基于单片机的交通灯控制系统的设计.doc

长春理工大学光电信息学院毕业设计长春理工大学光电信息学院毕业设计 编号 0020073324300200733243 本科毕业论文本科毕业论文 基于单片机的交通灯控制系统的设计基于单片机的交通灯控制系统的设计 Based on SCM traffic control system design 学 生 姓 名 专 业 学 号 指 导 教 师 分 院 2011 年 6 月 小三号黑体 字 长春理工大学光电信息学院毕业设计长春理工大学光电信息学院毕业设计 摘摘 要要 伴随着面对有限的资源和越来越拥挤的交通 为了满足日益增长的交通需求 除 了制定一系列的交通规则 还应有效的使用现有的交通控制手段 还必须通过一定的 科技手段加以实现 此设计方案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 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 用理论证明该系统能 够简单 经济 有效地疏导交通 提高交通路口的通行能力 关键词 单片机关键词 单片机 智能控制系统智能控制系统 定时定时 计数器计数器 长春理工大学光电信息学院毕业设计长春理工大学光电信息学院毕业设计 ABSTRACT With limited resources and increasingly faced heavy traffic in order to meet the increasing traffic demand Besides setting a series of traffic rules should also be effective use existing traffic control measures still must pass a certain scientific means to realization This design scheme for the current traffic control on the basis of analyzing using detection sensor real time adjustment of intellectualized control technology sensor monitoring real time adjustment of traffic time with single chip microcomputer control algorithm combining forward role the traffic control system based on single chip design scheme Single chip microcomputer control system consists of traffic light 8051 monolithic integrated circuits light display LED the countdown inspection and adjustment traffic violation detection emergency handling time mode manual Settings etc module In theory it is proved that the system can simple economic and effective relieves traffic improve traffic capacity of traffic intersection Keywords Microcontroller Intelligent control system Timing Counters 长春理工大学光电信息学院毕业设计长春理工大学光电信息学院毕业设计 I 目目 录录 绪绪 论论 1 第一章第一章 单片机交通控制系统概述单片机交通控制系统概述 2 1 1 单片机交通控制系统的背景 2 1 2 单片机交通控制系统选题的意义 2 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 5 1 4 单片机交通控制系统主要研究的内容 5 第二章第二章 单片机概述单片机概述 7 2 1 芯片简介 7 2 1 1 MSC 51 芯片简介 7 2 1 2 8255 芯片简介 8 2 1 3 74LS373 简介 9 第三章第三章 系统硬件设计系统硬件设计 11 3 1 交通管理的方案论证 11 3 2 系统硬件设计 11 3 2 1 系统总框图如下 11 3 2 2 交通灯硬件线路图 12 3 2 3 系统工作原理 13 第四章第四章 控制器的软件设计控制器的软件设计 14 4 1 每秒钟的设定 14 4 2 计数器硬件延时 14 4 2 1 计数器初值计算 14 4 2 2 计算公式 14 4 2 3 秒的方法 14 4 2 4 相应程序代码 14 4 3 软件延时 15 4 4 时间及信号灯的显示 16 4 4 1 8051 并行口的扩展 16 4 4 2 显示原理 16 4 4 3 8255PA 口输出信号接信号灯 16 4 4 4 8255 与 8051 的连接 17 4 5 程序设计 17 4 5 1 流程图如图所示 17 结结 论论 19 致致 谢谢 20 参考文献参考文献 21 长春理工大学光电信息学院毕业设计长春理工大学光电信息学院毕业设计 1 绪绪 论论 交通的发达 标志着城市的发达 相对交通的管理则显得越来越重要 对于复杂 的城市交通系统 为了确保安全 保证正常的交通秩序 十字路口的信号控制必需按 照一定的规律变化 以便于车辆行人能顺利地通过十字路口 当前 交通事业蓬勃发 展 交通流量年年增长 大 中 小城市的汽车 摩托车等各种车辆与日俱增 道路 交通繁忙 经常有严重堵车现象 