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1、2015届本科毕业设计基于单片机的多功能交通灯设计院 （系） 名 称物理与电子信息学院专 业 名 称电子信息科学与技术学 生 姓 名苑大彪学 号110524065指 导 教 师王招娣助教完 成 时 间2015年5月8日基于单片机的多功能交通灯设计苑大彪物理与电子信息学院 电子信息科学与技术专业 学号：110524065指导教师：王招娣摘要：本文是以AT89S51单片机为核心器件设计了一种多功能交通灯控制器系统。该系统可完成十字路口东西南北方向的交通灯定时控制及实时路况车流量检测的任务，它不仅可以工作在固定计数模式下，而且可通过红外传感器装置实时检测南北和东西方向连续几次的车流量，并将其与系统设
2、置的阈值进行对比完成自适应计时调节，最后通过控制红黄绿灯的循环点亮的方法，显示输出结果。本文通过proteus硬件仿真软件对系统结果进行测试，结果表明系统能够准确的根据车流量自动调控红绿灯时长，具有一定的使用价值。关键词：车流量检测；自适应调节；定时；多路复用Design of Multi-functional Traffic Light Based on Single Chip MicrocomputerYuan Da-biao College of Physics and Electronic Information Electronic Information Science and T
3、echnology No: 110524065Tutor:Wang Zhao-diAbstract: This article is based on AT89S51 microcontroller as the core design of a multifunctional traffic light control system. The system can realize the crossroads of East and West direction traffic light timing control, completed the task of real-time tra
4、ffic traffic detection, It can not only work at a fixed count mode, and can be detected in real time by an infrared sensor device north-south and east-west traffic flow successive, and with the threshold set by the system compared to performing adaptive timing adjustment, finally controlling the tra
5、ffic light display output results. By using proteus hardware simulation to test the system, The results show that the system can accurately automatic control according to the traffic. It shows that it has a certain value.Key words: Traffic detection; Automatic adjustment; Timing; Multiplexers目 录1 绪论
6、11.1 引言11.2 课题研究的目的及意义12 系统方案设计22.1 自动模式设置22.2 绿灯工作模式设置32.3 交通管理的方案论证33 硬件系统设计43.1 单片机概述43.2 单片机最小系统63.2.1 时钟电路模块63.2.2 复位电路模块73.2.3 系统电源设计73.2.4 按键功能介绍83.3 系统硬件电路设计93.3.1 硬件设计框图93.3.2 红外收发传感电路93.3.3 稳压芯片选型93.3.4 数码管显示电路设计103.4 本章小结114 软件系统设计114.1 软件总体设计方案114.2 部分软件功能介绍124.2.1 延时设置124.2.2 软件延时去抖动144
7、.2.3 手动模式选择144.2.4 自动模式切换154.3 本章小结165 仿真结果及分析175.1 Proteus软件介绍175.2 硬件仿真分析17总结19致谢19参考文献201 绪论1.1 引言随着我国经济的高速发展，城市中人口越来越多，居民出行的次数和机动车数量不断增加，城市道路拥挤、车流量不均衡的问题日益严重。人们常常会为道路的拥挤，交通秩序的混乱，而导致的出行时间过长等交通问题倍感苦恼。交通堵塞既增加了人们的出行时间，又无形中增加了日常车辆的耗油，损失了经济也浪费了能源。交通的堵塞，造成车辆不断的加速刹车，间接的增加了燃料耗费，加重了环境污染，降低市民的生活品质，影响人们的身心健
