基于单片机的车辆闯红灯监控系统设计Word文档下载推荐.docx
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2.2单片机车辆闯红灯监控系统的功能要求3系统硬件电路的设计
3.1系统硬件总电路图
3.2系统硬件总电路构成及原理
3.3其它硬件介绍及连接4系统软件程序的设计
4.1程序主体设计流程
4.2理论基础知识
4.3子程序模块设计结论
致谢
参考文献
城市交通是城市活动的重要组成部分,犹如人体的动脉,维系着整个城市的正常运转。
随着人口的增多、科技的进步和城市规模的扩大,交通方式由原来简单的车马舟船,演变为现在的火车、汽车、地铁、飞机等各种综合型的运输方式。
交通作为现代城市的重要体现和标志,见证着每一个城市的历史与文明、发展与兴衰。
随着城市经济的飞速发展、城市化进程的加快,大量的人口涌入城市,造成市区人口稠密,社会经济发展、城市化和机动化进程的加快,使许多中心城市的交通在飞速发展的同时也对交通设施的建设提出了更高的要求。
以前普通的交通控制器能根据事先给定的时间进行通道的通禁控制,以达到自动控制的目的,但由于如今车辆的迅速增多,给城市交通增加了严重的负担,而交通灯在其中正扮演着越来越重要的角色。
因此,要求寻找一种可以随时针对通道上车辆的密集程度来控制和调节主支干道的通禁时间,从而减少不合理的堵车现象的发生。
目前单片机技术发展迅速,单片机技术使得电子电路设计者的工作仅限于利用硬件描述语言和单片机软件平台来完成对系统硬件功能的实现,极大地提高了设计效率,缩短了设计周期,节省了设计成本。
因此,在设计中采用单片机技术,应用目前广泛应用的VHDL硬件电路描述语言,实现交通灯系统控制器的设计,利用MAX+PLUSⅡ集成开发环境进行综合、仿真,并下载到CPLD复杂可编程逻辑器件中,完成系统的控制作用。
1单片机控制交通灯的背景
1.1交通灯的背景
1.1.1交通灯的历史
19世纪初,在英国中部的约克城,红、绿装分别代表女性的不同身份。
其中,着红装的女人表示我已结婚,而着绿装的女人则是未婚者。
后来,英国伦敦议会大厦前经常发生马车轧人的事故,于是人们受到红绿装启发,1868年12月10日,信号灯家族的第一个成员就在伦敦议会大厦的广场上诞生了,由当时英国机械师德·
哈特设计、制造的灯柱高7米,身上挂着一盏红、绿两色的提灯--煤气交通信号灯,这是城市街道的第一盏信号灯。
在灯的脚下,一名手持
长杆的警察随心所欲地牵动皮带转换提灯的颜色。
后来在信号灯的中心装上煤气灯罩,它的前面有两块红、绿玻璃交替遮挡。
不幸的是只面世23天的煤气灯突然爆炸自灭,使一位正在值勤的警察也因此断送了性命。
从此,城市的交通信号灯被取缔了。
直到1914年,在美国的克利夫兰市才率先恢复了红绿灯,不过,这时已是“电气信号灯”。
稍后又在纽约和芝加哥等城市,相继重新出现了交通信号灯。
1.1.2交通灯的出现
随着各种交通工具的发展和交通指挥的需要,第一盏名副其实的三色灯(红、黄、绿三种标志)于1918年诞生。
它是三色圆形四面投影器,被安装在纽约市五号街的一座高塔上,由于它的诞生,使城市交通大为改善。
黄色信号灯的发明者是我国的胡汝鼎,他怀着“科学救国”的抱负到美国深造,在大发明家爱迪生为董事长的美国通用电器公司任职员。
一天,他站在繁华的十字路口等待绿灯信号,当他看到红灯而正要过去时,一辆转弯的汽车呼地一声擦身而过,吓了他一身冷汗。
回到宿舍,他反复琢磨,终于想到在红、绿灯中间再加上一个黄色信号灯,提醒人们注意危险。
他的建议立即得到有关方面的肯定。
于是红、黄、绿三色信号灯即以一个完整的指挥信号家族,遍及全世界陆、海、空交通领域了。
1.2单片机简介
1.2.1单片机的发展历程
单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支,也是颇具生命力的机种。
单片机微型计算机简称单片机,特别适用于控制领域,故又称为微控制器。
在MCS-51系列单片机中,有两个子系列:
51子系列和52子系列。
每个子系列有诺干中型号。
51系列有8051、8751和8031三个型号,后来经过改进产生了80c51、87c51、80c31三个型号;
52系列有5021、8752、8032三个型号,改进后的型号是80c52/87c52、80c32。
改进后的型号更加省电。
52系列比对应的51系列增加了定时器T2并将内部程序存贮器增加到8KB。
