基于單片機的交通信號燈控制系統設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 23設計總結24參考文獻25致謝26附錄127附錄2281．引言當今，交通信號燈安裝在各個道口上，已經成為疏導交通車輛最常見和最有效的手段，這一技術在19世紀就已出現了。1858年，在英國倫敦主要街頭安裝了以燃煤氣為光源的紅、藍兩色的機械扳手式信號燈，用以指揮馬車通行。這是世界上最早的交通信號燈。1868年，英國機械工程師納伊特在倫敦威斯敏斯特區的議會大廈前的廣場上，安裝了世界上最早的煤氣紅綠燈。它由紅綠兩種旋轉式方形玻璃提燈組成，紅色表示“停止”，綠色表示“注意”。1869年1月2日，煤氣燈爆炸，造成人員傷亡，遂被取消。電氣啟動的紅綠燈出現在美國，這種紅綠燈由紅綠黃三色圓形的投光器組成，1914年開始安裝于紐約市5號大街的一座高塔上。紅燈亮表示“停止”，綠燈亮表示“通行”。1918年，又出現了帶控制的紅綠燈和紅外線紅綠燈。帶控制的紅綠燈，一種是把壓力探測器安在地下,另一種是用擴音器來啟動紅綠燈。信號燈的出現，使交通得以有效管制，對于疏導交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。1968年，聯合國《道路交通和道路標志信號協定》對各種信號燈的含義作了規定。綠燈是通行信號，面對綠燈的車輛可以直行，左轉彎和右轉彎，除非另一種標志禁止某一種轉向。左右轉彎車輛都必須讓合法地正在路口內行駛的車輛和過人行橫道的行人優先通行。紅燈是禁行信號，面對紅燈的車輛必須在交叉路口的停車線后停車。黃燈是警告信號，面對黃燈的車輛不能越過停車線，但車輛已十分接近停車線而不能安全停車時可以進入交叉路口。基于單片機構成的城市交通信號燈控制系統，可以節約人力資源和降低系統成本，從而有效的提高工作效率。但利用單片機控制交通信號燈涉及到一些現實問題，諸如信號的驅動、車輛到達的感知等。為此，我們采用模擬方式進行說明。所謂模擬，就是用綠、黃、紅色三只共四組發光二極管代替交通信號燈。目前，城市交通信號燈控制系統應用廣泛，因此，開發這種系統非常實用。2．設計任務及思路設計一個能夠控制十二盞交通信號燈的模擬系統。通過交通信號燈控制系統的設計。1 系統工作受開關控制，起動開關 ON 則系統工作；起動開關 OFF 則系統停止工作。控制對象如下：東西方向紅燈兩個 , 南北方向紅燈兩個，東西方向黃燈兩個 , 南北方向黃燈兩個，東西方向綠燈兩個 , 南北方向綠燈兩個，圖1 交通信號示意十字路口東西方向和南北方向各裝有直行（包括右拐彎）控制紅、黃、綠交通信號燈（如圖1所示）。還有倒計時顯示器，顯示器用于顯示相應方向直行控制當前點亮信號燈還要持續的時間（即剩余時間）。系統中有兩個按鈕－啟動和停止，啟動按鈕按下后信號燈系統開始工作，并周而復始地循環；停止按鈕按下，所有信號燈都熄滅。信號燈的控制規律如表1所示。即系統啟動后，東西方向先綠燈亮25s，然后綠燈閃爍3s，最后黃燈亮2s，與此同時南北方向紅燈亮30s。南北方向紅燈亮30s后轉為先綠燈亮25s，然后綠燈閃爍3s，最后黃燈亮2s，東西向紅燈亮30s。由此周而復始地循環。要求采用單片機實現交通燈的控制規律。表1 信號燈控制規律東西方向信號綠燈亮綠燈閃爍黃燈亮紅燈亮時間25s3s2s30s南北方向信號紅燈亮綠燈亮綠燈閃爍黃燈亮時間30s25s3s2s設計電路中使用到的主要元器件，單片機芯片、8255芯片和晶閘管。十字路口分四條道，每條道有三個紅綠燈，共十二個。每個紅綠燈由一塊8031芯片單獨控制，我們只設計一個紅綠燈的燃亮情況，同理根據燃亮順序設計其它紅綠燈。然后再組合起來，達到設計要求。3．單片機單片機是一種集成電路芯片，簡稱為單片微型計算機。是采用超大規模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器CPU，隨機存儲器RAM，只讀存儲器ROM，多種I\0口和中斷系統，定時器，計時器等功能，集成在一塊硅片上構成的一個小而完善的計算機系統。單片機由運算器，控制器，存儲器，輸入輸出設備組成。（1）單片機集成度很高，單片機包括CPU、4KB容量的ROM(8031無)、128B容量的RAM、2個16定時計時器、4個8位并行口、全雙工串口行口。（2）單片機系統結構簡單，使用方便，實現了模塊化。（3）單片機可靠性能好，可工作很長時間。（4）處理功能強，速度快4．