交通灯控制系统设计案例概要

1交通灯控制系统设计第1部分方案选择及总体设计1．1方案选择能实现此电路的方法很多，我们根据实际将范围定在以下几个比较切合我们的方案中。第一种方案：采用数字电子技术实现。用基本的555芯片（利用单稳态实现定时），计数芯片（如74LS163，74LS160等）完成计时功能，控制电路芯片，译码芯片（如74LS138）等基本芯片，结合电阻，电容等基本元件，通过逻辑电路实现交通灯的功能。第二种方案：使用单片可编程来实现交通灯的功能。利用单片机的外围扩展，显示电路构成基本硬件。然后编程实现对定时，控制，显示电路的控制，然后调试，完成设计。结合实际情况，根据毕业设计任务书的要求，我们经过讨论和论证，最终一致选用第二种方案的设计思路对交通灯控制系统进行设计。1．2总体设计1．2．1系统构成整个系统的构成以80C51单片机为核心，由I/O口扩展，LED数码管显示，紧急情况中断电路还有复位电路等组成。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、时钟电路、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。行人通行指示也同样采用LED发光二极管，用红、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，简洁明了，更方便控制。按键控制台，可供警察在室内实时监视交通状况。通过按键可设置\紧急情况发生时的交通灯状态控制人机界面非常友好。系统采用双数码管倒计时计数功能，最大显示数字99。友好的人机界面、灵活的控制方式、优化的物理结构以及丰富的功能是本设计的亮点。2整个硬件电路组成模块如图1；图1-1.系统硬件构成模块1．2．1功能概述本设计由中断系统、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AT89C51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标自行设计。80C51单片机I/0口扩展LED数码管显示中断系统复位电路电源稳压控制电路80C51单片机中断系统电路复位电路键盘控制电路程序运行指示电路紧急情况处理电路交通灯控制电路LED数码显示电路3硬件总体框图注：以上电路图为我们所设计的交通灯控制系统的具体电路图，在东南西北四个方向的LED指示灯，代表四个方位的交通信号灯，电路图的下方是单片机控制系统。复位，中断等子电路。1、本系统交通灯控制规则如下：(1)每个街口有左拐、右拐、直行及行人四种指示灯。每个灯有红、绿、黄123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:30-Dec-2008SheetofFile:E:\see\workdoucument\学习\毕业设计\myself\交通灯.ddbDrawnBy:P101P112P123P134P145P156P167P178INT113INT012T115T014EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16GND20P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728RXD10TXD11ALE/P30PSEN29VCC40U805119189293031010203040506070020212223242527A1A2A3343536371011121314151617C330pC230pY12MC120uR410kS1Vcc123456789RP110kVccS2S3S4R110kR210kR310kA1A2A3Vcc绿黄红N1绿黄红S1绿黄红E_1绿黄红W1A4B5C7D10E8F3G21127Dp9NL1A4B5C7D10E8F3G21127Dp9WL2A4B5C7D10E8F3G21127Dp9SL3A4B5C7D10E8F3G21127Dp9EL4绿黄红N2绿黄红N3绿黄红E_2绿黄红E_3绿黄红S2绿黄红S3绿黄红W2绿黄红W3绿黄红E1.1绿黄红E1.2绿黄红N1.1绿黄红N1.2绿黄红WR.1绿黄红WF.2绿黄红SR.2绿黄红SF.121272003040506072710111213141516173736000102222327000102242527101112131415161734350304050304050607270304052021270001020001021011121314151617363700010222232724252703040503040510111213141516173435000102Vcc20B018B117B216B315B414B513B612B711GND10A02A13A24A35A46A57A68A79CE19DIR174LS245U274LS245VccQ1NPNQ2NPNR55kR65kQ3NPNQ4NPNR75kR85kQ5NPNQ6NPNR95kR105kQ7NPNQ8NPNR125kR115kVccVccVCC12JVccJ24三种颜色。自行车与汽车共用左拐、右拐和直行灯。(2)共有四种通行方式：①车辆南北直行、各路右拐，南北向行人通行。南北向通行时间为1分钟，各路右拐比直行滞后10秒钟开放。②南北向左拐、各路右拐，行人禁行。通行时间为1分钟。③东西向直行、各路右拐，东西向行人通行。东西向通行时间为1分钟，各路右拐比直行滞后10秒钟开放。④东西向左拐、各路右拐。行人禁行。通行时间为1分钟。(3)在通行结束前10秒钟，绿灯闪烁直至结束。2、有倒计时时间显示时间，红绿灯切换提前5秒亮黄灯提示。3、若交道口出现紧急情况，交警可手动控制：全路口车辆禁行、行人通行。紧急情况结束后再转成自动状态。5第2部分系统硬件设计2．