基于8051单片机的交通信号控制系统大学论文.docx
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基于8051单片机的交通信号控制系统大学论文
攀枝花学院本科毕业设计(论文)
基于8051单片机的交通信号控制系统
设计
学生姓名:
学生学号:
院(系):
电气信息工程学院
年级专业:
09级电气工程与自动化
指导教师:
副教授
助理指导教师:
二〇一三年五月
摘要
随着技术的发展,单片机技术越来越成熟,由于单片机有很高的可靠性和性价比,其在工业上和生活上的应用已经非常广泛。
在实际的生产生活中,将单片机做为一个核心的控制部件来应用,能够降低成本,提高生产的自动化水平。
本设计中以MSC-51系列单片机AT89C51单片机作为信号系统控制的核心,通过单片机的引脚来控制交通信号红、黄、绿灯和人行道上的红绿灯,并进行计时。
单片机的I/O口P0、P1控制交通信号灯的亮、暗、闪烁。
P2口经过锁存器74HC595控制共阳极数码管进行计时输出。
在设计中将系统的运行方式设为,东西直行、南北直行、东西左右转、南北左右转四个运行状态加四个过度状态和一个紧急运行状态,共九个状态。
在直行运行时,对运行时间进行倒数计时,显示在数码管上。
当发生紧急状况时,系统可进入紧急运行状态,红灯全亮,其他灯全暗,紧急状态由外部中断0控制。
关键词交通信号系统,控制,单片机。
ABSTRACT
Withthedevelopmentoftechnology,computertechnologyismoreandmoremature,thesingle-chipmicrocomputerhashighreliabilityandcost-effective,itsapplicationinindustryandthelifeofthealreadyveryextensive.Inthepracticalproductionandlife,thecontrolunitMCUasacoretotheapplication,canreducethecost,improvetheautomationlevelofproduction.
ThedesignofMSC-51seriesmicrocontrollerAT89C51asthecoresignalcontrolsystem,throughthemicrocontrollerpintocontrolthetrafficsignalred,yellow,greenandredlightsonthesidewalk,andtiming.I\/OportP0,P1controltrafficlightsSCMbright,dark,scintillation.P2portafterthelatch74HC595controlcommonanodeledtimingoutput.
Intheoperationofthesystemdesignis,thingsstraight,straightnorth-southline,thingsturnaround,turnleftandrightfournorth-southrunningstateandfourtransitionstateandastateofemergencyoperation,atotalofninestate.Inthestraightruntime,countdowntotherunningtime,digitaltubedisplay.Whenanemergencyoccurs,thesystemcanentertheemergencystate,thewholebrightredlight,otherlightsaredark,astateofemergencybyexternalinterrupt0control.
KeywordsTrafficsignalsystem,control,singlechip
目录
摘要I
ABSTRACTII
目录i
1绪论1
1.1课题背景1
1.1.1我国的交通发展及现状1
1.1.2单片机在交通控制系统中的优势1
1.2论文所做的主要工作2
1.2.1阅读相关的文献资料做好设计知识储备2
1.2.2实际调查交通信号系统2
1.2.3编写论文3
1.3论文的组织结构3
2交通信号系统的设计4
2.1通行设计4
