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机电一体化课程方案设计书

1绪论

1.1背景和意义

随着各种交通工具的发展和交通指挥的需要，第一盏名副其实的三色灯（红、黄、绿三种标志）于1918年诞生。

它是三色圆形四面投影器，被安装在纽约市五号街的一座高塔上，由于它的诞生，使城市交通大为改善。

中国最早的马路红绿灯，是1928年出现在上海的英租界。

我国经济的快速发展导致了汽车数量的猛增，大中型城市的城市交通，正面临着严峻的考验。

交通问题日益严重，日常的交通堵塞成为人们司空见惯而又不得不忍受的问题，在这种背景下，结合我国城市道路交通的实际情况，开发出真正适合我们自身特点的智能信号灯控制系统已经成为当前的主要任务。

随着电子技术的发展，利用单片机技术对交通灯进行智能化管理，已成为目前广泛采用的方法。

本设计论述了基于AT89C51单片机的交通灯控制系统，该系统能根据路口车流量变化而改变交通灯闪亮时间，达到智能控制交通的目的。

该系统具有实用性强、操作简单、扩展性好等特点。

1.2设计要求

1.2.1设计要求

（1）设计一个十字路口的交通灯控制电路，要求南北方向和东西方向两个交叉路口的车辆交替运行，两个方向能根据车流量大小自动调节通行时间，车流量大，通行时间长，车流量小，通行时间短。

（2）每次绿灯变红灯时,要求黄灯先亮5s，才能变换运行车辆。

（3）东西方向、南北方向车道除了有红、黄、绿灯指示外，每一种灯亮的时间都用数码管显示器进行显示（采用倒计时的方法）。

（4）同步设置人行横道红、绿灯指示。

1.2.2主要内容

本课题研究的内容有如下几个方面：

（1）基于车流量的智能交通灯控制系统的工作原理。

（2）基于车流量的智能交通灯控制系统的硬件设计。

（3）车流量检测原理及其硬件电路设计。

（4）基于车流量的智能交通灯控制系统的程序设计。

2系统总体方案设计

2.1方案设计

系统由AT89C51单片机模块、车流量检测模块、数码管显示模块、电源模块和红绿灯显示模块五个模块组成。

由车流量检测模块测量得1分钟内车流量传给AT89C51单片机，AT89C51单片机将信号处理后执行的状态，通过数码管显示模块和红绿灯显示模块分别显示时间（倒计时显示）和红绿灯状态。

电源模块给AT89C51单片机提供电源。

系统方案框图如图1所示。

图1系统框图

2.2方案论证

2.2.1车流量检测方案

方案一：

采用遥感微波检测器（RTMS）。

微波交通检测器是利用雷达线性调频技术原理，通过发射中心频率为10.525GHz或24.200GHz的连续频率调制微波（FMCW）；在检测路面上，投映一个宽度为3-4M，长度为64M的微波带。

每当车辆通过这个微波投映区时，都会向RTMS反射一个微波信号，RTMS接收反射的微波信号，并计算接收频率和时间的变化参数以得出车辆的速度及长度，提供车流量、道路占有率、速度和车型等实时信息。

为了检测出车道上车的数量，RTMS在微波束的发射方向上以2M为一个层面分展探测物体，微波束在15度范围内投影形成一个分为32个十层面的椭圆形波束，（椭圆的宽度取决于仪器选择的工作方式），通过这种方式可检测出车量数RTMS具有两种基本的使用模式，分别是路边侧向模式和前方正向模式。

路边侧向模式可以使用一台RTMS同时检测多至8条车道，并提供每条车道的交通信息。

前方正向模式，用一台RTMS实时检测一条单一车道的交通情况。

RTMS的检测精度高，且是一个全天候的车辆检测器。

方案二：

采用磁感应车辆检测器。

这种环形线圈检测器是传统的交通检测器，是目前世界上用量最大的一种检测设备。

这些埋设在道路表面下的线圈可以检测到车辆通过时的电磁变化进而精确地算出交通流量。

交通流量是交通统计和交通规划的基本数据，通过这些检测结果可以用来计算占用率（表征交通密度），在使用双线圈模式时还可以提供速度、车辆行驶方向、车型分类等数据，这些数据对于交通管理和统计是极为重要的。

原理方框图如图2所示。

图2磁检测器方框图

该方案测量精度较好，且性能稳定。

方案三：

利用红外线车辆检测器。

红外线车辆检测器是利用被检测物对光束的遮挡或反射，通过同步回路检测物体有无。

物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。

光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。

如当汽车通过光扫描区域时，部分或全部光束被遮挡，从而实现对车辆数据的综合检测。

红外线车辆扫描系统提供了车辆轮廓扫描的解决方案，并提供车辆分离信号，同时还能够检测挂钩是否存在及其位置，由于光学产品的高速响应，当车速低于100公里/小时，系统可对车辆间距0.3M车辆实现可靠的分离检测并抓取车辆轮廓数据，当车速低于200公里/小时，对车辆间距0.6M的车辆实现可靠的分离检测并抓取轮廓数据，系统可自动分类超过100种车型，车辆自动分类的准确率超过99％。

