基于51單片機(jī)的無線智能交通燈控制系統(tǒng)

1、 編 號(hào)： 審定成績(jī)： 重慶郵電大學(xué)課程（綜合）設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)題目：基于51單片機(jī)的無線智能交通燈控制系統(tǒng)學(xué) 院 名 稱 ： 自動(dòng)化學(xué) 生 姓 名 ： 霍棟博專 業(yè) ： 自動(dòng)化班 級(jí) ： 0811103學(xué) 號(hào) ： 2011212876指 導(dǎo) 教 師 ： 唐曉銘填表時(shí)間： 2014 年 10 月重慶郵電大學(xué)目錄摘要. . . . .2一、緒論. .51.1概述. . . .5設(shè)計(jì)題目. . . .51.3設(shè)計(jì)內(nèi)容. . .51.4 任務(wù)分工. . .6二、系統(tǒng)簡(jiǎn)介. . . . .62.1 總體設(shè)計(jì)思路. . . .62.1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路. . .62.1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程. . .62.1.

2、3 紅綠燈顯示規(guī)律. . .72.1.4 智能控制方案. . . . . . .82.2 硬件設(shè)計(jì). . . . . . . . . . .92.2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng). . . . . . .92.2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng). . . . . .92.2.3 無線傳輸模塊. . . . . . .102.2.4 傳感器. . . . . . . . . .122.2.5 LED數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)與原理. . . . 122.2.6 穩(wěn)壓模塊. . . . . . . . .13 軟件設(shè)計(jì). . . . . . . . . . .14三、個(gè)人設(shè)計(jì)工作 .163.1系統(tǒng)原理圖. . . . . . . .

3、16從機(jī)原理圖 .17四、設(shè)計(jì)總結(jié). . . . . . . . . . . .18五、參考文獻(xiàn). . . . . . . . . . . .18摘 要交通控制系統(tǒng)是近代社會(huì)隨著物流出行等交通發(fā)展產(chǎn)生的一套獨(dú)特的公共管理系統(tǒng)。要保證高效安全的交通秩序，除了制定一系列的交通規(guī)則還必須通過一定的科技手段加以實(shí)現(xiàn)。本文在對(duì)目前交通控制進(jìn)行深入分析得基礎(chǔ)上，運(yùn)用傳感器檢測(cè)技術(shù)，無線傳輸技術(shù)，實(shí)時(shí)調(diào)整智能化控制的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，將傳感器檢測(cè)、實(shí)時(shí)調(diào)整車輛通行時(shí)間的算法與單片機(jī)作用相結(jié)合，提出了基于單片機(jī)的智能交通控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。8051單片機(jī)的交通燈無線智能控制系統(tǒng)由8051單片機(jī)、交通燈顯示、LED倒計(jì)時(shí)

4、。車流量檢測(cè)及調(diào)整、無線傳輸?shù)饶K組成。系統(tǒng)除基本交通燈功能外還具有車流量檢測(cè)，無線傳輸以達(dá)到智能控制車流量的目的。系統(tǒng)通過傳感器測(cè)試車輛的數(shù)目，通過無線傳輸模塊NRF24L01發(fā)送給主機(jī)，主機(jī)通過智能控制算法改變?cè)摲较虻能嚨谰G燈亮的時(shí)間來實(shí)現(xiàn)智能控制。理論證明該系統(tǒng)能夠簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、有效的疏導(dǎo)交通，提高交通路口的通行能力。本設(shè)計(jì)主要做了如下幾個(gè)方面的工作：一、顯示部分，傳感器，無線傳輸部分硬件的焊接。二、交通燈的常規(guī)控制方法和傳感器計(jì)數(shù)的實(shí)現(xiàn)。三、無線傳輸數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)?！娟P(guān)鍵詞】8051單片機(jī) 傳感器檢測(cè) 無線傳輸 智能控制AbstractTraffic control system is a

5、modern society with logistics, travel and other transportation development produce a unique set of public management system. To ensure the efficient and safe traffic order, as well as setting a series of traffic rules must pass a certain technological means to achieve them. Based on the current traf

6、fic control based on in-depth analysis to, using the sensor detection technology, wireless transmission technology, real-time adjustment of the realization of the intelligent control technology, the sensor detection, real-time adjustment of traffic time algorithm combined with single chip microcompu

7、ter, is proposed based on single chip microcomputer intelligent traffic control system design.8051 single chip wireless intelligent traffic light control system controlled by 8051, traffic light display, LED countdown. Traffic detection and adjustment, such as wireless transmission module. In additi

