基于单片机的交通灯自动控制器设计.docx
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基于单片机的交通灯自动控制器设计
毕业设计(论文)
题目:
基于单片机的交通灯自动控制器设计
学院:
机电工程学院
专业班级:
指导教师:
职称:
副教授
学生姓名:
学号:
摘要
随着现代社会对交通运输的日趋依赖,交通灯成为了人们生活中不可或缺的一部分。
传统的交通灯控制系统虽然在一定程度上可以满足指挥路口交通的需要,但随着城市规模的不断扩大,原有的交通灯控制系统已经表现出明显的缺点:
红绿灯时间相对固定,不能伴随车流量的改变而调整红绿灯的显示时间。
本设计以AT89C51单片机为核心,外接外围电路构成基本电路,使硬件电路能适应所完成的控制功能。
在Keil软件中编写C语言程序,最后用Proteus软件进行仿真,基本实现了智能交通灯的模拟。
该系统可控制红、绿、黄灯按时间依次变换,并有倒读秒功能。
在此基础上,通过传感器对车流量的情况进行数据采集。
将采集的数据传送给控制中心,进行分析比较。
根据比较的结果,将具体的车流量转换成两相位车流量大小的比值。
根据比值转换成对红绿灯时间的控制,使交通信号灯时间可根据车流量改变,提高了交叉口的通行效率。
关键词:
单片机,交通灯,数码管显示,传感器检测
ABSTRACT
Withtheincreasingrelianceontransportationinmodernsociety,trafficlightshavebecomeanintegralpartofpeople'slives.Althoughthetraditionaltrafficlightcontrolsystemcanmeettheneedsofthecommandjunctiontraffictoacertainextent,withthecontinuousexpansionofthecityscale,theoriginaltrafficlightcontrolsystemhasshownobviousshortcomings:
thetrafficlighttimeisrelativelyfixed,andcannotbeadjustedwiththechangeofthetrafficflow.
ThedesigntakestheAT89C51singlechipmicrocomputerasthecore,whichconnectstheperipheralcircuittoformthebasiccircuit,sothatthehardwarecircuitcanadapttothecompletedcontrolfunction.ClanguageprogramiswritteninKeilsoftware,andfinallythecircuitdiagramissimulatedwithProteussoftware,thenthesimulationofintelligenttrafficlightsisbasicallyrealized.Thesystemcancontrolthered,greenandyellowlampstochangeinturn,andhasthereversereadingfunction.Basedonthis,thedatacollectionoftrafficflowthroughsensoriscarriedout.Thedataistransmittedtothecontrolcenterforanalysis.Accordingtothecomparison,thesizeofthespecifictrafficflowismadetheratioofthetraffic.Accordingtotheratioconversion,thetrafficlighttimecanbechangedaccordingtothetrafficflow,whichcanimprovethetrafficefficiencyoftheintersection.
KEYWORDS:
singlechipmicrocomputer,thetrafficlight,digitaltubedisplay,sensingdetection
诚信声明
第1章绪论
1.1课题背景及意义
1858年,在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红,蓝两色的机械扳手式信号灯,用以指挥马车通行。
这是世界上最早的交通信号灯。
