智能交通灯设计--硬件部分—-毕业论文设计.doc

毕业设计（论文）目 录1、引言12、方案论证23、功能电路分析与设计23.1交通灯模块23.2 车流量控制模块33.3 单片机主控模块43.4 数码管时间显示模块63.4.1 LED的基本结构和设计63.4.2 显示倒计时时间64 原理图、PCB电路图的绘制和单层电路板的制作84.1原理图、PCB电路图的绘制85 毕业设计总结9谢 辞9参考文献10附录11智能交通灯设计硬件部分1、引言随着社会经济的发展，交通问题越来越引起人们的关注。人、车、路三者关系的协调，已成为重要问题之一。交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代交通监控指挥系统中最重要的组成部分。在今天，红绿灯安装在各个道口上，已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段。但这一技术在19世纪就已出现了。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。1914年，电气启动的红绿灯出现在美国。1918年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。1968年，联合国道路交通和道路标志信号协定对各种信号灯的含义作了规定。绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以直行，左转弯和右转弯，除非另一种标志禁止某一种转向。左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。红灯是禁行信号，面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车。黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线，但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。随着世界范围内城市化和机动化进程的加快，城市交通越来越成为一个全球化的问题。简单的十字路口交通灯已经不能适应车流量越来越大的实际情况，所以这就需要一个更为合理和智能且成本不高的路口交通灯控制系统。本文主要是对智能交通灯控制系统进行设计，使它可以根据实时的道路车辆滞留量来对下一次的放行时间进行控制，从而实现交通灯的智能控制。这样，就可以有效的解决交通流量不均匀、不稳定带来的问题。2、方案论证本次设计的主要功能有：十字路口交通灯、车流量控制、显示倒计时时间。 图2-1 功能框图本次设计的主要模块有：交通灯灯模块、车流量电路模块、数码管显示模块、单片机主控制模块等。 图2-2 模块结构3、功能电路分析与设计3.1交通灯模块十字路口交通灯，有三种信号灯组成，绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以直行，左转弯和右转弯，除非另一种标志禁止某一种转向。左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。红灯是禁行信号，面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车。黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线，但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。下图为交通灯电路。图3-1 交通灯电路3.2 车流量控制模块采用定时控制，其最大的缺点是绿灯时间和绿信比是固定的或是分时段固定的，且最佳绿灯时间和最佳绿信比的整定较为困难，控制起来都不是很灵活，这使得城市车流的调节不能达到最优。本设计加入考虑了道路车流量的问题,使得道路交通控制更具时效性和灵活性。如图3-2。3-2车流量控制电路图 图3-2中采用AT89S51芯片，红外线发光二极管两个L1、L2，分别负责发送和接收信号。根据具体信号接收情况，来改变交通灯延时时间的长短。3.3 单片机主控模块AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。如图3-3。此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。3-3 AT89S51芯片管脚图 1管脚说明： VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。I/O口作为输入口时有两种工作方式即所谓的读端口与读引脚读端口时实际上并不从外部读入数据而是把端口锁存器的内容读入到内部总线经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线上面图中的两个三角形表示的就是输入缓冲器CPU将根据不同的指令分别发出读端口或读引脚信号以完成不同的操作这是由硬件自动完成的不需要我们操心1然后再实行读引脚操作否则就可能读入出错为什么看上面的图如果不对端口置1端口锁存器原来的状态有可能为0Q端为0Q为1加到场效应管栅极的信号为1该场效应管就导通对地呈现低阻抗,此时即使引脚上输入的信号为1也会因端口的低阻抗而使信号变低使得外加的1信号读入后不一定是1若先执行置1操作则可以使场效应管截止引脚信号直接加到三态缓冲器中实现正确的读入由于在输入操作时还必须附加一个准备动作所以这类I/O口被称为准双向口89C51的P0/P1/P2/P3口作为输入时都是准双向口接下来让我们再看另一个问题从图中可以看出这四个端口还有一个差别除了P1口外P0P2P3口都还有其他的功能。