1交通灯四种通行模式及行车方向指示按交通灯控制规则，每个街口有左拐、右拐、直行及行人四种指示灯。每个灯有红、绿两种颜色灯。4组LED数码管按照设置的通行时间（各路口默认的通行时间均为1分钟）进行倒计时，并各自进行红、绿灯显示，共有四种通行方式，分别为：图2-2通行方式一示意图图2-3通行方式二示意图图2-4通行方式三示意图图2-5通行方式四示意图通行方式一：倒计时时间为50s（通行时间），红绿灯状态为：南北直行：绿；东西直行：红；各路右拐：绿；左拐：红；人行道：南北绿，东西红；各路6右拐比直行滞后5秒钟开放。如图2-2所示。通行方式二：倒计时时间为45s（通行时间），红绿灯状态为：南北左拐：绿，各路右拐：绿，所有人行道：红。如图2-3所示。通行方式三：倒计时时间为50s（通行时间），红绿灯状态为：东西直行：绿，南北直行：红，各路右拐：绿，左拐：红，人行道：东西绿，南北红，各路右拐比直行滞后5秒钟开放。如图2-4所示。通行方式四：倒计时时间为60s（通行时间），红绿灯状态为：东西左拐：绿，各路右拐：绿，所有人行道：红。如图2-5所示。通行默认时间为1分钟，系统设置了任意更改功能，一般主干道通行时间要比次干道要长一些，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，绿灯闪烁直至结束。本设计选用LED发光二极管的红绿灯状态用来指示左右拐、直行等交通指示信息。绿色表示通行，红色则表示禁止通行。中间绿色灯亮，表示直行，两边红色灯亮，表示禁止通行；左边绿色灯亮，表示左拐弯；其他红色灯亮则表示禁止通行和右拐弯。所有指示信息一目了然。2．2各功能模块硬件设计及实现2．2．1行人通行指示及其实现人行道的通行采用红绿两种颜色的发光二极管来指示，其中多加了一个黄灯作为提示红绿转换的提示标志。按规则，南北车辆直行的时间也就是东西路口行人通行的时间。所以，在该时刻南北直行的指示灯和东西路口人行道上的指示灯的点亮情况应该是一致的。在现实中，人行道的状态切换是用该信号指示灯闪烁来提示红绿状态的切换的。但是在我们这个设计中，我们认为直接再加一个黄色信号灯来提示红绿状态的转换效果会更加明了。当然，相应地要考虑到单片机的带载能力了。黄色信号灯的发明者是我国的胡汝鼎，他怀着“科学救国”的抱负到美国深造，在大发明家爱迪生为董事长的美国通用电器公司任职员。一天，他站在繁华的十字路口等待绿灯信号，当他看到红灯而正要过去时，一辆转弯的汽车呼地一声擦身而过，吓了他一身冷汗。回到宿舍，他反复琢磨，终于想到在红、绿灯中间再加上一个黄色信号灯，提醒人们注意危险。他的建议立即得到有关方面的肯定。于是红、黄、绿三色信号灯即以一个完整的指挥信号家族，遍及全世界陆、海、空交通领域了。7我们的视网膜含有杆状和三种锥状感光细胞，。杆状细胞对黄色的光特别敏感，三种锥状细胞则分别对红光、绿光及蓝光最敏感。由于这种视觉结构，人最容易分辨红色与绿色。虽然黄色与蓝色也容易分辨，但因为眼球，对蓝光敏感的感光细胞较少，所以分辨颜色，还是以红、绿色为佳。所以，交通灯用什么颜色也是有大学问的。2．2．2各路口交通状态显示及其实现在完成倒计时、状态信息等的显示功能上，我们考虑了以下三种方案：方案一：完全采用数码管显示。这种方案只能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显示。此显示方案功能强大，可方便地显示各种英文字符，汉字，图形等，而且美观，但这种方案实现复杂，且须完成大量的软件工作，因此我们不予采用。方案三：采用发光二极管、数码管相结合的方法。考虑设计需要，我们用三个一组的发光二极管在显示不同的状态，在各个方向分别构成交通提示信息，形象逼真；用二位数码管用来显示倒计时时间。综上所述，方案三既满足了系统功能要求，又符合人性化设计标准。权衡利弊，我们决定采用方案三来实现系统的显示功能。2．2．3主次干道独立控制功能当主干道方向的车辆过多发生堵塞,而次干道方向车辆却很稀少时，正常的信号灯时序将会使交通状况更加恶化。本设计添加了主次干道独立控制功能，交警可按需求控制任意路口的通行，该措施可在一定程度缓减短暂的交通压力。2．2．4紧急情况处理功能及其实现在十字交通路口常出现的紧急情况，若不及时处理将形成不良隐患。比如，交道口的行人有紧急情况发生，那么交警可以对信号灯进行手动控制，按下紧急情况处理键，通过软件使所有红灯亮，路口车辆禁行，行人通行，直至紧急情况结束后再转成常规的自动状态。2．2．5倒计时计数功能及其实现本系统使用数码管完成倒计时显示功能。以南北方向为例，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。8系统共有4个二位的LED数码管，分别放置在模拟交通灯控制板上的四个路口。因为相同直线方向上的数码管应该显示同样的内容，所以我们可以把它们同样对待。也就是说各个方向的数码管个位（把数码管第二位定义为个位，第一位定义为十位）用一根信号线控制，十位用另一根信号线控制。这里采用动态显示。考虑到单片机的P1口驱动数码管七位段码的能力，我们利用一片74LS245芯片来作为数码管的位驱动芯片。经实验证明，该8路同相三态双向总线收发器芯片的驱动能力完全可以满足本设计的显示要求。9第3部分系统软件设计硬件平台结构一旦确定，大的功能框架即形成。软件在硬件平台上构筑，完成各部分硬件的控制和协调。系统功能是由软硬件共同实现的，由于软件的可伸缩性，最终实现的系统功能可强可弱，差别可能很大。因此，软件是本系统的灵魂。软件采用模块化设计方法，不仅易于编程和调试，也可减小软件故障率和提高软件的可靠性。同时，对软件进行全面测试也是检验错误排除故障的重要手段。3．1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3-1所示。图3-1软件总体流程图主程序比较简单，初始化完成后，调用按键扫描程序，取得按键状态，并根据当前系统状态调用相应的子程序。3．2软件主要子程序流程3