基于单片机的智能交通灯控制新版系统专业系统设计.doc

基于单片机智能交通灯控制系统系统设计摘 要道路交通灯也就是咱们常说红绿灯，这是很常用一种实时控制系统。咱们寻常出行时候在路口都能看到。交通灯系统涉及了普通测控系统惯用到功能，它不但有助于道路畅通，还可以减少交通事故发生。它重要由按键输入、时钟控制、显示和串口通信等构成。这里，我先对当前交通系统基本上进行分析，然后运用检测传感和实时调节智能化技术，把传感器检测、车辆实时监测与单片机作用相结合，设计出了基于单片机智能交通灯控制系统方案。 基于8051单片机智能交通灯控制系统由8051单片机、交通灯显示、LED倒计时、车流量检测及调节、违规检测、急迫解决、时间模式手动控制等模块构成。使用单片机控制交通灯涉及了车辆通行和等待时间倒计时显示、正常工作模式、限行模式、禁行模式等基本功能。该系统除交通灯具备基本功能外，还具备通行时间手动设立、可倒计时显示、紧急车辆强行通过、车流量检测及调节、交通异常状况判断和解决等有关功能。本文重要做了如下工作：先拟定总设计然后进行硬件电路和显示电路设计。核心词：交通控制，/*传感检测*/，矩阵键盘，AT89S51，倒计时显示。AbstractTraffic control system is a modern society with logistics，travel etc of traffic development a unique set of public management system. To ensure the effective safety traffic，except for a series of traffic rules，still must through certain technological means to achieve. Based on analysis of traffic control，based on real-time detection sensor，adjust the implementation technology of intelligent control，real-time monitoring，sensor adjust vehicles time algorithm and single-chip microcomputer control function is proposed，whichcombines the traffic control system based on single chip design scheme.The 8051 microcontroller control system consists of the traffic lights display，8051 monolithic integrated circuits，and LED the countdown，traffic violation detection，emergency adjustment，manual mode，time as modules. In addition to the basic traffic function outside，still have time to manually set，can pass the countdown，car that forced through traffic，inspection and adjustment，transportation and processing abnormal discriminant functions. Theory shows that the system can simple，economic and effective relieves traffic，improve the crossroads capacity.This design mainly do the following aspects：one is the work of the traffic control system design，including the crossroads，specific design and system should be restricted with each function，two is that the sensor，the hardware circuit design of the circuit and the basic function and requirement. Key Words：traffic control，sensing detection，displayand countdown ，AT89S511 绪 论1.1单片机交通控制系统选题背景人们常说交通是一种都市命脉，对都市交通、经济、生活、发展都起着重要作用。其实事实就是如此。近年来随着科技得进步和人口增长，人们寻常出行交通工具越来越多，当前出门几乎均有自己交通工具，因此道路拥堵就显现出来了，特别是上下班高峰时期，拥堵特别严重。特别是近年来人们生活水平迅速提高，这一现象日益严重。那么怎么解决这一问题呢？那么便是交通灯。这就引出了交通控制系统。那么什么是交通控制系统呢？交通控制系统是近当代社会跟着物流、出行等交通进步产生一套独特公共管理系统。合理交通系统可以有效维护正常交通秩序。合理交通规则需要一定技术手段加以实现。当前，交通控制方面研究能完全实现自动化、智能化，能将整个区域合成一种总系统。甚至还能依照突发时段状况进行合理调节。