【正文】 課題 ： 交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計 專業(yè) 電子信息工程 學(xué)生姓名 發(fā)放日期 2020 年 5 月 25 日 信息工程學(xué)院 交通燈控制 系統(tǒng) 設(shè)計 摘 要 : 本系統(tǒng)采用單片機(jī)、 按鈕開關(guān) 、 LED 顯示、交通燈演示系統(tǒng)組成。設(shè)計一個用于十字路口的車輛及行人的交通管理，系統(tǒng)包括左拐、右拐、 直 行 ，人行道四個 基本的交通燈的功能，計時牌顯示路口通行轉(zhuǎn)換剩余時間，在出現(xiàn)緊急情況時可由交通手動實現(xiàn)全路口車輛禁行而行人通行狀態(tài)。另外，在特種 車輛如 11 120 通過路口時，系統(tǒng)可自動轉(zhuǎn)為特種車輛放行，其他車輛禁止通行的狀態(tài)， 20s 后系統(tǒng)自動恢復(fù)正常管理。采用數(shù)碼管與點陣 LED 相結(jié)合的顯示方法，既要求倒計時數(shù)字輸出，又要求有狀態(tài)燈輸出等。 在對系統(tǒng)功能分析的基礎(chǔ)上，提出了三種設(shè)計方案，經(jīng)比較，選擇性能較優(yōu)的 LED 動態(tài)循環(huán)顯示方案進(jìn)行了設(shè)計。設(shè)計包括硬件和軟件兩大部分。硬件部分 包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、時間顯示、交通燈顯示三部分。選用 Atmel 公司的AT89S52 單片機(jī)作為控制核心 ， 東西南北四個方向設(shè)置了 LED 時間顯示和交通燈顯 示 ， 時間顯示采用三位 LED 顯示器，交通燈顯示則采用紅綠雙色高亮發(fā)光二極管來模擬。軟件采用了模塊化的設(shè)計方法，主要分為主程序、定時器中斷服務(wù)子程序、倒計時顯示子程序、交通燈模擬顯示子程序四部分。 關(guān)鍵詞 : 交通燈 ， 單片機(jī) ， AT89S51，交通規(guī)則 信息工程學(xué)院電子設(shè)計競賽 2 目 錄 一、概述 二、方案設(shè)計與論證 三、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 四、系統(tǒng)主要程序設(shè)計 五、參考文獻(xiàn) 附錄 信息工程學(xué)院電子設(shè)計競賽 1 交通燈系統(tǒng)設(shè)計 一、 概述 隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，城市街道車輛大幅度 增長，給城市交通帶來巨大壓力，交通擁堵已經(jīng)成為影響城市可持續(xù)發(fā)展的一個全局性問題。而街道各十字路口，又是車輛通行的瓶頸所在。已有的許多建立在精確模型基礎(chǔ)上的交通系統(tǒng)控制方案都存在著一定的局限性 [1]。研究車輛通行規(guī)律，找出提高十字路口車輛通行效率的有效方法，對緩解交通阻塞，提高暢通率具有十分現(xiàn)實的意義 [2]。地面道路是一個龐大的網(wǎng)絡(luò)，交通狀況十分復(fù)雜，使目前交通燈控制器的單一時段控制已不能滿足現(xiàn)代交通流量的多變性，特別是在交通流量高峰時，往往會造成交通路口的通過率下降，甚至出現(xiàn)交通混亂現(xiàn)象，城市的交通擁擠問 題正逐漸引起人們的注意。道路平面交叉口 (簡稱交叉口 )是交通網(wǎng)中通行能力的 “ 隘口 ” 和交通事故的 “ 多發(fā)源 ” ，國內(nèi)外城市的交通事故約有一半發(fā)生在交叉口 [3]。因此，交叉口這個事故多發(fā)源不能不引起人們的高度關(guān)注。