畢業(yè)論文-基于車(chē)流量檢測(cè)的智能交通信號(hào)燈的設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 連接時(shí)紅黑黃線不能接錯(cuò)，否則會(huì)燒壞傳感器。另外輸出端接 I/O 端口時(shí)要接上拉電阻，阻值在 1K 歐姆左右。 本次設(shè)計(jì)中，由于檢測(cè)車(chē)流量使用了兩個(gè)紅外線避障礙傳感器，它們的輸出端分別連接著單片機(jī) I/O 端口的 和 端口。 E18D80NK 紅外線避障礙傳感器通俗而言也就是一種光電式開(kāi)關(guān)，工作原理也是比較簡(jiǎn)單的，輸出的是“1”和 “0”，也就是高電平和低電平，正常狀態(tài)時(shí)輸出高電平，當(dāng)檢測(cè)到目標(biāo)時(shí)輸出的是低電平。 單片通過(guò) I/O 端口接收到低電平并且開(kāi)始計(jì)數(shù)，設(shè)定一分鐘內(nèi)的初始值為20，實(shí)際測(cè)的一分鐘內(nèi)的車(chē)流量為 x。當(dāng) x20 時(shí)，綠燈通行時(shí)間不變；當(dāng)安徽新華學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 8 20x30 時(shí)，綠燈通行時(shí)間增加 10 秒；當(dāng) 30x 時(shí)，綠燈通行時(shí) 間增加 20 秒。通過(guò)這種方法從而可以實(shí)現(xiàn)車(chē)流量智能化的控制。 數(shù)碼管顯示電路 本次設(shè)計(jì)使用的是 LED 數(shù)碼管顯示。 LED 數(shù)碼管為 “8”字型，帶小數(shù)點(diǎn)總共八段，每一段對(duì)應(yīng)一個(gè)發(fā)光二極管，有共陽(yáng)極和共陰極兩種 [4]。如圖 所示： (a) 外形及引腳 (b) 共陽(yáng)極 (c)共陰極 圖 8 段 LED 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)及外形 共陽(yáng)極數(shù)碼管的陽(yáng)極連接在一起，接到 +5V 上，共陰極數(shù)碼管的陰極連接在一起，接地。本次設(shè)計(jì)采用的是共陽(yáng)極數(shù)碼管，當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管接低電平時(shí)，該發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，即相應(yīng)的段被顯示。 本設(shè)計(jì)中顯示器用來(lái)顯示紅綠燈的倒計(jì)時(shí)間，因此需要 LED 數(shù)碼管顯示不同的數(shù)字，要把某些段點(diǎn)亮，就要為數(shù)碼管的各段提供一個(gè)字節(jié)的二進(jìn)制代碼，即字型碼。各個(gè)數(shù)字對(duì)應(yīng)的字型碼如表 21 所示： 表 21 共陽(yáng)極字型碼對(duì)應(yīng)的顯字符 顯示字符 共陽(yáng)極字型碼 0 C0H 1 F9H 2 A4H 安徽新華學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 9 續(xù)表 顯示字符 共陽(yáng)極字型碼 3 B0H 4 99H 5 92H 6 82H 7 F8H 8 80H 9 90H 習(xí)慣上以 “a”段對(duì)應(yīng)字型碼字節(jié)的最低端。 單片機(jī)控制 LED 數(shù)碼管有兩種顯示方式：靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示。 (1) 靜態(tài)顯示 靜態(tài)顯示就是無(wú)論多少位 LED 數(shù)碼管都同時(shí)處于顯示狀態(tài)。多位的 LED數(shù)碼管工作在靜態(tài)顯示方式時(shí)，各位的共陽(yáng)極連接在一起接 +5V，每位數(shù)碼管的段碼線（ a~dp）分別一個(gè)單片機(jī)的 8 位 I/O 口鎖存器輸出端相連。當(dāng)送往各個(gè)數(shù)碼管的段碼一經(jīng)確定，則相應(yīng)的 I/O 口的輸出將保持不變，直到 送入下一個(gè)顯示字符的段碼。如圖 所示： 圖 靜態(tài)顯示 (2) 動(dòng)態(tài)顯示 本次設(shè)計(jì)中用到四個(gè) LED 數(shù)碼管，如果使用靜態(tài)顯示將占用大量的 I/O 端口，因此將采用動(dòng)態(tài)顯示。 