交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)前第1頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)

交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1.1設(shè)計(jì)概述1.2設(shè)計(jì)要求1.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.4硬件設(shè)計(jì)1.5軟件設(shè)計(jì)1.6系統(tǒng)仿真及調(diào)試當(dāng)前第2頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)1.1設(shè)計(jì)概述隨著微控技術(shù)的口益完善和發(fā)展，單片機(jī)的應(yīng)用不斷走向深入。它的應(yīng)用必定導(dǎo)致傳統(tǒng)的控制技術(shù)從根本上發(fā)生變革。它在工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集、智能儀表、機(jī)電一體化、家用電器等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，極大地提高了這些領(lǐng)域的技術(shù)水平和自動(dòng)化控制。同時(shí)，伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，私家車、公交車的增加，無疑會(huì)給我國(guó)的道路交通系統(tǒng)帶來沉重的壓力，很多大城市都不同程度地受到交通堵塞問題的困擾。下面以AT89C51單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)出以人性化、智能化為目的的交通燈控制系統(tǒng)。本項(xiàng)目主要從單片機(jī)應(yīng)用上來實(shí)現(xiàn)十字路口交通燈智能化的管理，用來控制過往車輛的正常化運(yùn)作。當(dāng)前第3頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)1.2設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個(gè)模擬交通燈控制系統(tǒng):(1)紅燈和綠燈停留的時(shí)間為一分鐘即60秒鐘，黃燈停留的時(shí)間是5秒鐘;(2)系統(tǒng)包括人行道，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，以及基本的交通燈的功能;(3)系統(tǒng)除基本的交通燈功能外，還具有倒計(jì)時(shí)，時(shí)間設(shè)置，緊急情況處理，分時(shí)段調(diào)整信號(hào)燈的點(diǎn)亮?xí)r間以及根據(jù)具體情況手動(dòng)控制等功能。當(dāng)前第4頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)1.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)交通燈控制系統(tǒng)主要控制A,B兩車道的交通，以AT89C51單片機(jī)為核心芯片，通過控制三色LED燈的亮滅來控制各車道的通行;另外通過4個(gè)按鍵來模擬各車道有無車輛的情況和有緊急車輛的情況。當(dāng)前第5頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)1.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖設(shè)計(jì)基于AT89C51單片機(jī)的交通信號(hào)控制系統(tǒng)由電源電路、單片機(jī)主控電路、按鍵控制電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和數(shù)碼管顯示電路幾部分組成，框圖所示。當(dāng)前第6頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)系統(tǒng)原理單片機(jī)設(shè)計(jì)交通燈控制系統(tǒng)，可用單片機(jī)直接控制信號(hào)燈的狀態(tài)變化，指揮交通的具體通行。當(dāng)然，接入LED數(shù)碼管就可以顯示倒計(jì)時(shí)，以提醒行使者，更具人性化。據(jù)此，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，連接成最小系統(tǒng)，由按鍵設(shè)置模塊等產(chǎn)生輸入，信號(hào)燈狀態(tài)模塊、LED倒計(jì)時(shí)模塊接受輸出。系統(tǒng)的總體框圖如上圖所示。系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)，執(zhí)行交通燈狀態(tài)顯示控制，同時(shí)將倒計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)輸入到LED數(shù)碼管上實(shí)時(shí)顯示。在此過程中還要實(shí)時(shí)檢測(cè)按鍵信號(hào)，以達(dá)到對(duì)異常狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的目的。當(dāng)前第7頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)系統(tǒng)原理(1)單片機(jī)控制模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)將計(jì)算機(jī)的基本部件微型化并集成到一塊芯片上，具有優(yōu)異的性能價(jià)格比，控制功能強(qiáng)，這將使各模塊功能的實(shí)現(xiàn)變得簡(jiǎn)單方便。本系統(tǒng)中，51單片機(jī)的P2口控制數(shù)碼管的段選，P1.4;P1.5;P1.6;P1.7控制位選，P0.0;P0.1;P0.2;P0.3;P0.4;P0.5口控制信號(hào)燈的點(diǎn)亮；P1.0P1.1;P1.2;P1.3口接鍵盤開關(guān)，可設(shè)置適應(yīng)當(dāng)前狀況的通行時(shí)間和暫緩?fù)ㄐ袝r(shí)間。(2)信號(hào)燈顯示模塊：利用發(fā)光二極管代替交通信號(hào)燈，通過單片機(jī)控制使其按要求點(diǎn)亮。(3)倒計(jì)時(shí)顯示模塊：此模塊有兩種方案。第一種是采用數(shù)碼管顯示。該方案實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但只能顯示有限的符號(hào)和數(shù)碼字符。第二種是采用點(diǎn)陣式LED顯示。該方案實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，須完成大量的軟件工作，當(dāng)前第8頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)