2.1.1交通信号系统的结构及控制要求4
2.1.2交通规则设计4
2.2亮灯时序9
3硬件设计10
3.1硬件的选择和介绍10
3.1.1芯片74HC59510
3.1.2单片机12
3.1.3七段LED数码管16
3.2辅助电路17
3.2.1复位电路17
3.2.2晶振电路18
3.3主电路设计19
4软件设计和调试21
4.1程序设计21
4.1.1流程图和真值表21
4.1.2程序设计22
4.2程序的调试23
4.3仿真调试23
4.3.1调试的方案23
4.3..2仿真调试的结果及分析24
结论31
参考文献32
附录:
控制程序清单33
致谢38
1绪论
1.1课题背景
1.1.1我国的交通发展及现状
自改革开放以来,我国的城市规模和经济建设都有了飞速的发展。
总的来说过的城市交通控制系统的发展经历了以下几个阶段:
七十年代末到九十年代初,城市交通监控中心主要是建立交通信号控制系统和交通电视监视系统,其主要功能是对路口信号灯进行点、面相结合的控制,对路面的交通状况进行实时的监视,并辅之以人工干预。
九十年代以来,原来的驾控中心不断增加了GPS车辆定位系统、交通事故处理系统、交通群体诱导系统、交通管理信息系统、交通地理信息系统等等,并逐步发展成为了城市交通指挥中心。
但是这些系统基本上只是物理上放置在一起,相互之间基本上不能进行信息交换与共享,实现统一调度与指挥。
九十年代末至今,我国城市交通的发展集中在智能化的交通控制系统建设上,进一步实现交通控制系统的智能化,实现信息的交换和共享。
随着我国工业化和城市化的高速发展,我国的居民汽车保有量大幅增长,再加上物流业的快速发展,我国的城市交通状况压力增大。
由于我国的城市交通基础设施还比较落后,导致道路拥堵状况日趋严重。
拥堵的交通不仅浪费了人民大量的时间,还导致了交通事故的频繁发生。
大量的机动车拥堵在路上,增加了汽车尾气的排放,污染了环境的同时还浪费了大量的能源。
在近年北方的严重雾霾状况,很大程度上也和汽车尾气的大量排放有关。
因此解决交通拥堵问题日益城为社会关注的焦点和大众的迫切呼声。
造成城市交通问题的根本原因在于城市交通系统的管理机制不适应。
在现有的基础设施条件下,要想缓解交通问题运用现代科技手段强化交通管控能力就显得尤为重要。
由于交通管控能力不足,我国的大城市道路网还有很大的潜力没有发挥出来。
如果我们能尽快引进先进管理技术与设施,使城市道路交通置于先进的科学的系统管理之下,让现有的城市道路网及相关的设施潜能充分发挥出来,将能够大大缓解目前我国的城市交通压力。
1.1.2单片机在交通控制系统中的优势
传统的人工控制,虽然能够根据实际的情况进行灵活的调整和指挥,使交通能够合理的运行,适应随时发生的变化,但是,由于人的生理原因,人不可能全天候的执勤,且人工的执勤成本较信息化的控制成本要高出不少。
随着技术的发展出现了很多信息化的交通信号系统,其中plc就是一种比较普遍应用控制系统,但是plc的成本较高,在运行和维护中的成本也比较高不利于大范围的推广和应用。
随着技术的进步,单片机在工业生产生活中的应用越来越广泛。
单片机具有成本低、体积小、可裁剪、功耗低、可编程等诸多优点,因此单片机自诞生之日起就引起了广泛的关注。
经过不断的发展和完善,单片机的可靠性越来越高,应用也越来越广泛。
将单片机应用在交通控制系统中,能够大大提高交通控制系统的智能化水平。
单片机的成本低,可以大大减低交通系统的建设成本,使交通信号系统的推广和大量建设成为可能。
单片机的可编程功能能够使单片机经过一次硬件上的设计,就能够广泛的适应不同的交通状况,只需要将程序稍微进行一下调整。
单片机功耗低的优点可以使其运行成本大大降低。
因此,单片机在交通信号系统中有很广泛的应用前景。
1.2论文所做的主要工作
1.2.1阅读相关的文献资料做好设计知识储备
虽然大三的时候学习了单片机方面的相关知识,但是由于涉猎面比较窄,再加上平时运用的比较少,导致知识的储备不足,要想完整的做成论文设计必须进行知识的复习,并且阅读相关的书籍,加深一下知识的理解,扩展自己的视野,扩大元器件的选着面,提高自己对单片机的认识。
由于大三所学的单片机编程采用的是汇编语言,但是,C语言有可读性强,兼容性高等优点,目前在社会上被广泛应用编程语言是C语言。
因此在本设计中我打算才用C语言来编程。
大二的时候学过C语言方面的知识,但是,运用C语言进行单片机的程序编写还是有一定的难度,因此,首先复习C语言方面的知识,并学习用C语言对单片机进行编程。
