智能交通燈的設(shè)計(jì)方案

1 智能交通燈的設(shè)計(jì)方案 一 方案的設(shè)計(jì) （一）方案的設(shè)計(jì)與論證 本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，以 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)框圖如圖所示。 交通燈控制的框圖如下圖所示，主要有控制電路、按鍵電路、晶振電路、復(fù)位電路、顯示電路、電源電路等電路組成。 圖 1 交通燈控制的框圖 （二） 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(huì)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。 單 片 機(jī) 電源電路 時(shí)鐘電路 復(fù)位電路 數(shù)碼管顯示電路 號(hào)燈控制電路 按鍵電路 2 （三） 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 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(hào)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。 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 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 。 由于該系統(tǒng) 是 對(duì)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 經(jīng)夠用，故 選擇 方案二。 （四） 交通燈運(yùn)行狀態(tài) 3 （五） 功能介紹 1. 由單片機(jī)、按鍵、發(fā)光二極管、共陽數(shù)碼管、三極管設(shè)計(jì)而成。 2. 按鍵說明：設(shè)置鍵、加鍵、減鍵、緊急模式鍵，單獨(dú)一個(gè)按鍵為復(fù)位按鍵。 3. 4. 可以設(shè)置東西、南北的倒計(jì)時(shí)時(shí)間。 5. 緊急模式 :當(dāng)消防車、救護(hù)車等特殊車輛通行時(shí)按下；緊急模式鍵：全部亮紅燈，待緊急車輛通過后，再恢復(fù)后再退出。 6. 夜間模式： 4 個(gè)方向黃燈閃爍。 7. 可以按 鍵設(shè)置交通燈東西、南北的倒計(jì)時(shí)時(shí)間，第一次按設(shè)置鍵是設(shè)置東西方向的時(shí)間，第二次按設(shè)置鍵是設(shè)置南北方向的時(shí)間，再按加減鍵就可以設(shè)置對(duì)應(yīng)的時(shí)間。 8. 設(shè)定的參數(shù)具有掉電保存，保存在 片機(jī)的內(nèi)部，上電無需重新設(shè)置。 9. 東西和南北方向各有兩個(gè)數(shù)碼管分別顯示時(shí)間、東西和南北的時(shí)間相差 5秒，這 5 秒為黃燈閃爍的時(shí)間。 10. 當(dāng)有特殊情況時(shí)，可以按緊急模式進(jìn)行調(diào)整。 11. 第一次按緊急鍵 4 個(gè)方向全部亮紅燈（禁止通行） 12. 第 2 次東西南北 4 個(gè)方向黃燈閃爍 (夜間模式 ) 13. 第 3 次南北綠燈亮東西紅燈亮（南北優(yōu)先通行） 14. 第 4 次南北紅燈亮東西綠燈亮（東 西優(yōu)先通行） 15. 再按一次回到正常顯示，不同的模式適合不同的交通情況（如夜間模式，有交通事故的時(shí)候） 16. 可以實(shí)現(xiàn)特種車輛優(yōu)先通行或交通事故應(yīng)急處理。 二 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件設(shè)計(jì)是整個(gè)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(gè)因素： 系統(tǒng)穩(wěn)定度； 器件的通用性或易選購性； 4 軟件編程的易實(shí)現(xiàn)性； 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(gè)進(jìn)行分析探討。 （一）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(gè)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(gè)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。 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)。 （二） 單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 片機(jī)是一款低功耗、低電壓、高性能 單片機(jī)，片內(nèi)含 8經(jīng)受 1000 次擦寫周期）的 編程可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（ 器件采用 藝和 司的高密度，非易失性存 儲(chǔ)器（ 術(shù)制造，其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與 容，片內(nèi)的 儲(chǔ)器允許在系統(tǒng)內(nèi)可改編程序或用常規(guī)的非易失性存儲(chǔ)編程器來編程。因此， 一種功能強(qiáng)，靈活性高且價(jià)格合理的單片機(jī)，可方便的應(yīng)用在各個(gè)控制領(lǐng)域 1。 有以下主要性能 ： 改編程序 儲(chǔ)器； ： 0 24 節(jié)內(nèi)部 外部雙向輸入，輸出（ I、 O）口； 引腳說明如圖 2 源電壓。 5 圖 2 單片機(jī)引腳圖 圖 2 單片機(jī)引腳圖 （三）單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì) 1 復(fù)位電路設(shè)計(jì) 復(fù)位輸入引腳 供了初始化的手段，可以使程序從指定處開始執(zhí)行，在 時(shí)鐘電路工作后，只要 腳上出現(xiàn)超過兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，即可產(chǎn)生復(fù)位的操作，只要 持高電平，則 環(huán)復(fù)位，只有單 高電平變成低電平以后， 從 0000H 地址開始執(zhí)行程序，本系 統(tǒng)采用按鍵復(fù)位方式的復(fù)位電路。 6 圖 3 復(fù)位電路圖 2 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 時(shí)鐘可以由兩種方式產(chǎn)生，一種是內(nèi)部方式，利用芯片內(nèi)部的振蕩電路；另外一種為外部方式，本論文根據(jù)實(shí)際需要和簡便，采用內(nèi)部振蕩方式，部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳 別是此放大器的輸入端和輸出端，這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成了一個(gè)自激振蕩器。 然有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時(shí)鐘，必須外接元件，所以實(shí)際構(gòu)成的振蕩時(shí)鐘電路，外接晶振以及電容 成了并聯(lián)諧振電路接在放大器的反饋回路中，對(duì)接電容的值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但電容的大小會(huì)影響振蕩頻率的高低，振蕩器的穩(wěn)定性，起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。晶振的頻率可在 2容 典型值在 2000間選擇，由于本系統(tǒng)用到定時(shí)器，為了方便計(jì)算，采用了 12晶振，采用電容選擇 30 7 圖 4 時(shí)鐘電路圖 3 顯示模塊電路設(shè)計(jì) 該模塊由共陽 碼管組成，利用數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)掃描原理，由三極管進(jìn)行鎖存，當(dāng)控制數(shù)碼管的 低電平時(shí)（及三極管基極為低電平），則三極管導(dǎo)通， 三極管給數(shù)碼管供電，則數(shù)碼管被點(diǎn)亮，利用數(shù)碼管點(diǎn)亮的余輝和人眼的視覺暫留原理，則看起來數(shù)碼管是同時(shí)被點(diǎn)亮的。 8 圖 5 顯示電路圖 從設(shè)計(jì)完成的任務(wù)與要求來看，顯示通行時(shí)間必須用二位數(shù)碼管，從節(jié)省硬件資源的角度考慮，可采用掃描的方式來處理，對(duì)于 7 段數(shù)碼管，占用 7 個(gè)單片機(jī)的 I/外設(shè)置 2 個(gè)電子開關(guān)對(duì) 2 位顯示進(jìn)行配合，占用 2 個(gè) I/O 端口，十字路口共需 4 組紅綠燈，加上轉(zhuǎn)換黃燈，一共是 12 只燈，須用 12 個(gè)端口進(jìn)行控制，加上兩個(gè)方向的緊急通行按鈕，占 2 個(gè) I/O 端口和一個(gè)蜂鳴器端口，因此 實(shí)際占用的單片機(jī) I/O 口為 24 個(gè)，為此，我們可以選用 51 系列單片機(jī)中的 作為中央處理器。這款單片機(jī)的 I/O 口作為輸出時(shí)，具有較大的吸收電流能力，因此我們可以選用共陽型數(shù)碼管，這樣由單片機(jī)的 I/O 口就可以直接驅(qū)動(dòng)，能簡化硬件電路的設(shè)計(jì)。 