8、康。有时候遇到紧急情况，例如120、消防，也可能因为交通的堵塞而造成无法挽回的损失。如此看来，提高城市交通的运行能力，实现交通的科学化管理迫在眉睫。 如何才能保持城市交通的安全便捷，高效畅通和绿色环保，已成为政府政策规划的一个重要参考1,2。为了缓解城市交通的堵塞，相关部门从以下几个方面进行了考虑3：1）拓宽道路此方法是解决交通堵塞的最基本方法，因为当汽车使用率增加时，就需要有更多的道路来容纳车流。不过此方法仅能“增加”道路的面积，而无法“根治”交通的堵塞，因为汽车数量并未随之减少。即便方案可行，但投入巨大，短时间内也见不到成效。2）减少道路交叉既通过架设高架桥和开发地铁等方式，减少车辆在道路
9、上遇红绿灯停行的时间，在治理交通堵塞方面有一定的作用，但和拓宽道路一样，成本很高，短时间见不到效果。3）交通信号灯控制系统通过道路上的车流量，调整信号灯的周期，使得道路交叉口的停堵时间减少，以期达到高架和地铁的效果，让车辆少停快行，从而有效缓解交通的堵塞。1.2 课题研究的目的及意义该方案主要涉及根据检测车流量自动调整绿灯时长和闯红灯的简单控制。1）检测车流量以自动调整绿灯时长传统的交通灯控制方法大多是以路口的状况，按丁字、十字与多路口分时段进行红绿黄灯控制，实现各路口依次通行，常常存在车多的路向绿灯通行时间短、无车或少车的路向却亮着绿灯的情况，为克服这种少车路向绿灯时无车通行，多车路向绿灯通
10、行时间短而堵车的现象，在不增加成本的情况下，结合现实的情况，我们把车流量分成空闲（双向车流量都不大）、单忙（只一个方向的车流量大）、双忙（双向车流量都大）三种情况（例如上下班、节假日期间车流量较大，工作日车流量较小），用软件实现检测一段连续时间内的车流量，以实现交通灯的自动简单控制。2）闯红灯该功能主要是为了处理交通管理中的紧急情况，在交通信号灯正常工作的基础上， 增加的紧急优先处理功能, 如消防、急救等需要闯红灯的情况出现时, 东西南北方向的红灯会均闪烁数秒, 待紧急情况处理后, 交通信号灯又恢复到之前的工作状态。2 系统方案设计2.1 自动模式设置结合现实中的情况，我们把车流量分成空闲（双
11、向车流量都不大）、单忙（只一个方向的车流量大）、双忙（双向车流量都大）三种情况，例如上下班、节假日期间车流量较大，夜间车流量较小，通过红外传感器检测绿灯车道的车流量，在黄灯阶段，通过比较检测到的值和预设的值，判断车流量的大小。我们采用比较连续几次的车流量来决定绿灯时长是否切换。以3次为例，分析东西方向，只有连续3次东西方向的车流量大于预设值，再判断为忙，反过来，只有连续3次东西方向的车流量小于预设值，才能由忙切换为闲，倘若不满足连续的要求，工作模式既保持不变。程序中考虑路况车况，可以调整检测连续次数的大小，并有指示灯提示当前要检测的连续次数。如下图，从左至右的四个LED灯，采用8421的方法编
12、码表示连续的次数，亮代表1，灭代表0，其中最左边的红灯，亮代表工作在自动调节模式，灭代表工作在手动调节模式。 图1 手动时指示灯显示 图2 自动时绿灯连续检测2次时指示灯显示2.2 绿灯工作模式设置交通灯为手动调整模式时，具体绿灯时长模式选择由按键S2控制，模式选择提示由倒计时牌上数码管的dp显示，交通灯工作在自动调整模式时，绿灯时长模式自动切换，数码管上的dp自动显示，具体绿灯时长模式如表1。表1 模式设置车流量（模式）空闲单忙(东西)单忙（南北）双忙Dp1（十位小数点）灭灭亮亮Dp2（个位小数点）灭亮灭亮南北通行时间30s30s60s60s东西通行时间45s75s45s75s图3 两位数码
13、管的dp1和dp22.3 交通管理的方案论证东西、南北两干道交于一个十字路口，各干道有一组红、黄、绿三色的指示灯，指挥车辆和行人安全通行。红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行。黄灯亮提示人们注意红、绿灯的状态即将切换。以车流量为空闲时为例，指示灯燃亮的方案如表2。表2 指示灯燃亮规则时间40S5S25S5S南北道红灯亮红灯亮绿灯亮黄灯亮东西道绿灯亮黄灯亮红灯亮红灯亮说明： 1）当南北道为绿灯，此道车辆、行人可通过,绿灯时长25秒；东西方向为红灯，此道车辆、行人禁止通行，红灯时长30秒。2）南北方向变为黄灯时，燃亮5秒，警示车辆和行人红、绿灯的状态即将切换，此时东西方向依旧为红灯，禁止车辆通行。 3）
14、当南北方向为红灯，南北道车辆、行人禁止通过，红灯时长45秒；东西方向为绿灯，此道车辆通行，绿灯时长40秒。东西方向车流大通行时间长。4）东西方向变为黄灯时，燃亮5秒，警示车辆和行人红、绿灯的状态即将切换。南北方向依旧是红灯，禁止车辆通行。5）这样如上表所示红、绿、黄依次出现，行人和车辆就能安全畅通的通行。6）有闯红灯时，东西南北方向的红灯都闪烁，为消防、急救等车辆让道。时间为6秒。7）此表可根据车流量动态设定红绿灯初始值。3 硬件系统设计3.1 单片机概述单片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。通常，单片机
15、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。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4。AT89S51（如图4）具有如下特点：40个引脚，4k Bytes
