智能交通燈的設計方案

1 智能交通燈的設計方案 一 方案的設計 （一）方案的設計與論證 本設計以單片機為核心，以 碼管作為倒計時指示，根據(jù) 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(xiàn)實時顯示系統(tǒng)各種狀態(tài)，系統(tǒng)還增設了根據(jù)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(tǒng)總體設計框圖如圖所示。 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。本次設計考慮了兩種電源方案： 方案一：采用獨立的穩(wěn)壓電源。此方案的優(yōu)點是穩(wěn)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(tǒng)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(yōu)點是系統(tǒng)簡明扼要，節(jié)約成本；缺點是輸出功率不高。 綜上所述，選擇第二種方案。 單 片 機 電源電路 時鐘電路 復位電路 數(shù)碼管顯示電路 號燈控制電路 按鍵電路 2 （三） 顯示界面方案 該系統(tǒng)要求完成倒計時功能?；谏鲜鲈?，本次設計考慮了兩種方案： 方案一：完全采用點陣式 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(xiàn)復雜，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)點是實現(xiàn)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(shù)碼字符。根據(jù)本設計的要求，方案二已經(jīng)滿足了要求，所以本次設計采用方案二以實現(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 擴展 I/O 口 、 鍵盤 及 顯示等。該方案的優(yōu)點是使用靈活可編程，并且有 計數(shù)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(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 對交通燈及數(shù)碼管的控制，只 需 用單片機本身的 I/O 口就可實現(xiàn)，且本身的計數(shù)器及 經(jīng)夠用，故 選擇 方案二。 （四） 交通燈運行狀態(tài) 3 （五） 功能介紹 1. 由單片機、按鍵、發(fā)光二極管、共陽數(shù)碼管、三極管設計而成。 2. 按鍵說明：設置鍵、加鍵、減鍵、緊急模式鍵，單獨一個按鍵為復位按鍵。 3. 4. 可以設置東西、南北的倒計時時間。 5. 緊急模式 :當消防車、救護車等特殊車輛通行時按下；緊急模式鍵：全部亮紅燈，待緊急車輛通過后，再恢復后再退出。 6. 夜間模式： 4 個方向黃燈閃爍。 7. 可以按 鍵設置交通燈東西、南北的倒計時時間，第一次按設置鍵是設置東西方向的時間，第二次按設置鍵是設置南北方向的時間，再按加減鍵就可以設置對應的時間。 8. 設定的參數(shù)具有掉電保存，保存在 片機的內部，上電無需重新設置。 9. 東西和南北方向各有兩個數(shù)碼管分別顯示時間、東西和南北的時間相差 5秒，這 5 秒為黃燈閃爍的時間。 10. 當有特殊情況時，可以按緊急模式進行調整。 11. 第一次按緊急鍵 4 個方向全部亮紅燈（禁止通行） 12. 第 2 次東西南北 4 個方向黃燈閃爍 (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，有交通事故的時候） 16. 可以實現(xiàn)特種車輛優(yōu)先通行或交通事故應急處理。 二 系統(tǒng)硬件設計 硬件設計是整個系統(tǒng)的基礎，要考慮的方方面面很多，除了實現(xiàn)交通燈基本功能以外，主要還要考慮如下幾個因素： 系統(tǒng)穩(wěn)定度； 器件的通用性或易選購性； 4 軟件編程的易實現(xiàn)性； 系統(tǒng)其它功能及性能指標；因此硬件設計至關重要?，F(xiàn)從各功能模塊的實現(xiàn)逐個進行分析探討。 （一）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(tǒng)、 鍵盤及狀態(tài)顯示、 倒計時 模塊等。 單片機作為整個硬件系統(tǒng)的核心，它既是協(xié)調整機工作的控制器，又是數(shù)據(jù)處理器。它由單片機 振蕩 電路、復位電路等組成。 系統(tǒng)采用雙數(shù)碼管倒計時計數(shù)功能，最大顯示數(shù)字 99。 友好的人機界面、靈活的控制方式、優(yōu)化的物理結構是本設計的亮點。 （二） 單片機的基本結構 片機是一款低功耗、低電壓、高性能 單片機，片內含 8經(jīng)受 1000 次擦寫周期）的 編程可反復擦寫的只讀程序存儲器（ 器件采用 藝和 司的高密度，非易失性存 儲器（ 術制造，其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與 容，片內的 儲器允許在系統(tǒng)內可改編程序或用常規(guī)的非易失性存儲編程器來編程。因此， 一種功能強，靈活性高且價格合理的單片機，可方便的應用在各個控制領域 1。 有以下主要性能 ： 改編程序 儲器； ： 0 24 節(jié)內部 外部雙向輸入，輸出（ I、 O）口； 引腳說明如圖 2 源電壓。 5 圖 2 單片機引腳圖 圖 2 單片機引腳圖 （三）單片機外圍電路設計 1 復位電路設計 復位輸入引腳 供了初始化的手段，可以使程序從指定處開始執(zhí)行，在 時鐘電路工作后，只要 腳上出現(xiàn)超過兩個機器周期以上的高電平時，即可產(chǎn)生復位的操作，只要 持高電平，則 環(huán)復位，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)采用按鍵復位方式的復位電路。 6 圖 3 復位電路圖 2 時鐘電路設計 時鐘可以由兩種方式產(chǎn)生，一種是內部方式，利用芯片內部的振蕩電路；另外一種為外部方式，本論文根據(jù)實際需要和簡便，采用內部振蕩方式，部有一個用于構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，這個放大器與作為反饋元件的片外晶體或陶瓷諧振器一起構成了一個自激振蕩器。 然有內部振蕩電路，但要形成時鐘，必須外接元件，所以實際構成的振蕩時鐘電路，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，對接電容的值雖然沒有嚴格的要求，但電容的大小會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)用到定時器，為了方便計算，采用了 12晶振，采用電容選擇 30 7 圖 4 時鐘電路圖 3 顯示模塊電路設計 該模塊由共陽 碼管組成，利用數(shù)碼管的動態(tài)掃描原理，由三極管進行鎖存，當控制數(shù)碼管的 低電平時（及三極管基極為低電平），則三極管導通， 三極管給數(shù)碼管供電，則數(shù)碼管被點亮，利用數(shù)碼管點亮的余輝和人眼的視覺暫留原理，則看起來數(shù)碼管是同時被點亮的。 8 圖 5 顯示電路圖 從設計完成的任務與要求來看，顯示通行時間必須用二位數(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，對于 7 段數(shù)碼管，占用 7 個單片機的 I/外設置 2 個電子開關對 2 位顯示進行配合，占用 2 個 I/O 端口，十字路口共需 4 組紅綠燈，加上轉換黃燈，一共是 12 只燈，須用 12 個端口進行控制，加上兩個方向的緊急通行按鈕，占 2 個 I/O 端口和一個蜂鳴器端口，因此 實際占用的單片機 I/O 口為 24 個，為此，我們可以選用 51 系列單片機中的 作為中央處理器。這款單片機的 I/O 口作為輸出時，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，這樣由單片機的 I/O 口就可以直接驅動，能簡化硬件電路的設計。 4 單片機的硬件調試 第一步為目測，單片機應用系統(tǒng)電路全部手工焊接在洞洞板上，因此對每一個焊點都要進行仔細的檢查。檢查它是否有虛焊、是否有毛剌等。 9 第二步為萬用表測試，先用萬用表復核目測中認為可疑的連線或接點，查看它們的通斷狀態(tài)是否與設計規(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。當系統(tǒng)加電時，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)機檢查。 在對硬件電路調試過程中，還遇到了不少問題，第一次把所有的元件都焊上去后，都準備調試了，才發(fā)現(xiàn)正負電源的插針離得太近了，不容易接電源，本不該犯的錯誤，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”，來不得半點的馬虎，否則浪費了時間和精力 三 交通信號燈控制系統(tǒng)的設計 交通信號燈 由紅燈、綠燈、黃燈組成。紅燈表示禁止通行，綠燈表示準許通行，黃燈表示警示。交通信號燈分為機動車信號燈、非機動車信號燈、人行橫道信號燈、車道信號燈、方向指示信號燈、閃光警告信號燈、道路與鐵路平面交叉道口信號燈。交通信號燈用于道路平面交叉路口，通過對車輛、行人發(fā)出行進或停止的指令，使各同時到達的人、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。 因此必須合理的設計路口主干道的系統(tǒng) 。 （一） 十字路口交通信號燈具體的控制要求 (1) 交通信號燈分布于東南西北，每個路口均有三個。