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系统交通指示灯供电采用220V交流电源,控制系统供电采用220V交流整流稳压电源,能源获取很方便;
电子开关采用光电隔离器MOC3041,安全性能好;
控制台采用发光二极管指示相应被控交通指示灯,采用LED数码管静态显示通行时间,非常直观。
系统实用性强、操作简便、扩展性强。
关键词:
交通指示灯;
单片机;
控制
Abstract
Trafficguidinglightscontrolsystemincludes:
thecontrollingcircuit,switchcircuit,statedemonstratecircuit,statesetsupcircuitandthecontrollingsystem’spowercircuit.ThesystemuseMicrocontrollerUnitAT89C51asthemaincontroller.Whentheprogrammingwrite-init,itcancontrolthetrafficguidinglights’brightandgoout,thecorrespondingstateguidinglights’brightandgooutandthetimedisplay.ThetrafficguidinglightssystemadopttwohundredtwentyVoltalternatingcurrentpowersources,thecontrollingsystemalsoadopttwohundredtwentyVoltalternatingcurrent,commutationandstablevoltagepowersource,sogainthesourcesofenergyisveryconvenient.IchoosetheelectronicswitchMOC3041thatisalight-electricityisolatortomakethesafefunctionwell.Thecontrolstationadoptalight-emittingdiodetoinstructcorrespondingcontrolledtrafficguidinglights,adoptdemonstratethetimegoingthrough,extraordinaryperceptionofLEDnumericalcodestaticstate.Thesystempragmatismisbroad,operationissimpleandconvenient,extendedisstrong.
Keywords:
trafficguidinglights;
MicrocontrollerUnit;
control
1引言
随着机动车辆的不断增加,许多大城市出现了交通超负荷运行的情况。
如何采用合适的控制方法,最大限度解决交通拥挤状况,越来越成为交通运输管理部门和城市规划部门需要解决的难题,也成为人们备受关注的焦点。
十字路口车辆穿梭,行人熙攘,需要有交通规则、交通警示、交通指挥,来实现井然秩序。
过去采用人工指挥的方法指挥交通,现在几乎都用电子设备指挥交通。
例如用电声警示设备、电光警示设备、电声电光警示设备指挥交通。
本人选择设计题目:
交通指示灯控制系统设计,即电光警示指挥交通的控制系统设计。
主要技术指标:
(1)十字路口交通指示灯分红灯、黄灯、绿灯共12路,电源~220V;
(2)单片机控制各色交通指示灯亮灭,以指示可通行与不可通行;
(3)可通行与不可通行时间可由按键调整设置;
(4)在工作台配合显示状态,采用LED数码管显示。
2交通指示灯控制系统硬件设计
2.1十字路口交通指示灯亮灭警示分析
图1是十字路口交通指示灯示意图。
设十字路朝向东南西北四个方向,为了便于叙述,又设南北方向为主干道,东西方向为从干道。
各干道有一组红色、黄色、绿色三色的指示灯,即四个方向均有红灯、黄灯、绿灯交通指示灯各一盏。
交通规则规定:
红灯亮禁止通行,绿灯亮允许通行,黄灯亮提示人们注意红灯、绿灯的状态即将切换,且黄灯亮的时间为两干道的公共停车时间。
由此交通警示,指挥车辆和行人,实现安全通行。
图1十字路口交通指示灯示意图
设初始状态时间为12秒,这时为两干道的公共禁止通行时间,路口的交通指示灯全为红灯亮。
主干道的通行时间为80秒,即南北方向绿灯亮80秒,东西方向红灯亮80秒。
从干道的通行时间为60秒,即东西方向绿灯亮60秒,南北方向红灯亮60秒。
红灯、绿灯的状态切换,即黄灯燃亮时间为3秒,这时为两干道的公共停车时间。