特别是在交叉口 机动车 非机动车 行人来往非 常混乱 为了在叉口的各条干道实现合理的科学分流 根据单片机具有物美价廉 功 能强 使用方便灵活 可靠性高等特点 提出了一种用 MCS 51 单片机自动控制交通 信号灯及时间显示的方法 同时给出了软硬件的实现方法 为交通指挥自动化提供了 一种新的廉价手段 具有一定的推广意义当今 绿灯安装各道口上 已经成为疏导交 通车辆最常见和最有效的手段 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 长春理工大学光电信息学院毕业设计 2 第一章第一章 单片机交通控制系统单片机交通控制系统概述概述 1 11 1 单片机交通控制系统的背景单片机交通控制系统的背景 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 1 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 21 2 单片机交通控制系统选题的意义单片机交通控制系统选题的意义 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 长春理工大学光电信息学院毕业设计 3 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 2 1 31 3 国内外研究现状及其发展国内外研究现状及其发展 1 3 11 3 1 国内外交通控制技术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 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 长春理工大学光电信息学院毕业设计 4 通行 1918 年 又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯 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 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 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 ISO TC 204 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 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 长春理工大学光电信息学院毕业设计 5 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 ITS 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 21 3 2 交通控制存在的问题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 1994 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 这是我国城市尤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 3 1 41 4 单片机交通控制系统主要研究的内容单片机交通控制系统主要研究的内容 长春理工大学光电信息学院毕业设计 6 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 4 长春理工大学光电信息学院毕业设计 7 第二章第二章 单片机概述单片机概述 2 12 1 芯片简介芯片简介 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 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 1 12 1 1 MSC 51MSC 51 芯片简介芯片简介 8051 是 MCS 51 系列单片机的典型产品 我们以这一代表性的机型进行系统的讲 解 8051 单片机包含中央处理器 程序存储器 ROM 数据存储器 RAM 定时 计数 器 并行接口 串行接口和中断系统等几大单元及数据总线 地址总线和控制总线等 三大总线 5 现在我们分别加以说明 1 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 2 数据存储器 RAM 8051 内部有 128 个 8 位用户数据存储单元和 128 个专用寄存器单元 它们是统一 编址的 专用寄存器只能用于存放控制指令数据 用户只能访问 而不能用于存放用 户数据 所以 用户能使用的 RAM 只有 128 个 可存放读写的数据 运算的中间结 果或用户定义的字型表 长春理工大学光电信息学院毕业设计 8 图 2 1 8051 内部结构 3 程序存储器 ROM 8051 共有 4096 个 8 位掩膜 ROM 用于存放用户程序 原始数据或表格 定时 计数器 ROM 8051 有两个 16 位的可编程定时计数器 以实现定时产生中断用于控制程序转向 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 6 4 全双工串行口 8051 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 5 中断系统 8051 具备较完善的中断功能 有两个外中断 两个定时 计数器中断和一 串行中断 可满足不同的控制要求 并具有 2 级的优先级别选择 6 时钟电路 单片机的结构有两种类型 一种是程序存储器和数据存储器分开的形式 即哈佛 Harvard 结构 另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为 