1868年,英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上,安装了世界上最早的煤气红绿灯。
它由红绿方形玻璃提灯以旋转式组成,红灯表示“停止”,绿灯表示“注意”。
电气启动的红绿灯出现在美国,这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成,1914年始安装于纽约市5号大街的一座高塔上。
红灯亮表示“停止”,绿灯亮表示“通行”。
1918年,又出现了可以用带控制的红绿灯和红外线红绿灯。
带控制的红绿灯有两种,一种是用扩音器来启动红绿灯,司机遇到红灯时按一下嗽叭,就使红灯变为绿灯;另一种是把压力探测器安在地下,车辆一接近红灯便变为绿灯。
红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时,它就能感应到有人要过马路。
红外光束能延长信号灯的红灯一段时间,延迟汽车放行,从而避免发生交通事故。
交通对于社会的工业经济和人们的生活生产中有着十分重要的意义。
交通控制系统是近现代社会随着物流、出行等交通发展产生的一套高效的公共管理系统。
要保证高效安全的交通秩序,除了制定一系列的交通规则,还必须通过一定的技术手段加以实现。
单片机和传感技术的迅速发展带动自动检测领域发生巨大变化,智能交通灯控制系统方面的研究有了明显的进展,同时必将以其较高的性能价格比,逐步代替传统的交通灯控制措施。
科学技术的进步推动了交通工具的现代化,社会经济的发展则带来了交通量的急剧增长并进一步加剧了交通拥挤严重程度,城市交通的规模与复杂特征、传统交通控制和交通拥挤一直是困扰世界各国的一大难题,目前我国国内百万人以上的大城市每年由交通阻塞造成的直接或间接经济损失约计1600亿元,相当于国内生产总值的3.2%。
解决城市交通问题的根本路径大致有两条:
一是加快交通基础设施建设;二是加强交通管理。
前者在于满足各种交通需求的物质基础,而后者则在于更加合理使用现有交通设施。
二者相比,由于大城市新建和扩建道路的可能性越来越小。
当前城市交通管理便侧重于加强交通管理,对平面交叉口的研究一般都是应用交通信号在时间上给车辆分配通行权,从而实现车辆在时间上的分离。
现代城乡交通管理的重要课题在于实现红、黄、绿灯的自动指挥。
在城乡街道的十字路口,为了保证交通秩序和行人安全,一般在每条道路上各有一组红、绿、黄交通信号灯。
其中红灯亮,表示禁止通行;黄灯亮,则表示该条道路上未经过停车线的车辆停止通行,已过停车线的车辆继续通行;绿灯亮,则表示允许通行。
交通灯控制系统控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换,指挥各种车辆和行人安全通行,从而实现十字路口城乡交通管理自动化。
交通关系着人们的财产,安全和时间。
具有高效科学的交通控制技术对人们出行都是十分有价值的,保证交通线路的畅通安全,才能保证出行舒畅,甚至是生命通道的延伸。
1.2我国交通灯现状
目前我国城市街道交叉路口的交通信号灯虽然是自动的,但是观察后发现这些红绿灯的交替转换都是定时式的,即转换的间隔时间是固定不变的。
定时式显然不符合实际生活的要求。
当东西和南北两方向车流量相差很大,而信号灯还是分配相同的间隔时间,就会出现车多的方向导通时间不足,而车少的方向导通时间剩余,造成一方向车量拥挤挤另一方向车量宽松的不合理的局面,这就是人工现场指挥优于机器自动控制的原因。
但是人工指挥劳动强度大代价高,我们应充分发挥计算机的价值,用计算机模拟人的智能来控制交通灯,从而提高经济和社会效益。
1.3设计任务和要求
设计任务及目的:
通过本次毕业设计,熟悉单片机的C语言的编写,学习和了解一些单片机的知识,再通过作电路图提高自己的实践能力;另外,通过智能交通信号灯控制系统的设计,掌握单片机的定时/计数器的使用,会编写单片机的简单程序,充分发挥个人能力,最终设计出一套带有特殊功能的交通灯控制系统,并用实物模拟出来。
设计要求:
所完成的系统
(1)能完成传统的交通灯系统的一般工作,即红绿灯指示;
(2)倒计时由数码管显示;(3)通过按键模拟道路通过的车流量大小,并改变交通灯的显示时长。
1.4论文结构
基于整个交通控制系统的发展情况,本设计主要进行如下方面的研究:
用智能,集成,且功能强大的单片机芯片为控制中心,设计出一套十字路口的交通控制系统,以指挥路口的实时通行状态。
在绪论部分讲述了本课题的研究背景与意义、国内交通灯的现状以及智能交通控制系统的研究。
在第二章中,基于绪论部分对单片机智能交通灯控制系统的了解以及现实生活中的需要,根据设计要求提出总体设计方案论证与选择,介绍了智能交通灯控制系统的基本构成及原理。