东南西北四个方向黄灯均亮3秒,红灯、绿灯指示灯灭3秒。
在正常情况下,两干道的交通指示灯按表1进行转换,即启动时在初始状态时间为12秒;
转入状态2,在状态2时间为80秒;
转入状态3,在状态3时间为3秒;
转入状态4,在状态4时间为60秒;
转入状态5,在状态5时间为3秒;
重复转入状态2,在状态2时间为80秒等。
当出现紧急情况(按紧急键进入中断),为状态6,路口的交通指示灯全为红灯亮,紧急情况解除时,恢复到原来的状态。
交通指示灯工作状态见表1。
表1中数据“1”表示亮,“0”表示灭。
表1交通指示灯工作状态表
状态
持续时间/S
南北方向
绿灯黄灯红灯
东西方向
1
12
2
80
3
4
60
5
6
按紧急键
2.2方案论证
交通指示灯控制系统的设计可以有很多设计方案,例如采用EDA、PLC、单片机技术等。
单片机比较简单易行,故单片机设计[1]方案。
2.3交通指示灯控制系统框图
交通指示灯控制系统[2]包括:
控制电路、开关电路、状态显示电路、状态设置电路,另外还有控制系统的电源电路。
交通指示灯控制系统框图如图2所示。
图2交通指示灯控制系统框图
2.4交通指示灯控制系统各部分电路设计
2.4.1控制电路设计
控制电路包括单片机芯片及工作基本电路。
控制器选用AT89C51单片机[3],实现对交通指示灯亮灭、相应状态指示灯亮灭及时间显示的控制。
其控制方式为:
以单片机AT89C51为核心,通过改变P1口和P2口的输出电平,控制光电开关的开通和断开。
当其输出高电平时,反相后控制光电开关的输入端发光二极管发光,使输出电路导通,从而点亮相应交通指示灯;
当其输出低电平时,反相后控制光电开关的输入端发光二极管不发光,使输出电路截止,因而相应交通指示灯就不亮。
(1)AT89C51单片机简介
AT89C51单片机内部结构和外引脚如图3所示。
图3AT89C51的内部结构
☆AT89C51主要性能特点
AT89C51单片机的最大优势是片内程序存储器采用闪速存储器,使程序的写入更为方便,可以不带外部扩展存储器,使整个硬件电路简化、体积更小[4]。
☆AT89C51主要技术指标及持性
●CPU所配晶振频率为11.0592MHz,每个机器周期为1.085µ
s;
用户可更换晶振以改变速度。
●内部程序存贮器为4KB;
可用于存放控制程序和查表数据。
●有4个端口,可以灵活选用,设置为输入或输出口。
☆4个端口简介
4个端口引脚P0.0-P0.7,P1.0-P1.7,P2.0-P2.7,P3.0-P3.7[5]。
●P0端口:
P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口。
作为输出口用时,每位能以吸收电流的方式驱动8个TTL输入,对端口写1时,又可作高阻抗输入端用。
在访问外部程序和数据存储器时,它是分时多路转换的地址/数据总线。
在访问期间激活内部的上拉电阻。
●P1端口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4个TTL门电流。
P1口引脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
●P2端口:
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P2的输出缓冲器可驱动4个TTL输入。
对端口写1时,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位,这时用作输入口。
●P3端口:
P3是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P3的输出缓冲器可驱动4个TTL输入。
P3端口还有第二功能,即复用功能。
如表2所示。
表2P3口的各引脚功能
引脚
功能
注释
P3.0
RXD
串行输入口
P3.1
TXD
串行输出口
P3.2
/INT0
外部中断0
P3.3
/INT1
外部中断1
P3.4
T0
记时器0外部输入
P3.5
T1
记时器1外部输入
P3.6
/WR
外部数据存储器写选通
P3.7
/RD
外部数据存储器读选通
(2)AT89C51单片机工作基本电路设计
AT89C51单片机正常工作,必须连接基本电路,基本电路包括晶振电路和复位电路。
●晶振电路
单片机的时钟信号通常有两种产生方式:
一是内部时钟方式,二是外部时钟方式。
内部时钟方式是利用单片机内部的振荡电路产生时钟信号。
外部时钟方式是把外部已有的时钟信号引入到单片机内。
本设计采用内部时钟方式,电路如图4(a)所示。
