单片机交通信号控制系统设计.doc

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。 交通信号灯控制方式很多。本系统采用以单片机AT89C51为中心器件来设计交通灯控制器，实现了通过AT89C51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秒时黄灯点亮警示（交通灯信号通过P1口输出，显示时间直接通过AT89C51的P0口输出至双位数码管）；时间倒计时可通过双位数码管显示。本系统实用性强、操作简单、扩展功能强。本文设计了一种

2、基于AT89C51单片机的交通灯控制系统。系统主要包括硬件电路和软件程序。在比较论证的基础上，设计了满足设计要求的电路，并编写相应的软件程序。系统构造简单，通过定时系统可以实现对时间的设定，由状态控制系统来设定交通灯的状态。在此基础上，使用LED数码管对计数系统进行译码显示，使每一通道上不仅能够显示交通灯的状态，还能提醒行人剩余时间，给行人和车辆的通行提供了很大的方便。应用单片机AT89C51来完成整个系统的控制，采用C语言设计软件。系统具有较强功能，体积小，成本低，有一定的实际应用价值。关键词：单片机 ；交通灯 ；调试 AbstractWith the rapid development o

3、f science and technology in recent years, SCM applications are deepening at the same time promote the growing of traditional control detection technology updates. In real-time detection and automatic control of the microcomputer application system, the microcontroller is often used as a core compone

4、nt, only the microcontroller is not enough knowledge, but also based on specific hardware structure of hardware and software combination to be improved.Traffic signal control many ways. The system uses AT89C51 Series Microcontroller AT89C51-centric devices to design traffic signal controllers and ac

5、hieved through the P1 port AT89C51 chip set of red, green, gave the time of the function; traffic light cycle of light, the countdown 5 seconds left when the yellow lamp lit warning (traffic light signals through the P1 port output, display time directly through the P0 port output AT89C51 to double-

6、digit nixie tube); Time countdown can be a double-digit LED display. The system practical, simple, extending strong function.In this paper it has designed one kind of traffic light control system based on the AT89C51 monolithic integrated circuit. The system mainly includes the hardware circuit and

7、the software routine. On the basis of comparison,we designed a circuit according to the design requirement,and compiled the corresponding software routine.The system structure is simple, it may realize the time hypothesis by the timing system, establishe traffic lights condition by the state control

8、 system. Based on this, we uses the LED digital tube to decode the counting system, so that each channel can not only show the status of traffic lights, but also to remind pedestrians time remaining, and provide a great convenience to vehicles and pedestrians. Applying the Monolithic integrated circ

9、uit AT89C51 to accomplish the control of the entire systematic , using C language design software. The system has the strong function, the volume is small, the cost is low, has certain practical application value. Key words: SCM ；Traffic Light ；Debug目 录第一章 绪论11.1 课题背景21.2 研究意义21.3 国内外相关研究情况2第二章 单片机概

10、述52.1 单片机的概述52.2 单片机的组成62.3 单片机的发展历史与趋势62.3.1 CPU的发展72.3.2 单片机大容量化72.3.3 低功耗72.3.4 微型单片化82.3.5 主流与多品种共存82.3.6 网络化92.4 单片机的特点92.5 单片机的应用领域10第三章 单片机交通信号控制系统总设计113.1 单片机交通控制系统通行方案设计113.2 单片机交通控制系统的功能要求123.2.1 倒计时显示123.2.2 车流量检测及调整133.2.3 时间手动设置133.2.4 紧急处理133.2.5 违规检测143.3单片机交通控制系统的基本构成及原理143.4系统控制信号分析

11、15第四章 系统硬件设计164.1单片机最小系统164.2 硬件电路设计174.3 元件介绍184.3.1 AT89C51芯片介绍184.3.2 74LS244 芯片介绍214.3.3 74LS240芯片介绍224.3.4 CD4511芯片介绍224.4 单元电路设计244.4.1 复位电路244.4.2 晶振电路254.4.3 LED红绿灯显示电路264.4.4七段数码管时间显示电路274.4.5 电源电路284.4.6 电源电路工作原理294.5整机电路原理图分析29第五章 交通灯的软件系统编程315.1软件设计315.1.1 软件控制流程图315.2 信号灯亮灭的定时功能335.2.1

