智能交通信號燈設計畢業(yè)論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 M 接到地線 GND 上，當某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時，相應字段就點亮。當某一字段的陽極為低電平時，相應字段就不亮。 D1D2D3D4D5D6D7a b c de f g hD8圖38 共陰極數碼管要正常顯示，就要用驅動電路來驅動數碼管的各個段碼，從而顯示出我們要的數字，因此根據數碼管的驅動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。第一類為靜態(tài)顯示驅動：靜態(tài)驅動也稱直流驅動。靜態(tài)驅動是指每個數碼管的每一個段碼都由一個單片機的 I/O 端口進行驅動，或者使用如 BCD 碼二十進制譯碼器譯碼進行驅動。靜態(tài)驅動的優(yōu)點是編程簡單，顯示亮度高，缺點是占用 I/O 端口多，如驅動5個數碼管靜態(tài)顯示則需要58=40根 I/O 端口來驅動，要知道一個89C51單片機可用的 I/O 端口才32個，實際應用必須增加譯碼驅動器進行驅動，增加了硬件電路的復雜性。第二類為動態(tài)顯示驅動：數碼管動態(tài)顯示接口是單片機中應用最廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅動是將所有數碼管的8個顯示筆劃“a、b 、c 、d 、e、f 、g、dp”的同名端連在一起，另外為每個數碼管的公共極20COM 增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的 I/O 線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通 COM 端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數碼管的選通控制打開，該位就顯出字形，沒有選通的數碼管就不亮。通過分時輪流控制各個數碼管的 COM 端，就使各個數碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅動，在輪流顯示過程中，每位數碼管的點亮時間為1~2ms ，由于人的視覺暫留現象及發(fā)光二極管的余輝效應，盡管實際上各位數碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度夠快，給人的感覺就是一組穩(wěn)定的顯示數據，不會有閃爍的感覺，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，但能夠節(jié)省大量的 I/O 端口，而且功耗更低。基于交通燈所要實現的的功能要求，所以選用第二種，動態(tài)顯示驅動。本 個管腳的2位共陽極數碼管。ABCDEFGDPABCDEFGDP39876412圖 39 內部結構圖 信號燈電路設計本設計用紅、黃、綠三色發(fā)光二極管模擬紅、黃、綠三色交通信號燈。發(fā)光二極管簡稱 LED，采用砷化鎵、鎵鋁砷、和磷化鎵等材料制成，其內部結構為一個 PN 結，具有單向導電性。21當在發(fā)光二極管 PN 結上加正向電壓時，PN 結勢壘降低，載流子的擴散運動大于漂移運動，致使 P 區(qū)的空穴注入到 N 區(qū)，N 區(qū)的電子注入到 P 區(qū)，這樣相互注入的空穴與電子相遇后會產生復合，此時產生的能量大部分以光的形式出現，因此而發(fā)光，當所有二極管都發(fā)出光時，大多數都不是很有效的，在普通二極管里，半導體材料本身吸引大量的光能而結束。