本帖最后由 51hei2017 于 2017-5-18 14:50 編輯
隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，道路交通堵塞問題日趨嚴(yán)重，如何對交通進(jìn)行合理的管理和調(diào)度而盡可能減少堵車現(xiàn)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(dāng)今，紅綠燈安裝在各個道口上，已經(jīng)成為疏導(dǎo)交通車輛最常見和最有效的手段。但這一技術(shù)在19世紀(jì)就已出現(xiàn)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(lán)兩色的機(jī)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(jī)械工程師納伊特在倫敦威斯敏斯特區(qū)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(zhuǎn)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(xiàn)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(xiàn)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?yōu)榫G燈；另一種是用擴(kuò)音器來啟動紅綠燈，司機(jī)遇紅燈時(shí)按一下嗽叭，就使紅燈變?yōu)榫G燈。紅外線紅綠燈當(dāng)行人踏上對壓力敏感的路面時(shí)，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(shí)間，推遲汽車放行，以免發(fā)生交通事故。 信號燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制，對于疏導(dǎo)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(lián)合國《道路交通和道路標(biāo)志信號協(xié)定》對各種信號燈的含義作了規(guī)定。綠燈是通行信號，面對綠燈的車輛可以直行，左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎，除非另一種標(biāo)志禁止某一種轉(zhuǎn)向。左右轉(zhuǎn)彎車輛都必須讓合法地正在路口內(nèi)行駛的車輛和過人行橫道的行人優(yōu)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(shí)可以進(jìn)入交叉路口。 我國機(jī)動車輛發(fā)展迅速，而城鎮(zhèn)道路建設(shè)由于歷史等各種原因相對滯后。道路擁擠、阻塞現(xiàn)象及交通事故常有發(fā)生。如何利用當(dāng)今自動控制技術(shù)，有效地疏導(dǎo)交通，提高城鎮(zhèn)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(tǒng)，它與人們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)。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(tǒng)有著現(xiàn)實(shí)的必要性，本文介紹的交通燈控制系統(tǒng)除具有一般的紅綠燈顯示功能外，還具有倒計(jì)時(shí)功能，以方便人們的生活需求。此系統(tǒng)的核心控制器是MCS-51系列單片機(jī)中的AT89C51。本次設(shè)計(jì)對紅綠燈顯示系統(tǒng)、按鍵系統(tǒng)都采用keil軟件調(diào)試程序，并給出了調(diào)試過程及全部程序代碼。 第2章 方案設(shè)計(jì)與論證 本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，以LED數(shù)碼管作為倒計(jì)時(shí)指示，根據(jù)設(shè)計(jì)的要求我們考慮了各功能模塊的幾種設(shè)計(jì)方案，以求最佳方案，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)各種狀態(tài)，系統(tǒng)還增設(shè)了根據(jù)交通擁擠情況可分別設(shè)置主干道和次干道的通行時(shí)間，以提高效率，緩減交通擁擠。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1-1所示。
圖1-1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖 1．電源提供方案 為使模塊穩(wěn)定工作，須有可靠電源。本次設(shè)計(jì)考慮了兩種電源方案： 方案一：采用獨(dú)立的穩(wěn)壓電源。此方案的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定可靠，且有各種成熟電路可供選用；缺點(diǎn)是各模塊都采用獨(dú)立電源，會使系統(tǒng)復(fù)雜，且可能影響電路電平。 方案二：采用單片機(jī)控制模塊提供電源。該方案的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡明扼要，節(jié)約成本；缺點(diǎn)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(tǒng)要求完成倒計(jì)時(shí)功能�；谏鲜鲈�，本次設(shè)計(jì)考慮了兩種方案： 方案一：完全采用點(diǎn)陣式LED顯示。這種方案功能強(qiáng)大，可方便的顯示各種英文字符，漢字，圖形等，但實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，且須完成大量的軟件工作。
