基于单片机的智能交通控制系统

1、基于单片机的智能交通控制系统基于单片机的智能交通控制系统 摘摘 要要 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 必须通过一定的科技手段加以实现。本文在对目前交通控制进行深入分析的基 础上，运用检测传感、实时调整智能化控制的实现技术，将传感器监测、实时 调整车辆通行时间的算法与单片机控制作用相结合，提出了基于单片机的交通 控制系统设计方案。 8051 单片机的交通灯控制系统由 8051 单片机、交通灯显示、LED 倒计时、 车流量检测及调整、违规检测、紧急处理、时间模式手动设置等模块组成。系 统除基本交

2、通灯功能外，还具有通行时间手动设置、可倒计时显示、急车强行 通过、车流量检测及调整、交通异常状况判别及处理等相关功能。理论证明该 系统能够简单、经济、有效地疏导交通，提高交通路口的通行能力。 本设计主要做了如下几方面的工作：一是确定系统交通控制的总体设计，包 括，十字路口具体的通行禁行方案设计以及系统应拥有的各项功能，二是进行 传感器的硬件电路、显示电路等的设计和基本功能要求。 关键词：关键词：交通控制，传感检测，AT89S51，倒计时显示 Abstract Traffic control system is a modern society with logistics, travel et

3、c of traffic development a unique set of public management system. To ensure the effective safety traffic, except for a series of traffic rules, still must through certain technological means to achieve. Based on analysis of traffic control, based on real-time detection sensor, adjust the implementa

4、tion technology of intelligent control, real-time monitoring, sensor adjust vehicles time algorithm and single-chip microcomputer control function is proposed, which combines the traffic control system based on single chip design scheme. The 8051 microcontroller control system consists of the traffi

5、c lights display, 8051 monolithic integrated circuits, and LED the countdown, traffic violation detection, emergency adjustment, manual mode, time as modules. In addition to the basic traffic function outside, still have time to manually set, can pass the countdown, car that forced through traffic,

6、inspection and adjustment, transportation and processing abnormal discriminant functions. Theory shows that the system can simple, economic and effective relieves traffic, improve the crossroads capacity. This design mainly do the following aspects: one is the work of the traffic control system desi

7、gn, including the crossroads, specific design and system should be restricted with each function, two is that the sensor, the hardware circuit design of the circuit and the basic function and requirement. Key Words: traffic control, sensing detection, displayand countdown ，AT89S51 目录目录 摘 要.I ABSTRAC

8、T.II 1 绪 论 .1 1.1 单片机交通控制系统的选题背景.1 1.2 单片机交通控制系统选题的现实意义.1 1.3 国内外研究现状及其发展.3 1.3.1 国内外交通控制技术.3 1.3.2 交通控制存在的问题.6 1.4 单片机交通控制系统主要研究的内容.7 2 单片机交通控制系统总体设计.8 2.1 单片机交通控制系统的通行方案设计.8 2.2 单片机交通控制系统的功能要求.9 2.3 单片机交通控制系统的基本构成及原理.11 3 系统硬件电路的设计.12 3.1 系统硬件总电路构成及原理.12 3.1.1 系统硬件电路构成.12 3.1.2 系统工作原理.13 3.2 AT89S

9、51 单片机简介.13 3.2.1 单片机的概述.13 3.2.2 AT89S51 芯片内部结构简介.14 3.2.3 主要引脚功能 .16 3.2.4 AT89S51 芯片最小系统.18 3.3 其它硬件介绍及连接.19 3.3.1 车流量检测电路及模拟.19 3.3.2 违规检测电路及模拟.22 3.3.3 八段 LED 数码管.23 3.3.4 其它器件.25 4 系统软件程序的设计系统软件程序的设计 .29 4.1 程序主体设计流程.29 4.2 理论基础知识.31 4.2.1 定时器原理.31 4.2.2 软件延时原理.31 4.2.3 中断原理.32 4.2.4 消抖动程序.32

10、结结 论论 .33 致致 谢谢 .34 参考文献参考文献 .35 附录附录 英文文献资料及翻译英文文献资料及翻译 .36 1 绪绪 论论 1.1 单片机交通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

11、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

12、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

13、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。 早期的交通信号灯使用“固定配时”方式实行自动控制，这种方式对于早 期交通流量不大的情况曾起过一定的作用。但随着汽车工业的发展、交通流量 增加、随机变化增强，采用以往那种单一模式的“固定配时”方式已不能满足 客观需要，于是一种多时段多方案的信号控制器开始出现并逐步取代了传统的 只有一种控制方案的控制器。 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

