3381 十字路口交通燈單片機控制系統(tǒng)設計與仿真

3381 十字路口交通燈單片機控制系統(tǒng)設計與仿真,十字路口,交通燈,單片機,控制系統(tǒng),設計,仿真 1十字路口交通燈單片機控制系統(tǒng)設計與仿真 第 1 章 緒 論 ................................................................................................................................................31.1 引言 ...................................................................................................................................................31.2 選題背景及研究的目的與意義 ......................................................................................................31.2.1 選題背景 ..............................................................................................................................31.2.2 研究的目的與意義 ..............................................................................................................51.3 研究內(nèi)容 ..........................................................................................................................................61.4 單片機交通燈的國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及存在問題 ..........................................................................6第 2 章 單片機控制的交通燈總體設計方案 ................................................................................................92.1 計算機控制系統(tǒng)的基本形式 ..........................................................................................................92.2 本設計的單片機的基本情況 ........................................................................................................102.3 系統(tǒng)總體方案 ................................................................................................................................102.4 本章小結 ........................................................................................................................................11第 3 章 系統(tǒng)硬件設計 ..................................................................................................................................123.1 本系統(tǒng)的硬件設計概述 ................................................................................................................123.2 單片機的選擇及分析 ....................................................................................................................123.2.1 單片機的定義和特點 ........................................................................................................133.2.2 單片機的發(fā)展概況 ............................................................................................................133.2.3 本系統(tǒng)單片機的選擇 .........................................................................................................143.3 系統(tǒng)硬件總電路構成及原理 ........................................................................................................173.3.1 系統(tǒng)硬件電路構成 .............................................................................................................183.3.2 系統(tǒng)工作原理 .....................................................................................................................183.4 其他硬件介紹及連接 ....................................................................................................................193.4.1 其他硬件介紹 .....................................................................................................................193.5 本章小結 ........................................................................................................................................22第 4 章 系統(tǒng)軟件設計 ..................................................................................................................................234.1 系統(tǒng)功能要求 ................................................................................................................................234.1.1 定時器原理 ........................................................................................................................244.1.2 程序流程圖 .........................................................................................................................244.1.3 軟件延時原理 ....................................................................................................................254.1.4 中斷原理 ............................................................................................................................254.2 模擬仿真 .........................................................................................................................................254.2.1 仿真軟件介紹 ....................................................................................................................254.2.2 仿真過程 .............................................................................................................................284.3 本章小結 .........................................................................................................................................35結 論 ............................................................................................................................................................36參考文獻 ........................................................................................................................................................37致 謝 ............................................................................................................................................................38附錄:源程序 ...................................................................................................................................................392第 1 章 緒 論1.1 引言隨著社會的發(fā)展和進步，路上的車輛越來越多，而道路建設往往跟不上城市發(fā)展的速度，因此城市交通問題日益突出，經(jīng)常在十字路口等交通繁忙的地方發(fā)生堵塞情況，出現(xiàn)交通混亂。為了解決車和路的矛盾，常用的有兩種方法：一是控制需求，最直接的辦法就是限制車輛的增加；二是增加供給，也就是修路。但是這兩個辦法都有其局限性。我國汽車工業(yè)正處在起步階段，限制車輛的增加不是解決問題的好方法。而采取增加供給，即大量修路，在資源、環(huán)境矛盾越來越突出的今天，有限的源和財力以及環(huán)境的壓力，也將受到限制。由于我國經(jīng)濟的快速發(fā)展從而導致了汽車數(shù)量的猛增，大中型城市的城市交通，正面臨著嚴峻的考驗，從而導致交通問題日益嚴重，其主要表現(xiàn)如下：交通事故頻發(fā)，對人類生命安全造成極大威脅；交通擁堵嚴重，導致出行時間增加，能源消耗加大；空氣污染和噪聲污染程度日益加深等。