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挑战杯作品 智能交通灯演示系统设计报告

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设计报告

智能小车交通演示系统的设计
辅导老师:曹辉
参赛队员：储超
吕倩

陕西师范大学
2009年3月

智能小车交通演示系统的设计
储超 吕倩
（陕西师范大学物理学与信息技术学院，西安,710062)
摘要：该演示系统是由智能小车和交通灯控制系统两部分组成。智能小车与交通灯系统通过单片机进行自动控制。控制系统由单片机系统、键盘、LED显示等组成，除基本交通灯功能外，还具有倒计时显示、紧急情况处理、车流量监测以及根据车辆通畅情况自动调节显示时间等功能.本系统实用性强、操作简单、扩展功能强。
关键字：智能小车 紧急情况 车流量检测 自动调控

1 引言
在街道的十字路口，为了保证交通秩序和行人安全，一般在每个路口各有一组红、黄、绿交通灯。交通灯控制电路自动控制十字路口显示灯的转换,实现交通管理。。
随着车量的增多,给交通带来了很大的压力。为了更好的实现交通道路的管理,要求交通管理更加的先进、科学。我们应用单片机为核心器件实现交通灯的控制系统，可以实现十字路口的无人控制，减轻了交警的工作量。结果证明该系统的实现简单、经济.
2 设计任务及内容
利用MSP430单片机为核心器件设计并制作一个十字路口交通灯控制电路，并制作了智能小车。交通灯控制系统和智能小车的结合，可动态的模拟出实际的交通状况。
在十字路口东西南北各设置红、黄、绿三种信号灯，红、绿、黄发光二极管模拟显示灯,同时用两个数码管倒计时显示点亮的灯还能持续的时间。绿亮表示允许通行，红灯亮表示禁止通行，黄灯亮表示警告。
正常情况下，东西、南北方向轮流放行，实现交通灯定时控制。当出现紧急情况时可由手动实现全路口的交通灯全为红灯，特殊车辆如120等允许通行，紧急情况解除时恢复到原来的状态。系统在各路设置红外接收电路，用来检测车流量并用数码管显示,同时根据车流量系统可自动的调节显示时间。
制作智能小车，当车通过十字路口时，如果交通灯红灯亮，则小车停止通过，绿灯亮则直接通过。

图1：交通灯示意图
3 系统方案选择和论证
3。1 总体方案论证
方案一:选用凌阳单片机。凌阳单片机端口比较少，应用时需要扩展端口，功耗相对较高,
方案二：MSP430系列单片机。该系列端口相对较多，且是超低功耗,具有强大的数据处理能力,容易实现多功能同步操作。
综合分析，我们选择方案二.
3。2 小车制动方案
方案一：采用超声控制.此方案的缺点超声发射功率较小，远距离发射需电压较高.
方案二：采用无线电控制。该方案的优点发射功率高，距离远，而且可发射不同频率的电磁波.
根据需要，我们选择方案二.
3。3 输入输出方案
设计要求系统能手动处理紧急情况，我们讨论了两种方案： 方案一：采用译码器扩展I/O 口及键盘，显示等.该方案的优点是:使用灵活可编程。若用该方案，可提供较多I/O 口,但操作起来稍显复杂。
方案二： 直接在I/O口线上接上按键开关。因为设计时精简和优化了电路，所以剩余的端资源还比较多,我们使用一个按键S1，用于该系统对于交通灯紧急情况的处理。因此,只用单片机本身的I/O 口就可实现，且本身的计数器及RAM已经够用，故选择方案二。
3。4 LED显示器的显示方式
系统要求完成显示倒计时功能.LED显示器有静态显示和动态显示两种方式。
方案一：静态显示。静态显示每位数码管有一个单独的八位端口，在同一时间里每位所显示的字符可以不相同。优点在于软件处理比较简单，缺点是占用I/O口线太多。
方案二：动态显示。动态显示有一个八位端口同时控制两数码管,但每一瞬间只有一个数码管被选通。动态显示的电路结构比较简单，成本较低，当一组显示器中所含数码管较多时，一般采用动态显示方式。
我们所设计的系统中用的数码管比较多,经过考虑我们选用方案二.
3。5 延时选择方案
延时方案我们考虑了两种：
方案一：软件循环延时。该方案通过循环语句实现，延时精确度较差。
方案二:定时器延时。定时器延时采用单片机内部定时器产生溢出中断来确定时间,程序简单,延时精确.
经过仔细的分析和论证，决定这一模块我们最终的选择为方案二。
4 系统硬件电路设计
电路设计部分主要由以下几部分组成：无线电控制系统、单片机最小系统、时间显示电路、交通灯输出电路、按键电路、车流量检测电路等.
4.1 无线电控制系统
当智能小车到达路口的时,如果是红灯亮，则单片机控制发射电路，发出某个频率的信号,当小车上的接收电路接受到该信号的时,小车停止通行；当红灯熄灭时，停止发射信号，小车继续通行。绿灯时直接通行.在东西路口和南北路口,发射的频率信号不同。电路图如图示：
图2
4。2 单片机最小系统
单片机采用TI公司的MSP430247,系统的电路包括复位电路、晶振电路、MSP430单片机芯片、插针等。单片机最小系统电路图如2:

图3
如图所示,电路晶振提供电路工作时序.复位电路是加电时使单片机芯片的I/O口置高电平。接法和其它元器件的参数按图示。
4。3 时间显示电路
数码管采用八个共阴极八段数码管.电路用串口方式显示，可以节省单片机的接口，程序也较容易实现。
两个反向器用来进行位选，集成块74HC373N起数据锁存作用。每个数码管全显示“8”时，需要大约50mA电流。由于时间显示模块每个路口相同，4组共需约200mA，故采用三极管9013.由于单片机每个输出口需要30mA电流，因此在电路中也使用了MC1413P进行驱动.
总体电路图如图3所示：

图4
4.4 交通灯输出电路
这一部分电路由红绿黄三色发光二极管和一个集成芯片SN74LS240组成.SN74LS240的作用是控制选择哪一组发光二极管点亮。
模拟红、绿、黄三色灯部分电路的总体电路图如图4所示：

图5
4.5 按键电路
如图5是单键输入式键盘，每个单键输入式按键单独占用一根I/O口，每根I/O线上的按键工作状态不会影响其他I/0线的工作状态. 其中电阻的作用是保证按键断开时与与之相连的I/O口有确定的高电平。
其中S1为复位键,S2用来控制紧急状态，S3备用。

图6
4。6 车流量检测电路
该电路用来计算车流量，由发射电路和接收电路组成：

图7
图7码管显示部分,用于动态显示车流量数目：

图8

5 系统的软件设计
系统的软件设计采用C语言，对单片机进行编程实现各项功能.
程序是在IAR环境下编写的，可以实现交通灯的各种功能.主程序主要起到一个引导的功能,决定什么时间系统该做什么。交通灯的各种功能的实现主要通过调用具体的子程序.
5.1 交通灯主程序设计
主程序主要是一个死循环，不停的循环四个状态：

开始

四个路口的灯全红
南北绿灯亮，东西红灯亮，延时
南北黄灯亮，东西红灯亮，延时
南北红灯亮，东西绿灯亮，延时
南北红灯亮，东西黄灯亮，延时

图9
5.2 紧急状态子程序
按键是否按下
延时
返回
按键是否按下
四个路口的灯全红，延时
开始

图10

5。3 显示子程序
开始
tim是否为零
是否为紧急状态
数码管显示
二极管发光
结束
紧急状态

图11
5。4 车流量检测程序
在路口设置传感装置，测某一段时间内通过的车辆,并在数码管上显示出通过的车辆数目。通过比较两个方向车流量情况，使系统自动调节显示时间。
开始
路口是否有车经过
比较k,j,调节显示时间，让特殊
车流量k++，j++
结束