12、功能实现335.2.2 单片机的定时器335.2.3 定时器数值设置应注意事项345.2.4 定时1ms的程序代码355.3 51单片机的中断系统355.3.1 中断系统的概念355.3.2 单片机的中断系统的作用355.3.3 如何实现单片机的中断355.4 软件流程图36第六章 调试406.1 硬件调试406.2 在硬件调试中出现的问题416.3 软件调试416.4 软硬件联调41第七章 经济技术分析42第八章 结论43谢辞44参考文献45附录一 中文译文附录二 外文资料原文附录三沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计（论文）4第一章 绪论当今，红绿灯安装在各个道口上，已经成为疏导交通车辆最常见

13、和最有效的手段。但这一技术在19世纪就已出现了。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

14、红绿灯。带控制的红绿灯，一种是把压力探测器安在地下，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，它就能察觉到有人要过马路。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，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。1968年，联合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

15、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。1.1 课题背景交通运输对于经济发展的制约作用不同程度的普遍存在每个国家，如何解决城市地区交通拥挤和堵塞现象几乎成了最为棘手的难题。交通信号灯的出现，使交通得以有效管制。近年来单片机技术发展的非常迅速，单片机虽小但功能却很强大，广泛用于工业交通等设施，所以发展单片机非常有意义，故本设计采用单片机。1.2 研究意义十字路口车辆穿梭，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

16、动指挥系统。交通信号灯控制方式很多。以单片机为控制核心的交通信号控制系统因其可靠性高，控制灵活，控制精确度高而得到广泛的应用。 当前大量的信号灯电路正走向数字化、小功率、多样化和多值化方向发展以方便人、车、路三者关系的协调。随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注，随着社会的发展，城市的规模不断扩大，城市交通成为制约城市发展的一大因素，因此，为改善城市交通问题设计者设计了许多方案，而大多数都为交通指挥灯，本电路也是基于前人设计的基础上进行改进的。城市交通控制系统的发展是以城市交通控制技术为前导，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，人们不断地将各个最新

17、的科技成果应用到交通中来，从而控制交通技术的不断发展。交通信号灯是城市交通有序.安全.快速欲行的重要保障，而保障交通信号正常工作就成了保障交通有序.安全.快速运行的关键。为此采用MCS-51单片机为中心器件来设计交通灯控制电路实现了能根据实际情况来对单片机的各个I/O口设置，可以有效地控制红绿灯点亮的时间，进而使交通得到有序的运行。1.3 国内外相关研究情况 随着现代社会对交通运输的日趋依赖，交通系统的控制越来越受到普遍的重视。近年来，英国、澳大利亚、欧洲和美国均在某些城市建立了交通控制系统。在这些系统中，大部分都在各路口附近安装有磁性环路监测器，并由各路口的控制装置或工作人员将交通控制参数通

18、过电话线、电缆、闭路电视线等通讯网络输入微处理器，用小型计算机进行集中控制。尤其是伴随着信息、技术的发展，交通控制的概念已从交通管理者的行为改变为交通管理者和道路使用者共同行为，从而使得交通分配的局部最优向着全局最优发展。在这一发展过程中，除了各种新型设备的应用以外，数据收集、传输、处理、储存与发送技术的发展和应用起到了关键作用。新型的监测器，包括使用录像机和进行图像处理，为人们提供了大量的时变的数据;新型的通讯技术，包括光纤通讯技术，使人们能迅速地传递这些数据;而新型的计算机，则使人们能以20年前仅能梦想的速度进行数据处理与存储。这些现代化技术与控制理论、现代化科学管理方法相结合，使交通控制