图4(a)内部时钟方式图4(b)外部时钟方式
在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体(简称晶振),作为单片机内部振荡电路的负载,构成自激振荡器,可在单片机内部产生时钟脉冲信号。
C1和C2可以稳定振荡频率,并使快速起振。
选用C1=C2=30pF,晶振频率选用12MHz。
●复位电路
复位是使单片机处于某种确定的初始状态。
单片机工作从复位开始。
在单片机RST引脚引入高电平并保持2个机器周期,单片机就执行复位操作。
复位操作有两种基本方式:
一种是上电复位,另一种是上电与按键均有效的复位。
本设计采用按键与上电复位电路,电路如图5(b)所示。
图5(a)上电复位电路图5(b)按键与上电复位电路
开机瞬间RST获得高电平,随着电容C1的充电,RST引脚的高电平将逐渐下降。
若该高电平能保持足够2个机器周期,就可实现复位操作。
选择C1=10uF,R1=8.2KΩ。
综上所述,控制电路如图6所示。
图6控制电路
2.4.2开关电路设计
开关电路的核心器件是电子开关。
本设计选用光电耦合双向晶闸管MOC3041[6]作为电子开关。
光电耦合器MOC3041的输入端通过反相器7406连接单片机的P1口的6个端和P2口的6个端之一;
输出端连接双向晶闸管T的控制端,T的工作端连接到某一交通指示灯电路中。
开关电路的工作原理,以P1.0端输出电路为例介绍如下:
当P1.0端输出高电平时,反相器7406中的相应输出端为低电平,MOC3041的输入电路在5V电源作用下,内部砷化镓发光二极管LED2发出足够强的红外光,光照使MOC3041内部的硅光敏双向晶闸管双向导通,触发外部的双向晶闸管T导通,使交流电源向负载供电,负载灯L1点亮。
当P1.0端输出低电平时,反相器7406中的相应输出端为高电平,MOC3041的输入电路内部LED2不发光,MOC3041内部的硅光敏双向晶闸管双向关断,外部双向晶闸管T也关断,负载灯L1不亮。
输入电路外部连接发光二极管[7]LED1,用于指示交通指示灯L1的工作状态。
在MOC3041的输出回路中并联R14和C4组成的RC吸收回路,起保护作用。
MOC3041输入端的控制电流If为15mA,输出端额定电压为400V,最大重复涌浪电流为1A,输入输出端隔离电压为7500V。
MOC3041的5引脚是器件的衬底引出端,使用时不需要接线。
MOC3041输入端限流电阻的计算[7]:
(1)
其中VCC为电源电压,VF为MOC3041的压降,VCS为输入端的驱动器的压降,为留一些余量,限流电阻R28选180Ω。
电阻R42的作用是限制流过MOC3041输出端的电流,根据经典取值,限流电阻R42取330Ω。
可控硅所并联RC电路是由R14、C4串联组成的RC吸收回路,针对电感性负载,用于吸收与电流不同步的过压,起保护作用。
不用也行,因为本开关电路中的负载灯属于电阻性负载,与电流不同步的过压问题不突出。
综上所述,P1.0端输出的开关电路如图7所示。
图7开关电路
2.4.3状态显示电路设计
状态显示电路采用LED静态显示。
选用共阳极LED显示器[8],共用端通过限流电阻R26、R27连接5V电源,段码端通过锁存器74LS373连接单片机的P0口。
用2位数码管显示被控时间信息,采用倒计时方式控制显示个位和十位。
AT89C51的/WR(P3.6)和P2.6经过或非门电路连接一路74LS373的LE脚构成个位显示的控制端,同理,AT89C51的/WR(P3.6)和P2.7经过或非门电路连接另一路74LS373的LE脚构成十位显示的控制端。
状态显示电路如图8所示。
该电路工作原理:
当P2.6为低电平时,写入指令MOVX使/WR有效,则经过或非门得高电平,锁存器74LS373被打开,单片机AT89C51通过P0口将数据打入锁存器74LS373,显示电路将更新个位的显示数据;
当P2.6为高电平时,锁存器74LS373不能被打开,显示电路将继续显示个位原来的数据。
图8状态显示电路
同理,当P2.7为低电平时,写入指令MOVX使/WR有效,则经过或非门得高电平,锁存器74LS373被打开,单片机AT89C51通过P0口将数据打入锁存器74LS373,显示电路将更新十位的显示数据;
当P2.7为高电平时,锁存器74LS373不能被打开,显示电路将继续显示十位原来的数据。
设置开始工作时,个位和十位不显示信息。
进入初态后,显示某状态的最大时间值,然后每秒递减显示。
2.4.4状态设置电路设计
状态设置电路采用三个按键开关K1、K2和K3来控制系统的三种状态。
K1键与R40、R41和C1组成按键与上电复位[8]均有效的电路,其公共端接RST引脚。
