基于8051单片机设计的智能交通灯系统毕业论文1

安徽机电职业技术学院毕 业 论 文基于8051单片机设计的智能交通灯系统系 别 电气工程系 专 业 电气自动化 班 级 电自3112 姓 名 杨 荣 景 学 号 1303113163 指导老师 杨 浩 2013 2014学年第 1 学期安徽机电职业技术学院毕业论文（设计）指导过程记录表题目锅炉汽泡液位控制系统学生姓名杨荣景学 号1303113166指导教师杨浩系 部电气工程系班 级电自3112顺序号第 1 次学生完成毕业论文（设计）内容情况1.根据杨老师在论文指导会上的指导内容，在利用校图书馆查阅很多贴近我们本专业的知识基础上，认真斟酌，最终确定了论文项目题目：锅炉汽泡液位控制系统。2.该项目题目的选定依附于现代化工业发展的需要，因此基本上完成了论文的选题背景和研究意义。3.经过查阅资料和听取杨老师的意见，构思了论文项目的大体框架，为接下来的研究论文做好了铺垫。 学生签名：时间：年月日教师指导内容记录 教师签名：时间：年月日安徽机电职业技术学院毕业论文（设计）指导过程记录表题目锅炉汽泡液位控制系统学生姓名杨荣景学 号1303113166指导教师杨浩系 部电气工程系班 级电自3112顺序号第 2 次学生完成毕业论文（设计）内容情况1. 根据上周所查资料和老师会上的指导，我在整理上基本上完成了开题报告。开题报告大体包括论文封面设计，论文的内容摘要和选题的背景。并以邮件的方式发给杨老师批阅了。2. 在做开题报告时，我尽量贴近我们专业所学的知识，以使能够温习所学知识和进一步提升！ 学生签名：时间：年月日教师指导内容记录 教师签名：时间：年月日安徽机电职业技术学院毕业论文（设计）指导过程记录表题目锅炉汽泡液位控制系统学生姓名杨荣景学 号1303113166指导教师杨浩系 部电气工程系班 级电自3112顺序号第 3 次学生完成毕业论文（设计）内容情况1.针对杨老师指导会议上提出的问题，我修改了我的开题报告。还进一步完成了论文的大纲和论文的目录，并按照目录和查找资料，整理完成了论文正文第一章，第二章和第三章的分析与选择。并以电子邮件的方式发给了张老师指导与批阅。 2.概述的完成主要包括课题研究的目的与意义，以及目前该技术发展的趋势。 学生签名：时间：年月日教师指导内容记录 教师签名：时间：年月日安徽机电职业技术学院毕业论文（设计）指导过程记录表题目锅炉汽泡液位控制系统学生姓名杨荣景学 号1303113166指导教师杨浩系 部电气工程系班 级电自3112顺序号第 4 次学生完成毕业论文（设计）内容情况1.这一周首先把杨老师回复的批阅邮件论文进行了修改，认识到论文存在的问题，使我获得了宝贵的经验。2.然后又根据所查资料和所学知识完成了论文正文的控制系统的分析与设计，控制系统的内容比较多，所以我在杨老师和同学的帮助下完成的，它包括单片机程序的设计和编制以及整个项目的规划。 学生签名：时间：年月日教师指导内容记录 教师签名：时间：年月日安徽机电职业技术学院毕业论文（设计）指导过程记录表题目锅炉汽泡液位控制系统学生姓名杨荣景学 号1303113166指导教师杨浩系 部电气工程系班 级电自3112顺序号第 5 次学生完成毕业论文（设计）内容情况 1.这一周也是首先把杨老师回复的批阅邮件论文进行了修改，认识到论文存在的一些内容的问题和一些格式上的错误，让我学会做论文时一定要认真对待。 2 .在前面做论文的基础上，整理了重点参考文献列于论文的结尾。最后有表达了这段时间写论文的感想和对杨老师的敬意与感激！这也是为我以后继续深造奠定扎实的基础。 学生签名：时间：年月日教师指导内容记录 教师签名：时间：年月日安徽机电职业技术学院毕业论文（设计）指导过程记录表题目锅炉汽泡液位控制系统学生姓名杨荣景学 号1303113166指导教师杨浩系 部电气工程系班 级电自3112顺序号第 6 次学生完成毕业论文（设计）内容情况 1.经过杨老师的几次批阅与指导我已经基本完成了毕业论文，并做好注释、参考文献、资料装订等扫尾工作，最后我还是得到了老师的肯定，终于完成了论文，从而形成定稿。2.我很感激杨老师对我的帮助，让我的大学时代有了个好的结束，为我的大学生活画上了一个圆满的句号。最后想说声，老师，您辛苦了！ 学生签名：时间：年月日教师指导内容记录 教师签名：时间：年月日摘要 近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断深入，同时带动传统控制检测技术日益更新。