单片机课程设计交通灯控制系统.docx

单片机课程设计交通灯控制系统 单片机系统课程设计 单片机 课程设计 专业班级： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 题目名称： 交通灯控制系统 成绩： 评语： 指导老师签名： 单片机系统课程设计 单片机系统 课 程 设 计 课程设计名称： 交通灯控制系统 专 业 班 级 ： 学 生 姓 名 ： 学 号 ： 指 导 教 师 ： 课程设计地点： 课程设计时间： 单片机系统课程设计 单片机系统 课程设计任务书 学生姓名 题 目 课题性质 指导教师 主要内容 工程设计 专业班级 课题来源 该系统是模拟现实生活中定时闹钟而制作的，在显示时间等基本功能的基础之上兼有达到额定时间报警的功能，并且该系统可以通过一个按键调节档位使之方便的调节达到不同时间报警的功能。(自己修改) 第1-2天：熟悉课程设计任务及要求，查阅技术资料，确定设计方案。 第3-4天：按照确定的方案设计单元电路。要求画出单元电路图，元件及元件参数选择要有依据，各单元电路的设计要有详细论述。 任务要求 第5-6天：软件设计，编写程序。 第7-8天：程序调试。 第9-12天：撰写课程设计报告。要求内容完整、图表清晰、文理流畅、格式规范、方案合理、设计正确。 主要参考 资料 单片微型计算机原理及接口技术 自拟 学号 审查意见 系主任签字： 年 月 日 目 录 1绪 论 . 1 1.1课题研究背景. 1 1.2课题研究范围及意义 . 1 2系统设计方案、工作原理及总体设计 . 2 2.1 信号控制方式的分类 . 2 2.2 交通信号控制硬件设备简介 . 3 2.3 交通信号控制系统信息传输系统简介 . 3 2.4 交通信号控制原理 . 3 2.5设计方案 . 4 2.6系统工作原理. 4 2.7总体设计 . 4 2.7.1功能概述. 4 2.7.2系统构成. 4 3 系统硬件设计 . 5 3.1交通灯通行模式及行车方向指示 . 5 3.2各单元电路模块功能 . 6 3.2.1时钟电路模块 . 7 3.2.2复位电路模块 . 6 3.2.3主控制系统模块 . 7 3.2.4交通灯输出控制模块 . 8 3.2.5时间显示电路模块 . 9 3.2.6系统电源模块电路 . 10 4 系统软件设计 . 11 4.1 软件总体流程图. 11 5 系统调试分析及结果. 12 5.1 电路板实物的制作 . 13 5.1.1印制电路板PCB图的绘制 . 13 5.1.2实物的制做 . 13 5.2 系统硬件调试. 14 5.3 系统软件调试. 14 5.4 系统总体调试. 15 结 论 . 15 参考文献 . 16 附 录 . 17 附录:程序 . 17 实物图.22 单片机系统课程设计 1绪 论 1.1课题研究背景 交通是城市经济活动的命脉，对城市经济发展、人民生活水平的提高起着十分重要的作用。城市交通问题是困扰城市发展、制约城市经济建设的重要因素。城市道路增长的有限与车辆增长的无线这一对矛盾是导致城市交通拥挤的根本原因。城市街道网络上的交通容量的不断增加，表明车辆对道路容量的要求仍然很高，短期内还不可能改变。 1.2课题研究范围及意义 本文提出一种利用单片机自动控制交通灯及时间倒计时显示的方法，将整个系统缩小在一块小小的单片机上，大大提高了产品的经济性和轻便性。设计过程包括硬件电路设计和程序设计两大步骤。硬件电路其结构比较简单，主要包括核心器件单片机、12只二极管组成的模拟交通灯、复位电路、振荡电路、显示数码管模块。单片机开发中除必要的硬件外，同样离不开软件，本文就用Keil编程，相比硬件设计程序较为复杂，必需同时考虑灯控制、时间显示、紧急开关等问题，并且具有一定的C语言基础和一定的思维能力及逻辑能力。智能交通灯控制系统设计就显示出了它的研究意义。它能根据道路交通拥护，交叉路口经常出现拥堵的情况，利用单片机控制技术，实现道路的最大通行效率。通过单片机课程设计，熟练掌握C语言的编程方法，将理论联系到实践中去，提高动脑和动手的能力。同时通过交通信号灯控制系统的设计，掌握定时/计数器、中断的使用方法，和简单程序的编写，最终提高逻辑抽象能力。 2系统设计方案、工作原理及总体设计 2.1 信号控制方式的分类 使用信号机控制交通流称为交通信号控制，交通信号控制的目的是与交通量相适应，用时间比分配给相互交错的交通流通行权。