復位電路以重新啟動。本設計采用的是按鍵復位電路。其電路如圖3.5所示：圖3.5復位電路模塊6.2.3主控制系統(tǒng)模塊主控制器采用STC89C52RC，STC89C52RC單片機是宏晶科技推出的新一代高速/功耗低/抗干擾能力強的單片機，8051單片機和其指令代碼可以很好的兼容，12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可以任意選擇。其特點如下：增強型8051單片機，6時鐘/機器周期和12時鐘/機器周期可以任意選擇，8051單片機和其指令代碼可以很好的兼容。工作時的電壓：5.5V～3.3V（5V單片機）/3.8V～2.0V（3V單片機）。工作頻率的范圍：0～40MHz，基本上和普通8051的0～80MHz一樣，實際它的工作頻率基本上可達到48MHz。用戶應用程序空間為8K字節(jié)。片上集成512字節(jié)RAM。通用I/O口（32個）復位后為：P1/P2/P3/P4為準雙向口/弱上拉，P0口是漏極開路輸出，當它當作I/O口就需要加上拉電阻，而當它當作總線擴展用時，就不需要加上拉電阻了。具有EEPROM功能。具有看門狗的功能。共3個16位定時器/計數(shù)器。即定時器T0、T1、T2。圖3.6主控置系統(tǒng)模塊電路6.2.4交通燈輸出控制模塊道口交通燈指示采用紅、黃、綠發(fā)光二極管進行提示。其圖如圖3.7所示：圖3.7LED顯示模塊電路當R=1000歐時，按公式A=(5-1.8)/R計算，電路中的電流大小應為A=3.2mA。由于每個路口的通行雙向指示處理相同，因此每個端口應具有6.4mA的吸收電流能力。6.2.5時間顯示電路模塊考慮設計需要，我們在各個方向分別用二位數(shù)碼管用來顯示倒計時時間，構(gòu)成交通提示信息，形象逼真。本系統(tǒng)的倒計時顯示功能是用數(shù)碼管來實現(xiàn)的。以方向東西為為例，數(shù)碼管上面所顯示的數(shù)值從綠燈所設置的時間最大值不停往下遞減，每秒鐘減1，一直減到0，然后相同原理的紅燈、綠燈如此循環(huán)。系統(tǒng)共有1個二位LED數(shù)碼管，在模擬的交通燈控制板上面的四組交通燈中間分別放置著?；旧纤膫€方向所顯示的內(nèi)容上都應該是相同的，因此這四組我們可以同樣看待，只用了一組數(shù)碼管來模擬。所以把四組的數(shù)碼管個位用一根信號線控制，十位用另一根信號線控制。道口通行剩余時間采用紅色7段數(shù)碼管顯示，采用共陰數(shù)碼管，如用單片機P0口加上拉電阻驅(qū)動，P3.0/P3.1來控制數(shù)碼管的位。其顯示電路如圖3.8所示：圖3.8數(shù)碼管顯示模塊電路6.2.6系統(tǒng)電源模塊電路由于該系統(tǒng)中51單片機及三極管工作電壓均為5V電壓，所以要保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作，需要設計一個可以穩(wěn)定提供5V電壓的供電系統(tǒng)。本設計采用外置5V穩(wěn)壓開關(guān)電源作為系統(tǒng)的供電電源，系統(tǒng)電源輸入接口要加濾波電容以確保工作電壓穩(wěn)定。電源輸出接口加上LED電源指示燈，用來判定電源是否正常工作。該系統(tǒng)電源電路設計如圖3.9所示：圖3.9系統(tǒng)電源電路7系統(tǒng)軟件設計根據(jù)實際交通燈的變化情況和規(guī)律。假設一個十字路口為東南西北走向。初始狀態(tài)1東西綠燈通車，南北紅燈亮。過30s，轉(zhuǎn)狀態(tài)2，東西綠燈滅黃燈亮，南北紅燈滅黃燈亮，過5s，再轉(zhuǎn)狀態(tài)3，南北綠燈通車，東西紅燈亮。過30s，轉(zhuǎn)狀態(tài)4，南北綠燈滅黃燈亮，東西紅燈滅黃燈亮，過5s，又循環(huán)至狀態(tài)1。對于交通信號燈來說東西南北共四組燈，由于同一道上的兩組的信號燈的顯示情況是相同的，因此，采用單片機內(nèi)部的I/O口來控制12個信號燈。通過編寫程序，實現(xiàn)對發(fā)光二極管的控制，來模擬交通信號燈的管理。7.1軟件總體流程圖軟件總體設計及流程圖見圖4.1。圖4.1軟件總體流程圖7.2軟件主要子程序流程7.2.1復位狀態(tài)子程序在道路交通突然狀況也越來越多，特別是在車流輛比較集中的十字路口。