智能交通信号灯毕业设计.docx
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智能交通信号灯毕业设计.docx
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智能交通信号灯毕业设计
毕业设计(论文)报告
题目智能交通信号灯
机电工程学院(系)电气工程及其自动化专业
学号100616036
学生姓名@@@@@@@@@
指导教师@@@@@@@
起讫日期2014.1——2014.5
设计地点@@@@@@@
学位论文独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得井冈山大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
论文作者签名:
日期:
2014年5月14日
学位论文使用授权声明
井冈山大学有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。
本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。
除在保密期内的保密论文外,允许论文被查阅和借阅,可以公布(包括刊登)论文的全部或部分内容。
论文的公布(包括刊登)授权井冈山大学教务处办理。
论文作者签名:
导师签名:
日期:
年月日日期:
年月日
摘要
交通灯是现代交通非常重要的一个组成部分,一套好的交通灯系统往往对提升城市交通运输效率,降低事故发生率有至关重要的影响。
本系统由单片机系统、双电源供电系统、交通灯演示系统、中断系统组成。
选用单片机作为此次设计的控制系统主要是考虑到单片机的通用性和廉价性。
通用性是指单片机的电路以及编程语言相对比其他控制模块来说更加简单和通用,廉价性是单片机相对于其他的控制模块来说成本更低,一块成熟的STC89C52的成本不过10元,加上其他的外围电路成本也不超过100元,无论是开发成本和维护成本都能够得到很好的控制。
本设计选用STC89C52主要也就是基于上述的两个原因。
本交通灯系统选用了LED灯和双位数码管来模拟显示的交通灯。
两种状态,一种正常十字路口红绿灯智能转换,一种紧急情况(交通意外或者领导巡查经过)。
八个按键,一个系统复位按键,一个紧急键,一个设置按键,一个确认按键,一个南北通行时间加,一个南北通行时间减,一个东西通行时间加,一个东西通行时间减(通行时间可通过按键设置)。
2个两位数码管显示剩余时间,12个LED指示灯,红色灯停止指示灯,绿色灯为通行指示灯,黄色灯闪烁为提醒过线车辆安全经过未过线车辆停止继续前进指示灯。
按下设置按键,经过按键加减可设置车辆通过时间,按下确认按键可确认设置。
当遇到特殊情况(如领导巡查经过)时,按下紧急键,东西南北均为红灯,等待领导经过,经过后按下确认按键可解除紧急情况显示,进入按下按键前状态继续显示。
关键词:
单片机;STC89C52;交通灯;分时系统
ABSTRACT
Trafficlightsisacomponentofthemoderntransportationisveryimportant,agoodsetoftrafficlightssystemtendtoimproveurbantransportationefficiency,reducetheaccidentratehascrucialeffect.
Thissystembysinglechipmicrocomputersystem,thedualpowersupplysystem,trafficlightsofthedemosystem,interruptsystem.
Choosesinglechipmicrocomputerasthecontrolsystemforthisdesignismainlyconsideringtheuniversalityandcheapofthemicro-controller.Versatilityreferstothecircuitandsingle-chipmicrocomputerprogramminglanguagerelativelyismoresimpleandgeneralthanothercontrolmodules,cheapsexissinglechipmicrocomputerrelativetootherlowercostcontrolmodule,amatureSTC89C52cost10yuanonly,andotherperipheralcircuitcostsarelessthan100yuan,bothindevelopmentcostsandmaintenancecostscanbeverygoodcontrol.ThisdesignchoosesSTC89C52mainlyisbasedontheabovetworeasons.
ThistrafficlightsystemUSESLEDlightsandon-offdigitaltoanalogdisplayoftrafficlightswitchingstate.Twokindsofstate,akindofnormalintersectiontrafficlightsintelligenttransformation,anemergency(trafficaccidentorleadingsearchthrough).Eightkey,asystemresetbutton,anemergencybuttonandaSettingsbutton,aconfirmationkey,addanorth-southtraffictime,anorthandsouthpassageoftime,apassageoftime,apassageoftimereduction(passageoftimecanbesetupthroughthebuttons).2twodigitaltubedisplaytheremainingtime,12LEDlights,redlightstoplights,greenlightsforthetrafficlights,yellowlightsflashtoremindthelinewithoutalineofvehiclesisvehiclesafetylightstoptomoveon.Pressthesetkey,aftercanbesettoaddandsubtractvehiclesthroughtime,presstheconfirmbuttontoconfirmSettings.Whenspecialcircumstances(suchasleadingpatrolpassed),presstheemergencybutton,northandsouth,eastandwestarearedlight,waitingfortheleadership,maybedischargedafterpresstheconfirmbuttonaftertheemergencysituation,accordingtoenterthestatecontinuetoshowbeforepressthebutton.
