交通控制系统的设计

.wd.基于单片机的交通控制系统设计二一五年六月太原科技大学毕业设计论文任务书学院直属系：化学与生物工程学院机电工程系时间：2015年02月24日学 生 姓 名徐 今指 导 教 师卫明社设计论文题目基于单片机的交通控制系统设计主要研究内容1利用单片机对具有主、次干道的十字路口的交通灯进展控制； 2研究单片机控制的原理，并选择系统的单片机型号；3设计内容对现有控制方案进展改良，增加一些功能，使得车流量大时的十字路口能够很好的应对路面上的突发情况；4最终到达疏导交通流量、提高道路通行能力的目的。 研究方法1通过检索网络、图书馆等处的资料研究十字路口交通灯的控制原理；2设计交通灯硬件电路，并利用Proteus仿真调试；3设计交通灯软件程序，并利用Keil调试；4系统调试。主要技术指标或研究目标1研究十字路口交通灯系统；2通过利用Proteus软件，研究交通灯系统各模块硬件电路；3根据系统各模块不同服务功能，开发交通灯各模块系统软件。主要参考文献1林立，张俊亮，曹旭东，等.单片机原理及应用：基于Protues和Keil C M.北京：电子工业出版社，2009.7.2李明，毕万新，等.单片机原理与接口技术M.大连：大连理工大学出版社，2011.1.3周立功等编着.单片机实验与实践M.北京：北京航空航天大学出版社，2009.11.4侍金凤.基于51单片机的交通灯智能控制系统J.科技信息，201033：5354.目 录第1章绪论21.1单片机认识21.2 单片机的应用21.3诞生背景和开展状况21.4课题研究的背景及意义31.5课题的研究内容41.6课题的总体设计方案4第2章方案论证与设计62.1电源提供方案62.2显示界面方案62.3输入方案7第3章交通灯系统简介83.1 十字路口交通灯简介83.2 十字路口交通灯系统的原理详述83.3 十字路口交通灯系统的功能详述9第4章系统硬件设计134.1主控中心AT89S51芯片134.2复位电路154.3 时钟电路164.4 按键电路174.5 数码管显示电路184.6 信号灯显示电路204.6.1 机动车信号灯204.6.2 行人信号灯214.7 盲人提示音电路214.8 硬件系统总体电路图224.8.1 仿真软件Proteus软件224.8.2 硬件系统总电路图23第5章系统软件程序设计245.1 系统软件总体概述245.2 定时中断服务程序模块程序设计245.2.1 复位模块程序设计245.2.2 外部中断模块程序设计255.3 程序延时265.3.1 定时器T1的程序流程图265.3.2 软件延时275.4 数码管显示模块程序设计285.5蜂鸣器提示模块程序设计295.6 系统程序调试30第6章结论31参考文献32致谢33附录A 系统程序34附录B 英文文献及翻译39基于单片机的交通控制系统设计摘要进入新世纪以来，世界经济开展迅猛，从而带动了以出行、物流为主的交通行业的蓬勃开展，而对交通灯的控制是一种对群众进展管理的公共系统手段。安全并且高效的公共交通秩序，必须以一系列强制的交通规则作为根基保障，同时利用新兴的高科技方式进展有效的实施。本文就是利用单片机对具有主次干道的十字路口的交通灯进展控制，从而到达符合当今社会低本钱化的需求。本系论文所设计系统采用AT89S51单片机为核心，结合特殊情况的时钟电路、控制电路、七段数码管、盲人提示音及信号灯显示电路，从而设计出以高效率、便捷为宗旨的交通灯控制系统，如果万一遇到突发的特殊情况，可以通过人来控制交通从而到达解决交通堵塞的问题，使整个电路设计简单，且在现实生活中容易实现。本设计主要做了如下几方面的工作：1本次设计首先在Keil软件的环境下进展语言编程，之后通过编译调试后，生成单片机下载的HEX十六进制文件；2设计的硬件电路图是在Proteus软件中进展绘图；3. 本次设计通过把Keil和Proteus这两个软件有效地结合起来，从而建设起虚拟系统来实现对本次设计的联合仿真。关键词：智能交通系统特殊情况控制七段数码管信号灯蜂鸣器Intelligent Transportation-control SystemBased on Single-chip ComputerAbstractIntelligent Transportation-control System is a modern society with logistics, travel etc of traffic development a unique set of public management system. To ensure the effective safety traffic, except for a series of traffic rules,still must through certain technological means to achieve. This paper is the use of Single-chip Computer on primary and secondary roads crossroads traffic light for intelligent control. Using Single-chip Computer accords with the intelligence of todays society, the