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1、毕业论文：基于单片机的闯红灯系统设计毕业论文：基于单片机的闯红灯系统设计毕业论文：基于单片机的闯红灯系统设计:2013-7-7 17:00:49毕 业 论 文 （科 学 研 究 报 告）题 目基于单片机的闯红灯系统设计院(系)别机电及自动化学院专 业测控技术与仪器 摘要近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断地深入，同时带动传统控制检测技术的日益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为一个核心来使用，仅单片机方面的知识是不够的，还应根据具体的硬件结构软硬件结合，加以完善。十字路口车辆穿梭，行人熙攘，车行车道，人行人道，有条不紊。那么靠什么来实现这井然秩序呢？靠得就是交
2、通信号灯的智能指挥系统。但是尽管智能指挥系统给生活带来了很大的方便，交通事故在人们的日常生活中总是频频发生。在我国，交通违法行为是导致交通事故最主要、最直接的原因，且呈现逐年上升的趋势。闯红灯自动监控系统俗称“电子警察”、“电子眼”，是不间断地监测和记录信号控制交叉口或路段的“机动车闯红灯”违法行为，并予以记录、存储、传输的执法装备，是遏止机动车闯红灯违法行为导致交通事故发生的重要手段。本设计只做了仿真部分，采用MSC51系列单片机ATSC51为中心器件来设计交通灯控制器，完成了交通灯正常指挥车辆通行，数码管正常显示并倒计时，监控车辆闯红灯行为并伴有声光报警，可人工控制南北或东西方向道路的紧急
3、通行等功能的proteus仿真。实物中监控系统可采用红外对管检测违规车辆，向单片机输送报警信号，仿真中用按键替代传感器。实物中可通过设置“看门狗”电路来防止单片机死机，提高单片机的抗干扰性，仿真时也用按键替代，对于用按键替代的部分论文中会进行还原解说。本设计实现的监控闯红灯声光报警功能，当出现闯红灯违规行为时，有助于能通过声音和灯光及时的引起值班交通警察的注意，并提供准确的所在路口信息协助交警辨别出违规的车辆，大大减少了由于人为出现的疏忽发生的错误，同时也节省了人力。本设计硬件结构简单，操作方便，扩展功能强。 关键词：单片机，交通灯，闯红灯Abstract With the rapid dev
4、elopment of science and technology in recent years,the application of MCU is a growing,while driving more traditional control detection technology updates.In real-time detection and automatic control of microcomputer application system,the microcontroller is often used as a core component,only the m
5、icrocontroller is not enough knowledge,but also according to the specific combination of hardware architecture of hardware and software,to be improved. Crossroads shuttle vehicles,pedestrians bustling,car dealers lane,one pedestrian and orderly.Then what can be relied on to achieve this discipline o
6、f the order it?The answer is the traffic lights by the automatic control system. However automatic control system bring a great deal of convenience to life , traffic accidents still occurs frequently in peoples da动车辆发展迅速，而城镇道路建设由于历史等各种原因发展相对滞后。交通道路的拥挤，堵塞的现象以及交通事故时有发生。如何利用当今的自动控制技术，有效的疏通交通，提高城镇交通道路的通