8、on to the basic function of traffic light also has the traffic detection system, wireless transmission in order to achieve the purpose of the intelligent traffic control. System by the number of the test vehicle, by wireless transmission module NRF24L01 sent to the host, the host through the intelli

9、gent control algorithm lane in the direction of the change of green light time to realize intelligent control. Theory to prove the system is simple, economic and effective traffic, improve the traffic capacity of the traffic intersection.This design mainly do the following several aspects work: one

10、part, display, sensors, wireless transmission welding part of the hardware. Second, traffic lights of conventional control method and the realization of the sensor count. Third, the realization of the wireless data transmission.【Keywords】The traffic light 8051Single chip microcomputer Wireless trans

11、mission Intelligent control sensors一、緒論1.1 概述信號(hào)燈的出現(xiàn)使得交通得以有效管制，對(duì)于疏導(dǎo)交通流量、提高交通道路通行能力減少交通事故有明顯效果。但是，隨著城市機(jī)動(dòng)車增長(zhǎng)速度加快，我國的城市道路密度和面積率偏低。交通管理水平還欠發(fā)展。本設(shè)計(jì)就這一現(xiàn)象就行分析設(shè)計(jì)出基于51單片機(jī)的無線智能交通燈控制系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，我們將采用車流量來控制紅綠燈的時(shí)間并以此來達(dá)到舒緩交通壓力的目的。本設(shè)計(jì)主要做了如下幾個(gè)方面的工作：1、確定系統(tǒng)交通的總體設(shè)計(jì)，包括，十字路口具體的進(jìn)行方案設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)應(yīng)用有的各項(xiàng)功能。在這里，本設(shè)計(jì)除了有信號(hào)燈狀態(tài)孔子能實(shí)現(xiàn)基本的交通功能，

12、還增加了倒計(jì)時(shí)顯示提示?；趯?shí)際情況又增加了對(duì)車流量進(jìn)行檢測(cè)的功能，無線通信的功能。2、進(jìn)行顯示電路，各個(gè)無線結(jié)點(diǎn)的硬件電路等的設(shè)計(jì)，對(duì)各器件的選擇，大體分配各個(gè)期間及模塊的基本功能要求。3、進(jìn)行軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)于本系統(tǒng)，我們采用c語言編寫。對(duì)于無線模塊的通信的軟件的編寫我們做了充分研究，總體上完成了軟件的編寫。1、設(shè)計(jì)任務(wù)運(yùn)用所學(xué)傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和單片機(jī)原理等方面的知識(shí)，設(shè)計(jì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能交通紅綠燈控制系統(tǒng)，完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)以及基于單片機(jī)的交通紅綠燈系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)等工作。具體任務(wù)如下：2、設(shè)計(jì)要求（1）繪出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)紅綠燈控制的原理圖（節(jié)點(diǎn)布設(shè)及系統(tǒng)搭建方案）。

13、（2）設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的計(jì)數(shù)功能。（3）設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的紅綠燈控制方案，實(shí)現(xiàn)依賴于車流量的智能交通控制功能。（4）繪出程序流程圖并編寫調(diào)試代碼。1.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容1、無線通信結(jié)點(diǎn)無線通信節(jié)點(diǎn)是用51單片機(jī)和無線模塊搭建而成，主要功能是發(fā)送節(jié)點(diǎn)處的車輛數(shù)目信息。 2、主機(jī)主機(jī)由顯示模塊，無線模塊和51單片機(jī)組成。主機(jī)負(fù)責(zé)接收從機(jī)發(fā)送的車輛數(shù)目并對(duì)塔進(jìn)行處理。顯示用LED數(shù)碼管進(jìn)行數(shù)字的顯示。無線模塊用NRF24l01模塊進(jìn)行短距離無線通信。 任務(wù)分工本設(shè)計(jì)由9位同學(xué)組成，每位同學(xué)負(fù)責(zé)的主要任務(wù)如表1.1 所示。表1.1 任務(wù)分工表序號(hào)姓名學(xué)號(hào)主要負(fù)責(zé)任務(wù)1王 健201121286

14、4從機(jī)軟件部分，協(xié)調(diào)工作2王泳嶠2011212861硬件焊接，電路連接3楊欣橋2011212867主控程序設(shè)計(jì)，程序調(diào)試4袁龍泉2011212821硬件電路設(shè)計(jì)制作5竇 佳2011212938無線通信調(diào)試6霍棟博2011212876資料查找，文檔編輯，繪制電路圖7王澤群2011212840硬件焊接，電路連接8宋 壯2011212785硬件電路設(shè)計(jì)制作9劉鑫淼2011212870資料查找，文檔編輯二、系統(tǒng)簡(jiǎn)介2.1 總體設(shè)計(jì)思路2.1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路根據(jù)題目要求，設(shè)計(jì)基于51單片的無線智能交通燈控制系統(tǒng)。我們采用一個(gè)主機(jī)四個(gè)從機(jī)來實(shí)現(xiàn)整體的控制。綜合各個(gè)因素我們采用NRF24L01無線傳輸模塊

