畢業設計---單片機交通控制燈的設計與實現(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 對整個交通線路車輛的多少實時調整和轉移多條線路的分流也十分必要。交通網絡是 城市的動脈，象征著一個城市的工業文明水平。交通關系著人們對于財產，安全和時間相關的利益。具有優良科學的交通控制技術對資源物流和人們出行都是十分有價值的，保證交通線路的暢通安全，才能保證出行舒暢，物流準時到位，甚至是生命通道的延伸。 單片機 的發展 趨勢 現在可以說單片機是百花齊放，百家爭鳴的時期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的單片機，從 8 位、 16 位到 32 位，數不勝數，應有盡有，有與主流 C51 系列兼容的，也有不兼容的，但它們各具特色，互成互補，為單片機的應用提供廣闊的天地。縱觀單片機的發展過程，可以 預示單片機的發展趨勢，大致有： (1) 低功耗 CMOS 化 MCS51 系列的 8031 推出時的功耗達 630mW，而現在的單片機普遍都在 100mW左右，隨著對單片機功耗要求越來越低，現在的各個單片機制造商基本都采用了 CMOS(互補金屬氧化物半導體工藝 )。象 80C51 就采用了 HMOS(即高密度金屬氧化物半導體工藝 )和CHMOS(互補高密度金屬氧化物半導體工藝 )。 CMOS 雖然功耗較低，但由于其物理特征決定其工作速度不夠高，而 CHMOS 則具備了高速和低功耗的特點，這些特征，更適合于在要求低功耗象電池供電的應用場合。所 以這種工藝將是今后一段時期單片機發展的主要途徑 。 (2) 微型單片化 現在常規的單片機普遍都是將中央處理器 (CPU)、隨機存取數據存儲 (RAM)、只讀程序存儲器 (ROM)、并行和串行通信接口，中斷系統、定時電路、時鐘電路集成在一塊單一的芯片上，增強型的單片機集成了如 A/D 轉換器、 PMW(脈寬調制電路 )、 WDT(看門狗 )、有些單片機將 LCD(液晶 )驅動電路都集成在單一的芯片上，這樣單片機包含的單元電路就更多，功能就越強大。甚至單片機廠商還可以根據用戶的要求量身定做，制造出具有自己特色的單片機芯片。此外，現在的 產品普遍要求體積小、重量輕，這就要求單片機除了功安徽工程大學畢業設計（論文） 3 能強和功耗低外，還要求其體積要小。現在的許多單片機都具有多種封裝形式，其中SMD(表面封裝 )越來越受歡迎，使得由單片機構成的系統正朝微型化方向發展 。 (3) 主流與多品種共存 現在雖然單片機的品種繁多，各具特色，但仍以 80C51 為核心的單片機占主流，兼容其結構和指令系統的有 PHILIPS 公司的產品， ATMEL 公司的產品和中國臺灣的 Winbond列單片機。所以 C8051 為核心的單片機占據了半壁江山。而 Microchip 公司的 PIC 精簡指令集 (RISC)也有著強勁 的發展勢頭，中國臺灣的 HOLTEK 公司近年的單片機產量與日俱增，與其低價質優的優勢，占據一定的市場分額。此外還有 MOTOROLA 公司的產品，日本幾大公司的專用單片機。在一定的時期內，這種情形將得以延續，將不存在某個單片機一統天下的壟斷局面，走的是依存互補，相輔相成、共同發展的道路 。目前單片機滲透到我們生活的各個領域，幾乎很難找到哪個領域沒有單片機的蹤跡。導彈的導航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網絡通訊與數據傳輸，工業自動化過程的實時控制和數據處理，廣泛使用的各種智能 IC 卡，民用豪華轎車的安全保障系統， 錄象機、攝象機、全自動洗衣機的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。更不用說自動控制領域的機器人、智能儀表、醫療器械了。因此，單片機的學習、開發與應用將造就一批計算機應用與智能化控制的科學家、工程師。單片機廣泛應用于儀器儀表、家用電器、醫用設備、航空航天、專用設備的智能化管理及過程控制等領域，大致可分如下幾個范疇： (1) 在智能儀器儀表上的應用 單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優點，廣泛應用于儀器儀表中，結合不同類型的傳感器，可實現諸如電壓、功率、頻率、濕 度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。