標題: 基于單片機的交通燈監控系統設計論文 [打印本頁]
作者: 51hei2017 時間: 2017-5-12 18:45
標題: 基于單片機的交通燈監控系統設計論文
本帖最后由 51hei2017 于 2017-5-18 14:50 編輯
隨著我國社會經濟的發展，城市化、城鎮化進程的加快，道路交通堵塞問題日趨嚴重，如何對交通進行合理的管理和調度而盡可能減少堵車現象成為目前我國很多地方尤其是特大城市急需解決的問題，顯然交通燈在其中起著不可缺少的作用。
當今，紅綠燈安裝在各個道口上，已經成為疏導交通車輛最常見和最有效的手段。但這一技術在19世紀就已出現了。
1858年，在英國倫敦主要街頭安裝了以燃煤氣為光源的紅、藍兩色的機械扳手式信號燈，用以指揮馬車通行。這是世界上最早的交通信號燈。1868年，英國機械工程師納伊特在倫敦威斯敏斯特區的議會大廈前的廣場上，安裝了世界上最早的煤氣紅綠燈。它由紅綠兩種旋轉式方形玻璃提燈組成，紅色表示“停止”，綠色表示“注意”。1869年1月2日，煤氣燈爆炸，使警察受傷，遂被取消。
電氣啟動的紅綠燈出現在美國，這種紅綠燈由紅綠黃三色圓形的投光器組成，1914年開始安裝于紐約市5號大街的一座高塔上。紅燈亮表示“停止”，綠燈亮表示“通行”。
1918年，又出現了帶控制的紅綠燈和紅外線紅綠燈。帶控制的紅綠燈，一種是把壓力探測器安在地下，車輛一接近紅燈便變為綠燈；另一種是用擴音器來啟動紅綠燈，司機遇紅燈時按一下嗽叭，就使紅燈變為綠燈。紅外線紅綠燈當行人踏上對壓力敏感的路面時，它就能察覺到有人要過馬路。紅外光束能把信號燈的紅燈延長一段時間，推遲汽車放行，以免發生交通事故。
信號燈的出現，使交通得以有效管制，對于疏導交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。1968年，聯合國《道路交通和道路標志信號協定》對各種信號燈的含義作了規定。綠燈是通行信號，面對綠燈的車輛可以直行，左轉彎和右轉彎，除非另一種標志禁止某一種轉向。左右轉彎車輛都必須讓合法地正在路口內行駛的車輛和過人行橫道的行人優先通行。紅燈是禁行信號，面對紅燈的車輛必須在交叉路口的停車線后停車。黃燈是警告信號，面對黃燈的車輛不能越過停車線，但車輛已十分接近停車線而不能安全停車時可以進入交叉路口。
我國機動車輛發展迅速，而城鎮道路建設由于歷史等各種原因相對滯后。道路擁擠、阻塞現象及交通事故常有發生。如何利用當今自動控制技術，有效地疏導交通，提高城鎮交通路口的通行能力，提高車輛速度，減少交通事故是值得我們研究的新課題。交通燈是城市交通中的重要指揮系統，它與人們日常生活密切相關。隨著人們生活水平的提高，對交通管制也提出了更高的要求，因此提供一個可靠、安全、便捷的多功能交通燈控制系統有著現實的必要性，本文介紹的交通燈控制系統除具有一般的紅綠燈顯示功能外，還具有倒計時功能，以方便人們的生活需求。此系統的核心控制器是MCS-51系列單片機中的AT89C51。本次設計對紅綠燈顯示系統、按鍵系統都采用keil軟件調試程序，并給出了調試過程及全部程序代碼。
第2章 方案設計與論證
本設計以單片機為核心，以LED數碼管作為倒計時指示，根據設計的要求我們考慮了各功能模塊的幾種設計方案，以求最佳方案，實現實時顯示系統各種狀態，系統還增設了根據交通擁擠情況可分別設置主干道和次干道的通行時間，以提高效率，緩減交通擁擠。系統總體設計框圖如圖1-1所示。
圖1-1 系統總體設計框圖
1．電源提供方案
為使模塊穩定工作，須有可靠電源。本次設計考慮了兩種電源方案：
方案一：采用獨立的穩壓電源。此方案的優點是穩定可靠，且有各種成熟電路可供選用；缺點是各模塊都采用獨立電源，會使系統復雜，且可能影響電路電平。
方案二：采用單片機控制模塊提供電源。該方案的優點是系統簡明扼要，節約成本；缺點是輸出功率不高。
綜上所述，選擇第二種方案。
2．顯示界面方案
該系統要求完成倒計時功能。基于上述原因，本次設計考慮了兩種方案：
方案一：完全采用點陣式LED顯示。這種方案功能強大，可方便的顯示各種英文字符，漢字，圖形等，但實現復雜，且須完成大量的軟件工作。
方案二：完全采用數碼管顯示。這種方案優點是實現簡單，可以完成倒計時功能。缺點是功能較少，只能顯示有限的符號和數碼字符。根據本設計的要求，方案二已經滿足了要求，所以本次設計采用方案二以實現系統的顯示功能。