安徽新華學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 10 動(dòng)態(tài)顯示就是將顯示器的段碼線的相應(yīng)端并聯(lián)在一起，由一個(gè) 8 位 I/O 端口偶控制，而各顯示位的公共端分別由另一個(gè)單獨(dú)的 I/O 端口控制。單片機(jī)向段碼線輸出預(yù)顯示字符的段碼，每一時(shí)刻只有一位位選線有效，即被選中的位選線對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管顯示。每隔一定時(shí)間逐個(gè)輪流點(diǎn)亮各個(gè)數(shù)碼 管，由于數(shù)碼管點(diǎn)亮的余輝作用和人眼的視覺(jué)暫留原理，因此數(shù)碼管看起來(lái)是被同時(shí)點(diǎn)亮的。如圖 所示： 圖 動(dòng)態(tài)顯示 本次設(shè)計(jì)東西南北方向上總共用到了 8 個(gè) LED 數(shù)碼管，但由于東西方向顯示的時(shí)間是一樣的，南北方向顯示的也是一樣的，因此單片機(jī)實(shí)際上只需要控制 4 個(gè) LED 數(shù)碼管顯示，由于數(shù)碼管較多，用的是動(dòng)態(tài)顯示方法， 4 個(gè) LED 數(shù)碼管的 （ a~dp)接單片機(jī)的 8 位 I/O 端的 P0 口， 4 條位選線接 I/O 端 P2 的 4 個(gè)端口。 P0 控制的是單片機(jī)向數(shù)碼管輸入的字符段碼， P2 的 4 位位選線控制的是點(diǎn)亮哪個(gè)數(shù)碼管。 按鍵控制電路 本次設(shè)計(jì)共用到 4 個(gè)按鍵 S S S3 和 S4，四個(gè)按鍵的一端共同接地，另一端分別接單片機(jī) I/O 端口的 、 、 和 端口，按鍵為低電平有效。如圖 所示： 安徽新華學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 11 圖 按鍵電路 當(dāng) =?0?即開(kāi)關(guān) S1 閉合時(shí)，可設(shè)置紅綠燈時(shí)間，且按 S2 增加 1，按 S3減少 1。當(dāng) =?1?即開(kāi)關(guān) S1 斷開(kāi)時(shí)， =?0?，即開(kāi)關(guān) S2 閉合，可顯示車(chē)流輛。當(dāng)按下開(kāi)關(guān) S4 時(shí)，可以切換不同的應(yīng)急模式。 安徽新華學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 12 3 軟件程序的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)思路 整個(gè)控制程序主要分為這幾個(gè)模塊：按鍵設(shè)置處理程序、狀態(tài)燈控制程序、 LED 數(shù)碼管顯示程序、車(chē)流量計(jì)數(shù)程序、紅綠燈時(shí)間調(diào)整程序、消抖動(dòng)延時(shí)程序等。 在設(shè)計(jì)程序之前，首先要確定其最基本的通行方案。在交通十字路口，一般分為東西方向和南北方向，每個(gè)方向上有綠、黃、紅三種顏色的燈來(lái)控制車(chē)輛的通行或禁行。并在任意一 時(shí)刻，只有一個(gè)方向通行，另一個(gè)方向禁行，持續(xù)一定時(shí)間的過(guò)渡，通行禁行的方向?qū)Q，所以總共有四種狀態(tài)，具體通行狀態(tài)如圖 所示： 圖 交通燈通行狀態(tài)圖 (1) 狀態(tài) a 是：南北方向上的綠燈滅，同時(shí)黃燈閃爍，倒計(jì)時(shí) 5s；東西方向上繼續(xù)亮紅燈。在 a 狀態(tài)下，除了正在通行中的，其他所有車(chē)輛轉(zhuǎn)換成等待狀態(tài)。 安徽新華學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 13 (2) 狀態(tài) b 是：南北方向上黃燈滅，同時(shí)紅燈亮，倒計(jì)時(shí) 30s；東西方向上紅燈滅，同時(shí)亮綠燈，倒計(jì)時(shí) 25 秒。在 b 狀態(tài)下，南北方向禁行，東西方向通行。 (3) 狀態(tài) c 是：南北方向上繼續(xù)亮紅燈；東西方向綠燈滅，同時(shí)黃燈閃爍，倒計(jì)時(shí) 5 秒。