基于51单片机的智能交通灯系统设计

1、1.1. 设计思路设计思路 .1 2.1 电源提供方案.1 2.2 显示界面方案.2 2.3 输入方案：.2 3 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 3.1 单片机交通控制系统的通行方案设计.2 3.2 单片机交通控制系统的功能要求.3 3.3 单片机交通控制系统的基本构成及原理.4 4 4 智能交通灯控制系统的硬件设计智能交通灯控制系统的硬件设计 .4 4.1 AT89C51AT89C51 单片机简介.4 4.1.1 AT89C51单片机的主要特性.5 4.1.2 主要引脚功能.5 4.2 交通灯中的中断处理流程.7 4.3 系统硬件总电路构成及原理.8 4.3.1系

2、统硬件电路构成.8 4.3.2系统工作原理.8 4.4 其它硬件介绍及连接.9 4.4.1 八段 LED 数码管 .9 5 系统软件程序的设计系统软件程序的设计 .11 5.1 程序主体设计流程.11 5.2 理论基础知识.12 5.2.1定时器原理.12 5.2.2软件延时原理.13 5.2.3 中断原理.13 5.3 子程序模块设计.13 5.3.1状态灯显示及判断.13 5.3.2 LED倒计时显示.14 5.3.3 紧停及调整时间中断子程序.14 5.3.4 红绿灯时间调整程序.15 5.4 系统软件调试.17 5.4.1 TKS仿真器.17 5.4.2 集成开发环境 KEIL.17

3、参考文献参考文献.17 设计心得体会设计心得体会.18 附录附录19 智能交通灯 摘要：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。人、车、路三 者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统是用 于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城 市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。随着城市机动车量的不断增加，许多大中城 市（如呼和浩特）出现了交通超负荷运行的情况，因此，有些城市纷纷修建城市高速道 路。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有 充分发挥出预期的作用。所以，如何采用合适的控制方法，缓

4、解主干道与匝道、城区同 周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问 题。 关键词：交通灯 单片机 数码管 1.设计思路 本设计是一种基于模糊控制理论的十字路口模糊交通器的设计。系统采用了单片机 为处理核心来控制交通灯，通过车辆计数传感器对各条道路的车辆进行计数，将信息反 馈到主控器实现对交通灯的实时控制，具有人工智能的交通控制已经成为了交通信号控 制的一个主流方向。将先进的信息技术，数据通讯和传输技术、电子自动控制技术及计 算机处理技术等有效地用于整个地面运输管理体系，全方位发挥作用的实时、准确、高 效的公路综合管理系统。 2.单片机交通控制系统方案的比较、设

5、计与论证 2.1 电源提供方案 为使模块稳定工作，须有可靠电源。 采用独立的稳压电源。此方案的优点是稳定可靠，且有各种成熟 电路可供选用；缺点是各模块都采用独立电源，会使系统复杂，且可能影响电路电平。 2.2 显示界面方案 该系统要求完成倒计时功能。 采用数码管显示。这种方案只显示有限的符号和数码字符，简单，方便。 2.3 输入方案： 题目要求系统能调节灯亮时间，并可处理紧急情况，我研究了两种方案： 由于该系统对于交通灯及数码管的控制，只用单片机本身的 I/O 口就可实现，且本 身的计数器及 RAM 已经够用，故选择直接在 I/O 口线上接上按键开关。 3 单片机交通控制系统总体设计 3.1

6、单片机交通控制系统的通行方案设计 利用四组传感器分别置于十字路口的四条道路，分别计数。如东西南北四条道路先 统计各条路上的车辆数目再分别将南北、东西车辆数目进行对比，记录最大数目，再将 这两个数字进行对比。从而选择控制方案。即如下图所示： 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 5 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

7、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 5 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。 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 1 交通状态及红绿灯状态 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 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

8、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 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，通行时间调整和紧急处理等功能。 （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

