智能交通控制系統設計所在專業：指導教師：答辯人：摘要隨著社會的發展現代社會的道路車流人流量的增加使得對道路的交通燈控制系統的控制需求也更加的復雜。本文設計一款基于STC89C52單片機的智能交通燈控制系統。本系統設計一款帶直行、左轉、右轉、掉頭、四種通行控制交通控制系統，可以顯示倒計時功能。同時本系統帶有緊急和夜間模式按鈕，當按下緊急按鍵以后所有燈都亮紅燈，當按下夜間模式按鈕以后所有燈都亮黃燈。通過查閱先關資料研究和通過PROTEUS軟件仿真測試，發現本設計完全符合設計要求和當前道路對交通燈系統的需求。1引言3硬件設計4軟件設計目錄2系統介紹及方案討論1引言1選題背景現今已知最早的交通燈是手牽皮帶，而后發展到二十世紀五十年代開始出現電氣控制的交通燈。從近代開始通過計算機對交通燈進行控制發展到電子定時監控的現代化交通燈，隨著相關技術越來越科學化以及自動化，交通信號燈系統也在與時俱進，不斷地進行系統更新，開發新的系統功能，完善不足之處。交通指揮燈最早是由非裔美國人加萊特.摩根在1923年發明的。在此之前，使用自動轉換的鐵路交通信號燈的鐵路交通系統已經運行了很久?？墒鞘芟抻谠械幕疖嚱煌ㄏ到y中火車運行時是按照固定的時刻表以單列方式運行的。而且，由于火車要想停下來并不是很容易的一件事，因此在當時，鐵路交通系統中使用的信號燈只能顯示傳遞一種交通指令：通行。而相比而言，在公路交通中的交通紅綠燈大不相同，其使命則更多的是需要及時的告知機動車司機將車停下。相信對于所有開車的人而言，他們當中誰都不愿意看到交通燈上顯示停車信號。就如美國夏威夷大學心理學家詹姆斯所指出的，人們都有一種很奇怪的傾向情緒，那就是總是會將剎車和油門與自尊相互聯系起來。詹姆斯說：每當駕車者觀察到黃燈閃亮時，他們的心里就開始做好打算，在潛意識中隨時作好加速的準備。但是如果他們發現紅燈在這個時候亮了起來，他們的心理立刻就會有一種失望的感覺產生。詹姆斯將神奇的交叉路口稱為“心理動力區”。那么我們可以思考一下，如果詹姆斯所提出的理論能夠成立的話，那么我們可以稱這個區域在佛羅伊德心理學理論中是屬于超我而非本能的范疇?，F在，在傳統功能的基礎上，大部分新式的紅綠交通燈都添加并具有將闖紅燈的人拍照下來的附加功能。闖紅燈或者因為違反交通規則而犯事的司機不久之后就會收到罰款單。現在某些新型紅綠燈更是具有了監測車輛行駛速度等相關功能。2國內外發展情況在1858年，英國人首先發明了最為原始的機械扳手交通燈，這種交通等經過不斷的發展與改進，在至今的一百多年的時間里，我們的生活開始漸漸變得離不開交通燈，交通燈不僅改變了我們生活中的交通路況，同時也在人們的日常生活中占據了越來越重要的地位，最近幾年，由于國家經濟建設速度的不斷加快，國家經濟的飛速發展以及人民生活水平的不斷提高，汽車的數量隨著時間的推移開始變得急劇增加，城市道路變得日漸擁擠，因而更加顯示出了交通燈的關鍵性作用。因為有了交通燈的使用，交通問題得到了行之有效的管制，交通燈對于交通疏導，提高城市道路交通的導通能力，減少交通事故有顯著的效果。近年來隨著科技的發展，交通事故出現的頻率越來越高如何更好地對交通進行管制，交通燈的出現刻不容緩。馬路建設對于經濟的發展有著舉足輕重的作用，也正應為如此，交通燈的作用顯得尤為突出。最近幾年，由于國家經濟建設速度的不斷加快，國家經濟的飛速發展以級人民生活水平的不斷提高，在以上諸多條件的共同影響下，我國的城市交通得到了極大程度的發展。但隨之而來的城市交通問題則演變成為困擾許多大城市發展的通病，現在交通問題愈加嚴重，所遇到的情況也越來越多種多樣，交通問題已經發展成為現今日趨嚴峻的國際性問題。在諸多的交通問題中，十字路口而今已經逐步演變為交通堵塞的主要”瓶頸”所在。目前，各個世界發達國家都在積極需找出路，正在不斷地探索怎樣才能使道路交通能力能夠最大化的發揮出來，使因為交通產生的各種問題所造成的損失降到最少。3研究的可行性與研究的現狀近年來，隨著科技的飛速發展，電子器件也隨之廣泛應用，其中單片機也不斷深入人民的生活當中。