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部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体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？靠的就是交通信号灯的自动指挥系统。如何改善交通灯控制系统,使其适应现在的交通状况,成为研究的课题。传统的十字路口交通控制灯,通常的做法是:事先经过车辆流量的调查,运用统计的方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好。然而,实际上车辆流量的变化往往是不确定的,有的路口在不同的时段甚至可能产生很大的差异。即使是经过长期运行、较适用的方案,仍然会发生这样的现象:绿灯方向几乎没有什么车辆,而红灯方向却排着长队等候通过。这种流量变化的偶然性是无法建立准确模型的,统计的方法已不能适应迅猛发展的交通现状,更为现实的需要是能有一种能够根据流量变化情况自适应控制的交通灯。 本系统采用MSC-51系列单片机和可编程并行I/O接口8255芯片为中心器件来设计交通灯控制器 ,采用键盘、LED显示器的系统等组成。系统除基本交通灯功能外,还具有倒计时、时间设置、紧急情况处理、分时段调整信号灯的点亮时间、违规车辆检测等功能。本系统性能较好且稳定性高，可实现十字路口城乡交通自动控制和紧急情况下能够手动切换信号灯让特殊车辆优先通行。以8051单片机为控制芯片，采用“Proteus+Wave6000”对交通灯控制系统进行了仿真。关键词: 智能交通灯 控制系统 8051单片机 目 录摘要I第一章 绪论31.1 单片机交通灯控制系统的选题背景31.2 单片机交通灯控制系统选题的现实意义3第二章 MCS51单片机简介52.1 概述52.2 MCS单片机的内部组成62.3 8255芯片介绍72.3.1 8255内部结构72.3.2 特性82.3.3 引脚功能82.4 交通灯简介9第三章 智能交通灯控制系统要求113.1 单片机交通控制系统通行方案设计113.2 总控制要求133.3 车检测电路133.4 信号灯电路143.5 时间显示电路153.6 紧急转换开关电路16第四章 智能交通灯的仿真174.1 Proteus软件介绍174.2 仿真过程18总结21参考文献22第一章 绪 论1.1 单片机交通灯控制系统的选题背景 随着人口快速的增多，交通工具的爆炸性的发展，以及道路资源的有限性，交通控制就应运而生，在人类的生活、工作环境中，交通扮演着极其重要的角色，人们的出行都无时不刻与交通打着交道。自18世纪工业革命以来，工业发展带动整个交通运输的发展，从而催生了单独的交通控制学问与管理机构。 交通控制系统是近现代社会随着物流、出行等交通发展产生的一套独特的公共管理系统。要保证高效安全的交通秩序，除了制定一系列的交通规则，还必须通过一定的技术手段加以实现。现代人类科学技术，特别是电子科学技术的发展和成熟能比较好的解决系统建立中硬软件方面要求的技术难题。目前，交通控制方面的研究能完全实现自动智能化，甚至将整个区域整合成一个统一的系统范围，还能根据正常时段以及特定突发时段的情况进行科学的自动调整。 交通对于社会的工业经济和人们的生活生产中有着十分重要的意义。随着单片机和传感技术的迅速发展，自动检测领域发生了巨大变化，交通自动监测控制方面的研究有了明显的进展，并且必将以其优异的性能价格比，逐步取代传统的交通控制措施。 1.2 单片机交通灯控制系统选题的现实意义 城市道路交通自动控制系统的发展是以城市交通信号控制技术为前导，与汽车工业并行发展的。在其各个发展阶段，由于交通的各种矛盾不断出现，人们总是尽可能地把各个历史阶段当时的最新科技成果应用到交通自动控制中来，从而促进了交通自动控制技术的不断发展。早在1850年，城市交叉口处不断增长的交通就引发了人们对安全和拥堵的关注。世界上第一台交通自动信号灯的诞生，拉开了城市交通控制的序幕，1868年，英国工程师纳伊特在伦敦威斯特敏斯特街口安装了一台红绿两色的煤气照明灯，用来控制交叉路口马车的通行，但一次煤气爆炸事故致使这种交通信号灯几乎销声匿迹了近半个世纪。1914年及稍晚一些时候，美国的克利夫兰、纽约和芝加哥才重新出现了交通信号灯，它们采用电力驱动，与现在意义上的信号灯已经相差无几。1926年英国人第一次安装和使用自动化的控制器来控制交通信号灯，这是城市交通自动控制的起点。 20世纪30年代初，美国最早开始用车辆感应式信号控制器，之后是英国，当时使用的车辆检测器是气动橡皮管检测器。车辆感应控制器的特点是它能根据检测器测量的交通流量来调整绿灯时间的长短，使绿灯时间更有效地被利用，减少车辆在交叉口的时间延误，比定时控制方式有更大的灵活性。车辆感应控制的这一特点刺激了车辆检测器技术的发展。