14、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

15、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。 可以说，在近百年的发展中，道路交通信号控制系统经历了手动到自动， 从固定配时到灵活配时，从无感应控制到有感应控制，从单点控制到干线控制， 从区域控制到网络控制的长远过程。 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

16、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。 1.3 国内外研究现状及其发展 1.3.1 国内外交通控制技术 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。但这一技术在 19 世纪就已出现了。 1858

17、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红绿灯。带

18、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。 从1868年英国伦敦首次使用燃汽色灯信号以来，城市交通信号机由手动到 自 动，交通信号由固定周期到可变周期，系统控制方式由点控到面控，从无 车辆检测器到有车辆检测器，经历了近百年的历史。到1963年加拿大多伦多市 建立了一套使用IBM650型计算的集中协调感应控制信号系统，从而标志着城市 道路交通信号系统的发展

19、进入了一个新的阶段。各个时期典型交通信号系统得 特征如附表所示。之后，美国、英国、德国、日本、澳大利亚等多家相继建成 数字电子计算机区域交通控制系统，这种系统一般还配备交通监视系统组成交 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多个，代表了 未来交通控制的发展方向。 表1.1 交通信号系统发展状况 简称时间国别城市名称控制路 口数 信号周 期 检测器控制方 式 1868 英国伦敦燃气色灯单 / 1914 美国克利夫兰电力色灯单 / 1926 英国各城市单点定周期 自动信号机 单定 / 自动 点控 1928 美国各城市感应式自动 信号机 单定气压式自动 线控 1917 美国

20、盐湖城手控干道协 调系统 6个定 / 人工 1922 美国休斯顿电子计时干 道协调系统 12个定 / 电动线控 1928 美国各城市步进式定时 干道协调系 统 多个 （线） 变 / 电动 1952 美国丹佛市模拟计算机 交通信号控 制系统 多个 （网） 变气压式计算机面控 1963 加拿大多伦多数字计算机 集中协调感 应控制信号 系统 多个 （网） 变电磁式计算机 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

21、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。 在西方发达国家，交通控制系统基本上完成了由传统的交通控制系统向智 能交通控制系统ITS的转变，而在我国，智能交通系统则刚刚处于起步阶段。对 于传统的交通控制系统而言，对红绿灯一般采用定时控制，无法对实际的交通 流进行识别优化，以至于不能适应交通量的不确定性和随机性的原因，往往造 成交通资源的浪费和道路的梗阻。而智能交通控制系统

22、则在不产生大的硬件改 动的情况下有效的提高效率。 ITS：Intelligent Transport systems。这一国际性术语于1994年被正式 认定。在此之前，美国称这类技术或相关研究项目为“智能车辆道路系统(IVHS)” (Intelligent VelIiele Highway System)。日本将这类技术称为UTMS、VICS等： 欧盟则称之为“道路交通信息技术(RTI)”。国际标准化组织(ISO)为ITS设立的 专项叫ISOTC204，使用的术语是“1rICS(交通运输信息与控制系统)”。 智能交通系统强调的是系统性、信息交流的交互性以及服务的广泛性，其 核心技术是电子技术、

23、信息技术、通信技术、交通工程和系统工程。智能交通 系统ITS是在较完善的道路设施基础上，将先进的电子技术、信息技术、传感器 技术和系统工程技术集成运用于地面交通管理所建立的一种实时、准确、高效、 大范围、全方位发挥作用的交通运输管理系统。 在国内，受客观条件的制约，ITS起步比较晚，在20世纪90年代初，我国的 相 关学者开始意识到研究和开发ITS的重要性。到90年代中期，由于受到国外 ITS研发的影响，政府部门也开始重视对ITS的研究，随后，又得到中央部门和 部分地方政府的支持。 1999年，我国成立了全国智能交通系统(ITS)协调指导小组及办公室，同年， 又成立了全国智能交通运输系统(IT