15、來實(shí)現(xiàn)無線傳輸，用數(shù)碼管來顯示數(shù)字。當(dāng)紅外傳感器產(chǎn)生脈沖從機(jī)開始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)束的時(shí)候從機(jī)把數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)，主機(jī)通過控制算法改變下一次紅綠燈的時(shí)間，以達(dá)到智能控制紅綠燈的目的。2.1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程從機(jī)通過傳感器對(duì)車輛數(shù)目進(jìn)行檢測(cè)，主機(jī)對(duì)紅綠燈進(jìn)行控制，當(dāng)每個(gè)紅綠燈的運(yùn)行周期結(jié)束之后主機(jī)對(duì)從機(jī)發(fā)送請(qǐng)求。這個(gè)時(shí)候從機(jī)接收到主機(jī)發(fā)送的請(qǐng)求，并把車輛數(shù)目發(fā)送給主機(jī)。主機(jī)接收到車輛數(shù)目之后進(jìn)行智能化處理達(dá)到改變下次紅綠燈時(shí)間的目的。具體的流程圖如下：圖2.1 系統(tǒng)主要架構(gòu)圖2.1.3 紅綠燈顯示規(guī)律1、 紅綠燈顯示規(guī)律表表2.1 紅綠燈運(yùn)行狀態(tài)表狀態(tài)一狀態(tài)二狀態(tài)三狀態(tài)四北綠燈1000北紅燈0011北黃

16、燈0100南綠燈0000南黃燈0100南紅燈1011東綠燈0010東黃燈0001東紅燈1100西綠燈0010西黃燈0001西紅燈11002、紅綠燈狀態(tài)圖圖2.2 紅綠燈運(yùn)行狀態(tài)圖2.1.4 智能控制方案主機(jī)控制紅綠燈按照運(yùn)行規(guī)律運(yùn)行完一個(gè)周期之后，主機(jī)分別向兩個(gè)從機(jī)請(qǐng)求數(shù)據(jù)，從機(jī)把數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)。主機(jī)接收到數(shù)據(jù)之后用一個(gè)方向的車輛數(shù)目除以總的車輛數(shù)目得到一個(gè)比率，在用這個(gè)比率去乘上總的紅綠燈運(yùn)行周期就可以得到這個(gè)方向的時(shí)間。如果這個(gè)方向的車輛占得比率高，那么這個(gè)方向的綠燈亮的時(shí)間也會(huì)隨之增加。通過這種方式來達(dá)到舒緩交通壓力的目的。2.2 硬件設(shè)計(jì)2.2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)AT89C51是一種帶

17、4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的CMS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃存存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。 主要特性 與MCS-51單片機(jī)產(chǎn)品兼容 4K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器 壽命 1000次寫入/擦寫周期 全靜態(tài)工作：0Hz24MHz 三級(jí)程序存儲(chǔ)鎖定 128*8位內(nèi)部RAM 32條可編程I/O口線 2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 5個(gè)中斷源 可編程串行通道 低功耗空

18、閑和掉電模式 片內(nèi)震蕩器和時(shí)鐘電路另外，AT89C51是用靜態(tài)邏輯設(shè)計(jì)，工作頻率可以下降到0Hz，并提供兩種可用軟件省電方式空閑方式和掉電方式。2.2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)的最小系統(tǒng)就是讓單片機(jī)能正常工作并發(fā)揮其功能時(shí)所必須的組成部分，也可理解為是用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)。對(duì)51 系列單片機(jī)來說， 最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括： 單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、輸入/ 輸出設(shè)備等。圖單片機(jī)最小系統(tǒng)框圖圖2.5 單片機(jī)最小系統(tǒng)2.2.3 無線傳輸模塊本次課設(shè)是基于無線傳輸?shù)慕煌艨刂疲虼吮仨氂玫綗o線傳輸模塊。起初考慮有藍(lán)牙，GSM,wifi。但是由于對(duì)傳輸距離，操作難易程度以及價(jià)格的考慮

19、，最終選擇了nRF24L01無線射頻芯片。NRF24L01芯片概述NRF24L01是由NORDIC生產(chǎn)的工作在2.4GHz-2.5GHz的ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片。無線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器和解調(diào)器。NRF24L01的實(shí)物圖及封裝：圖2.6 NRF24L01 圖2.7 NRF24L01參數(shù)以及引腳功能說明： (1)VCC腳接電壓范圍為1.9V3.6V之間，不能在這個(gè)區(qū)間之外，超過3.6V將 會(huì)燒毀模塊。推薦電壓3.3V左右。 (2)除電源VCC和接地端，其余腳都可以直接和普通的5V單片機(jī)IO口直接相連， 無需電平