信号控制的方式和分类有很多种。本文按控制的范围将信号控制分为点控、线控和面控。 点控 单点交叉口交通信号控制通常简称为“点控制”。 它以单个交叉口为控制对象，通过灯色的变化，在保证安全的前提下尽可能多地使各方向车辆通过。它是1 单片机系统课程设计 交通信号控制的最基本形式。点控制又可分为：定周期控制、感应式信号控制及模糊逻辑式信号控制。 线控 “线控”是干道交通信号协调控制系统的简称，就是把一条主干道上一批相邻的交通信号联动起来，让干线上交叉口的信号控制器具有相同的周期，绿信号开启时间相继错开，从而使干线上行驶的车辆尽可能少遇或不遇红灯以减少延误，以便提高整个干道的通行能力。 面控 区域交通信号控制系统简称为“面控”，它把整个区域中所有信号交叉口作为协调控制的对象。控制区内各受控交通信号都受中心控制室的中央控制机集中控制，从而可以提高道路通行能力，增加交通安全，节省能源和减少污染等等。 无论哪种控制，其控制变量主要有三个：信号周期，绿信比和相位差。点控制只需控制前两个变量即可。总之，交通控制过程可描述如下：根据交通法规，通过信号灯色的变化指示或提示车辆在交叉口处通信或暂停，在保证安全的前提下最大限度地提高交叉路口的通行能力。 2.2 交通信号控制硬件设备简介 交通信号灯的硬件设备。其构成可分为以下五部分： 信号灯：就是悬挂在道路上空或设置在路侧灯柱上的发光装置，内装彩色信号灯； 车辆检测器：车辆通过检测器时，由感应原理可以检测交通参数的设施，是感应式信号控制系统的必要设施； 无线遥控装置：启闭信号灯，控制紧急车辆通过时的红灯； 电子警察(摄像机)：监控违章车辆； 单片机系统：整个信号灯控制的核心； 附属设施：包括灯杆灯柱及其基础，装置信号控制机的底座与基础，埋设或悬挂传输线路的管道、线杆等。 2.3 交通信号控制系统信息传输系统简介 信息传输系统，也叫通讯系统，就是把信息从一个地方传输到另一个地方。信息传输系统也是交通信号控制系统中的重要组成部分。通信系统的组成： 通信的信道 a）信道的容量 信息传送的通路通常称为信道或线路。描述一个信道不仅要通过它所连接的点到点的地理通路，而且还要根据它所具有的携带信息的容量。 b）信道的方向 单工： 在信息源和接收器之间提供单一的单向性通道。 半双工：这种通信方式是在A站和B站之间只有一个通信信道，数据要么是A站发送，B站接收，要么B站发送，A站接收。 双工： 允许信息同时在两个方向上传输的信道。 数字数据传输 2 单片机系统课程设计 调制和解调 2.4 交通信号控制原理 交通信号控制原理是按照一定的控制程序，在交叉路口的每个方向上通过红、黄、绿三色灯循环显示，指挥交通流，在时间上实施隔离。交通规则规定：红灯停止通行，绿灯放行，黄灯清尾，即允许已过停车线的车辆继续通行，通过交叉路口。信号相位方案是指交通信号灯轮流给某些方向的车辆或行人分配交通权的一种顺序安排。我们把每一种控制称为一个信号相位。而一个相位又对应多个步伐，每一步伐对应该时刻不同灯色的状态。 路口的交通灯总在进行着一系列的相变以控制车辆的运动，一系列的相就组成了周期，如附表所示。交通灯优化控制问题，就是通过改变这些相的持续时间以及相邻路口交通灯的相的周期，使目标达到最优。 2.5设计方案 交通控制系统主要控制东西、南北，车道的交通，整个系统以STC89C52RC单片机为核心芯片，通过控制三色LED的亮灭来控制各车道的通行，上电时通过上电复位电路使系统进入运行状态。总体设计框图如图2.1所示： 复位电路 晶振电路 STC89C52 单 片 机 七段数码管倒计时显示电路 图2.1方案一设计框图 3 单片机系统课程设计 2.6系统工作原理 采用单片机的I/O口P0口通过上拉电阻和交通灯相连接，P3.0、P3.1口接到数码管控制位上，控制数码管的显示，程序放在STC89C52RC单片机的ROM中，在十字路口的四组红、黄、绿交通灯中，由单片机的P1.0-P1.2 、P1.5-P1.7、P2.0-P2.2、P2.5-P2.7控制，由于交通灯为发光二极管且阳极通过限流电阻和电源正极相连，因此I/O口输出低电平时，与之相连的指示灯会亮，并通过数码管显示时间倒计时。I/O口输出高电平时，相应指示灯会灭。 2.7总体设计 2.7.1功能概述 本设计由单片机、LED数码显示模块和按键等构成。