十字路口交通灯设计.doc

摘 要
近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断深入，同时带动传统控制检测技术日益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构软硬件结合，加以完善。
十字路口车辆穿梭，行人熙攘，车行车道，人行人道，有条不紊。那么靠什么来实现这井然秩序呢？靠的就是交通信号灯的自动指挥系统。交通信号灯控制方式很多。本系统采用MSC-51系列单片机8051和可编程并行I/O接口芯片8255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。本系统实用性强、操作简单、扩展功能强。
目前设计交通灯的方案有很多，本设计结合生活实际采用单片机实现对交通信号灯设计的方法。本设计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。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：两车道的车辆轮流放行时间相同，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。两条干道的红绿时间不能随时间的改变而修改。本课题对单片机展开，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。

关键词：单片机；交通灯；闯红灯；检测车流

Abstract
With the development of economy and the improvement of peoples’ life, the number of vehicles has increased rapidly. The modem traffic control technology, which includes some hing technologies, such as computer high, communication, automation and so on, has perform larger and larger function in traffic management. The urban traffic tunk roads usually have heavy flow, if coordination control problems of urban traffic trunk roads can be soloved, the urban traffic congestion can be relieved.
There are more and more severe traffic congestion on highway and street in the city. The traffic congestion can result in time delay, traffic accident increase, environmental pollution dereriorate and oil waste, it has become the “bottleneck” of the development of nationl economy. this design by at8051 monolithic integrated circuit achievement control core, the electric circuit divides into the demonstration and the acousto-optic instruction module. The main yang or male principle and the yang or male principle signal light cuts when uses the buzzer to carry on the prompt. May realize the basic function and the expansion function completely through the s51 simulator simulation. May realize the host yang or male principle and a yang or male principle passes through the control and the time demonstration as well as the sound reminder control.
So far, the small scaled single chip microcomputer traffic control system is a kind of advanced traffic control system.. The method of realizing is, first give out a optimize project of the control object the crossing’s vehicle, then realizes with single chip computer and electric circuit. This design primarily adopts the MCS-51 series single chip microcomputer through the method of expand the EPROM I/ O connect and the digitel electric circuit outside to realize. So this paper directs energies to use advanced Single chip microcomputer technology, to develop an urban traffic truck roads coordination control system, which can fit in with our country’s situation, it has cheap price and a good control effect

Key words：Single-Chip Microcomputer；The traffic light；Break the red light；Tests the number of cars

目 录
第1章 绪 论 1
1.1 设计题目的背景 1
1.2 设计题目的意义及应用价值 1
1.2.1 设计题目的意义 1
1.2.2 设计题目的应用价值 2
1.3 设计题目的内容 3
第2章 总体设计 4
2.1 总体设计方案 4
2.1.1 设计方案 4
2.1.2 系统总体框图 5
2.2 单片机芯片的选择 5
2.2.1 MSC-51芯片简介 5
2.2.2 8051单片机内部结构 6
2.2.3 8051芯片图及引脚功能介绍 9
2.3 红外线车流量传感器的选择 11
2.3.1 红外线车流量传感器的介绍 11
2.3.2 MAX3100芯片图及引脚功能介绍 12
2.3.3 MAX3100与8051连接图 13
第3章 外围电路的设计 15
3.1 外围电路的总体设计方案 15
3.1.1 外围电路所需的硬件 15
3.1.2 外围电路的总体方案 15
3.2 时钟电路 16
3.2.1 时钟信号的产生方式 16
3.2.2 时钟信号的锁定 17
3.3 电源电路 17
3.3.1 电源7805 17
3.4 LED显示 18
3.4.1 LED显示的介绍 18
3.4.2 LED显示的系统设计及电路图 19
第4章 扩展电路的设计 21
4.1 程序存储器扩展 21
4.1.1 2716芯片图及引脚功能介绍 21
4.1.2 2716芯片与8051扩展连接图 21
4.2 数据存储器扩展 23
4.2.1 6116芯片图及引脚功能介绍 23
4.2.2 6116芯片与8051扩展连接图 23
4.3 通信口扩展 24
4.3.1 8255芯片简介 24
4.3.2 8255芯片图及引脚功能介绍 26
4.3.3 74LS373芯片图及引脚功能介绍 27
4.3.4 8255芯片与8051的接口电路图 28
第5章 系统软件设计 30
5.1 主流程图设计 30
5.2 软件延时 33
5.3 8051单片机初始化 33
5.4 键盘 34
5.5 显示 36
第6章 结 论 38
参考文献 39
致 谢 40
附 录Ｉ 41
电路原理图 41
附 录Ⅱ 42
程序源代码 42