Keywords:
singlechipmicrocomputer;STC89C52;Thetrafficlight;Time-sharingsystem
第1章绪论
1.1交通灯的历史和现状
当今,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。
它由红绿两色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。
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,1914年始安装于纽约市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,车辆一接近红灯便变为绿灯;另一种是用扩音器来启动红绿灯,司机遇红灯时按一下嗽叭,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。
信号灯的出现,使交通得以有效管制,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。
1968年,联合国《道路交通和道路标志信号协定》对各种信号灯的含义作了规定。
绿灯是通行信号,面对绿灯的车辆可以直行,左转弯和右转弯,除非另一种标志禁止某一种转向。
左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。
红灯是禁行信号,面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车。
黄灯是警告信号,面对黄灯的车辆不能越过停车线,但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。
本设计的单片机控制交通灯就是基于信号灯。
1.2单片机相关介绍
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,引脚的多功能化,以及低电压低功耗。
本设计选用了市面上较为常见的STC89C52单片机,STC89C52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。
使用高密度非易失性存储器技术制造,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可编程,亦适于常规编程器。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在线系统可编程Flash,使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
STC89C52的管脚图如图1.1所示。
图1.1STC89C52管脚图
1.3课题意义
使用单片机作为本设计的控制方案主要是考虑到其低廉的成本和易学易用的特性,相较于类似ARM这类性能更为强大的控制方案,单片机的性能并非其优势所在。
但是如何充分利用单片机已有的功能进行最大化的开发才是本设计的重点。
总的来说,本设计意义有如下4个方面:
1、对单片机这一成熟的解决方案在交通灯领域的应用进行研究和开发;
2、探究分时管理系统在交通灯系统中的应用,对分时管理系统的C语言算法进行开发。
举一反三,延伸到其他类似领域的应用。
3、探究全新的交通灯管理系统;
第2章课题内容和实现状态
2.1课题内容
本课题的主要内容包括如下几个方面:
1、设计交通灯状态的管理方案;
2、设计单片机最小系统和周边电路;
3、设计交通灯系统、中断系统的电路结构;
4、设计整个系统的电路分布和接线;
5、使用C语言编写整个系统运行所需要的程序,重点是分时管理系统和紧急中断系统的程序。
2.2实现状态
两种状态,一种正常十字路口红绿灯智能转换,一种紧急情况(交通意外或者领导巡查经过)。
八个按键,一个系统复位按键,一个紧急键,一个设置按键,一个确认按键,一个南北通行时间加,一个南北通行时间减,一个东西通行时间加,一个东西通行时间减(通行时间可通过按键设置)。
2个两位数码管显示剩余时间,12个LED指示灯,红色灯停止指示灯,绿色灯为通行指示灯,黄色灯闪烁为提醒过线车辆安全经过未过线车辆停止继续前进指示灯。
按下设置按键,经过按键加减可设置车辆通过时间,按下确认按键可确认设置。
当遇到特殊情况(如领导巡查经过)时,按下紧急键,东西南北均为红灯,等待领导经过,经过后按下确认按键可解除紧急情况显示,进入按下按键前状态继续显示。
第3章系统设计
3.1交通灯
本设计的交通灯以十字路口为模型,在实现基本的功能前提下增加了高低峰分时管理机制和人工干预机制。
3.1.1相位的概念规则方案
为保证交通系统的严谨性和公平性,本设计规定“相位”概念。
相位的定义如下:
在单个十字路口,整个状态周期每个绿灯亮起的时间为一个固定值。
相位的意义在于在一个循环状态周期内,根据每个路口车流量大小可以分配适时适当的绿灯时间以保证时间的充分利用,保证车流大的干道可以通过足够多的车辆,车流小的干道不用浪费时间。
从总体上提升系统的效率。
3.1.2交通灯状态
为方便说明交通灯状态,交通灯系统的示意图如图3.1所示。