19、系统得以实现并日益完善。与国外相比，我国目前交通控制相当落后，目前中国城市交通的问题呈现两类典型现象:管理不力、秩序混乱;没有科学、合理、有效的城市交通监控系统。由此带来的后果日趋严重。表现为路网通行能力明显低于设计要求并且波动性大、出行时间难以预测、高发交通事故、交通环境恶化、出行者容易疲劳等。当前世界广泛应用的最具代表性却有具体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。在信号机的发展过程中，自适应理论一直受到各研究机构的欢迎，比如SCOOTS与SCATS系统。最近几年，国外仍偏向于引进自适应理论来对交通信号灯控制系统进行研制。

20、我国在交通领域的发展起步比较晚，基于从新中国成立以后，随着各方面的条件成熟以及社会发展的要求，才建立了健全的交通控制系统。城市交通是一个高度综合而又复杂的问题，是对城市和经济高速发展的一个严峻挑战。因此我国城市的规划、建设以及运行，在广泛借鉴外国先进技术的基础上应当建立并完善适合我国国情的城市交通系统。随着我国经济的高速发展，人们对私家车，公交车的需求越来越大，相应的我国进入WTO以后，我国经济贸易与世界接轨，汽车业关税大大降低，使很多人都能负担得起购买私家车，但是公交车、私家车大增无疑会对我国交通系统带来沉重的压力。放眼现在的中国，如广州、香港、上海、等大城市无不受到交通堵塞的困扰。中国要发

21、展交通事业绝不能停止不前，所以我国交通管制系统应当向人性化、智能化的方向发展，以此为出发点，单片机控制交通灯正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月异。在单片机控制交通灯系统中往往单片机作为一个核心部件来使用，仅单片机是不够的还应根据具体硬件结构以及针对具体应用对象特点的软件结合加以完善。交通信号灯的出现使交通得以有效管制对疏导交通流量、提高道路通行能力、减少交通事故有明显的效果，采用单片机系统实用性强、操作简单、扩展性强。45第二章 单片机概述2.1 单片机的概述单片机微型计算机(single chip microcomputer)简称单片机。起体积小.重量轻.抗干扰能力强.对应用环境

22、要求不高.价格低廉.维护简单.使用方便.稳定性可靠.灵活性好.再次开发容易.以及较高的性价比受到社会的重视和青睐。目前.单片机应用领域从航空.航天.仪器.仪表.家用电器已经普及到国计民生的各个领域，单片机的应用标志着人类社会向自动化控制领域前进一大步。单片机是一种集成电路芯片。它采用超大规模技术将具有数据处理能力的微处理器(CPU)、存储器（含程序存储器ROM和数据存储器RAM）、输入、输出接口电路(I/O接口)集成在同一块芯片上，构成一个即小巧又很完善的计算机硬件系统，在单片机程序的控制下能准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。所以说，一片单片机芯片就具有了组成计算机的全部功能。不

23、同的单片机有着不同的硬件特征和软件特征，即它们的技术特征均不尽相同，硬件特征取决于单片机芯片的内部结构，用户要使用某种单片机，必须了解该型产品是否满足需要的功能和应用系统所要求的特性指标。这里的技术特征包括功能特性、控制特性和电气特性等等，这些信息需要从生产厂商的技术手册中得到。软件特征是指指令系统特性和开发支持环境，指令特性即我们熟悉的单片机的寻址方式，数据处理和逻辑处理方式，输入输出特性及对电源的要求等等。开发支持的环境包括指令的兼容及可移植性，支持软件(包含可支持开发应用程序的软件资源)及硬件资源。要利用某型号单片机开发自己的应用系统，掌握其结构特征和技术特征是必须的。单片机微型计算机是

24、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，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。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。2.2 单片机的组成单片机是在一个硅片上集成了中央处理器（CPU）只读存储器（ROM）随机存储器（RAM）和各种输出/输入接口 定时器/计数器 串行通信口以

25、及中断系统等多种资源，这样的一个集成电路就构成了一个完整的微型计算机。单片机是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，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。2.3 单片机的发展历史与趋势单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。SCM即单片微型计算机阶段。主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。MCU即微控制器阶段。主要的技术发展方向