常利用光电开关技术成熟，高速响应，可输出丰富的车辆数据信息，能可靠检测各种特殊车辆。

抗干扰性强，不受恶劣气象条件或物体颜色的影响，安装简便。

方案一造价高，且易受环境影响，方案二需将检测器埋入地底下，对已建成道路使用不方便。

方案三性价比高，且设计简单，权衡利弊，故选用方案三。

2.2.2显示方案选择

该系统要求完成倒计时、状态灯等显示功能。

基于上述原因，系统可采用以下三种方案：

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符，无法胜任题目要求。

方案二：

完全采用点阵式LED显示。

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灯分别显示时间及状态信息。

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，系统决定采用方案三以实现系统的显示功能。

2.3芯片选择及介绍

采用AT89C51单片机作为主控制器。

AT89C51具有两个16位定时器/计数器，5个中断源，便于对车流量进行定时中断检测。

32根I/O线，使其具有足够的I/O口驱动数码管及交通灯。

外部存贮器寻址范围ROM、RAM64K，便于系统扩展。

其T0，T1口可以对外部脉冲进行实时计数操作，故可以方便实现车流量检测信号的输入。

2.3.1AT89C51主要特点

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能的CMOS8位微处理器，单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

2.3.2AT89C51外部引脚

AT89C51单片机引脚图如图3所示。

图3AT89C51单片机引脚图

Pin9：

RESET/Vpd复位信号复用脚，当89C51通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。

初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指针写入07H，其它专用寄存器被清“0”。

RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。

然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态，及89C51的初始态。

89C51的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位,。

此外，RESET/Vpd还是一复用脚，Vcc掉电期间，此脚可接备用电源，以保证其内部RAM的数据不丢失[1]。

Pin30：

AE/

当访问外部程序器时，ALE（地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。

而访问内部程序存储器时，ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。

更有一个特点，当访问外部程序存储器，ALE会跳过一个脉冲。

如果单片机是EPROM，在编程其间，

将用于输入编程脉冲。

Pin29：

当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令数据放到P0口上，由CPU读入并执行。

Pin31：

EA/Vpp程序存储器的内外部选通线，89C51内置有4kB的程序存储器，当EA为高电平并且程序地址小于4kB时，读取内部程序存储器指令数据，而超过4kB地址则读取外部指令数据。

如EA为低电平，则不管地址大小，一律读取外部程序存储器指令。

显然，对内部无程序存储器的8031，EA端必须接地。

2.3.3AT89C51内部结构

AT89C51单片机包含中央处理器、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元，及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在分别加以说明：

（1）中央处理器：

中央处理器（CPU）是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。

（2）数据存储器（RAM）

89C51内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。

（3）程序存储器（ROM）：

89C51共有4KB掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。

（4）定时/计数器（ROM）：

89C51有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。

（5）并行输入输出（I/O）口：

89C51共有4组8位I/O口（P0、P1、P2和P3），用于对外部数据的传输。

（6）全双工串行口：

89C51内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。

（7）中断系统：

89C51具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。

3系统硬件电路设计

3.1单片机最小系统设计

89C51内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但89C51单片机需外置振荡电容。

3.1.1时钟电路

在MCS－51单片机片内有一个高增益的反相放大器，反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2，C2、C3取22pF，晶振频率取12MHZ。

振荡电路如图4所示。

3.1.2复位电路

手动按钮复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平如图4。

一般采用的办法是在RST端和正电源Vcc之间接一个按钮。

当人为按下按钮时，则Vcc的+5V电平就会直接加到RST端。

复位电路如图4所示。

图4复位、振荡电路连接图

3.2传感检测电路设计

3.2.1光电开关的工作原理

光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。

物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。

光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。

其工作原理如图5所示。

图5光电开关工作原理简图

发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来于半导体光源，发光二极管（LED）、激光二极管及红外发射二极管。