但功能強(qiáng)大，可方便的顯示各種英文字符、漢字和圖形。由于本控制系統(tǒng)只需顯示倒計(jì)時(shí)時(shí)間，利用數(shù)碼管即可完成此功能，因此本控制系統(tǒng)中利用2位一體的共陰數(shù)碼管顯示道路兩個(gè)方向的通行時(shí)間和暫緩?fù)ㄐ袝r(shí)間，通過單片機(jī)控制進(jìn)行倒計(jì)時(shí)顯示。(4)鍵盤設(shè)置模塊：在交通道路突發(fā)情況時(shí)，可通過按鍵手動(dòng)設(shè)置通行時(shí)間和暫緩?fù)ㄐ袝r(shí)間，通過單片機(jī)控制進(jìn)行時(shí)間設(shè)置。此模塊有兩種方案：第一種是采用擴(kuò)展I/O口及鍵盤、信號(hào)燈顯示等。該方案使用靈活，可提供較多I/O口，但操作復(fù)雜。另一種是直接在I/O口線上接上按鍵開關(guān)。該方案設(shè)計(jì)精簡(jiǎn)，但提供的I/O口數(shù)量有限。由于本控制系統(tǒng)對(duì)于交通燈及數(shù)碼管的控制只用單片機(jī)本身的I/O口就可實(shí)現(xiàn)，故選擇第二種方案。當(dāng)前第9頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)1.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)通行狀況當(dāng)前第10頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)1.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過具體的路口交通燈狀態(tài)的演示分析我們可以把這四個(gè)狀態(tài)歸納如下：（1）南北方向紅燈滅，同時(shí)綠燈亮，東西方向黃燈滅，同時(shí)紅燈亮，倒計(jì)時(shí)60秒。此狀態(tài)下，東西向禁止通行，南北向允許通行。（2）南北方向綠燈滅，同時(shí)黃燈亮，東西方向紅燈亮，倒計(jì)時(shí)5秒。此狀下，除了已經(jīng)正在通行中的其他所以車輛都需等待狀態(tài)轉(zhuǎn)換。（3）東西方向紅燈滅，同時(shí)綠燈亮，南北方向黃燈滅，同時(shí)紅燈亮，倒計(jì)時(shí)60秒。此狀態(tài)下，東西向允許通行，南北向禁止通行。（4）東西方向綠燈滅，同時(shí)黃燈亮，南北方向紅燈亮，倒計(jì)時(shí)5秒。此狀態(tài)下，除了已經(jīng)正在通行中的其他所以車輛都需等待狀態(tài)轉(zhuǎn)換。當(dāng)前第11頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)1.4硬件設(shè)計(jì)（1）STC89C51芯片（2）晶振電路（3）復(fù)位電路（4）按鍵電路（5）LED燈電路（6）數(shù)碼管顯示電路當(dāng)前第12頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)STC89C51芯片STC89C51是宏晶科技的STC89系列單片機(jī)。STC89系列單片機(jī)也是MCS-51系列單片機(jī)的派生產(chǎn)品，近幾年受到市場(chǎng)的追捧。DIP—40封裝系列與標(biāo)準(zhǔn)80C51完全兼容。STC89系列的ISP功能可通過232接口和PC的串口連接，在線下載程序。它的開發(fā)手段簡(jiǎn)單，無需仿真器。這一特性避開了以往學(xué)習(xí)單片機(jī)時(shí)對(duì)仿真器的依賴，極大的簡(jiǎn)化了學(xué)習(xí)和開發(fā)手段。故本設(shè)計(jì)采用STC89C51單片機(jī)。當(dāng)前第13頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)STC89C51芯片引腳當(dāng)前第14頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)晶振電路首先介紹一下單片機(jī)的晶振電路，即時(shí)鐘電路。單片機(jī)的工作流程，就是在系統(tǒng)時(shí)鐘的作用下，一條一條地執(zhí)行存儲(chǔ)器中的程序。單片機(jī)的時(shí)鐘電路由外接的一只晶振和兩只起振電容，以及單片機(jī)內(nèi)部的時(shí)鐘電路組成，晶振的頻率越高，單片機(jī)處理數(shù)據(jù)的速度越快，系統(tǒng)功耗也會(huì)相應(yīng)增加，穩(wěn)定性也會(huì)下降。單片機(jī)系統(tǒng)常用的晶振頻率有6MHz、11．0592MHz、12MHz、本系統(tǒng)采用12MHz振，電容選30pF。當(dāng)前第15頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)晶振電路當(dāng)前第16頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)復(fù)位電路系統(tǒng)剛上電時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部的程序還沒有開始執(zhí)行，需要一段準(zhǔn)備時(shí)間，也就是復(fù)位時(shí)間。一個(gè)穩(wěn)定的單片機(jī)系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)復(fù)位電路。當(dāng)程序跑飛或死機(jī)時(shí)，也需要進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位。復(fù)位電路有很多種，有上電復(fù)位，手動(dòng)復(fù)位等。當(dāng)前第17頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)按鍵電路本設(shè)計(jì)設(shè)置了有4個(gè)鍵：

