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1、 基于 8051 单片机的交通信号 控制系统设计 摘 要 近年来随着我国经济的高速发展，城市化的步伐不断加快，交通问题逐显严 重。交通是城市的血液，它直接影响着社会经济、生产与生活的各方面。随着单 片机应用的已渗透到社会各个领域，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，但仅仅单片机是不够的，还应根据具体硬件系统 软硬件结合，才能让系统达到设计要求，良好地运行。 交通信号灯控制方式很多。本系统采用 MSC-51 系列单片机 AT89C51 为中心 器件设计一交通灯控制器，实现在一条主干道和一条支干道汇合成十字路口上， 每个入口处设置红、绿、黄三色信号灯，红灯亮禁止通
2、行，绿灯亮允许通行，黄 灯亮则给行驶中的车辆有时间停在禁行线外。主干道处于常允许通行的状态，支 干道有车来时才允许通行。主干道亮绿灯时，支干道亮红灯；支干道亮绿灯时， 主干道亮红灯。主、支干道均有车时，两者交替允许通行，主干道每次放行 25 秒，支干道每次放行 25 秒，设立 20 秒、25 秒计时、显示电路。每次由绿灯亮到 红灯亮的转换过程中，亮 5 秒黄灯作为过渡，使行驶中的车辆有时间停到禁行线 外，设立 5 秒计时、显示电路。 关键词 交通灯，单片机，控制 ABSTRACT In recent years, with the rapid development of our econom
3、y, the acceleration of urbanization, the problems of traffic showed seriously. Traffic is the blood of city, it directly affects social economy, production and all aspects of life. With the application of microcomputer already seeped through social fields, in real-time detection and automatic contro
4、l of microcomputer application system, single-chip microcontroller often served as a core component. But, just the application of single-chip microcontroller is not enough, it is still need to combine with hardware system and software to meet the requirements of design, make system work well. Many m
5、ethods can be used to control traffic lights . This system use single-chip microcomputer AT89C51 of MSC-51 series as the center device designed a traffic light controller. Red, green and yellow traffic lights were set at the crossroads where the main thoroughfare and a branch artery converge.Prohibi
6、tion of passage when red light is on, green light is allowed to pass, the yellow light is a time for moving vehicles parked outside in the entry lane. Main road usually is on the state of on passing; branch road only can be used when cars coming. Green light when the main road, branch roads red; bra
7、nch roads green light, the main road red.Both the main road and branch road having cars to pass, they are alternately used for passing. Main road release cars every 25 seconds, branch road release cars every 25 seconds. Display circuit of 20 seconds and 25 seconds was designed in this system. Each t
8、ime when the green light turn to red light, 5 seconds of yellow light was served as a transition, so that moving vehicles have time to stop the entry lane. The display circuit of 5 seconds was designed. Keywords Traffic light,Microcontroller,Control 目 录 摘摘 要要.I ABSTRACTABSTRACT.II 1 1绪论绪论.3 1.11.1 交
9、通信号控制系统的发展历程及未来发展方向交通信号控制系统的发展历程及未来发展方向.3 1.21.2 本论文研究的目的和意义本论文研究的目的和意义.3 1.31.3 本论文主要研究内容本论文主要研究内容.4 2 2 单片机概述单片机概述.5 2.12.1 单片机概论单片机概论.5 2.22.2 单片机的历史、现状及未来趋势单片机的历史、现状及未来趋势.5 2.32.3 MSC-51MSC-51 芯片简介芯片简介.7 2.3.1 MSC-51 芯片简介.7 2.3.2 MSC-51 芯片组成结构.7 2.3.2.1 MSC-51 芯片组成部分.7 2.3.2.2 MSC-51 芯片结构类型.8 2.