芯片的選擇 74LS373以及74LS07簡介74LS373 是一種帶三態門的8D鎖存器，其管腳示意圖2如下所示：圖2 74LS373管腳示意圖其中：1D8D為8個輸入端。1Q8Q為8個輸出端。LE為數據打入端：當LE為“1”時，鎖存器輸出狀態同輸入狀態；當LE由“1”變“0”時，數據打入鎖存器OE為輸出允許端；當OE=0時，三態門打開；當OE=1時，三態門關閉，輸出高阻。六驅動器(OC高壓輸出) 74LS07 Vcc6A6Y5A5Y4A4 ┌┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴┐ │1413121110 9 8│Y = A） │ │ 1 2 3 4 5 6 7│ └┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬┘7805實現正電壓輸出，負電壓截止。 8255芯片 8255可編程并行接口芯片簡介8255可編程并行接口芯片有三個輸入輸出端口，即A口、B口和C口，對應于引腳PA7～PA0、PB7～PB0和PC7～PC0。其內部還有一個控制寄存器，即控制口。通常A口、B口作為輸入輸出的數據端口。C口作為控制或狀態信息的端口，它在方式字的控制下，可以分成4位的端口，每個端口包含一個4位鎖存器。它們分別與端口A／B配合使用，可以用作控制信號輸出或作為狀態信號輸入。8255的內部組成框圖如圖3所示：圖3 8255內部組成框圖 8255可編程并行接口芯片方式控制字格式說明8255有兩種控制命令字：一個是方式選擇控制字；另一個是C口按位置位／復位控制字。其中C口按位置位／復位控制字方式使用較為繁難，說明也較冗長，故在此不作敘述。方式控制字格式說明如圖4所示：圖4 8255方式控制字方式0：基本輸入／輸出方式。適用于三個端口中的任何一個。每一個端口都可以用作輸入或輸出。輸出可被鎖存，輸入不能鎖存。方式0適合于兩種情況：一種是無條件傳送，另一種是查詢方式傳送。方式1：選通輸入／輸出方式。這時A口或B口的8位外設線用作輸入或輸出，C口的4條線中三條用作數據傳輸的聯絡信號和中斷請求信號。方式2 ：雙向選通輸入/輸出方式。只有A口具備雙向選通輸入/輸出方式，8位外設線用作輸入或輸出。 晶閘管晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡稱，又可稱做可控硅整流器，以前被簡稱為可控硅；晶閘管是PNPN四層半導體結構，它有三個極：陽極，陰極和門極；晶閘管工作條件為：加正向電壓且門極有觸發電流；其派生器件有：快速晶閘管，雙向晶閘管，逆導晶閘管，光控晶閘管等。它是一種大功率開關型半導體器件，在電路P1N1P2N2GKA中用文字符號“VT”表示；圖AGIc0PNPREKNPNIaIc1IgIc2Ik5為晶閘管的結構圖；圖6為晶閘管的電路圖； 圖5 晶閘管的結構圖 圖6 為晶閘管的電路圖 晶閘管VT在工作過程中，它的陽極A和陰極K與電源和負載連接，組成晶閘管的主電路，晶閘管的門極G和陰極K與控制晶閘管的裝置連接，組成晶閘管的控制電路。晶閘管的工作條件： 1. 晶閘管承受反向陽極電壓時，不管門極承受何種電壓，晶閘管都處于關斷狀態。2. 晶閘管承受正向陽極電壓時，僅在門極承受正向電壓的情況下晶閘管才導通。3. 晶閘管在導通情況下，只要有一定的正向陽極電壓，不論門極電壓如何，晶閘管保持導通，即晶閘管導通后，門極失去作用。在電路中我們使用的晶閘管來控制紅綠燈的亮滅。如圖7所示：圖7 晶閘管控制電路5．交通燈控制原理分析與方案論證本設計以單片機為核心，以LED數碼管作為倒計時指示，根據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，實現實時顯示系統各種狀態，系統還增設了根據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。系統總體設計框圖如圖8所示：單片機最小系統倒計時交通燈鍵盤與狀態顯示圖8 系統總體設計1．電源提供方案為使模塊穩定工作，須有可靠電源。本次設計考慮了兩種電源方案：方案一：采用獨立的穩壓電源。此方案的優點是穩定可靠，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。該方案的優點是系統簡明扼要，節約成本；缺點是輸出功率不高。綜上所述，選擇第二種方案。2．顯示界面方案該系統要求完成倒計時功