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基于单片机的交通灯控制器的设计与实现_电子信息工程毕业论文

发布时间:2015-03-16 来源:人大经济论坛
基于单片机的交通灯控制器的设计与实现_电子信息工程毕业论文 摘要:近年来随着科技的飞速发展,单片机的应用正在不断深入,同时带动传统控制检测技术日益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中,单片机往往作为一个核心部件来使用,仅单片机方面知识是不够的,还应根据具体硬件结构软硬件结合,加以完善。十字路口车辆穿梭,行人熙攘,车行车道,人行人道,有条不紊。那么靠什么来实现这井然秩序呢?靠的就是交通信号灯的自动指挥系统。交通信号灯控制方式很多。本系统采用本设计采用74190芯片倒计时控制,每个方向用两片相连实现,另外用74153芯片,因为分析中设置的时间末位均为5,所以只要用一片74153对高位置位,将低位的初值预置锁定为5,而高位则根据需要由反馈部分提供预置值。绿灯时间可检测车流量并可通过双位数码管显示。本系统实用性强、操作简单、扩展功能强。 关键词:单片机,交通灯,车流量 Microcontroller-basedtrafficlightcontrollerdesignandimplementationof Abstract:Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnologyinrecentyears,SCMapplicationsaredeepeningatthesametimepromotethegrowingoftraditionalcontroldetectiontechnologyupdates.Inreal-timedetectionandautomaticcontrolofthemicrocomputerapplicationsystem,themicrocontrollerisoftenusedasacorecomponent,onlythemicrocontrollerisnotenoughknowledge,butalsobasedonspecifichardwarestructureofhardwareandsoftwarecombinationtobeimproved.Crossroadsshuttlevehicles,pedestriansbustling,cardealersdriveway,peoplewalkways,methodical.Thenrelyontoachievethisdisciplineoftheorderofit?Isthetrafficlightsbytheautomaticcontrolsystem.Trafficsignalcontrolmanyways.Thesystemusesthisdesignusesa74190chipcountdowncontrolineachdirection,connectedwiththetworealized,alsousedthe74153chip,becausethetimesetBottomoftheanalysisarefive,soaslongas74,153pairsofhighpositionwithabitofthelowinitialpre-lockedto5,whilethehighisprovidedasneededbythefeedbackpartofthepresetvalues.Greentimeoftrafficflowcanbedetectedbyadouble-digitLEDdisplay.Thesystempractical,simple,extendingstrongfunction. Keywords:microcontroller,trafficlights,Trafficflow 1绪论 今天,红绿灯安装在各个道口上,已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段。但这一技术在19世纪就已出现了。 1858年,在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红,蓝两色的机械扳手式信号灯,用以指挥马车通行。这是世界上最早的交通信号灯。1868年,英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上,安装了世界上最早的煤气红绿灯。它由红绿两块以旋转式方形玻璃提灯组成,红色表示“停止”,绿色表示“注意”。1869年1月2日,煤气灯爆炸,使警察受伤,遂被取消。 1914年,电气启动的红绿灯出现在美国。这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成,安装在纽约市5号大街的一座高塔上。红灯亮表示“停止”,绿灯亮表示“通行”。 1918年,又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。带控制的红绿灯,一种是把压力探测器安在地下,当车辆接近时,红灯便变为绿灯;另一种是用扩音器来启动红绿灯,司机遇红灯时按一下喇叭,就使红灯变为绿灯。红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时,它就能察觉到有人要过马路。