10、3.3 MSC-51 系列单片机外部封装.8 3 3 总体设计方案总体设计方案.11 3.13.1 方案论证方案论证.11 3.23.2 具体设计思路具体设计思路.11 3.33.3 控制系统的总体设计方案控制系统的总体设计方案.11 3.43.4 总体方案设计总体方案设计.12 3.4.1 系统方框图.12 3.4.2 工作原理.12 4 4 系统详细设计系统详细设计.14 4.14.1 系统硬件设计系统硬件设计.14 4.1.1 电源电路.14 4.1.2 单片机最小系统.14 4.1.34.1.3 显显示示部分部分.15 4.1.4 信号灯部分.15 4.24.2 系统模块功能分析及逻辑
11、器件描述系统模块功能分析及逻辑器件描述.16 4.2.1 时钟定时控制部件.16 4.2.2 数码管八段显示电路.16 4.2.3 单片机.17 4.2.4 上电加按钮电平复位电路.18 4.2.5 红黄绿灯显示电路.19 4.34.3 控制器的软件时间设定控制器的软件时间设定.20 4.3.1 每秒钟的设定.20 4.3.2 计数器硬件延时.20 4.3.4 软件延时.21 4.44.4 系统程序流程图系统程序流程图.22 结结 论论.23 参考文献参考文献.24 附录附录 A A：程序清单：程序清单.25 附录附录 B B：系统电路：系统电路.30 致致 谢谢.31 1绪论 1.1 交通信
12、号控制系统的发展历程及未来发展方向 当今中国各大城市，红绿灯安装在各个道口上，已经成为疏导交通最常见及最有效的 手段，对于疏导交通流量、提高道路运输能力，减少交通事故等有明显效果。 1858 年，在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红，蓝两色的机械扳 手式信号灯，用以指挥马车通行。这是世界上最早的交通信号灯。1868 年，英国 机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上，安装了世界上最 早的煤气红绿灯。它由红绿两以旋转式方形玻璃提灯组成，红色表示“停止” ， 绿色表示“注意” 。1869 年 1 月 2 日，煤气灯爆炸，使警察受伤，遂被取消。 电气启动的红绿灯出现在美国，这种红
13、绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成， 1914 年始安装于纽约市 5 号大街的一座高塔上。红灯亮表示“停止” ，绿灯亮表 示“通行” 。 1918 年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。带控制的红绿灯，是一 种是把压力探测器装在地下，车辆一接近红灯便变为绿灯；另一种是用扩音器来 启动红绿灯，司机遇红灯时按一下嗽叭，就使红灯变为绿灯。红外线红绿灯当行 人踏上对压力敏感的路面时，它就能感应到有人要过马路。红外光束能把信号灯 的红灯延长一段时间，推迟汽车放行，以免发生交通事故。 信号灯的出现，使交通次序得到有效管制，对于疏导交通流量、提高道路运 输能力，减少交通事故等有明显效果。1968 年，联合
14、国道路交通和道路标志信 号协定对各种信号灯的含义作了规定。绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以 直行，左转弯或右转弯，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人优先通行。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。 当前世界各国广泛使用的最具代表性却有实施的城市道路交通信号控制系统 有英国的 TRANSYT 与 SCOOTS 交通控制系统和澳大利亚的 SCATS 系统。最近几年， 国外仍偏向于引进自适理论来对交通信号控制
15、系统进行研制，特别是美国有几十 个大学的研究机构正在研制自适应交通信号控制系统。 1.2本论文研究的目的和意义 交通运输是城市的血液，它直接影响社会经济、生产与生活的各个方面。然 而交通信号灯是城市交通有序、安全、快速运行的重要保障，而保障交通信号灯 正常工作就成了保障交通有序、安全、快速运行的关键。在我国，随着人口密度 高速增长，城市化的步伐不断加快，交通问题逐显严重，拥挤的交通不仅造成了 巨大的能源、经济损失，环境污染，也给人们的生活带来巨大的困扰。从社会经 济角度分析，一个优良的交通信号控制系统不仅能减少由于交通拥堵造成的经济 损失，同时为节奏越来越快社会服务，让人们远离交通拥堵的困扰，
16、更在我国加 快城市化的进程中起着举足轻重的作用。因此对交通信号控制系统的研究是一门 必修课程。 1.3 本论文主要研究内容 设计位于十字路口的交通信号控制系统的电路设计与软件编写工作，最终 达到以下几个系统控制要求。 在每个入口处设置红、绿、黄三色信号灯，红灯亮表示禁止通行，绿灯亮 1 表示允许通行，黄灯亮则表示给行驶中的车辆时间停在禁行线外。 主干道处于常允许通行的状态，支干道有车来时才允许通行。主干道亮绿 2 灯时，支干道亮红灯；支干道亮绿灯时，主干道亮红灯。 主、支干道均有车时，两者交替允许通行，主干道每次放行 25 秒，支干 3 道每次放行 25 秒，设立 20 秒、25 秒计时、显示
17、电路。 在每次由绿灯亮到红灯亮的转换过程中，要亮 5 秒黄灯作为过渡，使行驶 4 中的车辆有时间停到禁行线外，设立 5 秒计时、显示电路。 2 单片机概述 2.1 单片机概论 单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（Micro controller Unit） ，它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有 CPU 的专用处理器 发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和 CPU 集成在一个芯片中，使 计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。 INTEL 的 Z80 是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处 理器的发展便分道扬镳。 单
18、片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处 理能力的中央处理器 CPU 随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断 系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟 多路转换器、A/D 转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算 机系统，又称为微控制器 MCU（Micro Controller Unit） 。 2.2 单片机的历史、现状及未来趋势 早期的单片机都是 8 位或 4 位的。其中最成功的是 INTEL 的 8031，因为简单 可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在 8031 上发展出了 MCS-51 系列单片
