基于单片机的城市智能交通灯控制系统的设计论文

-.z城市学院本科毕业论文基于8051单片机的城市智能交通灯控制系统的设计摘要随着经济的开展，城市现代化程度不断提高，交通需求和交通量迅速增长，城市交通网络中交通拥挤日益严重。因此，一个好的交通灯控制系统，将给道路拥挤等方面给予技术革新。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、紧急处理〔中断〕等模块组成。本设计除了根本交通灯功能外，还具有倒计时显示、紧急情况处理等相关功能。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。本设计根据单片机具有功能强、实用方便灵活、可靠性高的特点，提出了用8051单片机自动控制交通信号灯灯及时间显示的方法，同时给出了软硬件的设计及实现方法，在硬件电路中具体设计了时钟电路、复位电路、中断电路信号灯电路设计，在软件电路中具体编写了中断程序和软件延时程序。为交通指挥自动化提供一种新的廉价手段，具有一定的推广意义。关键词：交通控制；单片机；8051；智能ABSTRACTTheagesisanautomationagesnowadaysandtransportationlightcontrol'swaitingalotofequipmentsofprofessionsalliscloselyrelatedwithcalculator.Therefore,agoodtransportationlightcontrolsystem,willhustleforroad,givetechniqueinnovation.The8051microcontrollrecontrolsystemconsistsofthetrafficlightsdisplay,8051monolithicintegratedcircuits,andLEDthecountdown,emergencyadjustment.Inadditiontothebasictrafficfunctionoutside,stillhavetimetomanuallyset,andsoon.theoryshowthatthesystemcansimple,economicandeffectiverelievestraffic,improvethecrossroadscapacity.Accordingtothedesignofchipmircrocotrollrehasstrongfunction,convenientandfle*ible,hingreliablility.presentedwith8051microcontrollrecontrolfortrafficsignallightsandtimedisplaymethod,atthesametime,givesthehardwareandsoftwaerdesignandimplementationmethod.Inthehardwarecircuitofthespecificdesignofclockcircuit,aninterruptcircuitsignalccirrcuitdesign.Inthesoftwarecircuitspecificwritinginterruptprogramandasoftwareprogram.Trafficmandautomationprovidesanewmeansofcheap,haspopularizingsignificane.Keywords:TrafficControl；SingleChipMicroputer；8051；Intelligence-.zPAGE1目录TOC第1章绪论11.1课题研究的背景及意义11.2本文主要研究工作1第2章道路交通灯控制系统的设计方案22.1系统总框架22.2电路的工作原理2第3章硬件设计43.1系统总框图43.2总的硬件电路图设计43.2.1时钟电路设计53.2.2复位电路设计63.2.3单片机最小系统73.2.4LED数码管显示电路设计73.2.5信号灯设计93.2.6中断电路设计10第4章软件设计124.1软件流程图124.2局部函数介绍124.2.1每秒钟的设定124.2.2计数器初值计算124.3软件延时134.4中断响应程序设计144.4程序流程图154.5中断程序164.6源程序17结论21参考文献22致谢24-.z第1章绪论1.1课题研究的背景及意义随着经济的开展，城市现代化程度不断提高，交通需求和交通量迅速增长，城市交通网络中交通拥挤日益严重，道路运输所带来的交通拥堵、交通事故和环境污染等负面效应也日益突出，逐步成为经济和社会开展中的全球性共同问题。