7、行能力，提高车辆速度，减少交通事故是值得我们研究的新课题。交通灯是城市交通中的重要指挥系统，它与人们日常生活密切相关。随着人们生活水平的提高，对交通管制也提出了更高的要求，因此提供一个可靠，安全，便捷的多功能交通灯控制系统有着现实的必要性。 国内外学者对这一学科也早有研究，控制方案各种各样，并且各有优缺点。从1868年英国伦敦首次使用燃气色灯信号以来，城市交通信号机由手动到自动，交通信号由固定周期到可变周期，系统控制方式由点到控到面控，从无车辆检测器到有车辆检测器，经历了近百年的历史 。到1963年加拿大多伦多市建立了一套使用IBM650型计算的集中协调感应控制信号系统，从而标志着城市道路交通
8、信号系统的发展进入了一个新的阶段。之后，美国、英国、德国、日本、澳大利亚等多家相继建成数字电子计算机区域交通控制系统，这种系统一般还配备交通监视系统组成交通管制中心。在西方发达国家，交通控制的系统基本上完成了由传统的交通控制系统向智能交通控制系统ITS（Intelligent Transport Syetems)的转变 。而在我国的相关学者开始意识到研究和开发ITS的重要性。到90年代中期，由于受到国外ITS研发的影响，政府部门也开始重视对ITS的研究。作为智能交通系统重要应用的电子警察系统，是不间断地监测和记录信号控制交叉口或路段的“机动车闯红灯”违法行为，并对具有闯红灯违法行为的车辆以某些
9、特定形式记录、存储、传输的执法装备，是我国最早推广使用的交通技术监控系统之一，也是遏止机动车闯红灯违法行为导致交通事故发生的重要手段。所以，在许多国家和城市得到推广，实现了重要的应用和发展。基于整个交通控制系统的发展情况，本设计主要进行如下方面的研究：用智能、集成，且功能强大的MCS-51系列单片机中的AT89C51为控制中心，设计出一套具有十字路口的交通控制系统，以指挥该路口的实时通行状态。本设计除了有红、黄、绿信号灯状态控制能实现基本的交通功能外，还增加了倒计时显示提示，对闯红灯车辆的违规行为进行实时监测及声光报警，南北、东西通道紧急通行等功能。 第二章 系统的总体方案2.1 交通管理的方
10、案论证2.1.1 方案设想东西、南北两干道交于一个十字路口，各干道有一组红、黄、绿三色的指示灯，指挥车辆和行人安全通行。红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行。黄灯亮提示人们注意红、绿灯的状态即将切换 。指示灯燃亮的方案见表2.1，路况图如图2.1。表2.1 指示灯的燃亮方案20s5s20s5s20s.东西道绿灯亮黄灯亮红灯亮黄灯亮绿灯亮.南北道 红灯亮黄灯亮绿灯亮黄灯亮红灯亮. 表2.1说明： （1）当东西方向为绿灯，此道车辆和行人允许通行；南北道为红灯，此道车辆和行人禁止通行。数码管显示倒计时间为25秒。 （2）当倒计时为5秒时，各通道的黄灯亮起，提示人们交通灯的状态即将更换。 （3）当东西方向为
11、红灯，此道车辆和行人禁止通行；南北道为绿灯，此道车辆和行人允许通行。数码管显示倒计时间为25秒。 （4）这样如上表的时间和绿、黄、红出现的顺序依次显示，这样车辆和行人就能安全的畅通的通行。图2.1所示，为设计的控制界面。 图2.1 设计控制路面图2.1.2 键盘控制方案键盘分为独立式键盘和行列式键盘 。本次设计考虑了这两种键盘方案：方案一：采用行列式键盘。行列式键盘每条行线与列线在交叉处不直接相通，而是通过一个按键加以连接，当按键较多时可采用行列式键盘以节省I/O接口。方案二：采用独立式键盘。独立式键盘接口电路配置灵活，硬件结构简单，工作可靠但每个按键必须占用一根I/O接口线，I/O接口线浪费
12、较大，在单片机应用系统中，有时只需要几个简单的按键向系统输入信息，可将按键直接连接在一根I/O接口线上，故只在按键数量不多时采用。本设计用按键替代传感器和看门狗输入信号进行仿真实验，需要应用的接口数量不多，故选择此方案。 2.1.3 看门狗保护方案 在单片机系统中，看门狗的设计一般采用硬件和软件两种方式。本次设计中，在仿真部分里看门狗硬件电路用按键替代输入信号，硬件电路设计时本设计考虑了这两种方案： 方案一：采用软件看门狗。软件看门狗是利用单片机片内闲置的定时器、计数器单元作为看门狗，在单片机程序中适当的插入监控指令，当程序出现异常或进入死循环时，利用软件将程序计数器PC赋予初始值，强制性的使
