基于单片机的红绿灯智能控制系统设计


     基于单片机的红绿灯智能控制系统设计 基于单片机的红绿灯智能控制系统设计 摘 要 随着社会经济的快速发展以及人们生活水平的提高 ,机动车数量也在急剧增加 ,交通问题逐渐成为人们关注的重点对象,因城市发展所带来的交通拥堵等问题,利用智能交通来解决传统交通日渐出现的问题成为大势所趋。本设计基于传统交通,详细介绍了交通灯控制系统软件以及硬件的设计过程,并且使用 Proleus 软件对整体系统进行仿真,采用了单片机作为基础的开发模板,结合plc等其他技术进行交通的智能化的交通设计,可自动控制红绿灯的交替闪烁,观察车流情况自动改变倒计时的情况,已达到改善交通拥堵的情况。本设计是基于理想情况下设计的交通控制系统,基于实际道路情况的复杂程度,不同的车辆高度长度的和随机出现的行人以及出现交通事故等突发情况,本设计结合实际的交通系统还是存在一定难度,但该发展方向存在大量实际利益,是值得我们去探讨如何发展的,在硬件开发成熟后可以优先享用该成果。 关键词:单片机;信号灯;智能交通 Design of Intelligent Traffic Signal Control System Based on Single Chip Microcomputer Abstract With the rapid development of social economy and the improvement of people living standard,the number of motor vehicles is increasing rapidly.The traffic problem has gradually become the focus of attention.This design mainly aims at the main and the main road intersection traffic light to carry on the intellectualized design,may according to the traffic flow size changes.Indicated the passage time length.This design is based on the problems of traditional traffic. It uses the microcontroller as a basic development template, combined with plc and other technologies for intelligent traffic design of traffic. It can automatically control the alternating blinking of traffic lights and observe the traffic flow. The countdown is automatically changed. It has been achieved to improve traffic congestion. This design is based on the traffic control system designed under ideal circumstances. Based on the complexity of the actual road conditions, different vehicle heights, random pedestrians, and accidents such as traffic accidents, this design still exists in conjunction with the actual traffic system. It is difficult, but there are a lot of practical benefits in this direction of development. It is worthwhile to discuss how to develop. After the hardware development is mature, you can enjoy the results first. Keywords: scm;signal light;intelligent traffic 目 录 1 引言 1 1.1 本设计的目的、意义及应达到的技术要求 1 1.2 本设计在国内外的发展概况及存在的问题 2 1.3 本设计的中心要点 4 2 设计思路 5 2.1设计原理 6 2.2方案选择 7 2.2.1分析问题 7 3 元器件展示 8 3.1单片机展示 8 3.2汇编软件展示 10 4 系统设计流程概述 11 4.1设计流程概述 12 4.2汽车数量检查电路 13 4.3交通指示灯电路 13 4.4倒计时显示电路 14 4.5紧急处理电路 15 5 系统仿真 15 6 结论 20 参考文献 22 致谢 23 附录 24 1引言 信号灯的出现,是人类交通出现的雏形,在其出现之前,主要依靠人力进行指挥,不同于人力指挥,信号灯对提高道路通行能力有巨大好处,它可以24小时无休止指挥道路,极少出现故障,对减少交通事故起到了积极作用,是交通迈向复杂的必经途径。绿灯,是广泛存在于现行交通系统中的一种信号灯,绿色一般给人比较舒适的感觉,其寓意着享有此道路的优先通行权利,在没有其他交通指示的情况下,绿灯的车道上可以执行直行或者转弯。转弯车辆涉及变道,一般行车时须对十字路口其他的合法行动直行车辆和过人行横道的行人进行避让,也就是直行的车辆一般拥有高优先通行的权利。红灯通常有警告和紧张的意义,红灯所对应的车道属于低优先级,一般车辆需要在规定的十字路口前的停止线前进行有序等待。黄灯在不同的地方有不同的内涵,一般是警告信号,常用于十字路口交通信号灯待变更时,警示车辆停止执行当前信号灯的指示,等待信号更改完成后,在继续遵从当前指示灯,目前根据我国交通法规定,在亮起黄灯前车辆越过起止线,且位置不安全的情况下,可以驶入交叉路口。