《智能交通灯控制设计》.docx
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《智能交通灯控制设计》
一、摘要
近年来随着科技的飞速发展,交通给社会带来巨大的压力,对于疏导交通流量、提高道路通行能力,减少交通事故有明显效果。
采用89C51单片机设计交通灯控制,还应根据具体硬件结构软硬件结合,加以完善。
本设计就是以单片机为架构的智能交通灯系统。
本系统由单片机、交通灯、传感器、数码管组成。
主要设计直行及基本的交通灯的功能。
系统除基本交通灯功能外,还具有倒计时、时间设置、分时段调整信号灯的点亮时间以及根据具体情况控制等功能。
关键词:
单片机交通灯数码管传感器
Abstract
Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,thetraffictothesocietybringsthehugepressure,forfacilitatingtrafficflow,improvethetrafficcapacity,reducethenumberoftrafficaccidentshaveobviouseffect.Using89c51designtrafficlightcontrol,stillshouldaccordingtothespecifichardwarestructure,softwareandhardwarecombinedwithperfect.Thisdesignisbasedonthesinglechipcomputersystemofintelligenttrafficsystem.Thesystemiscomposedofsinglechipmicrocomputer,trafficlights,sensor,digitaltubecomposition.Themaindesignstraightandbasicfunctionofthetrafficlights.Systeminadditiontothebasictrafficlightfunctionoutside,stillhavethecountdown,timesetting,periodoftimeadjustmentsignallamplighttimeandaccordingtothespecificsituationcontrolfunction.
Keyword:
SCM、Trafficlights、Digitaltube、sensor
二、引言
今天,红绿灯安装在各个道口上,已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段。
但这一技术在19世纪就已出现了。
1858年,在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红、蓝两色的机械扳手式信号灯,用以指挥马车通行。
这是世界上最早的交通信号灯。
1868年,英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上,安装了世界上最早的煤气红绿灯。
它由红绿两块以旋转式方形玻璃提灯组成,红色表示“停止”,绿色表示“注意”。
1869年1月2日,煤气灯爆炸,使警察受伤,遂被取消。
1914年,电气启动的红绿灯出现在美国。
这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成,安装在纽约市5号大街的一座高塔上。
红灯亮表示“停止”,绿灯亮表示“通行”。
1918年,又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。
带控制的红绿灯,一种是把压力探测器安在地下,当车辆接近时,红灯便变为绿灯;另一种是用扩音器来启动红绿灯,司机遇红灯时按一下喇叭,就使红灯变为绿灯。
红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时,它就能察觉到有人要过马路。
红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间,推迟汽车放行,以免发生交通事故。
中国车辆数量不断增加,交通控制在未来的交通管理中起着越来越重要的作用。
智能交通灯的管理比重修一条马路无论在经济、交通运行速率上都有很好的效益、更加节约资源。
使交管人员有更多的精力投入到管理整个城市交通,带来更大的经济和社会效益,为创造美好的城市交通形象发挥更多的作用。
三、交通灯设计方案与论证
3.1设计任务
东、西、南、北各干道交于一个十字路口,各干道有一组红、绿、黄三个指示灯,指挥车辆安全通行与警示。
红灯亮禁止通行,绿灯亮允许通行。
黄灯亮警示车辆等待。
当某方向绿灯亮都有显示时间倒计时,时间由数码管控制,重新倒计时5秒时黄灯闪烁警示。
因各方向车辆流动不稳定。
为了节省人们的宝贵时间,各通道都设置传感器(按键S0.S1.S2.S3.)检测。
开始从东、南、西、北循环点亮交通灯,当黄灯警告结束时刻,有按键检测到,执行最大值(也就是车辆流动比较多)。
比如:
东向通道先绿灯亮,到东、南各向通道黄灯闪烁警告车辆流动缓冲,东向黄灯闪烁警告通行时间结束、南向黄灯闪烁表示准备通行。
智能化检测与循环。
3.2方案图
整个交通灯设计由这四块组成,最核心器件是单片机89C51,再到其它器件,由单片机控制整个流程。
3.3模拟现实交通灯
模拟交通灯说明:
当东向为绿灯亮时,只有西向车辆直行、左转、右转。
右转可以不按交通灯驾驶。
西向通道在一定的范围内设置了传感器(按键)按键检测。
检测西向车量流动大小。
西向通道传感器(S0=0检测?