隨著交通技術(shù)、電子技術(shù)的發(fā)展及微機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，人們設(shè)計出了適應(yīng)各種需要的交通檢測器、信號控制機(jī)和交通信號燈。 交通燈是交管部分管理城市交通的重要工具?，F(xiàn)在交通燈一般設(shè)在十字路口，在醒目位置用紅、綠、黃三種顏色的指示燈，加上一個倒計時的顯示計時器來控制行車，對于一般情況下的安全行車、車輛分流發(fā)揮著作用。目前 絕大部分交通燈其時間都是設(shè)定好的，采用的是單段式定時控制或多段式定時控制，其最大的缺點是綠燈時間和綠信比是固定的或是分時段固定的，且最佳綠燈時間和最佳綠信比的整定較為困難，需要大量的實測統(tǒng)計數(shù)據(jù) ,且很多情況下整定所得值并不是最優(yōu)的 ,甚至是不合理的?？刂破饋矶疾皇呛莒`活，這使得城市車流的調(diào)節(jié)不能達(dá)到最優(yōu)。這次設(shè)計正是針對這一弊端進(jìn)行了改進(jìn)，較好地解決了這一問題。根據(jù)實時車流量對各路口的綠燈時間進(jìn)行動態(tài)調(diào)信息工程學(xué)院電子設(shè)計競賽 2 節(jié)，大大加強了其靈活性和實時性，本系統(tǒng)能自動檢測當(dāng)前的車流量并計算出當(dāng)前的最佳綠燈時間和最佳綠信比，當(dāng)車流量 變化時 ,其最佳綠燈時間和最佳綠信比也隨之變化，實現(xiàn)了真正的動態(tài)控制。本著“ 先到先服務(wù) ” 的原則，在保證交通安全性不降低的條件下提高了交通效率。與傳統(tǒng)的交通控制系統(tǒng)相比，該控制系統(tǒng)有一定的智能水平和很強的控制能力 。 二、 方案設(shè)計與論證 1 電源提供方案： 采用獨立的 5V穩(wěn)壓電源，此方案穩(wěn)定可靠，且有各種成熟電路可供選用 2 顯示界面方案 采用數(shù)碼管和點陣 LED 相結(jié)合的方法，因為實際既要求倒計時施主輸出，又要求又狀態(tài)燈輸出等，為方便觀看并考慮到現(xiàn)實狀況，用數(shù)碼管與 LED分別顯示時間和提示信息。這種方案既滿足系 統(tǒng)功能要求，又減少了系統(tǒng)實現(xiàn)的復(fù)雜度。 3 輸入方案 直接在 IO 口上接按鍵開關(guān)。因為設(shè)計時精簡和優(yōu)化了電路，所以剩余口的資源還比較多。 4 主控制方案 采用 AT89C51 單片機(jī)作為控制器，控制 8255 實行通行倒計時及左拐、右拐、直行、行人通行指示采用單塊 LCD 液晶點陣顯示器。這種方案設(shè)計占用單片機(jī)的端口最少，硬件也少。耗電也最小 三、 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 整套電路系統(tǒng)由控制系統(tǒng)模塊、通行燈輸出控制顯示模塊、時間顯示模塊、時間顯示模塊和自動特種車輛控制模塊等組成。 主控制系統(tǒng) 信息工程學(xué)院電子設(shè)計競賽 3 通行燈輸出控制 道口交通燈指示采用高亮度紅綠雙色發(fā)光二極管，左拐、直行、右拐及行人各一個。當(dāng)發(fā)光電流為 6mA 時，按公式 R=()/ 計算，限流電阻應(yīng)為 ，因此每個端口應(yīng)具有 12mA 的吸收電流能力。 時間顯示模塊 道口通行剩余時間采用高亮紅色 7 段 LED 發(fā)光數(shù)碼管顯示，采用共陽數(shù)碼管，如用單片機(jī)吸收電流驅(qū)動，列掃描驅(qū)動使用三極管，按每段 6mA 電流算，全顯示字形 “8”時，每個數(shù)碼管需 6mA8=48mA。由于時間顯示每個道口相同， 4 組需 192mA，因此設(shè)計中采用中功 率三極管 收 24mA 電流，因此在電路設(shè)計中也使用了驅(qū)動集成塊 74HC244。其顯示驅(qū)動電路如圖示。 