继气动橡皮管式检测器之后，雷达、超声波、光电、地磁、电磁、微波、红外以及环形线圈等检测器相继问世。当今在城市道路交通自动控制、交通监测和交通数据采集系统中，应用最广的是环形线圈车辆检测器。超声波检测器主要在日本等少数国家得到广泛应用。 计算机技术的出现为交通控制技术的发展注入了新的活力，更是实现了以一个城市或者更大地域，而非简单的一个路口的交通总体控制系统。1952年，美国科罗拉多州丹佛市首次利用模拟计算机和交通检测器实现了对交通信号机网的配时方案自动选择式信号灯控制，而加拿大多伦多市于1964年完成了计算机控制信号灯的实用化，建立了一套由IBM650型计算机控制的交通信号协调控制系统，成为世界上第一个具有电子数字计算机城市交通控制系统的城市。这是道路交通控制技术发展的里程碑。 交通控制研究的发展，旨在解决人类交通因需求的增多而日益繁重带来的问题，局限于道路建设的暂时不足和交通工具的快速增长，就要使更多的车辆安全高效的利用有限的道路资源，避免因无序和抢行等无控制原因造成的不必要阻塞甚至瘫痪，另外，针对整个交通线路车辆的多少实时调整和转移多条线路的分流也十分必要。交通网络是城市的动脉，象征着一个城市的工业文明水平。交通关系着人们对于财产，安全和时间相关的利益。具有优良科学的交通控制技术对资源物流和人们出行都是十分有价值的，保证交通线路的畅通安全，才能保证出行舒畅，物流准时到位，甚至是生命通道的延伸。图1-1 交通灯实物图第二章 MCS51单片机简介2.1 概述单片微型计算机简称单片机，又称微控制器，嵌入式微控制器等，属于第四代电子计算机。它把中央处理器、存储器、输入/输出接口电路以及定时器/计数器集成在一块芯片上，从而具有体积小、功耗低、价格低廉、抗干扰能力强且可靠性高等特点，因此，适合应用于工业过程控制、智能仪器仪表和测控系统的前端装置。正是由于这一原因，国际上逐渐采用微控制器(MCU)代替单片微型计算机(SCM)这一名称。“微控制器”更能反映单片机的本质，但是由于单片机这个名称已经为国内大多数人所接受，所以仍沿用“单片机”这一名称。 在HMOS技术大发展的背景下，Intel公司在MCS-48系列的基础上，于1980年推出了8位MCS-51系列单片机。它与以前的机型相比，功能增强了许多，就其指令和运行速度而言，超过了INTEL8085的CPU和Z80的CPU，成为工业控制系统中较为理想的机种。 作为主流的单片机品种，MCS-51系列单片机市场份额占有量巨大，PHILIPS公司、ATMEL公司等纷纷开发了以8051为内核的单片机产品，这些产品都归属于MCS-51单片机系列。2.2 MCS单片机的内部组成 MCS-51单片机的引脚和内部组成如图2-1所示。通常采用DIP或PLLD封装，其内核是8051CPU，CPU的内部集成有运算器和控制器，运算器完成运算操作（包括数据运算、逻辑运算等），控制器完成取指令、对指令译码以及执行指令。MCS-51单片机的片内资源有图2-1 MCS-51单片机的内部组成（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)： 8051内部有128字节数据存储器（RAM）和21个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器有专门的用途，通常用于存放控制指令数据，不能用作用户数据的存放，用户能使用的RAM只有128个字节，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)： 8051共有4K字节程序存储器（ROM），用于存放用户程序和数据表格。（4）定时/计数器(ROM)： 8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数，当定时/计数器产生溢出时，可用中断方式控制程序转向。（5）并行输入输出(I/O)口： 8051共有4个8位的并行I/O口(P0、P1、P2、P3)，用于对外部数据的传输。（6）全双工串行口： 8051内置一个全双工异步串行通信口，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： 8051具备较完善的中断功能，有五个中断源（两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断），可基本满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。（8）时钟电路：8051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时序脉冲，但接晶体振荡器和振荡电容。