60秒)否则30秒。
其它三个方向都为红灯,红灯对方都必须停止驾驶。
东、南向通道黄灯闪烁,西向通道警告等待。
下一通道是北向通行准备
模拟交通灯说明:
当南向为绿灯亮时,只有北向车辆直行、左转、右转。
右转可以不按交通灯驾驶。
北向通道在一定的范围内设置了传感器(按键)按键检测。
检测北向车量流动大小。
北向通道传感器(S1=0检测?
60秒)否则40秒。
其它三个方向都为红灯,红灯对方都必须停止驾驶。
西、南向通道黄灯闪烁,北向通道警告等待。
下一通道是东向通行准备。
模拟交通灯说明:
当西向为绿灯亮时,只有东向车辆直行、左转、右转。
右转可以不按交通灯驾驶。
东通道向在一定的范围内设置了传感器(按键)按键检测。
检测北向车量流动大小。
东向通道传感器(S2=0检测?
70秒)否则50秒。
其它三个方向都为红灯,红灯对方都必须停止驾驶。
西、北向通道黄灯闪烁,西向通道警告等待。
下一通道是南向通行准备。
模拟交通灯说明:
当北向为绿灯亮时,只有南向车辆直行、左转、右转。
右转可以不按交通灯驾驶。
南向在一定的范围内设置了传感器(按键)按键检测。
检测南向车量流动大小。
南向通道传感器(S3=0检测?
70秒)否则60秒。
其它三个方向都为红灯,红灯对方都必须停止驾驶。
北、东向通道黄灯闪烁,北向通道警告等待。
下一通道是西向通行准备。
返回。
四、硬件系统设计
4.1传感器检测技术概述
1、传感器种类:
位移传感器、压力传感器、速度传感器、温度传感器及气敏传感器等。
2、工作原理可分为:
电阻式、电感式、电容式及电势式等。
3、输出信号的性质可分为:
模拟式传感器和数字式传感器。
即模拟式传感器输出模拟信号,数字式传感器输出数字信号.
4、能量转换原理可分为:
有源传感器和无源传感器。
有源传感器将非电量转换为电能量,如电动势、电荷式传感器等;无源程序传感器不起能量转换作用,只是将被测非电量转换为电参数的量,如电阻式、电感式及电容光焕发式传感器等。
本交通灯设计选择了压力传感器。
当车辆通过传感器时,并且有一定的压力感应,传感器会发送出有效值。
4.2压力传感器工作原理
压力传感器是工业实践、仪器仪表控制中最为常用的一种传感器,并广泛应用于各种工业自控环境,涉及水利水电、铁路交通、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。
力学传感器的种类繁多,如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。
但应用最为广泛的是压阻式压力传感器,它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。
下面我们主要介绍这类传感器。
1、压阻式压力传感器原理与应用:
压阻式压力传感器是利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。
压阻式传感器常用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量(如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度)的测量和控制。
压阻效应
当力作用于硅晶体时,晶体的晶格产生变形,使载流子从一个能谷向另一个能谷散射,引起载流子的迁移率发生变化,扰动了载流子纵向和横向的平均量,从而使硅的电阻率发生变化。
这种变化随晶体的取向不同而异,因此硅的压阻效应与晶体的取向有关。
硅的压阻效应不同于金属应变计,前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化,后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化(应变),而且前者的灵敏度比后者大50~100倍。
压阻式压力传感器结构
压阻式压力传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上,制成硅压阻芯片,并将此芯片的周边固定封装于外壳之内,引出电极引线。
压阻式压力传感器又称为固态压力传感器,它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力,而是直接通过硅膜片感受被测压力的。
硅膜片的一面是与被测压力连通的高压腔,另一面是与大气连通的低压腔。
硅膜片一般设计成周边固支的圆形,直径与厚度比约为20~60。
在圆形硅膜片(N型)定域扩散4条P杂质电阻条,并接成全桥,其中两条位于压应力区,另两条处于拉应力区,相对于膜片中心对称。
硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上扩散制作电阻条,两条受拉应力的电阻条与另两条受压应力的电阻条构成全桥。
发展状况
1954年C.S.史密斯详细研究了硅的压阻效应,从此开始用硅制造压力传感器。
早期的硅压力传感器是半导体应变计式的。
后来在N型硅片上定域扩散P型杂质形成电阻条,并接成电桥,制成芯片。
此芯片仍需粘贴在弹性元件上才能敏感压力的变化。
采用这种芯片作为敏感元件的传感器称为扩散型压力传感器。
这两种传感器都同样采用粘片结构,因而存在滞后和蠕变大、固有频率低、不适于动态测量以及难于小型化和集成化、精度不高等缺点。
70年代以来制成了周边固定支撑的电阻和硅膜片的一体化硅杯式扩散型压力传感器。
它不仅克服了粘片结构的固有缺陷,而且能将电阻条、补偿电路和信号调整电路集成在一块硅片上,甚至将微型处理器与传感器集成在一起,制成智能传感器。
这种新型传感器的优点是:
①频率响应高(例如有的产品固有频率达1.5兆赫以上),适于动态测量;
②体积小(例如有的产品外径可达0.25毫米),适于微型化;
③精度高,可达0.1~0.01%;
④灵敏高,比金属应变计高出很多倍,有些应用场合可不加放大器;
⑤无活动部件,可靠性高,能工作于振动、冲击、腐蚀、强干扰等恶劣环境。
其缺点是温度影响较大(有时需进行温度补偿)、工艺较复杂和造价高等。
缺点是:
①温度特性差,由于压阻式压力传感器是用半导体材料制作的,受温度影响较大,因此,在温度变化大的环境中使用时,必须进行温度补偿。
②工艺复杂,对研制条件要求高而严格,尤其是扩散杂质、烧结、封装工艺等比其他传感器要复杂的多,因而成本也相对要高。
应用
压阻式传感器广泛地应用于航天、航空、航海、石油化工、动力机械、生物医学工程、气象、地质、地震测量等各个领域。
在航天和航空工业中压力是一个关键参数,对静态和动态压力,局部压力和整个压力场的测量都要求很高的精度。
压阻式传感器是用于这方面的较理想的传感器。
例如,用于测量直升飞机机翼的气流压力分布,测试发动机进气口的动态畸变、叶栅的脉动压力和机翼的抖动等。
在飞机喷气发动机中心压力的测量中,使用专门设计的硅压力传感器,其工作温度达500℃以上。
在波音客机的大气数据测量系统中采用了精度高达0.05%的配套硅压力传感器。
在尺寸缩小的风洞模型试验中,压阻式传感器能密集安装在风洞进口处和发动机进气管道模型中。
单个传感器直径仅2.36毫米,固有频率高达300千赫,非线性和滞后均为全量程的±0.22%。
在生物医学方面,压阻式传感器也是理想的检测工具。
已制成扩散硅膜薄到10微米,外径仅0.5毫米的注射针型压阻式压力传感器和能测量心血管、颅内、尿道、子宫和眼球内压力的传感器。
图3是一种用于测量脑压的传感器的结构图。
压阻式传感器还有效地应用于爆炸压力和冲击波的测量、真空测量、监测和控制汽车发动机的性能以及诸如测量枪炮膛内压力、发射冲击波等兵器方面的测量。
此外,在油井压力测量、随钻测向和测位地下密封电缆故障点的检测以及流量和液位测量等方面都广泛应用压阻式传感器。
随着微电子技术和计算机的进一步发展,压阻式传感器的应用还将迅速发展。
压阻式压力传感器优点:
1.频率响应高,f0可达1.5M;
2.体积小、耗电少;
3.灵敏度高、精度好,可测量到0.1%的精确度;
4.无运动部件(敏感元件与转换元件一体)。
压阻式压力传感器缺点:
1.温度特性差;
2.工艺复杂。
4.3单片机概述
单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支,也是颇具生命力的机种。
单片机微型计算机简称单片机,特别适用于控制领域,故又称为微控制器。
通常,单片机由单块集成电路芯片构成,内部包含有计算机的基本功能部件:
中央处理器、存储器和I/O接口电路等。
因此,单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合,便可成为一个单片机控制系统。
单片机经过1、2、3、3代的发展,目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展,它们的CPU功能在增强,内部资源在增多,引角的多功能化,以及低电压底功耗。
4.4AT89C51单片机简介
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
1、主要特性:
·与MCS-51兼容
·4K字节可编程闪烁存储器
寿命:
1000写/擦循环
数据保留时间:
10年
·全静态工作:
0Hz-24Hz
·三级程序存储器锁定
