基于AT89S51单片机控制的交通灯设计Word文档格式.docx

基于AT89S51单片机控制的交通灯设计Word文档格式.docx

《基于AT89S51单片机控制的交通灯设计Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于AT89S51单片机控制的交通灯设计Word文档格式.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

2系统设计要求与整体规划

2.1基础设计要求

1）设计一个十字路口的交通灯控制电路，要求南北方向和东西方向两个交叉路口的车辆交替运行，两个方向能根据车流量大小自动调节通行时间，车流量大，通行时间长，车流量小，通行时间短。

2）每次绿灯变红灯时,要求黄灯先亮5S,才能变换运行车辆。

3）东西方向、南北方向车道除了有红、黄、绿灯指示外，每一种灯亮的时间都用数码管显示器进行显示（采用倒计时的方法）。

4）同步设置人行横道红、绿灯指示。

2.2系统规划

我们将系统设计成可分离单独工作的主控制机与客户端的形式，但是和传统的C/S模式不一样的是，每个终端机可以脱离主控制机而独立工作。

即使主控制机停止工作，或者由于某种原因不能正常工作，各终端机也可以照常稳定的工作。

各个终端机负责管理路口的多个信号灯。

为了方便我们称主控制机为主系统，各个终端机称为子系统。

控制系统的总框图如图2-1示

2.3方案论证和比较

1）智能交通灯的研究现状

目前设计交通灯的方案有很多，有应用CPLD设计实现交通信号灯控制器方法;

有应用PLC实现对交通灯控制系统的设计;

有应用单片机实现对交通信号灯设计的方法。

目前，国内的交通灯一般设在十字路门，在醒目位置用红、绿、黄三种颜色的指示灯。

加上一个倒计时的显示计时器来控制行车。

对于一般情况下的安全行车，车辆分流尚能发挥作用，但根据实际行车过程中出现的情况，还存在缺点：

两车道的车辆轮流放行时间相同且固定，在十字路口，经常一个车道为主干道，车辆较多，放行时间应该长些；

另一车道为副干道，车辆较少，放行时间应该短些

2）智能交通灯的设计方案及改进措施

针对道路交通拥挤，交叉路口经常出现拥堵的情况。

利用单片机控制技术，提出了软件和硬件设计方案及改进措施：

根据各道路路口车流量的大小自动调节通行时间。

由于AT89S51单片机自单带有2计数器，6个中断源，能满足系统的设计要求。

用单片机设计不但设计简单，而且成本低，用其设计的交通灯也满足了要求，所以本文采用单片机设计交通灯。

系统构图如图2-2所示：

图2-2系统结构框图

3AT89S51单片机简介

3.1单片机概述

单片机微型计算机是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。

AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes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。

3.2AT89S51单片机的主要性能参数和主要引脚

3.2.1主要性能参数

与单片机产品兼容8K字节在系统可编程Flash存储器、1000次擦写周期、全静态操作：

0Hz～33Hz、三级加密程序存储器、32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器八个中断源、全双工UART串行通道低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符。

3.2.2AT89S51芯片内部结构简介

·

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（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（内部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/计数器（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（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。

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：

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：

时钟电路的作用是产生单片机工作所需要的时钟脉冲序列。

中断系统：

中断系统的作用主要是对外部或内部的终端请求进行管理与处理。

AT89S51共有5个中断源，其中又2个外部中断源和3个内部中断源。

图3-2是AT89S51系列单片机的内部结构示意图。

图3-2AT89S51系列单片机的内部结构示意图

3.2.3主要引脚功能

AT89S51引脚图如图3-1所示：

VCC：

电源电压

GND：

地

P0口：

P0口是一组8位漏极开路型双向I／0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I／O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

P1.7

P2口：

P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I／O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MOVX@DPTR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MOVX@Ri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），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I／0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I／0口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示：

表2具有第二功能的P1口引脚

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

/INT0（外中断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SFRAUXR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。

ALE／

：

当访问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1／6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。

程序储存允许（

）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

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

信号。

／VPP：

外部访问允许。

欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H－FFFFH），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。

4智能交通灯方案的实现

根据设计任务和要求,可画出该控制器的原理框图,为确保十字路口的交通安全，往往都采用交通灯自动控制系统来控制交通信号。

其中红灯（R）亮，表示禁止通行；

黄灯（Y）亮表示暂停；

绿灯（G）亮表示允许通行。

4.1系统总框图如图4-1：

图4-1系统总框图

4.2智能交通灯系统的组成

交通灯系统由四部分组成：

车检测电路，信号灯电路，时间显示电路，紧急转换开关。

4.3智能交通灯系统的工作原理

大家都明白，绿灯的放行时间与车辆通过数量不成正比。

比如说20秒内每车道可以通过20辆车，40秒内每车道却可以通过45辆车。

因为这有一个起步的问题，还有一个黄灯等待问题。

也就是说，绿灯放行时间越长，单位时间通过车辆的数量就越多。

我们来计算一下，每车道通行20秒内可以通过20辆车，一个红绿灯循环是40秒（单交叉路口），加上每次状态转换的黄灯5秒（一个循环要两次转换），即一个红绿黄灯循环要50秒，即50秒内通行的车辆为40辆。