（9）74LS373简介：图2-2 74LS373芯片 D0D7为8个输入端。 Q0Q7为8个输出端。 OE为输出允许端；当OE=“0”时，三态门打开；当OE=“1”时，三态门关闭，输出呈高阻状态。在MCS-51单片机系统中，常采用74LS373作为地址锁存器使用 。其中输入端D0D7接至单片机的P0口，输出端提供的是低8位地址，LE端接至单片机的地址锁存允许信号ALE。输出允许端OE接地，表示输出三态门一直打开。 2.3 8255芯片介绍 8255是Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片，有3个8位并行I/O口。具有3个通道3种工作方式的可编程并行接口芯片（40引脚）。 其各口功能可由软件选择，使用灵活，通用性强。8255可作为单片机与多种外设连接时的中间接口电路。 8255作为主机与外设的连接芯片，必须提供与主机相连的3个总线接口，即数据线、地址线、控制线接口。同时必须具有与外设连接的接口A、B、C口。由于8255可编程,所以必须具有逻辑控制部分，因而8255内部结构分为3个部分：与CPU连接部分、与外设连接部分、控制部分。2.3.1 8255内部结构（1）与CPU连接部分 8255能并行传送8位数据，所以其数据线为8根D0D7。由于8255具有3个通道A、B、C，所以只要两根地址线就能寻址A、B、C口及控制寄存器，故地址线为两根A0A1。此外CPU要对8255进行读、写与片选操作，所以控制线为片选、复位、读、写信号。各信号的引脚编号如下： 数据总线DB：编号为D0D7，用于8255与CPU传送8位数据。 地址总线AB：编号为A0A1，用于选择A、B、C口与控制寄存器。 控制总线CB：片选信号、复位信号RST、写信号、读信号。当CPU要对8255进行读、写操作时，必须先向8255发片选信号选中8255芯片，然后发读信号或写信号对8255进行读或写数据的操作。（2）与外设接口部分 8255有3个通道A、B、C与外设连接，每个通道又有8根线与外设连接，所以8255可以用24根线与外设连接，若进行开关量控制，则8255可同时控制24路开关。各通道的引脚编号如下： A口：编号为PA0PA7，用于8255向外设输入输出8位并行数据。 B口：编号为PB0PB7，用于8255向外设输入输出8位并行数据。 C口：编号为PC0PC7，用于8255向外设输入输出8位并行数据，当8255工作于应答I/O方式时，C口用于应答信号的通信。（3）控制器 8255将3个通道分为两组，即PA0PA7与PC4PC7组成A组，PB0PB7与PC0PC3组成B组。如图7.5所示，相应的控制器也分为A组控制器与B组控制器，各组控制器的作用如下：A组控制器：控制A口与上C口的输入与输出。B组控制器：控制B口与下C口的输入与输出。2.3.2 特性 (1) 一个并行输入/输出的LSI芯片,多功能I/O器件,可作为CPU总线与外围接口。(2) 具有24个可编程设置的I/O口,即3组8位的I/O口为PA口,PB口和PC口.它们又可分为两组12位的I/O口,A组包括A口及C口(高4位,PC4PC7),B组包括B口及C口(低4位,PC0PC3).A组可设置为基本的I/O口,闪控(STROBE)的I/O闪控式,双向I/O3种模式;B组只能设置为基本I/O或闪控式I/O两种模式,而这些操作模式完全由控制寄存器的控制字决定。2.3.3 引脚功能RESET:复位输入线，当该输入端处于高电平时，所有内部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成输入方式。CS:芯片选择信号线，当这个输入引脚为低电平时,即/CS=0时,表示芯片被选中，允许8255与CPU进行通讯;/CS=1时,8255无法与CPU做数据传输. RD:读信号线，当这个输入引脚为低跳变沿时,即/RD产生一个低脉冲且/CS=0时,允许8255通过数据总线向CPU发送数据或状态信息，即CPU从8255读取信息或数据。WR:写入信号，当这个输入引脚为低跳变沿时,即/WR产生一个低脉冲且/CS=0时,允许CPU将数据或控制字写入8255。D0D7:三态双向数据总线，8255与CPU数据传送的通道，当CPU 执行输入输出指令时，通过它实现8位数据的读/写操作，控制字和状态信息也通过数据总线传送。8255具有3个相互独立的输入/输出通道端口，用+5V单电源供电，能在以下三种方式下工作：方式0基本输入输出方式；方式1选通输入/出方式；方式2双向选通输入/输出方式。 