本設計在緊急狀態(tài)下，車輛禁行、行人通行。緊急情況結(jié)束后按下復位按鈕再轉(zhuǎn)成自動狀態(tài)，如圖4.3所示：圖4.3復位狀態(tài)子程序7.2.2顯示狀態(tài)子程序圖4.4顯示狀態(tài)子程序本設計各路口燈比較多，各通行狀態(tài)前文已有描述在此不一一贅述。雖然整個系統(tǒng)LED燈的數(shù)量比較多，但各個方向的燈各司其職使交通指揮更加顯而明了。在人為手動復位和初始化的情況下，各路口所有交通燈均點亮。此時若有LED燈出現(xiàn)故障，一目了然，可以及時檢修。若有緊急中斷信號出現(xiàn)，顯示子程序優(yōu)先處理中斷程序，將所有路口的信號燈置為紅色禁止通行。緊急狀態(tài)解除各信號燈再進入正常狀態(tài)顯示。8系統(tǒng)調(diào)試分析及結(jié)果因本設計本身要求有穩(wěn)定性高、免維護、抗干擾能力強等功能，系統(tǒng)調(diào)試除了驗證數(shù)據(jù)處理的精度，確保判斷的準確性外，同時必須確認各項功能的正常運行。8.1電路板實物的制作8.1.1印制電路板PCB圖的繪制由于本電路硬件設計中，用單片機的一個IO口控制各路交通燈的循環(huán)點亮。用同一芯片單片機的P0口來控制數(shù)碼管的顯示點亮。因此，在同一芯片中，所要接的線路比較多。在硬件的布局中，各位LED燈和數(shù)碼管的布局比較固定化，集中分布在所控制的兩個路口。因此，若采用雙面PCB板的話，這個電路的布線比較容易實現(xiàn)。但是，現(xiàn)實水平中做雙面板會出現(xiàn)一些焊點接觸不良而導致電路調(diào)試過程不易實現(xiàn)。因此，決定使用單面板布線。單片面板的布線需要犧牲本設計電路板一部分實際電路的美觀。印刷電路板的設計是基于原理為基礎的電路設計實現(xiàn)所需的功能。印刷電路板的設計主要是指布局設計，要考慮所述外部連接的布局，內(nèi)部電子元件，金屬線和通孔的優(yōu)化布局，電磁保護的最佳布局，各種因素，如散熱等原因。出色的布局設計可降低生產(chǎn)成本，以達到良好的電路性能和散熱性能。8.1.2實物的制做準備工作：采購萬能板若干張，實物電路所需的各種元器件；還有其他的基本電子器件和制板工具。①總制板工藝程序1)先將所有元器件擺放到萬能板上，確實各個原件的最有位置，原則是，既美觀，又容易焊接。2)把擺好位置的元器件焊到板子上，最好用焊臺來完成。3)根據(jù)原理圖，把所有的連線連接起來，連接的導線，盡量用細一點的。②制板心得：我們在制板過程中，1)首先是PROTEL設計的時候出現(xiàn)的錯誤導致印制電路板制作錯誤。2)其次是由于設計的理論和實際有誤差導致無法實現(xiàn)目標。3)焊接過程中出現(xiàn)了一些問題，比如焊跳線的時候，由于接線太多，而且是手工焊接，并且焊接設備不好，烙鐵頭高溫下容易老化氧化和溫度不可控制。因此導致焊盤脫落，原件燙傷等原因?qū)е聢髲U了好幾塊板子。此外，有些焊盤太小并且有損壞跡象，所以焊接很不方便。但為了不出現(xiàn)虛焊，卻花了很長時間去焊，有些焊點并不是很美觀。4)焊接過程中，有時候焊錫會不小心將相鄰的兩根引線短路。所以，此次做板積累了一些經(jīng)驗，主要是，再次做板的時候一定要注意PCB的引線之間的距離不能設置太近。因為是手工制作，精度和密度都必須有一個自由度和能力所及的范圍，并且考慮到手工制板的局限性和線路過細密導致的氧化和短路故障。8.2系統(tǒng)硬件調(diào)試在設計過程中，交通燈控制系統(tǒng)的PCB電路板所需要的焊接工作量是非常大的，在電路的安裝完成以后，首先需要對它進行檢查，即確保電路沒有虛焊，沒有短路和斷路，集成元件安裝沒有錯誤后，電路調(diào)試后功能模塊分類，根據(jù)電路的功能進行了一步一步：對通行方式功能（包括兩種通行方式）、指示燈的亮度和驅(qū)動電路、倒計時功能、數(shù)碼管的亮度、復位功能等的調(diào)試。8.3系統(tǒng)軟件調(diào)試本系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)很大，選用一般的單片機通信C語言程序進行編寫和調(diào)試。除了語法差錯外，當確認程序沒問題時，通過直接下載到單片機來調(diào)試。