26、是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。近年来单片机的发展趋势正朝着大容量高性能化、小容量低价格比、外围电路内装化、多品种以及I/O接口功能的增强、功耗降低等方向发展。现在可以说单片机是百花齐放，百家争鸣的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，数不胜数，应有尽有，有与主流C51系列兼容的

27、，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地。纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有：低耗能CMOS化80C51采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗象电池供电的应用场合。微型单片化现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD(表面封装)越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型

28、化方向发展。主流与多品种共存现在以80C51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。而Microchip公司的PIC精简指令集(RISC)也有着强劲的发展势头，中国台湾的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增，占据一定的市场份额。此外还有MOTOROLA公司的产品，日本几大公司的专用单片机。2.3.1 CPU的发展单片机内部CPU功能的增强集中体现在数据处理速度和精度的提高以及I/O处理能力的提高。通过其他CPU改进技术，如采用双CPU结构、增加数据线总宽度、采用流水线结构，来家快运算速度，提高处理能力

29、。2.3.2 单片机大容量化现在单片机内存储器容量日益扩大。早期单片机内ROM为1-8K，片内RAM为64-256B，现在片内ROM可达64KB，片内RAM可达4KB，并具有掉电保护功能，I/O接口也无需外加扩展芯片。许多高性能的单片机不但扩大了内部存储器的容量，而且扩大了CPU的寻址范围，提高了系统的扩展功能。随着单片机程序空间的扩大，单片机的空余空间可以嵌入实时操作系统RTOS等软件。这些将大大提高产品的开发效率和单片机的性能。2.3.3 低功耗MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本

30、都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。象80C51就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗象电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。2.3.4 微型单片化现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽

31、调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD(表面封装)越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。2.3.5 主流与多品种共存现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以80C51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国TW的

32、Winbond系列单片机。所以C8051为核心的单片机占据了半壁江山。而Microchip公司的PIC精简指令集(RISC)也有着强劲的发展势头，中国TW的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增，与其低价质优的优势，占据一定的市场分额。此外还有MOTOROLA公司的产品，日本几大公司的专用单片机。在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路。2.3.6 网络化近年来推出的网络系统总线体现了单片机现场控制网络总线的特点，它与芯片间串行总线相配合，能灵活方便的构造各种规模的多机系统和网络系统。2.4 单片机的特点单片机则是从工

33、业测控对象、环境、接口特点出发，向着增强控制功能、提高工业环境下的可靠性、灵活方便的构成应用计算机系统的界面接口的方向发展。因此，单片机有着自已的特点，主要是：品种多样，型号繁多。品种型号逐年扩充使系统开发者有很大的选择自由。CPU从4、8、16、32到64位，有些还采用RISC技术；提高性能，扩大容量。集成度已达200万个晶体管以上。总线工作速度已达数十微秒。工作频率达到30MHz甚至40MHz。指令执行周期减到数十微秒。存储器容量RAM发展到1K、2K，ROM发展到32K、64K；增加控制功能，向外部接口延伸。把原属外围芯片的功能集成到本芯片内。现今的单片机已发展到在一块含有CPU的芯片上

34、，除嵌入RAM、ROM存储器和IO接口外，还有定时器、中断、串行口等，构成一个完整的功能强的计算机应用系统.低功耗。供电电压从5V降到3V、2V甚至1V左右。工作电流从mA级降到A级。在生产工艺上以CMOS代替NMOS，并向HCMOS过渡；应用软件配套。提供了软件库，使用户开发单片机应用系统时更快速、方便。使有可能做到用一周时间开发一个新的应用产品；系统扩展与配置。有供扩展外部电路用的三总线结构DB、AB、CB，以方便构成各种应用系统。根据单片机网络系统、多机系统的特点专门开发出单片机串行总线。此外，还特别配置有传感器，人机对话、网络多通道等接口，以便构成网络和多机系统。2.5 单片机的应用领