（1）、S1鍵設(shè)置按鍵。

（2）、S2鍵為增加時(shí)間按鍵。

（3）、S3鍵為減少時(shí)間按鍵。（4）、S4鍵為模式切換按鍵。當(dāng)前第18頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)按鍵電路南北每次通行時(shí)間設(shè)為60秒、東西每次通行間為60秒，時(shí)間按S1可設(shè)置修改。按S1一次進(jìn)入調(diào)東西通行時(shí)間，再按一次S1進(jìn)入調(diào)南北通行時(shí)間。再按一次S1退出設(shè)定;通行時(shí)間模式，進(jìn)入設(shè)定通行時(shí)間模式后按S2加1，按S3減1。再正常模式下按S4進(jìn)入南北優(yōu)先通行模式，再按一下S4進(jìn)入東西南北禁止通行模式，再按一下S4進(jìn)入夜間模式。再按一下S4進(jìn)入東西優(yōu)先通行模式。在正常模式下按下復(fù)位按鍵，恢復(fù)為正常狀態(tài)。當(dāng)前第19頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)LED燈電路根據(jù)本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，紅綠黃燈的顯示不可少，紅綠黃燈的顯示采用普通的發(fā)光二極管。每個(gè)方向上設(shè)置紅綠黃燈，總共4組。如果東西紅燈亮，那南北方向就是綠燈亮，反之亦然，所以在硬件上連接圖上也是對(duì)稱分布的，在本設(shè)計(jì)中，實(shí)際控制的燈有12個(gè)，即：東西紅燈，東西綠燈，東西黃燈，南北紅燈，南北綠燈，南北黃燈,均是高電平有效，如圖所示。當(dāng)前第20頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)LED燈電路當(dāng)前第21頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)數(shù)碼管顯示電路本系統(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)間最大值開始往下減，每秒鐘減1，最后減到0.然后又從紅燈的設(shè)置時(shí)間最大值往下減，一直見到0，接著顯示黃燈的設(shè)置時(shí)間，一直減到0，然后一直循環(huán)下去。系統(tǒng)共有8個(gè)數(shù)碼管，每2個(gè)分別放置在模擬交通燈上方，道路口剩余通行時(shí)間采用紅色七段共陰數(shù)碼管顯示。本系統(tǒng)中，51單片機(jī)的P1.4;P1.5;P1.6;P1.7控制位選，本系統(tǒng)中，P2口控制數(shù)碼管的段選。當(dāng)前第22頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)