發(fā)光二極管是由一個塑性燈泡覆蓋集中燈光于一個特定方向。由于不同材料的禁帶寬度不同，所以由不同材料制成的發(fā)光二極管會發(fā)出不同波長的光。另外，有些材料由于組分和摻雜不同，例如，有的具有很復雜的能帶結構，相應的還有間接躍遷輻射等，因此有各種各樣的發(fā)光二極管。發(fā)光二極管在制作時，使用的材料有所不同，那么就可以出現不同顏色的光。發(fā)光二極管的發(fā)光顏色有：紅色光、黃色光、綠色光、紅外光等等。發(fā)光二極管的外形有圓形、長方形、三角形、正方形、組合形、特殊形等。常用的發(fā)光二極管應用電路有 4 種，即直流驅動電路，交流驅動電路，脈沖驅動電路，變色發(fā)光驅動電路。因此我們選的二極管顏色為紅色、黃色、綠色。綠燈是通行信號，面對綠燈的車輛可以直行。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。發(fā)光二極管有兩個引腳，其中長引腳接電源正端，較短的引腳接電源負端。根據本設計的特點，紅綠燈的顯示不可少，紅綠燈的顯示采用普通的發(fā)光二極管。每個方向上設置紅、綠、黃燈，總共 4 組。如果東西紅燈亮，那南北方向就是綠燈亮，反之亦然，所以在硬件上連接圖上也是對稱分布的，如圖所示。22圖 310 信號燈分布圖在本設計中，實際控制的燈只有 6 個，即：東西紅燈、東西綠燈、東西黃燈，南北紅燈、南北綠燈、南北黃燈。其中均是高電平有效。 按鍵控制電路本設計設置了 8 個按鍵，K0、K1 、KKkk5 、kK7。每個按鍵一段接地，另一端 89C51 單片機 P3 口各接口，低電平有效。P 接增加倒計時時間、P 接減少倒計時時間、P 接南北通行、 P 接東西通行、 P 接緊急模式、P 接深夜模式和 P 接切換狀態(tài)。當按鍵按下端口接地，單片機捕獲到低電平，從而知道相應的中斷輸入信息。時間可調：當主干道方向的車輛過多發(fā)生堵塞，正常的信號燈時序將會使交通狀況更加惡化。所以設立增加倒計時時間、減少倒計時時間這 2 個功能按鍵，通過按鍵對時間進行手動設置，增加了人為的可控性，避免車少長等和減緩車多交通堵塞的麻煩。南北、東西通行：交通路口出現各種狀況在所難免，如救護車等急行車通過時，必須其中一個方向暢通無阻。因此需要在設計中加入按鍵進行中斷控制。使其需要通行的方向綠燈一直燃亮，而另一端紅燈一直燃亮。等到緊急情況結束，切換正常模式恢復交通指揮。緊急模式：交通路口出現緊急狀況在所難免，如發(fā)生交通事故，我們都必須立刻停止當前車輛的行駛，畢竟這種情況應該是分秒必爭的，時時刻刻關系23著公共財產安全和個人安危。因此需要在設計中加入按鍵進行中斷控制，當急行情況發(fā)生時，南北綠燈東西紅燈或東西綠燈南北紅燈，倒計時顯示變?yōu)?00 不動。通過倒計時顯示就可以知道路面情況正處于特殊狀況后，提高人們的注意力。按鍵彈起，交通燈恢復中斷前狀態(tài)，數碼管繼續(xù)倒計時。深夜模式：在深夜時段，交通路口的車流量大幅度減少，這時正常的交通模式不適合實際情況的需要。因此設置按鍵進行控制，當深夜時間車輛很少時，東西、南北方向四個黃燈同時燃亮，提醒人們注意交通情況，減速慢行，相互謙讓，安全的通過交通十字路口。既保證了交通的安全，同時也減短通過交通路口的時間，提高效率。本設計采用輕觸按鍵，其原理圖如下所示。 1 243圖 311 輕觸按鍵結構原理圖1 腳和 2 腳是導通的，3 腳和 4 腳是導通的。所以說電路中只要接 3 腳或 4 腳或 3 腳或 4 腳就可以導通了。 電源電路單片機芯片一般外接+5V 電壓，74HC245 總線收發(fā)器外接電壓 VCC 也是+5V。