12
第1章 绪 论
1.1 设计题目的背景
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“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。
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。
1.2 设计题目的意义及应用价值
1.2.1 设计题目的意义
该课题设计结合单片机技术、计算机技术、传感器技术等为一体。实现了能根据实际车流量设置红绿灯燃亮时间的功能。应用于各种街道十字路口交通灯中，该车流量检测器利用红外矩阵提出了全新的监测车流量的方法，根据监测中涉及的复杂情况，不仅实现了对双向并排经过的多辆车的车流量检测，而且能测量出所经过的车型。然后指挥中心根据实际车流量设置红绿灯燃亮时间。本方法经济高效，可以促进城市交通管理水平的进步。
本设计实现了能根据实际车流量设置红绿灯燃亮时间的功能。应用于各种街道十字路口交通灯中，并与生活实际紧密的结合起来，从而培养学生能够综合运用所学的理论知识和专业知识，发挥专业技能，并能进行独立分析和解决问题的能力。使学生在硬件研究和程序设计方面得到训练，从而提高知识与生产实际相结合的能力，达到对学生专业素质培养的目标。
1.2.2 设计题目的应用价值
随着车辆的普及，城市道路交通压力越来越大，准确掌握道路交通情况对于城市道路交通管理和城市交通发展都十分重要。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。然而以前对道路交通情况的了解都是通过视频监视的方法，无法 得出每条道路在某个时间段内车辆的频率以及相应的车型统计，无法得出某个路段出现堵车现象的频度和时间规律。而本系统综合了以上各种交通灯的优点，提出了全新的、经济准确的监测车流量的方法，根据车驶入，通过，驶出测试区时，以及行车方向，车辆型号，并排行车的数量等状态引起的矩阵内各点高低电平的复杂变化，通过硬件电路和软件算法的处理，最终统计出经过该测量区域内双向并排经过的多辆车的车流量测量。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，减少交通事故有着很大的帮助。
中国的科技技术近几年来飞速发展，我国的电子产品的发展也是日新月异。正如本文所介绍的交通灯的发展技术从静态向动态称重发展，计量方法从模拟测量向数字测量发展；测量特点从单参数测量向多参数测量发展。但总体来说我国产品的数量和质量与发达国家还有较大差距，其主要差距是技术和工艺不够先进，工艺装备与测量仪表老化，开发能力不足，产品的品种规格少，功能不全，稳定性和可靠性较差等。针对这些问题我们也做出了相应的调整，赶上国际形势，目前国际化的总发展趋势是；小型化，模块化，集成化和智能化，其技术性能趋向于速率高，准确度高，稳定性高，可靠性高，其功能趋向于称重计量的控制信息和非控制信息的并重。智能化功能就向着综合性和组合性方向发展。
1.3 设计题目的内容
本系统是以单片机为核心，及计算机技术、传感器技术为一体的十字路口交通灯系统，完成各个功能模块、硬件电路、软件程序的设计。
本系统采用MSC-51系列单片机8051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，并且利用红外线传感器MAX3100来测量车流量，工作原理即是它的发送端采用脉冲调制方式，将二进制数字信号调制成某一频率的脉冲信号，并驱动红外发射管以光脉冲的形式发送出去，接收端将接收的光脉冲转换成电信号，再经过放大，滤波等处理后送到调制电路进行解调，还原为二进制数字信号后输出。红外通信的实质是对二进制数字信号进行调制与解调，以便利用红外信道进行传输。红外通信接口就是针对红外信道的调制解调器。利用地址锁存器74LS373作为输出口，控制LED灯可发红，黄，绿光。然后根据实际车流量通过8051芯片的P1口设置红、绿灯燃亮时间的功能，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，原理即为当红色正端加高电平，绿色正端加低电平时，红灯亮；当红色正端加低电平，绿色正端加高电平时，绿等亮；当两端都加高电平时，黄灯亮。这样就可以达到使红绿灯循环点亮，倒计时剩5秒时黄灯闪烁警示，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的目的。
本交通灯系统是以单片机为核心,及传输系统和红外线车流量检测器组成的。检测器利用红外线发射和接收方向性较强的特点，在车辆经过的路面上安装密度适当的几排红外线发射接收电路，组成红外线矩阵，在没有遮挡的情况下红外线接收电路产生低电平信号，反之产生高电平信号。通过硬件电路的设计和软件算法的处理，最终统计出经过该测量区域内双向并排经过的多辆车的车流量测量。然后由单片机及其外围电路进行信号的处理，并将相关信息直观地显示出来，能第一时间把检测出道路的实际状况传送给指挥中心，并且能根据实际车流量设置红绿灯燃亮时间。
第2章 总体设计
2.1 总体设计方案
2.1.1 设计方案
本设计的主要内容是针对交通十字路口经常出现的问题，基于以MSC-51系列单片机为主，兼用一些如液晶显示器，交通指示灯，电阻排等器件，来设计的一个单片机控制的交通灯控制系统。
经过设计出来的系统，其结果是能够让车辆顺畅的通行。这样当两车道都有车辆时，两车道轮流放行。当一道有车而另一道无车，有车先行。当有紧急车辆时，让紧急车辆先行。当两车道轮流放行间，有一段转换警告时间，这样可以给司机一段缓冲时间
本设计核心采用了MSC-51系列单片机。8051单片机系列是在MCS—51系列的基础上发展起来的，早期的8051只是系列众多芯片中的一类，但是随着后来的发展，8051已经形成独立的系列，并且成为当前8位单片机的典型代表。
8051芯片为40引脚双列直插封装，单一的+5V电源，其引脚排列和逻辑结构如图2—1，它具有3个可编程I/O口，其中2个口（A和B）为8位口，1个口(C)为6为口。此外还有256单元的RAM和1个14位计数结构的定时器/计数器。
本设计的整体核心是MSC-51系列单片机，它是我们的思想的载体，当我们运用汇编语言或C语言等将我们的想法编成程序后，将程序装入单片机8051，通过四个液晶显示器（每个车道一个）显示设置的时间进行倒计时，接着控制着四个交通灯（每个车道辆用两个）的红绿黄灯亮灭。
道和B道上均有车辆要求通过时，A、B道轮流放行。A道放行5分钟（调试时改为5秒钟），B道放行4分钟（调试时改为4秒钟）。
一道有车而另一道无车（实验时用开关K0和K1控制），交通灯控制系统能立即让有车道放行。
有紧急车辆要求通过时，系统要能禁止普通车辆通行，A、B道均为红灯，紧急车由K2 开关模拟。
绿灯转换为红灯时黄灯亮1秒钟。
本设计分析了现代城市交通控制与管理问题的现状，结合实验阐述了交通灯控制系统的工作原理，设计出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。
2.1.2 系统总体框图
检测车流量传感器
可并行输入输出接口芯片

