智能交通燈設(shè)計-硬件部分

畢業(yè)設(shè)計（論文）PAGE10目錄TOC\o"1-3"\h\zHYPERLINK1、引言 1HYPERLINK2、方案論證 23、功能電路分析與設(shè)計 23.1交通燈模塊 23.2車流量控制模塊 33.3單片機主控模塊 4HYPERLINK3.4數(shù)碼管時間顯示模塊 63.4.1LED的基本結(jié)構(gòu)和設(shè)計 63.4.2顯示倒計時時間 6HYPERLINK4原理圖、PCB電路圖的繪制和單層電路板的制作 8HYPERLINK4.1原理圖、PCB電路圖的繪制 8HYPERLINK5畢業(yè)設(shè)計總結(jié) 9HYPERLINK謝辭 9HYPERLINK參考文獻 10HYPERLINK附錄 11

智能交通燈設(shè)計——硬件部分1、引言隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，交通問題越來越引起人們的關(guān)注。人、車、路三者關(guān)系的協(xié)調(diào)，已成為重要問題之一。交通控制系統(tǒng)是用于城市交通數(shù)據(jù)監(jiān)測、交通信號燈控制與交通疏導(dǎo)的計算機綜合管理系統(tǒng)，它是現(xiàn)代交通監(jiān)控指揮系統(tǒng)中最重要的組成部分。在今天，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(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。1914年，電氣啟動的紅綠燈出現(xiàn)在美國。1918年，又出現(xiàn)了帶控制的紅綠燈和紅外線紅綠燈。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可以進入交叉路口。隨著世界范圍內(nèi)城市化和機動化進程的加快，城市交通越來越成為一個全球化的問題。簡單的十字路口交通燈已經(jīng)不能適應(yīng)車流量越來越大的實際情況，所以這就需要一個更為合理和智能且成本不高的路口交通燈控制系統(tǒng)。本文主要是對智能交通燈控制系統(tǒng)進行設(shè)計，使它可以根據(jù)實時的道路車輛滯留量來對下一次的放行時間進行控制，從而實現(xiàn)交通燈的智能控制。這樣，就可以有效的解決交通流量不均勻、不穩(wěn)定帶來的問題。

2、方案論證本次設(shè)計的主要功能有：十字路口交通燈、車流量控制、顯示倒計時時間。圖2-1功能框圖本次設(shè)計的主要模塊有：交通燈燈模塊、車流量電路模塊、數(shù)碼管顯示模塊、單片機主控制模塊等。圖2-2模塊結(jié)構(gòu)3、功能電路分析與設(shè)計3.1交通燈模塊十字路口交通燈，有三種信號燈組成，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可以進入交叉路口。下圖為交通燈電路。圖3-1交通燈電路3.2車流量控制模塊采用定時控制，其最大的缺點是綠燈時間和綠信比是固定的或是分時段固定的，且最佳綠燈時間和最佳綠信比的整定較為困難，控制起來都不是很靈活，這使得城市車流的調(diào)節(jié)不能達到最優(yōu)。本設(shè)計加入考慮了道路車流量的問題,使得道路交通控制更具時效性和靈活性。如圖3-2。3-2車流量控制電路圖圖3-2中采用AT89S51芯片，紅外線發(fā)光二極管兩個L1、L2，分別負責(zé)發(fā)送和接收信號。根據(jù)具體信號接收情況，來改變交通燈延時時間的長短。3.3單片機主控模塊AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISPFlash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。AT89S51具有如下特點：40個引腳，4kBytesFlash片內(nèi)程序存儲器，128bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。如圖3-3。此外，AT89S51設(shè)計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。3-3AT89S51芯片管腳圖1．管腳說明：VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2/INT0（外部中斷0）P3.3/INT1（外部中斷1）P3.4T0（記時器0外部輸入）P3.5T1（記時器1外部輸入）P3.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。I/O口作為輸入口時有兩種工作方式即所謂的讀端口與讀引腳讀端口時實際上并不從外部讀入數(shù)據(jù)而是把端口鎖存器的內(nèi)容讀入到內(nèi)部總線經(jīng)過某種運算或變換后再寫回到端口鎖存器只有讀端口時才真正地把外部的數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)部總線上面圖中的兩個三角形表示的就是輸入緩沖器CPU將根據(jù)不同的指令分別發(fā)出讀端口或讀引腳信號以完成不同的操作這是由硬件自動完成的不需要我們操心1然后再實行讀引腳操作否則就可能讀入出錯為什么看上面的圖如果不對端口置1端口鎖存器原來的狀態(tài)有可能為0Q端為0Q^為1加到場效應(yīng)管柵極的信號為1該場效應(yīng)管就導(dǎo)通對地呈現(xiàn)低阻抗,此時即使引腳上輸入的信號為1也會因端口的低阻抗而使信號變低使得外加的1信號讀入后不一定是1若先執(zhí)行置1操作則可以使場效應(yīng)管截止引腳信號直接加到三態(tài)緩沖器中實現(xiàn)正確的讀入由于在輸入操作時還必須附加一個準備動作所以這類I/O口被稱為準雙向口89C51的P0/P1/P2/P3口作為輸入時都是準雙向口接下來讓我們再看另一個問題從圖中可以看出這四個端口還有一個差別除了P1口外P0P2P3口都還有其他的功能。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。3.4數(shù)碼管時間顯示模塊本次設(shè)計要求十字路口有數(shù)字顯示，作為倒計時提示，以便人們更直觀地把握時間。具體為：當(dāng)某方向綠燈亮?xí)r，置顯示器為某值，然后以每秒減1，計數(shù)方式工作，直至減到數(shù)為“0”，十字路口綠、黃、紅燈變換，一次工作循環(huán)結(jié)束，而進入下一步某方向的工作循環(huán)。從而使得交通得以有效管制，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。3.4.1LED的基本結(jié)構(gòu)和設(shè)計LED如何顯示出指定字符和數(shù)字3-4-13.4.2顯示倒計時時間本設(shè)計采用七段數(shù)碼管顯示倒計時時間，如圖3-4所示。數(shù)碼管8個引腳分別連接MCS-51系列單片機的P1口引腳，并通過P3.3口連接一個控制按鍵。3-4-2數(shù)碼管顯示倒計時時間