红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间,推迟汽车放行,以免发生交通事故。 中国车辆数量不断增加,交通控制在未来的交通管理中起着越来越重要的作用。智能交通灯的管理比重修一条马路无论在经济、交通运行速率上都有很好的效益、更加节约资源。使交管人员有更多的精力投入到管理整个城市交通控制,带来更大的经济和社会效益,为创造美好的城市交通形象发挥更多的作用 2交通管理方案论证 2.1设计任务东西 (A)、南北(B)两干道交于一个十字路口,各干道有一组红、左转绿、绿三个指示灯,指挥车辆和行人安全通行。红灯亮禁止通行,绿灯亮允许通行。红灯的设计时间为40秒,绿灯及左转绿灯各为20秒。设A道和B道的车流量相同。 2.2方案介绍 整个交通灯控制由四个状态组成,可以用程序设计实现,也可用时序逻辑实现.以下方案就是分别用了这两种方法。 方案1 设计思想:采用分模块设计的思想,程序设计实现的基本思想是一个计数器,选择一个单片机,其内部为一个计数,是十六进制计数器,模块化后,通过设置或程序清除来实现状态的转换,由于每一个模块的计数都不是相同,这里的各模块是以预置数和计数器计数共同来实现的,所以要考虑增加一个置数模块,其主要功能细分为,对不同的状态输入要产生相应状态的下一个状态的预置数,如图中A道和B道,分别为次干道的置数选择和主干道的置数选择。以主干道为例,简述其设计思想。如前分析,已经确定该系统有四个状态,而置数子模块可定要将下一状态的预置数准备好,所以很容易得到主干道的置数表 表1主干道的置数表 由该表,就可以通过程序循环的方法设计该模块,主要思想是通过数据判断指令、跳转指令实现,由主控制器计时和中断产生的四个状态去译码,从而得到不同的输出,即预置数,由上分析可用一个计数器和跳转指令去完成的预置数。 而红绿灯的显示也是一样,由状态分析可以得出红绿灯的变化表: 表2红绿灯的变化表 通过这张表就可以用组合电路实现该功能了,可以用数据选择器的思想,在本系统中,直接通过门电路的译码,接下来就是计数模块了,其主要的功能细分为,要从预置数开始递减计数,一个状态结束,通过判断,通知主控制模块,使之进入下一模块。还有一个必须考虑到的就是,预置数必须在下一个状态来之前准备好,而红绿灯的状态变化,必须和计数状态同步,于是引起预置数变化的程序要超前于系统本身的状态变化,所以,系统中的两个状态转换时,在上一状态结束时设置预置数,而控制红绿灯的是随着系统本身状态的变化而变化,体现在本子电路中就是有两组电路去判断符合的状态。 方案2 本方案分三步: (1)要建立三路信号灯的控制系统,本设计采用7408芯片通过组合逻辑控制三路灯的显示关系。 (2)建立显示控制系统,本设计采用74190芯片倒计时控制,每个方向用两片相连实现,另外用74153芯片,因为分析中设置的时间末位均为5,所以只要用一片74153对高位置位,将低位的初值预置锁定 表3红绿灯的变化表 (3)而高位则根据需要由反馈部分提供预置值。 (4)建立反馈和细节连接部分,本部分主要解决显示和灯控的同步问题本系统采用倒计时系统减为0,如当系统减为0时通过两个D触发器得到两个变量,即为开头分析中的状态,通过它的变化得到不同的逻辑关系,驱动74153控制哪组灯亮(对应关系如表所示),另外他还要同步反馈到显示系统的置数环节。 注意:本实验中若采用更复杂的四片74190控制主干道的两组灯,再用八片74153分别对74190置数可实现任意数值的交通灯系统。另外对7408片子的控制红灯的端口用一个与门将一端再接一个频率一定的方波,使一边为黄灯时,另一边的红灯在闪烁。 方案比较: 方案1(以下称1)用了模块设计,而方案2(以下称2)采用的是一般设计,相比之下1有较强的可读性和较强的可修改性,而2则在设计上显得较简单,设计纯朴,便于测试,它的优势则在于提供了一条较为便捷的解决方案。2首先将许多逻辑关系简化到极点,而后将其一起集成用较少的芯片去完成所需功能。 我们从中可以得出的是,我们最终的设计应该尽量使用模块化设计。对工程设计人员来说,将来的产品无论从修改还是升级考虑对有好处,但另外我们又需将设计简单化,因此我觉得在设计初期尽可能的简单化设计,而一旦设计的各项测试通过了,在有可能的条件下将设计模块化,所以本设计以第一方案为主进行。 3交通灯系统硬件设计 3.1单片机概述 单片机是由运算器、控制器、存储器、输入设备以及输出设备共五个基本部分组成的。单片机是把包括运算器、控制器、少量的存储器、最基本的输入输出口电路、串行口电路、中断和定时电路等都集成在一个尺寸有限的芯片上。 通常,单片机由单个集成电路芯片构成,内部包含有计算机的基本功能部件:中央处理器、存储器和I/O接口电路等。因此,单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合,便可成为一个单片机控制系统。 单片机经过1、2、3、4代的发展,目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展,它们的CPU功能在增强,内部资源在增多,引脚的多功能化,以及低电压、低功耗。 