20、轉(zhuǎn)換。當(dāng)然對(duì)3V左右的單片機(jī)更加適用了。 (3)硬件上面沒有SPI的單片機(jī)也可以控制本模塊，用普通單片機(jī)IO口模擬 SPI不需要單片機(jī)真正的串口介入，只需要普通的單片機(jī)IO口就可以了，當(dāng)然用 口連接不需要。b:其他系列的單片機(jī)，如果是5V的，請(qǐng)參考該系列單片機(jī)IO口輸 出電流大小，如果超過10mA，需要串聯(lián)電阻分壓，否則容易燒毀模塊!如果是 3.3V的，可以直接和nRF24l01模塊的IO口線連接。比如AVR系列單片機(jī)如果是5V 的，一般串接2K的電阻）引腳及功能：CE:使能發(fā)射或接收CSN,SCK,MOSI,MISO:SPI引腳端，微處理器可以通過此引腳配置NRF24L01IRQ:中斷標(biāo)志位

21、VDD:電源輸入端VSS:電源地XC1，XC2：晶體振蕩器引腳ANT1，ANT2：天線接口IREF:參考電流輸入工作模式通過配置寄存器可以將nRF24L01配置為發(fā)射、接收、待機(jī)和掉電四種工作模式：表2.3 NRF24l01工作模式圖模式PWR_UPPRIM_RXCEFIFO寄存器狀態(tài)接收模式111-發(fā)射模式101數(shù)據(jù)在TX FIFO寄存器中發(fā)射模式1010停留在發(fā)射模式直至數(shù)據(jù)發(fā)送完待機(jī)模式101TX FIFO為空待機(jī)模式1-0無數(shù)據(jù)傳輸?shù)綦娔Ｊ?-圖2.8 NRF24l01原理圖2.2.4 傳感器系統(tǒng)使用紅外對(duì)管傳感器檢測(cè)通過各車道的車輛數(shù)。紅外對(duì)管是紅外線發(fā)射管與光敏接收管，或者紅外線接

22、收管，或者紅外線接收頭配合在一起使用時(shí)候的總稱。型號(hào): HD-DS25CM-3MM技術(shù)參數(shù):1.感應(yīng)距離：25cm2.感應(yīng)方式：對(duì)射型（非透明物）3.工作電壓：DC 3.0 VDC - 5 .5VDC4.工作電流：10MA5.輸出方式：0V或5VNPN/PNP常開(常閉要定做)6.輸出電流：100mA(可以直接驅(qū)動(dòng)繼電器)7.發(fā)射角度：直線（紅外光）8.接收角度：10度9.響應(yīng)時(shí)間：2ms10.工作溫度：-25度 60度11.工作環(huán)境：室內(nèi)(不防水)12.外形尺寸：長(zhǎng)2cm寬1cm高0.9cm 13.線長(zhǎng)：15cm發(fā)射： 紅線=5VCC / 黑線=GND 接收：紅線=5VCC / 黑線=GND

23、 / 黃線=OUT (NPN)圖2.9 紅外對(duì)管傳感器2.2.5 LED數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)與原理七段LED數(shù)碼管系發(fā)光器件的一種。數(shù)碼管內(nèi)部由七個(gè)條形發(fā)光二極管和一個(gè)小圓點(diǎn)發(fā)光二極管組成，根據(jù)各管的亮暗組合成字符。管腳排列如下圖所示。圖2.10 七段LED數(shù)碼管管腳排列圖七段數(shù)碼管為共陽極接法，段碼采用同相驅(qū)動(dòng)，輸入端加低電平，選中的數(shù)碼管亮。2.2.6 穩(wěn)壓模塊NRF24l01的工作電壓為3V-3.9V在這個(gè)范圍內(nèi)。超出這個(gè)范圍的時(shí)候會(huì)燒毀無線傳輸模塊，當(dāng)?shù)陀谶@個(gè)范圍的時(shí)候無線模塊不能正常工作。單片機(jī)的工作電壓為5v已經(jīng)超出了無線模塊的工作范圍，所以要用到AMS117穩(wěn)壓模塊。AMS117穩(wěn)壓模塊介紹如下：1 輸入：直流4.75V-12V2 輸出：3.3V，800mA （負(fù)載電流不能超過800ma）3輸入輸出使用2P單排排針，方便連接；4帶電源指示燈（