所以整個電路中所提供的電源為+5V 。本設計采用 DC 電源提供電路電壓，用 USB 電源線外接電源，DC 電源接口連接自鎖開關，作為整個電路的總開關。24圖 312 DC 電源及自鎖開關原理圖DC 電源的 3 腳接地，1 腳實際是 VCC（電源） ，但是電路中要接自鎖開關，然后開關的另一個腳再接電源。自鎖開關在電路中起到電源的開關作用，常開的其中一腳接 DC 電源插口電源腳，常開的另一腳接電路的 VCC。4 軟件設計 編程語言在基于 51 單片機交通燈控制器的軟件設計當中，采用 C 語言作為開發(fā)語言。與匯編語言相比，C 語言在功能上、結構上、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，易學易用，因此出現了專門用于 51 系列單片機編程的 C 語言— —最先進、功能最強大的 C51 編譯器是 Keil C51。在單片機的開發(fā)應用中，逐漸引入了高級語言，C 語言就是其中的一種。對用習慣了的匯編語言的人來說，高級語言可控性不好，不如匯編語言那樣能夠隨心所欲。但是使用匯編語言會遇到很多問題，首先它的可讀性和可維護性不強，特別是當程序沒有很好標注的時候，其次就是代碼的可重用性也比較低。使用 C 語言就可以很好的解決這些問題。25C 語言具有良好的模塊化，容易閱讀和維護等優(yōu)點。由于模塊化，用 C 語言編寫的程序有很好的可移植性，功能化的代碼能夠很方便地從一個工程移植到另一個工程，從而減少了開發(fā)時間。用 C 語言編寫程序比用匯編語言更符合人們的思考習慣，開發(fā)者可以更專心地考慮算法而不是考慮一些細節(jié)問題，這樣就減少了開發(fā)和調試的時間。很多系統(tǒng)特別是實時時鐘系統(tǒng)都是用 C 語言和匯編語言聯合編寫的。對時鐘要求嚴格時，使用匯編語言是唯一的方法。除此之外，包括硬件接口的操作都應該用 C 語言來編寫。語言的特點就是可以使程序員盡量少地對硬件進行操作，它是一種功能性和結構性很強的語言。對于大多數 51 系列單片機，使用 C 語言這樣的高級語言與使用匯編語言相比具有如下優(yōu)點：（1）不需要了解處理器的指令集，也不必了解存儲器的結構；（2）寄存器分配和尋址方式由編譯器進行管理，編程時不需要考慮存儲器的尋址和數據類型等細節(jié)；（3）指定操作的變量選擇組合提高了程序的可讀性；（4）可使用與人的思維更相近的關鍵字和操作函數；（5）與使用匯編語言編程相比，程序的開發(fā)和調試時間大大縮短；（6）C 語言中的庫文件提供許多標準的列程，例如格式化輸出、數據轉換和浮點運算等；（7）通過 C 語言可實現模塊化編程技術，從而可將已編制好的程序加入到信程序中；（8）C 語言可移植性好且非常普及，C 語言編譯器幾乎適用于所有的目標系統(tǒng)，已完成的軟件項目可以很容易地轉換到其他的處理器或環(huán)境中。由于單片機硬件的限制。有些場合無法用 C 語言編寫，而只能用匯編語言來編寫程序。大多數情況下匯編程序能和用 C 語言編寫的程序很好地結合在一26起。 控制程序設計本設計的全部控制程序實際上分為若干子程序：T0 中斷子程序，延時子程序，按鍵掃描子程序，鍵處理子程序，時間顯示子程序、黃燈閃爍 5s 子程序等。根據設計的要求和功能，系統(tǒng)的工作流程可以按如下方式進行：（1）程序設置初始時間，通過 89C51 單片機內部相應寄存器來實現；（2）由 89C51 單片機的定時器每秒鐘通過 P0 口向 74HC245 的輸入口輸入信息，由 74HC245 的輸出口顯示紅、綠、黃燈的燃亮時間，由 89C51 的 P2 口顯示 4 組紅、綠、黃燈的燃亮情況；（3）89C51 通過程序設置每組信號燈的燃亮時間，通過程序設置紅、綠、黃每組信號燈的燃亮狀態(tài)；（4）當系統(tǒng)出現異常，通過手動復位方式，引起 RESET 復位信號復位系統(tǒng)。 