1、安 徽 机 电 职 业 技 术 学 院毕 业 设 计 说 明 书基于单片机的自动控制交通灯系统设计系 （部） 电气工程系 专 业 机电一体化 班 级 机电 3105 班 姓 名 李坤 学 号 1302103231 指导教师 刘苏英 2012 2013 学年第 1 学期1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
2、通信号灯的自动指挥系统。交通信号灯控制方式很多。本系统采用 MSC-51 系列单片机 ATSC51 和可编程并行 I/O 接口芯片 80C51 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 8051 芯片的 P1 口设置红、绿灯燃亮时间的功能；红绿灯循环点亮，倒计时剩秒时黄灯闪烁警示。本系统实用性强、操作简单、扩展功能强。当前，交通事业蓬勃发展，交通流量年年增长，大、中、小城市的汽车、摩托车等各种车辆与日俱增，道路交通繁忙，经常有严重堵车现象，特别是在交叉口，机动车、非机动车、行人来往非常混乱，为了在叉口的各条干道实现合理的科学分流。本人根据单片机具有物美价廉、功能强、使用方便灵活
3、、可靠性高等特点，提出了一种用 MCS-51 单片机自动控制交通信号灯及时间显示的方法，同时给出了软硬件的实现方法，为交通指挥自动化提供了一种新的廉价手段，具有一定的推广意义。关键词：交通灯、自动控制、时间显示器、定时器、延时、外部中断2目录摘要 .1目录 .2第一章单片机控制交通灯的背景 .31.1 交通灯的背景 .31.2 单片机简介 .3第二章 单片机控制交通系统总体设计 .82.1 单片机交通控制系统通行方案设计 .82.2 单片机交通控制系统的功能要求 .92.3 单片机交通控制系统的基本构成及原理 .11第三章 系统硬件电路的设计 .123.1 系统硬件总电路构成及原理 .12第四
4、章 系统软件程序的设计 .174.1 程序主体设计流程 .174.2 子程序模块设计 .18参考文献 .22附录 A.233第一章 单片机控制交通灯的背景 1.1 交通灯的背景1.1.1 交通灯的历史19 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，英国伦敦议会大厦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特设计、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
5、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先恢复了红绿灯，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。1.1.2 交通灯的出现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
6、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。1.2 单片机简介1.2.1 单片机的发展历程单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。单片机微型计算机简称单片机，
7、特别适用于控制领域，故又称为微控制器。在 MCS-51 系列单片机中，有两个子系列：51 子系列和 52 子系列。每个子系列有诺干中型号。51 系列有 8051、8751 和 8031 三个型号，后来经过改进产生了80c51、87c51、80c31 三个型号；52 系列有 5021、8752、8032 三个型号，改进后4的型号是 80c52/87c52、80c32。改进后的型号更加省电。52 系列比对应的 51 系列增加了定时器 T2 并将内部程序存贮器增加到 8KB。Inter 公司停止生产 MCS-51 系列单片机之后将生产权转让给了许多其他公司，于是出现了许多与 Mcs-51 兼容的单片
8、机。现在生产 mcs-51 兼容单片机的公司对其进行了不同程度的改进和提高。我们现在使用比较的多的是 AT89C51/AT89s51 等。通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和 I/O 接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。单片机经过 1、2、3、3 代的发展，目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展，它们的 CPU 功能在增强，内部资源在增多，引角的多功能化，以及低电压底功耗。1.2.2 单片机的特点（1 性价比高，开发周期短，易于产品化，（2）集成度高，可靠性好，抗干扰性强，（3）功能完善，接
9、口多样，（4）低功耗、低电压一般电源供电电压在 53V 范围内单片机都能正常工作，供电的下限可达12V。（5）总线多样，易于扩展单片机外部的典型三总线结构,方便系统构扩展,构成各种规模的应用系统。外部总线增加了 I2C 及 SPI 等串行总线方式, 可根据需要进行并行或者串行扩展。1.2.3 MCS51 单片机内部结构有 8 大部分（1）一个 8 位的中央处理器 CPU（又称为微处理器）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）有 128 字