本设计是基于传统意义上的信号灯控制系统,加上运用单片机对其进行智能管控,以智能疏通交通堵塞为基本目标,设计一个适用于小型交通系统的智能控制系统。 运输历史悠久。可以说,自人类定居生活以来,最原始的交通工具已经出现。中国的现代交通可以追溯到清朝。在几十年的发展中,中国大陆已发展成为高速公路。由系统,铁路系统和航空系统组成的庞大交通网络也可以在某些城市的地铁和BRT系统中行驶。信号灯在各种运输系统中起着重要的作用。红绿灯是以电为能源运行的交通控制设施。红色,黄色,交通信号灯或辅助声音信号用于指示车辆和行人停车,注意和驾驶。交通的最大意义是保护交通参与者。高效的交通以及人身和财产安全,现代通常使用信号灯进行交通,交通存在最大的意义是保障交通参与者的高效率通行以及人身财产安全,近代通常采用信号灯这一方式来进行交通的指挥,红绿灯更是不同国家中最为广泛运用的一种交通信号灯。本设计基于近代交通的基础发展,从现实意义、世界现状以及设计本体出发,利用单片机的智能控制,讨论智能交通控制的对现代交通发展的建设性意义,最后以单个十字路口的红绿灯智能控制设计为演示成果展现,以实现对十字路口的智能控制。 1.1本设计的目的、意义及应达到的技术要求 交通拥堵是指通常在节假日或通勤高峰时段发生的汽车拥挤和慢速行驶的现象。这种情况通常发生在世界主要都会区,连接两个城市的高速公路以及汽车使用率高的地区。中国亦是交通堵塞最为严重的几个国家之一,在19年由国外统计公布的亚洲十大拥堵城市中,中国的珠海、广州和北京榜上有名。通过调查发现,目前中小城市的交通信号控制系统非常落后,大多数城市都使用单一的系统进行操作。大多数城市的交通拥堵集中在主要道路上,这对车辆的运行和人们的生活产生了巨大影响。 交通拥堵的原因是多方引起的,社交车辆的使用增加,成为导致道路交通流量增大的重要诱因,早在古代的欧洲,人民就在一些交通比较发达的城市,遭遇到这些问题,当时的领导者为了解决这一问题,立法规定了不同的马车有不同的出行时间,除该时间外不能出行,相当一部分的车流量被分至夜晚,但由于声音,市民无法在晚上入睡,因此他们很快被排除在外。为了解决现代交通拥堵的问题,其原理是减少单位面积道路上的汽车数量。通常有几种方法可以解决交通拥塞:增加交通容量、减少道路交叉、限制车辆驶入、智能化交通管理等。增加交通容量和减少道路交叉的主要方案都会涉及道路扩充、建设立体交通等方面,在城市中采取这种方案需要统筹规划,建设也需要人力物力,无法立即解决现存问题。限制车辆驶入这一方案,中国不少城市已经实现单双号出行等限制手段,有一定的成效,但不是长远之计,其牺牲了部分人的利益来换取集体的利益,有违背交通为全体交通参与者提供便利的原则。相较之下使用智能交通的建设的时间成本和弊端相对较少,不少国家以及广泛采取智能交通统筹管理的方案,以目前的实践成果来看,智能交通对交通拥堵改善的效果和智能交通的覆盖效果呈正比,换而言之,如果能将智能交通普及至交通系统的末端,其管理起来效果更好,所以本设计将以最简单十字路口通行为例,进行智能化设计,以最求更为广泛的运用智能交通,传统的十字路口交通信号灯自动控制系统大多数都使用继电器自动控制系统或单片机设计的自动控制系统来完成。它们的功能很少,不容易更改控制回路,可靠性差,经常出现常见故障和维护。由于交通量大等缺点,对传统的交通信号灯自动控制系统进行了进一步的改进,并首次引入了智能在线操作的定义,以完成智能系统的操作。 单片机被设计为核心载体,该功能的开发和设计考虑了大城市交通信号灯的操作规定。在设计过程中必须注意以下困难:首先,必须考虑交通信号灯之间的相对配合,先打开一个交通信号灯,然后关闭下一个交通信号灯,以完成所有正常的陆路交通。其次,交通信号的等待时间和根据交通情况的时间都以时间为单位进行调整,以确保一切正常交通运行,尽量避免发生交通事故。最后,不同的交通信号灯必须具有不同的功能。在城市规划中,必须完成交通信号灯的功能分析。并非所有的交通信号灯都具有指引车辆的作用。最后,在特定道路上,容易发生高级别交通事故的各个地方,考虑是否有效放置交通信号灯来减少事故,以及非机动车驾驶员是否可以注意到交通标志。另外,还可以进行其他设计方案,使交通信号灯具有提醒非机动车驾驶员的功能,提高交通出行的安全性。 1.2本设计在国内外的发展概况及存在的问题 中国的交通信号灯一般设在交通的交叉路口,以红色,绿色和黄色的三种交通信号灯作为指挥交通的信号,添加一个显示信号灯倒计时的计时器,以用于辅助驾驶员更好的行驶。为了保障在正常条件下安全驾驶,机动车的转向这一行为,即使受到信号灯的管制,仍会对交通安全带来一定隐患,根据特定的驾驶过程,仍然目前的交通系统存在以下缺陷:1.机动车和非机动车处于同一通行方向时,具有相同的行驶方向,在部分路口,行车道通常是狭窄的,机动车很多,非机动车和机动车争道而行,同向而行发生交通事故是信号灯无法顾及的交通盲区。 2.应急车辆通过交通路口时,会短时造成交通信号的指挥无效,两个方向的车辆的正常行驶都会受到影响。例如,当消防车是接近路口时,当前车道是红灯且有车辆滞留,前方车辆为了让行需要闯红灯,这对对向车道本应绿灯通行的车辆受到了极大威胁。传统的自动红绿灯自动控制系统的设计方案过于停滞,闪烁的红绿灯更换方式太短。智能交通指示器自动控制系统的设计方案能解决一定的上述问题。比起传统的交通信号控制,它可以适应交通拥挤时及时疏通堵塞,减少同向事故的发生,面对应急车辆驶过时,也可以将全部方向的路灯转为黄灯警示。单片机设计控制系统的应用出现了。明确提出了一类可以完成道路上高效交通的手机软件和硬件开发计划。 图1.1 传统十字路口交通示意图 如今,各个国家和地区的主要城市都在使用各种控制系统来控制十字路口的交通信号灯。据不完全统计,中国大约有63家交通控制系统产品制造商,其主要产品是具有时间安排式和集中协调式的智能控制芯片,生产没有统一的标准和规范性。随着“道路交通信号控制机”的实施,这种情况得到了改善。经过近几年的发展,国家交通信号系统的信号技术水平,实用性和可靠性得到了提高,这三点也决定了交通控制中的设备需要更高水平的生产能力。但是,从整个生产链的角度来看,我国现在有许多小型制造商,国家没有时间关注这些公司,导致研究资金不足,科研人员不足以及团队创新能力薄弱。