在 c 狀態(tài)下，除了正在通行中的，其他所有車(chē)輛轉(zhuǎn)換成等待狀態(tài)。 (4) 狀態(tài) d 是：南北方向上紅燈滅，同時(shí)亮綠燈，倒計(jì)時(shí) 25s；東西方向上黃燈滅，同時(shí)亮紅燈，倒計(jì)時(shí) 30 秒。在 d 狀態(tài)下，南北方向是通行，東西方向上禁行。流程如圖 所示： 圖 交通燈通行流程圖 在實(shí)現(xiàn)最基本交通燈功能的基礎(chǔ)上，單片機(jī)會(huì)通過(guò)對(duì) I/O 端口 ~ 的掃描，判斷是否有按鍵被按下，在具體確定是哪個(gè)按鍵，根據(jù)鍵值跳轉(zhuǎn)到按鍵處理程序。按鍵控制兩種工作模式：紅綠燈時(shí)間設(shè)置模式和紅綠燈時(shí)間自動(dòng)模式。設(shè)置后進(jìn)入 50ms 掃描程序， 50ms 掃描程序開(kāi)始后立即刷新顯示模塊。若安徽新華學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 14 為自動(dòng)模塊接下來(lái)則需要計(jì)數(shù)車(chē)流量，然后掃描緊急信號(hào)。 50ms 已到則重新掃描，掃描達(dá)到 20 次之后，達(dá)到 1s 時(shí)間數(shù)據(jù)減 1，在顯示模塊中修改緩沖區(qū)域內(nèi)容。當(dāng)車(chē)流量值大于設(shè)定值時(shí)，調(diào)用紅綠燈時(shí)間調(diào)整程序，更新紅綠燈時(shí)間。 定時(shí)及計(jì)數(shù)程序的設(shè)計(jì) AT89S51 單片機(jī)內(nèi)部有 2 個(gè)定時(shí)器 T0和 T1。工作方式寄存器 TMOD 用來(lái)設(shè)置 T0、 T1 的工作方式 [5]。本次設(shè)計(jì)中 TMOD=0x11，因此 T0 和 T1 為 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器且工作在方式 1 狀態(tài)下。 為了確定紅綠燈顯示時(shí)間間隔 1s，讓 T0 定時(shí) 50ms，并連續(xù) 20 次中斷得到秒信號(hào)，從而控制紅綠燈的點(diǎn)亮?xí)r間。內(nèi)部定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器用作定時(shí)器時(shí)，是對(duì)機(jī)器周期計(jì)數(shù)，每個(gè)機(jī)器周期的長(zhǎng)度是 12 個(gè)振蕩周期。 定時(shí)時(shí)間為 50ms，設(shè)定時(shí)器 T0 的計(jì)數(shù)初值為 X，晶振的頻率為 ，則 : 50000=(65536X)12/ 得 X=15808 轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制為： 0x3cb0,因此 TH0=0x3c,TL0=0xb0. 安徽新華學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 15 4 系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果 軟件調(diào)試 設(shè)計(jì)中運(yùn)用了 Keiluv3 和 Proteus SP2 兩種軟件。 (1) 用 Keil 編寫(xiě) C 語(yǔ)言程序，根據(jù)流程圖順序編寫(xiě)。寫(xiě)完程序后進(jìn)行編譯，修改錯(cuò)誤部分，直到編譯成功，沒(méi)有錯(cuò)誤，生成 .HEX 文件。 (2) Proteus 是電路仿真軟件，在 Proteus 中畫(huà)出總體電路圖。再將 .HEX 文件加載到電路圖中進(jìn)行仿真，仿真圖如圖 所示： 圖 電路仿真圖 由于 E18D80NK 紅外避障傳感器無(wú)法在 Proteus 軟件中無(wú)法仿真，因此用按鍵產(chǎn)生的低電平來(lái)代替?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)到物體輸出的低電平。 安徽新華學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 16 硬件調(diào)試 在電路設(shè)計(jì)中，用到了單片機(jī)及其最小系統(tǒng)、兩個(gè)避障礙傳感器、兩個(gè)阻排、十二個(gè)發(fā)光二極管、四個(gè)按鍵、四個(gè)數(shù)碼管、一個(gè)電源開(kāi)關(guān)等器件。