如图3.1,交通道路系统是由常见的双车道加人行道组成,由南向北行驶的车辆所看的交通灯是北路口的车行道交通灯,由北向南的车辆所看的交通灯是南路口的车行道交通灯,由西向东行驶的车辆所看的交通灯是东路口的车行道交通灯,由东向西行驶的车辆所看的交通灯是西路口的车行道交通灯。
图3.1交通灯示意图
现规定如下状态:
S1:
南北方向车辆通行,东西方向禁行,东西方向人行道通行、南北方向人行道禁行。
S1状态如图3.2所示。
图3.2S1状态示意图
S2:
东西方向车辆通行,南北方向禁行,南北方向人行道通行、东西方向人行道禁行。
S2状态如图3.3所示。
图3.3S2状态示意图
图3.4S3状态示意图
S3:
全红灯,紧急事件状态。
S3状态如图3.4所示。
3.1.3高低峰分时管理机制
本设计为提升交通灯系统效率,设置了高低峰分时管理机制。
高低峰分时定义如下:
高峰时段:
8点到10点,一般为上班上学出行的高峰期,18点到20点,一般为下班放学出行高峰期,此时主干道车流量高于次干道的车流量;
低峰时段:
除高峰时段的其他时段。
在高峰时段,采取增加主干道绿灯通行时间,减少次干道绿灯通行时间以最大限度的通过车辆。
在低峰时段,采取减少主干道绿灯通行时间,增加次干道绿灯通行时间以平衡通过车辆。
高低峰时段状态如表3.1所示。
表3.1高低峰时段状态表
时期
S1
S2
低峰时期
南北向车行道绿灯时长15s
东西向车行道绿灯时长20s
高峰时期
南北向车行道绿灯时长25s
东西向车行道绿灯时长30s
在发生突发事件的时候启动紧急状态S3,全部红灯亮。
这种状态主要适用于例如救护车,军车执行任务时候使用。
3.2软件设计
在本次设计中,采用了C语言作为程序编程的语言。
相较于C语言,汇编语言的机器代码生成效率很高但可读性却并不强,复杂一点的程序就更是难读懂,而C语言在大多数情况下其机器代码生成效率和汇编语言相当,但可读性和可移植性却远远超过汇编语言,而且C语言还可以嵌入汇编来解决高时效性的代码编写问题。
对于开发周期来说,中大型的软件编写用C语言的开发周期通常要小于汇编语言很多。
综合以上C语言的优点,本设计在编程的时候选择了C语言。
本设计在编程环境上也选择了KeilμVision2.0。
这款软件支持众多不同公司的MCS51架构芯片,它集编辑、编译、仿真为一体,同时还支持PLM、汇编和C语言的程序设计,界面友好、简单易学,在调试程序。
软件仿真方面都有很强大的功能。
在初期的软件调试阶段,KeilμVision会提供非常便利的环境。
在没有突发事件按钮和高低峰切换按钮都没有按下时交通灯的执行预定方案。
3.3硬件设计部分
根据本设计交通灯的模型和实现的功能,硬件部分可以分为以下两个大的系统:
单片机系统、交通灯演示系统、中断系统。
整个系统的硬件架构图如图11。
3.3.1单片机系统
STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器(FPEROM-FlashProgramableandErasableReadOnlyMemory)的低电压,高性能COMOS8的微处理器,俗称单片机。
该器件采用ATMEL搞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。
单片机总控制电路如下图3.5:
图3.5单片机总控制电路
1.时钟电路
STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器,引脚RXD和TXD分别是此放大器的输入端和输出端。
时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。
内部方式的时钟电路,在RXD和TXD引脚上外接定时元件,内部振荡器就产生自激振荡。
定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。
晶体振荡频率可以在1.2~12MHz之间选择,电容值在5~30pF之间选择,电容值的大小可对频率起微调的作用。
外部方式的时钟电路,RXD接地,TXD接外部振荡器。
对外部振荡信号无特殊要求,只要求保证脉冲宽度,一般采用频率低于12MHz的方波信号。
片内时钟发生器把振荡频率两分频,产生一个两相时钟P1和P2,供单片机使用。
示,RXD接地,TXD接外部振荡器。
对外部振荡信号无特殊要求,只要求保证脉冲宽度,一般采用频率低于12MHz的方波信号。
片内时钟发生器把振荡频率两分频,产生一个两相时钟P1和P2,供单片机使用。
RXD接地,TXD接外部振荡器。
对外部振荡信号无特殊要求,只要求保证脉冲宽度,一般采用频率低于12MHz的方波信号。
片内时钟发生器把振荡频率两分频,产生一个两相时钟P1和P2,供单片机使用。
(a)内部方式时钟电路(b)外部方式时钟电路
图3.6时钟电路
交通灯设计的时钟电路如图3.7所示。
时钟电路中最为重要的就是晶振,晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。
晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作,以提供稳定,精确的单频振荡。
在通常工作条件下,普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。