采取的是自下到上的調(diào)試方法，即單獨調(diào)試好每一個模塊，然后再連接成一個完整的系統(tǒng)，最后完成一個完整的系統(tǒng)調(diào)試。8.4系統(tǒng)總體調(diào)試系統(tǒng)做好后，進行系統(tǒng)的完整調(diào)試。主要任務是檢驗實現(xiàn)的功能及其效果并校正誤差。測試一開始，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)出現(xiàn)了兩個問題：一是有一部分交通燈亮度不夠，所發(fā)出來的光非常的微弱以致于幾乎感覺不到它的亮度；二是數(shù)碼管不工作，沒有時間顯示。這與設計的要求完全不符。為了找出這個問題和解決方法，查找了電路的輸出各部分的輸出電平。發(fā)現(xiàn)了一個現(xiàn)象，我們采用的數(shù)碼管是共陰極數(shù)碼管。而控制數(shù)碼段顯示的P3.0和P3.1口輸出的是高電平。經(jīng)多方查閱資料，解決第二個問題可以有兩個解決方法。其一，將硬件電路作修改，將數(shù)碼管換成共陽極的數(shù)碼管。這樣數(shù)碼管就可以正常進行時間顯示了。其二，修改程序，讓控制數(shù)碼管段碼的P0輸出的是低電平。若采用修改硬件電路的方法的話，硬件電路就得作變動。已經(jīng)布好的線也必須有相應的變動，操作起來比較麻煩。所以，我們采用了第二種方法。修改了程序電路中的段碼代碼。再次調(diào)試，按照設計要求的指標，系統(tǒng)數(shù)碼管電路部分基本能按照預先設定的要求來進行倒計時的顯示。亮度要求也基本符合預先設想。接下來還有一個問題有待解決，交通燈亮度不足，以致于部分交通燈只能勉強看得出來它在亮而已。這明顯不能滿足設計要求。經(jīng)多方檢測，我們認為這是由于LED燈驅(qū)動能力不足引起的亮度弱問題。若要修正這個問題，那就得為LED燈增加驅(qū)動電路以提高電路的驅(qū)動能力。要實現(xiàn)這一步驟必須對硬件電路進行一定的改動。LED燈的驅(qū)動電路可以用集成電路電路芯片來進行驅(qū)動。在初步方案中考慮要用集成電路來完成。但是由于客觀方面的原因，沒有制作實物的環(huán)境條件。因此，這部分改進只作了一個設想，并沒有時間去付諸實施。但基本問題和解決問題的原理還是有一定的了解。第三部分設計成果1硬件和軟件1.1硬件原理圖圖1.1電路原理圖1.2仿真圖圖1.2電路仿真圖1.3源碼#include<reg51.h>#include<intrins.h>Sbitsmg1=P3^0;sbitsmg2=P3^1;sbitN_green=P2^0;sbitN_red=P2^1;sbitN_yellow=P2^2; sbitS_green=P2^7;sbitS_red=P2^6;sbitS_yellow=P2^5;sbitW_green=P1^0;sbitW_red=P1^1;sbitW_yellow=P1^2; sbitE_green=P1^7;sbitE_red=P1^6;sbitE_yellow=P1^5;intdjs=30,js=0,bt=30; //djs和bt是初始倒計時時間，可修改Inttable[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x40};voidjtd();voiddjsxs();voiddelayms(intx){chari;while(x--){for(i=150;i>0;i--);}}setxs(){intb1,b2;b1=djs/10;b2=djs%10;P0=table[b1];smg1=0;delayms(3);smg1=1;P0=table[b2];smg2=0;delayms(3);smg2=1;}voiddelayms2(intp){chari;while(p--){setxs();for(i=150;i>0;i--)setxs();}}Timer0_init(){js=0;TMOD=0x01;//T0為定時器方式1TH0=0x4c;TL0=0x00;TR0=1;//IT1=1;ET0=1;//EX1=1;EA=1;}voidtimer0()interrupt1using1 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