日常的交通堵塞成為人們司空見慣而又不得不忍受的問題，在這種背景下，結合我國城市道路交通的實際情況，開發(fā)出真正適合我們自身特點的智能信號燈控制系統(tǒng)已經(jīng)成為當前的主要任務。隨著電子技術的發(fā)展，利用單片機技術對交通燈進行智能化管理，已成為目前廣泛采用的方法。這就需要依靠除限制需求和提供道路設施之外的其他方法來滿足日益增長的交通需求。交通系統(tǒng)正是解決這一矛盾的途徑之一。1.2 選題背景及研究的目的與意義1.2.1 選題背景近年來隨著科技的飛速發(fā)展，單片機的應用正在不斷地走向深入，同時也帶動著傳統(tǒng)控制的日新月異更新。在自動控制的單片機應用系統(tǒng)中，單片機往往是作為一個核心部件來使用，僅單片機方面知識是不夠的，還應根據(jù)具體硬件結構，以及針對具體應用對象特點的軟件結合，加以完善。3十字路口車輛穿梭，行人熙攘，車行車道，人行人道，有條不紊。那么靠什么來實現(xiàn)這井然秩序呢？靠的是交通信號燈的自動指揮系統(tǒng)。交通信號燈控制方式很多。本系統(tǒng)采用 MSC-51 系列單片機 AT89C51 為中心器件來設計交通燈控制器，實現(xiàn)了通過單片機芯片的 P0 口設置紅、綠燈燃亮時間的功能；顯示時間直接通過單片機的 P1口輸出，系統(tǒng)實用性強、操作簡單、擴展性強。隨著電子技術的發(fā)展，電子設計的方式也不斷增多，proteus 嵌入式虛擬開發(fā)系統(tǒng)與仿真平臺是一款可以實現(xiàn)數(shù)字電路，模擬電路，微控制系統(tǒng)仿真以及 pcb 設計等功能的 eda 軟件。電路的軟，硬的設計與調試都是在計算機模擬的環(huán)境下進行的?；谶@一設計思想開發(fā)的 proteus 軟件，可以在原理設計圖設計階段對設計的電路進行驗證，并可以通過改變原件參數(shù)使整個電路優(yōu)化。當今，紅綠燈安裝在各個道口上，已經(jīng)成為疏導交通車輛最常見和最有效的手段。但這一技術在 19 世紀就已出現(xiàn)了。1858 年，在英國倫敦主要街頭安裝了以燃煤氣為光源的紅，藍兩色的機械扳手式信號燈，用以指揮馬車通行。這是世界上最早的交通信號燈。1868 年，英國機械工程師納伊特在倫敦威斯敏斯特區(qū)的議會大廈前的廣場上，安裝了世界上最早的煤氣紅綠燈。它由紅綠兩以旋轉式方形玻璃提燈組成，紅色表示“停止” ，綠色表示“注意”。1869年 1 月 2 日，煤氣燈爆炸，使警察受傷，遂被取消。電氣啟動的紅綠燈出現(xiàn)在美國，這種紅綠燈由紅綠黃三色圓形的投光器組成，1914 年始安裝于紐約市 5 號大街的一座高塔上。紅燈亮表示“停止” ，綠燈亮表示“通行”。1918 年，又出現(xiàn)了帶控制的紅綠燈和紅外線紅綠燈。帶控制的紅綠燈，一種是把壓力探測器安在地下，車輛一接近紅燈便變?yōu)榫G燈；另一種是用擴音器來啟動紅綠燈，司機遇紅燈時按一下嗽叭，就使紅燈變?yōu)榫G燈。紅外線紅綠燈當行人踏上對壓力敏感的路面時，它就能察覺到有人要過馬路。紅外光束能把信號燈的紅燈延長一段時間，推遲汽車放行，以免發(fā)生交通事故。信號燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制，對于疏導交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。1968 年，聯(lián)合國《道路交通和道路標志信號協(xié)定》對各種信號燈的含義作了規(guī)定。綠燈是通行信號，面對綠燈的車輛可以直行，左轉彎和右轉彎，除非另一種標志禁止某一種轉向。左右轉彎車輛都必須讓合法地正在路口內(nèi)行駛的車輛和過人行橫道的行人優(yōu)先通行。紅燈是禁行信號，面對紅燈的車輛必須在交叉路口的停車線后停車。黃燈是警告信號，面對黃燈的車輛不能越過停車線，但車輛已十分接近停車線而不能安4全停車時可以進入交叉路口。1.2.2 研究的目的與意義研究目的：交通是城市經(jīng)濟活動的命脈，對城市經(jīng)濟發(fā)展、人民生活水平的提高起著十分重要的作用。汽車現(xiàn)已成為人們?nèi)粘Ｉ畋夭豢缮俚慕煌üぞ?。汽車給人們帶來便利的同時，也帶來了一系列令人困惑的問題，如環(huán)境污染、交通擁擠、交通事故頻繁發(fā)生、給人們的生命財產(chǎn)帶來了很大的損失。城市交通問題困擾城市的發(fā)展、制約城市經(jīng)濟建設的重要因素、人們對于交通有效控制的意識越來越強烈。城市交通信號控制是通過對交通的調節(jié)、警告和誘導以達到改善人和貨物的運輸安全，提高運輸效率。其目標在于改善交通的流量，更好地利用現(xiàn)有運輸能力，提高交通流的安全性、快捷性和舒適性。交叉口時組成城市道路網(wǎng)的基本單元，城市交通控制分為單交叉口控制和多交叉口協(xié)調控制，并非前者比后者控制效果好，他們各自有自己的適用范圍。單交叉口負擔著線控、面控制方案的落實。我國城市建設資金短缺，而協(xié)調控制一般投資較大，這就限制了其使用。所以我國目前各城市的絕大多數(shù)交叉口都在使用單交叉口控制方式。如何賦予單路口控制方式一些新的策略，使之對于大量交叉口進行行之有效的控制，最大限度的提高其通行能力及安全對于我國目前城市交通有著非常現(xiàn)實的意義，也可為協(xié)調控制的研究提供幫助。研究意義：在十字路口設置交通燈可以對交通進行有效的疏通,并為交通參與者的安全提供了強有力的保障。但是隨著社會、經(jīng)濟的快速發(fā)展,原先的交通燈控制系統(tǒng)已經(jīng)不能適應現(xiàn)在日益繁忙的交通狀況。如何改善交通燈控制系統(tǒng),使其適應現(xiàn)在的交通狀況,成為研究的課題。傳統(tǒng)的十字路口交通控制燈,通常的做法是:事先經(jīng)過車輛流量的調查 ,運用統(tǒng)計的方法將兩個方向紅綠燈的延時預先設置好。然而,實際上車輛流量的變化往往是不確定的,有的路口在不同的時段甚至可能產(chǎn)生很大的差異。即使是經(jīng)過長期運行、較適用的方案,仍然會發(fā)生這樣的現(xiàn)象:綠燈方向幾乎沒有什么車輛,而紅燈方向卻排著長隊等候通過。這種流量變化的偶然性是無法建立準確模型的,統(tǒng)計的方法已不能適應迅猛發(fā)展的交通現(xiàn)狀。更為現(xiàn)實的需要是能有一種能夠根據(jù)流量變化情況自適應控制的交通燈?！　? 大部分城市中十字路口交通燈的控制普遍采用固定轉換時間間隔的控制法。