目前单片机渗透到我们生活的各个领域,几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置,飞机上各种仪表的控制,计算机的网络通讯与数据传输,工业自动化过程的实时控制和数据处理,广泛使用的各种智能IC卡,民用豪华轿车的安全保障系统,录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制,以及程控玩具、电子宠物等等,这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。它主要是作为控制部分的核心部件。因此,单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。 3.2系统构成 电路板一块,AT89S51单片机一片,74HC164芯片八片,七段数码管八个。74LS04反向器一片,发光二极管13个(8个绿的,4个红的用于交通控制,1个用于标识电源),7805三端稳压电源一个,一个按键,一条数据下载线。 系统工作流程(图1) (1)程序设置初始时间,通过AT89S51单片机内部相应寄存器来实现。 (2)由AT89S51单片机的定时器每秒钟通过P3.0口向74HC164的数据端口送信息,由74HC164的输出口显示红、绿、黄灯的燃亮时间情况;由AT89S51的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口显示每个灯的燃亮情况。 (3)AT89S51通过程序设置各个信号灯的燃亮时间,通过程序设置左转绿、绿、红时间依次为20秒、20秒、40秒循环,由AT89S51的P3口向74HC164的数据口输出。 (4)通过AT89S51单片机的P3口来控制系统是工作。 (5)74HC164的A、B口用于串行输出时间位,经过串并转换送到七段数码管的八的引脚。而P1口用于输出控制信号.而通过74LS04反向器实现控制各个灯的情况.它采用5V的直流电来驱动二极管。 (6)AT89S51本身集成了看门狗指令,当系统出现异常看门狗将发出溢出中断。通过专用端口输出,引起RESET复位信号复位系统。 3.3芯片选择与介绍 3.3.1AT89S51芯片 选用的AT89S51与同系列的AT89C51在功能上有明显的提高,最突出是的可以实现在线的编程。用于实现系统的总的控制。其主要功能列举如下: (1)为一般控制应用的8位单片机 (2)晶片内部具有时钟振荡器 (3)内部程式存储器(ROM)为4KB 600)makesmallpic(this,600,1800);' onload='if(this.width>600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-2820.png" width="536" height="469" /> 图1 (4)内部数据存储器(RAM)为128B (5)外部程序存储器可扩充至64KB (6)外部数据存储器可扩充至64KB (7)32条双向输入输出线,且每条均可以单独做I/O的控制 (8)5个中断向量源 (9)2组独立的16位定时器 (10)1个全双工串行通信端口 (11)8751及8752单芯片具有数据保密的功能 3.3.274HC164芯片介绍 74HC164为串行输入、并行输出移位寄存器,74HC164为单向总线驱动器。 在串行口为方式0状态,即工作在移位寄存器方式,波特率为振荡频率的十二分之一。器件执行任何一条将SBUF作为目的寄存器的命令时,数据便开始从RXD端发送。在写信号有效时,相隔一个机器周期后发送控制端SEND有效,即允许RXD发送数据,同时,允许从TXD端输出移位脉冲。第一帧(8位)数据发送完毕时,各控制信号均恢复原状态,只有TI保持高电平,呈中断申请状态。第一个74HC164把第一帧数据并行输出,LED1显示该数据。然后,用软件将TI清0,发送第二帧数据。第二帧数据发送完毕,LED1显示第二帧数据,第一帧数据串行输入给第二个74HC164,LED2显示第一帧数据。依此类推,直到把数据区内所有数据发送出去。应该注意,数据全部发送完后,第一帧数据在最后一个LED显示。由于TXD端最多可以驱动8个TTL门。 3.3.374LS04输出信号与信号灯 要使行人能看见信号灯的情况,必须把P1口输出的信号进行放大,这里我们用74LS04反向器,当极性为高电平时晶闸管导通,该支路指示灯亮;当极性为低电平时关断,该支路指示灯灭。 LED灯的显示原理:通过同名管脚上所加电平的高低来控制发光二极管是否点亮。 74LS04(6反向器)主要对信号起了反向作用。 7805的功能,提供稳定的+5V电压。 4交通灯软件设计 4.1程序设计流程图 4.2延时的设定 延时方法可以有两种一种是利用AT89S51内部定时器的溢出中断来确定1秒的时间,另一种是采用软件延时的方法。 4.2.1计数器初值计算 我们采用在主程序中设定一个初值为20的软件计数器和使T1定时50毫秒.这样每当T1到50毫秒时CPU就响应它的溢出中断请求,进入他的中断服务子程序。在中断服务子程序中,CPU先使软件计数器减1,然后判断它是否为零。为0表示1秒已到可以返回到输出时间显示程序。 4.2.2相应程序代码 (1)定时器的设置 定时器需定时50毫秒。 START:MOVTMOD,#10H;令TO为定时器方式1 MOVTH0,#3CH;装入定时器初值 MOVTL0,#0BOH SETBEA ;打开总中断 SETBET1 ;开T1中断 SETBER ;启动T1计数器 CLRFLAG1 CLRFLAG2
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