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1、 大型交通灯控制电路设计大型交通灯控制电路设计学号： 姓名： 学院：机械与电子工程学院专业：自动化年级： 1.1. 引引 言言伴随着社会的发展以及人类生活水平的提高，汽车的数量在逐年递增，交通问题不得不引起人们的重视。早在 1858 年，英国伦敦在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。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。近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断深入，同时带动传统控制检测技术日益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为一个核心部件
2、来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构软硬件结合，加以完善。目前交通的问题日益突出，单单依靠人力来指挥交通已经不可行了，所以，设计交通灯来完成这个需求就显的越加迫切了。本设计的意义在于通过具体的控制系统的设计，掌握微机控制系统设计的一般方法和处理问题的思路，特别是一些常用的技术手段。使大家能在实践教学环节中，积累设计经验，开拓思维空间，全面提高个人的综合能力。2 2 单片机概述单片机概述2.12.1 单片机的概念单片机的概念单片微型计算机简称单片机。它是把组成微型计算机的各功能部件：中央处理器 CPU、随机存取存储器 RAM、只读存储器 ROM、I/O 接口电路、定时器/计数器
3、以及串行通信接口等制作在一块集成芯片中，构成一个完整的微型计算机。单片机主要应用于控制领域，它的结构与指令功能都是按照要求设计的，故又称为微控制器（Micro Controller Unit） 。2.1.12.1.1 单片机单片机所谓单片机，即把组成微型计算机的各个功能部件，如中央处理器 CPU、随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、输入/输出接口电路、定时器/计数器以及串行通信接口等集成在一块芯片中，构成一个完整的微型计算机。因此单片机早期的含义为单片微型计算机（single chip microcomputer） ，直接译为单片机，并一直沿用至今。由于单片机面对的是测控对象，突出的是控制
4、功能，所以它从功能和形态上来说都是应控制领域应用的要求而诞生的。随着单片机技术的发展，它在芯片内集成了许多面对测控对象的接口电路，如 ADC、DAC、高速 I/O 口、PWM、WDT 等。这些对外电路及外设接口已经突破了微型计算机（microcomputer）传统的体系结构，所以更为确切反映单片机本质的名称应是微控制器。单片机是单芯片形态作为嵌入式应用的计算机，它有惟一的、专门为嵌入式应用而设计的体系结构和指令系统，加上它的芯片级体积的优点和在现场环境下可高速可靠地运行的特点，因此单片机又称之为嵌入式微控制器（embedded micro controller） 。但是，在国内单片机的叫法仍然
5、有着普遍的意义。我们已经把单片机理解为一个单芯片形态的微控制器，它是一个典型的嵌入式应用计算机系统。目前按单片机内部数据通道的宽度，把它们分为 4 位、8 位、16 位及 32 位单片机。2.1.22.1.2 单片机和微处理器的简介单片机和微处理器的简介随着大规模与超大规模集成电路技术的快速发展，微计算机技术形成了两大分支：微处理器（micro processor unit，MPU）和单片机（microcontrollerunit，MCU） 。微处理器 MPU 是微型计算机的核心部件，它的性能决定了微型计算机的性能。通用型的计算机已从早期的数值计算、数据处理发展到当今的人工智能阶段。它不仅可以