由于十字路口不同時刻車輛的流量是復雜的、隨機的和不確定的,采用固定時間的控制方法,經(jīng)常造成道路有效利用時間的浪費,出現(xiàn)空等現(xiàn)象,影響了道路的暢通,還行成擁堵現(xiàn)象。5采用不依賴數(shù)學模型的模糊控制方法設計交通燈控制器,能較好地解決這個問題。為保證交通控制的可靠、穩(wěn)定,選擇了能夠在惡劣的電磁干擾環(huán)境下正常工作的單片機是必要的。8051 單片機交通燈控制系統(tǒng)集成自動控制技術、計量技術、新傳感器技術、計算機管理技術于一體的機電一體化產(chǎn)品;充分利用計算機技術對生產(chǎn)過程進行集中監(jiān)視、控制管理和分散控制;充分吸收了分散式控制系統(tǒng)和集中控制系統(tǒng)的優(yōu)點 ,采用標準化、模塊化、系統(tǒng)化設計,配置靈活、組態(tài)方便。1.3 研究內(nèi)容本設計需研究的內(nèi)容為：單片機交通燈機系統(tǒng)的發(fā)展狀況；單片機交通燈機控制系統(tǒng)的結構及組成，即選擇系統(tǒng)設計的基本方案與硬件及軟件等方面的設計。在硬件方面，需研究整體硬件框圖以及各種器件的選型及連接方法；在軟件方面，要明確主程序及各個主要部分的流程以及相應的程序控制清單。1.4 單片機交通燈的國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及存在問題當今，紅綠燈安裝在各個道口上，已經(jīng)成為疏導交通車輛最常見和最有效的手段。但這一技術在 19 世紀就已出現(xiàn)了。信號燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制，對于疏導交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。1968年，聯(lián)合國《道路交通和道路標志信號協(xié)定》對各種信號燈的含義作了規(guī)定。綠燈是通行信號，面對綠燈的車輛可以直行，左轉彎和右轉彎，除非另一種標志禁止某一種轉向。左右轉彎車輛都必須讓合法地正在路口內(nèi)行駛的車輛和過人行橫道的行人優(yōu)先通行。紅燈是禁行信號，面對紅燈的車輛必須在交叉路口的停車線后停車。黃燈是警告信號，面對黃燈的車輛不能越過停車線，但車輛已十分接近停車線而不能安全停車時可以進入交叉路口。在國內(nèi)，受客觀條件的制約，ITS起步比較晚，在20世紀90年代初，我國的相關學者開始意識到研究和開發(fā)ITS的重要性。到90年代中期，由于受到國外ITS研發(fā)的影響，政府部門也開始重視對ITS的研究，隨后，又得到中央部門和部分地方政府的支持。1999年，我國成立了全國智能交通系統(tǒng)(ITS)協(xié)調指導小組及辦公室，同年，又成立了全國智能交通運輸系統(tǒng)(ITS)專家咨詢委員會，其中，同濟大學、清華大學、北方交通大學、北京航空航天大學、吉林工業(yè)大學、東南大學等高校的有關專家為咨詢委員，并啟動了國家“ 九五”科技攻關課題和國家“十五” 科技攻關課題。目前在對一些大中6型城市引入的國外ITS進行研究的基礎上已經(jīng)逐漸開始摸索開發(fā)設計適合自己國情的ITS系統(tǒng)。電氣啟動的紅綠燈出現(xiàn)在美國，這種紅綠燈由紅綠黃三色圓形的投光器組成，1914 年始安裝于紐約市 5 號大街的一座高塔上。紅燈亮表示“停止” ，綠燈亮表示“通行”。1918 年，又出現(xiàn)了帶控制的紅綠燈和紅外線紅綠燈。帶控制的紅綠燈，一種是把壓力探測器安在地下，車輛一接近紅燈便變?yōu)榫G燈；另一種是用擴音器來啟動紅綠燈，司機遇紅燈時按一下嗽叭，就使紅燈變?yōu)榫G燈。紅外線紅綠燈當行人踏上對壓力敏感的路面時，它就能察覺到有人要過馬路。紅外光束能把信號燈的紅燈延長一段時間，推遲汽車放行，以免發(fā)生交通事故。從1868年英國倫敦首次使用燃汽色燈信號以來，城市交通信號機由手動到自動，交通信號由固定周期到可變周期，系統(tǒng)控制方式由點控到面控，從無車輛檢測器到有車輛檢測器，經(jīng)歷了近百年的歷史。到1963年加拿大多倫多市建立了一套使用IBM650型計算的集中協(xié)調感應控制信號系統(tǒng)。之后，美國、英國、德國、日本、澳大利亞等多家相繼建成數(shù)字電子計算機區(qū)域交通控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)一般還配備交通監(jiān)視系統(tǒng)組成交通管制中心。到80年代初，全世界建有交通管制中心的城市有300多個，代表了未來交通控制的發(fā)展方向。表1.1交通信號系統(tǒng)發(fā)展狀況簡稱 時間 國別 城市 名稱 控制路口數(shù)信號周期檢測器 控制方式1868 英國 倫敦 燃氣色燈 單 無 無 無1914 美國 克利夫蘭 電力色燈 單 無 無 無1926 英國 各城市 單點定周期自動信號機單 定 無 自動點控1928 美國 各城市 感應式自動信號機單 定 氣壓式 自動線控 1917 美國 鹽湖城 手控干道協(xié)調系統(tǒng)6個 定 無 人工線控 1922 美國 休斯頓 電子計時干道協(xié)調系統(tǒng)12個 定 無 電動71928 美國 各城市 步進式定時干道協(xié)調系統(tǒng)多個（線）變 無 電動面控 1952 美國 丹佛市 模擬計算機交通信號控制系統(tǒng)多個（網(wǎng)）變 氣壓式 計算機在西方發(fā)達國家，交通控制系統(tǒng)基本上完成了由傳統(tǒng)的交通控制系統(tǒng)向智能交通控制系統(tǒng)ITS的轉變，而在我國，智能交通系統(tǒng)則剛剛處于起步階段。對于傳統(tǒng)的交通控制系統(tǒng)而言，對紅綠燈一般采用定時控制，無法對實際的交通流進行識別優(yōu)化，以至于不能適應交通量的不確定性和隨機性的原因，往往造成交通資源的浪費和道路的梗阻。而智能交通控制系統(tǒng)則在不產(chǎn)生大的硬件改動的情況下有效的提高效率。智能交通系統(tǒng)強調的是系統(tǒng)性、信息交流的交互性以及服務的廣泛性，其核心技術是電子技術、信息技術、通信技術、交通工程和系統(tǒng)工程。智能交通系統(tǒng)ITS是在較完善的道路設施基礎上，將先進的電子技術、信息技術、傳感器技術和系統(tǒng)工程技術集成運用于地面交通管理所建立的一種實時、準確、高效、大范圍、全方位發(fā)揮作用的交通運輸管理系統(tǒng)。8第 2 章 單片機控制的交通燈總體設計方案2.1 計算機控制系統(tǒng)的基本形式計算機控制系統(tǒng)的種類繁多，但歸納起來，目前實現(xiàn)計算機控制的方式基本上屬于下面五種形式：1、成套的計算機控制系統(tǒng)產(chǎn)品:目前世界上已出現(xiàn)了許多與硬件產(chǎn)品配套的，具有不同特點、適用于不同控制對象的軟件產(chǎn)品，像HONEYWELL、WDPF等DCS(集散系統(tǒng))系統(tǒng)。