在一、二章的基础上,第三章完成了硬件的选型以及硬件电路的设计。
第四章首先根据软件设计流程图简要介绍了软件设计,并介绍了各个程序模块的基本设计思想。
第五章简要介绍了proteus软件及电路绘制并且详细叙述了如何实现电路的仿真。
最后是对本课题的致谢、参考文献、附录等关于本次毕业设计的后续工作。
第2章系统方案设计与要求
2.1单片机交通灯控制系统通行方案设计
在交通道路上的十字路口的东西和南北方向分别设置一个红绿灯,在这种情况
下,只能有一方向的车辆通过,而另一个方向的车辆等待红灯,经过一段时间后,将禁行的方向转换到另一个方向。
具体的显示状态如下图(图2-1)。
说明:
黑色代表指示灯亮,白色代表指示灯灭。
图2-1交通状态
南北方向只红色指示灯亮,倒计时40秒;东西方向只绿色指示灯亮,倒计时35秒。
此交通指示灯状态下,南北方向的车辆禁行,但东西方向车辆可以通行。
东西方向只黄色指示灯亮,倒计时5秒;南北方向红色指示灯亮。
此交通指示灯状态下,除了已经正在通行中的车辆外其他所有车辆都需等待指示灯转换到绿灯状态才能通行。
南北方向只绿色指示灯亮,倒计时35秒;东西方向只红色指示灯亮,倒计时40秒。
此交通指示灯状态下,南北方向的车辆可以通行,但东西方向车辆禁行。
南北方向只黄色指示灯亮,倒计时5秒;东西方向红色指示灯亮。
此交通指示灯状态下,除了已经正在通行中的车辆外所有车辆都需等待指示灯到绿灯状态才能通行。
交通灯状态和通行状态关系如表2-1:
表2-1交通灯状态和通行状态关系
状态1
状态2
状态3
状态4
南北向
禁行
等待变换
通行
等待变换
东西向
通行
等待变换
禁行
等待变换
南北红灯
1
1
0
0
南北黄灯
0
0
0
1
南北绿灯
0
0
1
0
东西红灯
0
0
1
1
东西绿灯
1
0
0
0
东西黄灯
0
1
0
0
十字路口的两个方向均有3个红绿黄LED显示灯和4个显示通行时间的数码显示管,无论在任何通行路口,遇红灯代表车辆禁行,绿灯代表车辆通过,黄灯代表通行状态即将改变。
交通指示灯状态及车辆通行状态如表2-1所示。
说明:
1表示指示灯亮,0表示指示灯灭。
2.2单片机交通灯控制系统的功能要求
2.2.1显示模块功能
显示模块主要通过数码管显示和LED显示实现其功能,车主可以根据数码管倒计时显示查看当前的通行状态,在“停止”和“通过”两者之间作出正确的选择。
根据调查显示驾驶员和行人普遍都认为有倒计时显示功能交通灯的的路口相对来说更安全,交通秩序更好。
因为有倒计时显示能够让驾驶员在交通指示灯发生变化时做出正确的判断,也可以提醒驾驶员指示灯颜色即将发生改变的时间,帮助驾驶员在“停车”和“通行”之间作出合适的选择。
所以通过两种显示模块的结合,使本设计更合理可靠。
2.2.2按键模块功能
本设计可以通过键盘模块对交通灯模式进行手动控制,使人为操作的可能性大大的提高,当有紧急事故发生时,能够通过按键及时的调整交通指示灯。
本交通灯模型的运行模式可以通过按键进行设置,当复位按键按下时整个系统会恢复到最初的状态;东西通行时东西方向上是绿灯亮,但是南北方向上是红灯亮;南北方向通行时南北交通灯的绿灯亮,东西方向上的红灯亮。
本系统对按键要实现的控制功能要求不多,因此可直接采用独立式对键盘功能进行设置。
2.2.3车流量检测模块功能
目前的交通灯的通行时间都是固定时间,不能及时根据道路上车流量的多少来改变通行的时间,因此会造成交通拥挤。
本设计希望能通过增加检测车流量的模块功能来缓解这一问题,这样可以在上下班高峰期的时候能够更有效的管理交通。
车流量检测模块是通过两个红外接近传感器对东西以及南北方向的车流量进行检测,然后将检测到的车流量信息转换成电信号传递给单片机使高低电平发生变化进行计数,并在车辆达到程序设定数值时自动调整南北向和东西向的通行时间,从而实现道路车流量的调节,提高道路的利用率。
2.3单片机交通控制系统的基本构成及原理
本设计采用AT89C51单片机以及单片机、晶振电路、复位电路组成的单片机最小系统和按键控制、数码管显示、LED显示、车流量检测等部件。
本交通灯控制系统以单片机作为主控系统控制交通信号灯的状态变化,接入LED数码管就可以显示倒计时。
本设计在基本功能的基础上,加入车流量检测模块采集车辆信息,方便单片机控制系统及时调整下一时间段的通行时间。
同时该交通控制系统具有紧急处理模块,当有突发情况时交通路口指示灯均亮红灯,此时普通禁止通行,当紧急车辆通过后,交通灯恢复到正常通行状态。
系统的总体框图如图2-2所示:
图2-2系统的总体框图
第3章系统硬件电路的设计
3.1车流量检测系统
车流量检测系统传感器有两种方案如下:
方案一:
采用遥感微波检测器(RTMS)。
微波交通检测器是利用雷达线性调频技术原理,通过发射中心频率为10.525GHz或24.200GHz的连续频率调制微波(FMCW);在检测路面上,投映一个宽度为3-4米,长度为64米的微波带。
每当车辆通过这个微波投映区时,都会向RTMS反射一个微波信号,RTMS接收反射的微波信号,并计算接收频率和时间的变化参数以得出车辆的速度及长度,提供车流量、道路占有率、速度和车型等实时信息。
为了检测出车道上车的数量,RTMS在微波束的发射方向上以2M为一个层面分展探测物体,微波束在15度范围内投影形成一个分为32个十层面的椭圆形波束,(椭圆的宽度取决于仪器选择的工作方式),通过这种方式可检测出车量数RTMS具有两种基本的使用模式,分别是路边侧向模式和前方正向模式。
路边侧向模式可以使用一台RTMS同时检测多至8条车道,并提供每条车道的交通信息。
前方正向模式,用一台RTMS实时检测一条单一车道的交通情况。
RTMS的检测精度高,且是一个全天候的车辆检测器。
方案二:
利用红外线车辆检测器。
红外线车辆检测器也分为主动型和被动型,也是一种非地埋式检测器。
主动型红外检测器是利用激光二极管,发射低能红外线照射检测区域,并经车辆的反射或散射返回检测器,能检测如流量、车道占有率、车速、车辆长度和车辆排队长度及车辆分类等交通信息。
被动型红外线检测器本身不发射红外线,而是通过接收来自2个不同来源的红外线而检测车辆信息。
2个不同来源的红外线分别为检测范围内车辆、路面及其他物体自身发出的红外线和它们反射的来自太阳的红外线。
2种工作方式的差别主要在于所依据的红外线来源不同,主动型由检测器发射并接收,被动型由车辆发射,由检测器接收。
红外线车辆检测器主要应用在公路收费系统,用于车辆计数、车辆分离和车型分类。
方案一造价高,且易受环境影响。
方案二性价比高,且设计简单,权衡利弊,故选用方案二。
在本系统中,采用对射式红外线光电开关HJS18-M14DNK检测车流量。
该红外线光电开关工作电压为直流10-30V,检测距离为10m,响应时间小于3ms。
当有车辆通过光电开关之间时,输出端将输出一个开关信号,送入单片机,单片机执行相应程序自动对输入信号进行计数,从而完成对车流量的统计。
3.2单片机最小系统
3.2.1单片机的选型
单片机作为整个硬件系统的核心,它既是协调整机工作的控制器,又是数据处理器。
它由单片机、时钟电路、复位电路等组成。
如图3-1。
图3-1AT89C51单片机引脚图
本设计采用AT89C51单片机作为主控制器如图3-1所示。
AT89C51具有两个16位定时器/计数器,5个中断源,便于对车流量进行定时中断检测。
32根I/O线,使其具有足够的I/O口驱动数码管及交通灯。
外部存贮器寻址范围ROM、RAM64K,便于系统扩展。
其T0,T1口可以对外部脉冲进行实时计数操作,故可以方便实现车流量检测信号的输入。
选用AT89C51单片机跟其他单片机相比,经济实惠,满足设计要求,故选用AT89C51单片机作为主控制器。
单片微型计算机简称单片机,又称微控制器,嵌入式微控制器等,属于第四代电子计算机。
它把中央处理器、存储器、输入/输出接口电路以及定时器/计数器集成在一块芯片上,从而具有体积小、功耗低、价格低廉、抗干扰能力强且可靠性高等特点,因此,适合应用于工业过程控制、智能仪器仪表和测控系统的前端装置。
正是由于这一原因,国际上逐渐采用微控制器(MCU)代替单片微型计算机(SCM)这一名称。
“微控制器”更能反映单片机的本质,但是由于单片机这个名称已经为国内大多数人所接受,所以仍沿用“单片机”这一名称。
单片机的主要特点有:
(1)具有优异的性能价格比。
(2)集成度高、体积小、可靠性高。
(3)控制功能强。
(4)低电压,低功耗。
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内含4kbytes的可系统编程的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准8051指令系统及引脚。
它集Flash程序存储器既可在线编程(ISP)也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯中,ATMEL公司的功能强大,低价位AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合,可灵活应用于各种控制领域。
3.2.2复位电路
复位电路有两种形式:
手动按键上电复位和自动上电复位,在本系统中采用的是手动按键上电复位,电路如图3-2所示。