6、处理文字、字符、图形、图像等信息，而且还可以处理音频、视频等信息，并正向多媒体、人工智能、数字模拟和仿真、网络通信等方向发展。它的存储容量和运算速度正在以惊人的速度发展。高性能的 32 位、64 位微型计算机系统正向中、大型计算机挑战。单片机 MCU 主要用于控制领域。它构成的检测控制系统应该有实时的、快速的外部响应，应该能迅速采集到大量数据，能在做出正确的逻辑推理和判断后实现对被控制对象参数的调整与控制。单片机的发展直接利用了 MPU 的成果，也发展了 16 位、32 位的机型。但它的发展方向是高性能、高可靠性、低功耗、低电压、低噪音和低成本。目前，单片机的主流仍然是以 8 位机为主，16
7、位、32 位机为辅。单片机的发展主要还是表现在其接口和性能不断满足多种多样检测控制对象的要求上，尤其突出表现在它的控制功能上，构成各种专用的控制器和多机控制系统。2.1.32.1.3 单片机和嵌入式系统单片机和嵌入式系统面向检测控制对象，嵌入到应用系统中去的计算机系统称之为嵌入式系统。实时性是它的主要特征，对系统的物理尺寸、可靠性、重启动和故障恢复方面也有特殊的要求。由于被嵌入对象的体系结构、应用环境等的要求，嵌入式计算机系统比通用的计算机系统应用设计更为复杂，涉及面也更为广泛。从形式上可将嵌入式系统分为系统级、板级和芯片级。系统级嵌入式系统为各种类型的工控机，包括进行机械加固和电气加固的通用
8、计算机系统，各种总线方式工作的工控机和模块组成的工控机。它们大都有丰富的通用计算机软件及周边外设的支持，有很强的数据处理能力，应用软件的开发也很方便。但由于体积庞大，适用于具有大空间的嵌入式应用环境，如大型实验装置、船舶、分布式测控系统等。板级嵌入式系统则有各种类型的带 CPU 的主板及 OEM 产品。与系统级相比，板级嵌入式系统体积较小，可以满足较小空间的嵌入式应用环境。芯片级嵌入式系统则以单片机最为经典。单片机嵌入到对象的环境、结构体系中去作为其中一个智能化的控制单元，是最典型的嵌入式计算机系统。它有惟一的专门为嵌入式应用而设计的体系结构和指令系统，加上它的芯片级的体积和在现场运行环境下的
9、高可靠性，它最能满足各种中、小型对象的嵌入式应用要求。因此，单片机是目前发展最快、品种最多、数量最大的嵌入式计算机系统。但是，一般的单片机目前还没有通用的系统管理软件或监控程序，而只是放置由用户调试好的应用程序。它本身不具备开发能力，常常需要专门的开发工具。2.22.2 单片机的发展概况单片机的发展概况单片机自出现以来，获得了广泛的应用，目前，单片机已由最初的 4 位机发展到 8 位机及 16 位机。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。2.3 单片机的应用单片机的应用单片机具
10、有功耗低、体积小、控制及运算功能强等优点。在国民经济，军事及民用电器等各个领域，获得了广泛的应用。单片机主要应用在以下几方面： 工业控制和机电一体化 仪器仪表 信号处理 现代兵器 交通能源 商用设备 医疗设备 家用电器 3 系统总体设计方案系统总体设计方案本次交通灯控制系统的控制电路设计主要是以 AT89C51AT89C51 单片机和可编程并行 I/OI/O 接口芯片 8255A8255A 为中心器件来设计交通灯控制器，采集装置通过光电开关传感器对车辆进行检测，并以电信号的形式传给单片机，经运算、分析、处理后单片机将数据传给双位 LEDLED 数码管显示模块，实现车流量的显示。通过声音传感器对
11、急救车特殊的鸣叫声的检测，当检测到急救车时把各个路口进入禁行状态，使急救车顺利的通过，达到为人类良好服务的目的。另外，当采集装置通过红外对管传感器，在禁行时检测到有车辆通过的信号时，直接启动声报警装置，绿灯时可检测车流量并可通过双位 LEDLED 数码管显示。采用倒计时的方案显示各路口目前状态即将转换的时间。并且可以通过键盘对禁行和放行时间根据需要进行调整。系统的组成如图 1 1 所示。图图 1 1 系统的结构框图系统的结构框图4.4. 方案设计论证方案设计论证 根据设计的基本功能要求，设计方案的选择如下。4.14.1 电源提供方案的选择电源提供方案的选择为使模块稳定工作，须有可靠电源。我们考