9、员在“停止”和“通过”两者间作出合适的选择 。 （2）时间的设置 系统采用了单片机为处理核心来控制交通灯，通过车辆计数传感器对各条道路的车 辆进行计数，将信息反馈到主控器实现对交通灯的实时控制，具有人工智能的交通控制 已经成为了交通信号控制的一个主流方向。将先进的信息技术，数据通讯和传输技术、 电子自动控制技术及计算机处理技术等有效地用于整个地面运输管理体系，全方位发挥 作用的实时、准确、高效的公路综合管理系统。 （3）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

10、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。 3.3 单片机交通控制系统的基本构成及原理 本设计采用车辆计数传感器以及单片机为核心的硬件电路，总结交通警察指挥交通 的经验，用软件来实现模糊控制，以解决城市交通管理问题，采用控制技术、计算机技 术及人工智能相结合，进行实际交通畅通问题的研究。系统主要分为以下几个模块： 硬件设计：主要由控制板、车辆计数传感器，信号传输模块三部分组成，主控板为 核心。 电源设计：电源是系统可靠工作的保证，本设计拟采用传感器与主控板分别供电。 主控板设计：以 AT89S52 单片机为核心进行数据分析与交通灯控制； 车辆计数传感器：拟采用热释电红外传感器；

11、 信号传输模块：利用无线电传输，实现计数器与主控器的沟通； 图 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，由按键设置模块产生输 入，信号灯状态模块，LED 倒计时模块模块接受输出。系统的总体框图如上所示。 单片机上电后，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。在此过程中随时调用急停按键和时间调节中断。 4 智能交通灯控制系统的硬件设计 4.1 交通灯中的中断处理流程 （）现场保护和现场恢复： 有特殊车辆要通过时就要进行中断，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，包括信号灯和时

12、间显示电路。 （）中断打开和中断关闭： 为了使特殊车辆通行按一下打开中断开关就可以打开中断，关闭中断开关就关闭中 断。 （）中断服务程序： 有中断产生，就必然有其具体的需执行的任务，中断服务程序就是执行中断处理的 具体内容：即如果南北方向有特殊车辆要求通过，南北方向转换为绿灯，东西方向为红 灯；如果东西方向有特殊车辆要求通过，东西方向转换为绿灯，南北方向为红灯。 （） 中断返回： 执行完中断服务程序后，必然要返回，即回交通灯信号回到中断前状态，显示时间 也和中断前一样。 4.2 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 C8051F310 单片机及外围器件构成最小控制 系统

13、，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 段数码显示管作 为东西南北倒计时显示模块，若干按键组成时间设置和紧急按钮。 4.2.1 系统硬件电路构成 本系统以单片机为核心，系统硬件电路由状态灯，8 段数码管，按键组成。其具体的 控制电路图如下图所示。 基于单片机的交通灯控制系统电路图 4.4 其它硬件介绍及连接 4.4.1 八段数码管 八段数码管具有亮度高、价格低、寿命长、维护简便等优点。其结构简单，它有 8 个发光二极管(比七段多一个发光二极管，用来显示 dP，即点)，每个发光二极管的阳极 连在一起，如图 3.6 所示。这样，一个 LED 数码管就有 I 根位选线和

14、8 根段选线，要想 显示一个数值，就要分别对它们的高低电平来加以控制。为方便起见，本文主要讨论共 阳八段 LED 数码显示管，其他类形的显示管与其类似。 图 6 LED 数码管 LED 灯的显示原理:通过同名管脚上所加电平的高低来控制发光二极管是否点亮而显 示不同的字形，如 dp，g,f,e,d,c,b,a 全亮显示为，采用共阳极连接驱动代码，代码 表如下表 5 所示。 表 5 驱动代码表 显示数值 dp,g,f,e,d,c,b,a 驱动代码 0C0H 1F9H 2A4H 3B0H 499H 592H 682H 7F8H 880H 990H 相应在程序软件上，可以通过调用程序给定的秒值经过特定