由RST脚接上电容C1为10uF和R1为4.7K的电阻接地构成。
图3-2 复位电路图
3.2.3时钟电路
时钟电路是由XTAL1和XTAL2之间跨接的晶体振荡器和微调电容C2、C3为30pf构成,电路如图3-3所示。
时钟电路中晶体振荡器的频率高则系统的时钟频率就高,所以该系统采用12MHz晶振。
图3-3 时钟电路图
3.3驱动电路
驱动部分采用74HC245非门来对LED发光二极管进行驱动,当输入为高点平时,输出为低电平。
确保LED发光二极管的稳定性,能更有效地工作。
74HC245是一款高速CMOS器件,74HC245引脚兼容低功耗肖特基TTL(LSTTL)系列。
74HC245八路收发器在发送和接收两个方向上都具有正相三态总线兼容输出。
74HC245的输出使能端(OE)用于实现轻松级联,而发送/接收端(DIR)用于控制方向。
输出使能端(OE)控制输出,使得总线被有效的隔离输出。
管脚说明:
如图3-4。
图3-474HC245芯片引脚图
(1)第1脚DIR,为输入输出端口转换用,DIR=“1”高电平时信号由“A”端输入“B”端输出,DIR=“0”低电平时信号由“B”端输入“A”端输出。
(2)第2~9脚“A”信号输入输出端,A0=B0……A7=B7,A0与B0是一组,如果DIR=“1”OE=“0”则A1输入B1输出,其它类同。
如果DIR=“0”OE=“0”则B1输入A1输出,其它类同。
(3)第11~18脚“B”信号输入输出端,功能与“A”端一样,不再描述。
(4)第19脚OE,使能端,若该脚为“1”A/B端的信号将不导通,只有为“0”时A/B端才被启用,该脚也就是起到开关的作用。
(5)第10脚GND,电源地。
(6)第20脚VCC,电源正极。
3.4交通灯模块
交通灯电路如图3-5所示。
采用trafficlight,有三种颜色指示放行与禁止、等待。
其中,绿灯表示放行,黄灯表示等待,红灯表示禁止。
在设计中总共用到四个trafficlight。
友好的人机界面、灵活的控制方式以及丰富的功能是本设计亮点。
图3-5 交通灯模块
第4章软件设计
硬件平台结构一旦确定,基本功能框架也已经形成。
软件在硬件平台上构筑,完成各部分硬件的控制和协调。
系统功能是由软硬件共同实现的,因为软件的可伸缩性,最终实现的系统功能可强可弱,差别可能很大。
因此,软件是本系统的灵魂。
软件采用模块化设计方法,不但易于编程和调试,也可以减小软件故障率和提高软件的可靠性。
4.1主程序设计
将整个流程分为四个状态如下:
(1)东西绿灯亮,南北红灯亮。
此状态下,东西允许通行,南北禁止通行。
(2)东西黄灯闪烁5s,南北保持红灯亮。
此状态下除了已经正在通行中的其他所以车辆都需等待状态转换。
(3)南北绿灯亮,东西红灯亮。
此状态下,南北允许通行,东西禁止通行。
(4)南北黄灯闪烁5s,东西保持红灯亮。
此状态下除了已经正在通行中的其他所以车辆都需等待状态转换。
主程序采用查询方式定时,获取交通灯的各种状态。
主程序流程图如图4-1所示。
图4-1主程序流程图
4.2车流量采样程序设计
车流量采样程序主要功能是采样各路口的车流量,每次红灯转换成绿灯前两秒对路口车流量进行采样,然后根据采样后得到的车流量的大小来分配红绿灯的时间。
根据两方向车流量的比例分成3个区域:
小于0.7,0.7-1.3,大于1.3。
时间调整在此只划定3个范围。
比例小于0.7,东西表示方向车流量畅通,南北方向车流量拥挤。
时间设置以35为基准,东西绿灯时间减少10s,南北绿灯时间增加10s。
比例为0.7-1.3时,表示南北车流量与东西车流量差距不大,时间设置以35s为基准。
比例大于1.3时,表示东西方向车流量拥挤,南北方向车流量畅通。
时间设置以35s为基准,东西绿灯时间增加10s,南北绿灯时间减少10s。
程序流程图如图4-2所示。
根据红绿灯时间调整原理,一个周期下来,a中存储着东西的车流量,b中存储着的南北车流量,然后根据a/b的大小进行时间调整,具体时间设置表4-1.
表4-1比例及调整时间
东西与南北向比例
0.7以下
0.7-1.3
1.3以上
调整东西向时间
25
35
45
调整南北向时间
45
35
25
图4-2车流量程序流程图
4.3显示程序设计
交通灯的时间显示主要是通过数码管,本设计采用动态显示数码管。
其流程图如图4-3所示。
图4-3显示程序流程图
4.4键扫描程序
键扫描程序采用软件来消除按键抖动,如图4-4。
图4-4键扫描程序流程图
第5章智能交通灯的仿真
5.1Proteus软件介绍
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