12、虑了两种电源方案：方案一：采用独立的稳压电源。此方案的优点是稳定可靠，且有各种成熟电路可供选用；缺点是各模块都采用独立电源，会使系统复杂。方案二：采用单片机控制模块提供电源。该方案的优点是系统简明扼要，节约成本；缺点是输出功率不高。 鉴于创新和使用不同的技术完成设计，并且独立的稳压电源技术成熟，大多可以不经任何修改就能正常使用。综上所述，我们选择第一种方案。4.24.2 键盘方案的选择键盘方案的选择方案一：采用矩阵式键盘，此类键盘采用矩阵式行列扫描方式，优点是当按键较多时可降低占用单片机 I/0I/0 口的数量，缺点为电路复杂，加大了编程难度。方案二：采用独立式按键，每个按键独占有一根 I/O
13、I/O 口线，每个 I/OI/O 口的工作状态互不影响，此类键盘采用端口直接扫描方式。其缺点为当按键较多时占用单片机的 I/OI/O 口数目较多，优点是电路设计简单，编程相对容易一些。综合考虑两种方案及题目要求，由于本设计只需要复位键和校时键，并没有很复杂的功能键，采用方案二也仅仅需要几个 I/OI/O 口，系统资源足够用，并且节省 I/OI/O 口资源，故采用方案二。4.34.3 信号采集方案信号采集方案的选择的选择信号采集一般可以采用以下几种方案：方案一：使用发光二极管和光敏三极管组合。方案二：使用红外发光二极管和接收管组合。方案三：利用激光。通过对比，在设计中由于是远距离检测，并且该系统
14、是在室外使用，采用发光二极管和光敏三极管组合将受到可见光很大的干扰，因此不能使用方案一。虽然红外光波长比可见光长，受可见光的影响较小，但是红外光也有一定的缺点，如大气、潮湿的天气、雾和云对它有衰减作用。使用激光可以有效解决以上问题，但激光的使用会增加很大的成本，并且不便于采购。本次设计主要目的用于理论实践教学使用，因此综合考虑选择了方案一，优点是性价比高，便于批量生。4.44.4 显示界面方案的选择显示界面方案的选择该系统要完成倒计时、状态灯等功能。基于上述原因，考虑了三种方案：方案一：完全采用数码管显示。这种方案只显示有限的符号和数码字苻，无法胜任题目要求。方案二：完全采用点阵式 LED 显
15、示。这种方案实现复杂，且须完成大量的软件工作；但功能强大，可方便的显示各种英文字符，汉字，图形等。方案三：采用数码管与点阵 LED 相结合的方法因为设计既要求倒计时数字输出，又要求有状态灯输出等，为方便观看并考虑到现实情况，用数码管与LED 灯分别显示时间与提示信息。这种方案既满足系统功能要求，又减少了系统实现的复杂度。权衡利弊，第三种方案可互补一二方案的优缺，我们决定采用方案三以实现系统的显示功能。4.54.5 声音采集方案的选择声音采集方案的选择方案一：采用声音传感器。这种方案要想实现复杂，尤其是只识别个别声音，不仅需要复杂的硬件电路，还需要繁琐的程序，需要的成本很高。方案二：采用其它器件
16、模拟。这种方案电路简单，很容易实现，并且不需要很复杂的软件编程。如：利用开关或按键，当某按键按下时相当于检测到救护车的声音。跟本课题结合综合考虑，采用方案二。5 5 芯片简介芯片简介5.15.1 MCS-51MCS-51 系列系列单片机芯片简介单片机芯片简介MCS-51 系列的 8031 推出时的功耗达 630mW，而现在的单片机普遍都在100mW 左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了 CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。象 80C51 就采用了 HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和 CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而 CHMOS 则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗象电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。其内部结构示意图如下图 2 所示。中央处理单元（8 位）数据处理、测试位，置位，复位，位操作；只读存储器（4KB 或 8KB）永久性存储应用程序，掩模ROM、EPROM