现在,该国的主流产品是单模信号,通常会在通勤高峰时段造成交通阻塞时用来缓解交通压力。在全国的企业中,只有少数企业能够独立开发并产生多模式和系统协调的信号。当然,并不排除某些交通管理部门有意使用自行开发的控制灯以节省成本。最终,由于简单的控制灯和较差的稳定性,它们可能导致交通阻塞。 1868年12月,世界上第一个手动控制,以燃料为能源进行照明的交通灯在英国伦敦的威斯敏斯特宫前启用。交通信号灯杆高22英尺(6.7米),有红色和绿色的蒸汽灯。该信号灯对于当时的交通管制而言,能十分有效的控制路口交通出行,但使用20天后爆炸,导致操作交通灯的警察死亡。这种交通信号灯随后被停用,直到开始使用基于电力的交通信号灯。在1890年代后期,交通信号系统逐渐变得重要。 1910年,美国芝加哥的欧内斯特·希林(Ernest Silin)成功申请了世界上第一个自动交通信号控制系统专利。它的交通信号控制系统使用“停止”,还新增了使用该信号系统“前进”,它比起蒸汽灯更加的安全稳定,而且不需要人为过多的参与,就能自动指挥交通。 最初的交通信号灯发展到如今红绿灯,已有不少前人对信号灯的智能化进行改进,从人工指挥到自动指挥,从单色信号到多色信号,从单一指向到转向信号,这些都是交通智能化的体现,本设计体现的智能化主要基于对路口车辆数量统计,来控制红绿灯的倒计时长度,从而达到优先减少拥堵干道的车辆数量,这种做法已经通过人工手段实现了,该设计主要以减少人工干预为目的,尽可能实现全自动解决,并有望融入现有的智能运输系统。该系统一般属于国家机密,一般人很难知道该系统是如何运作,其大概能达成的效果现在已经比较常见,例如一条长直道上有5处红绿灯,其能同时进入绿灯或红灯状态,以保证车辆能流畅的通行,还有类似潮汐道路,预转弯系统等,此系统目前用于大局管理,细致到单个路口是无法做到单独控制的,本设计则能弥补这一份缺点,理论上减少系统管理的缺口。 1.3本设计的中心要点 上文一直提到设计智能交通的主要目的,也是该设计的中心要点,就是在保障正常的交通通行秩序的情况下,尽可能提高通行效率,减少道路的拥堵情况,以及减少人工的干预。其中最大的困难就是现实道路的复杂情况,不同的道路情况用一套控制系统来控制难度较大,加上实际中车辆的测量难度也十分大,因此本设计局限于现有硬件软件的能力,选取单一的十字路口作为情况模拟,将车辆和行人的形状和行动规律规范化,结合交叉口和区域交通状况的综合调度,在和各信号指标变化灵活的条件,并提供了一种智能的交通管理方式。传统的十字路口交通信号控制系统大多使用中继控制系统来实现。缺点是功能少,控制电路更换困难,可靠性差,频繁故障和维护量大。这种设计允许使用单个芯片来设计系统,但是可以在不同情况下使用它。需要灵活地更改程序以实现不同的功能要求,高可靠性,良好的性价比,而且最重要的是,它非常适合诸如交通信号灯控制等时序控制系统,然后与其他硬件结合才能实现更智能的控制。有效地,当系统需要根据每个车道的交通流反馈信息和相应的算法来设置每个信号时。控制系统和控制中心之间的连接已实现跨区域交通控制。 图1.2 未来的智能交通模拟图 2设计思路 根据传统的交通信号控制系统,智能交通系统需要改善机动车的城市灯的红色,黄色和绿色,包括左右转向在内每个行驶方向的相互显示控制,通过车流量的测量装置,它也可以与十字路口和区域交通状况结合在一起。利用提供的信息,灵活更改每个信号指示器的时间,以实现道路网络上交通流量的最佳配置。这要求系统能够根据每个行车道的交通流反馈信息和相应的算法来设置信号时间,连接控制系统和控制中心以实现跨区域交通控制。假设东西方向的交通量较大,为了避免行人和车辆争抢交通资源,控制行人和车辆之间的交通流量,一般的,当车辆直行时,相应人行道的绿灯亮起,行人可以通过。虽然这种做法对交通利用率较高,但是会牺牲左右转弯车辆的通行效率。在转向信号的路口汽车左转时,人行道上的红灯亮,禁止行人通行,使汽车和行人不会争道,可以有效地预防交通事故,提高十字路口的通行能力。随着科技的演进,在一些发达国家已开始研发所谓的“智慧信号”。该信号可以依据各车辆的位置、速度及方向来试着与各车辆沟通,并提醒驾驶员灯号即将变换等资讯,然而仍有少部分的车辆并无与此类信号沟通的装备,使得部分驾驶员可能无法得知智慧信号所传达的资讯。 智能交通信号灯负责人员和各种车辆的安全,红色,黄色和信号灯的全自动指挥的完成是城市道路交通智能的重点研究课题。在城市街道十字路口,为了确保交通管理和机动车安全,通常在每条道路上都有一组红色,黄色和绿色的交通信号灯,该红色信号灯一直亮着,表示禁止道路通过标志;灯亮,未通过该路面上的停车线的车辆将停止行驶,而已通过停车线的车辆则可以继续行驶;绿色信号灯亮起,表明该路面允许行驶。和传统的交通一样,交通信号控制系统,需要完成自动循环变化信号灯,在保障正常行车和行人的安全前提下,负责为各种车辆和非机动车提供更加智能人性化的出行体验,并完善了十字路口的城市道路交通自动化程度。在传统交通信号自动控制系统的基础上,智能交通信号自动控制系统基于单片机设计的智能控制系统,能完成以下功能:交通信号控制在十字路口,指挥通行方向和等待方向的两个路口的汽车。,两个方向的信号灯可以根据交通量自动调整通行时间。交通量大,通行时间长,交通量小,通行时间短;每次信号灯变绿时,在汽车驾驶离开路口前,统计该方向的交通流量。除了东西方向和南北方向上的红色,黄色和绿色信号灯外,每次打开带有倒计时功能的led灯、数字显像管等用于显示当前信号灯持续时间。 2.1设计原理 本人选用了51单片机作为实现智能控制的单片机。每个方向的左转弯,直行,右转弯等信号均由双色LED灯泡实现。交通灯的倒计时显示是通过数字管实现的,该管通常由2位数字和8段组成。对于应用设计的微控制器,I / O端口的数量非常有限。为了节省单片机的I / O端口,使用多个74LS245芯片来控制不同驱动方向上的LED灯泡,并且每个方向上的灯数由BC7281B芯片控制。人机交互系统通过串口与外部系统相连,MAX232芯片更适合于操作要求。