当RST引脚的高电平能保持2个机器周期时,单片机AT89C51内部就执行复位操作,单片机的复位操作使单片机进入初始化状态。
K2键接/INT0引脚(P3.2),当发生紧急情况时,按下K2键,申请中断,系统执行中断程序,进入紧急状态,使东南西北四个路口的红灯均亮,禁止车辆通行。
当紧急情况解除时,恢复到原来的状态。
K3键接引脚P1.6,作为普通输入端,用于调整交通指示灯可通行与不可通行的时间。
状态设置电路如图9所示。
图9状态设置电路
2.4.5控制系统电源电路设计
控制系统电源电路由变压器、单相桥式电路、滤波电路和三端稳压电路构成[9]。
其电路如图10所示,图中VCC端输出为+5V。
电子设备中常使用输出电压固定的集成稳压器。
三端式稳压器只有输入、输出和公共引出端。
由启动电路、基准电压电路、取样比较放大电路、调整电路和保护电路等部分组成。
在本系统中,要求电源电压为5V,由于三端式稳压器输出电压固定,故在设计中选择三端式稳压器7805。
7805电路参数:
当
℃,输入为
,
时,输出
,本设计稳压输出5V。
三端式稳压器的输入与输出之间电压差为2-3V,整流桥的输出电压是输入电压(有效值)的1.2倍,根据有效值与峰-峰值的关系选择220V/6V的交流降压变压器。
由于7805的最大输出电流为1A,电压为稳定的+5V,最大输出为5W,考虑电源消耗,本系统选择8W的变压器。
图10中C16、C17为高频滤波电容,均选0.1μF的贴片电容;
C18、C19为低频滤波电容,根据经验选择电解电容,其容值分别为
;
。
发光二极管LED13用于指示电源是否接通,选择FG1112004发光二极管,根据正向电流
,选择限流电阻
图10控制系统电源电路
2.5交通指示灯控制系统原理图
在PROTEL99SE软件[10]的支持下绘制原理图及PCB板图。
交通指示灯控制系统原理图,见附录1。
交通指示灯控制系统PCB板,见附录2。
交通指示灯控制系统元件清单,见附录3。
3交通指示灯控制系统软件设计
交通指示灯控制系统软件[11]包括:
系统初始化程序、主控程序、T0中断服务程序、INT0中断服务程序、显示子程序、交通指示灯开关子程序[12]。
3.1程序流程框图
3.1.1总程序流程图
总程序N—S图如图11所示。
图11程序N--S图
3.1.2主程序流程图
主程序N—S图如图12所示。
图12主程序N--S图
3.2状态开关控制字及内存RAM分配
3.2.1状态开关控制字
表3(a)交通指示灯P1状态表
P1状态
预置位
西方向
绿黄红
东方向
绿黄红
状态字
状态1
11001001B
C9H
状态2
状态3
11001001B
状态4
11100100B
E4H
状态5
11010010B
D2H
表3(b)交通指示灯P2状态表
P2状态
北方向
南方向
3.2.2内存RAM分配
60H:
堆栈SP;
50H开始:
预置各状态时间1;
5AH开始:
预置各状态时间2;
40H开始:
预置各状态开关控制字。
内存RAM分配如图13所示。
图13AT89C51单片机内存RAM分配
3.3源程序清单
源程序清单见附录4。
4系统调试及性能分析
4.1系统调试
系统调试分为硬件调试和软件调试两步。
(1)硬件调试
硬件调试首先检查电路的焊接是否正确及电路中有没有虚焊等问题,然后可用万用表测试或通电检测控制部分电路。
(2)软件调试
软件调试以程序为主。
先编写一段显示程序对显示电路的正常工作进行检验,然后进行主程序、中断程序、子程序等的编程及调试。
软件调试到能显示时间值,而且能进行递减显示;
控制台相关指示灯点亮。
4.2系统性能分析
制作的交通指示灯系统,在控制台有发光二极管指示相应被控交通指示灯,有LED数码管静态显示通行时间,非常直观,便于观察与操作控制;
系统没有在交通现场指示通行时间的警示部分。
5结束语
本设计采用AT89C51单片机作为主控制器,编程写入单片机,实现了程序控制的交通指示灯控制系统。
这是一个电光警示指挥交通的控制系统。
核心作用的电子开关,采用光电隔离器MOC3041,安全性能好;
控制台采用发光二极管指示相应被控交通指示灯,采用LED数码管静态显示通行时间,非常直观,便于观察与操作控制;
另外,可通过按键选择,设置可通行与不可通行时间。
本系统的缺陷是在交通现场没有指示通行时间的警示部分。
电路改进可以扩展LED数码管在交通现场显示通行时间部分。
另外没有声音警示部分。
电路改进可以利用单片机的P1.7端增加声音警示电路,再配合程序实现声音提示。
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