圖1.2基于AT89C51單片機(jī)的交通信號(hào)模擬控制系統(tǒng)電路圖當(dāng)前第23頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)電路工作原理（1）開關(guān)鍵輸入交通燈初始時(shí)間，通過89C51單片機(jī)P1輸入到系統(tǒng)

(2)由89C51單片機(jī)的定時(shí)器每秒鐘通過P0口向數(shù)據(jù)口送信息，由單片機(jī)的P0口顯示紅、綠、黃燈的燃亮情況；由P2口顯示每個(gè)燈的燃亮?xí)r間。

(3)89C51通過設(shè)置各個(gè)信號(hào)等的燃亮?xí)r間，綠、紅時(shí)間為60秒、黃燈為5秒循環(huán)由P0口向數(shù)碼管輸出。（4）通過單片機(jī)的P3.0位來控制系統(tǒng)是工作或設(shè)置初值，當(dāng)為0就對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，為1系統(tǒng)就開始工作。當(dāng)前第24頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)元件清單當(dāng)前第25頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)總體流程圖當(dāng)前第26頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)1.6系統(tǒng)仿真及調(diào)試基于AT89C51單片機(jī)的交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)仿真過程參考附錄C。交通信號(hào)與控制狀態(tài)仿真結(jié)果。單片機(jī)系統(tǒng)的硬件調(diào)試和軟件調(diào)試是不能分開的，許多硬件錯(cuò)誤是在軟件調(diào)試過程中被發(fā)現(xiàn)和糾正的。但通常是先排除明顯的硬件故障以后，再和軟件結(jié)合起來調(diào)試以進(jìn)一步排除故障?？梢娪布恼{(diào)試是基礎(chǔ)，如果硬件調(diào)試不通過，軟件設(shè)計(jì)則無從談起。硬件的調(diào)試主要是把電路各種參數(shù)調(diào)整到符合設(shè)計(jì)要求。先排除硬件電路故障，包括設(shè)計(jì)性錯(cuò)誤和公益性故障。一般原則是先靜態(tài)后動(dòng)態(tài)。當(dāng)前第27頁(yè)\共有35頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)1.6系統(tǒng)仿真及調(diào)試?yán)萌f用表或邏輯測(cè)試儀器，檢查電路中的各器件以及引腳是否連接正確，是否有短路故障。先要將單片機(jī)AT89S51芯片取下，對(duì)電路板進(jìn)行通電檢查，通過觀察看是否有異常，然后用萬用表測(cè)試各電源電壓，這些都沒有問題后，接上仿真機(jī)進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試觀察各接口線路是否正常。單片機(jī)AT89S51是系統(tǒng)的核心，利用萬用表檢測(cè)單片機(jī)電源Vcc是否為(40腳)+5V、晶振是否正常工作(可用示波器測(cè)試，也可以用萬用表檢測(cè)，兩引腳電壓一般為1.8~2.3V)、復(fù)位引腳RST(復(fù)位時(shí)為高電平，單片機(jī)工作時(shí)為低電平)、EA是否為+5V(高電平)，這樣一來單片機(jī)就能工作了，再結(jié)合電路圖