13、程序重新开始运行。软件看门狗的最大特点是无须外加硬件电路，经济性好。但可靠性差，需要占用系统内存。当然，如果片内的定时器、计数器被占用，就需要寻求其他的设计方式了。方案二：采用硬件看门狗。硬件看门狗是指一些集成化的或集成在单片机内的专用看门狗电路，它实际上是一个特殊的定时器，当定时时间到时，发出溢出脉冲。从现实角度上看，该方式是一种软件与片外专用电路相结合的技术，硬件电路连接好后，在程序中适当地插入一些看门狗复位的指令，保证程序正常运行时看门狗不溢出。而当程序运行异常时，看门狗超时发出溢出脉冲，通过单片机的RESET引脚使单片机复位。该方案可靠性高，不需要占用系统内存。但需要外加硬件电路，经济
14、性较差。由于本设计中的安全性要求较高，所以采用硬件看门狗方案。因仿真时元器件无法直接从proteus中获得，故若有看门狗输入的信号也用按键来代替。2.1.4 显示控制方案这里同样讨论了两种方案 ：方案一：采用静态显示。静态显示由于占用较多的接口，在单片机设计中常采用串行扩展来完成。该方案占用接口资源多，显示亮度可以保证，但硬件开销大，电路复杂，信息刷新速度慢，实用于并行接口资源较少以及对显示没有要求的场合。方案二：采用动态显示。LED动态显示硬件连接简单，比较节省I/O接口，但亮度不如静态显示方式，且动态扫描的显示方式在显示位数较多时，CPU要依次扫描，需占用CPU较多的时间。在该系统中由于单
15、片机出了扫描89C51芯片外没有太多的实时测控任务，故本设计中采用动态扫描方式。2.1.5 违规监控方案车辆检测原理及监测方法有许多种，可以列举一些，分别是地面埋设感应线圈(或感应棒) 、视频检测、微波雷达 、超声检测 、激光检测、红外对管等方法 ，这些方法各有优劣。但随着高清数字摄像机的迅速发展、工控机的处理能力越来越强，以及智能识别技术的成熟应用，使电子警察系统向原地感线圈检测+标清抓拍模式逐步向视频检测+高清抓拍模式发展，从而带动电子警察系统从功能到性能上的全面提升和产品的更新换代。视频检测能针对车辆目标提供车辆行驶轨迹远距离跟踪、车型识别、车身颜色识别、号牌识别、车速检测等越来越多的智
16、能识别数据，同时检测精度越来越高、检测范围越来越大，从而是目前技术条件的最实用和性价比较高的监测方案。本设计监控系统方案选取时，考虑到视频检测中的拍照等功能难以在仿真软件中进行仿真，因此选用了红外对管监测违规闯红灯车辆，向单片机传送信号进而控制声光报警，仿真时可用按键代替红外对管传送信号。但是若做实物设计，整个设计重点应是闯红灯的监控部分，考虑到视频检测是目前最实用和性价比较高的方案，设计出具备这样监控功能的交通灯系统自然更有意义。所以，此处想就视频监控系统部分做些补充介绍，也希望以后能尝试做出具有视频监控功能的闯红灯监控系统的设计。视频监控系统基本介绍: 视频监控系统的硬件结构组成 ：车辆检
17、测传感器、光检测传感器、照相机及计数显示器、主机电路。 车辆检测传感器：分别在路口铺设长带式压强传感器，在红灯亮时，车辆不允许直行。如有违章，就有相应的检测信号输出送给CPU处理。选择此传感器时，要抗磨、抗潮湿、温度特性良好。另外可抑制自行车、手推车和行人对车辆检测的干扰。光检测传感器：它的作用是决定拍摄是否需要闪光灯。检测光线强弱，然后输入CPU，以控制闪光灯是否工作。安装时注意避开夜间光源对该传感器的干扰。照相机及计数显示器：为使图片清晰，照相机选取象数高点的相机，焦距选定6080mm，可自动调整快门速度、光圈的大小和闪光工作状态，并可根据路口情况对外置闪光灯多种组合，计数器记录违章车辆数
18、以便和拍摄车辆数量相比较。主机电路：主机电路主要完成数据采集、变换、拍照及闪光灯组合任务，完成A/D和D/A常用变换功能，接受传感器信息并作出相应控制。视频监控系统的软件设计：包括交通灯亮判别、是否有干扰判别、车辆闯红灯检测和拍照四个子程序。下面画出简单的流程图,如图2.2所示。 图2.2 闯红灯视频监控流程图虽然此次设计只是仿真设计，实现仿真的监控功能是声光报警，而非具备拍照功能的实物交通灯系统设计，但设计两者的原理有着很大程度的相似，监控方案可以多种多样，也希望以后的交通灯设计里能尝试做出具有视频监控功能相关实物设计。2.2 交通灯控制的功能要求本设计能模拟基本的交通控制系统，用红绿黄灯表