单片机是集成的IC芯片STC89C52单片机，只需根据实际选型。其他部分都需要根据应用要求和性能指示设计。 本系统交通灯控制规则如下： 1）系统设置四组红、黄、绿交通指示灯，并配置四队LED显示器。正常情况下两个干线上的红、黄、绿灯进行转换。 2)东西方向和南北方向交替通行，东西方向每次放行30秒，南北方向每次放行30秒。 3)绿灯亮表示可以通行，红灯亮表示禁止通行，每次绿灯变红灯前，黄灯亮5秒钟。 4）十字路口要有倒计时显示，以便人们更方便直观的把握时间，具体要求东西方向、南北方向通行时间及黄灯亮的时间均以秒为单位作减计数。 2.7.2系统构成 整个系统的构成以STC89C52RC单片机为核心，由I/O口扩展，LED数码管显示，还有复位电路、时钟电路等组成。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、晶振电路、复位电路等组成。 行车方向指示采用LED发光二极管，可有红、绿两种颜色指示放行与禁止，黄灯作为红绿转换的提示，形象直观。系统采用双数码管倒计时计数功能，最大4 单片机系统课程设计 显示数字99。 3 系统硬件设计 3.1交通灯通行模式及行车方向指示 按交通灯控制规则，每个道口有红、黄、绿三种指示灯，交道口模型如图2.1所示： 图3.1 交道口模型图 2组LED数码管按照设置的通行时间进行倒计时，倒计时到5S时，绿灯变成黄灯，并各自进行红、黄、绿灯显示，共5 单片机系统课程设计 有两种通行方式分别为： 图3.2 通行方式一示意图 图3.3 通行方式二示意图 通行方式一：倒计时时间为30s，红绿灯状态为：东西通行：绿，南北禁行：红;如图3.2所示。 通行方式二：倒计时时间为30s，红绿灯状态为：南北通行：绿；东西禁行：红;如图3.3所示。 通行默认时间为30s，系统设置了任意更改功能，可以根据实际情况进行调整，以提高车辆通过率，缓减交通压力。在通行结束前5秒钟，黄灯亮直至结束。本设计选用LED发光二极管的红绿灯状态用来指示交通指示信息。绿色表示通行，红色则表示禁止通行，黄灯等待。你所有指示信息一目了然。 3.2各单元电路模块功能 3.2.1时钟电路模块 时钟电路由一个晶体振荡器12MHZ和两个30pF的瓷片电容组成。时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各信号之间的相互关系。单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地工作。其电路如图3.4所示: 图3.4 时钟电路模块 3.2.2复位电路模块 电容在上接高电平，电阻在下接地，中间为RST。这种复位电路为高电平复位。其工作原理是：通电时，电容两端相当于是短路，于是RST引脚上为高电平，然后电源通过电阻对电容充电，RST端电压慢慢下降，降到一定程度，即为低电6 单片机系统课程设计 平，单片机开始正常工作。其电路如图3.5所示： 图3.5 复位电路模块 3.2.3主控制系统模块 主控制器采用STC89C52RC，STC89C52RC 单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单 片机，指令代码完全兼容传统 8051 单片机，12 时钟/机器周期和 6 时钟/机器周 期可以任意选择。 其特点如下： 1. 增强型 8051 单片机，6 时钟/机器周期和 12 时钟/机器周期可以任 意选择，指令代码完全兼容传统 8051. 2. 工作电压：5.5V3.3V/3.8V2.0V 3. 工作频率范围：040MHz，相当于普通 8051 的 080MHz，实际工 作频率可达 48MHz 4. 用户应用程序空间为 8K 字节 5. 片上集成 512 字节 RAM 6. 通用 I/O 口 复位后为： ， P1/P2/P3/P4 是准双向口/弱上拉， P0 口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，需加上拉电阻。 7. ISP/IAP ，无需专用编程器，无 需7 单片机系统课程设计 专用仿真器，可通过串口直接下载用户程 序，数秒即可完成一片 8. 具有 EEPROM 功能 9. 具有看门狗功能 10. 共 3 个 16 位定时器/计数器。即定时器 T0、T1、T2 11. 