demand of low cost.The system uses AT89S51Single-chip Computer as the core, combine with thespecial control circuitKey control circuit and reset circuit,clock circuit,7 sections of numerical code tubes andtraffic light display circuit, designed in humanization an and intelligent traffic lights for the purpose of control system. If we meet the special circumstances, we can control the traffic jam with keyboard. Making the whole circuit is simple and easy to realize.These designs mainly do the following aspects:1. Programming are compiled and debugged under the environment of Kiel software creates a HEX file that will be downloaded by Single-chip Computer later.2. Hardware schematic diagrams are established with Proteus software.3.Through Proteus andKeil combined with the virtualsystem to establish thejoint simulation.Keywords: Transportation-control System thespecial control circuit the 7 sections of numerical code tubes traffic light display buzzer第1章绪论1.1单片机认识MCS-51单片机是Intel公司推出的继MCS-48系列8位单片机之后的高档8位单片机1。89S51是一种与工业80C51系列产品的指令和引脚能够到达完全兼容，并且具有相对较高性能，能耗较低的CMOS8位微控制器。89S51同时也是一种能够4K 在系统可编程的Flash 存储器，它是利用Atmel 公司提供单位具有不容易丧失，高密度存储器技术制造而成的。其中在单芯片上，拥有灵活小巧的8 位CPU 以及在系统可编程Flash，这让AT89S51为许多嵌入式控制系统提供灵活性高、高效率的解决方案2。1.2 单片机的应用单片机是为了满足工业测控的需要而产生的，其中最能反映它功能的名称是在一个应用系统中，Single-chip Micro-controller。根据对所测控系统的要求和特点，以及单片机在实际应用中所发挥的作用，将单片机分为多机和单机的应用两大类，其中在智能仪表、智能产品、智能接口等领域，单片机的在单机都取得了广泛的应用，本次设计主要是对单片机的单机应用局部进展研究。1.3诞生背景和开展状况红绿灯是一种用来显示不同颜色的灯光交互更迭的信号，通常设置在有穿插的公路的交岔路口，并将道路的通行信息传达给司机和行人，从而到达约束他们的行止及转向的交通管理装置。在19世纪初交通灯最早出现在英国，而我国的交通灯最早是在上海的英租界出现的。交通灯主要是用来指示通过路口的行人及车辆的能够及时注意、行进、停顿，获得良好的交通秩序，它主要是由绿、黄、红三种颜色的灯光外加相关辅助的音响设施组成。在过去的数十年里，随着科技的进步，国民生活水平的提高，国民经济的快速开展，公共车辆和私家车也越来越多，这无疑给我国的交通系统带来了沉重的压力，随之而来的问题就是，我国各大城市均出现不同程度的交通拥挤和堵塞现象，给人们的出行带来了极大的不方便。图1.1最早的十字路口交通灯1.4课题研究的背景及意义在我国大中型城市，由于一些道路根基设施相对缺乏、城市交通规划不合理、机非混行严重、停车难问题、公共交通服务薄弱等等一系列问题，再加上路面上的车辆激增，严重导致了我国交通系统的“瘫痪。交通问题的存在就是人、车与路之间的矛盾问题，为了解决这一问题，在我国，对解决这一矛盾、缓解交通压力的方法有很多。还有就是修建高架桥，比方太原市从去年开场修建高架桥，主要就是为了缓解太原市内的交通压力。但是我们可以想想，只仅仅从控制车俩和修路两方面来解决交通压力，可能是在某些方面收到了显着的效果，但是没有从 根本上解决问题，因为修建的路面和空间是有限的。造成交通压力的 根本原因是不断增加的车辆和有限的通车里程的矛盾。因此，我们提出了一种新的管理方法交通系统管理。交通系统，就是利用系统的概念，把路面交通信号灯控制与车流量综合起来考虑，最大限度的利用现有资源，并通过增加交通系统控制技术含量的方法提高交通的安全程度和运行效率，是解决城市交通问题的 根本途径，它是在现代社会科学技术高度开展的根基上产生的，是目前国际上认可度较高的解决道路交通拥挤、改善行车安全、提高通行效率的最正确方法3。