PA0PA7:端口A输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器， 一个8位的数据输入锁存器。 工作于三种方式中的任何一种；PB0PB7:端口B输入输出线，一个8位的I/O锁存器， 一个8位的输入输出缓冲器。 不能工作于方式二； PC0PC7:端口C输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器， 一个8位的数据输入缓冲器。端口C可以通过工作方式设定而分成2个4位的端口，每个4位的端口包含一个4位的锁存器，分别与端口A和端口B配合使用，可作为控制信号输出或状态信号输入端口，不能工作于方式一或二。A1,A0:地址选择线,用来选择8255的PA口,PB口,PC口和控制寄存器。当A1=0,A0=0时,PA口被选择；当A1=0,A0=1时,PB口被选择；当A1=1,A0=0时,PC口被选择； 2. 4 交通灯简介 交通灯是指由红、黄、绿三种颜色灯组成用来指挥交通的信号灯，最早出现在19世纪初在英国中部的约克城的一个典故中，当时交通灯只有两种颜色红绿，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。 9世纪初，在英国中部的约克城，红、绿装分别代表女性的不同身份。其中，着红装的女人表示我已结婚，而着绿装的女人则是未婚者。后来，英国伦敦议会大前经常发生马车轧人的事故，于是人们受到红绿装启发，1868年12月10日，信号灯家族的第一个成员就在伦敦议会大厦的广场上诞生了，由当时英国机械师德哈设计、制造的灯柱高7米，身上挂着一盏红、绿两色的提灯-煤气交通信号灯，这是城市街道的第一盏信号灯。在灯的脚下，一名手持长杆的警察随心所欲地牵动皮带转换提灯的颜色。后来在信号灯的中心装上煤气灯罩，它的前面有两块红、绿玻璃交替遮挡。不幸的是只面世23天的煤气灯突然爆炸自灭，使一位正在值勤的警察也因此断送了性命。 从此，城市的交通信号灯被取缔了。直到1914年，在美国的克利夫兰市才率恢复了红绿灯，不过，这时已是“电气信号灯”。稍后又在纽约和芝加哥等城市，相继重新出现了交通信号灯。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。 黄色信号灯的发明者是我国的胡汝鼎，他怀着“科学救国”的抱负到美国深造，在大发明家爱迪生为董事长的美国通用电器公司任职员。一天，他站在繁华的十字路口等待绿灯信号，当他看到红灯而正要过去时，一辆转弯的汽车呼地一声擦身而过，吓了他一身冷汗。回到宿舍，他反复琢磨，终于想到在红、绿灯中间再加上一个黄色信号灯，提醒人们注意危险。他的建议立即得到有关方面的肯定。于是红、黄、绿三色信号灯即以一个完整的指挥信号家族，遍及全世界陆、海、空交通领域了。当今,红绿灯安装在各个道口上,已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段。绿灯是通行信号,面对绿灯的车辆可以直行,左转弯和右转弯,除非另一种标志禁止某一种转向。左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行先通行。红灯是禁行信号,面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车。黄灯是警告信号,面对黄灯的车辆不能越过停车线,但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。图2-3 交通灯模拟控制第三章 智能交通灯控制系统要求3.1 单片机交通控制系统通行方案设计 设在十字路口，分为东西向和南北向，在任一时刻只有一个方向通行，另一方向禁行，持续一定时间，经过短暂的过渡时间，将通行禁行方向对换。其具体状态如下图所示。说明：黑色表示亮，白色表示灭。交通状态从状态1开始变换，直至状态6然后循环至状1，周而复始，即如图（图3-1）所示：直至状态6然后循环至状态1，通过具体的路口交通灯状态的演示分析我们可以把这四个状态归纳如下：图3-1交通状态 东西方向红灯灭，同时绿灯亮，南北方向黄灯灭，同时红灯亮，倒计时20秒。此状态下，东西向禁止通行，南北向允许通行。 东西方向绿灯灭，同时黄灯亮，南北方向红灯亮，倒计时2秒。此状态下，除了已经正在通行中的其他所以车辆都需等待状态转换。 南北方向红灯灭，同时绿灯亮，东西方向黄灯灭，同时红灯亮，倒计时20秒。此状态下，东西向允许通行，南北向禁止通行。 南北方向绿灯灭，同时黄灯亮，东西方向红灯亮，倒计时2秒。此状态下，除了已经正在通行中的其他所以车辆都需等待状态转换。