在我們將器件焊接在電路板上之前，要對(duì)電路圖進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以便做出來(lái)的實(shí)物更加的整齊，明朗。器件全部焊接好之后，將程序?qū)雴纹瑱C(jī)中進(jìn)行調(diào)試。如圖 所示。 如果實(shí)物調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題，可以檢查是否有虛焊、漏焊的引腳，然后針對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行排查。 圖 實(shí)物調(diào)試 在實(shí)物調(diào)試的過(guò)程中，由于無(wú)法實(shí)現(xiàn)正真的 通過(guò)避障礙傳感器檢測(cè)車(chē)流量，但可以通過(guò)手指或任何物體的來(lái)回晃動(dòng)，代替車(chē)輛的流通。 安徽新華學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 17 5 結(jié) 論 基于車(chē)流量檢測(cè)的智能交通信號(hào)燈的設(shè)計(jì)，主要完成的任務(wù)有： (1) 通過(guò)書(shū)籍或網(wǎng)絡(luò)了解和研究交通信號(hào)燈的相關(guān)資料。 (2) 列出大綱，通過(guò) Keil 軟件編寫(xiě)程序，編譯調(diào)試直到程序無(wú)誤。 (3) 在 Proteus 軟件中畫(huà)出電路圖，仿真并觀察是否能完成相應(yīng)的功能。 (4) 根據(jù)電路原理圖在 PCB 板上焊接實(shí)物，并將程序燒入單片機(jī)中，檢查電路是否有問(wèn)題，并觀察是否能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。 在本次設(shè)計(jì)的過(guò)程中也遇到了很多問(wèn)題，通過(guò)自己的努力和朋友的幫助，系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)燈基本的功能外，還可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)設(shè)置紅綠燈時(shí)間、倒計(jì)時(shí)顯示、車(chē)流量檢測(cè)及調(diào)整還有緊急處理功能。不過(guò)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，車(chē)輛的迅速增加，這些功能已經(jīng)不能滿(mǎn)足城市的需求，因此還可以增加違章報(bào)警，左轉(zhuǎn)彎或右轉(zhuǎn)彎紅綠燈提示等功能，這些功能我將在后期再進(jìn)行深入的研究。 安徽新華學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 18 致 謝 在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我遇到了很多問(wèn)題。從一開(kāi)始的選題，設(shè)計(jì)以及后來(lái)的調(diào)試都是在老師和朋友的幫助下才能順利進(jìn)行。 當(dāng)時(shí)一開(kāi)始選擇這個(gè)課題的時(shí)候，自己也并不是很了解，通過(guò)查閱書(shū)籍和上網(wǎng)來(lái)尋找相關(guān)資料整理思路，遇到不懂得問(wèn)題，先和同學(xué)商討，最后再去請(qǐng)教老師，盡管老師很忙對(duì)我們但對(duì)于我們提出的問(wèn)題還是一一詳細(xì)的解釋?zhuān)⒃?xún)問(wèn)進(jìn)度情況，督促我的工作，盡心盡力。我能順利完成，與老師和同學(xué)的幫助密不可分。在此我要對(duì)我的指導(dǎo)老師張艷老師還有幫助我的同學(xué)表示誠(chéng)摯的謝意！ 安徽新華學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 19 參考文獻(xiàn) [1] 陳毅，許飛，王學(xué)飛 .基于單片機(jī)的交通燈智能控制系統(tǒng) [J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)， 2021年第 15 期 . [2] 劉勇 .數(shù)字電路 [M]