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基于Protues的交通灯设计与仿真.doc

基于Protues的交通灯设计与仿真

爱情让皒明白生命里有痛
2017-09-28 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《基于Protues的交通灯设计与仿真doc》,可适用于高等教育领域

基于Protues的交通灯设计与仿真摘要城市交通问题是困扰城市发展、制约城市经济建设的重要因素。城市道路增长的有限与车辆增加的无限这一对矛盾是导致城市交通拥挤的根本原因。城市街道网络上的交通容量的不断增加表明车辆对道路容量的要求仍然很高短期内还不可能改变。自从开始使用计算机控制系统后不管在控制硬件里取得什么样的实际进展交通控制领域的控制逻辑方面始终没能取得重大突破。文中采PROTEUS制作的智能交通灯可以根据城市道路的具体情况设计出一种较好的控制电路交通灯设在十字路门在醒目位置用红、绿、黄三种颜色的指示灯。加上一个倒计时的显示计时器来控制行车。文中采用PROTEUS制作的智能交通灯在Keil,Wave上进行交通模拟仿真软件上测试测试结果表明该智能交通灯各项功能在实际运行中的可行性同时在实际应用及运行中也取得了不错的效果。关键词:PROTEUS交通灯单片机仿真目录摘要前言第一章交通灯的设计思路系统模拟交通灯的控制要求设计方案设计思路第二章单片机主控电路和中断系统主控电路及管脚说明主控电路管脚说明MCS的中断源中断处理流程交通灯的中断处理流程交通灯的硬件设计原理图交通灯的软件设计流程图及部分程序第三章基于PROTEUS的电路设计和仿真PROTEUS软件简介PROTEUS软件的强大功能用PROTEUS绘制电路图PROTEUS和KEIL编译器的结合使用PROTEUS对单片机的仿真第四章总结谢辞错误~未定义书签。参考文献前言交通是一个城市经济的动脉它不但体现了一个城市的发展活力也直接与老百姓的生活息息相关。随着我国经济的高速发展人们对私家车、公交车的需求越来越大。相应地我国进入WTO以后我国经济贸易与世界接轨汽车业关税大大降低使很多人都能负担得起买私家车已经不再是遥不可及的梦。但是车辆的增加无疑会对我国城市交通系统带来沉重的压力。而交通灯在这个交通环境中起着一个重要的角色智能的交通灯能有效地缓解城市的交通压力减少交通事故智能的交通灯能为当地人民节省大量出行时间创造出更多的社会价值智能的交通灯为交通顺畅提供了保障对当地经济起着一个不可估量的作用。目前设计交通灯的方案有很多有应用CPLD设计实现交通信号灯控制器方法有应用PLC实现对交通灯控制系统的设计。有应用单片机实现对交通信号灯设计的方法。目前国内的交通灯一般设在十字路口在醒目位置用红、绿、黄三种颜色的指示灯。加上一个倒计时的显示计时器来控制行车。对于一般情况下的安全行车车辆分流尚能发挥作用。但在十字路口经常一个车道为主干道车辆较多放行时间应该长些另一车道为副干道车辆较少放行时间应该短些。但在实际行车过程中两车道的车辆轮流放行时间相同且固定。这样就会存在一定的缺陷。目前国内交通灯的发展趋势是拥有自动调整亮灯时间长短的功能。譬如说它能自动感应该地区的交通情况如果塞车的话该交通灯能自行控制红、黄与绿等的亮灯时间长短。系统还可以加上红外线接收器相应地紧急车辆(如消防车、救护车等)上应当装置红外线放射器。这样在离交通信号灯远处紧急车辆就可以开红外线放射器使交通信号灯全部显示红灯避免因交通问题导致不必要的人命伤亡和金钱损失。另外系统还可以加一个点阵式LED中文显示屏用以显示温度、天气情况、空气指数等方便司机对外界情况的了解。第一章交通灯的设计思路系统模拟交通灯的控制要求功能要求:在十字路口每条道路各有一组红、黄、绿灯和倒计时显示器用以指挥车辆和行人有序的通行。交通灯控制器就是用于自动控制十字路口的交通灯和计时器指挥各种车辆和行人安全通过。假设十字路口为东西南北走向初始状态为东西南北红灯。然后转换东西方向的绿灯亮s东西方向可以通车而南北方向的红灯亮南北方向禁止通行。过s转状态东西绿灯灭后黄灯亮延时秒南北仍然红灯。再转状态南北方向的绿灯亮s南北方向可以通车而东西方向的红灯亮东西方向禁止车辆通行。过s转状态南北绿灯灭后亮黄灯延时秒东西方向仍然红灯亮。最后循环至状态。设计方案目前设计交通灯的方案有很多有应用CPLD实现交通信号灯控制器的设计有应用PLC实现对交通灯控制系统的设计。