因此，设计出安全可靠，价格低廉，维护方便，并且行之有效的交通控制系统是一件非常有意义的事了。在设计这个系统，我选用单片机为主控中心来实现对交通系统的控制，其中单片机是一种集成电路芯片，具有体积小、功能完善的特点，而且单片机也符合当今社会智能化，低本钱化的需求。由此说来，这次的毕业设计就更加有意义了。1.5课题的研究内容本次毕业设计的课题是基于单片机实现十字路口交通灯控制。设计的主要内容包括两个方面，一个是系统的硬件电路的选择、设计及实现，另一个是系统的软件编程与实现。硬件电路主要包含蜂鸣器模仿盲人提示音电路、复位电路、主控中心AT89S51芯片、时钟电路、按键控制电路、数码管显示电路及二极管模仿交通信号灯电路等七局部功能模块组成。软件系统主要包含中断的程序、蜂鸣器提示音的程序、主程序、数码管显示的程序等。1.6课题的总体设计方案本次设计中，首先使南北、东西两条主要交通干道在一个十字路口交汇，在每一个主要交通干道上都安装上一组红、黄、绿三种颜色指示灯作为通行信号，同时在每一个主要交通干道的两侧分别设置一组只有红、绿两种颜色的行人指示灯，从而做到指挥行人与车辆的安全通过，如图1.2所示。当制止通行时，采用红灯亮来表示；当允许通行时，采用绿灯亮来表示；当提示人们注意红、绿灯为即将切换时，采用黄灯闪亮来表示，同时黄灯闪亮的时间段，为南北、东西两干道上来往车辆的公共的停车时间。如果临时发生了紧急情况，干道上的所有信号灯都转变为红色禁行信号4。本次设计的主要内容是一个主要交通干道与支交通干道交汇的十字路口的交通灯指挥系统，主要内容如下： 1东西和南北方向对信号灯的控制是中心对称的，也就是说不管是主干道还是支干道，两侧系统对同一个方向上的信号灯的控制应当是同步的5； 2人行道无论哪个方向，系统对两侧4个信号灯的控制也是同步的，且人行道的红绿灯变化和盲人提示音的变化以及行车道直行、向右转的红绿灯应该是一致的6； 3主干道先通行且通行时间设定为66s； 4支干道通行时间设定为36s； 5当遇到支干道与主干道进展转换的情况时，主干道必须首先变成红灯，支干道之后再变为绿灯；如果主干道的绿灯想要变成为红灯，黄灯应先闪5s，并且支干道上的红灯状态保持不变； 6假设遇紧急情况，按开关时，主道与支道都为红灯15s； 7根据实时交通堵塞情况人为控制时，按时，主干道延时20s通行；按时，支干道延时20 s通行。图1.2 十字路口交通灯示意图第2章方案论证与设计基于本次设计的课题要求我探究了各个功能模块的设计方案，以求最优方案，为了显示实时系统的各种状态，系统增加了能根据交通的拥挤程度可分别设置主、次干道的不同的通行时间，来到达提高效率，缓解交通拥挤。总体设计图如下所示，主要有按键电路、复位电路、电源电路、显示电路等电路组成。图2.1 十字路口交通灯控制系统总体2.1电源提供方案可靠的点源是保证本模块能够稳定运行的根基条件，在本次设计中，提出了两种的不同的电源方案。方案一：采用市电直接供电，市电经过降压，整流，滤波，稳压后为系统供电，但是本钱比拟高，体积大。方案二：选择一种适宜的直流电源为该系统供电。本钱较低并且系统简单可行是本方案具有的优点。综合考虑本钱和系统等各方面的要求，选择第二种方案。2.2显示界面方案由于此系统具有完成倒计时功能，为了完成倒计时模块的要求，本设计综合各方面因素，选出了以下两种方案：第一种方案的显示完全采用点阵式的LED显示，这种显示方案能够容易的显示各种需要的汉字，英文字符，图形等元素，功能比拟强大，但是也存在着一定的缺陷，即实现过程比拟复杂，同时还需要后续完成大量的软件编程工作。第二种方案是完全采用数码管显示的一种方法。具有倒计时功能以及实现简单是这种方案突出的有点，但是只能显示有限的数码字符和符号以及功能较少等缺点也相对明显。根据设计的要求，衡量两种不同的方案觉得方案二已经完全满足设计的要求，所以采用第二种方案来实现系统的显示功能。2.3输入方案这里同样讨论了两种方案：第一种方案是采用8155扩展I/O口、键盘及显示等。这种方案拥有计数器以及RAM，并且具有相当的灵活性，可编程程度高等优点。如果采用这种方案，可以提供较多I/O口，但是也会带来操作上的复杂性。第二种方案是采用直接在I/O口线上接上按键开关的一种方案。这种方案在本身的设计过程中，对电路进展了适当的优化，因此在工作中可以留下的较多的端口资源，同时还可以任意添加相关按键等。因为本次设计的主要目的是对，交通灯系统的控制，单单采用单片机本身的I/O口即可以实现，同时单片机本身自带的计数器及RAM能够满足应用，综合各方面的考虑，本次设计选择方案二。第3章交通灯系统简介3.1 十字路口交通灯简介交通信号灯主要有绿色信号灯、红色信号灯、黄色信号灯、方向指示的信号灯、闪烁警告的信号灯、行人信号及盲人提示的信号灯、非机动车指示的信号灯组成。绿色信号灯是表示通行的信号灯，当绿灯亮起时，迎面的车辆可以直接通行，同时向左或向右转弯，如果有明显的制止转向标志，要根据指示行驶。红色信号灯是表示制止通行的信号灯，当红灯亮起时，在穿插路口前面对红灯的车辆必须在划定的停车线后停顿前行。黄色信号灯是表示警告的信号指示灯，当黄灯亮起时，面对黄灯的车辆是不能越过停车线直接通行的，但是如果车辆已十分接近停车线，并且不能够在安全区域停车时，则被允许进入穿插的路口。方向指示信号，指示车辆的行驶方向，各行其道，使十字路口交通更加井井有条。