高级的精度更高。
图3.7最终设计交通灯的时钟电路图
通常一个系统共用一个晶振,便于各部分保持同步。
晶振结合单片机内部的电路,产生单片机所必须的时钟频率,单片机的一切指令的执行都是建立在这个基础上的,晶振的提供的时钟频率越高,那单片机的运行速度也就越快。
2.复位及复位电路
(1)复位操作
复位是单片机的初始化操作。
其主要功能是把PC初始化为0000H,使单片机从0000H单元开始执行程序。
除了进入系统的正常初始化之外,当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时,为摆脱困境,也需按复位键重新启动。
除PC之外,复位操作还对其他一些寄存器有影响,它们的复位状态如表3.2所示。
表3.2一些寄存器的复位状态
寄存器
复位状态
寄存器
复位状态
PC
0000H
TCON
00H
ACC
00H
TL0
00H
PSW
00H
TH0
00H
SP
07H
TL1
00H
DPTR
0000H
TH1
00H
P0-P3
FFH
SCON
00H
IP
XX000000B
SBUF
不定
IE
0X000000B
PCON
0XXX0000B
TMOD
00H
(2)复位信号及其产生
RST引脚是复位信号的输入端。
复位信号是高电平有效,其有效时间应持续24个振荡周期(即二个机器周期)以上。
若使用颇率为6MHz的晶振,则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。
产生复位信号的电路逻辑如图3.8所示:
图3.8复位信号的电路逻辑图
整个复位电路包括芯片内、外两部分。
外部电路产生的复位信号(RST)送至施密特触发器,再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样,然后才得到内部复位操作所需要的信号。
复位操作有上电自动复位相按键手动复位两种方式。
上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。
这佯,只要电源Vcc的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位,即接通电源就成了系统的复位初始化。
按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。
其中,按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的;而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的,
图3.9最终设计的复位电路图
单片机复位后各寄存器的状态:
A=00H,表明累加器已被清零;PSW=00H,表明选寄存器0组为工作寄存器组;SP=07H,表明堆栈指针指向片内RAM07H字节单元,根据堆栈操作的先加后压法则,第一个被压入的内容写入到08H单元中;Po-P3=FFH,表明已向各端口线写入1,此时,各端口既可用于输入又可用于输出;IP=×××00000B,表明各个中断源处于低优先级;IE=0××00000B,表明各个中断均被关断;
上述电路图中的电阻、电容参数适用于6MHz晶振,能保证复位信号高电平持续时间大于2个机器周期。
STC89C52具体介绍如下:
主电源引脚(2根)
VCC(Pin40):
电源输入,接+5V电源
GND(Pin20):
接地线
外接晶振引脚(2根)
XTAL1(Pin19):
片内振荡电路的输入端
XTAL2(Pin20):
片内振荡电路的输出端
控制引脚(4根)
RST/VPP(Pin9):
复位引脚,引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。
ALE/PROG(Pin30):
地址锁存允许信号
PSEN(Pin29):
外部存储器读选通信号
EA/VPP(Pin31):
程序存储器的内外部选通,接低电平从外部程序存储器读指令,如果接高电平则从内部程序存储器读指令。
可编程输入/输出引脚(32根)
STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口,分别位P0、P1、P2、P3口,每个口有8位(8根引脚),共32根。
PO口(Pin39~Pin32):
8位双向I/O口线,名称为P0.0~P0.7
P1口(Pin1~Pin8):
8位准双向I/O口线,名称为P1.0~P1.7
P2口(Pin21~Pin28):
8位准双向I/O口线,名称为P2.0~P2.7
P3口(Pin10~Pin17):
8位准双向I/O口线,名称为P3.0~P3.7
STC89C52主要功能如表3.3所示。
表3.3STC89C52主要功能
主要功能特性
兼容MCS51指令系统
8K可反复擦写FlashROM
32个双向I/O口
256x8bit内部RAM
3个16位可编程定时/计数器中断
时钟频率0-24MHz
2个串行中断
可编程UART串行通道
2个外部中断源
共6个中断源
2个读写中断口线
3级加密位
低功耗空闲和掉电模式
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