特種車輛自動控制模塊 自動道 口燈在特種車輛到來時能自動關(guān)閉所有綠燈，讓特種車通過。 通過復(fù)位按鈕 ，使用實時中斷來影響特種車的通行要求。 電源電路 由于整個系統(tǒng)采用的電源電壓需 +5V 電壓，所以采用不可調(diào)的 3 端穩(wěn)壓器件，用常用的lm7850 就可以滿足系統(tǒng)電源的要求。 S7805 三端集成穩(wěn)壓電源內(nèi)部由準(zhǔn)電壓回路、恒流源、過流保護(hù)、過壓保護(hù)和短路保護(hù)回路等 8 部分組成具有 低功耗，高效率，波紋系數(shù)小，輸出電壓穩(wěn)定等優(yōu)點。 四、 系統(tǒng)主要程序設(shè)計 道口交通控制系統(tǒng)程序主要分為以下幾個模塊：初始化程序、主程序、定時中斷程序和特種車實時響應(yīng)程序等。 初始化程序 初始化程序主要完成內(nèi)存劃，定時器的工作模式、中斷方式等的設(shè)定。由于子程序調(diào)用較多，因此初始化時堆棧指針設(shè)于 80H 處。定時器 T0、 T1 設(shè)為 16 位定時器模式，定時時間位 50ms,為秒計時用， T1 為通行結(jié)束閃爍用。 主程序 信息工程學(xué)院電子設(shè)計競賽 4 主程序要負(fù)責(zé)總體程序管理功能，實現(xiàn)人機(jī)交換設(shè)定。由于采用動態(tài)掃描方式顯示時間，因此主程序大部分時間要調(diào) 用掃描顯示程序。主程序流程圖如下圖示。 外中斷 1 中斷服務(wù)程序 經(jīng)過時，車中發(fā)射紅外線信號，其信號被道口控制板上的接收器接收，并輸出一個低電平處外中斷 。 定時服務(wù)中斷程序 序主要用于行車與行人的通行指示，按照交通規(guī)則，紅綠燈控制轉(zhuǎn)換邏輯表如 表所列。 南北方向 端口 控制功能 120~110s 110~70s 70~60s 60~10s 10~0s P*.7 左拐紅 0 0 0 1 1 P*.6 左拐綠 1 1 1 0 0/1 P*.5 直 行紅 1 1 1 0 0 P*.4 直行綠 0 0 0/1 1 1 P*.3 右拐紅 0 1 1 1 1 P*.2 右拐綠 1 0 0 0 0/1 P*.1 行人紅 1 1 1 0 0 P*.0 行人綠 0 0 0/1 1 1 道口控制字 66H 6AH 6AH/7BH 99H 99H/DDH 東西方向 P*.7 左拐紅 0 0 0 0 0 P*.6 左拐綠 1 1 1 1 1 P*.5 直行紅 0 0 0 0 0 P*.4 直行綠 1 1 1 1 1 P*.3 右拐紅 0 1 1 1 1 P*.2 右拐綠 1 0 0 0 0/1 P*.1 行人綠 0 0 0 0 0 P*.0 行人紅 1 1 1 1 1 道口控制字 55H 59H 59H 59H 59H/5DH 信息工程學(xué)院電子設(shè)計競賽 5 通行規(guī)則如下： 、各路右拐，南北向行人通行。南北向通行時間為 1min（ 60S） ,各路右拐比直行滯后 10S 開放。 、各路右拐，行人禁行。通行時間為 1min（ 60S）。 、各路右拐，東西向行人通行。東西向通行時間為 1min（ 60S） ,各路右拐比直行滯后 10S 開放。 、各路右拐，行人禁行。通行時間為 1min（ 60S）。 表 41 路口通行方式控制碼數(shù)據(jù)表 南 北 方 向 端口 控制功能 120110S 11070S 7060S 6010S 100S 左拐紅 1（亮） 1（亮） 1（亮） 0（暗） 0（暗） 左拐綠 0（暗） 0（暗） 0（暗） 1（亮） 1/0（提示） 直行紅 0（暗） 0（暗） 0（暗） 1（亮） 1（亮） 直行綠 1（亮） 1（亮） 1/0（提示） 0（暗） 0（暗） 右拐紅 1（亮） 0（暗） 0（暗） 0（暗） 0（暗） 右拐綠 0（暗） 1（亮） 1（亮） 1（亮） 1/0（提示） 行人紅 0（暗）