有应用单片机实现对交通信号灯设计的方法系统构图如(图)所示:单片机主控并行口扩展数码管时间电路单元显示电路LED显示电路图系统构图设计思路用只发光二极管模拟交通信号灯以单片机的P口控制东西南北灯的走向口线输出高电平则“信号灯”亮口线输出低电平则“信号灯”熄各口线控制功能及相应的控制码如(表)所示:PPPPPP东西东西东西南北南北南北绿灯黄灯红灯绿灯黄灯红灯表控制码表控制码所对应的流程图如(图)所示初始状态南北东西均为红灯东西绿灯南北红灯东西黄灯警告南北红灯东西红灯南北绿灯南北黄灯警告东西红灯图流程图第二章单片机主控电路和中断系统主控电路及管脚说明主控电路单片机主控电路一般采用的主要元件是ATC新增加很多功能性能有了较大提升价格基本不变。ISP在线编程功能这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离。是一个强大易用的功能。C的极限工作频率是M具有了更快的计算速度。具有双工UART串行通道。内部集成看门狗计时器不再需要像C那样外接看门狗计时器单元电路。双数据指示器。电源关闭标识。全新的加密算法这使得对于C的解密变为不可能程序的保密性大大加强这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。兼容性强。ATC的外形及单片机最小系统如(图)所示:图ATC外形及最小系统ATC是一种带K字节闪存可编程可擦除只读存储器(FPEROMFlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压、高性能CMOS位微处理器,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指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中ATMEL的ATC是一种高效微控制器。字节Flash字节RAM位IO口线看门狗ATC具有以下标准功能:k定时器个数据指针三个位定时器计数器一个向量级中断结构全双工串行口片内晶振及时钟电路。另外ATC可降至Hz静态逻辑操作支持种软件可选择节电模式。空闲模式下CPU停止工作允许RAM、定时器计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下RAM内容被保存振荡器被冻结单片机一切工作停止直到下一个中断或硬件复位为止。ATC是带K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(EPEROM)的低电压、高性能CMOS位微处理器(俗称单片机)。该单片机与工业标准的MCS,型机的指令集和输出引脚兼容。ATC将多功能位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中为很多嵌入式控制提供了灵活性高且价格低廉的方案。ATC的主要特性如下:寿命达写擦循环年数据保留时间:,MHz全静态工作:Hz三级程序存储器锁定×位内部RAMIO线可编程个位定时器计数器个中断源可编程串行通道低功耗闲置和掉电模式。管脚说明VCC():V。GND():接地。P口(,):P口为位漏极开路双向IO口每引脚可吸收个TTL门电流。P口(,):P口是从内部提供上拉电阻器的位双向IO口P口缓冲器能接收和输出个TTL门电流。P口(,):P口为内部上拉电阻器的位双向IO口P口缓冲器可接收和输出个TTL门电流。P口(,):P口是个带内部上拉电阻器的双向IO口可接收和输出个TTL门电流P口也可作为ATC的特殊功能口。RST():复位输入。当振荡器复位时要保持RST引脚个机器周期的高电平时间。ALEPROG():当访问外部存储器时地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节在FLASH编程期间此引脚用于输入编程脉冲。在平时ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号此频率为振荡器频率的它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的要注意的是每当访问外部数据存储器时将跳过个ALE脉冲。PSEN():外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间每个机器周期次PSEN有效但在访问外部数据存储器时这次有效的PSEN信号将不出现。EAVPP():当EA保持低电平时外部程序存储器地址为(H,FFFFH)不管是否有内部程序存储器。