15、计算算出需要显示的个 位和十位，然后有 DPTR 调取 LEDMAP 的代码。 LED8 段数码管的设置为每个方位上的一对 2 为显示器。四个方位上总共用 8 个 LED 接 在单片机的 IO 口上。虽然路口不一样，但是显示的时间在数字上是一样的，所以两边连接 的 IO 口是对称的。如图 3.7 所示，其中 A，B 分别是 P0，P1 的网络标号。 八段数码管连接图 4.4.2 发光二极管 根据本设计的特点，红绿灯的显示不可少，红绿灯的显示采用普通的发光二极管。 每个方向上设置红绿黄灯，总共 4 组。如果东西红灯亮，那南北方向就是绿灯亮，反之 亦然，所以在硬件上连接图上也是对称分布的，如下图

16、8 所示。 信号灯的连接 5 系统软件程序的设计 5.1 程序主体设计流程 全部控制程序实际上分为若干模块：键盘设置处理程序，状态灯控制程序，数码管 显示程序紧停程序，中断服务子程序，红绿灯时间调整程序等。 整个软件程序方面主要分两大部分：主程序部分和中断处理程序。流程图如图 9 所 示。 图 9 系统总流程图 设计说明：该智能交通灯控制系统的软件设计采用的是顺序执行并反复循环的方法。 智能交通灯控制系统在正常工作的情况下，每 20s 循环变化一次。每个循环周期在还剩 5s 时，正在通行路口的黄灯同时点亮并开始闪烁，以提醒路人上的行人及车辆，交通灯 即将发生变化。在此期间若中断按键按下则转入中

17、断服务子程序进行相关操作。 5.2 整体程序 ORG 0000H ;主程序的入口地址 LJMP MAIN ;跳转到主程序的开始处 ORG 0003H ;外部中断 0 的中断程序入口地址 ORG 000BH ;定时器 0 的中断程序入口地址 LJMP T0_INT ;跳转到中断服务程序处 ORG 0013H ;外部中断 1 的中断程序入口地址 MAIN : MOV SP,#50H MOV IE,#8EH ;CPU 开中断，允许 T0 中断，T1 中断和外部中断 1 中断 MOV TMOD,#51H ;设置 T1 为计数方式,T0 为定时方式，且都工作于模式 1 以 tr 启动定时器 MOV TH

18、1,#00H ;T1 计数器清零 MOV TL1,#00H SETB TR1 ;启动 T1 计时器 SETB EX1 ;允许 INT1 中断 SETB IT1 ;选择边沿触发方式 MOV DPTR ,#0003H MOV A, #80H ;给 8255 赋初值，8255 工作于方式 0 MOVX DPTR, A AGAIN: JB P3.1,N0 ;判断是否要设定东西方向红绿灯时间的初值，若 P3.1 为 1 则 跳转 MOV A,P1 JB P1.7,RED ;判断 P1.7 是否为 1，若为 1 则设定红灯时间，否则设定绿灯 时间 MOV R0,#00H ;R0 清零 MOV R0,A ;

19、存入东西方向绿灯初始时间 MOV R3,A ;存入东西方向红灯初始时间 LCALL DISP1 是不是显示调用 LCALL DELAY AJMP AGAIN RED: MOV A,P1 ANL A,#7FH ;P1.7 置 0 MOV R7,#00H ;R7 清零 MOV R7,A ;存入东西方向红灯初始时间 MOV R3,A LCALL DISP1 LCALL DELAY AJMP AGAIN ;- N0: SETB TR0 ;启动 T0 计时器 MOV 76H,R7 ;红灯时间存入 76H N00: MOV A,76H ;东西方向禁止，南北方向通行 MOV R3,A MOV DPTR,#0