智能交通燈系統利用單片機AT89C51作為核心元件，實現了通過信號燈對路面狀況的智能控制。相較于以往的傳統交通控制器，智能交通控制系統更易于操作，對于未來愈加嚴重的交通安全問題以及急需進行系統更新的現行交通系統而言具有更好的適用性，可行性極強，從一定程度上解決了交通路口堵塞、車輛停車等待時間不合理、急車強通等問題。系統具有結構簡單、可靠性高、成本低、實時性好、安裝維護方便等優點，有廣泛的應用前景。基于單片機的智能交通燈控制系統，該系統可實現3種顏色燈的交替點亮，實現直行、左轉、右轉、掉頭、四種通行控制，通過信息提示指揮車輛和行人安全通行，并能實時監測交通燈工作狀態。該系統不僅編程簡單、靈活、具有較高的可靠性，而且成本低、具有良好的經濟效益,是今后一段時間國內外交通燈的主流設計思路。4本系統功能本系統設計一款帶直行、左轉、右轉、掉頭、四種通行控制交通控制系統。帶緊急按鈕，當按下后所有燈都亮紅燈。帶有時鐘功能可以設定進入夜間模式的時間段，自動夜間模式此時所有燈都亮黃燈。同時有數碼管顯示當前顏色燈的剩余時間，倒計時功能。2系統介紹及方案討論1系統結構框圖系統結構圖因為系統邏輯較簡單，在低成本低復雜度的思想下本系統主要利用STC89C51傳統的51單片機作為主控核心，復雜交通燈的調度人機設置和顯示。本系統主要包括紅綠燈的驅動，利用發光7段數碼管顯示倒計時，利用USB接口加載單片機程序和按鍵進行系統設定。2單片機選型在集成電路，微控制器，DSP，FPGA水平高度發達的今天，設計我們這樣一款系統可以選擇的為控制器有很多例如：8位的改進型51單片機、AVR單片機、MSP43016位單片機以及現在比較火的32位的STM32、或者純硬件控制的FPGA、CPLD、或者DSP等。對于工程應用應該選擇一款合適于我們的系統的單片機，既符合功能要求、又節約成本、才是我們的核心思想，下面我將介紹一下我們常用的幾款單片機：AVR單片機：AVR單片機是采用美國愛梅爾（ATMEL）公司生產的一款8位單片機。常用型號為ATMEGA48單片機。Mega系列單片機是AVR家族的高檔系列，采用哈佛結構。具備較寬的供電電壓(2.0-5.5V),該型單片機可以運行在低頻模式（32K時鐘）具備較低的功耗但是不能由應用程序更改時鐘。該型單片機采用了RISC精簡指令集，集成了硬件乘法器，在速度與外設方面相比51單片機有很大提高，性價比較高，但是相比于51單片機成本還是稍高。ST公司的STM32單片機，該型單片機基于ARM公司的Cortx-M3核心的由意法半導體（ST）公司生產的32位單片機，主要用于一些較復雜的工業與高端便攜式應用，性價比較高，但是軟件開發較復雜需要系統學習ARM，雖然性價比高，性能好但是開發復雜。經過綜合考慮之后我采用國產的STC89C52單片機的DIP-40封裝的型號，該型單片機相對于傳統的AT89C52單片機性能有所提升，程序采用串口加載也很方便。STC89C52是STC公司生產的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統可編程Flash存儲器。STC89C52使用經典的MCS-51內核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統51單片機不具備的功能其內部功能如圖所示。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案。2單片機選型STC89C52內部功能圖相比于傳統51單片機其主要有以下特征：1.8K字節程序存儲空間；2.512字節數據存儲空間；3.內帶4K字節EEPROM存儲空間;4.工作電壓：5.5V～3.3V（5V單片機）/3.8V～2.0V（3V單片機）5.工作頻率范圍：0～40MHz，相當于普通8051的0～80MHz，實際工作頻率可達48MHz6.