19、示禁行，通行和等待的信号放生，还能进行倒计时显示，控制紧急通道通行，交通违规声光报警等功能。 （1）倒计时显示 倒计时显示可以提醒驾驶员在信号灯灯色发生改变的时间、在“停止”和“通行”两者间作出合适的选择。驾驶员和行人普遍都愿意选择有倒计时显示的信号控制方式，并且认为有倒计时显示的路口更安全。倒计时显示是用来减少驾驶员在信号灯改变的关键时刻作出复杂判断的1种方法，它可以提醒驾驶员灯色发生改变的时间，帮助驾驶员在“停止”和“通过”两者间作出合适的选择。 （2）紧急通道控制在日常道路通行时，我们常常会遇到一些特殊的情况，比如当某个方向有紧急通行车辆（如消防车、救护车、警车）要求通过时，需要对该通道
20、临时紧急通行，才不耽延救援工作。所以，当收到某一通道需要紧急通行的信号时，能自动开通该通道而关闭另一通道。比如当东西方向的紧急通行按键按下后，开启东西方向的直行绿灯，并开启南北方向的红灯，同时数码管显示最大倒计时间25。当紧急通行车辆已过后，按下取消键，各个通道上的黄灯启动，紧急通道再通行5s，数码管重新显示5秒并开始倒计，随后道路的信号灯恢复正常的疏通道路的状态。若当南北方向的紧急通行按键按下时，情况亦然。 （3）违规报警交通规则人人必须遵守，但是如闯红灯等违反规则的行为，也时有发生，交警等交通管理人员虽然可以进行实时的监管，但是耗费精力，在路口设置检测传感器可以进行自动的警报提示。本设计采
21、用红外对管收集四个路口的闯红灯信号，进行proteus仿真时用按键代替向单片机输送检测到的信号。2.3 系统总框图 本设计以单片机为控制核心，采用模块化设计，共分为以下几个功能模块 ：单片机控制系统、键盘及状态显示、倒计时模块、看门狗电路模块、红外对管检测模块、紧急通行模块等。单片机设计交通灯控制系统，可用单片机直接控制信号灯的状态变化，基本上可以指挥交通的具体通行，当然，接入LED数码管就可以显示倒计时以提醒行驶者，更具人性化。本系统在此基础上，设置了紧急通行按键，加入了违规检测电路（仿真时用按键代替）为单片机采集数据，单片机对此进行具体的处理，及时调整控制指挥，为了超越视觉指挥的局限性，同
22、时接上蜂鸣器，在听觉上加强了指挥提醒作用。键盘设置模块对具体通行进行控制，包括模拟传感器传送信号，紧急通行信号以及通道恢复信号，若系统处在正常工作状态，执行交通灯状态显示控制，同时将时间数据倒计时输入到LED数码管上实时显示。在此过程中还要实时捕捉违规检测和紧急按键信号，以达到对异常状态进行实时控制的目的。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、优化的物理结构是本设计的亮点。 图2.3 总体框图据此，本设计系统以单片机为控制核心，有违规检测模块，紧急通行模块，信号灯状态模块，8段LED数码管倒计时模块和蜂鸣器状态模块。系统的总体框图如图2.3所示。2.
23、4系统工作原理（1）由80C51单片机的P1口显示红绿黄灯的燃亮情况；由80C51的P0口显示每个灯的燃亮时间。（2）红灯倒计时间里(20s），交通指示灯红灯亮，当有车辆闯红灯时，仿真时用按键代替，即此时若有按键送入信号，单片机进入报警子程序，启动蜂鸣器及发光二极管进行声光报警，20ms后恢复正常。东西、南北通道一共四个检测器和报警器，监测两个通道红灯时是否有车辆违规通行。（3）倒计时为5秒时，各通道的黄灯亮起，警示指示灯的状态即将转换，提醒行驶者准备通行。（4）转为绿灯后，绿灯时间倒时完毕时（20s后），各通道黄灯燃亮，警示此通道即将禁止通行，方便行驶者作出是否通行的判断。（5）无论处在任何
24、的通行状态下，当有紧急车辆需要紧急通行时，按下需要通行的通道的（东西或南北）紧急按键，此时，该通道的绿灯将会亮起，显示可以通行，而另一通道的红灯会亮起，禁止通行。且此时数码管会显示最大的时间值25。当紧急车辆通过后，按下取消键，则各通道的黄灯会亮起，显示再通行5s，此时数码管显示5s，5s后恢复正常通行的指挥状态，如此便可自然过渡。 第三章 系统硬件设计 硬件有单片机、驱动器件、保护器件、检测器件及外围设备等组成，器件组成比较简单。其中单片机是整个系统的核心部件，能运行程序和处理数据。I/O接口是单片机与外部被控制对象交换的信息通道，包括以下及部分数字量I/O接口（频率、脉冲等）、开关量I/O接口（继电器开关、电磁阀等）。通用外部设备室进行人机对话的纽带，包括键盘、显示器等。3.1 AT89C51单片机的简介3.1.1 AT89C51单片机内部结构 AT89C51是8051系列单片机的典型产品 ，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，如图3.1所示。 图3.1 总线结构现在说明如下：（1