2、以實時操作系統(tǒng)為基礎，由控制系統(tǒng)設計人員設計在操作系統(tǒng)上運行的實時應用軟件:目前通用有一大批IRMXRTOX，PSOS的實時操作系統(tǒng)。這類系統(tǒng)要求用戶自己編寫應用程序，設計程序的流向，而由操作系統(tǒng)對應用程序進行實時調度和占先，循環(huán)處理，因此減少了應用軟件開發(fā)的難度。但要求程序員熟悉實時多任務編程技術，而且圖形界面不太好。3、集成的實時系統(tǒng)開發(fā)軟件:9例如：Citect ，Intouch ，由軟件制造商提供，是專門為實時服務的開發(fā)環(huán)境和運行環(huán)境。系統(tǒng)本身已經(jīng)構建了實現(xiàn)不同功能的軟件包、程序模塊和控鍵。用戶只需要按照規(guī)定方式，根據(jù)實際對象要求，調用相應模塊，即可構成應用程序。4、在通用操作系統(tǒng)例了如DOS，WINDOWS 環(huán)境下:采用實時核實現(xiàn)程序的實時多任務特性。RTX， RTKERNEL，RTOS等都是應用廣泛的實時核。5、直接從系統(tǒng)的最底層采用高級語言或匯編語言編制實時應用程序:這種方法先把系統(tǒng)劃分層次，明確目標，任務，對各個任務的子過程進行結構化編程，然后還要另外編寫計時、中斷、調度等控制程序。程序設計的難度和工作量很大，但整個程序對于設計人員來說是完全透明的，適應性強。2.2 本設計的單片機的基本情況8 位AT89C51 CHMOS 工藝單片機被設計用于處理高速計算和快速輸入/ 輸出。MCS51 單片機典型的應用是高速事件控制系統(tǒng)。商業(yè)應用包括調制解調器，電動機控制系統(tǒng)，打印機，影印機，空調控制系統(tǒng)，磁盤驅動器和醫(yī)療設備。汽車工業(yè)把MCS51 單片機用于發(fā)動機控制系統(tǒng)，懸掛系統(tǒng)和反鎖制動系統(tǒng)。AT89C51 尤其很好適用于得益于它的處理速度和增強型片上外圍功能集，諸如：汽車動力控制，車輛動態(tài)懸掛，反鎖制動和穩(wěn)定性控制應用。由于這些決定性應用，市場需要一種可靠的具有低干擾潛伏響應的費用-效能控制器，服務大量時間和事件驅動的在實時應用需要的集成外圍的能力，具有在單一程序包中高出平均處理功率的中央處理器。擁有操作不可預測的設備的經(jīng)濟和法律風險是很高的。一旦進入市場，尤其任務決定性應用諸如自動駕駛儀或反鎖制動系統(tǒng)，錯誤將是財力上所禁止的。重新設計的費用可以高達500K 美元，如果產(chǎn)品族享有同樣內(nèi)核或外圍設計缺陷的話，費用會更高。另外，部件的替代品領域是極其昂貴的，因為設備要用來把模塊典型地焊接成一個總體的價值比各個部件高幾倍。為了緩和這些問題，在最壞的環(huán)境和電壓條件下對這些單片機進行無論在部件級別還是系統(tǒng)級別上的綜合測試是必需的。Intel Chandler 平臺工程組提供了各種單片機和處理器的系統(tǒng)驗證。這種系統(tǒng)的驗證處理可以被分解為三個主要部分。系統(tǒng)的類型和應用需求決定了能夠在設備上執(zhí)行的測試類型。2.3 系統(tǒng)總體方案根據(jù)實際情況及系統(tǒng)技術要求，擬采用AT89C51微控器作為控制與數(shù)據(jù)處理的核10心以構成交通燈控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用了AT89C51微控器構成最小系統(tǒng)，整個控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖2.1所示。下面是其主要組成部分的實施方案。圖2.1 系統(tǒng)框圖2.3.1 AT89C51微控器構成的最小系統(tǒng)根據(jù)本設計的技術要求來判斷是否需要對此微控器進行片外程序存儲器及數(shù)據(jù)存儲器的擴展。若需要，則對AT89C51微控器進行片外存儲器擴展，以構成控制系統(tǒng)的最基本部分。若不需要，則單片機及其時鐘電路與復位電路等構成最小系統(tǒng)。1 顯示部分顯示部分采用LED 作為模擬的交通燈，采用七段數(shù)碼管來作為倒計時顯示。顯示部分可模擬顯示交通等的顏色變化于倒計時。2 控制與執(zhí)行部分開關控制交通燈的通行方式、時間的設定、模擬高峰和違章等情況。采用LED變色、七段數(shù)碼管顯示和蜂鳴器來執(zhí)行。3 供電電源單元供電電源一般由變壓器、整流濾波及穩(wěn)壓等電路組成，分別給以上各部分提供所需要的電壓，可以提供+5V, +12V, +40V的穩(wěn)定電壓。但由于本設計電壓源是現(xiàn)成的設備，可以在市場上訂制，所以不在涉及范圍內(nèi)，不再予以講述。2.4 本章小結11本章首先介紹了計算機控制系統(tǒng)的五種基本形式，經(jīng)查閱相關資料確定了本文所需要設計的單片機的類型——AT89C51。根據(jù)實際情況與技術要求，畫出了系統(tǒng)結構框圖，并擬定了系統(tǒng)總體設計方案，包括顯示單元、控制與執(zhí)行單元、系統(tǒng)各部分所需電源等輸入與輸出通道，并對每一部分都進行了較詳細的敘述.第 3 章 系統(tǒng)硬件設計3.1 本系統(tǒng)的硬件設計概述從總體上講，本系統(tǒng)硬件電路根據(jù)技術需求為了減小制作成本，本設計選用了價格低廉的 AT89C51，性價比高，同時減少了外圍電路（如看門狗芯片、 8255A 等） ，僅用了晶體振蕩電路和復位電路。當然這樣做增加了軟件代碼量。顯示方面使用了 12 發(fā)光二級管來模擬紅黃綠三色交通燈，選用了 8 個 BCD 數(shù)碼管來進行倒計時顯示。這樣使得硬件電路界面也變得十分整潔。123.2 單片機的選擇及分析本設計選擇了性價比較高的AT89C51單片機及其構成的最下系統(tǒng)，在能滿足技術要求的前提下最大限度的降低了成本。并且該單片機的指令簡單，易學易懂，同時外圍電路也簡單，硬件設計方便io口操作簡單，無方向寄存器，資源豐富，對應一般的設計已經(jīng)足夠使用了，更重要的是價格便宜、容易購買，資料豐富容易查到，程序燒寫簡單。3.2.1 單片機的定義和特點所謂單片機就是把 CPU、寄存器、RAM/ROM、I/O 接口電路集成在一塊集成電路芯片上，構成一個完整的微型計算機。單片機的主要特點有：1、集成度高、功能強微型計算機通常由中央處理器(CPU)、存儲器(RAM, ROM)以及 I/O 接口組成，其各部分分別集成在不同的芯片上。