下面我们可以用图表表示灯状态和行止状态的关系如下：状态1状态3状态4状态6东西向禁行等待变换通行等待变换南北向通行等待变换禁行等待变换东西红灯1100东西黄灯0001东西绿灯0010南北红灯0011南北绿灯1000南北黄灯0100表3-1交通状态及红绿灯状态 东西南北四个路口均有红绿黄3灯和数码显示管2个，在任一个路口，遇红灯禁止通行，转绿灯允许通行，之后黄灯亮警告行止状态将变换。状态及红绿灯状态如表2.1所示。说明：0表示灭，1表示亮。3.2 总控制要求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。每次绿灯变红灯时，要求黄灯先亮5S，才能变换运行车辆。图3-2 模拟交通运行 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）。同步设置人行横道红、绿灯指示。考虑到特殊车辆情况，设置紧急转换开关。3.3 车检测电路(设东西道比南北道的车流量大) 用来判断各方向车辆状况。比如：60秒内可以通过的车辆为50辆，当60秒内南往北方向车辆通过车辆达不到50辆时，判断该方向为少车，当60秒内北往南方向车辆通过车辆也达不到50辆时，判断该方向也少车，下一次通 行仍为60秒，当60秒时间内南往北或北往南任意一个方向通过的车辆达50辆时证明该状态车辆较多，下一次该方向绿灯放行时间改为80秒，当80秒内通过的车辆数达100辆时车辆判断为拥挤，下一次绿灯放行时间仍改为80秒，当80秒车辆上通过车辆达不到100辆时，判断为少车，下次绿灯放行时间改为60秒，依此类推。绿灯下限时间为60秒，上限值为80秒，初始时间为60秒。这样检测，某次可能不准确，但下次肯定能弥补回来，累积计算是很准确的，这就是人们常说的“模糊控制”。因为路上的车不可能突然增多，塞车都有一个累积过程。这样控制可以把不断增多的车辆一步一步消化，虽然最后由于每个路口的绿灯放行时间延长而使等候的时间变长，但比塞车等候的时间短得多。 为了达到对红绿灯的时间控制，需要对道路上的车流量进行检测。当前比较流行的车流量检测器件，是一种自感式的车辆传感器。其工作原理是当车辆经过传感器时，引起其自感的变化，考虑到单片机系统的便利性，本次设计用一种手动的操作方式，即车流量的检测电路用拨断开关代替。其基本思路为：当车流量大时，有拨断开关送出一个高电平。另外，再单片机和坡度按开关之间加了光电隔离。下面叫简绍光电隔离，以TLP550为例。图3-3 车流量检测电路TLP550是日本东芝公司生产的一款光耦，该光耦没有和基极连接，适合与再噪声比较大的环境中应用。TLP550的工作原理如下：当2.3叫的电压为正，且能时发光二极管正常发光时，控制的发光二极管发光，使得输出端的光敏二极管导通。这样输出端的基极相当于与8引脚连接，其电平为高，使得三极管导通，及5.6两个引脚导通。由于5引脚接地，这样输出端6叫就为低电平。再实际使用中，6.8引脚通常会连接一个电阻。这样当2.3引脚的电压不足使发光二级光发光时，输出端三极管就不到同，就相当于输出端6引脚通过一个电阻接到了8脚上。相对于后面的连接电路来书，其为高电平。这样就可以通过控制2.3引脚之间的电压，来控制输出6引脚的电平，达到电压耦合的隔离的作用。车流量检测电路如上图（图3-3）所示。3.4 信号灯电路信号灯用来显示车辆通行状况。下面以一个十字路口为例，说明一个交通灯的四种状态见图3-4。每个路口的信号的的转换顺序为：绿黄红。绿灯表示允许通行，黄灯表示禁止通行，但已经驶过安全线的车辆可以继续通行，是绿灯过渡到红灯提示灯。红灯表示禁止通行。绿灯的最短时间为60秒，最长时间为80秒，红灯最短时间为65秒，最长时间为85秒，黄灯时间为5秒（在通行时间方面控制设置为60s5s85s80s5s65s60s)为一个循环，根据车流量合理分配了通行时间）。红 黄绿红黄绿红 黄绿红黄绿红黄绿绿黄红绿黄红绿黄红红 黄绿绿黄红绿黄红红黄绿绿黄红 红 黄绿绿黄红红黄绿图3-4 交通信号灯运行状态3.5 时间显示电路图3-5数码管连接电路在交通信号灯的正上方安装一个可以显示绿灯通行时间，红灯等待时间的显示电路，采用数码管显示电路是一种很好的方法。由于东往西方向和西往东方向显示的时间相同，南往北方向和北往南方向显示的时间也相同，所以只需要考虑四位数码管显示电路，其中东西方向两位，南北方向两位，两位数码管可以时间的时间为099秒，完全可以满足系统的要求，数码管连接电路。