交通问题已经日益成为世界性的问题，城市交通事故、交通堵塞和交通污染问题愈加突出。为了解决车和路的矛盾，常用的有两种方法：一是控制需求，最直接的方法就是限制车辆的增加；二是增加供应，即大量修筑道路根底设施的方法，在资源、环境矛盾越来越突出的今天，面对越来越拥挤的交通，有限的资源和财力以及环境的压力，也将受到限制。这就需要依靠除限制需求和提供道路设施之外的其他方法来满足日益增长的交通需求。在现有的道路交通条件下，实施交通控制和管理，充分发挥现有道路的通行能力正是解决这一矛盾的途径之一，大量事实已经证明这种方法的有效性。通过对城市主要十字路口交通控制规律的观察发现，我国现有交通灯控制系统的一个缺陷：当有紧急车辆通过时没有响应的措施让紧急车辆优先通过，本设计针对这一问题设计了当有紧急车辆来时优先让其通过。1.2本文主要研究工作为了实现对交通道路的管理，力求交通管理先进性、科学化，本设计分析应用了单片机实现智能交通灯管制的控制系统，以及该系统软、硬件设计方法，实验证明该系统实现简单、经济、能够有效地疏导交通，提高交通路口的通行能力[1]。本设计主要做以下几方面的工作：一、对交通信号灯的研究意义和交通灯的研究现状进展分析，确定系统交通控制的总体设计，包括交通灯控制系统通常要实现自动控制等各项应有功能，增加在紧急情况下能够手动切换信号灯让紧急车辆优先通行的功能。二、基于8051单片机设计出城市智能交通灯控制系统，并进展详细说明设计总的硬件电路以及各个局部的硬件电路。三、进展软件系统的设计，尤其详细说明了定时器、中断以及延时程序的设计。第2章道路交通灯控制系统的设计方案2.1系统总框架本设计针对一个大型十字路口设计的交通信号灯控制系统。东西方向和南北方向各设有红灯、黄灯、绿灯各一组。指挥车辆和行人平安通行。红灯亮制止通行，绿灯亮允许通行。黄灯亮提示人们注意红、绿灯的状态即将切换[2]。状态一南北方向上红灯亮25秒，东西方向上绿灯亮20秒，状态二东西方向上绿灯闪烁2秒再接着黄灯闪烁3秒，状态三东西方向上红灯亮25秒，东西方向上绿灯亮20秒，状态四南北方向上绿灯闪烁2秒再接着黄灯闪烁3秒。这样四个状态一直循环下去，并有数码管显示时间。除了可以实现根本交通灯功能外，亦能实现倒计时和紧急情况下的中断处理。2.2电路的工作原理本系统共设有12个LED，其中红色的4个，绿色的4个，黄色的4个。所有LED在该设计中采用共阴极接法[4]。交通灯应满足两个方向的工作时序：东西道绿灯和黄灯亮的时间等于南北道红灯亮的时间；南北道绿灯和黄灯亮的时间等于东西道红灯亮的时间。假设假设每个单位脉冲周期为1秒，则东西道绿灯、黄灯、红灯分别亮的时间为22秒、3秒、25秒，而相应的南北道红灯、绿灯、黄灯分别亮的时间为25秒、22秒、3秒。一次循环为50秒。东西方向黄灯亮时，南北方向红灯以1Hz的频率闪烁；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯以1Hz的频率闪烁。各个方向的信号灯亮时，需配合有时间提示，以数字显示出来，方便行人与机动车观察。信号灯亮的时间均以每秒减“1〞的计数方式工作，直至减到“0〞后各信号灯自动转换。由软件设置交通灯的初始时间，数码管的段码用不同的口线，东西方向的是用的P0口，南北的使用P3口，用单片机来控制各种信号灯的燃亮时间，通过单片机的P2口控制[5]。控制电路图如下列图2.1所示：倒计时显示倒计时显示8051系统处理交通信号灯图2.1控制电路框图本系统每个信号指示灯接一个对应的I/O口，通过对I/O口赋值控制交通信号灯的状态来指挥交通。在此根底上按键可以触发单片机进入中断，进而控制交通信号灯的状态[6]。第3章硬件设计3.1系统总框图交通灯控制系统的设计方案如下列图3.1所示：图3.1系统设计方案框图时钟电路图3.1系统设计方案框图时钟电路LED灯显示8051信号灯时间显示局部中断部分复位电路3.2总的硬件电路图设计图3.2总硬件电路图〔其中R表示红灯,Y表示黄灯,G绿灯〕时钟电路设计时钟电路是单片机的心脏，它控制着单片机的工作节奏。单片机内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。反相放大器的输入端为*TAL1，输出端为*TAL2，利用芯片内部反相器和电阻组成的振荡电路，在*TAL1和*TAL2引脚上跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器，形成单片机的时钟电路(如下列图3.3所示)，可稳定频率并对振荡频率有微调作用[7]。