采用單片機控制使得儀器儀表數字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數字電路更加強大。例如精密的測量設備（功率計，示波器，各種分析儀）。 (2) 在工業控制中的應用 用單片機可以構成形式多樣的控制系統、數據采集系統。例如工廠流水線的智能化管理，電梯智能化控制、各種報警系統，與計算機聯網構成二級控制系統等。 (3) 在家用電器中的應用 可以這樣說，現在的家用電器基本上都采用了單片機控制，從電飯褒、洗衣機、電冰箱、空調機、彩電、其他音響視 頻器材、再到電子秤量設備，五花八門，無所不在。 (4) 在計算機網絡和通信領域中的應用 袁建明：單片機交通控制燈的設計與實現 4 現代的單片機普遍具備通信接口，可以很方便地與計算機進行數據通信，為在計算機網絡和通信設備間的應用提供了極好的物質條件，現在的通信設備基本上都實現了單片機智能控制，從手機，電話機、小型程控交換機、樓宇自動通信呼叫系統、列車無線通信、再到日常工作中隨處可見的移動電話，集群移動通信，無線電對講機等。 (5) 單片機在醫用設備領域中的應用 單片機在醫用設備中的用途亦相當廣泛，例如醫用呼吸機，各種分析儀，監護儀，超聲診斷設備及病床 呼叫系統等等。此外，單片機在工商，金融，科研、教育，國防航空航天等領域都有著十分廣泛的用途。 安徽工程大學畢業設計（論文） 5 論文的主要內容 基于整個交通控制系統的發展情況，本設計主要進行如下方面的研究：用智能，集成，且功能強大的單片機芯片為控制中心，設計出一套十字路口的交通控制系統，以指揮該路口的實時通行狀態。本設計主要做了如下幾方面的工作： (1) 是確定系統交通控制的總體設計，包括，十字路口具體的通行禁行方案設計以及系統應擁有的各項功能，在這里，本設計除了有信號燈狀態控制能實現基本的交通功能，還增加了倒計時顯示提示 ， 詳 細功能為： 在白天正常東西方向和南北方向通車，通車時間均為 45 秒。正常通車情況下，可以對通車的時間進行倒計時計數，并通過顯示器顯示出來。如果遇到特殊情況，在處理特殊事件時，可使整個十字路口禁止通車。強制東西通行，適用某些需要只進行東西通車的情況。強制南北通行，適用某些需要只進行南北通車的情況。 在夜間車流量較少的情況下， 正常東西方向和南北方向通車，通車時間均為 10秒， 相對與白天通行模式，車輛等待時間減少，提高了通行效率 。 (2) 是進行智能傳感器的硬件電路，顯示電路等的設計對各器件的選擇及連接，大體分配各個器件 及模塊的基本功能要求。 (3) 是進行軟件系統設計，對本系統，本人采用單片機匯編語言編寫，對單片機內部結構和工作情況做了充足的研究，了解定時器，中斷以及延時原理，總體上完成了軟件的編寫 。 袁建明：單片機交通控制燈的設計與實現 6 第 2 章 系統的方案設計 本系統是一個針對十字路口設計的交通信號燈控制。通過利用單片機 AT89C51 控制LED 燈和數碼管的顯示，模擬現實生活中的交通燈工作情景。用數碼管來顯示倒計時時間，每個方向都有紅燈、黃燈、綠燈各一組，指揮車輛和行人安全通行。紅燈亮時禁止行人和車輛通行，當綠燈亮才允許行人和車輛通行。當倒計時完成時， 此時綠燈開始閃爍用來提示行人和車輛紅綠燈的狀態即將切換，注意通行。 交通燈的控制可以分為自動控制和人工控制兩種方式：正常啟動的情況下，交通燈處于自動控制方式，此時東西方向和南北方向的交通燈輪流導通；遇到特殊情況，可以通過人工控制來啟動緊急按鈕，然后通過按鍵強制南北方向或強制東西方向交通導通的來改變交通，在夜間，車流量相對減小，這時候我們可以啟動夜間模式，把時間紅綠燈轉換的時間縮短，這樣就可以減小車輛夜間在路口等候的時間，最大程度的利用路口的資源。 系統的正常模式 在正常通電后，系統處于正常模式，此時 南北方向交通燈首先導通，東西方向禁止通行，情況如下所示 : (1) 首先是南北方向交通導通，東西方向交通停止，此時南面 LED1 為綠燈、東面 LED2為紅燈、北面 LED3 為綠燈、西面 LED4 為紅燈，四個方向的數碼管都從 45 秒開始倒計時，每隔 1 秒減 1； (2) 當倒計時完成時，南北方向的綠燈 (LED1 和 LED3)開始閃爍，閃爍時間為 1S，閃爍間隔設置為 秒； (3) 當閃爍結束之后，東西方向交通導通，南北方向的交通停止，此時南面 LED1 為紅燈、東面 LED2 為綠燈、北面 LED3 為紅燈、西面 LED4 為綠燈，各個方向 的數碼管重新開始從 45 秒倒計時，每隔 1 秒減 1； (4) 當倒計時完成后，東西方向綠燈 (LED2 和 LED4)開始閃爍，閃爍時間為 1S，閃爍間隔設置為 秒； (5) 當閃爍結束后，再次執行步驟 1 的操作。 