为了交通远程控制,需要可以远程收发的装置,此处以 XL02- 232AP1 无线串口收发模,作为模拟实现功能,在总设计系统中,以单片机作为最小系统,将芯片作为主控制器,用以控制其他模块协调工作;交通灯模块作为不同车道的目前通行情况的表示(红灯表示该车道停止前进,绿灯表示该车道可以优先通行,黄灯表示该车道的通行情况的过渡时间 );红绿灯倒计时显示模块和外部链接的键盘控制模块,需要人工进行参数修改,以达到不同情况的模拟,由单片机外接接口控制。 在正常单片机运作周期中,红绿灯工作时,先主道绿灯亮起,同时辅道红灯亮,实现主道先行,该红绿灯常亮时间由人工设定(设定范围为00—99s),交通系统的开启受人工控制,按下键盘上启动键后,系统开始工作,按照预定的设计方案开始自动交替亮灯,同时开启红绿灯时间倒计时显示。当倒计时显示时问减为0时,原本亮起绿灯的道路转为黄灯闪烁,并维持2秒,亮起红灯的道路继续维持红灯2秒。倒计时显示又减为0时,黄灯道路转为红灯亮起,另一方向转为绿灯亮起,两者的维持时间仍由预先设定,当红绿灯的倒计时再次又减为0时,重复上述流程操作,时钟周期开始循环往复,以达到不同道路不断交替通行。 在该设计中,运用模糊检测原理用于检测车辆通过道路。模糊控制原理只是另一种模糊逻辑,而模糊逻辑不是两者之间推理的逻辑,这在传统意义上是不正确的。多值逻辑,但在承认事物属于真值之间的过渡时,他们还认为事物在形式具有其他形式。既无法精确获得信息,而通过大体特点推导出物体的大概,因此,如何处理不正确的模糊输入信息,是对有效降低模糊控制错误率,并仅仅需要较少的存储空间,就可以掌握信息的主要特征,并保证信息处理的实时性、多功能性和完整度。这样,隶属度用于定量描述宇宙中元素与宇宙概念之间的一致性程度。展开以便可以使用隶属函数表示模糊集。 2.2方案选择 智能交通的系统主要以靠智能电路实现,利用不同元件的控制方案是多种多样的,有很多可以使用的器件,常见使用PLC、CPLD、单片机或纯电路设计等设计方案,不同的元件有各种的长处,需要结合实际需求进行选择。从控制的灵活性、实现的方便程度以及性价比等方面综合考虑,单片机有其他方案所没有的优势,能规避一部分其他元件使用配合上的弊端,加上我们的专业课程上有较为系统的学习过单片机,整体系统才用单片机作为控制的核心元件,模拟仿真不同情况下智能交通灯控制的情形,并对模拟的结果进行改良系统,达到预设的效果,从而实现经济、智能、简单的设计要求,也比较符合对硬件大小的预期。 软件采用汇编语言的系统进行仿真,采用Keil C51的集成汇编软件,将上述的软件编制导入汇编软件中,对软件程序进行编写,查找设计上的功能是否能正常实现,为了方便程序调试,本人采用Proteus仿真电路,模拟仿真所编写的程序,最初的程序在不同的红绿灯交替亮起是存在不少的问题,不同的控制叠加在一起时引起逻辑判断出现了问题,而且随着情况越发复杂,单片机的接口也有限,大量的判断需要优化整合到同一个程序判断中,之后便可以实现封装,调试或者生产pcb版等后续操作。 2.2.1分析问题 从智能交通管理系统中,既需要原有的实现控制交通灯的功能,又有结合智能控制的方式,红灯绿灯的切换可智能化控制。同时基于现实的复杂环境,将可能出现干扰也要纳入到智能化设计的考虑范围内。智能交通的设计,从现实相关的要素出发,结合因素进行考虑:第一,提高整体系统的运行效率,从编程方面对程序逻辑进行优化,提高从感应数据到做出反应的时间,红绿灯的切换实际时间不能过长,同时将交通信息反馈给交通控制系统,一连串的行动需要短时间实现,因为传达信息是具有时效性,过慢的运行效率会拖累整体的运行,以及预定失去网络信号等的短时间突发情况出现时,系统还能继续正常运作。第二,交通灯应该具有可调试的功能,一般的交通灯应有三种颜色,用于指挥对应三种交通信号,红灯表示该车道停止通行,绿灯表示该车道可以通行,黄灯用于警示即将转换信号。设计的单片机既要做到红绿灯之间的切换也要做到与黄灯的切换,并根据实际场地需要来设置交通灯的切换方式。第三,红绿灯内部系统是一个循环的过程,每当一个路口的红绿灯完成信号更换时,需要将期间采集的信息反馈给下一个循环周期,从而智能调整下个周期红绿灯倒计时所需时间,然而进入新的周期如何回复到正常的交替循环,需要靠同一种循环代码解决是一个难题。 既要考虑到红绿灯倒计时时间的变化,又要将新的车流量信息结合进入循环,导致系统可以处理新消息的时间越发的紧凑。根据不同的车流量,绿灯的持续时间与车流量的减少是存在联系的,但又并非单一线性关系。比如说绿灯亮30秒,记录在传感器的数据大致为10辆车等待通行,改成绿灯亮40秒内可能就没有等待车辆了,再改成30秒肯就15辆等待车辆。在现实意义上,车辆存在一个起步的问题,也是拥堵的路段,需要解决拥堵的绿灯时间增长越多。换而言之,只但依靠放长绿灯时间,只会不断令路口重复拥和不拥堵的状态。在理想状态下模拟计算,每次绿灯亮20秒,可以减少20辆车,一次红灯默认和绿灯时间一样,在绿灯转换成红灯时,加上一次不能通行的的黄灯5秒警示,即完成一次红绿黄灯循环要45秒,即45秒内通行的车辆为20辆。通过一辆车的平均时间是2.25秒。此时出现了拥堵,绿灯时间改为40秒,期间可以通过30辆车辆,若红灯时间依旧保持一致,则完成一次红绿黄灯循环是倍增为85秒,即85秒内通行的车辆30辆,通行效率则是2.83秒每一辆车。虽然在车辆拥挤的情况下,通过延长绿灯的持续时间,一定时间内通行效率提高了,可以暂缓一次路口的堵塞,但同时积攒下一波堵塞车辆的时间也增长了一倍时间。而且绿灯时间也不可能过度延长,延长这边的绿灯时间相对的红灯也被延长了,会导致另一个路口也出现堵塞的情况。人们总是希望在自己需要通行一侧的能够尽快进行通行。所以在拥堵的条件下,为绿灯延长的最高时间定为40秒。在非拥挤时段,绿灯持续时间的不低于25秒,并依据路口车辆的等待情况,动态调整绿灯时间,模拟出智能化解拥堵的技术。 3元件展示 3.1单片机展示 89C51是一种低压,高性能CMOS 8位微处理器,具有4K字节的闪存可编程可擦写只读存储器(FPEROM闪存可编程可擦写只读存储器),通常称为微控制器。 MCU的可擦除只读存储器可以重复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失性存储器制造技术制造,并且与行业标准的MCS-51指令集和输出引脚兼容。由于在单个芯片中结合了多功能8位CPU和闪存,ATMEL的89C51是高效的微控制器,而89C2051是其简化版本。 