通过一辆车的平均时间是1.25秒。

如果每次车辆通行的时间改为40秒，40秒内每车道可以通过45辆，一个红绿灯循环是80秒（单交叉路口），加上每次状态转换的黄灯5秒（一个循环要两次转换），即一个红绿黄灯循环要90秒，即90秒内通行的车辆为90辆。

通过一辆车的平均时间只需1秒。

显然在车辆拥挤的情况下绿灯的通行时间越长，单位时间内通行的车辆越多，可以有效缓解车辆拥堵问题。

当然绿灯时间也不可能无限长，要考虑到让另一路口的等待时间不能过长。

人们总是希望在交通灯前等候的时间越短越好。

所以笔者设定了绿灯通行时间的上限为40秒。

在非拥挤时段绿灯的通行时间的下限为20秒，当交叉路口双方车辆较少时通行时间设为20秒，这样可以大大缩短车辆在红灯面前的等待时间。

当交叉路口双方车辆较多时通行时间设为40秒。

4.3.1车检测电路

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，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。

十字路口车辆通行顺序如图4-2所示：

图4-2十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，显示时间选择如表3。

表3显示时间选择

车辆情况

本次该方向通行时间

下次该方向通行时间

南往北少车，北往南少车

20秒

40秒

南往北少车，北往南多车

南往北多车，北往南少车

南往北多车，北往南多车

东往西少车，西往东少车

东往西少车，西往东多车

东往西多车，西往东少车

东往西多车，西往东多车

4.3.2信号灯电路

信号灯用来显示车辆通行状况，下面以一个十字路口为例，说明一个交通灯的四种状态见图4-3。

每个路口的信号的的转换顺序为：

绿——>

黄——>

红绿灯表示允许通行，黄灯表示禁止通行，但已经驶过安全线的车辆可以继续通行，是绿灯过渡到红灯提示灯。

红灯表示禁止通行。

绿灯的最短时间为20秒，最长时间为40秒，红红最短时间为25秒，最长时间为45秒，黄灯时间为5秒。

图4-3交通信号灯运行状态

4.3.3时间显示电路

在交通信号灯的正上方安装一个可以显示绿灯通行时间，红灯等待时间的显示电路，采用数码管显示电路是一种很好的方法。

由于东往西方向和西往东方向显示的时间相同，南往北方向和北往南方向显示的时间也相同，所以只需要考虑四位数码管显示电路，其中东西方向两位，南北方向两位，两位数码管可以时间的时间为0-99秒完全可以满足系统的要求，数码管连接方法如图4-4所示。

图4-4数码管连接方法

4.4交通灯控制线路如上图所示

5.系统软件设计

5.1控制器的软件设计

5.1.1每秒钟的设定

延时方法可以有两种一中是利用MCS-51内部定时器产生溢出中断来确定1秒的时间，另一种是采用软件延时的方法。

计数器硬件延时

.a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为计数器模值，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

.b计算公式

T=（M－TC）T计数

或TC＝M-C／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0　　　　TMAX＝213　＊１微秒＝8.912毫秒

方式1　　　　TMAX＝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办法才能解决这个问题．

5.1.21秒的方法

　我们采用在主程序中设定一个初值为20的软件计数器和使T0定时50毫秒．这样每当T0到50毫秒时CPU就响应它的溢出中断请求，进入他的中断服务子程序。

在中断服务子程序中，CPU先使软件计数器减１，然后判断它是否为零。

为零表示1秒已到可以返回到输出时间显示程序。

相应程序代码

（１）主程序　

　　　定时器需定时50毫秒，故T0工作于方式1。

　初值：

　　　　TC＝M-T／T计数　＝２１６　－50ms/1us=15536=3CBOH

ORG1000H

START:

MOVTMOD,#01H;

令T0为定时器方式１

MOVTH0,#3CH;

装入定时器初值

MOVTL0,#BOH　　;

MOVIE,　　　#82H;

开Ｔ0中断

SEBT　TRO　　　　　　；

启动Ｔ0计数器

MOV　RO,　　#14H　　;

软件计数器赋初值

LOOP:

　SJMP$　　　　　　　；

等待中断

（２）中断服务子程序

　　　　　ORG00BH　　　　　

AJMP　BRT0

　　　　　ORG　00BH

BRT0：

DJNZR0，NEXT

　　　　　　AJMPTIME;

跳转到时间及信号灯显示子程序

DJNZ：

MOVR0，＃14H　;

恢复R0值

　　MOVTH0,#3CH;

重装入定时器初值

MOVIE,　　#82H

　　　　　　RET1

END

5.1.3软件延时

MCS-51的工作频率为2-12MHZ，我们选用的8031单片机的工作频率为6MHZ。

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。

具体的延时程序分析：

DELAY:

MOVR4,#08H延时1秒子程序

DE2:

LCALLDELAY1

DJNZR4,DE2

RET

DELAY1:

MOVR6,#0；

延时125ms子程序

MOVR5,#0

DE1:

DJNZR5,$

DJNZR6,DE1

MOVRN，#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2ms，而DELAY1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。

5.2流程图如图5-1所示

图5-1交通灯的软件设计流程图

5.3程序源代码

ORG0000H

A_BITEQU20H;

用于存放南北十位数

B_BITEQU21H;

C_BITEQU22H;

用于存放东西十位数

D_BITEQU23H;

用于存放东西