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.4 数码管时间显示模块本次设计要求十字路口有数字显示，作为倒计时提示，以便人们更直观地把握时间。具体为：当某方向绿灯亮时，置显示器为某值，然后以每秒减1，计数方式工作，直至减到数为“0”，十字路口绿、黄、红灯变换，一次工作循环结束，而进入下一步某方向的工作循环。从而使得交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。3.4.1 LED的基本结构和设计LED如何显示出指定字符和数字3-4-1 七段数码管3.4.2 显示倒计时时间 本设计采用七段数码管显示倒计时时间，如图3-4所示。数码管8个引脚分别连接MCS-51系列单片机的P1口引脚，并通过P3.3口连接一个控制按键。3-4-2 数码管显示倒计时时间4 原理图、PCB电路图的绘制和单层电路板的制作4.1原理图、PCB电路图的绘制使用Protel99SE绘制原理图和PCB电路图，在画图之前首先要新建一个项目工程。绘制原理图主要包括以下几个步骤：首先，原理图文件的新建，新建原理图文件主要是要注意先选中工程文件中的Document文件夹然后再新建文件，那样该新建的文件就会保存在工作文件夹中。其次，查找或绘制电路中需要的元件并放置，常用元件一般都能在程序自带元件库中找到，部分特殊元件如芯片89C51一般需要自己绘制，元件的绘制就需要进行元件库文件的新建、元件的新建、元件绘制等步骤。最后，元件之间的连线，同时还应填写元件属性窗口里的元件序号和元件封装名称。原理图完成后就是PCB电路图的绘制。绘制PCB电路图，首先要新建一个PCB文件。然后通过Updata PCB选项把原理图转换到PCB，根据菜单DesignUpdata PCB弹出的窗口中提示的一步一步去完成PCB的转换，如果警告则可根据警告报告对原理图进行修改，再重复DesignUpdata PCB操作，直至原理图中的所有元件和其电气关系都能转换到PCB板图中。PCB电路图的最后一步也是最重要的一步就是布线，对元件封装进行合理布局可以方便布线，此次电路复杂性不是很高，只需注意这次本次要制作的是单层电路板，所以所有导线应尽量放置在第一层，即顶层（TopLayer）。因为之前我们进行过Protel99实习和老师们的指导，一些主要的操作步骤，还有印象，所以在做这些时，还是比较顺利的。通过这次的制作，我也更加深了对它的认识和理解！5 毕业设计总结本次实验是以单片机为主控模块，来实验智能交通灯的基本控制功能。它主要采用了两个红外线发光二极管，来检测车流量的情况，从而控制红绿灯闪烁时间的长短。两个红外线发光二极管，一个负责发送信号，另一个负责接受信号。这样，在保证交通安全的前提下最大限度地提高了交通效率，对缓解交通阻塞，提高畅通率具有十分现实的意义。此次设计实现的主要功能是：十字路口交通灯；车流量控制；倒计时时间的显示等。它主要包含了四大模块：交通灯电路图的设计；车流量检测电路图的设计；单片机主控电路的设计；数码管时间显示的设置。在完成设计的过程中，虽然大大小小的困难遇到了很多。不过，在经过老师的指导和同学的帮助，以及自己的努力，都有幸解决了。通过对这次毕业设计的制作，我在各方面都学到了很多。特别是对专业知识的理解与掌握。通过查阅和搜索资料，也使我巩固了很多知识点，并且有了更深一步的了解，我想这些对自己以后踏上工作岗位都是很有用的！谢 辞毕业设计即将结束了！通过对毕业设计的制作，我觉得此次设计不仅考察了我们大学三年所学的东西，更重要的是把所学的知识应用到了实践中，检验了自己的综合能力。虽然，其中遇到了很多困难，不过通过老师的指导、同学的帮助和自己的努力，都可以解决！从中，自己也收获了很多。 在完成设计的过程中，发现自己对以往所学的知识点都遗忘的差不多，涉及到相关知识点，也十分的模糊。于是我针对设计的要求,对以往所学的专业知识又认真的进行巩固和理解。这花费了我不少工夫，经过这个教训，让我深刻体会了“温故知新”这个成语的含义。总结一下，我觉得，自己只所以可以这么顺利的完成本次毕业设计。除了自己的不懈努力外，和老师的精心指导、同学们的帮助是分不开的。没有指导老师的悉心指导，那些难题，自己是怎么也攻克不了的；没有同学们的帮助，对很多所学知识点，我也不会有深刻的理解。在此，我要对指导过我的老师，帮助过并一直关心支持着我的同学表示深深的谢意。同时，我也要感谢学校图书馆给我提供的丰富的资料，它们给了我很大的帮助！ 再次，由衷的感谢你们！参考文献1电气控制与PLC控制技术M. 化工工业出版社,2008.2;189-190页.2付家才. 单片机控制工程实践技术M. 北京：化学工业出版社，2004.5;10-18页.4雷丽文 等.微机原理与接口技术M.北京：电子工业出版社，1997.2;26-27页.5电子线路课程设计 M. 电子工业出版社, 2004.8;170-171页.10建东职业技术学院毕业设计（论文）附录11