·128*8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟
2、芯片擦除:
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合,并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作中,代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前,该操作必须被执行。
此外,AT89C51设有稳态逻辑,可以在低到零频率的条件下静态逻辑,支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下,CPU停止工作。
但RAM,定时器,计数器,串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下,保存RAM的内容并且冻结振荡器,禁止所用其他芯片功能,直到下一个硬件复位为止。
4.5单片机的内部组成及信号引脚
4.5.189C51单片机的基本组成
89C51是MCS-51系列单片机的典型芯片,其他型号除了程序存储器结构不同外其内部结构完全相同,引脚完全兼容。
这里以89C51为例,介绍MCS-51系列单片机的内部组成及信号引脚。
89C51单片机的内部组成如图:
内部分别有:
中央处理器(CPU)、内部数据存储器RAM、并行I/O端口
内部程序存储器ROM、串行口、定时、计数器、时钟电路
中断系统。
4.5.2单片机89C51引脚功能
89C51单片机采用标准40引脚双列直插式封装,其引脚排列如图所示1,引脚功能如表2。
1、振荡器特性:
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
2、简单功能测试如图:
在MCS-51系列单片机内部有一个调增益反相放大器,其输入端引脚为XTAL1M,其输出端引脚XTAL2。
只工在XTAL1和XTAL2之之间跨接晶体振荡器和微调电容,就可以构成一个稳定的自激振荡器。
3、单片机复位电路:
复位条件必须使RST(第9引脚)加上持续两个机器周期(即24脉冲振荡周期)以上的高电平。
若时钟频率为12MHz,每个机器周期为1us,则需要加上持续2us以上时间的高电平。
单片机常见的复位电路如图:
4、信号引脚的第二功能:
由于工艺及标准化等原因,芯片的引脚数目是有限的。
为了满足实际而要,部分信号引脚被赋予双重功能,即第一功能和第二功能。
最常用是8条P3口线所提供的第二功能,如表:
4.6中断系统
4.6.1中断及相关概念
中断是指通达硬件来改变CPU的运行方向。
计算机在执行程序的过程中,外部设备向CPU发出中断请求信号,要求CPU暂时中断当前程序的执行而转去执行相应的处理程序,待处理程序执行完毕后,再继续执行原来被中断的程序。
4.6.2MCS-51中断系统的结构
4.6.3中断有关寄存器
1.中断源
生成LCALL指令后,CPU紧跟着便执行之.首先将PC(程序计数器)的内容压入堆栈保护断点,然后把中断入口地址赋予PC,CPU便按新的PC地(即中断服务程序入口地址)执行程序。
值得一提的是,各中断区只有8个单元,一般情况下(除非中断程序非常简单),都不可能安装下一个完整的中断服务程序。
因此,通常是在这些入口地址区放置一条无条件转移指令,使程序按转移的实际地址去执行真正的中断服务程序。
2.定时器控制寄存器TCON
●IE1:
外部边沿触发中断1请求标志,其功能和操作类似于TF0。
●IT1:
外部中断1类型控制位,通过软件设置或清除,用于控制外中断的触发信号类型。
IT1=1,边沿触发。
IT=0是电平触发。
●IE0:
外部边沿触发中断0请求标志,其功能和操作类似于IE1。
●IT0:
外部中断0类型控制位,通过软件设置或清除,用于控制外中断的触发信号类型。
其功能和操作类似于IE1。
3.中断的开放和禁止
MCS-51系列单片机的5个中断都是可屏蔽中断,中断系统内部设有一个专用寄存器IE,用于控制CPU对各中断源的开放或屏蔽。
IE寄存器的格式如下:
各中断允许位的含义如表:
4.中断优选级控制寄存器
●PS:
串行口中断口优先级控制位,PS=1,串行口中断声明为高优先级中断。
PS=0,串行口定义为低优先级中断。
●PT1:
定时器1优先级控制位。
PT1=1,声明定时器1为高优先级中断,PT1=0。
定义定时器1为低优先级中断。
●PX1:
外中断1优先级控制位。
PT1=1,声明外中断1为高优先级中断,PX1=0。
定义外中断1为低优先级中断。
●PT0:
定时器0优先级控制位。
PT1=1,声明定时器0为高优先级中断,PT1=0。
