电气自动化或机电一体化毕业论文--单片机控制的红绿灯

1、无锡科技职业学院毕业论文 毕业设计（论文）报告 题 目 51单片机红绿灯设计 院（系）别 中德机电学院 专 业 电气自动化技术 班 级 电气0802 姓 名 张伟 学 号 100081751 指导教师 王泰 2011年 4 月摘要近年来，随着我国经济的发展，城市的交通拥挤问题日趋严重，因此提高城市路网的通行能力、实现道路交通的科学化管理迫在眉睫。分析了现代城市交通控制与管理问题的现状，结合城乡交通的实际情况阐述了交通灯控制系统的工作原理，给出了一种简单实用的城市交通灯控制系统的硬件电路设计方案。交通信号灯控制方式很多。本系统采用msc-51系列单片机at89c51和可编程并行i/o接口芯片82

2、55a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8051芯片的p0,p2口设置红、绿灯燃亮时间的功能；红绿灯循环点亮；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。本系统实用性强、操作简单、扩展功能强。关键词：单片机，交通灯，智能控制 abstract in recent years, with the development of our national economy, urban traffic congestion, thus enhancing the increasingly serious traffic capacity of urban road

3、 network traffic, to realize scientific management is imminent. analyzes modern urban traffic control and management problems, based on the status of the actual situation of urban traffic control system is described the working principle of lights, and puts forward a simple and practical urban traff

4、ic control system hardware circuit design. the traffic lights control many ways. the system uses the msc - 51 series single-chip microcomputer at89c51 and programmable parallel i/o interface chip 8255a as the center device to designing traffic light controller, realized by the 8051 according to actu

5、al traffic can chip set red, green p1 mouth burning time function; traffic light cycle lighted; vehicles; red light alarm green time can be detected by two-seat cars and digital tube display. this system practical, simple operation, function expansion is strong. keywords: scm，traffic lights，intellig

6、ent control目录摘要目录引言1系统的现状分析及设计要求 1.1 系统的现状分析 1.2 设计要求2 at89c51单片机的主要性能参数和主要引脚 2.1 at89c51的主要特点 2.2 主要性能参数 2.3 主要引脚功能3 系统结构与工作原理 3.1 交通灯系统的组成 3.2 工作原理4 系统的控制电路设计 4.1 车检测电路 4.2 信号灯电路 4.3 紧急转换开关电路 4.3.1 mcs51的中断源 4.3.2 中断的处理流程 4.4 交通灯中的中断处理流程 4.4.1 现场保护和现场恢复 4.4.2 中断打开和中断关闭 4.4.3 中断服务程序5 交通灯主电路的硬件制作结束语

7、致谢参考文献附录基于at89c51设计的交通灯控制系统引言随着经济发展，汽车数量急剧增加，城市道路日渐拥挤，交通拥塞已成为一个国际性的问题。因此，设计可靠、安全、便捷的多功能交通灯控制系统有极大的现实必要性。通常情况下，交通信号灯控制主要有两个缺陷：1、车道放行车辆时，时间设定相同且固定，十字路口经常出现主车道车辆多，放行时间短，车流无法在规定时间内通过，而副车道车辆少，放行时间明显过长；2、未考虑急车强通（譬如，消防车执行紧急任务时，两车道都应等待消防车通过）。由于交通信号灯控制系统缺乏有效的应急措施，导致十字路口交通受阻，造成不必要的经济损失。本系统利用单片机at89c51，借助can总线

8、作为现场通信总线实现智能交通信号灯控制系统设计，实现了根据十字路口车流、进行交通信号灯智能控制，使交通信号灯现场控制灵活、有效。从一定程度上解决了交通路口堵塞、车辆停车等待时间不合理、急车强通等问题。系统具有结构简单、可靠性高、成本低、实时性好、安装维护方便等优点，有广泛的应用前景。1 系统的现状分析及设计要求1.1 系统的现状分析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。

9、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，还存在以下缺点：1两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没有考虑紧急车通过时，两车道应采取的措施，臂如，消防车执行紧急任务通过时，两车道的车都应停止，让紧急车通过。1.2 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) 东西方向、南北方向车道除了有红、黄、绿灯指示外，

10、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）。(3) 同步设置人行横道红、绿灯指示。(4) 考虑到特殊车辆情况，设置紧急转换开关。2 at89c51单片机的主要性能参数和主要引脚由于at89c51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。2.1 at89c51的主要特点对交通灯控制系统的设计，首先应对交通灯的核心控制芯片的基本结构和特征以及主要引脚有比较详细的了解。at89s51 是美国 atmel 公司生产的低功耗，高性能 cmos 8 位单片机，片内含 4k b

11、ytes 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。2.2 主要性能参数与mcs-51产品指令系统完全兼容4k字节在系统编程（isp）flash闪速存储器1000次擦写周期4.05.5v的工作电压范围全静态工作模式：0hz33mhz三级程序加密锁1288字节内部ram32个可编程io口线2个16位定时计数器6个中断源全双工串行uart通道低功耗空闲和掉电模

12、式看门狗（wdt）及双数据指针掉电标识和快速编程特性灵活的在系统编程（isp字节或页写模式） 2.3 主要引脚功能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。在f1ash编程时，p0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。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tt

13、l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：p1.5mosi（用于isp编程）p1.6mosi（用于isp编程）p1.7mosi（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

14、，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），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

15、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2 具有第二功能的p1口引脚端口引脚第二功能：p3.0rxd（串行输入口）p3.1txd（串行输出口）p3.2/int0（外中断0）p3.3/ int1（外中断1）p3.4t0（定时计数器0外部输入）p3.5t1（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

16、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。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