图3.1 单片机的内部逻辑结构示意图 表3.1 单片机的功能表 单片机的最小系统描述:时钟信号的产生:MCS-51芯片内部有一个高增益反相放大器,其输入端子是芯片引脚XTAL1,其输出端子是引脚XTAL 2 。在芯片外部,晶体振荡器和微调电容器连接在XTAL1和XTAL2之间,并形成了稳定的自激振荡器。这是微控制器的时钟振荡电路。触发器将频率除以2后,时钟电路产生的振荡脉冲变成微控制器的时钟脉冲信号。通常,电容C2和C3约为30pF,晶体的振荡频率为1.2-1-2MHz。如果晶体振荡频率高,则系统的时钟频率也高,并且单片机的操作速度也快。单片机的复位使CPU和其他功能组件处于特定的初始状态,并从该状态开始工作。微控制器的复位条件:必须在两个机器周期(即两个4个振荡周期)内向引脚9添加一个高电平。 AT89S51是美国ATMEL公司生产的最为广泛运用的CMOS8位单片微型计算机,具有低功耗和高性能的特点,可运用性很高,单个片中安置了4k bytes的可编程的Flash只读程序存储器,材料的选取十分严格,结合公司的加工工艺,不易对储存造成损害,兼容标准8051指令系统及引脚。AT89S51集合了Flash程序存储器于内部,使其可使用在线编程(ISP),又兼容传统方法进行编程,还存有通用8位微处理器于单片芯片中,ATMEL公司有着悠久的硬件加工历史,加工出来的成品功能强大,工艺精湛,价格低廉,AT89S51单片机是性价比十分高的一款热销型号,可灵活应用于各种控制领域。其与市面上其他产品兼容8K字节在系统可编程Flash存储器,拥有1000次的擦写周期和全静态操作的机能,覆盖0Hz~33Hz,设有三级加密程序存储器,外置32个可编程I/O口,可转换计时定时器3个,8个独立运作的终端源,配合全双工UART串行通道低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符。 图3.2 单片机引脚示意图 3.2汇编软件展示 Proteus软件是英国实验室中心电子公司发布的EDA工具软件。它不仅具有其他EDA工具软件的仿真功能,而且可以仿真单片机和外围设备。它是用于仿真微控制器和外围设备的相对不错的工具。尽管在国内的推广才刚刚开始,但它一直受到微控制器爱好者,受到从事微控制器教学的老师以及致力于微控制器开发和应用的科学技术工作者的青睐。Proteus是英国著名的EDA工具(模拟软件)。从原理图布局,代码调试到单片机与外围电路的协同仿真,一键式切换到PCB设计,真正实现了从概念到产品的完整设计。它是目前世界上唯一结合电路仿真软件,PCB设计软件和虚拟模型仿真软件的设计平台。该处理器型号支持8051,HC11,PIC10 / 12/16/18/24/30 / DsPIC33,AVR,ARM,8086和MSP430等。在2010年,增加了Cortex和DSP系列处理器,其他系列的处理模型也在继续。在编译方面,它还支持各种编译器,例如IAR,Keil和MATLAB。 图3.3 Proteus 8 运行示意图 4系统设计流程概述 4.1设计流程概述 本设计的大概设计思路,是以信号灯显示模块采用四个集成交通指示灯来模拟红、黄、绿交通指示灯,用单片机的P1口控制发光二极管的亮灭状态。倒计时显示模块的接口电路有静态显示和动态显示两种方式,由于动态显示方式在仿真软件中不易于查看,所以本次采用静态显示方式,这种方式优点是易于操作,缺点是浪费单片机接口资源。单片机的设计完成后,必须投入使用以测试和观察问题。输入程序不仅必须控制交通信号灯的正常运行,还必须及时记录测试中遇到的故障。测试后,观察测试结果并分析过程中的问题。为了进行调试,系统将在下一个循环中执行优化。在对硬件进行故障排除之后,将对程序进行调试,将记录并比较多个测试的结果,并将检查数据是否存在异常,以确保调试结果与所需目标一致。交通信号灯的程序应设计成能显示信号并按顺序切换信号功能,并提高东南和西北方向的识别能力。信号切换时间在不同方向上不同。提前设计不同的切换时间间隔,以符合交通标准,以确保交通道路的稳定性。信号切换结束后,它将进入一个新的计时周期,并保持所有方向上的切换时间与原始时间相同。 图4.1 设计程序运行框图 用89C51 的P0口(P0.0-P0.6)作为数码管的段选信号; P1口(P1.0-P1.4)接5个控制开关,分别起特殊控制作用;P2口(P2.0-P2.5)分别接上垂直两道口的12 盏信号灯;P3.0,P3.1 作为两位数码管的位选信号,P3.2作为接紧急情况开关。 表4.1 红绿灯状态转移关系表 交通灯系统由四部分组成:汽车数量检测电路,交通指示灯电路,倒计时显示电路和紧急处理电路。 4.2汽车数量检测电路 它用于判断各个方向的汽车数量,例如:它可以在20秒内测算出通过20辆汽车。当在二十秒内通过南北方向的车辆的数量小于二十时,确定该方向低车流量状态。如果从北向南行驶的汽车数量少于20,则判断的方向也处于低车流量主要,下一个绿灯通行时间仍为20秒。当汽车在二十秒内从南往北或从北向南行驶时,如果超过有20辆车处于这种状态时,该方向的绿灯方向时间将更改为40秒。当在40秒内通过的汽车数量达到45时,则判断汽车拥挤。下一个循环中的绿灯释放时间仍更改为40秒。当在40秒的道路上经过的汽车数量未达到45时,确定汽车数量减少,下一次绿灯方向时间更改为20秒,依此类推。绿灯的下限为20秒,上限为40秒,初始时间为20秒。该检查一次可能并不准确,但是肯定会弥补进下一个数量,达到累积计算非常准确,这就是人们通常所说的“模糊控制”。由于道路上的汽车不会突然增加,因此交通拥堵是一个累积过程。这种控制可以逐渐减少越来越多的汽车拥堵在一个路口。虽然每个路口的绿灯放行时间较长,所以等待时间较长,但是等待时间比交通拥堵要短得多。该系统具有成本低,控制精确的特点。由于从南到北和从北到南的时间相同,因此,只要一个方向上有多辆汽车,则下一次离开的时间将从东到西和从西到东更长。 4.3交通指示灯电路 当用于显示LED时,十六进制代码通过命令直接发送到P1端口。四个状态按顺序更改,其中涉及状态的判断和连接。首先,将P1端口的值与所有4个状态代码(如果相同)进行比较,然后成功判断当前状态,然后将下一个状态的状态代码发送给P1。