3．輸入方案
這里同樣討論了兩種方案：
方案一：采用8155擴展I/O口、鍵盤及顯示等。該方案的優點是使用靈活可編程，并且有RAM及計數器。若用該方案，可提供較多I/O口,但操作起來稍顯復雜。
方案二：直接在I/O口線上接上按鍵開關。因為設計時精簡和優化了電路，所以剩余的端口資源還比較多，我們使用六個按鍵，分別是P16、P17、P27、P30、P32、P33，依次完成倒計時加1、倒計時減1、調完確認、調時方向切換、南北強行和東西強行等功能。
由于該系統是對交通燈及數碼管的控制，只需用單片機本身的I/O口就可實現，且本身的計數器及RAM已經夠用，故選擇方案二。
第3章 系統硬件設計
硬件設計是整個系統的基礎，要考慮的方方面面很多，除了實現交通燈基本功能以外，主要還要考慮如下幾個因素：①系統穩定度；②器件的通用性或易選購性；③軟件編程的易實現性；④系統其它功能及性能指標；因此硬件設計至關重要。現從各功能模塊的實現逐個進行分析探討。
3.1 總體設計
本設計以單片機為控制核心，采用模塊化設計，共分以下幾個功能模塊：單片機控制系統、鍵盤及狀態顯示、倒計時模塊等。
單片機作為整個硬件系統的核心，它既是協調整機工作的控制器，又是數據處理器。它由單片機振蕩電路、復位電路等組成。
鍵盤及狀態顯示，開關鍵盤輸入交通燈初始時間，通過單片機P1輸入到系統。
系統采用雙數碼管倒計時計數功能，最大顯示數字99。
友好的人機界面、靈活的控制方式、優化的物理結構是本設計的亮點。
3.2 單片機最小系統
1．振蕩電路
AT89C51是內部具有振蕩電路的單片機，只需在18腳和19腳之間接上石英晶體，給單片機加工作所需直流電源，振蕩器就開始振蕩起來。振蕩電路就為單片機工作提供了所需要的時鐘脈沖信號，是單片機的內部電路、單片機的內部程序（若有）開始工作。振蕩電路不工作，整個單片機電路都不能正常工作。AT89C51常外接6MHz、12MHz的石英晶體，18腳和19腳分別對地接了一個20pF的電容，目的是防止單片機自激。若從18腳輸入外部時鐘脈沖，則19腳接地。
2．復位電路
復位電路就是在RST端（9腳）外接的一個電路，目的是使單片機上的電開始工作時，內部電路從初始狀態開始工作，或者在工作中人為讓單片機重新從初始狀態開始工作。在時鐘工作的情況下，只要復位引腳高電平保持在兩個機器周期以上的時間，AT89C51便能完成系統重置的各項工作，使得內部特殊功能寄存器的內容均被設置成已知狀態，并且從地址0000H處讀入程序代碼而執行程序。單片機最小系統電路如圖3-1所示。
圖3-1 單片機最小系統電路原理圖
3.3 顯示及其驅動模塊
3.3.1 鍵盤與狀態顯示功能
鍵盤在本設計中用于緊急情況的手動控制裝置，以及定時時間的設置等功能，起到了不可缺少的重要作用。當定時器定時為1秒時程序跳轉到時間顯示及信號燈顯示子程序，它將依次顯示信號燈時間，同時一直顯示信號燈的顏色，這時在返回定時子程序定時1秒，在顯示黃燈的下一個時間，這樣依次把所有的時間顯示完后在重新給時間計數器賦初值，重新進入循環。鍵盤電路如圖3-2所示。
圖3-2 鍵盤電路
3.3.2 倒計時計數功能
本系統使用數碼管完成倒計時顯示功能。以南北方向為例，數碼管顯示的數值從綠燈的設置時間最大值往下減，每秒鐘減1，一直減到1。然后又從紅燈的設置時間最大值往下減，一直減到1。接下來又顯示綠燈時間，如此循環。
系統共有4個兩位的LED數碼管，分別放置在模擬交通燈控制板上的四個路口。因為四個方向的數碼管應該顯示同樣的內容，所以我們可以把它們同樣對待。也就是說各個方向的數碼管個位（把數碼管第二位定義為個位，第一位定義為十位）用一根信號線控制，十位用另一根信號線控制。這里采用動態顯示。LED數碼管如圖3-3所示。
圖3-3 LED數碼管
第4章 系統軟件設計
軟件在硬件平臺上構筑，完成各部分硬件的控制和協調。系統功能是由軟硬件共同實現的，由于軟件的可伸縮性，最終實現的系統功能可強可弱，差別可能很大。因此，軟件是本系統的靈魂。軟件采用模塊化設計方法，不僅易于編程和調試，也可減小軟件故障率和提高軟件的可靠性。同時，對軟件進行全面測試也是檢驗錯誤排除故障的重要手段。這里我們選用了移值性好、結構清晰、能進行復雜運算的C語言來實現編程。
4.1 軟件總體設計