Inter公司停止生产MCS-51系列单片机之后将生产权转让给了许多其他公司,于是出现了许多与Mcs-51兼容的单片机。
现在生产mcs-51兼容单片机的公司对其进行了不同程度的改进和提高。
我们现在使用比较的多的是AT89C51/AT89s51等。
通常,单片机由单块集成电路芯片构成,内部包含有计算机的基本功能部件:
中央处理器、存储器和I/O接口电路等。
因此,单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合,便可成为一个单片机控制系统。
单片机经过1、2、3、3代的发展,目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展,它们的CPU功能在增强,内部资源在增多,引角的多功能化,以及低电压底功耗。
1.2.2单片机的特点
(1)性价比高,开发周期短,易于产品化,
(2)集成度高,可靠性好,抗干扰性强,
(3)功能完善,接口多样,
(4)低功耗、低电压
一般电源供电电压在5~3V范围内单片机都能正常工作,供电的下限可达1~2V。
(5)总线多样,易于扩展
单片机外部的典型三总线结构,方便系统构扩展,构成各种规模的应用系统。
外部总线增加了I2C及SPI等串行总线方式,可根据需要进行并行或者串行扩展。
1.2.3MCS—51单片机内部结构有8大部分
①.一个8位的中央处理器CPU(又称为微处理器)
中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件,是8位数据宽度的处理器,能处理8位二进制数据或代码,CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作,完成运算和控制输入输出功能等操作。
②有128字节的片内数据存储器RAM。
8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元,它们是统一编址的,专用寄存器只能用于存放控制指令数据,用户只能访问,而不能用于存放用户数据,所以,用户能使用的RAM只有128个,可存放读写的数据,运算的中间结果或用户定义的字型表。
③.4KB片内程序存储器ROM或EPROM
8051共有4096个8位掩膜ROM,用于存放用户程序,原始数据
④.片内18个特殊功能寄存器(SFR)
⑤.4个8位的并行输入输出I/O口(PIO)
8051共有4组8位I/O口(P0、P1、P2或P3),用于对外部数据的传输
P0口
P0.0~P0.7
输入与输出
分时的传送地址低8位与数据线
P1口
P1.0~P1.7
无第二功能
P2口
P2.0~P2.7
传送地址的高8位
P3口
P3.0~P3.7
P3.0—RXD:
串行口输入端
P3.1—TXD:
串行口输出端P3.1—TXD:
串行口输出端
P3.2— :
外部中断0中断请求输入端P3.3— :
外部中断1中断请求输入端P3.4—T0:
定时器/计数器0外部输入端P3.5—T1:
定时器/计数器1外部输入端P3.6— :
外部数据存储器写选通信号P3.7—:
外部数据存储器读选通信号
⑥.1个串行口I/O(SIO/UART)完成单片机与其他微机的之间的串行通信
⑦.2/3个16位定时器/计数器(TIMER/COUNTER)
⑧.可处理5个中断源,两级可程序优先级的中断系统
其中含有MCS-51指令集含111条指令,按照指令操作功能话费有五类:
<
1>
数据传送指令(28)
2>
算术运算指令(24)
3>
逻辑运算及转移指令(25)
4>
控制转移指令(22)
5>
位操作指令(12)
1.2.4单片机的内部结构图
除去图中的存储电路和I/O部件,剩下的是CPU,它可以分为运算器和控制器两部分。
运算器功能部件包括算术逻辑运算单元ALU、累加器ACC、寄存器B、暂存寄存器TMP1、TMP2、程序状态字寄存器PSW等。
控制器功能部件包括程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID、定时控制逻辑电路CU、数据指针寄存器DPTR、堆栈指针SP及时钟电路等。
图1-1单片机内部结构图2单片机车辆闯红灯监控系统总体设计
2.1单片机车辆闯红灯监控系统通行方案设计方案一:
在十字路口四个干道处50米处安装红外对管,检测车辆堵车时间,当红外对管的信号屏蔽较长时间时,即判断此路口为繁忙,自动切换为绿灯,以保障通行,同时红外对管也可以用来作为车辆计数器。