35、域由于单片机有许多优点，因此其应用领域之广，几乎到了无孔不入的地步。单片机应用的主要领域有：智能化家用电器：各种家用电器普遍采用单片机智能化控制代替传统的电子线路控制，升级换代，提高档次。如洗衣机、空调、电视机、录像机等。办公自动化设备：现代办公室中使用的大量通信和办公设备多数嵌入了单片机。如打印机、复印机、传真机、绘图机、考勤机、电话等商业营销设备：在商业营销系统中已广泛使用的电子称、收款机、条形码阅读器、IC卡刷卡机等都采用了单片机控制。工业自动化控制：工业自动化控制是最早采用单片机控制的领域之一。如各种测控系统、过程控制、机电一体化、PLC等都要用到单片机控制。智能化仪表：采用单片机的智

36、能化仪表大大提升了仪表的档次，强化了功能。如数据处理和存储、故障诊断、联网集控等。智能化通信产品：最突出的是手机，当然手机内的芯片属专用型单片机。汽车电子产品：现代汽车的集中显示系统、动力监测控制系统、自动驾驶系统、通信系统和运行监视器（黑匣子）等都离不开单片机。航空航天系统和国防军事、尖端武器等领域：单片机的应用更是不言而喻。第三章 单片机交通信号控制系统总设计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

37、1开始变换，直至状态6然后循环至状 1，周而复始，即如图 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 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

38、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 单片机交通控制系统的功能要求本设计能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。3.2.1 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

39、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。3.2.2 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

40、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，并自动切换。红灯时间和绿灯时间，是根据道口东西向和南北向的车流量，利用统计方法确定的。交通警察不断观察十字路口的两个方向，根据车辆密度和流速决定是否切换红绿灯，以保证最佳的道路交通控制状态。3.2.3 时间手动设置除系统根据车流量自动控制调整，也可以通过键盘进行手动设置，增加了人为的可控性，避免自动故障和意外发生，并再紧急状态下，可设置所有灯变为红灯。键盘是单片机系统中最常用的人机接口，一般情况下有独立式和行列式两种。前者软件编写简单，但在按键数量较多时特别浪费I0 口资源，一般用于

41、按键数量少的系统。后者适用于按键数量较多的场合，但是在单片机I0 口资源相对较少而需要较多按键时，此方法仍不能满足设计要求。本系统要求的按键控制不多，且I0 口足够，可直接采用独立式。3.2.4 紧急处理交通路口出现紧急状况在所难免，如特大事件发生，救护车等急行车通过等，我们都必须尽量允许其畅通无阻，毕竟在这种情况下是分秒必争的，时时刻刻关系着公共财产安全，个人生死攸关等。由此在交通控制中增设禁停按键，就可达到想此目的。3.2.5 违规检测交通规则必须人人遵守，但是违反规则，如闯红灯等，也时有发生，交警等交通管理人员虽然可以进行实时监管，但是耗费精力，在路口设置检测传感器就可以进行自动的警报提

42、示。3.3单片机交通控制系统的基本构成及原理单片机设计交通灯控制系统，可用单片机直接控制信号灯的状态变化，基本上可以指挥交通的具体通行，当然，接入LED 数码管就可以显示倒计时以提醒行使者，更具人性化。本系统在此基础上，加入了违规检测电路和车流量检测电路为单片机采集数据，单片机对此进行具体处理，及时调整控制指挥，为了超越视觉指挥的局限性，同时接上蜂鸣器，在听觉上加强了指挥提醒作用。图3-2 系统的总体框图据此，本设计系统以单片机为控制核心，连接成最小系统，由车流量检测模块，违规检测模块，和按键设置模块等产生输入，信号灯状态模块，LED 倒计时模块和蜂鸣器状态模块接受输出。系统的总体框图如上所示

43、。键盘设置模块对系统输入模式选择及具体通行时间设置的信号，系统进入正常工作状态，执行交通灯状态显示控制，同时将时间数据倒计时输入到LED 数码管上实时显示。在此过程中还要实时捕捉违规检测和紧急按键信号，以达到对异常状态进行实时控制的目的。急停按键和违规检测随时调用中断。在模式选择上，若为自动模式，将不断调用车流量检测模块对车流量进行检测统计，到达一定时间将修正通行时间一满足不同路况的需要。3.4系统控制信号分析在这个交通控制器的设计中，最为主要的是AT89C51芯片，它是整个系统的核心，在电路中总共用到了P0，P1，P2三个端口，P0口的八个I/O口连接到了74LS240这个芯片。74LS24