信号灯用于显示车辆的交通状况。以十字路口为例。每个交叉路口的信号转换顺序为:绿色->黄色->红色,绿灯指示允许通行。起止线上的车辆可以继续通过,并且当绿色指示灯变为黄色时,将阻止车辆越过起止线,已经过线的车辆可以继续通行,红灯表示所有该车道的车辆需停止在起止线前,等待红灯结束。绿灯的最短时间为20秒,最长时间为40秒,红灯的最短时间为25秒,最长时间为45秒,黄灯的时间为5秒。当发光电流为6mA时,可以根据公式R =(5-1.8)/0.006进行计算,限流电阻为510Ω。由于从北向南行驶时双向符号相同,因此每个端口应具有吸收12mA电流的能力,并且人行道由8个灯计算得出,因此电流吸收需要36mA,并且连接了驱动电路74HC 244到输出,最后就能完美的模拟出道路红绿灯的效果。除了常亮以外,黄灯还需要对其加装一个二极管,使其能进行闪烁。 表4.2 交通灯变化示意表 4.4倒计时显示电路 显示电路的有许多设计方法,该电路可以显示交通信号灯的剩余时间和交通路口的车辆的等待时间。由于东西方向与南北方向表示形式相同,因此比较难以区别出主干道路。因为每个路口都需安放计算器,需准备四个的显示电路,其中两个在东西方向,两个在南北方向。两个数码显像管的时间可以为0-99秒,完全可以满足系统要求。下面我们使用这种方法来显示交通信号灯。它应显示南北20秒,东西25秒。然后我们首先将端口2的公共阴极代码发送到P0,即5BH,以便要显示的第二位的GND段为低电平,其他三个控制端子连接到高电平,然后是第一位显示2。其他三个关闭。让它显示1MS,然后向P0发送一个公共阴极代码0,即3FH,让第二个数字显示0,该代码的GND段为低电平,其他三个控制端子连接到高电平,然后显示两位数字为0,其他三位数字不点亮。类似地,分别发送第一比特2,第二比特0,第三比特2和第四比特5。每一位亮起1MS。一个扫描周期是4MS,并且每秒需要进行250次扫描。 图4.2 倒计时计算器示意图 4.5紧急处理电路 在执行其他任务期间,中断可以转移到执行临时任务。为了知道在执行中断服务程序后执行原始程序时在何处中断了原始程序,每个相关寄存器的内容必须为:在转移到执行中断服务程序之前,备份当前状态和内容。举一个例子。阅读时,来自某人的电话必须接听电话时,先在书上做一个记号,以便在接到电话后回到书中时,您将知道可以继续阅读的内容。电子计算机的用于解决该问题方案也是如此。在截止时间即将结束之前,必须将相关存储器的内容放入本地变量进行存储,以便可以在还原初始程序流时使用它。系统服务终止后,要执行初始程序流程,必须从局部变量中访问存储的节点内容,以确认当前程序所处的状态,并且必须恢复算术单元和通用寄存器的初始内容,减少程序在恢复正常流程时,出现数据bug等其他问题。如果在实施服务终止项目时,未按照所述方法进行现场维护,则执行程序会混乱并且执行程序不稳定,作为一个保障交通安全的系统,应该极力避免不确定因素的出现。在最终解决方案的整个过程中,将出现一个新的内存。这里的要求不得影响现场维护和维修的实际操作,否则整个维护和维修过程将导致错误的数据信息。在现场维修期间,请确保关闭总终端,并确保屏蔽所有其他终端。执行完此实际操作后,必须再次打开总端子以完成端子嵌套循环。实施最终系统服务后,必须返回。最终返回是从最终系统服务到原始程序流的程序执行。在MCS-51单片机中,最终返回是根据此专业命令完成的。当然,此命令是终止系统服务的最终命令。 图4.3紧急复位电路仿真图 5系统仿真 使用KEIL软件对程序进行编程。其内置的文本编辑器可以编辑智能交通信号灯的程序源文件。由于KEIL集成文本编辑器不能很好地支持中文,因此可以选择其他编辑器,从外部识别更改的源文件;创建项目,指定要开发的微控制器,指定源程序编译和页面参数,指定调试方法,然后为项目进行相关设置;设置项目后,可以进行编译和分类。连接仿真器以调试软件。还可以生成一个HEX文件,并将文件下载到微控制器存储器中。借助ISIS仿真软件,可以调试系统软件。 在连续调整系统之前,即使每个子方法控制模块正常运行且程序流程操作步骤适当,也应首先调整主程序的软件部分,作为发出信号的中心,如果错误的指挥了其他子程序,就会导致整个系统崩溃。核心主程序软件需要谨慎进行,很多细小的错误都需要进行调整,调整的关键分为以下几个过程:动作程序流程的调整,其中汇编器的调整包括与运算,采样,IIR滤波器和pid调整等关键点的完成。调整汇编器时,许多主要参数是未知的。根据所需的标准,提出假设的数据信息以使其充分发挥作用。如果它可以完成预定的处理功能或与手动计算的结果相匹配,则表示该子程序已调试成功,从小到大,从内到外进行调试。例如,在调试PID算法子例程时,首先调整它包含的各种算术子例程和参数处理子例程,然后将它们连接在一起以进行例行调整。在一般调整中,还假定了一些数据,参数和初始条件,然后运行程序。当计算结果与手动计算的结果相同时,将调试算法子例程。否则,必须进行相应的更改。其他子例程的调试是相同的。 图5.1程序运行流程图 操作程序的调整,步骤顺序的调整主要是查询执行程序的流程是否合适,在一定时间执行程序所在的部分是否合适以及是否可以正常运行每个预定功能。在整个调整过程中,首先对pid调整优化算法的汇编程序进行汇编,将输出晶闸管的开-关时间替换为固定的数字,并在每个终止服务项目汇编器中设置一个步骤,然后执行操作流程,检查程序流程是否可以对所有单个步骤进行操作,如果可以对所有单个步骤进行操作,则以操作程序为基础,删除部分单个步骤,再次运行程序流程,查询晶闸管条件,然后区分程序过程,以此分析得出哪些部分程序存在问题,或者哪些程序是可以稳定运行。相反,如果操作步骤有误,要在进行相对更改后再次进行调整;对功能程序流程和优化算法程序流程进行调整,在对所有操作程序进行调整之后,添加诸如pid调整之类的优化算法组装程序,在优化算法组装程序之前或之后设置一个步骤,以达到控制整个系统是否能实现优化。在结束程序流程时,请检查pid调整的操作变量是否与手动计算的值相同。再运行几次。如果每次的结果都合适,则意味着程序流程的每个部分之间没有区别。相反,这意味着优化算法的汇编程序和其他汇编程序会产生影响。需要对程序进行优化。 