4 單片機(jī)的硬件調(diào)試 第一步為目測(cè)，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)電路全部手工焊接在洞洞板上，因此對(duì)每一個(gè)焊點(diǎn)都要進(jìn)行仔細(xì)的檢查。檢查它是否有虛焊、是否有毛剌等。 9 第二步為萬用表測(cè)試，先用萬用表復(fù)核目測(cè)中認(rèn)為可疑的連線或接點(diǎn)，查看它們的通斷狀態(tài)是否與設(shè)計(jì)規(guī)定相符，再檢查各種 電源線與地線之間是否有短路現(xiàn)象。 第三步為加電檢查。當(dāng)系統(tǒng)加電時(shí)，首先檢查所有插座或器件引腳的電源端是否有符合要求的電壓值，接地端電壓值是否接近零，接固定電平的引腳端是否電平正確。 第四步是聯(lián)機(jī)檢查。 在對(duì)硬件電路調(diào)試過程中，還遇到了不少問題，第一次把所有的元件都焊上去后，都準(zhǔn)備調(diào)試了，才發(fā)現(xiàn)正負(fù)電源的插針離得太近了，不容易接電源，本不該犯的錯(cuò)誤，這些都是由于自己的粗心大意造成的，所以說，做任何事情都必需經(jīng)過“三思而后行”，來不得半點(diǎn)的馬虎，否則浪費(fèi)了時(shí)間和精力 三 交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 交通信號(hào)燈 由紅燈、綠燈、黃燈組成。紅燈表示禁止通行，綠燈表示準(zhǔn)許通行，黃燈表示警示。交通信號(hào)燈分為機(jī)動(dòng)車信號(hào)燈、非機(jī)動(dòng)車信號(hào)燈、人行橫道信號(hào)燈、車道信號(hào)燈、方向指示信號(hào)燈、閃光警告信號(hào)燈、道路與鐵路平面交叉道口信號(hào)燈。交通信號(hào)燈用于道路平面交叉路口，通過對(duì)車輛、行人發(fā)出行進(jìn)或停止的指令，使各同時(shí)到達(dá)的人、車交通流盡可能減少相互干擾，從而提高路口的通行能力，保障路口暢通和安全。 因此必須合理的設(shè)計(jì)路口主干道的系統(tǒng) 。 （一） 十字路口交通信號(hào)燈具體的控制要求 (1) 交通信號(hào)燈分布于東南西北，每個(gè)路口均有三個(gè)。南北方向綠 燈和東西方向的綠燈不能同時(shí)亮；如果同時(shí)亮，則應(yīng)自動(dòng)立即關(guān)閉信號(hào)燈系統(tǒng)，并立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。系統(tǒng)工作后，首先南北紅燈亮并維持 30s；與此同時(shí)，東西綠燈亮，并維持 25s 時(shí)間，到 25s 時(shí)，東西綠燈熄滅。在東西綠燈熄滅時(shí)，東西黃燈亮并維持 5s，然后東西黃燈熄滅，東西紅燈亮，同時(shí)南北紅燈熄滅，南北綠燈亮；東西紅燈亮并維持 30s；與此同時(shí)，南北綠燈亮并維持 15s；然后，南北綠燈熄滅南北綠燈熄滅 10 時(shí)，南北黃燈亮維持 5s 后熄滅；同時(shí)南北紅燈亮，東西綠燈亮。至此，結(jié)束一個(gè)工作循環(huán) ,如下交通信號(hào)燈變化表： (2)在交通信號(hào)燈亮和閃爍的同時(shí)，路口設(shè)有兩位七段碼的顯示器倒數(shù)計(jì)時(shí)，讓車輛行人能夠清楚地知道再過多久信號(hào)燈就會(huì)發(fā)生變化。以便于司機(jī)和行人能夠在有限的時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確的通行。 （二）十字路口交通信號(hào)燈示意圖 交通信號(hào)燈共有 12 盞，每個(gè)路口各有紅，黃，綠三盞，具體分布如下圖所示： 交通信號(hào)燈變化表 東西 綠燈亮 黃燈亮 紅燈亮 25S 5S 20S 南北 紅燈亮 綠燈亮 黃燈亮 30S 15S 5S 11 四 交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)程序編制 （一） 軟件設(shè)計(jì)流程 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(duì)系統(tǒng)的初始化，發(fā)送顯示數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì) 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。 交通燈根據(jù)其顯示情況可以分為四個(gè)狀態(tài)，可以通過定時(shí)來控制每個(gè)狀態(tài)的時(shí)間；通過定時(shí)也可以向 碼管中每隔 1 秒送一個(gè)數(shù)，顯示該狀態(tài)剩余的時(shí)間。其流程圖如圖所示。 