由于自己在学习的过程中对单片机应用相关的元器件知识了解不是很多,所以,进行设计的时候有可能面临选材范围太窄的问题。
因此,我从网上下载了一些资料,来学习相关的硬件知识,并且借阅相关的书籍,拓展一下自己的知识面。
1.2.2实际调查交通信号系统
论文的设计应当是结合实际生活的,因此,必然少不了对实际情况的考察。
在实际的调查中我发现,由于道路宽窄的不同,交通路口的重要程度不同,各地的标准不太一样,等很多方面的差异,各个交通信号系统有很大的差异。
有的信号系统有计时器,有的则没有,有的有黄灯,有的只有红绿灯,有的红绿灯转换时间长,有的转换时间短,等等。
在本设计中,尽可能的考虑到一般情况,选出具有代表性的状况进行编程设计。
1.2.3编写论文
根据自己储备的专业知识并结合实际的调查结果,在老师的指导下完成本次设计
首先制定设计的提纲,对于各设计阶段要做的事情进行合理的排序,将论文的编写分为制定设计要求,硬件选择和软件编程三个主要部分。
必须先要根据设计的情况制定出相应的设计要求,然后才能够进行后面的硬件选择。
设计要求的制定应当尽量全面的去考虑实际的需求情况,力求设计能够满足现实需求,反应现实问题,同时,设计需求应当尽量的简化、合理,适当考虑硬件的选择和后面的程序设计。
硬件的选择必须是满足设计要求的,同时要考虑到稳定性和后面程序的设计,在能保证稳定性和设计要求的前提下,应当尽量的简化,节约设计的成本。
软件设计是在设计要求和硬件的基础上完成的,软件设计首先应当能够满足设计的要求,然后在硬件的基础上对设计进行表达。
同时,软件设计应当考虑到程序运行的稳定性,在设计时程序应当尽量的简单可靠,最好能够抗干扰。
1.3论文的组织结构
(1)对被控对象进行综合性的叙述,分析各种控制的利弊,说明单片机在交通信号系统控制中的优势。
(2)根据相应的交通规则编写信号系统的运行方案,运行方案应当结合实际情况进行设计,为后面的工作做好基础准备。
(3)根据运行方案选着合适的硬件来实现设计,硬件的学则应当尽量的简单且能满足设计的要求。
(4)根据运行要求和硬件设计编写实现设计所需的运行程序流程图,然后根据运行程序流程图相应的程序。
程序应当尽量的简单可靠,同时满足设计的要求。
(5)对设计进行仿真测试,检查设计中存在的问题,并加以解决。
使设计满足设计要求。
2交通信号系统的设计
2.1通行设计
2.1.1交通信号系统的结构及控制要求
交通信号系统主要由主干道上的红、绿、黄灯和计时显示器,人行道上的红绿指示灯组成。
主干道上的红、绿、黄灯和计时显示器主要是对过往的车辆进行协调指挥,使其合理有序的通过。
人行道的红绿指示灯主要是对行人进行指挥,使行人能够安全的通过十字路口,不发生危险的交通事故。
交通信号系统的设计应当尽量的合理,在时间上应能使各个方向的行人和车辆快速合理的通过十字路口,而又不发生安全事故。
2.1.2交通规则设计
根据交通规则制定相应的设计方案。
本设计中将交通信号系统设计为9个运行状态,其中前八个为正常运行状态,最后一个为紧急运行状态。
图2.1状态1的通行图(上图方位为上北下南左西右东)
状态1:
南北方向直行可通过。
在此状态下,南北方向车辆和行人可以直行通过,东西方向禁止通行,并且禁止各个方向左右转弯。
在此状态下,南北方向的绿灯亮起,红灯和黄灯暗下,南北方向的车辆可以直行。
南北方向的人行道绿灯亮起,行人可以通过。
东西方向的红灯亮起,东西方向的绿灯和黄灯暗下,禁止车辆直行。
东西方向的人行道红灯亮起,禁止行人通行。
所有的转向灯都暗下,车辆禁止转向。
此状态持续90s
十字路口的通行如图2.1
状态2:
此状态为状态1的延续,目的是等待南北方向正在听过的行人完全通过,为进入状态3做准备。
在此状态下,东西和南北方向禁止行人和车辆继续通过,正在通过的行人和车辆应当做出适当的调整,为状态3的车辆让路,道路禁止转向。
在此状态下,南北方向的绿灯暗,黄灯亮,红灯保持暗,禁止车辆继续通行,正在通过的车辆可继续行进。
东西方向红灯保持亮,绿灯和黄灯保持暗,禁止车辆直行。
东西方向的人行道保持红灯亮,南北方向的人行道绿灯闪烁,提示禁止行人继续通过,正在通过的行人快速通过。
此状态持续5s
状态3:
南北方向的车可左右转,东西方向的车只能右转,人行道禁止通行。
在此状态下,南北方向的车可以进行左右转弯,为了保持运行的秩序和安全,东西方向的车只能右转。