每个单片机系统里都有晶振，全程是叫晶体震荡器，在单片机系统里晶振的作用非常大，他结合单片机内部的电路，产生单片机所必须的时钟频率，单片机的一切指令的执行都是建立在这个根底上的，晶振的提供的时钟频率越高，那单片机的运行速度也就越快。晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，准确的单频振荡。晶振的作用是为系统提供根本的时钟信号[7]。本设计中取晶体振荡器的频率，电容C1、C2的主要作用是帮助振荡器起振，其值的大小对振荡器的频率有微调作用，典型值为C1=C2=33pF。图3.3时钟电路复位电路设计单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开场工作。51系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期(24个振荡周期)以上，则CPU就可以响应并将系统复位[8]〔本设计中需要2us以上的高电平就能复位〕。除进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，可以按复位键以重新启动。具体电路如图3.4所示：图3.4复位电路单片机最小系统图3.5最小系统电路图单片机最小系统〔如上图3.5所示〕以8051为核心，外加时钟和复位电路,电路构造简单，抗干扰能力强，本钱相对较低，非常符合本设计的所有要求。时钟电路在单片机的外部通过*TAL1、*TAL2这两个引脚跨接晶体振荡器和微调电容，构成稳定的自激振荡器.本系统采用的为12MHz的晶振，一个机器周期为1us，C1、C2为33pF[9]。复位电路分为上电自动复位和按键手动复位，RST引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效。上电自动复位通过电容C3和电阻R2来实现，按键手动复位是图中复位键来实现的[10]。LED数码管显示电路设计根据系统设计要求，东西和南北方向的信号灯时间不一样，所以就利用单片机的P0和P3口来做数码管的段码驱动，东西方向和南北方向的位线可以公共来使用，可以节约单片机的口线[11]。数码管可以使用共阴数码管[4]，数码管的每段的电流是10毫安。电路如下列图3.6所示：图3.6单片机与数码管连线图其数码管显示原理[13]：数码管按段数分为7段数码管和8段数码管。7段数码管是由七段条形发光二极管组成的“8〞字形的LED显示器，每段分别用a、b、c、d、e、f、g表示；8段数码管则是在7段的根底上再加一个圆点型发光二极管，用dp表示。由于连接方式的不同，数码管又分共阳极接法和共阴极接法，接法不同，段码值不同[12]。在本设计中采用共阴极接法，具体段码值确定如下表3.1所示：表3.1采用共阴极连接显示数值dpgfedcba驱动代码〔16进制〕0001111113FH10000011006H2010110115BH3010011114FH40110011066H5011011006DH6011111007DH70000011107H8011111117FH9011011116FH信号灯设计本设计利用单片机的P2口驱动和控制各种信号灯的燃亮和燃亮时间，在实际中，交通灯的信号灯需要用高电压控制，在这里我们只是模拟一下它的控制信号，所以我们就只用单片机的信号引脚直接来控制发光二极管，电路图见图3.8所示[14]。锁存器--74HC573八进制三态非反转透明锁存器，高性能硅门CMOS器件。器件的输入是和标准CMOS输出兼容的；加上拉电阻，他们能和LS/ALSTTL输出兼容。当锁存使能端为高时，这些器件的锁存对于数据是透明的〔也就是说输出同步〕。当锁存使能变低时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存[15]。管脚安排如下列图3.7所示：图3.7锁存器74HC573管脚图主要特点：输出能直接接到CMOS，NMOS和TTL接口上操作电压*围：2.0V-6.0V低输入电流：1.0uACMOS器件的高噪声抵抗特性其功能表如表3.2所示：表3.2锁存器74HC573功能表输入输出输出使能输入锁存DQLHHHLHLLLL*不变H**Z*：不用关心Z：高阻抗图3.8单片机与信号灯连接图(其中R表示红灯，Y表示黄灯，G表示绿灯)中断电路设计[16]当紧急情况发生时，按下紧急按键〔外部中断INT1〕，单片机输出紧急信号，系统进入紧急状态[17]。中断硬件显示如下列图3.9所示：图3.9中断硬件连接图第4章软件设计4.1软件流程图开场系统初始化开场系统初始化初值送缓冲单元初值减到“0〞.