20、000H ;置 8255A 口，东西方向红灯亮，南北方向绿灯亮 MOV A,#0DDH MOVX DPTR, A N01: JB P2.0,B0 N02: SETB P3.0 CJNE R3,#00H,N01 ;比较 R3 中的值是否为 0，不为 0 转到当前指令处执行 ;-黄灯闪烁 5 秒程序- N1: SETB P3.0 MOV R3,#05H MOV DPTR,#0000H ;置 8255A 口，东西，南北方向黄灯亮 MOV A,#0D4H MOVX DPTR,A N11: MOV R4,#00H N12: CJNE R4,#7DH,$ ;黄灯持续亮 0.5 秒 N13: MOV DPT

21、R,#0000H ; 置 8255A 口，南北方向黄灯灭 MOV A,#0DDH MOVX DPTR,A N14: MOV R4,#00H CJNE R4,#7DH,$ ;黄灯持续灭 0.5 秒 CJNE R3,#00H,N1 ;闪烁时间达 5 秒则退出 ;- N2: MOV R7,#00H MOV A,R0 ;东西通行，南北禁止 MOV R3,A MOV DPTR,#0000H ; 置 8255A 口，东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮 MOV A,#0EBH MOVX DPTR,A N21: JB P2.0,T03 N22: CJNE R3,#00H,N21 ;-黄灯闪烁 5 秒程序- N3:

22、 MOV R3,#05H MOV DPTR,#0000H ;置 8255A 口，东西，南北方向黄灯亮 MOV A,#0E2H MOVX DPTR,A N31: MOV R4,#00H CJNE R4,#7DH,$ ;黄灯持续亮 0.5 秒 N32: MOV DPTR,#0000H ; 置 8255A 口，南北方向黄灯灭 MOV A,#0EBH MOVX DPTR,A N33: MOV R4,#00H CJNE R4,#7DH,$ ;黄灯持续灭 0.5 秒 CJNE R3,#00H,N3 ;闪烁时间达 5 秒则退出 SJMP N00 ;-闯红灯报警程序- B0: MOV R2,#03H ;报警持

23、续时间 3 秒 B01: MOV A,R3 JZ N1 ;若倒计时完毕，不再报警 CLR P3.0 ;报警 CJNE R2,#00H,B01 ;判断 3 秒是否结束 SJMP N02 ;-1 秒延时子程序- N7: RETI T0_INT:MOV TL0,#9AH ;给定时器 T0 送定时 10ms 的初值 MOV TH0,#0F1H INC R4 INC R5 CJNE R5,#0FAH,T01 ;判断延时是否够一秒，不够则调用显示子程序 MOV R5,#00H ;R5 清零 DEC R3 ;倒计时初值减一 DEC R2 ;报警初值减一 T01: ACALL DISP ;调用显示子程序 RE

24、TI ;中断返回 ;-显示子程序- DISP: JNB P2.4,T02 DISP1: MOV B,#0AH MOV A,R3 ;R3 中值二转十显示转换 DIV AB MOV 79H,A MOV 7AH,B DIS: MOV A,79H ;显示十位 MOV DPTR,#TAB MOVC A,A+DPTR MOV DPTR,#0002H MOVX DPTR,A MOV DPTR,#0001H MOV A,#0F7H MOVX DPTR,A LCALL DELAY DS2: MOV A,7AH ;显示个位 MOV DPTR,#TAB MOVC A,A+DPTR MOV DPTR,#0002H MOVX DPTR,A MOV DPTR,#0001H MOV A,#0FBH MOVX DPTR,A RET ;-东西方向车流量检测程序- T03: MOV A,R3 SUBB A,#00H ;若绿灯倒计时完毕，不再检测车流量 JZ N3 JB P2.0,T03 INC R7 CJNE R7,#64H,E1 MOV R7,#00H ;中断到 100 次则清零 E1: SJMP N22 ;-东西方向车流量显示程序- T02: MOV B,#0AH MOV A,R7 ;R7 中值二转十显示转换 DIV AB MOV 79H,A MOV 7AH,B DIS3: MOV A