一的结构 即普林斯顿 Princeton 结构 INTEL 的 MCS 51 系列单片机采用的是哈佛 结构的形式 而后续产品 16 位的 MCS 96 系列单片机则采用普林斯顿结构 下图是 MCS 51 系列单片机的内部结构示意图 2 2 长春理工大学光电信息学院毕业设计 9 图 2 2 MCS S1 系列的内部结构 2 1 22 1 2 82558255 芯片简介芯片简介 1 8255 可编程并行接口芯片简介 8255 可编程并行接口芯片有三个输入输出端口 即 A 口 B 口和 C 口 对应于引 脚 PA7 PA0 PB7 PB0 和 PC7 PC0 其内部还有一个控制寄存器 即控制口 通常 A 口 B 口作为输入输出的数据端口 C 口作为控制或状态信息的端口 它在方式字的 控制下 可以分成 4 位的端口 每个端口包含一个 4 位锁存器 它们分别与端口 A 配合使用 可以用作控制信号输出或作为状态信号输入 2 8255 可编程并行接口芯片方式控制字格式说明 8255 有两种控制命令字 一个是方式选择控制字 另一个是 C 口按位置位 复位 控制字 其中 C 口按位置位 复位控制字方式使用较为繁难 说明也较冗长 故在此 不作叙述 方式控制字格式说明如表 2 1 表 2 1 方式控制字格式 D7 设定工作方式标志 1 有效 D6 D5 A 口方式选择 0 0 方式 0 0 1 方式 1 1 方式 2 D4 A 口功能 1 输入 0 输出 D3 C 口高 4 位功能 1 输入 0 输出 D2 B 口方式选择 0 方式 0 1 方式 1 D1 B 口功能 1 输入 0 输出 D0 C 口低 4 位功能 1 输入 0 输出 8255 可编程并行接口芯片工作方式说明 方式 0 基本输入 输出方式 适用于三个端口中的任何一个 每一个端口都可 长春理工大学光电信息学院毕业设计 10 以用作输入或输出 输出可被锁存 输入不能锁存 方式 1 选通输入 输出方式 这时 A 口或 B 口的 8 位外设线用作输入或输出 C 口的 4 条线中三条用作数据传输的联络信号和中断请求信号 方式 2 双向总线方式 只有 A 口具备双向总线方式 8 位外设线用作输入或输 出 此时 C 口的 5 条线用作通讯联络信号和中断请求信号 7 2 1 32 1 3 74LS37374LS373 简介简介 74LS373 是一种带三态门的 8D 锁存器 其管脚示意图如图 2 3 所示 其中 1D 8D 为 8 个输入端 1Q 8Q 为 8 个输出端 LE 为数据打入端 当 LE 为 1 时 锁存器输出状态同输入状态 当 LE 由 1 变 0 时 数据打入锁存器 OE 为输出允许端 当 OE 0 时 三态门打开 当 OE 1 时 三态门关闭 输出高阻 图 2 3 74LS373 管脚示意图 长春理工大学光电信息学院毕业设计 11 第三章第三章 系统硬件设计系统硬件设计 3 13 1 交通管理的方案论证交通管理的方案论证 东西 南北两干道交于一个十字路口 各干道有一组红 黄 绿三色的指示灯 指挥车辆和行人安全通行 红灯亮禁止通行 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 且黄灯燃亮时间为东西 南北两干道的公共停车时间 设 东西道比南北道的车流量大 指示灯燃亮的方案如表 3 1 表 3 1 指示灯燃亮方案 60S5S80S5S 东西道红灯亮黄灯亮绿灯亮黄灯亮 南北道绿灯亮黄灯亮红灯亮黄灯亮 表 3 1 说明 1 当东西方向为红灯 此道车辆禁止通行 东西道行人可通过 南北道为绿灯 此道车辆通过 行人禁止通行 时间为 60 秒 2 黄灯闪烁 5 秒 警示车辆和行人红 绿灯的状态即将切换 3 当东西方向为绿灯 此道车辆通行 南北方向为红灯 南北道车辆禁止通过 行人通行 时间为 80 秒 东西方向车流大 通行时间长 4 这样如上表的时间和红 绿 黄出现的顺序依次出现这样行人和车辆就能安 全畅通的通行 3 23 2 系统硬件设计系统硬件设计 选用设备 8031 AT89S52 单片机一片选用设备 8031 单片机一片 8255 并行通 用接口芯片一片 74LS07 两片 MAX692 看门狗 一片 共阴极的七段数码管两个 双向晶闸管若干 7805 三端稳压电源一个 红 黄 绿交通灯各两个 开关键盘 连 长春理工大学光电信息学院毕业设计 12 线若干 8 3 3 2 2 1 1 系统总框图如下 系统总框图如下 图 3 1 系统总框图 3 3 2 2 2 2 交通灯硬件线路图交通灯硬件线路图 P1 0 TIM2 2 P1 1 TIM2EX 3 P1 2 4 P1 3 5 P1 4 6 P1 5 MOSI 7 P1 6 MISO 8 P1 7 SCK 9 RESET 10 P3 0 RXD 11 P3 1 TXD 13 P3 2 INT0 14 P3 3 INT1 15 P3 4 TIM0 16 P3 5 TIM1 17 P3 6 WR 18 P3 7 RD 19 X2 OUT 20 X1 IN 21 GND 22 P2 0 A8 24 P2 1 A9 25 P2 2 A10 26 P2 3 A11 27 P2 4 A12 28 P2 5 A13 29 P2 6 A14 30 P2 7 A15 31 PSEN 32 ALE PROG 33 VPP EA 35 P0 7 AD7 36 P0 6 AD6 37 P0 5 AD5 38 P0 4 AD4 39 P0 3 AD3 40 P0 2 AD2 41 P0 1 AD1 42 P0 0 AD0 43 VCC 44 NC 12 NC 23 NC 34 NC 1 AT89S52 24JI 0 43K white black 0 1K 0 1K 5V 12 11 0592MHz 30pF 30pF S1 0 3K 22uF 5V S2 4 3K 