返回图4.1主程序流程调用显示子程序初值自减拆分程序YN4.2局部函数介绍每秒钟的设定延时方法可以有两种一中是利用MCS-51内部定时器才生溢出中断来确定1秒的时间，另一种是采用软件延时的方法[18]。计数器初值计算定时器工作时必须给计数器送计数器初值，这个值是送到TH和TL中的。他是以加法记数的，并能从全1到全0时自动产生溢出中断请求。因此，我们可以把计数器记满为零所需的计数值设定为C和计数初值设定为TC可得到如下计算通式：TC=M-C式中，M为计数器摸值，该值和计数器工作方式有关。在方式0时M为213；在方式1时M的值为216；在方式2和3为28。计算公式：T=〔M－TC〕T计数或TC＝M－T／T计数T计数是单片机时钟周期TＣＬＫ的12倍；TC为定时初值。如单片机的主脉冲频率为TＣＬＫ12MHz，经过12分频：方式0TMA*＝213*1微秒＝8.192毫秒方式1TMA*＝216*1微秒＝65.536毫秒显然１秒钟已经超过了计数器的最大定时间，所以我们只有采用定时器和软件相结合的方法才能解决这个问题。4.3软件延时MCS-51的工作频率为2~12MHz。机器周期与主频有关，机器周期是主频的12倍，所以一个机器周期的时间为12*〔1/6M〕=2us。我们可以知道具体每条指令的周期数，这样我们就可以通过指令的执行条数来确定1秒的时间[19]。具体的延时程序分析：DELAY:MOVR4,*08H延时1秒子程序DE2:LCALLDELAY1DJNZR4,DE2RETDELAY1:MOVR6,*0延时125ms子程序MOVR5,*0DE1:DJNZR5,$DJNZR6,DE1RETMOVRN，*DATA字节数数为2机器周期数为1所以此指令的执行时间为2msDELAY1为一个双重循坏，循环次数为256*256=65536，所以延时时间=65536*2=131072us约为125us。DELAYR4设置的初值为8，主延时程序循环8次，所以125us*8=1秒。由于单片机的运行速度很快其他的指令执行时间可以忽略不计。4.4中断响应程序设计在现实生活中，通常会有一些紧急车辆出现〔例如救护车〕。此时应强行中断正常的交通灯运转状态，使有紧急车辆的车行方向保持通行状态。无紧急车辆时，交通信号灯按正常时序控制。有紧急车辆来时，假设紧急车通行方向为绿灯状态，则无需处理。假设紧急车通行方向为红灯状态，则按下紧急通行开关使此方向维持红灯状态，另一个方向也为红灯状态。，一般情况下交通灯按照车流量大小合理分配通行时间，按一定规律变化，但考虑紧急车通行车况，设计紧急通行开关[20]。中断效劳程序的流程图如图4.2所示。返回保护现场强制南北东西方向为红灯返回保护现场强制南北东西方向为红灯数码显示时间中断完毕.恢复现场中断响应中断响应中断响应保护现场保护现场强制南北方向或者东西方向为绿灯强制南北方向或者东西方向为绿灯数码显示时间否数码显示时间中断完毕.中断完毕.是恢复现场恢复现场图4.2中断流程图交通灯的中断处理流程：〔1〕现场保护和现场恢复：有紧急车辆要通过时要进展中断，在中断之前，先将交通灯中断前情况保护好，当中断执行后再恢复现场，包括信号灯，时间显示电路。〔2〕中断翻开和中断关闭：按一下紧急车辆通行开关就可以翻开中断，关闭紧急车辆通行开关也要关闭中断。〔3〕中断效劳程序：有中断产生，就必然有其具体的要执行的任务，中断效劳程序就是执行中断处理的具体内容：东西南北方向全是红灯。〔4〕中断返回：执行完中断效劳程序后，必然要返回，即交通灯信号回到中断前状态，显示时间也和中断之前一样。4.4程序流程图开场初始化设定初值南北红灯计时25S东西绿灯计时20S东西绿灯闪2S开场初始化设定初值南北红灯计时25S东西绿灯计时20S东西绿灯闪2S东西黄灯闪3S南北绿灯计时20S东西红灯计时25S南北绿灯闪2S南北黄灯闪3S图4.3程序流程图4.5中断程序JJ:PUSHPSW；紧急车中断PUSHACCPUSHR6PUSHTH0；保持中断时刻时间PUSHTL0；保持中断时刻计数值PUSHTH1PUSHTL1CLRTR0CLRTR1SETBEAMOVA,*0C3H；东西南北全红MOV*DPTR,ALCALLDBLAYR2POPTL1POPTH1POPTL0POPTH0POPR6MOVA,R6；输出中断前状态MOV*DPTR,APOPACCSETBTR0SETBTR1POPPSWRETIEND4.6源程序系统晶振是12MHzORG0000HLJMPSTARTORG0003H;INT0中断入口地址LJMPINT0ORG0040HSTART:MOVSP,*60HMOVTMOD,*01H;初始化SETBET0MOVTH0,*3CHMOVTL0,*B0HCLRAMOVR1,ASETBEALCALLSTATUSR0;初始状态(都是红灯)CIRCLE:LCALLSTATUSR1;南北绿灯,东西红灯LCALLSTATUSR2;南北绿灯闪转黄灯,东西红灯LCALLSTATUSR3;南北红灯,东西绿灯LCALLSTATUSR4;南北红灯,东西绿灯闪转黄灯LJMPCIRCLEINT0:PUSHPSW;保护现场PUSHR2PUSHACCMOVTH0,*3CHMOVTL0,*B0HINCR1MOVA,R1CJNEA,*14H,IN0MOVDPTR,*8300HMOVA,*0FH;南北,东西都亮红灯MOV*DPTR,AMOVR2,*100;延时10秒LCALLDELAYPOPACC;恢复现场MOV*DPTR,APOPR2POPPSWIN0:RETISTATUSR0:;南北红灯,东西红灯MOVDPTR,*8300HMOVA,*0FHMOV*DPTR,AMOVR2,*10;延时1秒LCALLDELAYRETSTATUSR1:;南北绿灯,东西红灯MOVDPTR,*8300HMOVA,*96H;南北绿灯,东西红灯MOV*DPTR,AMOVR2,*200;延时20秒LCALLDELAYRETSTATUSR2:;南北绿灯闪转黄灯,东西红灯MOVDPTR,*8300HMOVR3,*03H;绿灯闪3次FLASH:MOVA,*9FHMOV*DPTR,AMOVR2,*03HLCALLDELAYMOVA,*96HMOV*DPTR,AMOVR2,*03HLCALLDELAYDJNZR3,FLASHMOVA,*06H;南北黄灯,东西红灯MOV*DPTR,AMOVR2,*10;延时1秒LCALLDELAYRETSTATUSR3:;南北红灯,东西绿灯MOVDPTR,*8300HMOVA,*69HMOV*DPTR,AMOVR2,*200;延时20秒LCALLDELAYRETSTATUSR4:;南北红灯,东西绿灯闪转黄灯MOVDPTR,*8300HMOVR3,*03H;绿灯闪3次FLASHR1:MOVA,*6FHMOV*DPTR,AMOVR2,*03HLCALLDELAYMOVA,*69HMOV*DPTR,AMOVR2,*03HLCALLDELAYDJNZR3,FLASH1MOVA,*09H;南北红灯,东西黄灯MOV*DPTR,AMOVR2,*10;延时1秒LCALLDELAYNOPRETDELAY:;延时子程序PUSHR2PUSHR1PUSHR0DELAYR1:MOV1,*00HDELAYR2:MOV0,*0B2HDJNZR0,$DJNZR1,DELAYR2;延时100msDJNZR2,DELAYR1POPR0POPR1POPR2RETEND结论本此设计充分利用了8051芯片的I/O引角。系统采用MCS-51系列单片机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单片机芯片的P2口设置红、绿灯燃亮时间的功能；P2口和P3口外接数码管来显示各个信号灯的时间。系统设计简便、实用性强、操作简单、程序设计简便。本次的单片机课程设计，使我们更进一步了解到单片机的优点和强大功能,在查找资料的过程中,认识到单片微型计算机应用的广泛性和极高的性价比。根据实验结果，本设计根本完成了设计要求，由于学生的知识水平有限和时间比拟仓促，设计的单片机交通灯系统还是存在一些的缺点和缺乏，譬如红灯和绿灯的切换不够迅速，红绿灯规则效率不是很高，而且这些都没有考虑到一些特殊人群如盲人与色盲，没能实现左右转向信号灯的设计，不能根据车流量的大小来控制各方向的通车时间，应该再加一些语音提示等等措施，相信如果这样可以大大降低交通事故率。参考文献[1]王成勇.智能交通灯控制系统[J],**技术师*学院学报.2006,(4):92-94.[2]迟晓君,林彬.**市智能交通系统分析与展望[J].中共**市委党校**行政学院学报，2004,(1):64-66.[3]王幸之等.单片机应用系统抗干扰技术[M].航空航天大学,1999:229-235.[4]李杏春等.8051单片机原理及实用接口技术[M].航空航天大学,1996:267-269.[5]何为民.低功耗单片微机系统设计[M].航空航天大学,1994:235-237.[6]李华.MCS-51系列单片机实用接口技术[M].航空航天大学,1993:123-125.[7]何立民.I2C总线应用系统设计[M].航空航天大学,1995:235-248.[8]何立民.单片机应用技术[M].航空航天大学,1997:193-198.[9]何立民.单片机高级教程[M].航空航天大学,2000:124-128.[10]*友德.飞利浦80C51系列单片机原理与应用技术手册[M].航空航天大学,1992:267-278.[11]李朝青.单片机原理及接口技术[M].航空航天大学,