在此状态下,东西和南北方向的红灯亮起,绿灯和黄灯暗下,禁止直行。
南北方向的左右转向灯均亮起,可以左右转弯。
东西方向的转向灯只右转灯亮起,东西方向禁止右转,只能左转。
各方向人行道红灯亮起,行人禁止通行。
十字路口的通行如图2.2
此状态持续45s
图2.2状态3的通行图(下图方位为上北下南左西右东)
状态4:
此状态为状态3的延续,目的是禁止车辆通过路口,正在转向的车辆继续通过,为状态4做准备。
在此状态下,各个方向的车辆和行人禁止通过,正在通过的车辆可继续通过。
在此状态下,南北方向红灯亮,南北方向绿灯和黄灯暗,南北方向车辆禁止直行。
南北方向左右转向灯闪烁,禁止车辆转向,正在转弯的车辆可继续通过。
东西方向红灯闪烁,绿灯和黄灯暗,车辆禁止直行。
东西方向右转灯闪烁,左转灯暗,禁止车辆右转,正在转弯的车辆可继续通过。
南北方向人行道红灯亮,禁止行人通过。
东西方向人行道红灯闪烁,提示行人准备过马路。
此状态持续5s
状态5:
东西方向直行可通过。
在此状态下,东西方向车辆和行人可以直行通过,南北方向禁止通行,并且禁止各个方向左右转弯。
在此状态下,东西方向的绿灯亮起,东西方向的红灯和黄灯暗下,东西方向的车辆可以直行。
东西方向的人行道绿灯亮起,行人可以通过。
南北方向的红灯亮起,绿灯和黄灯下暗下,禁止车辆直行。
南北方向的人行道红灯亮起,禁止行人通行。
各个方向的转向灯都暗下,车辆禁止转向。
图2.3状态5的通行图(上图方位为上北下南左西右东)
十字路口的通行如图2.3
此状态持续90s
状态6:
此状态为状态5的延续,目的是等待南北方向正在听过的行人完全通过,为进入状态7做准备。
在此状态下,东西和南北方向禁止行人和车辆继续通过,正在通过的行人和车辆应当做出适当的调整,为状态7的车辆让路,道路禁止转向。
在此状态下,东西方向的绿灯暗,黄灯亮,红灯保持暗,禁止车辆继续通行,正在通过的车辆可继续行进。
南北方向红灯保持亮,绿灯和黄灯保持暗,禁止车辆直行。
南北方向的人行道保持红灯亮起,行人禁止通过。
东西方向的人行道绿灯闪烁,提示禁止行人继续通过,正在通过的行人快速通过。
此状态持续5s
状态7:
图2..4状态7的通行图(上图方位为上北下南左西右东)
东西方向的车可左右转,南北方向的车只能右转,人行道禁止通行。
在此状态下,东西方向的车可以进行左右转弯,为了保持运行的秩序和安全,南北方向的车只能右转。
在此状态下,东西和南北方向的红灯亮起,绿灯和黄灯暗下,禁止直行。
东西方向的左右转向灯均亮起,可以左右转弯。
南北方向的转向灯只右转灯亮起,南北方向禁止右转,只能左转。
各方向人行道红灯亮起,行人禁止通行。
十字路口的通行如图2.4
此状态持续45s
状态8:
此状态为状态7的延续,目的是禁止车辆通过路口,正在转向的车辆继续通过,为状态1做准备。
在此状态下,各个方向的车辆和行人禁止通过,正在通过的车辆可继续通过。
在此状态下,东西方向红灯亮,东西方向绿灯和黄灯暗,东西方向车辆禁止直行。
东西方向左右转向灯闪烁,禁止车辆转向,正在转弯的车辆可继续通过。
东西方向红灯闪烁,绿灯和黄灯暗,车辆禁止直行。
南北方向右转灯闪烁,左转灯暗,禁止车辆右转,正在转弯的车辆可继续通过。
东西方向人行道红灯亮,禁止行人通过。
南北方向人行道红灯闪烁,提示行人准备过马路。
此状态持续5s
紧急状态:
在紧急状态下,按下紧急状态按钮,各方向的红灯亮起,人行道的红灯也亮起,禁止一切行人和车辆通过,实行交通管制。
当按钮恢复后重新切换为正常状态。
2.2亮灯时序
根据交通状态分析,可以做出亮灯时序表2-1
表2-1亮灯时序表
南北
东西
时间
红
绿
左
右
人绿
人红
黄
红
绿
左
右
人绿
人红
黄
1
O
X
X
X
X
O
X
X
O
X
X
O
X
X
90s
2
O
X
X
X
X
O
X
X
X
X
X
S
X
O
5s
3
O
X
O
O
X
O
X
O
X
X
O
X
O
X
45s
4
O
X
S
S
X
O
X
S
X
X
S
X
S
X
5s
5
X
O
X
X
O
X
X
O
X
X
X
X
O
X
90s
6
X
X
X
X
S
X
O
O
X
X
X
X
O
X
5s
7
O
X
X
O
X
O
X
O
X
O
O
X
O
X
45s
8
S
X
X
S
X
S
X
O
X
S
S
X
O
X
5s
JJ
O
X
X
X
X
O
X
0
X
X
X
X
0
X
说明:
图中O为亮;X为暗;S为闪烁
正常情况下,交通信号灯应按照上表中的状态1到状态8亮灯方式,循环运行。
考虑到可能发生特殊状况,在特殊情况下需要进行交通管制,则应有应急运行方式。
在应急运行方式下应当红灯全亮,各个方向的车全部禁行,亮灯方式为状态JJ。
应急状态结束后恢复到正常状态继续运行。
3硬件设计
完成该系统的控制需要一个核心控制芯片,来编程控制信号系统的运行,本设计中采用51系列单片机;51单片机在进行控制时需要脉冲发生电路,本设计中采用晶振电路;为防止控制系统在运行过程中发生运行不正常的状况本系统应当具有复位电路;为了显示计时状况,应当采用八段数码显示管和74HC595芯片。
3.1硬件的选择和介绍
3.1.1芯片74HC595
图3.1芯片74HC595引脚的引脚结构
74HC595是一款漏极开路输出的CMOS移位寄存器,输出端口为可控的三态输出端,亦能串行输出控制下一级级联芯片。
74HC595具有以下特点:
(1)移位时钟频率高,最高可达25MHz
(2)标准串行(SPI)接口
(3)CMOS可串行输出,能够用于多个设备的级联
(4)功耗低:
在运行温度为25℃时,内部最大电流为4uA。
芯片74HC595的引脚结构如图3.1
74HC595的引脚功能表如表3-1
表3-174HC595引脚功能表
管脚编号
管脚名
管脚定义功能
1、2、3、4、5、6、7、15
QA-QH
三态输出管脚
8
GND
电源地
9
SQH
串行数据输出管脚
10
SCLR
移位寄存器清零端
11
SCK
数据输入时钟线
12
RCK
输出存储器锁存时钟线
13
OE
输出使能
14
SI
数据线
16
VCC
电源端
74HC595的真值如表3-2
表3-274HC595真值表
输入管脚
输出管脚
SI
SCK
SCLR
RCK
OE
X
X
X
X
H
QA-QH输出高阻
X
X
X
X
L
QA-QH输出有效值
X
X
L
X
X
移位寄存器清零
L
上沿
H
X
X
移位寄存器存储L
H
上沿
H
X
X
移位寄存器存储H
X
下沿
H
X
X
移位寄存器状态保持
X
X
X
上沿
X
输出存储器锁存移位寄存器中的状态值
X
X
X
下沿
X
输出存储器状态保持
74HC595的逻辑图如图3.2
图3.274HC595的逻辑图
3.1.2单片机
主要性能:
l与MCS-51单片机产品兼容
28K字节可编程Flash存储器
3高达1000次的擦写周期
4全静态操作频率范围:
0Hz~33Hz
5具有三级加密程序存储器
6具有32个可编程的I/O口线
7具有三个16位定时器/计数器
8具有八个中断源
9全双工UART串行通道
10低功耗空闲和掉电模式
11掉电后中断可唤醒
12具有看门狗定时器,能有效防止程序跑飞
13双数据指针
图3.3AT89C51单片机的内部结构框图
功能特性描述:
AT89C51单片机是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司的高密度非易失性存储器制造技术,能够与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统上编程,亦适于常规编程器。
在单芯片上,拥有非常灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使AT89C51单片机为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活和非常有效的解决方案。
AT89C51单片机具有以下标准功能:
8k字节的Flash,256字节的RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,3个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。
另外,AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
AT89C51的内部结构框图如图3.3
引脚说明:
AT89C51单片机芯片有40个引脚。
采用的封装方式为双列直插式封装。
各主要引脚的说明如下:
1主电源引脚
Vcc:
接5V电源的正端。
Vss:
接5V电源的地端。
2外接
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