在四个干道的黄线外地下设置地感线圈,当该干道为红灯状态时,启动地感线圈,如果有车闯红灯时,由于车的金属材质引起线圈的振荡频率改变,送出一个电平变化给单片机的判断口,从而进入报警程序,发出声光警报。
方案二:
设在十字路口,分为东西直行、东西左拐和南北直行、南北左拐,在任一时刻只有一个方向通行,另外三个方向禁行,持续一定时间,经过短暂的过渡时间,依次进行通行禁行方向轮流转换。
其具体状态如下所示。
交通状态从状态1开始变换,直至状态8然后循环至状态1,周而复始,闯红灯用微动开关的电平
变化来模拟,设置二个按键,按键1为繁忙检测,当按下为3秒时,启动状态转换,该干道变为绿灯,按键2为闯红灯检测,用下降沿触发给单片机的中断口一个中断信号,触发送出声光警报,而设置加减倒计时则用遥控器实现。
综合比较方案,认为方案二更方便可行,方便功能实现。
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,以指挥该路口的实时通行状态。
本设计主要做了如下几方面的工作:
一是确定系统交通控制的总体设计,包括,十字路口具体的通行禁行方案设计以及系统应拥有的各项功能,在这里,本设计除了有信号灯状态控制能实现基本的交通功能,还有倒计时显示提示,基于题目要求,又要求了具有智能调度功能,当侦测某一通道繁忙另一通道空闲时,能自动调整红绿灯时间。
紧急状况处理:
当有紧急通行车辆(如消防车、救护车、警车)要求通过时,能自动开通该通道而关闭另一通道。
违规检测及处理,遥控可设置等强大功能。
二是进行软件系统的设计,对于本系统,本团队采用单片机C语言编写,对单片机内部结构和工作情况做了充足的研究,了解定时器,中断以及延时原理,总体上完成了软件的编写。
2.2单片机车辆闯红灯监控系统的功能要求
本设计能模拟基本的交通控制系统,用红绿黄灯表示禁行,通行和等待的信号发生,还能进行倒计时显示,自动检测繁忙,交通违规处理和紧急处理等功能。
(1)倒计时显示和状态显示
倒计时显示可以提醒驾驶员在信号灯灯色发生改变的时间、在“停止”和“通过”两者间作出合适的选择。
倒计时显示是用来减少驾驶员在信号灯色改变的关键时刻做出复杂判断的1种方法,它可以提醒驾驶员灯色发生改变的时间,帮助驾驶员在“停止”和“通过”两者间作出合适的选择。
状态1
状态2
状态3
状态4
状态5
状态6
状态7
状态8
东西直行
通行
等待变换
禁行
南北直
等待变
行
换
东西左拐
南北左拐
(2)闯红灯检测
现阶段,车辆检测器检测方式有很多,各有其优缺点,如红外线检测器、地磁检测器、机械压电检测器,磁频检测器、波频检测器、视频检测器等。
一般闯红灯采用传感器+单片机+外围器件来实现。
因为闯红灯的速度快,所以用下降沿触发的中断信号。
(3)时间手动设置
除系统根据车流量自动控制调整,也可以通过遥控进行手动设置,增加了人为的可控性,避免自动故障和意外发生,并再紧急状态下,可设置所有灯变为红灯。
键盘是单片机系统中最常用的人机接口,一般情况下有独立式和行列式两种。
前者软件编写简单,但在按键数量较多时特别浪费I/0口资源,一般用于按键数量少的系统。
后者适用于按键数量较多的场合,但是在单片机I/0口资源相对较少而需要较多按键时,此方法仍不能满足设计要求。
本系统创造性的用了遥控器来控制,省掉了按键的烦恼。
(4)紧急处理
交通路口出现紧急状况在所难免,如特大事件发生,救护车等急行车通过等,我们都必须尽量允许其畅通无阻,毕竟在这种情况下是分秒必争的,时时刻刻
关系着公共财产安全,个人生死攸关等。
由此在交通控制中增设禁停遥控,就可达到当有紧急通行车辆(如消防车、救护车、警车)要求通过时,能自动开通该通道而关闭另一通道。
(5)违规检测
如闯红灯等,也时有发生,交警等交通管理人员虽然可以进行实时监管,但是耗费精力,在路口设置检测传感器就可以进行自动的警报提示。
除了红灯警报,为了超越视觉指挥的局限性,同时接上蜂鸣器,在听觉上加强了指挥提醒作用。
据此,本设计系统以单片机为控制核心,由车流量检测模块,违规检测模块,和遥控设置模块等产生输入,信号灯状态模块,LED倒计时模块和蜂鸣器状态模块接收输出。
车流量传感器
8段LED数码管显示
最小系统外围接口电路
按键控制
蜂鸣器
红黄绿信号灯
单片机
系统的总体框图如上所示。
遥控设置模块对系统输入模式选择及具体通行时间设置的信号,系统进入正常工作状态,执行交通灯状态显示控制,同时将时间数据倒计时输入到LED数码管上实时显示。