FLASH编程期间此引脚也用于施加V编程电源(VPP)。XTAL():反向振荡器放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL():来自反向振荡器的输出。MCS的中断源引起终端的原因或者能发出中断申请的来源称为中断源。中断可以认为设定也可以是为响应突发性随机事件而设置通常有IO设备实时控制系统中的随机参数和信息故障源等有个中断源它们是两个外中断INT(P)和INT(P)、两个片内定时计数器溢出中断TF和TF一个是片内串行口中断TI或RI这几个中断源由TCON和SCON两个特殊功能寄存器进)所示:行控制。其中个中断源的程序入口地址如(表中断源的服务程序入口地址中断源入口地址外中断H定时计数器BH外中断H定时计数器BH串行口中断H(表)中断源程序入口地址中断处理流程CPU响应中断请求后就立即转入执行中断服务程序。它们的一般处理流程如图()所述:中断请求中断响应中断服务中断返回图中断一般处理流程但对于不同的中断源、不同的中断要求可能有不同的中断处理方法具体如图()所述:中断服务程序中断返回现场保护和中断打开和现场恢复中断关闭图具体的中断处理流程(,)现场保护和现场恢复:中断是在执行其它任务的过程中转去执行临时的任务为了在执行完中断服务程序后回头执行原先的程序时知道程序原来在何处打断的各有关寄存器的内容如何就必须在转入执行中断服务程序前将这些内容和状态进行备份即保护现场。我们举个例子在看书时电话玲响需传去接电话时必须在书本上做个记号以便在接完电话后回来看书时知道从哪些内容继续往下看。计算机的中断处理方法也如此中断开始前需将有关寄存器的内容压入堆栈进行保存以便在恢复原来程序时使用。中断服务程序完成后继续执行原先的程序就需把保存的现场内容从堆栈中弹出恢复积存器和存储单元的原有内容这就是现场恢复。如果在执行中断服务时不是按上述方法进行现场保护和恢复现场就会是程序运行紊乱程序跑飞自然使单片机不能正常工作。(,)中断打开和中断关闭:在中断处理进行过程中可能又有新的中断请求到来这里规定现场保护和现场恢复的操作是不允许打扰的否则保护和恢复的过程就可能使数据出错为此在进行现场保护和现场恢复的过程中必须关闭总中断屏蔽其它所有的中断待这个操作完成后再打开总中断以便实现中断嵌套。(,)中断服务程序:中断服务程序从中断入口地址执行到返回指令RETI为止一般包括两部分内容:一是保护现场二是完成中断源请求的任务。既然有中断产生就必然有其具体的需执行的任务中断服务程序就是执行中断处理的具体内容一般以子程序的形式出现所有的中断都要转去执行中断服务程序进行中断服务。(,)中断返回:中断返回通常是指中断服务完成后计算机返回原来断开的位置(即断点)继续执行原来的程序中断返回由中断返回指令RETI来实现这条指令的功能是指断点地址从堆栈中弹出送回到程序计时器PC此外还通知中断系统已完成中断处理并同时消除优先级状态触发器。交通灯的中断处理流程(,)现场保护和现场恢复:有特殊车辆要通过时就要进行中断在中断之前先将交通灯中断前情况保护好当中断执行后再恢复现场包括信号灯和时间显示电路。(,)中断打开和中断关闭:为了使特殊车辆通行按一下打开中断开关就可以打开中断关闭中断开关就关闭中断。(,)中断服务程序:如有中断产生就必然有其具体的需执行的任务中断服务程序就是执行中断处理的具体内容:即如果有特殊车辆需要经过时南北东西均亮红灯让特殊车辆通过。(,)中断返回:执行完中断服务程序后必然要返回中断返回就是被程序运行从中断服务程序转回到原工作程序上来。在MCS单片机中中断返回是通过一条专门的指令实现的自然这条指令是中断服务程序的最后一条指令。交通灯的硬件设计原理图图原理图交通灯的软件设计流程图及程序根据智能交通灯的设计要求与原理我们设计的交通灯的软件设计流程图如(图)所示:开始P口置为FFH南北红东西绿延时S南北红东西黄延时秒南北绿东西红延时秒南北黄东西绿延时秒结束图程序设计流程图程序如下:#include"regh"#defineuintunsignedint#defineucharunsignedchar北和南sbitr=p^sbity=p^sbitb=p^sbitr=p^东和西sbity=p^sbitb=p^voiddelay(void)延时{uintifor(i=i<i)}voidmain(void){uintiwhile(){r=y=b=南北红r=y=b=东西绿for(i=i<i)delay()r=y=b=南北红r=y=b=东西黄for