3.6 紧急转换开关电路一般情况下交通灯按照车流量大小合理分配通行时间，按一定规律变化，但考虑紧急车通行车况，设计紧急通行开关，下面简述单片机的中断原理：（1） Mcs51的中断源中断源的服务程序入口地址中断源入口地址外中断00003H定时/计数器0000BH外中断10013H定时/计数器0001BH串行口中断0023H8051有5个中断源，它们是两个外中断INT0（P3.2）和INT1（P3.3）、两个片内定时/计数器溢出中断TF0和TF1以及一个片内串行口中断TI或RI，这几个中断源由TCON和SCON两个特殊功能寄存器进行控制，其中5个中断源的程序入口地址如表所示： 表3.2 8051单片机中断源（2） 交通灯中的中断处理流程CPU响应中断请求后，就立即转入执行中断服务程序。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，但它们的处理流程一般都如下所述： 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：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：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-51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。第四章 智能交通灯的仿真4.1 Proteus软件介绍Proteus软件是英国Labcenter electronics公司开发的电路分析与实物仿真的软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析（SPICE）各种模拟器件和集成电路，软件的特点是：（1）实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、IIC调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能：各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器灯。（2）支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：6800系列、8051系列、AVR系列、PIC14系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。（3）提供软件调试功能。硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 uVison4等软件。（4）具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能非常强大。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4.2 仿真过程PROTEUS嵌入式系统仿真软件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 ,Wave6000等编译模拟软件结合使用。由于Wave6000使用方便，具备强大的软件仿真和硬件仿真功能。把Proteus和Wave6000结合起来调试硬件就方便多了，这里笔者就是采用“Proteus+Wave6000”的仿真方法，具体步骤如下：（1）首先运行PROTEUS VSM 的ISIS，选择SourceDefine Code Generation Tool 菜单项，将出现如图4-1所示定义代码生成工具对话框。图4-1 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8051系列单片机，因此选择ASEM51, 单击Browse按钮，选取Wave6000的安装路径。单击OK按钮，结束代码生成工具的定义。选择SourceAdd/Remove Source File 菜单项，将出现Add/Remove Source Code Files对话框，如图4-2所示：图4-2 添加/删除源文件对话框在Code Generation Tool 选项区，单击下三角按钮，选择ASEM51工具。 （2）单击New按钮，将出现如图4-3所示对话框。图4-3 创建源代码对话框选择用Wave6000创建好的AA.ASM文件，即完成了文件的创建。就这样当用Wave6000对AA.ASM 文件进行更改时每一次运行PROTEUS VSM 的ISIS对电路进行仿真时Wave6000都会对AA.ASM进行编译，AA.HEX文件也会随时更新。电路图绘制完成后, 再添加AT89C51 的应用程序。