24、S)专家咨询委员会，其中，同济大学、清华 大学、北方交通大学、北京航空航天大学、吉林工业大学、东南大学等高校的 有关专家为咨询委员，并启动了国家“九五”科技攻关课题和国家“十五”科 技攻关课题。目前，在对一些大中型城市引入的国外ITS进行研究的基础上已经 逐渐开始摸索开发设计适合自己国情的ITS系统。 1.3.2 交通控制存在的问题 我国城市交通运输的现状和存在的问题，借鉴国外城市交通管理的先进经 验，强调建立城市交通管理体制的重要性，提出加强城市交通研究的交通规划， 建立稳定的交通基础设施建设的资金出道，实行公交优先政策，建立先进的交 通信息系统等对策。 随着城市机动车增长速度的加快。199

25、4 年卧轨城市机动车保有量已接近 500 完辆。20 世纪 90 年代以来，经济的发展加快，从 1985 年到 1995 年，机动 车增长率达 13%左右，近几年更是增多。 然而，在此同时，城市道路建设规模也在加大，我国城市普遍存在道路密 度，道路面积率偏低的问题，这是我国城市哟其是大城市有机的一个重要原因。 我国城市道路的密度只有 6.8km 每平方千米，而在 20 世纪 80 年代，世界发达 国家就已到达 20km 每平方千米。20 世纪 90 年代，我国部分城市道路面积率， 北京为 5.9%，上海为 6.4%，而国外东京为 13.8%，巴黎为 25%，普遍高于我国。 近几年，国家虽不断加

26、大城市道路建设的力度，但仍赶不上车辆的增长速度， 且与世界其他国家相比，差距仍很大。 出租车以及公交的发展运营情况并不尽如人意，虽然车辆和线路长度增长， 但运营速度成了瓶颈，新增的运力被运输效率低下所抵消。 交通管理方面水平还欠发展，随着交通需求越来越旺盛，而我国城市中小 交通管理和交通安全的现代化设施却做得不足。在车辆，道路和交通管理系统， 城市交通信号控制系统，城市交通管制中应用人工智能技术，信息 采集和信息 提供技术等方面都与发达国家有很大差距。近几年，虽然有部分城市研究和引 进一些国外先进的交通信号管理系统，但是由于交通管理设施不足等原因，我 国交通事故率居高不下。城市车流行驶速度逐年

27、下降，目前不少城市交通运量 年年增长，但运输速度普遍下降，这都源于交通通行不佳。 1.4 单片机交通控制系统主要研究的内容 基于整个交通控制系统的发展情况，本设计主要进行如下方面的研究：用 智能，集成，且功能强大的单片机芯片为控制中心，设计出一套十字路口的交 通控制系统，以指挥该路口的实时通行状态。 本设计主要做了如下几方面的工作： 一是确定系统交通控制的总体设计，包括，十字路口具体的通行禁行方案 设计以及系统应拥有的各项功能，在这里，本设计除了有信号灯状态控制能实 现基本的交通功能，还增加了倒计时显示提示，基于实际情况，又要求了对车 流量检测及自调整模拟功能，违规检测及处理，紧急状况处理和键

28、盘可设置等 强大功能。 二是进行智能传感器的硬件电路，显示电路等的设计对各器件的选择及连 接，大体分配各个器件及模块的基本功能要求。 三是进行软件系统的设计，对于本系统，本人采用单片机汇编语言编写， 对单片机内部结构和工作情况做了充足的研究，了解定时器，中断以及延时原 理，总体上完成了软件的编写。 2 单片机交通控制系统总体设计单片机交通控制系统总体设计 2.1 单片机交通控制系统的通行方案设计 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

29、 1 开 始变换，直至状态 6 然后循环至状态 1，周而复始，即如图 2.1 所示： 图 2.1 交通状态 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： 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

30、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： 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。 （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

31、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 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 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）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

32、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。 （

33、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。 （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

34、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。 （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示。 2.3 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，

35、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。 单片机 蜂鸣器 按键控制 红黄绿信号灯 车流量检测电路 最小系统外围接口 电路 8 段 LED 数码管显示 图 2.2 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。 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

36、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 系统硬件电路的设计系统硬件电路的设计 3.1 系统硬件总电路构成及原理 实现本设计要求的具体功能，可以选用 AT89S51 单片机及外围器件构成最 小控制系统，12 个发光二极管分成 4 组红绿黄三色灯构成信号灯指示模块，8 个 LED 东西南北各两个构成倒计时显示模块，车流量检测传感器采集流量数据， 光敏传感器捕获违规信号，若干按键组成时