(i=i<i)delay()r=y=b=南北绿r=y=b=东西红for(i=i<i)delay()r=y=b=南北黄r=y=b=东西红for(i=i<i)delay()}}第三章基于PROTEUS的电路设计和仿真PROTEUS软件简介PROTEUS嵌入式系统仿真与开发平台是由英国公司开发的EDA工具软件是目前世界上最先进最完整的嵌入式系统设计和仿真平台Proteus软件有十多年的历史在全球广泛使用除了其具有和其它EDA工具一样的原理布图、PCB自动或人工布线及电路仿真的功能外其革命性的功能是他的电路仿真是互动的针对微处理器的应用还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程并实现软件源码级的实时调试如有显示及输出还能看到运行后输入输出的效果配合系统配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等。总之该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件Proteus为我们建立了完备的电子设计开发环境。真正实现了在没有目标原形时就可对系统进行调试测试和验证PROTEUS软件大大提高了企业的开发效率降低了开发风险。PROTEUS软件的强大功能Proteus组合了高级原理布图、混合模式SPICE仿真,PCB设计以及自动布线来实现一个完整的电子设计系统。此系统受益于年来的持续开发,被《电子世界》在其对PCB设计系统的比较文章中评为最好产品“TheRoutetoPCB,用户可以对基于微控CAD”。Proteus产品系列也包含了我们革命性的VSM技术制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真。用户甚至可以实时采用诸如LEDLCD、键盘、RS终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真。其功能模块:个易用而又功能强大的ISIS原理布图工具PROSPICE混合模型SPICE仿真ARESPCB设计PROSPICE仿真器的一个扩展PROTEUSVSM:便于包括所有相关的器件的基于微处理器设计的协同仿真。此外还可以结合微控制器软件使用动态的键盘开关按钮LED甚至LCD显示CPU模型()支持许多通用的微控制器,如PIC,AVR,HC以及()交互的装置模型包括:LED和LCD显示,RS终端,通用键盘,()强大的调试工具,包括寄存器和存储器,断点和单步模式()IARCSPY和KeiluVision等开发工具的源层调试()应用特殊模型的DLL界面提供有关元件库的全部文件Proteus与其它单片机仿真软件不同的是它不仅能仿真单片机CPU的工作情况也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。因此在仿真和程序调试时关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。对于这样的仿真实验从某种意义上讲是弥补了实验和工程应用间脱节的矛盾和现象。所以说PROTUES是一种十分优秀的软件。用PROTEUS绘制电路图运行PROTEUSVSM的ISIS后出现如(图)所示的界面,点状的栅格区域为绘图区。左侧的上方为电路图概览区,下方是元器件列表区。单击P后出现(图)所示的PickDevice添加元器件的对话框,输入所要添加的器件名称,则该器件就会出现在右侧,单击OK按钮,完成一个元器件的添加。重复以上过程,添加好电路中所需的元器件。在桌面上双击图标ISIS,打开ISISProfessional窗口。单击菜单命令“File”“NewDesign”,新建一个DEFAULT模板保存文件名为"模拟交通灯DSN"。在器件选择按钮PLDEVICES中单击"P"按钮或执行菜单命令“Library”“PickDeviceSymbol”模拟交通灯所用的元件单片机ATC、瓷片电容CAPpF、电阻RES、晶振CRYSTALMHz、按钮BUTTON、电解电容CAPELEC、排阻RESPACK、发光二极管TRAFFICLICHTS。在ISIS原理图编辑窗口中放置的元件再单击工具箱中的“元件终端”图标在选择器中单击“POWER”和“GROUND”放置电源和地。放置好元件后布好线。左键双击各元件设置相应元件参数完成电路图的设计。