光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。

接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。

在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。

在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。

3.2.2电路连接

当输入端加电信号时,发光器发出光线，照射在受光器上，受光器接受光线后导通，产生光电流从输出端输出，从而实现了“电-光-电”的转换。

检测电路图如图6所示。

图6检测电路图、

芯片PC817A的1、2端口为输入端口，3、4为输出端口。

二极管始终处于导通状态，即向外发光，当有车辆经过检测路口时遮挡光线，三极管输出一个低电平，把低电平信号返回单片机P3.5口，检测周期为1分钟。

3.3显示电路设计

数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。

分段式数码管由分布在同一平面上若干段发光的笔画组成，如半导体显示器。

其基本结构是PN结，即用发光二极管（LED）组成字型来来显示数字。

这种数码管的每个线段都是一个发光二极管，因此也称LED数码管或LED七段显示器。

共阳数码管（如图7）在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。

当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。

共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极（COM）的数码管。

共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。

当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。

七段数码管各段对应代码（如图8）。

本设计中共有8个数码管，采用共阳极接法。

其中4个数码管显示4个路口的个位数字，另外4个数码管显示十位数字。

P0.0-P0.6依次接数码管的a、b、c、d、f、e、g，显示十位数字（如图9），P2.0-P2.6依次接数码管的a、b、c、d、e、f、g，显示个位数字（如图10）。

图7共阳数码管图8七段数码管

图9十位数字接线图图10个位数字接线图

3.4电源电路设计

本设计需要提供+5V稳定电压，为了提高系统的稳定性，采用稳压器对其提供稳定电压。

故选择MC7805稳压器提供单片机+5V电压。

其应用电路如图11所示。

图11+5V三端稳压电源

220v交流电经变压器电压降为9v的交流电，再经过整流得电压值U=0.9×9v，（稳压器的输入端1的输入电压大于输出端电压（即5v）2v就可以），稳压器端口2接地，端口3为输出端。

3.5系统电路设计

根据系统设计要求，结合各单元电路，得到如下的系统原理图如图12所示。

图12系统原理图

4系统软件设计

4.1系统工作状态说明

光电开关将检测到的车流量脉冲信号送入单片机的T1口，T1对输入脉冲计数，同时单片机T0口对其定时，在设置的一段时间内（如1分钟），通过单片机定时器T0的溢出中断，将计数值送回，单片机通过执行相应的程序，从而控制交通状态灯切换及数码管的倒计时时间显示。

单片机根据车流量变化具体工作状态如下：

图13红绿灯显示状态

1当定时时间，执行定时中断T0，单片机将T1的计数值送给车流量检测变量CAR_NUMBERS，单片机每执行一次程序，都将扫描该变量的值。

当CAR_NUMBERS大于25辆/分，执行状态Ⅰ（如表1）：

东西方向绿灯，南北方向红灯，倒计时50秒，同时，东西路口人行横道红灯50秒，南北路口人行横道绿灯50秒，然后东西黄灯5秒，南北保持红灯5秒，同时东西路口人行横道保持红灯5秒，南北路口人行横道亮红灯5秒，紧接着东西方向红灯，南北方向绿灯，倒计时45秒后，东西路口人行横道绿灯45秒，南北路口人行横道红灯45秒，然后南北亮黄灯5秒，东西保持红灯状态5秒，同时南北路口人行横道保持红灯5秒，东西路口人行横道亮红灯5秒后，重新扫描。

如图13所示。

2当系统刚开始工作或者CAR_NUMBERS大于或等于15辆/分，小于或等于25辆/分，将执行状态Ⅱ（如表2）：

东西方向绿灯，南北方向红灯，倒计时40秒，同时，东西路口人行横道红灯40秒，南北路口人行横道绿灯40秒，然后东西黄灯5秒，南北保持红灯5秒，同时东西路口人行横道保持红灯5秒，南北路口人行横道亮红灯5秒，紧接着东西方向红灯，南北方向绿灯，倒计时25秒，东西路口人行横道绿灯25秒，南北路口人行横道红灯25秒后，南北亮黄灯5秒，东西保持红灯状态5秒，同时南北路口人行横道保持红灯5秒，东西路口人行横道亮红灯5秒后，重新扫描。

如图13所示。

3当CAR_NUMBERS小于15辆/分，执行状态Ⅲ（如表3）：

东西方向绿灯，南北方向红灯，倒计时30秒，同时，东西路口人行横道红灯30秒，南北路口人行横道绿灯30秒，然后东西黄灯5秒，南北保持红灯5秒，同时东西路口人行横道保持红灯5秒，南北路口人行横道亮红灯5秒，紧接着东西红灯，南北绿灯，倒计时25秒后，东西路口人行横道绿灯25秒，南北路口人行横道红灯25秒后，南北亮黄灯5秒，东西保持红灯5秒，同时南北路口人行横道保持红灯5秒，东西路口人行横道亮红灯5秒后，重新扫描。