定义定时器0为低优先级中断。
●PX0:
外中断0优先级控制位。
PT1=1,声明外中断0为高优先级中断,PX1=0。
定义外中断0为低优先级中断。
4.7数码管
4.7.1数码管概述
数码管要正常显示,就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码,从而显示出我们要的数字,因此根据数码管的驱动方式的不同,可以分为静态式和动态式两类。
同时分别共阳与共阴。
4.7.2驱动方式
静态驱动:
也称直流驱动。
静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动,或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。
静态驱动的优点是编程简单,显示亮度高,缺点是占用I/O端口多,如驱动5个数码管静态显示则需要5×8=40根I/O端口来驱动,要知道一个89S51单片机可用的I/O端口才32个呢:
),实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动,增加了硬件电路的复杂性。
动态显示:
接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一,动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起,另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路,位选通由各自独立的I/O线控制,当单片机输出字形码时,所有数码管都接收到相同的字形码,但究竟是哪个数码管会显示出字形,取决于单片机对位选通COM端电路的控制,所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开,该位就显示出字形,没有选通的数码管就不会亮。
通过分时轮流控制各个数码管的的COM端,就使各个数码管轮流受控显示,这就是动态驱动。
在轮流显示过程中,每位数码管的点亮时间为1~2ms,由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应,尽管实际上各位数码管并非同时点亮,但只要扫描的速度足够快,给人的印象就是一组稳定的显示数据,不会有闪烁感,动态显示的效果和静态显示是一样的,能够节省大量的I/O端口,而且功耗更低。
数码管显示表:
本设计选择共阳数码管显示!
4.7.3结构图
led数码管(LEDSegmentDisplays)是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件,引线已在内部连接完成,只需引出它们的各个笔划,公共电极。
led数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点,还有一种是类似于3位“+1”型。
位数有半位,1,2,3,4,5,6,8,10位等等....,led数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类,了解LED的这些特性,对编程是很重要的,因为不同类型的数码管,除了它们的硬件电路有差异外,编程方法也是不同的。
图2是共阴和共阳极数码管的内部电路,它们的发光原理是一样的,只是它们的电源极性不同而已。
颜色有红,绿,蓝,黄等几种。
led数码管广泛用于仪表,时钟,车站,家电等场合。
选用时要注意产品尺寸颜色,功耗,亮度,波长等。
下面将介绍常用LED数码管内部引脚图片
每一笔划都是对应一个字母表示DP是小数点
五、交通灯软件设计
5.1程序设计流程图
5.2工作原理
5.3程序代码与模块
1、数码管编码模块:
ucharew,a,h,e,s;//共阳数码管编码
ucharcodeled[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};
此设计采用双位共阳数码管
2、东向通道模块:
voiddong()//东向通道全局变量
{ucharA,ewt;//定义无符号字符型变量
P0=0xff;
P2=0xff;
if(S0!
=1)//东向通道传感器检测(S0按键),不等于1时
{ewt=60;}//是?
东向通道输出60秒
else{ewt=30;}//否则东向输出35秒
g1=0;//东通道绿灯亮
r2=0;r3=0;r4=0;//南、西、北通道红灯亮
ew=
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