在此过程中还要实时捕捉违规检测和紧急按键信号,以达到对异常状态进行实时控制的目的。
急停按键和违规检测随时调用中断。
在模式选择上,若为自动模式,将不断调用车流量检测模块对车流量进行检测统计,到达一定时间将修正通行时间以满足不同路况的需要。
3系统硬件电路的设计
原理图设计
PCB设计
实现本设计要求的具体功能,可以选用AT89C52单片机及外围器件构成最小控制系统,16个发光二极管分成4组红绿黄蓝四色灯构成信号灯指示模块,两位数码管构成倒计时显示模块,堵车繁忙检测,闯红灯信号检测,采用遥控控制时间设置和紧急情况调控等,以及用1个蜂鸣器和1个红灯进行报警,因时间紧迫,传感器和光敏接收器用按键触动来模拟。
3.2.1系统硬件电路构成
本系统以单片机为核心,组成一个集车流量采集、处理、自动控制为一身的闭环控制系统。
系统硬件电路由车流量检测电路、单片机、违规检测电路,状态灯,LED显示,按键,遥控器,蜂鸣器组成。
其中P0,P2,用于送显两片LED数码管,组成动态扫描电路,P0用于控制红绿黄蓝发光二极管,XTAL1和XTAL2接入晶振时钟电路,REST引脚接上复位电路,P3.2即INT1接违规检测电路和紧停/东西时间设置键J,P3.3即INT0接车流量检测电路,P2.6接警示灯,P2.7接蜂鸣器。
3.2.2系统工作原理
系统上电或手动复位之后,系统等待模式选择设置键按下,模式分两种:
红绿灯时间自动和红绿灯时间设置。
首先显示00,接着由遥控器进行加计数,接着按遥控器的确认键,开始倒计时,同时状态灯开始按规律进行显示。
时间到达一个状态所要全部时间,则要进行下一状态判断及衔接,并装入次状态的相应状态码值以及时间值,
当然,还要开启两个外部中断,其一为违规信号或禁停信号输入,一旦主干道红灯信号有效,中断开始,进入中断服务子程序,开启蜂鸣器禁止全部通行,当断开按键,中断结束返回。
其二为车流量检测信号输入,若检测到车辆经过,进入相应的中断子程序,将存储车流量的寄存器加1,然后中断结束返回。
每满一个状态循环周期,若为自动模式,则须将检测到的车流量数据处理一次,判断两个方向的交通轻重缓急状况,再调整下次状态循环的红绿灯时间,以达到自动控制的目的。
3.3其它硬件介绍及连接
3.3.1车辆繁忙检测电路及模拟
为了达到对红绿灯的时间控制,需要对道路上的车流量进行检测。
当前比较流行的车流量检测器件,是一种自感式的车辆传感器。
其工作原理是当车辆经过传感器时,引起其自感的变化,考虑到单片机系统的便利性,本次设计用一种手动的操作方式,即车流量的检测电路用微动开关代替。
其基本思路为:
当车流量大时,由微动开关送出一个高低电平变化,引起状态灯进行切换。
3.3.2违规检测电路及模拟
在红灯和黄灯期间,车辆是禁行的,为了对那些违反规则的车辆进行检测,可使用超声波车辆传感器。
但是,用于受到条件的限制,本系统设计中只是使用了微动开关模拟。
因为时间有限制,我们团队用开关模拟闯红灯的操作,即在主干道红灯时,开关给个电平变化给单片机的中断入口,进行判断,从而进行相应操作。
3.3.3两位LED数码管
我们采用的是两位的共阳LED数码管,一个LED数码管就有两根位选线和8根段选线,要想显示一个数值,就要分别对它们的高低电平来加以控制,用动态扫描显示两位数字。
显示数值
g,f,e,d,c,b,a,dp
驱动代码
10000001
81H
1
11110011
F3H
2
01001001
49H
3
01100001
61H
4
00110011
33H
5
00100101
25H
6
00000101
05H
7
11110001
F1H
8
00000001
01H
9
00100001
21H
表3.1 驱动编码表
3.3.4其它器件
(1)发光二极管
根据本设计的特点,红绿灯的显示不可少,红绿灯的显示采用普通的发光二极管。
每个方向上设置红绿黄蓝灯,总共4组。
如果东西红灯亮,那南北方向就是绿灯亮,反之亦然,所以在硬件上连接图上也是对称分布的,如下图3.8所示。
2)蜂鸣器
本设计采用一般蜂鸣器,蜂鸣器使用PNP三极管进行驱动控制,当P2.7引脚输出为低电平,PNP导通,蜂鸣器蜂鸣;
当P2.7引脚输出高电平时,PNP截止,蜂鸣器停止蜂鸣。
如下图3.9所示
(3)按键控制
图3.9蜂鸣器
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- 关 键 词:
- 基于 单片机 车辆 闯红灯 监控 系统 设计