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 0 3K 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 0 3K 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 5V D2 7 O1 5 O3 9 GND 10 O5 15 D3 8 O4 12 O7 19 D0 3 D7 18 D5 14 O0 2 D4 13 D1 4 VCC 20 D6 17 OE 1 O2 6 LE 11 O6 16 SN74LS373N 5V RED1GREEN2YELLOW2RED2YELLOW1GREEN1 0 3K A1 1 A2 6 f 2 g 3 e 4 d 5 c 8 DP 7 b 9 a 10 f 2 g 3 e 4 d 5 c 8 DP 7 b 9 a 10 1OE 1 1A1 2 1A2 4 1A3 6 1A4 8 GND 10 1Y4 12 1Y3 14 1Y2 16 1Y1 18 VCC 20 2Y4 3 2Y3 5 2Y2 7 2Y1 9 2A1 11 2A2 13 2A3 15 2A4 17 2OE 19 5V 5V 3 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 PA3 PA2 PA1 PA0 RD CS GND A1 A0 PC7 PC6 PC5 PC4 PC0 PC1 PC2 PC3 PB0 PB1 PB2PB3 PB4 PB5 PB6 PB7 Vcc D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 RESET WR PA7 PA6 PA5 PA4 8255 5V A1 1 A2 6 RED 5V VCC 长春理工大学光电信息学院毕业设计 13 图 3 2 交通灯硬件线路图 3 3 2 2 3 3 系统工作原理系统工作原理 1 开关键盘输入交通灯初始时间 通过 8051 单片机 P1 输入到系统 2 由 8051 单片机的定时器每秒钟通过 P0 口向 8255 的数据口送信息 由 8255 的 PA 口显示红 绿 黄灯的燃亮情况 由 8255 的 PC 口显示每个灯的燃亮时 间 3 8051 通过设置各个信号等的燃亮时间 通过 8031 设置 绿 红时间分别为 60 秒 80 秒循环由 8051 的 P0 口向 8255 的数据口输出 4 通过 8051 单片机的 P3 0 位来控制系统是工作或设置初值 当 P3 0 位 0 就对 系统进行初始化 当为 1 系统就开始工作 5 红灯倒计时时间 当有车辆闯红灯时 启动蜂鸣器进行报警 3S 后然后恢复 正常 6 增加每次绿灯时间车流量检测的功能 并且通过查询 P2 0 端口的电平是否为 低 开关按下为低电平 双位数码管显示车流量 直到下一次绿灯时间重新记入 7 绿灯时间倒计时完毕 重新循环 9 长春理工大学光电信息学院毕业设计 14 第四章第四章 控制器的软件设计控制器的软件设计 4 14 1 每秒钟的设定每秒钟的设定 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 另一种是采用软延时的方法 10 4 24 2 计数器硬件延时计数器硬件延时 4 2 14 2 1 计数器初值计算计数器初值计算 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 4 1 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 4 2 24 2 2 计算公式计算公式 T M TC T计数 4 2 或 T计数是单片机时钟周期 TCLK的 12 倍 TC为定时初值如单片 计数 T T MTC 长春理工大学光电信息学院毕业设计 15 机的主脉冲频率 TCLK为 12MHZ 经过 12 分频 方式 0 Tmax 213 1 微秒 8 192 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 11 4 2 34 2 3 秒的方法 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 12 4 2 44 2 4 相应程序代码相应程序代码 1 主程序 定时器需定时 50 毫秒 故 T0 工作于方式 初值 50ms 1us 15536 3CBOH 4 3 计数 T T MTC 16 2 ORG 1000H START MOV TMOD 01H 令 T0 为定时器方式 MOV TH0 3CH 装入定时器初值 MOV TL0 BOH MOV IE 82H 开 T0 中断 SEBT TR0 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 ORG 000BH AJMP BRTO ORG 00BH BRTO DJNZ R0 NEXT AJMP TIME 跳转到时间及信号灯显示子程序 DJNZ MOV R0 14H 恢复 R0 值 MOV TH0 3CH 重装入定时器初值 MOV TL0 BOH MOV IE 82H RET1 长春理工大学光电信息学院毕业设计 16 END 4 34 3 软件延时软件延时 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 MOV R4 08H 延时 1 秒子程序 DE2 LCALL DELAY1 DJNZ R4 DE2 RET DELAY1 MOV R6 0 延时 125ms 子程序 MOV R5 0 DE1 DJNZ R5 DJNZ R6 DE1 RET MOV RN 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 