軟件總體設計主要完成各部分的軟件控制和協調。本系統主程序模塊主要完成的工作是對系統的初始化，發送顯示數據，同時對鍵盤進行掃描，等待外部中斷，以及根據所需要的功能進行相應的操作。其流程圖如圖4-1所示。
圖4-1 軟件總體流程圖
4.2 軟件主要子程序設計
4.2.1 設置狀態子程序設計
設置狀態子程序如圖4-1所示。
圖4-1設置狀態子程序
在設置狀態，按下按鍵1（P16）開始設置南北的紅燈時間，按下按鍵2（P17）設置南北的綠燈時間，按下按鍵3（P27）返回正常運行狀態。紅燈和綠燈的時間最大可以設為99，超出99的時候會從50開始重新計數。它包含倒計時調整和緊急狀態兩個狀態。主程序中放了一個按鍵的判斷指令，當有按鍵按下的時候，程序就自動的跳轉到按鍵子程序處理。當檢測到按鍵2（P17）鍵按下的時候就自動返回到主程序。當出現緊急的情況的時候，按下按鍵3（P27）就切換到緊急狀態，當緊急事件處理完畢的時候，按下按鍵2（P17），就可以返回正常狀態。
4.2.2 鍵盤模塊子程序設計
鍵盤是人機進行交互的重要接口之一。用戶通過按鍵對儀器下達命令，儀器對按鍵譯碼獲得相應的鍵值，并執行相應的命令程序。鍵盤部分的軟件實現主要是指對鍵盤管理進行編程，從而成功地讀取鍵盤值，實現相應的功能。鍵盤實現的程序流程圖如圖4-3所示。
圖4-3鍵盤實現的程序流程圖
第5章 系統調試與測試
5.1 系統操作說明
本設計采用的是開關鍵盤，共6個鍵。鍵盤用來輸入倒計時時間數字信息；功能菜單選擇鍵則用于主次干道通行時間分別設置、確定、取消（即調時方向的切換、倒計時的加減、東西強行、南北強行，調完確認）等功能。
系統分為兩個狀態：設置狀態和顯示狀態。利用鍵盤可以進行兩個狀態間的切換；開機時，系統為顯示狀態，此時顯示四個路口數碼管從默認的倒計時時間開始倒計時；顯示狀態時，交通燈模組的四個LED數碼管進行倒計時；顯示過程中按鍵可以重新進入設置狀態。
5.2 調試
根據電路功能逐級進行：
1．通行方式功能調試：對行人和行車方向指示燈亮度和驅動電路調試；
2．倒計時功能調試：數碼管亮度調試；
3．緊急情況手動控制功能調試：包括按鍵功能的調試。
調試結果如圖5-1所示。
圖5-1 調試后的原理圖
結 論
本設計以單片機為核心，以LED數碼管作為倒計時指示，該設計很好地完成了設計的各項要求，主要體現如下：
出現緊急情況時系統可設置成手動控制，緊急情況結束后再轉成自動，控制十分靈活；
主干道和次干道可以分開設置時間功能，使控制更加靈活；
以上所有功能均在城市交道口模型上得到很好地實現，該設計在確保功能實現的基礎上，充分考慮了控制系統操作方便、可靠性高、穩定性好等要求。
該設計的交通燈控制器，實現了能根據實際車流量通過AT89C51芯片的P1口設置紅、綠燈燃亮時間的功能；紅綠燈循環點亮，倒計時剩3秒時黃燈閃爍警示綠燈時間可檢測車流量并可通過雙位數碼管顯示。
通過這次畢業設計，使我得到了一次用專業知識、專業技能分析和解決問題全面的系統的鍛煉。使我在單片機的基本原理、單片機應用系統開發過程，以及在常用編程設計思路技巧，特別是對C語言的掌握方面都能向前邁了一大步，為日后成為合格的應用型人才打下良好的基礎。
該設計雖然結束了，但由于時間、設備、條件和水平等各方面因素，還存在一些不足，還需要不斷改進，當然也就需要學習并運用更多相關的知識。
致 謝
時間依然保留著它的荒涼，它不會為什么而改變；但時間也像海綿里的水，只要肯擠，還是很多的；我相信機會總是眷顧有準備的人！在本次畢業設計中我深有體會！當然，做畢業設計是作為當代一名大學生將知識運用于實踐的一個重要環節。完成這次畢業設計，我要感謝所有幫助過我的老師，特別是我的畢業指導老師熊建云。在這次畢業設計中，我鞏固了所學的電子基礎知識，也擴大了自己的知識面，即將告別培育過我的母校、老師和同學，真的舍不得。
對于學過的知識只有運用到實踐中，才能體現出它的價值。而這次畢業設計是自我鍛煉的一個很好的機會，讓我的大學生活畫上一個圓滿的句號。我知道，現在社會競爭激烈，只有不斷學習才會有好的出路。母校給了我學習的空間和展示自我的舞臺，今天的成功離不開每位老師的細心教導和同學們的之間互相幫助。在此，再次對所有關心和幫助過我的老師和同學表示衷心的感謝，祝愿您們身體健康，一切順利。
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