19、机 系统。基于这一系统的单片机系统直到现在在社会个方面控制系统中还在广泛使 用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了 16 位单片机，但因为性价比不 理想并未得到很广泛的应用。90 年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得 到了巨大提高。随着 INTELi960 系列特别是后来的 ARM 系列的广泛应用，32 位单 片机迅速取代 16 位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的 8 位单片 机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起 80 年代提高了数百倍。目前，高端 的 32 位单片机主频已经超过 300MHz，性能直追 90 年代中期的专用处理器，而普 通的型号出厂价格跌落至 1 美元
20、，最高端1的型号也只有 10 美元。当代单片机 系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应 用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可 以直接使用专用的 Windows 和 Linux 操作系统。 单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。 事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子 和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、 掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有 1-2 部单片机。而个人电脑中也会有为数 不少的单片机在工作。汽车上一般配备 40 多部单片机，复
21、杂的工业控制系统上 甚至可能有数百台单片机在同时工作。单片机的数量不仅远超过 PC 机和其运算 的总和，甚至比人类的数量还要多。 单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如 CPU，内存，并行总线，还有 和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑 弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过 10 元即可。我们现在家庭生活中用的 全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD、DVD 等等的家电里面都可以看到它的身影。 它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的 抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用 PC）的主要区别。 图 2.1 单片机芯片 单
22、片机是靠程序运行的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能， 尤其是特殊的独特的一些功能，这是其他运算控制器件需要费很大力气才能做到 的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国 50 年 代开发的 74 系列，或者 60 年代的 CD4000 系列这些纯硬件来完成的话，电路一 定是一块大 PCB 板，复杂而不适用。但是如果要是用美国 70 年代成功投放市场 的一系列单片机，结果就会有天壤之别，只因为单片机是可以通过你编写的程序， 实现高智能，高效率，以及高可靠性。 由于单片机对成本是敏感的，所以目前占统治地位的软件还是最低级汇编 语言，它是除了二进制机器码以上最低级的
23、语言了，既然这么低级为什么还要用 呢？很多高级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么不用呢？原因非常简单， 就是由于单片机没有家用计算机那样的 CPU，也没有像硬盘那样的海量存储设备。 一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮，也可以达到几十 K 的 尺寸。对于家用 PC 的硬盘来讲没什么，可是对于单片机来讲是不能接受的。单 片机在硬件资源方面要求的利用率必须非常高，所以汇编虽然原始依旧在各种控 制系统中大量使用。同样的道理，如果把巨型计算机上的操作系统和应用软件拿 到家用 PC 上来运行，家用 PC 的也是承受不了的。 可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和
24、现已 进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称 PC 机。它由主 机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算 机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器） 。顾名思义，这种计算机 的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通 常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中，起着如人类头脑的作用，如 果它出了毛病，整个控制系统就陷入瘫痪状态。现在，单片机的使用领域已十分 广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一 旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词 “智能型”
25、，如智能型洗衣机等。现在有些工厂的技术人员或其它业余电子 开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。究 其原因，可能核心区别就是在产品中未使用单片机或其它可编程逻辑器件。 自单片机诞生以来的近 30 年中，单片机已有 70 多个系列的近 500 个机种。 国际上较有名、影响较大的公司及他们的产品如下：Intel 公司的 MCS 48、MCS51、MCS96 系列；Motorola 公司的 6801、6802、6803、6805、68HCll 系列产品；Zilog 公司的 Z8、Super8 系列产 品；仙童(Fairchild)公司和 Mostek 公司的 F8、38