非机动车道信号，与其干道直行信号一致。行人的通行信号，人行道上的交通灯信号的变化与机动车道上的交通灯信号变化是保持一致的。盲人提示信号，是专门为特殊人群设置的提示信号，为了保证特殊人群在过马路时的人身安全，盲人提示音与行人信号的变化是一致的。3.2 十字路口交通灯系统的原理详述 1正常情况：道路上交通灯正常运行时，存在四种常见的通行方式，运行状态分别如下所示：状态0：程序初始化，所有灯全部闪烁5次。状态1：车辆南北向直行、向右转，南北向行人通行。南北向直行、右转时间为30s，南北向行人通行时间为30s。状态2：车辆南北向左转，南北向右转、行人禁行。通行时间为30s。状态3：车辆东西向直行、向右转，东西向行人通行。东西向直行、右转时间为15s，东西向行人通行时间为15s。状态4：车辆东西向左转，东西向右转、行人禁行。通行时间为15s。干道直行、向右转与向左转之间的转换为在通行完毕前2s，绿灯以0.5s的时间间隔闪烁直到完毕，然后中间的黄灯闪烁3s，之后直行信号变红灯与向左转信号变绿灯同时变换。主干道与支干道的转换，比方：当主干道向左转的信号灯变为红色信号灯时，支干道直行、向右转信号灯同时变为绿灯；主干道的向左转与支干道的直行、向右转的转换方式为主干道向左转完毕通行前的2s，绿灯以0.5s的闪烁时间间隔直到完毕，然后左转信号变黄灯闪烁5s，此时支干道信号仍为红灯。行人通行信号及盲人提示信号与干道的直行、向右转信号一致，其余时间均为红灯。 2.特殊情况：假设遇紧急情况，按开关时，主道与支道都为红灯15s；然后再根据实时交通堵塞情况人为控制时，按时，主干道绿灯延时10s通行；按时，支干道绿灯延时10 s通行。初始状态，即复位状态。首先，所有信号灯全亮为红灯5s；然后，进入状态1。3.3 十字路口交通灯系统的功能详述十字路口交通灯系统的主要相关功能如下： 1.主控中心AT89S51 1简介本次设计交通灯系统主要采用AT89S51芯片作为主控中心，它是本次单片机控制的关键部件，对系统起到绝对的控制作用，另外还添加了辅助电路对系统参数进展必要的设置和显示。交通信号灯的显示时间通常是固定的，如果需要的话也可以用键盘再去重新设置，设计中的时间控制、蜂鸣器提示及LED显示都是由单片机来控制的。AT89S51是一种具有低功耗、高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器7。AT89S51同时兼容了80C51引脚构造和标准MCS-51指令系统，芯片内部集成了通用的8位中央处理器和ISP Flash存储单元。因此，AT89S51芯片在众多嵌入式的控制系统中得到了非常广泛的推广与应用。2主控中心在系统中的作用主要有以下几个方面：1它是利用单片机中的定时器在运行过程中，循环出一秒的空余时间，随之将它累计到处于活泼状态的存放器中的一种方式。活泼状态的存放器内的计数是依次呈递减变化的，当运行够一秒时间，到则系统减1，运行至计数减为0完毕，说明所定的时间到。2每当时间到达所定时刻后，单片机将对存放器地址的来源进展选择性地判断，而且不同的存放器对应不同的信号灯显示。3每次一秒时间到，存放器自动减1后，之后将存放器中的值，也就是剩余的秒数反映到LED显示器上，构成倒计时显示8。2复位模块1简介由于单片机的每次运行都必须从初始状态开场，因此对于单片机的每一次运行完毕后，都必须对其进展复位处理，其目的是使其它部件以及CPU处于确定的原始状态。此外，在单片机工作的过程中，如果出现了死机的情况，也是需要对单片机进展复位的，这样做可以使它重新开场工作。复位电路启动的方式有所不同：一是在给电路通电时马上进展复位操作；二是在必要时可以由手动操作；三是根据程序或者电路运行的需要自动地进展9。2） 类型单片机的复位电路主要有微分型复位电路、比拟器型复位电路、看门狗型复位电路、积分型复位电路组成10。 3复位方式89系列单片机的复位信号都是从RST引脚输入到芯片内施密特触发器中的。当系统正常工作，并且振荡器稳定后，假设RST引脚上有一个高电平并且能持续的维持2个机器周期(24个振荡周期)以上，则CPU就可以做到响应系统并将系统复位。单片机系统常见的复位方式有：手动按钮复位和上电复位如以下列图。图3.1 单片机复位电路图3按键模块按键模块主要的作用是在遇到紧急的情况下，通过按键就可以做到对系统进展控制，从而到达优先处理紧急情况。在单片机应用系统中，按键主要有两种形式：1、直接按键 2、矩阵编码键盘11。直接按键是一种可以通过分析按键的端口所具有的电位上下，来对按键的操作进展识别，并且每个单独的按键都可以单一地接到单片机的I/O口上；而矩阵键盘对编码进展识别是通过行列穿插按键实现的。4时钟模块时钟模块的作用主要是产生单片机工作所需要的时钟脉冲序列。单片机在运行时需要时钟电路的支持，要是没有时钟电路产生的脉冲来驱动单片机，否则单片机就不能执行程序。时钟电路就好似微型计算机的心脏，控制着计算机的两个节奏。MCS51的时钟信号的产生方式有两种：其一种是内部方式，利用芯片内部的振荡电路，来产生时钟信号；另一种为外部方式，也就是时钟信号由外部引入。5数码管显示倒数计时模块数码管显示模块的主要作用是用来显示数字，目的是实现交通灯的倒计时局部。采用的是由八个发光二极管组成的七段LED数码管，通过给引脚输入不同的上下电平，来到达显出09的数字的目的。