44、0的主要功能是反向驱动，从89C51传送过来的输入信号经过驱动后，输出信号的驱动能力加大了。经过驱动后，数码管LED得以显示。从P1端口输出的6个I/O口连接到74LS244的6个输入端，因为在十字路口有两组是相同的，所以只用到了6个LED。经过驱动后，由程序直接控制LED红绿灯显示信息。在数码管时间显示与信号输入之间存在一个译码的问题，在这是用了一个CD4511芯片来译码。P2端口的四个I/O口连接到CD4511的A，B，C，D口，通过CD4511译码器译码，传输给LED七段数码管，来显示时间。 根据交通灯的设计，数字从大到小显示一直到零，当A道亮绿灯从三十到零时，B道红灯从二十五减到零，然

45、后亮黄灯，从五减到零。反之亦然。另外在这个系统当中，还有三个电路，分别是复位电路，晶振电路，电源电路，在三个电路在一般的系统设计中都是要使用到的，他们在整个系统当中的作用在下面的单元电路中都会做详细的介绍。这个系统的设计来说，相对是比较简单的，并没有用到很复杂的芯片，所以这个系统具备了一些基本的功能，可能在特别情况下会不适用。 第四章 系统硬件设计硬件设计是整个系统的基础，要考虑的方方面面很多，除了实现交通灯基本功能以外，主要还要考虑如下几个因素：系统稳定度；器件的通用性或易选购性；软件编程的易实现性；系统其它功能及性能指标；因此硬件设计至关重要。现从各功能模块的实现逐个进行分析探讨。4.1单

46、片机最小系统振荡电路AT89C51是内部具有振荡电路的单片机，只需在18脚和19脚之间接上石英晶体，给单片机加工作所需直流电源，振荡器就开始振荡起来。振荡电路就为单片机工作提供了所需要的时钟脉冲信号，是单片机的内部电路、单片机的内部程序（若有）开始工作。振荡电路不工作，整个单片机电路都不能正常工作。AT89C51常外接6MHz、12MHz的石英晶体，18脚和19脚分别对地接了一个20pF的电容，目的是防止单片机自激。若从18脚输入外部时钟脉冲，则19脚接地。复位电路复位电路就是在RST端（9脚）外接的一个电路，目的是使单片机上的电开始工作时，内部电路从初始状态开始工作，或者在工作中人为让单片机

47、重新从初始状态开始工作。在时钟工作的情况下，只要复位引脚高电平保持在两个机器周期以上的时间，AT89C51便能完成系统重置的各项工作，使得内部特殊功能寄存器的内容均被设置成已知状态，并且从地址0000H处读入程序代码而执行程序。单片机最小系统电路如图4-1所示：图4-1单片机最小系统电路原理图4.2 硬件电路设计图4-2 硬件系统总框图在设计硬件电路时，我们根据硬件系统的总框图，知道要用到哪几个芯片，89C51芯片是总的系统的核心，它既驱动数码管，又驱动交通灯。时间显示功能我们是用七段数码管，因为是用在十字路口，需要有两个时间显示，所以用到了四个七段数码管，数码管的译码功能是用了CD4511芯片。为了不使用外部电源，系统设计了一个桥式整流电源。在红绿灯显示上了，我们只用了六个LED，因为在A道上的两组红绿灯是完全一致的，在B道上也是一样的，所以我们只用了六个LED完全可一代表整个交通控制情况了。当我们已经完全知道我们的硬件需要时，在画原理图的时候要合理的布置各个芯片，各条线，尽量不要使电线交叉在一起，还要让我们的原理图看上去美观。4.3 元件介绍4.3.1 AT89C51芯片介绍图4-3 89C51芯片引脚管脚说明：VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门