可直接使用串口下載ISP（在系統可編程）/IAP（在應用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器，可通過串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下載用戶程序，數秒即可完成一片7.共3個16位定時器/計數器。即定時器T0、T1、T28.外部中斷4路，下降沿中斷或低電平觸發電路，PowerDown模式可由外部中斷低電平觸發中斷方式喚醒3計數顯示的選擇雙位共陽數碼管結構led數碼管（LEDSegmentDisplays）由多個發光二極管封裝在一起組成“8”字型的器件，引線已在內部連接完成，只需引出它們的各個筆劃，公共電極。數碼管實際上是由七個發光管組成8字形構成的，加上小數點就是8個。這些段分別由字母a,b,c,d,e,f,g,dp來表示。LED數碼管以發光二極管作為發光單元，顏色有單紅，黃，藍，綠，白，黃綠等效果。LED數碼管廣泛用于儀表，時鐘，車站，家電等場合。選用時要注意產品尺寸顏色，功耗，亮度，波長等。多位數碼管時其結構分為共陰和共陽極。我使用的0.56英寸的雙位共陰極8段數碼管其結構如圖所示。透過分時輪流控制各個LED數碼管的COM端，就使各個數碼管輪流受控顯示，這就是動態驅動。每位元數碼管的點亮時間為1～2ms，由于人的視覺暫留現象及發光二極體的余輝效應，盡管實際上各位數碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩定的顯示資料，不會有閃爍感，動態顯示的效果和靜態顯示是一樣的，能夠節省大量的I/O口，而且功耗更低。4時鐘芯片實現現在流行的實時時鐘芯片很多，例如DS1302、DS1307、PCF8485等等。這些芯片的通信接口簡單、芯片價格低廉、使用方便，因此被廣泛地采用。我使用的實時時鐘芯片DS1302，DS1302是美國DALLAS公司推出的一種較高性能、，具有低功耗和帶RAM的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、周、時、分、秒進行計時，同時具有閏年補償的功能，其工作電壓為2.5V～5.5V。采用三線SPI接口和CPU或者MCU進行同步通信，這個芯片可采用突發方式一次并且傳送多個字節的時鐘信號或RAM數據。DS1302的內部有一個31×8的RAM用于臨時性存放數據的RAM寄存器。DS1302是DS1202芯片的升級產品，與DS1202兼容，與DS1202相比增加了主電源/后備電源雙電源引腳，同時提供了對后備電源進行涓細電流充電的能力。所以說DS1302芯片操作方便使用成熟，并可以保證我們的應用需要的時間的精準度。3硬件設計1系統電源設計對于一個系統來講，有一個穩定可靠地電源是必要的。為了提高電源可靠性、簡化供電電路、適應多種不同電源供電，本系統采用外部電源適配器與板載穩壓芯片結合的方法給電路供電。由于板載輸入電源芯片采用的是低壓差的AMS1117-5.0其適應外部直流供電，范圍為5-15V，所以我們只需要一個5-15V的直流源就行?；蛘邽榱诉m應220V的交流供電我們的板子上面有一個Mini_UAB_A型接口，可以選擇手機充電器作為電源適配器，通過一根MP3/MP4的USB線連接到板子就可以。為適應單片機、LCD等元器件的5V的供電利用AMS1117-5.0將外部供電穩壓為5V。AMS1117為低壓差的穩壓芯片，最大可提供1A電流此時最小壓差僅為為1.2V。我采用的是SOT-223封裝形式。外部輸入我采用500mA的1206封裝的自恢復保險，以保證系統用電的安全，避免短路等意外情況發生。為提高電源質量輸入采用22uF電解電容和0.1uF瓷片電容濾波，輸出采用10uF電解電容和0.1uF瓷片電容濾波。系統電源2單片機最小系統設計40腳為單片機電源提供引腳外接5V直流電源，C3和C4用于電源的去耦，以提供良好的電源品質。