南北方向綠 燈和東西方向的綠燈不能同時亮；如果同時亮，則應自動立即關閉信號燈系統(tǒng)，并立即發(fā)出報警信號。系統(tǒng)工作后，首先南北紅燈亮并維持 30s；與此同時，東西綠燈亮，并維持 25s 時間，到 25s 時，東西綠燈熄滅。在東西綠燈熄滅時，東西黃燈亮并維持 5s，然后東西黃燈熄滅，東西紅燈亮，同時南北紅燈熄滅，南北綠燈亮；東西紅燈亮并維持 30s；與此同時，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，南北黃燈亮維持 5s 后熄滅；同時南北紅燈亮，東西綠燈亮。至此，結束一個工作循環(huán) ,如下交通信號燈變化表： (2)在交通信號燈亮和閃爍的同時，路口設有兩位七段碼的顯示器倒數(shù)計時，讓車輛行人能夠清楚地知道再過多久信號燈就會發(fā)生變化。以便于司機和行人能夠在有限的時間內準確的通行。 （二）十字路口交通信號燈示意圖 交通信號燈共有 12 盞，每個路口各有紅，黃，綠三盞，具體分布如下圖所示： 交通信號燈變化表 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 交通信號燈控制系統(tǒng)程序編制 （一） 軟件設計流程 軟件總體設計主要完成各部分的軟件控制和協(xié)調。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)，同時對 鍵盤進行掃描，等待外部中斷，以及根據(jù)所需要的功能進行相應的操作。 交通燈根據(jù)其顯示情況可以分為四個狀態(tài)，可以通過定時來控制每個狀態(tài)的時間；通過定時也可以向 碼管中每隔 1 秒送一個數(shù)，顯示該狀態(tài)剩余的時間。其流程圖如圖所示。 圖 4主程序框圖 （二）交通燈定時器模塊 片機內部有 3 個定時器 次設計中使用 作在方式 1，即 16 位定時器，定時 5020 次中斷產(chǎn)生秒信號，從而控制紅綠燈的點亮時間。 設置定時，顯示初始化 南北綠燈亮，東西紅燈亮，延時 南北黃燈閃爍，東西紅燈亮，延時 南北紅燈亮，東西綠燈亮，延時 南北紅燈亮，東西黃燈閃爍，延時 開 始 12 工作方式寄存器 來設置 工作方式。這次實習中設置 作于方式 0（ 16 位定時器）。 內部定時器 /計數(shù)器用作定時器時，是對機器周期計數(shù)，每個機器周期的長度是12 個振蕩周期。定時常數(shù)的設置可用一下方式計算： 機器周期 =12/12 65536*0以定時常數(shù)是 50000。 五 結論 本 論文介 紹了一種基于 片機的交通燈的設計方法，本論文完成了系統(tǒng)的硬件設計與制作，詳細介紹了系統(tǒng)硬件設計的過程，并結合軟件系統(tǒng)完成了整個系統(tǒng)的軟、硬件聯(lián)調，系統(tǒng)工作良好，實現(xiàn)了基本功能。 通過本次設計，鞏固了我學習過的專業(yè)知識，也使我把理論與實踐從真正意義上相結合了起來，鍛煉了借助互聯(lián)網(wǎng)絡搜集、查閱相關文獻資料和組織材料的綜合能力，從中我也認識到自己的不足之處，我會在日后的學習中加以改進與提高。 經(jīng)過這次課程設計，我在各方面都有很大的提高。學到了很多不曾學過的東西，也使我學會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。在設計過程中也遇到很多的困難，遇到一些原理性不懂的時候就要去有針對性地查找資料或者請教知道老師和其他同學，然后加以吸收利用，提高了自己的應用能力，擴充了自己的知識儲備，同時提高了動手能力。 13 參考文獻 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 范風強，蘭嬋麗 51 應用實戰(zhàn)集錦 M， 2001. 7 顧曙敏 接口設計 J2003，26(14)858 孫曉燕 051 單片機的交通燈控制系統(tǒng)設計與模擬 J2007 年 03 期 . 9 陳毅，許飛，王學飛 J009 年第 15 期 . 14 附件一：總體原理圖 附件二：源程序代碼 # /調用單片機頭文件 # /宏定義 替 # /宏定義 來定義無符號整型數(shù)。 #=0,0 /斷碼 = 0 4; /顯示數(shù)碼管 的個位數(shù) /數(shù)碼管位選定義 ; /數(shù)碼管位選定義 15 ; ; ; 0; /東西 南北 倒計時變量 = ; /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)時間 0; /東西南北模式 i; , 20; /東西、南北的時間 /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)保存到單片機內部 */ 16 /*把數(shù)據(jù)從單片機內部 讀出來 */ = /*開機自檢 始化 */ /開機自檢 始化 ; /先讀 if(= 1) /新的單片機初始單片機內問 1; 30; 20; /東西、南北的時間 ; /保存數(shù)據(jù)