17、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

18、器及内部时钟发生器的输入端。xtal2：振荡器反相放大器的输出端2。3 系统结构与工作原理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。其系统原理图见附录。3.1 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。图一所示为交通灯控制器系统框图。图一 交通灯控制器系统框图3.2 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40秒内每车道可以通过35辆车，50秒内每车道却可以通过45辆

19、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。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。所以我设定了绿灯通行时间的上限为50秒（直行）。在非拥挤时段绿灯的通行时间的下限为40秒（直行），当交叉路口双方车辆较少时通行时间设为40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50秒。4 系统的控制电路设计4.1 车检测电路用来判断各方向车辆状况

20、,比如：40秒内可以通过的车辆为35辆，当40秒内南往北方向车辆通过车辆达不到35辆时，判断该方向为少车，当40秒内北往南方向车辆通过车辆也达不到35辆时，判断该方向也为少车，下一次通行仍为40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50秒，当50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50秒。绿灯下限时间为40秒，上限值为50秒，初始时间为40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

21、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二所示： 状态s2南北左拐通行 状态s1南北直行通行 状态s4东 西左拐通行 状态s3东西直行通行图二 十字路口车辆通行顺序共四种状态，分别设定为s1、s2、s3、s4，交通灯以这四种状态为一个周期，循环执行如下图所示：图三 交通灯状态循环图 依据上述车辆行驶的状态图，可以列出各个路口灯的逻辑表如下表所示(其中逻辑值“1”代表直行通行，逻辑值“0”代表禁止通行，逻辑值“l”代表左拐通行)：表三 各路口逻辑表s1的状态

22、eswn逻辑值0101显示时间正常模式下为40ss2的状态eswn逻辑值0l0l显示时间正常模式下为20ss3的状态eswn逻辑值1010显示时间正常模式下为40ss4的状态eswn逻辑值l0l0显示时间正常模式下为20s4.2 信号灯电路信号灯用来显示车辆通行状况，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。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

23、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四所示：图四 数码管连接方法4.3 紧急转换开关电路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,下面简述单片机的中断原理。4.3.1 mcs51的中断源8051有5个中断源，它们是两个外中断int0（p3.2）和int1（p3.3）、两个片内定时/计数器溢出中断tf0和tf1，一个是片内串行口中断ti或ri，这几个中断源由tcon和scon两个特殊功能寄存器进行控制,其中5个中断源

24、的程序入口地址如表4所示：表4中断源程序入口中断源的服务程序入口地址中断源入口地址外中断00003h定时/计数器0000bh外中断10013h定时/计数器0001bh串行口中断0023h4.3.2 中断的处理流程cpu响应中断请求后，就立即转入执行中断服务程序。不同的中断源、不同的中断要求可能有不同的中断处理方法，但它们的处理流程一般都如下所述：（1）现场保护和现场恢复：中断是在执行其它任务的过程中转去执行临时的任务，为了在执行完中断服务程序后，回头执行原先的程序时，知道程序原来在何处打断的，各有关寄存器的内容如何，就必须在转入执行中断服务程序前，将这些内容和状态进行备份即保护现场。我们举个例

25、子，在看书时，电话玲响需传去接电话时，必须在书本上做个记号，以便在接完电话后回来看书时，知道从哪些内容继续往下看。计算机的中断处理方法也如此，中断开始前需将有关寄存器的内容压入堆栈进行保存，以便在恢复原来程序时使用。中断服务程序完成后，继续执行原先的程序，就需把保存的现场内容从堆栈中弹出，恢复积存器和存储单元的原有内容，这就是现场恢复。如果在执行中断服务时不是按上述方法进行现场保护和恢复现场，就会是程序运行紊乱，程序跑飞，自然使单片机不能正常工作。（2）中断打开和中断关闭：在中断处理进行过程中，可能又有新的中断请求到来，这里规定，现场保护和现场恢复的操作是不允许打扰的，否则保护和恢复的过程就可

26、能使数据出错，为此在进行现场保护和现场恢复的过程中，必须关闭总中断，屏蔽其它所有的中断，待这个操作完成后再打开总中断，以便实现中断嵌套。（3）中断服务程序：既然有中断产生，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，一般以子程序的形式出现，所有的中断都要转去执行中断服务程序，进行中断服务。（4）中断返回：执行完中断服务程序后，必然要返回，中断返回就是被程序运行从中断服务程序转回到原工作程序上来。在mcs-51单片机中，中断返回是通过一条专门的指令实现的，自然这条指令是中断服务程序的最后一条指令。4.4 交通灯中的中断处理流程4.4.1 现场保护和现场恢复有特殊车辆要通

27、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，包括信号灯和时间显示电路。4.4.2 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。4.4.3 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。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。5 交通灯主电路的硬件制作绘制完电路图并用proteu

28、s软件进行仿真后证明了系统运行良好,然后根据仿真电路图制作硬件电路。根据仿真电路图制作交通灯主电路硬件时要注意的有下面几点：（1）用proteus仿真的电路图可以不加复位电路，不用外接晶振，只需要在为单片机添加程序文件时输入晶振频率就可以了。但在制作硬件时必须焊接上复位电路和外接晶振电路。（2）用proteus仿真的电路图单片机的脚可以不用接高电平仿真就能正确运行，但制作硬件时我们必须串接一个电阻然后将端连接到高电平，cpu才能则执行内部程序存储器中的指令。（3）实物led灯与数码管的亮度和仿真电路有些区别，制作硬件时要通过与之串联的电阻来调节亮度。结束语：智能控制交通系统实现是目前研究的方向，也已经取得不少成果，但传统的定时交通灯控制仍然在一些地方广泛应用，那是车流量不大，而且交通道路相对好的地方，传统的定时交