1数码管按各发光二极管电极的连接方式分为共阳和共阴数码管两种。2数码管要正常显示，就需要用驱动电路来驱动各段数码管，显示我们想要的各个数字，因此根据数码管的驱动方法的不同，又可以分为静态式和动态式两类。 6信号灯显示信号灯包括机动车信号灯和行人信号灯。信号灯显示模块主要是采用二极管模拟交通红、黄、绿灯的。图3.2发光二极管发光二极管(Light Emitting Diode,LED)，是一种半导体组件。LED被誉为第四代照明光源或称其为绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等众多特点，被广泛的应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。1机动车信号灯由于本设计在每个方向上的直行和左转的时间错开了，所以在每个方向上有两个绿灯、一个红灯、一个黄灯。其顺序安排为：绿灯，红灯，黄灯，绿灯。分别表示：左转绿灯，禁行红灯，提示黄灯，直行、右转绿灯。2行人信号灯本设计在各个方向上的行人信号灯与其对应方向上的直行、右转绿灯的亮灭情况一样。7.盲人提示音模块在单片机的应用上，大都要用蜂鸣器来做提示或报警，例如消息提示、通知开场工作或工作完毕还有故障报警等等。1简介蜂鸣器是种一体化构造的电子音响器，可以采用直流电压供电，被广泛的应用于电脑、报警装置、火车电子设备、定时器等电子产品中作为发声的器件。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种不同的类型。2驱动方式 1自激蜂鸣器是直流电压驱动的，不需要利用交流信号进展驱动，只需对驱动口输出驱动电平并由三极管放大驱动电流来使蜂鸣器发出声音12。 2单片机驱动他激蜂鸣器的方式有两种：一种是PWM 输出口直接驱动，另一种是利用I/O 定时翻转电平产生驱动波形对蜂鸣器进展驱动13。本次设计在各个方向上的盲人提示音与行人信号灯的信号变化是一致的，其目的是确保盲人过马路时的安全。第4章系统硬件设计对于整个系统来说硬件设计是根基，因此要考虑到方案的很多方面，除了要实现交通灯 根本功能以外，主要还要考虑如下几个因素：系统拥有的性能指标及其相关功能对系统稳定性的影响；所需元器件的选购性或便捷性；编程结果的可行性。下面我从各功能模块的实现逐个进展分析探讨。本设计以单片机为控制核心，采用模块化设计14，共分以下几个功能模块：单片机控制系统、状态显示、信号提示及倒计时模块等。4.1主控中心AT89S51芯片本设计选用的AT89S51与同系列的AT89C51在功能上有明显的提高，最突出优点的是可以实现在线的编程，可用于实现对系统的总的控制。1主要性能特点：1、4k Bytes Flash片内程序存储器；2、128 bytes的随机存取数据存储器RAM；3、32个外部双向输入/输出I/O口；4、2个中断优先级、2层中断嵌套中断；5、6个中断源；6、2个16位可编程定时器/计数器；7、2个全双工串行通信口；8、 看门狗WDT电路；9、 片内振荡器和时钟电路；10、 与MCS-51兼容；11、 全静态工作：0Hz-33MHz；12、 三级程序存储器保密锁定；13、 可编程串行通道；14、低功耗的闲置和掉电模式。2） 管脚说明图4.1 AT89S51管脚接线图VCC：电源电压输入端。GND：电源地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每个脚均可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。它可以被定义为数据/地址的低八位，当P0被用于外部程序数据存储器。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进展校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流，P1口管脚写入1后可用作输入，被内部上拉为高；由于内部上拉的缘故，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流15。在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。表 4.1 具有第二功能的 P1口引脚 端口引脚 第二功能： P1.5 MOSI(用于ISP编程 P1.6 MOSI(用于ISP编程 P1.7 MOSI(用于ISP编程P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流。当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入；并由于内部上拉的缘故，因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流；当P2口输出地址的为高八位时，P2口可被用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进展存取16。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进展读写时，P2口输出其特殊功能存放器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入；作为输入，由于上拉的缘故，会使外部下拉为低电平，P3口将输出电流ILL17。