概览区绘图区元器件列表区图运行PROTEUSVSM的ISIS后出现的界面图添加元器件的对话框在元器件列表区选中某元器件后,在电路图概览区会出现该元器件,用鼠标将其拖至绘图区,将所有需要的元器件在绘图区放置好,即可开始连线。连线方法很简单,将鼠标移至元器件引脚后会出现一个小十字,单击鼠标左键后移动鼠标,将线引至某一引脚处会再次出现小十字,再次单击左键就完成了一条连线。在布线时,如果需要转弯,可以在转弯处单击鼠标左键。此处以S构成的交通灯为例,(图)是绘制完成的电路图。图绘制完成的电路图PROTEUS和KEIL编译器的结合使用Proteus在设计时已经注意到和单片机各种编译程序的整合了如它可以和Keil,Wave等编译模拟软件结合使用。由于Keil使用方便具备强大的软件仿真和硬件仿真功能。把Proteus和Keil结合起来调试硬件就方便多了本设计就是采用“ProteusKeil”的仿真方法具体步骤如下:()首先运行PROTEUSVSM的ISIS选择SourceDefineCodeGenerationTool菜单项将出现如(图)所示定义代码生成工具对话框。图定义代码生成工具对话框在Tool下拉列表框中选择代码生成工具在这一示例中电路中的微处理器为系列单片机因此选择ASEM,单击Browse按钮选取Keil的安装路径。单击OK按钮结束代码生成工具的定义。选择SourceAddRemoveSourceFile菜单项将出现AddRemoveSourceCodeFiles对话框如(图)所示:图添加删除源文件对话框在CodeGenerationTool选项区单击下三角按钮选择ASEM工具。()单击New按钮将出现如(图)所示对话框。图创建源代码对话框选择用Keil创建好的AAASM文件即完成了文件的创建。就这样当用Keil对AAASM文件进行更改时每一次运行PROTEUSVSM的ISIS对电路进行仿真时Keil都会对AAASM进行编译AAHEX文件也会随时更新。PROTEUS对单片机的仿真电路图绘制完成后,再添加ATS的应用程序。将鼠标移至ATS上,单击鼠标右键使之处于选中状态,在该器件上单击左键,打开如(图)所示的对话框。在ProgramFile栏添加编译好的十六进制格式的程序文件AAhex(可以接受种格式的文件),给ATS输入晶振频率此处默认为MHZ单击OK按钮完成程序添加工作,下面就可以进行系统仿真了。单击主界面下方的按钮开始系统仿真。PROTEUSVSM所进行的是一种交互式仿真,在仿真进行中可以对各控制按钮、开关等进行操作,系统对输入的响应会被真实的反映出来。仿真结果如(图、、、)所示。在本设计中,开始仿真后开关按钮通过鼠标单击来改变状态所改变状态的状态会在LED和数码管显示出来。图为ATC添加程序图东西绿灯南北红灯图东西黄灯警告图东西红灯南北绿灯图南北黄灯警告第四章总结我国人民生活水平不断提高汽车的拥有量越来越多交通运输压力越来越大本设计的智能交通灯在实际应用中能有效的缓解交通压力为城市的交通轨道带来了很多的方便也为人们的出行安全提供了保障在社会经济的发展中起了十分重要的作用。本电路的特点是成本低控制准确。并且可以根据车流量的多少改变放行时间。但是该电路不能自动检测车流量来自动改变放行时间同时不能实现远距离控制。该电路假如增加以下功能效果将会更好。、系统可加装热能探测器探测出车辆内燃机运转辐射出的热量从而能使电路判断出哪条道有车哪条道无车能对路面交通状况作出迅速反应从而提高交通效率、系统应装置红外线接收器相应地紧急车辆(如消防车、救护车等)上应当装置红外线放射器。这样在离交通信号灯远处紧急车辆就可以开红外线放射器使交通信号灯全部显示红灯避免因交通问题导致不必要的人命伤亡和金钱损失、系统可装置一个点阵式LED中文显示屏用以显示温度、天气情况、空气指数等方便司机对外界情况的了解。若系统增加这些功能以后无疑会使成本增加但确实这些功能可以提高交通效率也可以避免不必要的损失。参考文献韩克柳秀山主编<<电子技能与EDA技术>>M年月广州:暨南大学出版社熊幸明主编<<电子技术>>M年月北京:电子工业出版社周润景张丽娜主编<<基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真M年月北京:航空航天大学出版社张迎新等主编<<单片机原理与应用>>M年月北京:电子工业出版社蔡明文冯先成主编《单片机课程设计》M年月华中科技大学出版社侯宝玉陈忠平李成群主编<<基于Protes的系列单片机设计与仿真>>M年月北京:电子工业出版社

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