图12
6 系统测试
为了确定系统与题目要求的符合程度，我们特别做了一个平台，对系统中的关键部分进行了实际的测试。
6.1 测试仪器
测试使用的仪器设备如表1所示。

序号
名称、型号、规格
数量
备注
1
数字万用表
1
泰坦科技
2
秒表（精确0.01)
1
深圳天福电子有限公司
3
5V稳压电源
1
启东计算机厂
6.2 指标测试
接通电源，在自制的测试平台中对各主要部分进行实际的测试。
6.2。1倒计时显示部分测试
在自制的平台中，我们测试了显示时间与实际时间的误差。
数码管显示时间测试结果：
测试次数
数码管显示
秒表
误差
1
10。00秒
9。95秒
0。5％
2
10。00秒
10.20秒
2%
3
15.00秒
15。20秒
1.3%
4
15。00秒
15。14秒
0。9%
5
20。00秒
20。54秒
2。7%
6
20.00秒
20.39秒
1。95％
由上表可知，显示的时间有一定的误差，可能是由于人的反映速度的影响。
6。2.2 红外传感部分测试
接通电源后，传感器开始工作.经实际测试，有以下情况:
东西与南北车量通行情况相等或相差不多
东西与南北路口
车量通行情况相差较大

显示时间不变
根据车量通畅情况自动调节
车流较大的绿灯显示时间变长

6.2。3 紧急状态部分测试
初始状态
紧急状态
东西
南北
东西
南北
红灯亮绿灯灭
绿灯亮红灯灭
只亮红灯
只亮红灯
绿灯亮红灯灭
红灯亮绿灯灭
只亮红灯
只亮红灯
通过多次测试发现:在系统正常运行时，如果在某任意时刻出现紧急状态，某车辆需要优先通行，按下紧急状态键后所有方向红灯亮，并能持续一段时间，紧急状态过后，交通秩序正常运行。
6.2。4 发光二极管时序测试
接通电源后,四个路口的灯开始显示，开始四个路口的灯全红，然后依次显示红、绿、黄,与软件设计相符合.
6。2.5无线控制部分测试
小车在十字路口遇到红灯时,会自动的停止,当变为绿灯时,小车继续行驶;当遇到绿灯时，小车通行.
6。2.6 系统实现的功能
根据在自制的平台中进行的检测，系统实现的功能有:
u 发光二极管循环发光;
u 数码管倒计时显示时间；
u 紧急状态处理；
u 车流量检测；
u 根据车流量自动调整数码管显示时间;
u 智能小车在路口能根据灯的显示选择停止或通过；
6.3 结论
经过对系统各个部分的测试，本设计基本达到设计制作的要求。

7 总结
由于本系统使用的是MSP430单片机作为核心的控制原件，电路可靠性较高，功能也较强大。在系统的调试过程中，我们充分发挥了软件编程方便灵活的特点,来满足系统设计的要求。
实验结果证明本系统能完成交通灯控制过程,有效地疏导交通,提高了交通路口的通行能力。由于时间灯因素，我们的系统功能还不是很完善，在本系统基础上还可增加更多功能,如摄像机交通监控的控制，盲人通过时交通灯的控制等.
从设计到仿真调试,再到电路的焊接，最后作品的制作完成，出现了许多的问题.许多看上去很简单的电路，实际做起来还是比较难。这需要我们要有信心、耐心和细心，还要有正确的学习态度，最后还要有扎实的的理论基础和一定的动手能力。在这个过程中，我们深刻体会到共同协作和团队精神的重要性，提高了自己解决问题的能力。
【参考文献】
【1】 沈建华,杨艳琴，翟骁曙。MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用,2004（1）。
【2】 沈建华，杨艳琴，翟骁曙。 MSP430系列16位超低功耗单片机实践与系统设计,2005(1）.
【3】 秦龙。MSP430单片机应用系统开发典型实例，2005(1).
【4】 王彦，陈文光,朱卫华。全国大学生电子设计竞赛训练教程，2005(1).

附录：实物图

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