4原理圖、PCB電路圖的繪制和單層電路板的制作4.1原理圖、PCB電路圖的繪制使用Protel99SE繪制原理圖和PCB電路圖，在畫圖之前首先要新建一個項目工程。繪制原理圖主要包括以下幾個步驟：首先，原理圖文件的新建，新建原理圖文件主要是要注意先選中工程文件中的Document文件夾然后再新建文件，那樣該新建的文件就會保存在工作文件夾中。其次，查找或繪制電路中需要的元件并放置，常用元件一般都能在程序自帶元件庫中找到，部分特殊元件如芯片89C51一般需要自己繪制，元件的繪制就需要進行元件庫文件的新建、元件的新建、元件繪制等步驟。最后，元件之間的連線，同時還應(yīng)填寫元件屬性窗口里的元件序號和元件封裝名稱。原理圖完成后就是PCB電路圖的繪制。繪制PCB電路圖，首先要新建一個PCB文件。然后通過UpdataPCB選項把原理圖轉(zhuǎn)換到PCB，根據(jù)菜單Design→UpdataPCB彈出的窗口中提示的一步一步去完成PCB的轉(zhuǎn)換，如果警告則可根據(jù)警告報告對原理圖進行修改，再重復(fù)Design→UpdataPCB操作，直至原理圖中的所有元件和其電氣關(guān)系都能轉(zhuǎn)換到PCB板圖中。PCB電路圖的最后一步也是最重要的一步就是布線，對元件封裝進行合理布局可以方便布線，此次電路復(fù)雜性不是很高，只需注意這次本次要制作的是單層電路板，所以所有導(dǎo)線應(yīng)盡量放置在第一層，即頂層（TopLayer）。因為之前我們進行過Protel99實習(xí)和老師們的指導(dǎo)，一些主要的操作步驟，還有印象，所以在做這些時，還是比較順利的。通過這次的制作，我也更加深了對它的認識和理解！5畢業(yè)設(shè)計總結(jié)本次實驗是以單片機為主控模塊，來實驗智能交通燈的基本控制功能。它主要采用了兩個紅外線發(fā)光二極管，來檢測車流量的情況，從而控制紅綠燈閃爍時間的長短。兩個紅外線發(fā)光二極管，一個負責(zé)發(fā)送信號，另一個負責(zé)接受信號。這樣，在保證交通安全的前提下最大限度地提高了交通效率，對緩解交通阻塞，提高暢通率具有十分現(xiàn)實的意義。此次設(shè)計實現(xiàn)的主要功能是：十字路口交通燈；車流量控制；倒計時時間的顯示等。它主要包含了四大模塊：交通燈電路圖的設(shè)計；車流量檢測電路圖的設(shè)計；單片機主控電路的設(shè)計；數(shù)碼管時間顯示的設(shè)置。在完成設(shè)計的過程中，雖然大大小小的困難遇到了很多。不過，在經(jīng)過老師的指導(dǎo)和同學(xué)的幫助，以及自己的努力，都有幸解決了。通過對這次畢業(yè)設(shè)計的制作，我在各方面都學(xué)到了很多。特別是對專業(yè)知識的理解與掌握。通過查閱和搜索資料，也使我鞏固了很多知識點，并且有了更深一步的了解，我想這些對自己以后踏上工作崗位都是很有用的！謝辭畢業(yè)設(shè)計即將結(jié)束了！通過對畢業(yè)設(shè)計的制作，我覺得此次設(shè)計不僅考察了我們大學(xué)三年所學(xué)的東西，更重要的是把所學(xué)的知識應(yīng)用到了實踐中，檢驗了自己的綜合能力。雖然，其中遇到了很多困難，不過通過老師的指導(dǎo)、同學(xué)的幫助和自己的努力，都可以解決！從中，自己也收獲了很多。在完成設(shè)計的過程中，發(fā)現(xiàn)自己對以往所學(xué)的知識點都遺忘的差不多，涉及到相關(guān)知識點，也十分的模糊。于是我針對設(shè)計的要求,對以往所學(xué)的專業(yè)知識又認真的進行鞏固和理解。這花費了我不少工夫，經(jīng)過這個教訓(xùn)，讓我深刻體會了“溫故知新”這個成語的含義?？偨Y(jié)一下，我覺得，自己只所以可以這么順利的完成本次畢業(yè)設(shè)計。除了自己的不懈努力外，和老師的精心指導(dǎo)、同學(xué)們的幫助是分不開的。沒有指導(dǎo)老師的悉心指導(dǎo)，那些難題，自己是怎么也攻克不了的；沒有同學(xué)們的幫助，對很多所學(xué)知識點，我也不會有深刻的理解。在此，我要對指導(dǎo)過我的老師，幫助過并一直關(guān)心支持著我的同學(xué)表示深深的謝意。同時，我也要感謝學(xué)校圖書館給我提供的豐富的資料，它們給了我很大的幫助！再次，由衷的感謝你們！

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