例如，大家熟悉的 Z80 微型計算機就是由 Z80-CPU、存儲器(RAM, ROM), PIO 等芯片組成的，單片機則不同，它把 CPU, RAM, ROM, I/O 接口，以及定時器/計數(shù)器都集成在一個芯片上。目前應用得最多的是 MCS-51 系列單片機。和微型計算機進行比較，單片機不僅體積大大減小，而且功能大為增強。MCS-51系列單片機內(nèi)的定時/計數(shù)器為 16 位，而 Z80 微型計算機只有 8 位，MCS-51 系列單片機中不但有 4 個并行 I/O 接口，而且還有串行接口，且時鐘頻率可達 12MHz。2、結構合理目前單片機大多采用 Harvard 結構。這是數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器相互獨立的一種結構。而在許多微型計算機(如 Z80, Inte18085, M6800 等)中，大都采用兩類存儲器合二為一(即統(tǒng)一編址) 的方式。單片機采用上述結構主要有四點好處——存儲量大、速度快、抗干擾性、強指令豐富。3.2.2 單片機的發(fā)展概況自從 1974 年 12 月美國仙童(Fairchild )公司第一個推出 8 位單片機 FS 以來，單片機以驚人的速度發(fā)展，從 4 位機、8 位機發(fā)展到 16 位機、32 位機，集成度越來越高，功能越來越強，應用范圍越來越廣。到目前為止，單片機的發(fā)展主要可分為以下四個階段:第一階段:4 位單片機。這種單片機的特點是價格便宜，控制功能強，片內(nèi)含有多種 I/O 接口，如并行 I/O 接口、串行 I/O 接口、定沖計數(shù)器接口、中斷功能接口等。根據(jù)不同用途，還配有許多專用接口，如打印機接口、鍵盤及顯示器接口，PLA( 可編程邏輯陣列) 譯碼輸出接口，有些甚至還包括 A/D, D/A 轉換，PLL(鎖相環(huán))，聲音合成等13電路。豐富的 I/O 功能大大地增強了 4 位單片機的控制功能，從而使外部接口電路極為簡單。第二階段:低、中檔 8 位機(1974-1978 年)。這種 8 位機一般不帶有 I/O 接口，尋址范圍通常為 4KB。它是 8 位機的早期產(chǎn)品，如 Mostek 公司的 3870, Intel 公司的 8048等單片機即屬此類。第三階段:高檔 8 位機階段(1978-1982 年)。這一類單片機常有串行 I/O 接口，有多級中斷處理，定時/計數(shù)器為 16 位，片內(nèi)的 RAM 和 ROM 的容量相對增大，且尋址范圍可達 64KB，有的片內(nèi)還帶有 A/D 轉換接口。這類單片機有 Intel 公司的 MCS-51, Motorola 公司的 6801 和 Ziiog 公司的 Z8 等。由于這類單片機應用領域較廣，其結構和性能還在不斷地改進和發(fā)展。第四階段:16 位單片機和超 8 位單片機(1982 年至今 )。此階段的主要特征是，一方面不斷完善高檔 8 位機，改善其結構，以滿足不同用戶的需要；另一方面發(fā)展 16 位單片機及專用單片機。16 位單片機除了 CPU 為 16 位外，片內(nèi) RAM 和 ROM 的容量也進一步增大，片內(nèi) RAM 為 232 字節(jié)，ROM 為 8KB，片內(nèi)帶有高速輸入輸出部件，多通道 10 位 A/D 轉換部件，中斷處理為 8 級，其實時處理能力更強。近來， 32 位單片機己進入實用階段，但還未引入國內(nèi)市場。在今后單片機的發(fā)展趨勢將是:向著大容量、高性能化，小容量、低價格化和外圍電路內(nèi)裝化等幾個方面發(fā)展。3.2.3 本系統(tǒng)單片機的選擇AT89C51是美國ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含4k bytes的反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM） ，器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準MCS-51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash 存儲單元可靈活應用于各種控制領域。圖3.1為其引腳圖。1、主 要 特 性 ：·與 MCS-51 完 全 兼 容 ·4K 字 節(jié) 可 編 程 FLASH 存 儲 器 ·壽 命 ： 1000 寫 /擦 循 環(huán) ·數(shù) 據(jù) 保 留 時 間 ： 10 年 ·全 靜 態(tài) 工 作 ： 0Hz-24MHz ·三 級 程 序 存 儲 器 鎖 定 ·128×8 位 內(nèi) 部 RAM 14·32 可 編 程 I/O 線 ·兩 個 16 位 定 時 器 /計 數(shù) 器 ·5 個 中 斷 源 ·可 編 程 串 行 通 道 ·低 功 耗 的 閑 置 和 掉 電 模 式 ·片 內(nèi) 振 蕩 器 和 時 鐘 電 路2、功能性概述：AT89C51 提供以下標準功能：4k 字節(jié) Flash 閃速存儲器，128 字節(jié)內(nèi)部 RAM，32個 I/O 口線，兩個 16 位定時/計數(shù)器，一個 5 向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。3、AT89C51的內(nèi)部結構介紹單片機電路是系統(tǒng)控制的核心。單片機選用從 ATMEL 公司的低功耗、高性能的8 位 CMOS 芯片 AT89C51，其片內(nèi)帶有 4K 字節(jié)的閃速可編程及可擦除只讀存儲器（EPROM） 。引腳功能說明如下：圖 3.1 AT89C51 引腳圖·VCC：電源電壓·GND：地 ·P0 口：P0 口是一組 8 位漏極開路型雙向 I/O 口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的力式驅動 8 個 TTL 邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉換地址（低 8 位）和數(shù)據(jù)總線復用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在 Flash 編程時，P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，15要求外接上拉電阻?！l 口： P1 口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1 的輸出緩沖級叫可驅動（吸收或輸出電流）4 個 TTL 邏輯門電路。