图5.2电路仿真图 先演示传统交通控制,完整的电路仿真图如图5.2,接通电源,拨下开关后系统开始运作,代表马路通行红绿灯倒计时的led亮起,根据预先输入的优先顺序,南北的交通灯转为绿灯,东西的交通灯维持红灯,同时倒计时20秒,结果如下图5.3。 图5.3直行绿灯电路仿真图 等待led显示器的倒计时结束后,绿灯转为黄灯闪烁,红灯继续维持,将倒计时重置为5秒,结果如下图5.4。 图5.4直行黄灯电路仿真图 黄灯结束后,两侧道路实现互换通行,东西侧红绿灯转为绿色,南北侧红绿灯转为红色,将倒计时重置为20秒,结果如下图5.5。 图5.5直行红灯电路仿真图 等待led显示器的倒计时结束后,绿灯转为黄灯闪烁,红灯继续维持,将倒计时重置为5秒,结果如下图5.6。此后便循环往复该操作。 图5.6 直行红灯电路仿真图 若路口发生紧急情况,按下开关,系统会自动停止当前红绿灯循环,转为全部方向黄灯闪烁,持续10秒,过后恢复循环,结果如图5.7。 图5.7 紧急情况下电路仿真图 在原有电路仿真图的基础上,加入判断车流量的元件,使电路图改为如下图5.8。 图5.8 改进后的智能控制电路仿真图 改进后的电路和原来相比只新增了一个车流量判断系统,此外的效果和之前展示的效果是一致的。修改过后的逻辑图如下图5.9。 图5.9 改进后智能控制逻辑图 6结论 该设计基于原始的传统交通设计,并改进了智能交通灯控制系统的设计。尽管它不能实现所有预期的功能,但可以实现一定程度的智能水平。该设计可以为程序的运行提供一个稳定的工作环境,并允许将程序加载到单片机的硬件电路上运行,基本可以满足设计要求:设置测算流量调节功能信号灯,动态不断修正信号灯的时间与道路流量相契合;最后,在深夜或者特定情况切换到黄灯,黄灯闪烁以保持道路状态交由现场人员判断。在交通智能系统的设计中,逻辑控制尚未达到最简化的水平,需要大量的内存来运行,并且实际应用反映出速度不足以满足要求。 在交通管理系统中,除了实现了交通信号灯的控制功能,可以控制交通信号灯的切换,还应考虑信号干扰。可以从相应的方面来考虑单片机的设计:首先,无论是交通信号灯的切换还是反馈,都应提剩系统的运行速度,并应从以下方面对系统进行优化:首先,缩短反应时间,将流量信息发送到流量控制系统需要快速的响应时间,并且可以调整为在网络信号丢失时在短时间内继续进行流量控制。其次,为了调试交通信号灯,交通信号灯应具有对应于三个交通信号灯的三种颜色。红灯用于停车,绿灯用于通行,黄灯用于警告。设计的单片机不仅需要在交通信号灯之间切换,还需要在特殊情况切换可操作模式,并根据现场的实际需要设置交通信号灯的切换方式。最后,除了实现现有功能,满足现有的目的外,尽量节省空间,为将来改进系统的硬件或软件做好准备,人类的科技是日新月异的,我们不能将做成一个无法改进的系统,否则这样的系统随着时间的流逝会落后于时代的脚步,最后成为淘汰品。 智能控制交通系统的实现是当前的研究方向,取得了许多成就,但是传统的定时交通信号控制在某些地方仍被广泛使用。如果是在一个人流量少,道路交通相对良好的地方,不必大费周章建设智能交通,传统的定时交通信号控制仍然有效。但是,随着社会的飞速发展,城市化越来越完善,汽车数量不可避免地在增加,交通压力也在增加。此时,智能交通信号控制将在为解决交通堵塞,改善城市交通环境和促进城市化方面发挥作用。基于Proteus的智能交通信号控制系统的软件设计,具有两个主要功能。本设计采用模糊控制方法来进行智能交通的识别功能。因为模糊控制不需要被控制对象的精确数学模型,所以它特别适合于随机控制。对于复杂的现实情况,要控制亮灯时间,预先设置一个合适的时间作为一个周期,在受到及时反馈的道路情况后,找出优先级高的通行方案,然后将交通资源向那边倾斜。还有一种功能,在设计紧急停止电路是,考虑到例如特种车辆通行、严重交通事故等意外情况,超出智能的控制范畴,需要及时将控制权返还给现场的人员。例如,当紧急车辆或消防车通过紧急任务时,各个方向的车道指示灯应及时转化为黄灯,让交通参与者自行判断如何让道是否继续前进。但是功能并不完善,例如不能根据交通拥堵来调整交通灯的红色,黄色和绿色时间。写软件实现功能,硬件控制不好。该系统增加了更多功能,例如手动档控制。调整,控制摄像机交通监控,控制盲道交通信号灯等,使系统更加完善。 作为大城市管理的重要组成部分,交通灯建立在交通安全网络的最末端。新的交通信号灯设计方案是基于单片机的设计和开发的。大量的功能改进了交通行驶的人工干预和不灵活性,并且基于网络控制对道路交通进行了技术改进。从特定的交通流量指导和控制,到实时的大数据分析,城市的交通资源得到有效分配,交通堵塞得到清除,大城市的交通压力得到缓解。根据智能控制系统的设计,交通信号灯可以合理调整以减少运力损失,并且在扩展方面中可以包含大量的附加功能。交通信号灯的改进必将提高城市公共交通的标准水平。如何利用单片机设计来进一步提高大城市的质量将是未来的重大突破。单片机设计与现代设备的紧密集成将使人们的生活水平提高到更加智能化的水平,从而改善大城市的总体发展趋势。智能控制系统的发展已经成为各大发达国家面临必须解决的问题,不同的地方需要因地制宜来设计智能交通,可以说智能交通发展的越好,该城市的发展能力亦会相关的有所提升。 参考文献 [1]张金水.道路勘测设计[M].上海:同济大学出版社,2009:26-28 [2] 宋凤娟.基于89C51单片机的数字电压表的设计[J].北京,2007 [3] 楼俊君.PROTEUS 仿真软件在单片机实践课程中的应用[J].电脑知识与技术,2018. 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[22] 马建国.电子系统设计.北京:高等教育出版社,2004.1.  