DELAY1 为一个双重循坏 循环次数为 256 256 65536 所以延时时间 65536 2 131072 约为 125us DELAY R4 设置的初值 为 8 主延时程序循环 8 次 所以 125 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 13 4 44 4 时间及信号灯的显示时间及信号灯的显示 4 4 14 4 1 80518051 并行口的扩展并行口的扩展 虽然有 4 个 8 位 I O 端口 但真正能提供借用的只有 P1 口 因为 P2 和 P0 口通常用 于传送外部传送地址和数据 P3 口也有它的第二功能 因此 8031 通常需要扩展 由 于我们用外部输入设定红绿灯倒计时初值 数码管的输出显示 红绿黄信号灯的显示 都要用到一个 I O 端口 显然 8031 的端口是不够 需要扩展 扩展的方法有两种 1 借用外部 RAM 地址来扩展 I O 端口 2 采用 I O 接 口新片来扩充 我们用 8255 并行接口信片来扩展 I O 端口 14 4 4 24 4 2 显示原理 显示原理 同时一直显示信号灯的颜色 这时在返回定时子程序定时一秒 在显示黄灯的下 一个时间 这样依次把所有的灯色的时间显示完后在重新给时间计数器赋初值 重 新进入循环 4 4 34 4 3 8255PA8255PA 口输出信号接信号灯口输出信号接信号灯 长春理工大学光电信息学院毕业设计 17 由于二极管的阳极接法端口为低电平 对应的二极管发光 所以可以用置位方法 点亮红 绿 黄发光二极管 5 4 4 8255 输出信号与数码管的连接 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量 而显示不同的字形如 SP g f e d c b a 管角上加上 7FH 所以 SP 上为 0 伏 不亮 其余为 高电平 全亮则显示为 8 采用共阴级连接 其中 PC0 PB0 a PC1 PB1 b PC2 PB2 c PC3 PB3 d PC4 PB4 e PC5 PB5 f PC6 PB6 g PC7 PB7 SP 接地 表 4 1 驱动代码表 显示数值 dop g f e d c b a 驱动代码 16 进制 00 0 1 1 1 1 1 13FH 10 0 0 0 0 1 1 006H 20 1 0 1 1 0 1 15BH 30 1 0 0 1 1 1 14FH 40 1 1 0 0 1 1 066H 50 1 1 0 1 1 0 06DH 60 1 1 1 1 1 0 07DH 70 0 0 0 0 1 1 107H 80 1 1 1 1 1 1 17FH 长春理工大学光电信息学院毕业设计 18 4 4 44 4 4 82558255 与与 80518051 的连接的连接 用 8051 的 P0 口的 P0 7 连接 8255 的片选信号 cs 我们用 8031 的地址采用全 译码方式 当 P0 7 0 时片选有效 其他无效 P0 1 P0 1 用于选择 8255 端口 P0 7 P0 6 P0 5 P0 4 P0 3 P0 2 P0 1 P0 0 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 1 X X X X X 0 0 00H 为 8255 的 PA 口 1 X X X X X 0 1 01H 为 8255 的 PB 口 1 X X X X X 1 0 02H 为 8255 的 PC 口 1 X X X X X 1 1 03H 为 8255 的控制口 由于 8051 是分时对 8255 和储存器进行访问所以 8051 的 P0 口不会发生冲突 15 4 54 5 程序设程序设计计 4 5 14 5 1 流程图如图所示流程图如图所示 长春理工大学光电信息学院毕业设计 19 图 4 2 程序流程图 长春理工大学光电信息学院毕业设计 20 结结 论论 本系统就是充分利用了 8051 和 8255 芯片的 I O 引脚 系统统采用 MSC 51 系列 单片机 Intel8051 和可编程并行 I O 接口芯片 8255A 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 8031 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 秒时黄灯闪烁警示 交通灯信号通过 PA 口输出 显示时间 直接通过 8255 的 PC 口输出至双位数码管 车辆闯红灯报警 绿灯时间可检测车流 量并可通过双位数码管显示 系统不足之处不能控制车的左 右转 以及自动根据 车流改变红绿灯时间等 这是由于本身地理位子以及车流量情况所定 如果有需要可 以设计扩充原系统来实现 通过这次毕业设计 使我得到了一次用专业知识 专业技能分析和解决问题全面 系统的锻炼 使我在单片机的基本原理 单片机应用系统开发过程 以及在常用编程 设计思路技巧 特别是汇编语言 的掌握方面都能向前迈了一大步 为日后成为合格 的应用型人才打下良好的基础 长春理工大学光电信息学院毕业设计 21 致致 谢谢 本论文是在付艳清 姜威老师指导下完成的 从论文选题到课题难点的解决 都 给予了本人悉心地指导 付老师的治学态度 专业造诣和敬业精神都使我受益匪浅 在此 我首先向付老师 姜老师致以衷心的感谢 在课题完成过程中 还得到了同学们的帮助 给我提供了很多思路与经验 对我 深入理解课题的有关知识与方法起到了重要作用 在此 我对同学们也表示诚挚的谢 意 感谢关注我论文的所有老师和同学 在他们的帮助和支持下 我顺利完成我的论 文工作 我在此对他们表示衷心的感谢 袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆 袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