方案二：完全采用數(shù)碼管顯示。這種方案優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡單，可以完成倒計(jì)時(shí)功能。缺點(diǎn)是功能較少，只能顯示有限的符號和數(shù)碼字符。根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求，方案二已經(jīng)滿足了要求，所以本次設(shè)計(jì)采用方案二以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)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(kuò)展I/O口、鍵盤及顯示等。該方案的優(yōu)點(diǎn)是使用靈活可編程，并且有RAM及計(jì)數(shù)器。若用該方案，可提供較多I/O口,但操作起來稍顯復(fù)雜。 方案二：直接在I/O口線上接上按鍵開關(guān)。因?yàn)樵O(shè)計(jì)時(shí)精簡和優(yōu)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(jì)時(shí)加1、倒計(jì)時(shí)減1、調(diào)完確認(rèn)、調(diào)時(shí)方向切換、南北強(qiáng)行和東西強(qiáng)行等功能。 由于該系統(tǒng)是對交通燈及數(shù)碼管的控制，只需用單片機(jī)本身的I/O口就可實(shí)現(xiàn)，且本身的計(jì)數(shù)器及RAM已經(jīng)夠用，故選擇方案二。 第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件設(shè)計(jì)是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，要考慮的方方面面很多，除了實(shí)現(xiàn)交通燈基本功能以外，主要還要考慮如下幾個因素：①系統(tǒng)穩(wěn)定度；②器件的通用性或易選購性；③軟件編程的易實(shí)現(xiàn)性；④系統(tǒng)其它功能及性能指標(biāo)；因此硬件設(shè)計(jì)至關(guān)重要�，F(xiàn)從各功能模塊的實(shí)現(xiàn)逐個進(jìn)行分析探討。 3.1 總體設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為控制核心，采用模塊化設(shè)計(jì)，共分以下幾個功能模塊：單片機(jī)控制系統(tǒng)、鍵盤及狀態(tài)顯示、倒計(jì)時(shí)模塊等。 單片機(jī)作為整個硬件系統(tǒng)的核心，它既是協(xié)調(diào)整機(jī)工作的控制器，又是數(shù)據(jù)處理器。它由單片機(jī)振蕩電路、復(fù)位電路等組成。 鍵盤及狀態(tài)顯示，開關(guān)鍵盤輸入交通燈初始時(shí)間，通過單片機(jī)P1輸入到系統(tǒng)。 系統(tǒng)采用雙數(shù)碼管倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)功能，最大顯示數(shù)字99。 友好的人機(jī)界面、靈活的控制方式、優(yōu)化的物理結(jié)構(gòu)是本設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)。 3.2 單片機(jī)最小系統(tǒng) 1．振蕩電路 AT89C51是內(nèi)部具有振蕩電路的單片機(jī)，只需在18腳和19腳之間接上石英晶體，給單片機(jī)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(jī)工作提供了所需要的時(shí)鐘脈沖信號，是單片機(jī)的內(nèi)部電路、單片機(jī)的內(nèi)部程序（若有）開始工作。振蕩電路不工作，整個單片機(jī)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(jī)自激。若從18腳輸入外部時(shí)鐘脈沖，則19腳接地。 2．復(fù)位電路 復(fù)位電路就是在RST端（9腳）外接的一個電路，目的是使單片機(jī)上的電開始工作時(shí)，內(nèi)部電路從初始狀態(tài)開始工作，或者在工作中人為讓單片機(jī)重新從初始狀態(tài)開始工作。在時(shí)鐘工作的情況下，只要復(fù)位引腳高電平保持在兩個機(jī)器周期以上的時(shí)間，AT89C51便能完成系統(tǒng)重置的各項(xiàng)工作，使得內(nèi)部特殊功能寄存器的內(nèi)容均被設(shè)置成已知狀態(tài)，并且從地址0000H處讀入程序代碼而執(zhí)行程序。單片機(jī)最小系統(tǒng)電路如圖3-1所示。