单片机
显示
键盘
存储器扩展
电源
系统总体框图如图2.1所示：

图2.1系统总框图
2.2 单片机芯片的选择
2.2.1 MSC-51芯片简介
MCS-51系列单片机的典型产品为8051，8751，8031。它们的基本组成和基本性能都是相同的。通常MCS-51这个术语，泛指以8051为内核的单片机。
8051是ROM型单片机，内部有4KB的掩膜ROM，即单片机出厂时程序已由生产厂家固化在程序存储器中；
8751片内含有4KB的EPROM，用户可以把编写好的程序用开发机或编程器写入其中，需要修改时可以先用紫外线擦除器擦除，然后再写入新的程序；
8031片内没有ROM，使用时需在片外接EPROM。
除此以外，8051、8751和8031的内部结构是完全相同的，都具有如下特性：
（1）面向控制的8位CPU；
（2）128B的片内数据存储器；
（3）可以寻址64KB的片外程序存储器；
（4）可以寻址64KB的片外数据存储器；
（5）32根双向和可单独寻址的I/O线；
（6）一个全双工的异步串行口；
（7）两个16位定时/计数器；
（8）5个中断源，两个中断优先级；
（9）有片内时钟振荡器；
（10）采用高性能的HMOS生产工艺生产；
（11）有布尔处理（位操作）能力；
含基本指令11条，其中单片机器周期指令64种。
2.2.2 8051单片机内部结构
8051是本毕业设计系统单片机的所选芯片，所以我就以这一代表性的机型进行系统的讲解。
8051单片机的基本结构由8个部件组成，包含中央处理器（CPU）、片内程序存储器（ROM/EPROM）、片内数据存储器（RAM）、定时/计数器、输入输出接口（简称I/O口，分为P0口、P1口、P2口和P3口）、可编程串行接口，中断系统及特殊功能寄存器（SFR）等几大单元，各部分通过内部数据总线、地址总线和控制总线等三大总线相连，其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上，却采用了特殊特殊功能寄存器（SFR）的集中控制方法。现在我们分别加以说明：
（1）中央处理器（CPU）：
中央处理器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。
单片机内部有一个8位的CPU，它是又运算器和和控制器组成的。
1）运算器：
运算器主要包括算术和逻辑运算部件ALU、累加器ACC、寄存器B、暂存存储器YMP1、TMP2、程序状态字寄存器PSW、布尔处理器及十进制调整电路等。
运算器主要用来实现数据的传送、数据的算术运算和逻辑运算，以及位变量处理等。
2）控制器：
控制器包括时钟发生器、定时控制逻辑、指令寄存器、指令译码器、程序计数器、程序地址寄存器、数据指针寄存器DPTR和堆栈指针SP等。
控制器是用来统一指挥和控制计算机进行工作的部件。
（2）数据存储器（RAM）：
单片机内部有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