9腳為單片機復位引腳，當9腳的電平為高電平時單片機處于復位狀態，為低時單片機正常運行，K1開關用來進行手動復位選擇。C1和R10共同組成單片機上電復位電路，當單片機接通電源以后由于C1兩端的電壓不會突變會有一個上升的過程，而C1和R10串接在VCC和地兩端所以RST引腳的電壓為VCC-電容電壓，上電初期電容電壓非常小，所以單片機處于復位狀態，復位時間取決于R和C的取值，大約為R*C。18和19腳為外部晶振接口，單片機的時鐘由外部晶振和內部的晶體振蕩電路組成，STC89C52單片機最高可以運行在40MHz，C2和C5為晶振電路負載電容，與晶振共同使時鐘產生。31引腳為內部或者外部存儲器選擇引腳，當31引腳為高電平時單片機的程序運行從內部FLASH執行，當尋址范圍超過8K時使用外部存儲器。當31引腳為地電平時單片機默認為使用外部程序存儲器。單片機最小系統3數碼管顯示電路設計數碼管驅動電路4紅綠燈電路設計紅綠燈的功率較大需要一個驅動電路的連接才能提高足夠的功率使LED燈發光，我采用的是ULN2003反相驅動器進行LED紅綠燈的驅動。ULN2003是大電流驅動陣列,多用于單片機、智能儀表、PLC、數字量輸出卡等控制電路中?？芍苯域寗永^電器等負載。輸入5VTTL電平，輸出可達500mA/50V。ULN2003是高耐壓、大電流達林頓陳列,由七個硅NPN達林頓管組成。該電路的特點如下:ULN2003的每一對達林頓都串聯一個2.7K的基極電阻,在5V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路直接相連,可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數據。ULN2003是高壓大電流達林頓晶體管陣列系列產品,具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負載能力強等特點,適應于各類要求高速大功率驅動的系統。ULN2003內部原理4軟件設計1系統運行流程圖系統運行流程如圖所示，系統上電以后首先等待功能按鍵（KSTATE（特殊狀態按鍵）、KYEL（夜間模式按鍵）、KALL（全亮按鍵））是否按下，如果該按鍵按下那么系統將會進入運行狀態，系統運行主要在定時器1中斷函數中和main函數中進行，交通燈的邏輯運行判斷主要在定時器1的中斷函數中執行，特殊狀態和紅綠燈時間的設定主要在主函數中執行。系統運行流程1系統運行流程圖功能按鍵設定2單片機編程方法和軟件Keil軟件界面3交通燈狀態跳轉實現STC單片機的定時器1相比于傳統的單片增加了了一個時鐘選擇功能，如圖4.5所示。時鐘的選擇通過STC單片機的下載器選擇，選用/6模式可以使定時器的時鐘頻率加倍，由于我們這個系統需求的頻率不高以及簡化編程方式所以我使用與傳統MCS-51單片機兼容的/12模式。定時器1通過TMOD寄存器進行設置通過TCON寄存器進行控制其中TMOD寄存器是不可以進行位尋址的高四位為定時器1配置位低四位為定時器0配置位，TCON是可以進行位尋址的，主要使用TR1進行定時器的啟動和停止和TF1表示定時器1溢出計數標志如果響應了中斷該位自動清0，如果不響應中斷的話那么需要通過軟軟件對該位進行清除。定時器1的可以選擇為定時器或者計數器模式，通過TMOD第6位C/T位進行設置本設計使用定時器模式所以該位應該為0。第7為GATE位用于選擇是否使用P3.3的INT1引腳對定時器進行控制，如果置位該位那么當INT1引腳為低電平時才進行計數，由于我的設計與外部沒有交互所以置位位0。由于我們只使用計數模式并且需要1s的時間跳動所以我門采用定時器1的方式1的16位計數方式。所示TMOD配置寄存器高4位的值應該為1只將TMOD的M0位置位。計數器1結構結論隨著社會的發展現代社會的道路車流人流量的增加使得對道路的交通燈控制系統的控制需求也更加的復雜。本文對如何設