圖3-1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路原理圖 3.3 顯示及其驅(qū)動模塊 3.3.1 鍵盤與狀態(tài)顯示功能 鍵盤在本設(shè)計(jì)中用于緊急情況的手動控制裝置，以及定時(shí)時(shí)間的設(shè)置等功能，起到了不可缺少的重要作用。當(dāng)定時(shí)器定時(shí)為1秒時(shí)程序跳轉(zhuǎn)到時(shí)間顯示及信號燈顯示子程序，它將依次顯示信號燈時(shí)間，同時(shí)一直顯示信號燈的顏色，這時(shí)在返回定時(shí)子程序定時(shí)1秒，在顯示黃燈的下一個時(shí)間，這樣依次把所有的時(shí)間顯示完后在重新給時(shí)間計(jì)數(shù)器賦初值，重新進(jìn)入循環(huán)。鍵盤電路如圖3-2所示。
圖3-2 鍵盤電路 3.3.2 倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)功能 本系統(tǒng)使用數(shù)碼管完成倒計(jì)時(shí)顯示功能。以南北方向?yàn)槔�，�?shù)碼管顯示的數(shù)值從綠燈的設(shè)置時(shí)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(shè)置時(shí)間最大值往下減，一直減到1。接下來又顯示綠燈時(shí)間，如此循環(huán)。 系統(tǒng)共有4個兩位的LED數(shù)碼管，分別放置在模擬交通燈控制板上的四個路口。因?yàn)樗膫�方向的數(shù)碼管應(yīng)該顯示同樣的內(nèi)容，所以我們可以把它們同樣對待。也就是說各個方向的數(shù)碼管個位（把數(shù)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(tài)顯示。LED數(shù)碼管如圖3-3所示。
圖3-3 LED數(shù)碼管
第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件在硬件平臺上構(gòu)筑，完成各部分硬件的控制和協(xié)調(diào)。系統(tǒng)功能是由軟硬件共同實(shí)現(xiàn)的，由于軟件的可伸縮性，最終實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)功能可強(qiáng)可弱，差別可能很大。因此，軟件是本系統(tǒng)的靈魂。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法，不僅易于編程和調(diào)試，也可減小軟件故障率和提高軟件的可靠性。同時(shí)，對軟件進(jìn)行全面測試也是檢驗(yàn)錯誤排除故障的重要手段。這里我們選用了移值性好、結(jié)構(gòu)清晰、能進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算的C語言來實(shí)現(xiàn)編程。 4.1 軟件總體設(shè)計(jì) 軟件總體設(shè)計(jì)主要完成各部分的軟件控制和協(xié)調(diào)。本系統(tǒng)主程序模塊主要完成的工作是對系統(tǒng)的初始化，發(fā)送顯示數(shù)據(jù)，同時(shí)對鍵盤進(jìn)行掃描，等待外部中斷，以及根據(jù)所需要的功能進(jìn)行相應(yīng)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(shè)計(jì) 4.2.1 設(shè)置狀態(tài)子程序設(shè)計(jì) 設(shè)置狀態(tài)子程序如圖4-1所示。
圖4-1設(shè)置狀態(tài)子程序 在設(shè)置狀態(tài)，按下按鍵1（P16）開始設(shè)置南北的紅燈時(shí)間，按下按鍵2（P17）設(shè)置南北的綠燈時(shí)間，按下按鍵3（P27）返回正常運(yùn)行狀態(tài)。紅燈和綠燈的時(shí)間最大可以設(shè)為99，超出99的時(shí)候會從50開始重新計(jì)數(shù)。它包含倒計(jì)時(shí)調(diào)整和緊急狀態(tài)兩個狀態(tài)。主程序中放了一個按鍵的判斷指令，當(dāng)有按鍵按下的時(shí)候，程序就自動的跳轉(zhuǎn)到按鍵子程序處理。當(dāng)檢測到按鍵2（P17）鍵按下的時(shí)候就自動返回到主程序。當(dāng)出現(xiàn)緊急的情況的時(shí)候，按下按鍵3（P27）就切換到緊急狀態(tài)，當(dāng)緊急事件處理完畢的時(shí)候，按下按鍵2（P17），就可以返回正常狀態(tài)。 4.2.2 鍵盤模塊子程序設(shè)計(jì) 鍵盤是人機(jī)進(jìn)行交互的重要接口之一。用戶通過按鍵對儀器下達(dá)命令，儀器對按鍵譯碼獲得相應(yīng)的鍵值，并執(zhí)行相應(yīng)的命令程序。鍵盤部分的軟件實(shí)現(xiàn)主要是指對鍵盤管理進(jìn)行編程，從而成功地讀取鍵盤值，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。鍵盤實(shí)現(xiàn)的程序流程圖如圖4-3所示。