26、70 系列产品；NEC 公司的 COM87 系列产品；Rockwell 公司的 6500、6501 系列产品；Atmel、PHILIPS 、LG 等公司的 51 兼容机。 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的方 向发展，它们 CPU 的功能在增强，内部存储资源在增多，引角的多功能化，以及 低电压底功耗等。 2.3 MSC-51 芯片简介 2.3.1 MSC-51 芯片简介 8051 是 MCS-51 系列单片机的典型产品，8051 单片机包含中央处理器、程 序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断 系统等几大单元及数据总
27、线、地址总线和控制总线等三大总线。 2.3.2 MSC-51 芯片组成结构 2.3.2.1 MSC-51 芯片组成部分 中央处理器(CPU)是整个单片机的核心逻辑部件，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。 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
28、或用户定义的字型表。 程序存储器(ROM)：8051 共有 4096 个 8 位掩膜 ROM，用于存放用户程序， 原始数据或表格。 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 计数产生中断用于控制程序转向。 并行输入输出(I/O)口：8051 共有 4 组 8 位 I/O 口(P0、 P1、P2 或 P3)，用 于对外部数据的传输。 全双工串行口：8051 内置一个全双工串行通信口，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。 中断系统：8051 具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器 中断
29、和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有 2 级的优先级别选择。 图 2.2 MCS-51 单片机组成框图 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 运行的脉冲时序，但 8051 单片机需外置振荡电容。 2.3.2.2 MSC-51 芯片结构类型 单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即 哈佛(Harvard)结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储 器合二为一的结构，即普林斯顿(Princeton)结构。INTEL 的 MCS-51 系列单片机 采用的是哈佛结构的形式，而后续产品 16 位的 MCS-96
30、系列单片机则采用普林 斯顿结构。 2.3.3 MSC-51 系列单片机外部封装 MCS-51 系列单片机中的 8031、8051 及 8751 均采用 40Pin 封装的双列直接 DIP 结构，图 2.4 是 8051 单片机的引脚配置图，40 个引脚中，正电源和地线两根， 外置石英振荡器的时钟电路，4 组 8 位共 32 个 I/O 口输入输出引脚，中断引脚接 口与 P3 引脚接口分时复用。 图 2.3 MCS-51 系列单片机的内部结构示意图 图 2.4 8051 单片机引脚配置图 Pin9: :RESET/Vpd复位为信号分时复用脚，当 8051 通电，时钟电路工作，当 RESET 引脚
31、上出现 24 个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后， 程序计数器 PC 指向 0000H，P0-P3 输出口全部为高电平，堆栈指针写入 07H，其 它专用寄存器被清“0”。RESET 由高电平下降为低电平后，系统即从 0000H 地址 开始执行程序。然而，初始复位不改变 RAM（包括工作寄存器 R0-R7）的状态， 即 8051 的初始态。 8051 的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，具体硬件电路见下图 4。此外，RESET/Vpd还是一分时复用引脚，Vcc掉电其间，此脚可接上备用电源， 以保证单片机内部 RAM 的数据不丢失。 图 2.5 8051 单片机复位电路与时钟
32、 Pin30:ALE/当访问外部程序器时，ALE(地址锁存)的输出用于锁存地址 的低位字节。而访问内部程序存储器时，ALE 端将有一个 1/6 时钟频率的正脉冲 信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。 更有一个特点，当访问外部程序存储器，ALE 会跳过一个脉冲。 如果单片机是 EPROM，在编程其间，将用于输入编程脉冲。 Pin29:当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，PC 的 16 位地址数据将出现在 P0 和 P2 口上，外部程序存储器则把指令数据放到 P0 口上， 由 CPU 读入并执行。 Pin31:EA/Vpp程序存储器的内外部选通线，80
33、51 和 8751 单片机，内置有 4kB 的程序存储器，当 EA 为高电平并且程序地址小于 4kB 时，读取内部程序存储 器指令数据，而超过 4kB 地址则读取外部指令数据。如 EA 为低电平，则不管地 址大小，一律读取外部程序存储器指令。显然，对内部无程序存储器的 8031,EA 端必须接地。 在编程时，EA/Vpp脚还需加上 12V 的编程电压。 3 总体设计方案 3.1 方案论证 单片机有丰富的中断源，方便本课题的设计，它的准确度相当高，并且 C 语 言和汇编兼容的编程环境也很方便地实现一些调用。I/O 口功能也非常强大，方 便使用，方便对设计进行扩展，使设计更加完善，成本也相对低一些
34、，虽然在控 制与显示的结合上有些复杂，但其他控制器件相比使用单片机设计是一个比较实 用、低成本而且能很好地满足设计要求。 3.2 具体设计思路 利用 AT89C51 单片机控制交通灯系统工作,作为该系统的核心控制器件。其 中 P0 口接数据输出口，与外部数码管连接，P2 口与数码管的 COM 口连接，用于 选择数据输出的地址，这样实现时间的动态显示，并且节省了端口数。P1 口作为 红黄绿灯的控制口，通过上拉电阻将红黄绿灯的正极接高电平，负极接在 P1 口 上，我们可以利用控制单片机的 P1 口的输出数据控制红黄绿灯的亮灭。调时可 以利用外部中断 INT0 申请中断。当有外部中断的时候，单片机的
35、 PC 指向 INT0 的中断入口地址，从而转向中断服务程序。这是我们可以通过判断外部开关量的 状态来对红黄绿灯的显示时间进行修改。同时当 INT0 为低电平时，东西南北方 向的都送红灯亮，实现紧急情况下禁止通行。然后通过判断 INT0 的状态来决定 中断是否返回，当 INT0 为低电平时，说明开关又一次按下，这是退出中断服务 程序，继续执行主程序，具体状态表见表 3-1。 表 3-1 交通灯控制系统状态表 状态状态主干道主干道支干道支干道时间时间 S0 绿灯亮，允许通行红灯亮，禁止通行45 秒 S1 黄灯亮，停车红灯亮，禁止通行5 秒 S2 红灯亮，禁止通行绿灯亮，允许通行25 秒 S3 红灯亮，