P3口除了作为普通I/O口，还有第二功能，如下表所示:表4.2具有第二功能的P1口引脚 端口引脚 第二功能： P3.0 RXD串行输入口 P3.1 TXD串行输出口 P3.2 /INT0外部中断0 P3.3 /INT1外部中断1 P3.4 T0T0定时器的外部计数输入 P3.5 T1T1定时器的外部计数输入 P3.6 /WR外部数据的写选通 P3.7 /RD外部数据的读选通RST：复位输入端，高电平有效。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：地址锁存允许/编程脉冲信号端。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1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据时，将跳过一个ALE脉冲。如想制止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令时ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE制止，置位无效。PSEN：外部程序存储器的选通信号，低电平有效。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。EA/VPP：外部程序存储器访问允许。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源VPP。XTAL1：片内振荡器反相放大器和时钟发生器的输入端。XTAL2：片内振荡器反相放大器的输出端。4.2复位电路 MCS-5l系列单片机的复位引脚为RST，当出现2个以上的机器周期为高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。本设计中采用的是手动按键复位方式，并利用电阻分压电路来实现。手动按键复位的电路图如以下列图所示: 图4.2 手动按键复位电路手动按钮复位需要人为的在复位输入端RST上加上高电平。一般采用的方法是在RST端和正电源Vcc之间连接一个按钮。按下按钮时，则Vcc的+5V电平就会直接加到RST端。由于即使人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒以上，所以，完全能够满足单片机复位的时间要求。当按键K0压下时，串联电阻R2上的分压可使RST端产生高电平，按键抬起时产生低电平。只要按键动作产生的复位脉冲宽度大于复位时间即可保证按键复位的发生。4.3 时钟电路本次设计所采用的是内部振荡器方式。片内的高增益反相放大器通过XTAL1、XTAL2引脚来外接作为反响组件的片外晶体振荡器呈感性与电容组成的并联谐振回路构成一个自激振荡器，然后向内部时钟电路提供振荡时钟，其中振荡器的频率主要取决于晶体的振荡频率，一般人们可在1.2MHz12MHz之间任选。电容、可在5pF30pF之间选择，电容的大小对振荡频率有着微小的影响，可对整个电路起频率微调作用。内部时钟电路图如下：图4.3 内部时钟电路4.4 按键电路本系统采用两个外部中断来实现交通灯按键控制器的功能。设置外部中断。目的是使用该中断来处理紧急情况，比方当交通灯控制器出现故障、交通出现严重事故需要封锁道路或者是有医护车行使公务时，则调用该中断，使主干道和支干道的交通灯均变为红灯15s。该中断具有最高的优先级。设置外部中断。是为了用该中断来处理根据主干道与支干道车辆通行的交通情况的多少实行延长或者缩短时间通行，通行延时20 s。通过P3.2引脚输入，通过P3.3引脚输入。按键电路图如下:图4.4 按键电路图4.5 数码管显示电路LEDLight Emitting Diode，发光二极管，是一种固态的半导体组件，可以直接把电转化为光。LED的主要部件是一个半导体的芯片，芯片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极。当电流通过导线作用于这个芯片的时候，电子和空穴就会被推向量子阱，在量子阱内电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。LED显示屏作为大型显示设备的一种，具有亮度高、价格低、寿命长、维护简便等优点。LED数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点，还有一种是类似于3位“+1”型。位数有半位，1，2，3，4，5，6，7，8，9位等等见以下列图4.5，LED数码管的构造简单，LED数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，分为七段和八段两种形式，本设计中采用七段LED数码管，采用共阳数码管。本设计采用数码管动态显示，每只数码管同名段及点，全部并接，由一个IO口控制，每位轮流显示15ms左右，虽然是一位位点亮，利用人眼的暂留效应，所以看起来是每位都亮的。图4.5 LED数码管引脚图数码管显示电路主要完成设定定时器l的工作模式，定时初值、开总中断、开定时中断灯、开外部中断0、开外部中断l，本系统采用的定时器，工作方式为方式l。