對端口寫 “1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（I IL） 。Flash 編程和程序校驗期間，P1 接收低 8 位地址?！2 口：P2 口是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4 個 TTL 邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（I IL） 。在訪問外部序程存儲器或 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行 MOVX@DPTR指令）時，P2 口送出高 8 位地址數(shù)據(jù)。在訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行MOVX @RI 指令）時，P2 口線上的內(nèi)容（也即特殊功能寄存器區(qū)中 R2 寄存器的內(nèi)容），在整個訪問期間不改變。Flash 編程或校驗時，P2 亦接收高位地址和其它控制信號。·P3 口：P3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。P3 口輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4 個 TTL 邏輯門電路。對 P3 口寫入“1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時，被外部拉低的 P3 口將用上拉電阻輸出電流（I IL） 。P3 口除了作為一般的 I/0 口線外，更重要的用途是它的第二功能，如下表 3.1 所示。P3 口還接收一些用于 Flash 閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號?！ST：復位輸入。當振蕩器工作時，RST 引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復位?！LE：當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE 仍以時鐘振蕩頻率的 1/6輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個 ALE 脈沖。表 3.1 P3 口第二功能端口引腳 第二功能P3.0 RXD（串行輸入口）P3.1 TXD（串行輸出口）P3.2 （外中斷 0）INT0P3.3 （外中斷 1）116P3.4 T0（定時/計數(shù)器 0）P3.5 T1（定時/計數(shù)器 1）P3.6 （外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）WRP3.7 （外部數(shù)據(jù)存儲去讀選通）D對 Flash 存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（CS） 。PSEN：程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89C51 由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次 PSEN 有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，這兩次有效的 PSEN 信號不出現(xiàn)。EA/VPP：外部訪問允許。欲使 CPU 僅訪問外部程序存儲器（地址為 0000H-FFFFH） ，EA 端必須保持低電平（接地） 。需注意的是：如果加密位 LB1 被編程，復位時內(nèi)部會鎖存 EA 端狀態(tài)。如 EA 端為高電平（接 VCC 端） ，CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。Flash 存儲器編程時，該引腳加上+12V 的編程允許電源 Vpp,當然這必須是該器件是使用 12V 編程電壓 Vpp。XTAL1：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。時鐘振蕩器： XTAL2XTAL1GND圖 3.2 外部振蕩電路AT89C51 中有一個用于構成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳 XTAL1 和XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構成自激振蕩器，振蕩電路參見圖 3.2。外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容 C1、C2 接在放大器的反饋回路中構成并聯(lián)振蕩電路。對外接電容 C1、C2 雖然沒有十分嚴格的要求，但電容容量的大小會輕微17影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性。采用外部時鐘的電路如圖 3.2 所示，這種情況下，外部時鐘脈沖接到 XTAL1 端，即內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端，XTAL2 則懸空。3.3 系統(tǒng)硬件總電路構成及原理實現(xiàn)本設計要求的具體功能，可以選用 AT89S51 單片機及外圍器件構成最小控制系統(tǒng)，12 個發(fā)光二極管分成 4 組紅綠黃三色燈構成信號燈指示模塊，8 個 LED 東西南北各兩個構成倒計時顯示模塊，若干按鍵組成時間設置和模式選擇按鈕和緊急按鈕等，以及用 1 個蜂鳴器進行報警。3.3.1 系統(tǒng)硬件電路構成本系統(tǒng)以單片機為核心，組成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件電路由單片機，狀態(tài)燈，LED顯示，按鍵，蜂鳴器組成。其具體的硬件電路總圖如圖3.3所示。3.3.2 系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)上電或手動復位之后，初始時東西方向亮紅燈，南北方向亮綠燈。然后南北向路口綠燈亮 38s 后轉黃燈亮 2s,再轉紅燈亮 20s。相應地東西向紅綠燈工作順序為紅燈亮 40s 后轉綠燈亮 18s, 再轉黃燈亮 2s, 以此進行循環(huán)。如果發(fā)生緊急事件, 則按下按鈕, 此時東西、南北向都亮紅燈。還可以各個方向單獨通行。