37、间设置和模式选择按钮和紧急按钮 等，以及用 1 个蜂鸣器进行报警。 3.1.1 系统硬件电路构成 本系统以单片机为核心，组成一个集车流量采集、处理、自动控制为一身 的闭环控制系统。系统硬件电路由车流量检测电路、单片机、违规检测电路， 状态灯，LED 显示，按键，蜂鸣器组成。其具体的硬件电路总图如图 3.1 所示。 E A/V P 31 X 1 19 X 2 18 R ES ET 9 R D 17 W R 16 IN T 0 12 IN T 1 13 T 0 14 T 1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01

38、38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSE N 29 A LE /P 30 T XD 11 R XD 10 8051 C RY ST A L 11.0592M HZ C 1 C 2 220v 0.22f0.1 f C5 1 2 3 4 D 1 V in 1 GND 2 V out 3 L M7805 +5v+21.6v G Y R Y G R R G Y Y G R 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp

39、 9 G ND a bf c g d e dp A MB E RC C 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp 9 G ND a bf c g d e dp A MB E RC C 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp 9 G ND a bf c g d e dp D S? A MB E RC C 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp 9 G ND a bf c g d e dp D S? A MB E RC C 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp 9 G ND a bf c g d

40、 e dp D S? A MB E RC C 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp 9 G ND a bf c g d e dp D S? A MB E RC C 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp 9 G ND a bf c g d e dp D S? A MB E RC C 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp 9 G ND a bf c g d e dp D S? A MB E RC C vcc vcc A 1104 vcc vcc J F S R 2R 3 R 4 R 5 vcc R 8 1K V C

41、C R 9 A 7 B 1 C 2 D 6 L T 3 B I/R BO 4 R BI 5 a 13 b 12 c 11 d 10 e 9 f 15 g 14 U ? 7448 vcc A 1104 vcc 0.3K 0.3K 0.3K 0.3K 0.3K 0.3K 0.3K0.3K0.3K 0.3K0.3K0.3K p10 p11 p12 p13 p14 p15 p10 p11 p12 p13p14p15 p10 p11 p12 p13p14p15 vccvccvcc vcc vcc vcc vccvccvcc P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27 P20P21 P

42、22P23 P24P25 P26P27 vcc R 1 C 3 vcc vccvcc vcc 图 3.1 总体设计电路图 其中 P0，P2，用于送显两片 LED 数码管，P1 用于控制红绿黄发光二极管， XTAL1 和 XTAL2 接入晶振时钟电路，RESET 引脚接上复位电路，P3.3 即 INT1 接 违规检测电路和 P3.2 即 INT0 接紧停东西时间设置键 J，P0.6，P0.7 接车流 量检测电路，P3.6 接南北时间设置键 S，P3.7 接自动模式选择返回键 F，P3.4 接蜂鸣器。 3.1.2 系统工作原理 系统上电或手动复位之后，系统等待模式选择设置键按下，模式分两种： 红绿

43、灯时间自动和红绿灯时间设置。若此时 F 键按下，则设置为自动模式，若 此时按下的是 S 键，则设置为时间设置模式，依次按 S 若干次，J 键若干次可 设置好两个方向的红绿灯时间，再按 F 键确认。其实这个过程就是将存储时间 值的寄存器进行设置，以及标志是否要进行车流量检测及调整。 接下来，系统必须先显示状态灯及 LED 数码管，将状态码值送显 P1 口，将 要显示的时间值送显 P0 口和用 P2 口来选通 LED 数码管的显示导通，在此同时 以 50ms 为周期，用软件方法计时 1 秒，到达 1s 就要将时间值减 1，刷新 LED 数码管。 时间到达一个状态所要全部时间，则要进行下一状态判断及

44、衔接，并装入 次状态的相应状态码值以及时间值， 当然，还要开启两个外部中断，其一为违规信号或禁停信号输入，一旦信 号有效，中断开始，进入中断服务子程序，开启蜂鸣器禁止全部通行，当按下 F 键，中断结束返回。其二为车流量检测信号输入，若检测到车辆经过，进入 相应的中断子程序，将存储车流量的计数器加 1，然后中断结束返回。 每满一个状态循环周期，若为自动模式，则须将检测到的车流量数据处理 一次，判断两个方向的交通轻重缓急状况，再调整下次状态循环的红绿灯时间， 以达到自动控制的目的。 3.2 AT89S51 单片机简介 3.2.1 单片机的概述 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

45、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。 单片机的主要特点有： 1)具有优异的性能价格比。 2)集成度高、体积小、可靠性高。 3)控制功能强。 4)低电压，低功耗。 AT89S51 是美国 AT