即定时器Tl设为16位定时模式。T1为秒计时用。P0口、P3.0口、P3.1口用于接通数码管。根据上述分析方案，画出如以下列图4.6。图4.6 LED数码管电路图4.6 信号灯显示电路4.6.1机动车信号灯每个方向设置四个指示灯，分别是红灯、绿灯、黄灯、左转绿灯。接通单片机P2口，来控制16个发光二极管模拟交通信号灯的工作情况。其中P2.0，P2.1，P2.2，P2.3四个输出控制口，分别控制南北方向上的左转绿灯、红灯、黄灯、绿灯；P2.4，P2.5，P2.6，P2.7四个输出控制口，分别控制东西方向上的左转绿灯、红灯、黄灯、绿灯。对应表如下表4.3。表4.3 交通灯与单片机P2口对应关系GreenYelloRedGreenGreenYelloRedGreenP2.7东西绿灯P2.6东西黄灯P2.5东西红灯P2.4东西左转绿灯P2.3南北绿灯P2.2南北黄灯P2.1南北红灯P2.0南北左转绿灯根据交通灯的工作过程和电路连接情况，正常工作时交通灯在前4个状态间循环运行，出现紧急情况人为控制进入状态5，紧急情况完毕后，又恢复到原来状态。交通灯的工作状况见下表4.4。表4.4 交通灯工作状态表状态交通灯工作状态P2口输出数据对应16进制数持续时间下个状态1南北直行、右转通行，东西、南北左转禁行00101000B28H30s2南北方向黄灯闪烁，东西禁行00100000B00100100B20H24H3s2南北左转通行，东西、南北直行禁行00100001B21H30s3南北黄灯闪烁，东西禁行00100000B00100100B20H24H5s3东西直行、右转通行，南北、东西右转禁行10000010B82H15s4东西黄灯闪烁，南北禁行00000010B01000010B2H42H3s4东西左转通行，南北、东西直行禁行00010010B12H15s1东西黄灯闪烁，南北禁行00000010B01000010B2H42H5s5特殊情况00100010B22H15s恢复原态注：表中的“1代表灯亮也代表逻辑上的1，“0代表灯灭也代表逻辑上的0，依上表，就可以向相应的端口送逻辑值。根据上述的方案说明，二极管采用共阴接法，画出信号灯电路如以下列图4.7信号灯显示电路图所示。4.6.2行人信号灯行人灯只设置绿灯，当行人绿灯亮时代表行人可以通行，各个方向的绿灯与各个方向上的机动车的直行、右转绿灯的工作状态一致。采用共阴接法。具体的工作状态在Proteus仿真中呈现，具体的硬件电路图如以下列图4.7。图4.7 信号灯电路图4.7 盲人提示音电路蜂鸣器的提示音的发声时间和行人通行及等待的时间是一致的。绿灯时行人通行，提示音的频率稍微加快且急促，当变为红灯时，提示音变得频率缓慢且平和，通过这样的提示模式，方便盲人过马路，提示减少交通事故。常见的典型的蜂鸣器驱动电路，蜂鸣器驱动电路一般包含：一个三极管、一个蜂鸣器、一个续流二极管、一个滤波电容。在本设计中，十字路口的四个方向上均设置一个蜂鸣器，其中P1.7输出口用来控制蜂鸣器的工作状态，其具体的工作状态在Proteus仿真中呈现，具体的硬件电路图如以下列图4.8。图4.8 盲人提示音电路图4.8 硬件系统总体电路图4.8.1仿真软件Proteus软件Proteus软件是英国Labcenter Electronics公司开发的电路分析与实物仿真软件，是目前世界上最先进、也是最完整的单片机系统的设计与仿真平台。Proteus可以实现数字电路、模拟电路及微控制器系统与外设的混合电路系统的电路仿真、软件仿真、系统协同仿真和PBC设计等功能18。Proteus软件的使用大大提高了企业的产品开发效率，降低了开发风险。Proteus软件提供了30多个元器件库、7000余种元器件。进人工作界面后，通过在capacitors、resistors等库中寻找所需要组件添加到原理图编辑窗口，在“配件模型按钮栏中选取电源和地线端。为了模拟真实的穿插口，在Proteus ISISIntelligent Schematic Input System中对东西南北四个方向分别设置了交通灯和数码管，为了直观起见，交通信号灯用Proteus软件中的带颜色的二极管件来代替，即仿真模型Traffic Light。电路中还设置了时钟电路、复位电路，按键电路，在以上几节都分别进展了详述。元器件选择完毕后利用系统自动捕捉的功能生成连线。对于相隔较远，直接连线不方便的器件采用标号的方式进展连接，系统会认为网络标号一样的引脚物理上是连接的。绘制好电路图后，检查无误后就可以进展后续的仿真了。4.8.2硬件系统总电路图本次设计是以单片机为核心，与时钟电路、复位电路、特殊情况电路按键电路、数码管电路、信号灯显示电路及盲人提示电路组成了系统的硬件电路，整个系统采用的电源电压只需+5V电压。硬件系统连接如以下列图4.8。图4.8 硬件系统电路总图第5章系统软件程序设计十字路口交通灯控制系统程序主要分为以下几个模块：主程序模块、数码管显示程序模块、定时中断服务程序模块等。以下分别介绍各个模块程序的流程图。5.1 系统软件总体概述在对所要求设计的课题有了整体的了解之后，首先需要建设程序框架的流程图，其次对整个设方案分模块，然后逐个模块实现其功能，最后把各个子模块合理的连接起来，构成总的程序。系统主流程图如以下列图5.1。