外部中断 4 路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down 模式可 由外部中断低电平触发中断方式唤醒 12. 通用异步串行口 ，还可用定时器软件实现多个 UART 13. 工作温度范围：-40+85/075 14. DIP 封装 图3.6主控置系统模块电路 3.2.4交通灯输出控制模块 道口交通灯指示采用红、黄、绿发光二极管进行提示。其图如图3.7所示： 8 单片机系统课程设计 图3.7LED显示模块电路 当R=1000欧时，按公式A=(5-1.8)/R计算，电路中的电流大小应为A=3.2mA。由于每个路口的通行双向指示处理相同，因此每个端口应具有6.4mA的吸收电流能力。 3.2.5时间显示电路模块 考虑设计需要，我们在各个方向分别用二位数码管用来显示倒计时时间，构成交通提示信息，形象逼真。本系统使用数码管完成倒计时显示功能。以方向东西为为例，数码管显示的数值从绿灯的设置时间最大值往下减，每秒钟减1，一直减到0。然后又从红灯的设置时间最大值往下减，一直减到0。接下来又显示绿灯时间，如此循环。 系统共有1个二位的LED 数码管，分别放置在模拟交通灯控制板上四组交通灯中间。四个方向上都应该显示同样的内容，所以我们可以把它们同样对待，只用了一组数码管来模拟。也就是说各个方向的数码管个位用一根信号线控制，十位用另一根信号线控制。 道口通行剩余时间采用红色7段数码管显示，采用共阴数码管，如用单片机P0口加上拉电阻驱动，P3.0/P3.1来控制数码管的位。其显示电路如图3.8所示： 9 单片机系统课程设计 图3.8数码管显示模块电路 3.2.6系统电源模块电路 由于该系统中 51 单片机及三极管工作电压均为 5V 电压，所以要保证系统稳定可靠的工作，需要设计一个可以稳定提供 5V 电压的供电系统。本设计采用外置5V稳压开关电源作为系统的供电电源，系统电源输入接口要加滤波电容以确保工作电压稳定。电源输出接口加上LED 电源指示灯，用来判定电源是否正常工作。该系统电源电路设计如图3.9所示： 10 单片机系统课程设计 图3.9系统电源电路 4 系统软件设计 根据实际交通灯的变化情况和规律。假设一个十字路口为东南西北走向。初始状态1东西绿灯通车，南北红灯亮。过30s，转状态2，东西绿灯灭黄灯亮，南北红灯灭黄灯亮，过5s，再转状态3，南北绿灯通车，东西红灯亮。过30s，转状态4，南北绿灯灭黄灯亮，东西红灯灭黄灯亮，过5s，又循环至状态1。对于交通信号灯来说东西南北共四组灯，由于同一道上的两组的信号灯的显示情况是相同的，因此，采用单片机内部的I/O口来控制12个信号灯。通过编写程序，实现对发光二极管的控制，来模拟交通信号灯的管理。 4.1 软件总体流程图 软件总体设计及流程图见图3-1，主要完成各部分的软件控制和协调。本系统主程序模块主要完成的工作是对系统的初始化，发送显示数据，同时对按键进行扫描，等待外部中断，以及根据所需要的功能进行相应的操作。其流程图如图4.1 11 单片机系统课程设计 图4.1正常情况下交通灯控制流程 5 系统调试分析及结果 因本设计本身要求有稳定性高、免维护、抗干扰能力强等功能，系统调试除12 单片机系统课程设计 了验证数据处理的精度，确保判断的准确性外，同时必须确认各项功能的正常运行。 5.1 电路板实物的制作 5.1.1印制电路板PCB图的绘制 由于本电路硬件设计中，用单片机的一个IO口控制各路交通灯的循环点亮。用同一芯片单片机的P0口来控制数码管的显示点亮。因此，在同一芯片中，所要接的线路比较多。在硬件的布局中，各位LED灯和数码管的布局比较固定化，集中分布在所控制的两个路口。因此，若采用双面PCB板的话，这个电路的布线比较容易实现。但是，现实水平中做双面板会出现一些焊点接触不良而导致电路调试过程不易实现。因此，决定使用单面板布线。单片面板的布线需要牺牲本设计电路板一部分实际电路的美观。印制电路板的设计是以电路原理图为根据，实现电路设计者所需要的功能。印刷电路板的设计主要指版图设计，需要考虑外部连接的布局、内部电子元件的优化布局、金属连线和通孔的优化布局、电磁保护、热耗散等各种因素。优秀的版图设计可以节约生产成本，达到良好的电路性能和散热性能。 5.1.2实物的制做 准备工作：采购万能板若干张，实物电路所需的各种元器件； 还有其他的基本电子器件和制板工具。 