其控制流程如下： 安徽工程大學畢業設計（論文） 7 開 始參 數 初 始 化東 西 放 下 紅 燈 亮 ， 南 北 方 向 綠 燈 亮數 碼 管 4 5 秒 倒 計 時南 北 方 向 綠 燈 最 后 1 秒 閃 爍南 北 放 下 紅 燈 亮 ， 東 西 方 向 綠 燈 亮數 碼 管 4 5 秒 倒 計 時東 西 方 向 綠 燈 最 后 1 秒 閃 爍夜 間 模 式夜 間 模 式正 常 模 式正 常 模 式N oN oY e sY e s 圖 21 系統的正常模式 系統的緊急模式 由于十字路口的車流量、人流量往往較大，在這樣的情況下，往往會發生一些突發事件，此時我們就需要通過一些特殊手段，來強制控制路口的導通情況，使路口在一定的時間段中只有南北方向導通、或 者是東西方向導通，因此我們設置了緊急模式按鈕。 在緊急模式啟動時，數碼管顯示的時間為 59 秒，在沒有任何動作的情況下，每隔 10秒紅燈就會閃爍幾次，此時系統會判斷有沒有按鍵被按下，如果有按鍵被按下如： (1) 當強制東西導通按鍵被按下時，東西方向的交通燈變為綠色，南北方向的交通燈任然為紅色，數碼管顯示的時間為 59 秒，此時系統會判斷正常模式有沒有啟動，如果正常模式沒有啟動，系統將自動返回，繼續執行這個動作。 (2) 當強制南北導通按鍵被按下時，南北方向的交通燈變為綠色，東西方向的交通燈袁建明：單片機交通控制燈的設計與實現 8 變為紅色，數碼管顯示的時間為 59 秒，此時系統會判斷正常模式有沒有啟動，如果正常模式沒有啟動，系統將自動返回，繼續執行這個動作。 其流程控制圖如下所示： 緊 急 模 式數 碼 管 顯 示 4 5 秒東 西 鍵 啟 動 南 北 鍵 啟 動東 西 綠 燈 亮 南 北 綠 燈 亮數 碼 管 顯 示 4 5秒模 式 是 否 正 常 啟 動正 常 模 式 n oY e s Y e s n o n o n oY e s 圖 22 系統的緊急模式 系統的夜間模式 在夜間十字路口的車流量相對與白天有所減緩，此時我們可以縮短其導通時間來節省車輛與行人在夜間的等候時間，最大的方便行人與車輛通行。 其控制流程如下所示： 安徽工程大學畢業設計（論文） 9 開 始參 數 初 始 化東 西 放 下 紅 燈 亮 ， 南 北 方 向 綠 燈 亮數 碼 管 1 0 秒 倒 計 時南 北 方 向 綠 燈 最 后 1 秒 閃 爍南 北 放 下 紅 燈 亮 ， 東 西 方 向 綠 燈 亮數 碼 管 1 0 秒 倒 計 時東 西 方 向 綠 燈 最 后 1 秒 閃 爍夜 間 模 式夜 間 模 式正 常 模 式正 常 模 式N oN oY e sY e s 圖 23 系統的夜間模式 袁建明：單片機交通控制燈的設計與實現 10 第 3 章 系統硬件設計 根據上 面的功能要求 ,硬件系統主要模塊有單片機模塊﹑顯示模塊﹑按鍵模塊，其硬件總電路圖如附錄二所示 。 單片機模塊 MCS51 單片機是 Intel 公司在 1980 年繼 MCS48 系列 8 位單片機之后推出的高檔 8位單片機。 MCS51 單片機在性能和片內功能方面大大優于 MCS48 系列單片機。 MCS51 的典型產品有： 805 803 875 80C5 80C3 87C51 等， 8051 內部有4kB ROM， 8751 內部有 4kB EPROM， 8031 片內無 ROM。除此之外，三者的內部結構及引腳完全相同。單片機 的主要特點有： （ 1） 具有優異的性能價格比。 （ 2） 集成度高、體積小、可靠性高。 （ 3） 控制功能強。 （ 4） 低電壓，低功耗。 單片機是應工業測控需要而產生的，最能反映其功能及形態的名稱是在一個應用系統中， Singlechip Microcontroller。按照測控系統的特點和要求，單片機的應用可分為單機應用和多機應用兩大類。我們這次要完成的單片機課程設計就是它的單機應用，下面在介紹一下單片機在單機應用領域內的主要內容。 （ 1） 智能產品 單片機與傳統機械產品相結合，使傳統機械產品結構簡化，控制智能化，購 成新一代機電一體化產品。目前，利用單片機構成的智能產品已廣泛應用于家用電器、辦公設備、數控機床、紡織機械、工業設備等行業。 （ 2） 智能儀表 目前，各種傳感器、變送器、控制儀表已普遍采用單片機應用系統。