图5.1 交通灯主程序流程图5.2 定时中断服务程序模块程序设计5.2.1复位模块程序设计系统初始化或者系统出现紊乱时，我们需要程序复位，使程序能够快速进入正常模式。这个采用按键复位方式，当按下K0键时，东南西北四个方向的灯全亮5s，然后进入“调用状态1子程序。具体流程图如以下列图5.2。图5.2 复位程序流程图5.2.2外部中断模块程序设计外部中断模块主要用于特殊情况下，交警采用按键的方式，来采取必要的措施，解决交通问题。图5.3 外部中断0程序流程图当有交通灯控制器出现故障、交通出现严重事故需要封锁道路或有医护车行使公务时，按下键，该中断采用外部中断0，具体流程如图5.3。当主干道或支干道的车流量增多或在下班顶峰期时，道路出现严重拥堵的情况下，按下键时，主干道延时20s；按下键时，支干道延时20s。该中断采用外部中断1，具体流程如图5.4。相应的优先状态为：外部中断0外部中断1。图5.4 外部中断1程序流程图5.3 程序延时单片机实现延时通常有两种方法：一种是硬件延时，要用到定时器/计数器，这种方法可以提高CPU的工作效率，也能做到准确延时；另一种是软件延时，这种方法主要采用循环体进展19。5.3.1定时器T1的程序流程图单片机系统一般常选用11.0592MHz、12MHz或6MHz晶振。第一种更容易产生各种标准的波特率，后两种的一个机器周期分别为1s和2s，便于准确延时。本程序中假设使用频率为12MHz的晶振。最长的延时时间可达216=65536s。假设定时器工作在方式2，则可实现极短时间的准确延时；如使用其它定时方式，则要考虑重装定时初值的时间重装定时器初值占用2个机器周期。图5.5 定时器T1中断程序流程图本设计采用AT89S51的时钟频率为12MHz，根据参考文献1中表6.2各工作方式的最大定时时间查得方式1的最长时间定时为65.536ms。所以，设定每隔50ms中断一次，中断20次为一秒。计算初值a：因为：所以：a=15536=3CB0HCPU 工作在查询方式下，查询TF1标志是否置1，如置1，说明T1溢出。具体流程图如以下列图5.5所示。5.3.2软件延时在MCS-51单片机指令中并没有真正的延时指令，从以上的概念我们知道单片机每执行一条指令都需要一定的时间。所以可以让单片机不断地执行没有具体实际意义的指令通常把这些指令称为哑指令，就可以到达软件延时的效果。1 软件延时的主要汇编语言指令1数据传送指令MOV数据传送指令功能是将数据从一个地点复制或拷贝到另一个地点。如：MOV R3，#60H，执行这条指令的功能是将立即数60H送到存放器R3中。仅有这条指令其实并没有任何实际意义，而执行以上的指令则需要一个机器周期。（2） 空操作指令NOP NOP为单机周指令，在时间上占用一个机器周期，实际上单片机执行的操作没有意义。3减1条件转移指令DJNZ减1非0转移指令的功能是将第一个操作数的内容减1，判断其所得结果是否为0，不为0则转移到指定地点，假设为0则顺序往下执行操作。利用以上介绍的这三条指令的组合，可以相对准确地用软件编程的方法设计出所需的延时程序。2 根本延时模式及延时时间的计算延时程序的延时时间主要与两个因素有关，一是所用晶振，二是延时程序的循环次数，一旦晶振确定以后，则主要计算延时循环次数。本设计单片机的晶振频率是12MHz，则机器周期T为1s。1单循环延时最长延时时间515s，最短延时时间5s。2双重循环延时最长延时时间131843s，最短延时间8s。3三重循环延时最长延时时间33751811s，最短延时时间11s。编写程序时，一般将延时程序编写成独立的子程序，而所谓子程序也就是一个实现某个功能的小模块。这样在主程序中就可以方便地反复调用编写好的延时子程序。5.4 数码管显示模块程序设计由于在倒计时程序中采用的是十六进制计数，而显示出来的倒计时数字为十进制数，所以程序的前一段为十六进制转十进制，程序的后半段是将转换出来的数值调进显示存放器。首先将十进制数字送给A。然后计算A/10，进展拆分显示时间的个位和十位，最后分别送往各个接口进展显示。具体流程图如以下列图5.6所示。图5.6 数码管显示程序流程图5.5蜂鸣器提示模块程序设计5.6系统程序调试第6章 结 论本次设计采用AT89S51单片机为核心，结合特殊情况下的控制电路、时钟电路、七段数码管、盲人提示音及信号灯显示电路，进而设计出一种高效快速，绿色节能的新型交通灯控制系统。1本次设计较全面地对交通信号灯的组成，交通信号灯系统的原理，交通信号灯系统的功能做了详尽的介绍。2本次设计在实现交通信号灯的 根本功能的前提下，综合考虑各方面的因素，通过对主控中心AT89S51芯片、复位电路、时钟电路、按键电路、数码管显示电路、信号灯显示电路、盲人提示音电路有机结合在一起，组成了交通信号系统的硬件电路。3本次设计在对整个交通信号系统设方案分为7个模块后，然后通过程序设计实现逐个模块的功能，最后把各个子模块合理的连接起来，构成总的程序。本次设计通过对硬件电路和软件编程的联合，实现了对交通灯控制系统的仿真，经过验证，本方案切实可行。参考文献1申宇.基于51单片机的智能交通信号灯控制系统J. 科技信息，201120：106107.2林立，张俊亮，曹旭东，等.单片机原理及应用：基于Protues和Keil C 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