如图13所示。

表1状态Ⅰ（车流量大于25辆/分）

东西方向

时间

南北方向

绿灯

红灯

黄灯

红灯

绿灯

红灯

黄灯

表2状态Ⅱ（车流量大于15辆/分，小于25辆/分）

东西方向

时间

南北方向

绿灯

红灯

黄灯

红灯

绿灯

红灯

黄灯

表3状态Ⅲ（车流量小于15辆/分）

东西方向

时间

南北方向

绿灯

红灯

黄灯

红灯

绿灯

红灯

黄灯

4.2相关参数说明

交通量counts：

是指在选定的时间段内，通过道路某一地点、某一断面或某一条车道的车辆实体数。

交通量是一个随机数，不同时间、不同地点的交通量都是变化的，交通量随时间和空间变化的现象，称之为交通量的时空分布特性。

通常取某一时间段内的平均值作为该时间段内的交通量。

参考时间t：

为了更准确地表示某个路口的车流量，选择一个适合的时间段作为参考值，即参考时间。

车流量CAR_NUMBERS：

指单位时间内通过某一地点、某一断面或某一条车道的车辆实体数。

具体关系如下：

CAR_NUMBERS=counts/t（辆/分）

4.3系统主程序设计

电源接通后，系统先进行初始化，赋车流量初值20，车流量大于15，小于25，执行状态2，进行状态显示。

检测电路进行实时检测，并比较，若车流量大于25，则执行状态1，并进行状态显示；若车流量小于25，大于15，则执行状态2，并进行状态显示；若车流量小于15，则执行状态3，并进行状态显示。

系统主程序流程图如图14所示。

图14主程序流程图

4.4中断程序流程图

判断1分钟时间到了以后，进入中断，将TL1值送给CAR_NUMBERS，执行MOV语句，并给TH0重装初值，中断返回。

中断程序流程图如图15所示。

图15中断程序流程图

4.5系统仿真

4.5.1Proteus仿真软件简介

Proteus是英国Labcenter公司开发的电路分析与仿真软件。

Proteus是目前最好的模拟单片机外围器件的工具，它可以仿真51系列、AVR，PIC等常用的MCU及其外围电路（如LCD，RAM，ROM，键盘，马达，LED，AD/DA，部分SPI器件，部分IC器件）。

本文基于Proteus6.7SP3和KEILuVision3软件。

运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析（SPICE）数字电路、模拟电路、数模混合电路，是目前唯一能实现对51、PIC、AVR、HC11等处理器的仿真软件。

4.5.2仿真原理

选好所有的元器件后单击元件列表中的图标就可以把所需要的元件放入编辑窗口中，调整元件的位置，并把地线和电源放入编辑窗口中，最后进行连线。

通过在T1口接入一个开关，模拟光电开关信号，手动控制开关的脉冲数，即为需要模拟的车流量，从而达到仿真效果。

4.5.3系统仿真

单击仿真界面左下方的开始按扭，系统开始仿真。

具体仿真过程如下：

①当交通灯开始工作后，执行默认状态，系统自动进入状态Ⅱ：

东西方向绿灯，南北方向红灯，倒计时40秒，同时，东西路口人行横道红灯40秒，南北路口人行横道绿灯40秒，然后东西黄灯5秒，南北保持红灯5秒，同时东西路口人行横道保持红灯5秒，南北路口人行横道亮红灯5秒，紧接着东西红灯，南北方向绿灯，倒计时25秒，东西路口人行横道绿灯25秒，南北路口人行横道红灯25秒后，南北亮黄灯5秒，东西保持红灯状态5秒，同时

南北路口人行横道保持红灯5秒，东西路口人行横道亮红灯5秒后，重新扫描；仿真结果如图16所示。

图16默认状态仿真图

②当手动按下开关，频率小于15次/分时，执行状态Ⅲ：

图17状态Ⅲ仿真图

③当手动按下开关，频率大于25次/分，执行状态Ⅰ：

图18状态Ⅰ仿真图

④当手动按下开关，频率大于15次/分，小于或等于25次/分，执行状态Ⅱ：

图19状态Ⅱ仿真图

5总结

本次的设计实践将我们学到的知识应用到了实践，深化了对数字电路设计和单片机电子设计的认识，使我们在设计的实践中获得新知。

学习了四年的理论知识和实践操作，我不仅仅得到的是课本上的东西，更重要的是我通过自己的独立动手，老师和同学的耐心指导下，让我学会了分析电路、设计电路的步骤以及计算机辅助作图等。

我自知这次的设计有很多的不足，做得比较辛苦效果却不是很好，很多东西平时学得也不透彻，我觉得做一次课程设计从每一个细节都在锻炼着我们。

我希望我们都能从中收获良多，能把知识真正变成自己的东西。

在本次设计中,从课题的选择，到设计方案的研究与论证、电路原理图设计以及PCB布局还有软件设计及系统调试，每一个制作环节都是自己努力的结果。

根据课题的设计要求，经过严谨的构思，得到的程序流程图再经过反复推敲。

这是本次设计的核心之一。

此次设计也是对所学知识的极大巩固和应用。

参考文献

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