总制板工艺程序 1)先将所有元器件摆放到万能板上，确实各个原件的最有位置，原则是，既美观，又容易焊接。 2)把摆好位置的元器件焊到板子上，最好用焊台来完成。 3)根据原理图，把所有的连线连接起来，连接的导线，尽量用细一点的。 制板心得：我们在制板过程中， 1)首先是PROTEL设计的时候出现的错误导致印制电路板制作错误。 2)其次是由于设计的理论和实际有误差导致无法实现目标。 3)焊接过程中出现了一些问题，比如焊跳线的时候，由于接线太多，而且是手工焊接，并且焊接设备不好，烙铁头高温下容易老化氧化和温度不可控制。因此导致焊盘脱落，原件烫伤等原因导致报废了好几块板子。此外，有些焊盘太小并且有损坏迹象，所以焊接很不方便。但为了不出现虚焊，却花了很长时间去焊，有些焊点并不是很美观。 4)焊接过程中，有时候焊锡会不小心将相邻的两根引线短路。所以，此次做13 单片机系统课程设计 板积累了一些经验，主要是，再次做板的时候一定要注意PCB的引线之间的距离不能设置太近。因为是手工制作，精度和密度都必须有一个自由度和能力所及的范围，并且考虑到手工制板的局限性和线路过细密导致的氧化和短路故障。拥有了这些宝贵的经验，相信今后制板，一定会完美保证电路的实现！ 5.2 系统硬件调试 在设计过程中，实物交通灯控制系统的PCB电路板焊接工作量非常大，电路安装完成后，首先进行检查，即确认电路无虚焊，无短路，无断路，集成元件安装是否正确，之后进行电路功能模块的分级调试，根据电路功能逐级进行：通行方式功能调试：包括对两种通行方式控制调试，指示灯亮度和驱动电路调试；倒计时功能调试：数码管亮度调试；复位功能调试。 5.3 系统软件调试 本系统的软件系统很大，选用一般的单片机通信C语言程序进行编写和调试。除了语法差错外，当确认程序没问题时，通过直接下载到单片机来调试。采取的是自下到上的调试方法，即单独调试好每一个模块，然后再连接成一个完整的系统，最后完成一个完整的系统调试。 5.4 系统总体调试 系统做好后，进行系统的完整调试。主要任务是检验实现的功能及其效果并校正误差。 测试一开始，我们就发现了系统出现了两个问题：一是有一部分交通灯亮度不够，所发出来的光非常的微弱以致于几乎感觉不到它的亮度；二是数码管不工作，没有时间显示。这与设计的要求完全不符。为了找出这个问题和解决方法，查找了电路的输出各部分的输出电平。发现了一个现象，我们采用的数码管是共阴极数码管。而控制数码段显示的P3.0和P3.1口输出的是高电平。 经多方查阅资料，解决第二个问题可以有两个解决方法。其一，将硬件电路作修改，将数码管换成共阳极的数码管。这样数码管就可以正常进行时间显示了。其二，修改程序，让控制数码管段码的P0输出的是低电平。若采用修改硬件电路的方法的话，硬件电路就得作变动。已经布好的线也必须有相应的变动，操作起来比较麻烦。所以，我们采用了第二种方法。修改了程序电路中的段码代码。再次调试，按照设计要求的指标，系统数码管电路部分基本能按照预先设定的要14 单片机系统课程设计 求来进行倒计时的显示。亮度要求也基本符合预先设想。 接下来还有一个问题有待解决，交通灯亮度不足，以致于部分交通灯只能勉强看得出来它在亮而已。这明显不能满足设计要求。经多方检测，我们认为这是由于LED灯驱动能力不足引起的亮度弱问题。若要修正这个问题，那就得为LED灯增加驱动电路以提高电路的驱动能力。要实现这一步骤必须对硬件电路进行一定的改动。LED灯的驱动电路可以用集成电路电路芯片来进行驱动。在初步方案中考虑要用集成电路来完成。但是由于客观方面的原因，没有制作实物的环境条件。因此，这部分改进只作了一个设想，并没有时间去付诸实施。但基本问题和解决问题的原理还是有一定的了解。 结 论 在本次设计的过程中，我发现很多的问题，给我的感觉就是很难，很不顺手，看似很简单的电路，要动手把它给设计出来，是很难的一件事，主要原因是我们没有经常动手设计过电路，还有资料的查找也是一大难题，这就要求我们在以后的学习中，应该注意到这一点，更重要的是我们要学会把从书本中学到的知识和实际的电路联系起来，这不论是对我们以后就业还是学习，都会起到很大的促进和帮助，我相信，通过这次的毕业设计，在以后的学习中我会更加努力，力争把这门课学好，学精。同时，通过本次毕业设计，巩固了我们学习过的专业知识，也使我们把理论与实践从真正