附 录 附录1 程序源代码 #include<reg51.h> sbit g1=P1^0; //位定义 sbit r1=P1^1; sbit y1=P1^2; sbit g2=P1^3; sbit r2=P1^4; sbit y2=P1^5; unsigned char f=0; unsigned char nanbei_time=15; //定义南北的时间长度 unsigned char dongxi_time=11; //定义东西的时间长度 unsigned char m; unsigned char code t[]={0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x27,0x7F,0x6F}; void init_timer0(void) //中断初始化函数 { TMOD=0x01; TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%256; ET0=1; EA=1; TR0=1; } void display(unsigned char x) { unsigned char m,n; m=x/10; n=x%10; P0=t[m]; P2=t[n]; } void timer(void) interrupt 1 using 1 //中断服务函数 { TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%256; f++; if(f==20) { f=0; m--; } } void main() { m=nanbei_time; P1=0x00; init_timer0(); while(1) { do { display(m); g1=1; r1=0; g2=0; r2=1; } while(m!=3); do { if(m<=3) { y1=~y1; r1=0; g1=0; r2=1; g2=0; } display(m); r1=0; g2=0; r2=1; } while(m!=3); do { if(m<=3) { y1=~y1;r1=0;g1=0; r2=1;g2=0; } display(m); } while(m!=0); if(m==0) { m = dongxi_time; y1 = 0; y2 = 0; } do{ display(m); g1 = 0; r1 = 1; g2 = 1; r2 = 0; } while(m!=3); do{ if(m<=3) { r1=1,g1=0; y2=~y2,r2=0,g2=0; } display(m); }while(m!=0); if(m==0) { m=nanbei_time; y1=0; y2=0; } } } . #include<reg52.h> #include<math.h> #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define ulang unsigned lang static unsigned char count; code unsigned char tab[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f}; //共阴数码管 0-9 uchar smg[8]; //定义缓冲区 uint we,ns,h,j; //ns代表南北,we代表东西 int aaa(); //东西红灯亮,南北绿灯,黄灯亮 int bbb(); //南北红灯亮,东西绿灯,黄灯亮 int eee(); //第一次完成显示,继续第二次初始化 void delay(unsigned int cnt) { while(--cnt); } void display( ) { //取每一位的数字 smg[0]=tab[we/10]; smg[1]=tab[we%10]; smg[2]=0x00; smg[3]=0x00; smg[4]=0x00; smg[5]=0x00; smg[6]=tab[ns/10]; smg[7]=tab[ns%10]; } void main() { uchar i; TMOD |=0x01; //定时器0 10ms in 12M crystal 用于计时 TH0=0xd8; //初值 TL0=0xf0; ET0=1; TR0=1; EA =1; display(); while(1) { for(i=0;i<8;i++) //显示函数,因单片机而异 { P0=smg[i]; P2=i; delay(100); } ccc(); //进入交通灯控制程序 display( ); //扫描数码管 } } void timer() interrupt 1 //中断函数 { TH0=0xd8; //重新赋值 TL0=0xf0; count++; } int aaa() { if(j<25) //东西红灯计数30秒,南北25秒绿灯亮 { if(j==1) { we=30,ns=25; } ns--; we--; P1=0xde; return 0; } if(25<=j<30) //南北黄灯5秒 { if(j==26) { ns=5; } P1=0xee; ns--; we--; return 0; } } int bbb() { if(h<25) { //南北红灯30秒,东西绿灯25秒 if(h==1) { we=25,ns=30; } ns--; we--; P1=0xf3; return 0; } if(25<=h<30) //东西黄灯5秒 { if(h==26) { we=5; } P1=0xf5; ns--; we--; return 0; } } int eee() //一次周期交通灯显示完后,重新赋值,等待第二次 { j=0; h=0; return 0; } int ccc() //交通灯控制函数 { if (count==100) //定时一秒 { count=0; j++; //算法函数 if ( (j>30)&&(j!=61)) { h++; bbb(); return 0; } if(j==61) { eee(); return 0;} aaa(); return 0; } } 本文档由香当网(https://www.xiangdang.net)用户上传

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    文档贡献者

    爱***享

    贡献于2021-09-17

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