46、MEL 公司生产的低功耗，高性能 CMOS8 位单片机，片内 含 4k bytes 的可系统编程的 Flash 只读程序存储器,器件采用 ATMEL 公司的高 密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 8051 指令系统及引脚。它集 Flash 程 序存储器 既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用 8 位微处理器 于单片芯片中,ATMEL 公司的功能强大，低价位 AT89S51 单片机可为您提供许多 高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。 3.2.2 AT89S51 芯片内部结构简介 中央处理器：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

47、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。 数据存储器数据存储器(内部内部 RAM)： 数据存储器用于存放变化的数据。AT89S51 中数据存储器的地址空间为 256 个 RAM 单元，但其中能作为数据存储器供用户使用的仅有前面 128 个，后 128 个被专用寄存器占用。 程序存储器程序存储器( (内部内部 ROM)ROM)： 程序存储器用于存放程序和固定不变的常数等。通常采用只读存储器，且 其又多种类型，在 89 系列单片机中全部采用闪存。AT89S51 内部配置了 4KB 闪 存。 定时定时/ /计数器计

48、数器(ROM)(ROM)： 定时/计数器用于实现定时和计数功能。AT89S51 共有 2 个 16 位定时/ 计数器。 并行输入输出并行输入输出(I/O)(I/O)口：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。每个口都由 1 个锁存器和一个驱动器组成。它们主要用于实现与外部设备 中数据的并行输入与输出，有些 I/O 口还有其他功能。 全双工串行口：全双工串行口： A89S51 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。 时钟电路：时钟电路： 时钟电路的作用

49、是产生单片机工作所需要的时钟脉冲序列。 中断系统：中断系统： 中断系统的作用主要是对外部或内部的终端请求进行管理与处理。 图 3.2 AT89S51 系列单片机的内部结构示意图 AT89S51 共有 5 个中断源，其中有 2 个外部中断源和 3 个内部中断源。 3.2.3 主要引脚功能 AT89S51 引脚图如图 3.3 所示： 图 3.3 引脚图 VCC：电源电压 GND：地 P0 口：P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I0 口，也即地址数据总线 复用口。作为输出口用时，每位能驱动 8 个 TTL 逻辑门电路，对端口写“l”可 作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组

50、口线分时 转换地址（低 8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。 P1 口：Pl 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 IO 口，Pl 的输出缓冲级 可驱动（吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对端口写“l” ，通过内部的 上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存 在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL） 。Flash 编程 和程序校验期间，Pl 接收低 8 位地址。 表 3.1 具有第二功能的 P1 口引脚 端口引脚第二功能： P1.5 MOSI（用于 ISP 编程） P1.6 MOSI（用于 ISP 编程） P1.7 MOS

51、I（用于 ISP 编程） P2 口：P2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 IO 口，P2 的输出缓 冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对端口写“1” ，通过内 部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内 部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL） 。在访问 外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器（例如执行 MOVXDPTR 指令）时， P2 口送出高 8 位地址数据。在访问 8 位地址的外部数据存储器（如执行 MOVXRi 指令）时，P2 口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中 P2 寄 存器的内容）

52、，在整个访问期间不改变。Flash 编程或校验时，P2 亦接收高位地 址和其它控制信号。 P3 口：P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I0 口。P3 口输出 缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对 P3 口写入“l”时， 它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的 P3 口 将用上拉电阻输出电流（IIL） 。P3 口除了作为一般的 I0 口线外，更重要的 用途是它的第二功能，如下表所示： 表 3.2 具有第二功能的 P1 口引脚 端口引脚第二功能： P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外中

53、断 0） P3.3 / INT1（外中断 1） P3.4 T0（定时计数器 0 外部输入） P3.5 T1（定时计数器 1 外部输入） P3.6 / WR（外部数据存储器写选通） P3.7 / RD 外部数据存储器读选通） P3 口还接收一些用于 Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 RST：复位输入。当振荡器工作时，RST 引脚出现两个机器周期以上高电 平将使单片机复位。WDT 溢出将使该引脚输出高电平，设置 SFR AUXR 的 DISRT0 位（地址 8EH）可打开或关闭该功能。DISRT0 位缺省为 RESET 输出高电 平打开状态。 ALEError!Error!：当访问