主程序模塊主程序初始化和按鍵控制，首先將時間子程序、中斷子程序、延時子程序、按鍵掃描子程序、鍵處理子程序和顯示子程序分別進行初始化，然后啟動定時器對時間進行判斷，將時間送數據緩沖區(qū)，調用顯示程序，同時掃描按鍵程序，用無條件跳轉指定返回，再調用顯示程序，如此周而復始的循環(huán)，如下圖所示。27開 始T0初 始 化中 斷 初 始 化啟 動 T0顯 示 初 始 化 查 閱 狀 態(tài) 表保 存 表 地 址調 用 顯 示掃 描 按 鍵圖 41 主程序循環(huán)流程圖LED 狀態(tài)信號燈總共有 4 個狀態(tài),中間間隔著一個 5 秒的黃燈閃爍時間。程序可根據按照流程圖一步一步進行設計,然后把 P2 端口作為信號燈的輸出端口來用二進制編碼, 編成 8 個狀態(tài) ,然后一個一個狀態(tài)的輸出,就可以實現信號燈的交替亮滅。再把 P0 端口作為數碼管時間顯示的輸出端口。就可以實現數碼管倒計時時間的功能。該交通信號燈控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)：（1）東西方向直行綠燈亮，南北方向紅燈亮。表示東西方向車道允許直行，南北方向車道禁止通行。經過一定時間倒計時完成后，南北紅燈不變，東西黃燈閃爍 5 秒，轉到下一工作狀態(tài)。（2）南北方向直行綠燈亮，東西方向紅燈亮。表示南北方向車道允許直行，東西方向車道禁止通行。經過一定時間倒計時完成后，東西紅燈不變，南北黃燈閃爍 5 秒，轉到下一個工作狀態(tài)。東西方向綠燈亮，南北方向紅燈亮，如此循環(huán)。28開 始89C51初 始 化東 西 通 行 ， 南 北 禁 行20s東 西 黃 燈 閃 爍5s 南 北 通 行 ， 東 西 禁 行30s南 北 黃 燈 閃 爍5sNN NNY Y圖 42 主程序流程圖 定時器 T0延時方法可以有兩種，一中是利用 89C51 內部定時器生溢出中斷來確定 1秒的時間,另一種是采用軟延時的方法。本設計采用 T0 定時器方法來設定 1S 時間。其中 T0 定時又有兩種方法: 中斷和查詢。這里采用 T0 定時器中斷方法。定時器工作的基本原理其實就是給初值，讓它不斷加 1 直至減完為模值，這個初值是送到 TH 和 TL 中的。它是以加法記數的，并能從全 1 到全 0 時自動產生溢出中斷請求。因此，我們可以把計數器記滿為零所需的計數值，即所要求的計數值設定為 C，把計數初值設定為 TC，可得到如下計算通式：CMT??式中：M 為計數器模值。計數值并不是目的，目的是時間值，設計 1 次的時間，即定時器計數脈沖的周期為 ，它是單片機系統(tǒng)主頻周期的 12 倍，)(計 數設要求的時間值為 T，則有： 。計算通式變?yōu)椋?(/計 數T?)(計 數CM?模值和計數器工作方式有關。在方式 0 時 M 為 8192；在方式 1 時 M 的值為 65536；在方式 2 和 3 為 256。就此可以算出各種方式的最大延時。如單片機的主脈沖頻率為 12MHz，經過 12 分頻后，若采用方式 0 最大延時只有 毫29秒，采用方式 1 最大延時也只有 毫秒。這就是為什么掃描周期為 50ms的原因。若使用軟件則會耽擱程序流程，顯然不可行。相反，時間計時方面卻不可能只用計數器，因為顯然 1 秒鐘已經超過了計數器的最大定時時間，所以我們還必須采用定時器和軟件相結合的辦法才能解決這個問題。延時子程序：void delay(int ms) //延時子程序{uint j,k。for(j=0。jms。j++) //延時