圖4-3鍵盤實(shí)現(xiàn)的程序流程圖 第5章 系統(tǒng)調(diào)試與測試 5.1 系統(tǒng)操作說明 本設(shè)計(jì)采用的是開關(guān)鍵盤，共6個鍵。鍵盤用來輸入倒計(jì)時(shí)時(shí)間數(shù)字信息；功能菜單選擇鍵則用于主次干道通行時(shí)間分別設(shè)置、確定、取消（即調(diào)時(shí)方向的切換、倒計(jì)時(shí)的加減、東西強(qiáng)行、南北強(qiáng)行，調(diào)完確認(rèn)）等功能。 系統(tǒng)分為兩個狀態(tài)：設(shè)置狀態(tài)和顯示狀態(tài)。利用鍵盤可以進(jìn)行兩個狀態(tài)間的切換；開機(jī)時(shí)，系統(tǒng)為顯示狀態(tài)，此時(shí)顯示四個路口數(shù)碼管從默認(rèn)的倒計(jì)時(shí)時(shí)間開始倒計(jì)時(shí)；顯示狀態(tài)時(shí)，交通燈模組的四個LED數(shù)碼管進(jìn)行倒計(jì)時(shí)；顯示過程中按鍵可以重新進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)。 5.2 調(diào)試 根據(jù)電路功能逐級進(jìn)行： 1．通行方式功能調(diào)試：對行人和行車方向指示燈亮度和驅(qū)動電路調(diào)試； 2．倒計(jì)時(shí)功能調(diào)試：數(shù)碼管亮度調(diào)試； 3．緊急情況手動控制功能調(diào)試：包括按鍵功能的調(diào)試。 調(diào)試結(jié)果如圖5-1所示。
圖5-1 調(diào)試后的原理圖
結(jié) 論 本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，以LED數(shù)碼管作為倒計(jì)時(shí)指示，該設(shè)計(jì)很好地完成了設(shè)計(jì)的各項(xiàng)要求，主要體現(xiàn)如下： 出現(xiàn)緊急情況時(shí)系統(tǒng)可設(shè)置成手動控制，緊急情況結(jié)束后再轉(zhuǎn)成自動，控制十分靈活； 主干道和次干道可以分開設(shè)置時(shí)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(shí)現(xiàn)，該設(shè)計(jì)在確保功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，充分考慮了控制系統(tǒng)操作方便、可靠性高、穩(wěn)定性好等要求。 該設(shè)計(jì)的交通燈控制器，實(shí)現(xiàn)了能根據(jù)實(shí)際車流量通過AT89C51芯片的P1口設(shè)置紅、綠燈燃亮?xí)r間的功能；紅綠燈循環(huán)點(diǎn)亮，倒計(jì)時(shí)剩3秒時(shí)黃燈閃爍警示綠燈時(shí)間可檢測車流量并可通過雙位數(shù)碼管顯示。 通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我得到了一次用專業(yè)知識、專業(yè)技能分析和解決問題全面的系統(tǒng)的鍛煉。使我在單片機(jī)的基本原理、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)過程，以及在常用編程設(shè)計(jì)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(yīng)用型人才打下良好的基礎(chǔ)。 該設(shè)計(jì)雖然結(jié)束了，但由于時(shí)間、設(shè)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(jìn)，當(dāng)然也就需要學(xué)習(xí)并運(yùn)用更多相關(guān)的知識。 致 謝 時(shí)間依然保留著它的荒涼，它不會為什么而改變；但時(shí)間也像海綿里的水，只要肯擠，還是很多的；我相信機(jī)會總是眷顧有準(zhǔn)備的人！在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中我深有體會！當(dāng)然，做畢業(yè)設(shè)計(jì)是作為當(dāng)代一名大學(xué)生將知識運(yùn)用于實(shí)踐的一個重要環(huán)節(jié)。完成這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我要感謝所有幫助過我的老師，特別是我的畢業(yè)指導(dǎo)老師熊建云。在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我鞏固了所學(xué)的電子基礎(chǔ)知識，也擴(kuò)大了自己的知識面，即將告別培育過我的母校、老師和同學(xué)，真的舍不得。 對于學(xué)過的知識只有運(yùn)用到實(shí)踐中，才能體現(xiàn)出它的價(jià)值。而這次畢業(yè)設(shè)計(jì)是自我鍛煉的一個很好的機(jī)會，讓我的大學(xué)生活畫上一個圓滿的句號。我知道，現(xiàn)在社會競爭激烈，只有不斷學(xué)習(xí)才會有好的出路。母校給了我學(xué)習(xí)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(xì)心教導(dǎo)和同學(xué)們的之間互相幫助。在此，再次對所有關(guān)心和幫助過我的老師和同學(xué)表示衷心的感謝，祝愿您們身體健康，一切順利。
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