54、外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存 允许）输出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节。即使不访问外部存储器，ALE 仍 以时钟振荡频率的 16 输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用 于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个 ALE 脉冲。 对 F1ash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG） 。如有必要，可 通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的 8EH 单元的 D0 位置位，可禁止 ALE 操 作。该位置位后，只有一条 M0VX 和 M0VC 指令 ALE 才会被激活。此外，该引脚 会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置 ALE 无效。 E

55、rror!Error!程序储存允许（Error!Error!）输出是外部程序存储器的读选通信号， 当 AT89S51 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次Error!Error! 有效，即输出两个脉冲。当访问外部数据存储器，没有两次有效的Error!Error!信号。 Error!Error!VPP：外部访问允许。欲使 CPU 仅访问外部程序存储器（地址为 0000HFFFFH） ，EA 端必须保持低电平（接地） 。需注意的是：如果加密位 LB1 被编程，复位时内部会锁存 EA 端状态。如 EA 端为高电平（接 VCC 端） ，CPU 则 执行内部程序存储器中的指令。F1ash

56、 存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程 电压 Vpp。 XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。 3.2.4 AT89S51 芯片最小系统 一个最简单的单片机系统包括晶振、复位、电源、系统的输入控制、输出显 示，以及其他外围模块(如通信、数据采集等)。 （1）时钟电路 首先介绍一下单片机的晶振电路，即时钟电路。单片机的工作流程，就是在 系统时钟的作用下，一条一条地执行存储器中的程序。单片机的时钟电路由外接 的一只晶振和两只起振电容，以及单片机内部的时钟电路组成，晶振的频率越高， 单片机处理数据的速度越快，系统功耗也会相应增加，稳定性也会下降。单片机 系统常用的晶振频率有 6M

57、Hz、110592MHz、12MHz、本系统采用 110592MHz 晶 振，电容选 22pF 或 30pF 均可。 （2）复位电路 系统刚上电时，单片机内部的程序还没有开始执行，需要一段准备时间，也 就是复位时间。一个稳定的单片机系统必须设计复位电路。当程序跑飞或死机时， 也需要进行系统复位。复位电路有很多种，有上电复位，手动复位等。 （3）EA 脚的功能及接法 单片机的 EA 脚控制程序从内部存储器还是从外部存储器读取程序。由于现 在单片机内部的 flash 容量都很大，因此基本都是从内部的存储器读取程序，即 不需要外接 ROM 来存储程序，因此，EA 脚必须接高电平。 本设计中复位方式采

58、用上电按键手动复位方式，时钟采用内部时钟。如 下图 3.4 所示。 图 3.4 本系统复位与时钟方式 3.3 其它硬件介绍及连接 3.3.1 车流量检测电路及模拟 如何判断两路口车辆的状况呢？我们要设计一套科学检测车流量而自动调 整绿 灯放行时间( 需设定上、下限) 的控制系统,这样无疑会大大提高车辆通过 率, 有效缓解交通压力。我们在每车道车辆等待线的前方都安装一个霍尔车辆 检测传感器, 当有一辆车通过时就会使霍尔开关型传感器的磁场发生变化, 而 产生一个脉冲电平, 脉冲电平送给单片机的计数器处理, 给单片机的计数器定 一个初值, 用来判断各方向车辆状况。比如: 20秒内可以通过的车辆为20

59、辆, 当20秒内南往北方向车辆通过车辆达不到20辆时, 判断该方向为少车, 当20秒 内北往南方向车辆通过车辆也达不到20 辆时, 判断该方向也为少车, 下一次通 行仍为20秒, 当20秒时间内南往北或北往南任意一个方向通过的车辆达20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40秒, 当40秒内通过的 车辆数达45辆时车辆判断为拥挤, 下一次绿灯放行时间改仍为40秒, 当40秒车 辆上通过车辆达不到45辆时, 判断为少车, 下次绿灯放行时间改为20秒, 依此 类推。绿灯下限时间为20秒, 上限值为40秒, 初始时间为20秒。这样检测, 某 次可能不准确, 但下次肯定能弥补回来,

60、 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。本系统的特点 是成本低, 控制准确。 图3.5 十字路口车辆通行顺序 十字路口车辆通行顺序由于南往北, 北往南时间显示相同, 所以只要一个 方向多车, 下次时间就要加长东往西,西往东也一样。 A1104开关型霍尔的工作原理 霍尔传感器的外形图和与磁场的作用关系。磁钢用来提供霍尔能感应的磁 场，当霍尔元件以切割磁力线的方式相对磁钢运动时，在霍尔输出端口就会有