将鼠标移至AT89C51 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4-4所示的对话框。图4-4 AT89C51添加程序文件在 Program File 栏添加编译好的十六进制格式的程序文件AA.hex(可以接受3种格式的文件) ,给AT89C51输入晶振频率，此处默认为12MHZ， 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。PROTEUS VSM 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4-5。在这个例子里, 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。由于篇幅所限, 以上仅举一例简单介绍了PROTEUS VSM 的使用, 但其强大的系统仿真功能已经得到体现, 用在单片机系统设计的教学方面, 能起到良好的教学效果。图4-5 交通灯仿真界面单片机39接口是P0.0，连接D1和D7；38接口对应的是P0.1，连接D2和D8；37接口对应的是P0.2，连接D3和D9；36接口是P0.3，连接D4和D10；35接口是P0.4，连接D5和D11；34接口是P0.5，连接D6和D12。连接好电路接口连线，点击开始即可调试电路，得出运行结果总结本系统就是充分利用了8051和8255 芯片的I/O引脚。系统采用MCS-51系 列 单 片机8051和可 编 程 并 行I/O接 口8255A芯 片 为中心器件来设计交通灯控制器 ，实现了能根据实际车流量通过8031芯片的P1口设置红、绿灯燃亮时间的功能；红绿灯循环点亮 ，倒计时剩5秒时黄灯闪烁警示（交通灯信号通过PA 口输出，显示时间直接通过8255 的PC 口输出至双位数码管）；车辆闯红灯报警，绿灯时间可检测车流量并可通过双位数码管显示。系统不足之处不能控制车的左、右转等。这是由于本身地理位子以及车流量情况所定，如果有需要可以设计扩充原系统来实现。此次课程设计完成了具有中断紧急通车，数码管倒计时显示，车辆通行功能的交通智能控制系统。而且在理论基础上，又进行了软件汇编程序设计和实物焊接制作。实物与计算机连接，USB接口提供直流电，利用软件将程序下载到单片机中。通过观察实物的运行状态，修改软件程序，不断调试，从而完善了实物的交通的系统设计。设计中实物所呈现的交通灯状态清晰明了，倒计时显示醒目易懂，紧急刹车模式对于现实中的最大事故处理有一定的保护意义。 交通灯控制在交通运输领域有着非常重要的作用。本系统采用以单片机为中心控制器，实现了传统的红绿灯显示和倒读秒功能，并能根据车流量的变化自动调整红绿灯时间。首先通过信息采集，主要是对路口各方向的车流量进行采集。本设计采用比例的方法利用红外线传感器只计算出需比较两个相对通行路口车流量的比值即可。该系统可完成红绿灯传统的控制功能，红绿黄灯按一定的规律依次循环显示，并采用LED显示器，以动态扫描的方式完成倒计时功能。在此基础上，通过传感器对车流量的情况进行数据采集。将采集的数据以脉冲信号的方式传送还给控制中心，进行分析比较。根据比较的结果，将具体的车流量转换成两车流量大小的比值。根据比值与红绿灯时长的关系输出时长控制信号，使交通信号灯可根据车流量改变，提高了交叉口的通行效率。本论文以现有智能交通灯理论为基础，突破传统思路，使问题简化。将难点不再放在具体的车辆数的获得，以及车辆数与红绿灯时间的数学模型的建立。通过传感器取得两路口车辆数的比值。因红绿灯以秒为单位，这在控制中是精度很低的，将比值和秒数对应化数学模型很容易建立，便于实现，使智能交通信号灯从理论进入实践成为一种可能。并且系统的结构简单，成本较低。经进一步研究和完善，有望推向实际应用。参考文献1 曹克澄.单片机原理及应用.机械工业出版社,2009年.2 眭 玲.电子技术基础(模拟篇).安徽科学技术出版社,2008年.3 杨林国.电子技术基础(数字篇).安徽科学技术出版社,2008年.4 雷丽文.微机原理与接口技术M.电子工业出版社,1997年.5 张志良.单片机原理与控制技术.北京机械工业出版社,2001年.6 何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计.北京航空航天大学出版社,1993年.7 谢瑞和.串行技术大全.清华大学出版社,2003年.8 苏平.单片机原理与接口技术.北京电子工业出版社,2003年.9 戴佳.51单片机应用系统开发典型实例.中国电力出版社,2002年 10 孙玉芳.基于单片机的智能交通灯控制系统的研究.哈尔滨工程大学，2009年指导教师评语24