圖 4主程序框圖 （二）交通燈定時(shí)器模塊 片機(jī)內(nèi)部有 3 個(gè)定時(shí)器 次設(shè)計(jì)中使用 作在方式 1，即 16 位定時(shí)器，定時(shí) 5020 次中斷產(chǎn)生秒信號(hào)，從而控制紅綠燈的點(diǎn)亮?xí)r間。 設(shè)置定時(shí)，顯示初始化 南北綠燈亮，東西紅燈亮，延時(shí) 南北黃燈閃爍，東西紅燈亮，延時(shí) 南北紅燈亮，東西綠燈亮，延時(shí) 南北紅燈亮，東西黃燈閃爍，延時(shí) 開 始 12 工作方式寄存器 來設(shè)置 工作方式。這次實(shí)習(xí)中設(shè)置 作于方式 0（ 16 位定時(shí)器）。 內(nèi)部定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器用作定時(shí)器時(shí)，是對(duì)機(jī)器周期計(jì)數(shù)，每個(gè)機(jī)器周期的長度是12 個(gè)振蕩周期。定時(shí)常數(shù)的設(shè)置可用一下方式計(jì)算： 機(jī)器周期 =12/12 65536*0以定時(shí)常數(shù)是 50000。 五 結(jié)論 本 論文介 紹了一種基于 片機(jī)的交通燈的設(shè)計(jì)方法，本論文完成了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與制作，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的過程，并結(jié)合軟件系統(tǒng)完成了整個(gè)系統(tǒng)的軟、硬件聯(lián)調(diào)，系統(tǒng)工作良好，實(shí)現(xiàn)了基本功能。 通過本次設(shè)計(jì)，鞏固了我學(xué)習(xí)過的專業(yè)知識(shí)，也使我把理論與實(shí)踐從真正意義上相結(jié)合了起來，鍛煉了借助互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)搜集、查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料和組織材料的綜合能力，從中我也認(rèn)識(shí)到自己的不足之處，我會(huì)在日后的學(xué)習(xí)中加以改進(jìn)與提高。 經(jīng)過這次課程設(shè)計(jì)，我在各方面都有很大的提高。學(xué)到了很多不曾學(xué)過的東西，也使我學(xué)會(huì)了更好地利用一些資源和工具如圖書館及一些軟件 查閱資料。在設(shè)計(jì)過程中也遇到很多的困難，遇到一些原理性不懂的時(shí)候就要去有針對(duì)性地查找資料或者請(qǐng)教知道老師和其他同學(xué)，然后加以吸收利用，提高了自己的應(yīng)用能力，擴(kuò)充了自己的知識(shí)儲(chǔ)備，同時(shí)提高了動(dòng)手能力。 13 參考文獻(xiàn) 1 劉勇 M2004 2 楊子文 M2006 3 劉華東 2 版） M4 胡漢才 M2006. 5 沈 精虎 門 與提高 M2004. 6 范風(fēng)強(qiáng)，蘭嬋麗 51 應(yīng)用實(shí)戰(zhàn)集錦 M， 2001. 7 顧曙敏 接口設(shè)計(jì) J2003，26(14)858 孫曉燕 051 單片機(jī)的交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與模擬 J2007 年 03 期 . 9 陳毅，許飛，王學(xué)飛 J009 年第 15 期 . 14 附件一：總體原理圖 附件二：源程序代碼 # /調(diào)用單片機(jī)頭文件 # /宏定義 替 # /宏定義 來定義無符號(hào)整型數(shù)。 #=0,0 /斷碼 = 0 4; /顯示數(shù)碼管 的個(gè)位數(shù) /數(shù)碼管位選定義 ; /數(shù)碼管位選定義 15 ; ; ; 0; /東西 南北 倒計(jì)時(shí)變量 = ; /東西紅燈 = ; /東西綠燈 ; /東西黃燈 = ; /南北紅燈 = ; /南北綠燈 ; /南北黃燈 /交通燈的模式 根據(jù)時(shí)間 0; /東西南北模式 i; , 20; /東西、南北的時(shí)間 /交通管制 /*數(shù)碼位選函數(shù) */ i) i) : 0; 1; 1; 1; : 1; 0; 1; 1; : 1; 1; 0; 1; : 1; 1; 1; 0; /*把數(shù)據(jù)保存到單片機(jī)內(nèi)部 */ 16 /*把數(shù)據(jù)從單片機(jī)內(nèi)部 讀出來 */ = /*開機(jī)自檢 始化 */ /開機(jī)自檢 始化 ; /先讀 if(= 1) /新的單片機(jī)初始單片機(jī)內(nèi)問 1; 30; 20; /東西、南北的時(shí)間 ; /保存數(shù)據(jù)