10、节 的片内数据存储器 RAM。8051 内部有 128 个 8 位用户数据存储单元和 128 个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的 RAM只有 128 个，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）4KB 片内 程序存储器 ROM 或 EPROM8051 共有 4096 个 8 位掩膜 ROM，用于存放用户程序，原始数据(4) 片内 18 个 特殊功能寄存器（SFR）如图（图 1-1）所示：5图 1-1 片内特殊存储器分布图(5)4 个 8 位 的并行输入输出 I/O 口（PIO）805
11、1 共有 4 组 8 位 I/O 口(P0、 P1、P2 或 P3)，用于对外部数据的传输P0 口 P0.0P0.7 输入与输出 分时的传送地址低 8 位与数据线P1 口 P1.0P1.7 输入与输出 无第二功能P2 口 P2.0P2.7 输入与输出 传送地址的高 8 位P3 口 P3.0P3.7 输入与输出 P3.0RXD：串行口输入端特殊功能寄存器 SFR数据缓冲区位寻址区R7R0 3 组（8 字节）2 组1 组0 组0F0H SFR 可寻址区0E0H 0D0H0C8H0B8H0B0H0A8H0A0H98H90H88H80H0FFH80H7FH30H2FH20H1FH00H6P3.1TXD
12、：串行口输出端P3.1TXD：串行口输出端P3.2 ：外部中断 0 中断请求输入端P3.3 ：外部中断 1 中断请求输入端P3.4T0：定时器/计数器 0 外部输入端P3.5T1：定时器/计数器 1 外部输入端P3.6 ：外部数据存储器写选通信号P3.7 ：外部数据存储器读选通信号(6)1 个 串行口 I/O（SIO/UART）完成单片机与其他微机的之间的串行通信(7)2/3 个 16 位 定时器/计数器（TIMER/COUNTER）(8)可处理 5 个中断源，两级可程序优先级的中断系统其中含有 MCS-51 指令集含 111 条指令，按照指令操作功能话费有五类：. 数据传送指令（28）算术运
13、算指令（24）. 逻辑运算及转移指令（25）. 控制转移指令（22）. 位操作指令（12）1.2.4 单片机的内部结构图除去图中的存储电路和 I/O 部件，剩下的是 CPU，它可以分为运算器和控制器两部分。运算器功能部件包括算术逻辑运算单元 ALU、累加器 ACC、寄存器 B、暂存寄存器 TMP1、TMP2、程序状态字寄存器 PSW 等。控制器功能部件包括程序计数器PC、指令寄存器 IR、指令译码器 ID、定时控制逻辑电路 CU、数据指针寄存器DPTR、堆栈指针 SP 及时钟电路等。7图 1-2 单片机内部结构图8第二章 单片机控制交通系统总体设计2.1 单片机交通控制系统通行方案设计设在十字
14、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 2-1）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 2-1 交通状态1.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。2.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
15、的其他所以车辆都需等待状态转换。3.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。4.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，9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：表 2-1 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。2.2 单片机交通控制系统的功能要求本设计能
16、模拟基本的交通控制系统，用红绿黄灯表示禁行，通行和等待的信号发生，还能进行倒计时显示，车流量检测及调整，交通违规处理和紧急处理等功能。2.2.1 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“通过”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色改变的关键时刻做出复杂判断的 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 。2.2.2 车流量检测及调整随着我国经济建设的蓬勃发展，城市人口和机动车拥有量在急剧增长，交通
17、流量日益加大，交通拥挤堵塞现象日趋严重，交通事故时有发生。车辆检测器作为智能交通系统的基本组成部分，在智能交通系统中占有重要的地位。现阶段，车辆检测器检测方式有很多，各有其优缺点，如红外线检测器、地磁检测器、机械压电检测器，磁频检测器、波频检测器、视频检测器等。一般车流量检测器采用传感器+单片机+外围器件来实现。 而且，目前国内使用的红绿灯都是固定的红绿灯时间，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 1 1 0 0东 西 黄 灯 0 0 0 1东 西 绿 灯 0 0 1 0南 北 红 灯 0 0 1 1南 北 绿 灯 1 0 0 0南 北 黄 灯 0 1 0 0