時鐘采用倒計時方式顯示, 即各燈亮時, 時鐘為點亮的最大時間, 以后每 1s 顯示數(shù)據(jù)減 1, 直到減為 0 以后指示燈再進行變換。高峰時，各方向通行時間縮短，南北方向 30s，東西方向 10s。所有的時間設置都可以根據(jù)車流量實際情況進行調整。可以自動檢測違章闖紅燈。總之，本設計所實現(xiàn)的功能除了典型的交通燈功能之外，只要功能還有：全部禁行、全部通行、南北方向通行、東西方向通行、高峰控制、警報提示、各方向各時段通行時間自定義、手動復位等。注：“警報提示 ”是以一個開關模擬傳感器發(fā)現(xiàn)闖紅燈時所傳輸?shù)男盘枴．旈_關按下之后，可視為傳感器發(fā)現(xiàn)了闖紅燈的車輛，于是蜂鳴器發(fā)警示音。18FILE NAME:BY: DATE:PAGE:Trafic_Light_graph.DSN201/416F:\畢 業(yè) 設 計 \biyeshji\AT89C51實 現(xiàn) 的 強 大 交 通 燈 控 制 （ 匯 編 ） \交 通 燈 圖 \Trafic_Light_graph.DSNPATH: 1of1REV:TIME:23:06:1DESIGN TILE:\畢 業(yè) 設 計 \iyesji\AT89C5實 現(xiàn) 的 強 大 交 通 燈 控 制 （ 匯 編 ） \交 通 燈 圖 \Trafic_Light_graph.DSNP0.2P0.2P0.3P0.4P0.5P0.P0.1P0. P0.1P0.3P0.4P0.5P0..1P0.2.3P0.4.5P0.6.7P0..1P0.2.3P0.4.5P2.0.1P2..3P2.4.5P2.6.7P3.2.P3.4.5P1.0.P1.2.3P1.4.5P1.6.7P1.7.6P1.5.4P1.3.2P1..0P1.7.6P1.5.4P1.3.2P1..0P1.7.6P1.5.4P1.3.2P1..0P1.7.6P1.5.4P1.3.2P1..0P2.6P2.5P2.3P2.4P2.P2.0 P2.7P3.2P3.P3.4P3.5P2.1R10R210R310R410R510R610R710R810R910R1010R110R1210234567891RP12.7K+5V 東西南北東 西 通 行南 北 通 行全 部 禁 行交 通 燈 控 制 器XTAL218XTAL119ALE301PSN29RST9P0./AD039.1/18P0.2/A237.3/D36P0.4/A435.5/54P0.6/AD63.7/72P1.01.P1.2.3P1.4.5P1.6.78 P3.0/RXD10.1/TP3.2/IN012./IT13P3.4/014P3.7/RD17.6/W6.5/T15P2.7/A1528P2.0/A821.1/9P2./A023.3/14P2.4/A225.5/136.6/47UAT89C51X1CRYSTALC12pFC22pF 全 部 通 行高 峰 控 制模 擬 違 章 設 定 時 間時 間 加 一選 擇 方 向確 定 設 時設 定 結 束+5VLS1SOUNDERC32uFC42uFR13k R14k121 2復 位圖3.3 硬件電路連接3.4 其他硬件介紹及連接3.4.1 其他硬件介紹LED（Light Emitting Diode），發(fā)光二極管，它是一種固態(tài)的半導體器件，可以直接把電轉化為光。LED 的心臟是一個半導體的晶片，晶片的一端附在一個支架上，一端是負極，另一端連接電源的正極，使整個晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導體晶片由三部分組成，一部分是 P 型半導體，在它里面空穴占主導地位，另一端是 N 型半導體，在這邊主要是電子，中間通常是 1 至 5 個周期的量子阱。當電流通過導線作用于這個晶片的時候，電子和空穴就會被推向量子阱，在量子阱內(nèi)電子跟空穴復合，然后就會以光子的形式發(fā)出能量，這就是 LED 發(fā)光的原理。而光的波長也就是光的顏色，是由形成 P-N 結的材料決定的。 LED 顯示屏作為大型顯示設備的一種，具有亮度高、價格低、壽命長、維護簡便等優(yōu)點。LED 數(shù)碼管的結構簡單，分為七段和八段兩種形式，也有共陽和共陰之分。以八段共陰管為例，它有 8 個發(fā)光二極管(比七段多一個發(fā)光二極管，用來顯示 sP，即點)，每個發(fā)光二極管的陰極連在一起。這樣，一個 LED 數(shù)碼管就有 I 根位選線和 8 根段選線，要想顯示一個數(shù)值，就要分別對它們的高低電平來加以控制。為方便起見，本文主要討論共陰八段 LED 數(shù)碼顯示管，其他類形的顯示管與其類似。191234567abcdefg8 dp9GNDabfcgde dpAMBERCC圖 3.4 LED 數(shù)碼管LED 燈的顯示原理:通過同名管腳上所加電平的高低來控制發(fā)光二極管是否點亮而顯示不同的字形，如 dp，g,f,e,d,c,b,a 全亮顯示為８。采用共陰極連接:表 3.1 驅動代碼表顯示數(shù)值 a b c d e f g dop 驅動代碼（16 進制）0 　1 1 1 1 1 1 1 1 0FCH1 0 0 0 0 0 1 1 0 60H2 1 1 0 1 1 0 1 0 0DAH3 1 1 1 1 0 0 1 0 0F2H4 0 1 1 0 0 1 1 0 66H5 1 0 1 1 0 1 1 0 0B6H6 1 0 1 1 1 1 1 0 0BEH7 1 1 1 0 0 0 0 0 0E0H8 1 1 1 1 1 1 1 0 0FEH9 1 1 1 1 0 1 1 0 0F6H相應在程序軟件上，可以通過調用程序給定的秒值經(jīng)過特定計算算出需要顯示的個位和十位，然后用 DPTR 調取 LEDMAP 的代碼。（1）發(fā)光二極管根據(jù)本設計的特點，紅綠燈的顯示不可少，紅綠燈的顯示采用普通的發(fā)光二極管。每個方向上設置紅綠黃燈，總共 4 組。如果東西紅燈亮，那南北方向就是綠燈亮，反之亦然，所以在硬件上連接圖上也是對稱分布的，如下圖 3.5 所示。在本設計中，實際控制的燈只有 6 個，即：東西紅燈，東西綠燈，東西黃燈，南北紅燈，南北綠燈，南北黃燈,其中均是低電平有效。共有 4 鐘狀態(tài)：東西紅燈亮，南北綠燈亮（11011101/DDH） ；東西紅燈亮，南北黃燈亮（10111101/BDH） ；東西綠燈亮，南北紅燈亮（ 11101101/EDH） ；東西黃燈亮，20南北紅燈亮（11100111/E7H） 。GYRYGRRGYYGR0.3K0.3K0.3K0.3K0.3K0.3K0.3K 0.3K 0.3K0.3K 0.3K 0.3Kp10p11p12p13 p1