当前大多数交通系统缺少一种真正交通响应控制方略。智能化和集成化毫无疑问是都市交通信号控制系统发展趋势。因而，研究基于单片机智能交通信号控制系统具备很高实用价值。1.2 交通灯国内外发展概况如今，安装在各个街道上红绿灯已经成为维护交通秩序最常用手段。其实这一技术最早在19世纪就已出当前了伦敦街头。世界上最早红绿灯是在1858年，当时英国伦敦重要街头安装了以燃煤气为光源红绿灯。它使用红蓝两色机械扳手式信号灯，用以指挥交通。而后在1868年，英国机械工程师纳伊特进行了改进，其在伦敦威斯敏斯特区议会大厦前广场上，安装了世界上最早煤气红绿灯。它以旋转式方形玻璃提灯构成，红色代表“停止”，绿色代表“注意”。然而在1869年1月2日，这种煤气灯发生了爆炸，致使警察受伤，于是便被取消。紧接着电气时代到来使得电气启动红绿灯浮现。最早使用该技术红绿灯出当前19美国纽约市5号大街一座高塔上。其由红绿黄三色圆形投光器构成，红灯亮代表“停止”，绿灯亮代表“通行”。这种红绿灯使用起来并不是很以便，于是在19，又浮现了带控制红绿灯和红外线红绿灯。到了1963年加拿大多伦多市建立了一套使用IBM650型计算集中协调感应控制信号系统，从而标志着交通信号系统发展进入了一种新阶段。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。到80年代初，全世界建有交通管制中心都市有300各种，代表了将来交通控制发展方向。各个时期典型交通信号系统得特性如附表所示。简称时间国别都市名称控制路口数信号周期检测器控制方式点控1868英国伦敦燃气色灯单/1914美国克利夫兰电力色灯单/1926英国各都市单点定周期自动信号机单定/自动1928美国各都市感应式自动信号机单定气压式自动线控1917美国盐湖城手控干道协调系统6个定/人工线控1922美国休斯顿电子计时干道协调系统12个定/电动1928美国各都市步进式定期干道协调系统各种（线）变/电动面控1952美国丹佛市模仿计算机交通信号控制系统各种（网）变气压式计算机1963加拿大多伦多数字计算机集中协调感应控制信号系统各种（网）变电磁式计算机在西方发达国家，交通控制系统已基本上完毕了由老式交通控制系统向智能交通控制系统ITS转变，然而国内才刚刚处在起步阶段。1999年，国内成立了全国智能交通系统(ITS)协调指引小组及办公室，同年，又成立了全国智能交通运送系统(ITS)专家征询委员会，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、东南大学等高校关于专家为征询委员，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。当前，在对某些大中型都市引入国外ITS进行研究基本上已经逐渐开始摸索开发设计适合自己国情ITS系统。 2 单片机交通控制系统总体设计2.1单片机交通控制系统通行方案设计 由于交通灯设计时有正常通行、东西限行、南北限行、所有禁行四种模式，每种模式信号灯切换方式都不同样，因而咱们下面分析这四种模式信号灯切换方式。但是切换时有一种原则需要咱们记住：先停止正在通行方向，然后放行被停止方向。普通十字路口都分为东西方向和南北方向，在任一时刻只有一种方向通行，另一方向就会禁行，持续一定期间，通过短暂过渡时间后，将通行禁行方向对换。其详细状态如下图所示。黑色代表灯亮，白色代表灯灭。交通状态从状态1开始变换，直至状态4然后循环至状态1，如此循环。咱们把这四个状态归纳如下图所示：图2.1 交通状态切换图（1）东西方向黄灯灭，同步红灯亮，南北方向红灯灭，同步绿灯亮，倒计时30秒。此状态下，东西向禁止通行，南北向容许通行。（2）东西方向红灯仍亮，南北方向红灯灭，黄灯亮，倒计时4秒。此状态下，东西方向依然禁止通行，南北方向除了已经驶过停车线车辆可继续迈进外，其她所有车辆都需停止迈进。（3）东西方向红灯灭，绿灯亮，南北方向黄灯灭，同步红灯亮，倒计时30s。在此状态下，东西方向可以通行，南北禁止通行。（4）东西方向绿灯灭，黄灯亮，南北方向红灯仍亮，倒计时4秒。此状态下，东西方向除了已经驶过停车线车辆可以继续前行外，其她所有车辆都需停止迈进，南北东西方向任然禁止通行。如下表：表2.1 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表中从左到右表达时间流逝方向，在初始状态时东西方向绿灯亮30s，然后黄灯亮4s，最后红灯亮34s，而南北方向则从初始状态开始先红灯亮34s，然后绿灯亮30s，最后黄灯亮4s，接着周而复始。2.2 南北限行方式 按照交通运营规则，南北限行方式应当是南北方向红灯亮，禁止通行，东西方向绿灯亮，可以通行。当南北限行按键被按下后，先判断此时交通状态，如果南北方向此时已经处在红灯状态，单片机必定是发出让南北方向继续保持红灯，东西方向继续保持绿灯指令，如果此时交通状态是南北方向在通行，则不着急，先单片机发出南北方向黄灯信号，提示南北方向信号灯即将转变，没有驶过停止线车不要再迈进，黄灯持续4s，让已经驶过停车线南北方向车驶出十字路口，最后再点亮东西方向绿灯。表2.2 南北限行模式信号灯状态限行钱南北方向处在红灯状态东西方向点亮绿灯，灭其她颜色灯南北方向红灯保持限行前南北方向处在绿灯或黄灯状态东西方向保持红灯绿灯南北方向黄灯4s红灯 图2.2南北限行信号灯状态图2.3东西限行方式 东西限行模式下同样存在南北限行模式下问题。 东西限行模式信号灯状态如下表：表2.3 东西限行模式信号灯状态限行前东西方向处在红灯状态东西方向红灯保持南北方向点亮绿灯，灭其她颜色灯限行前南北方向处在绿灯或黄灯状态东西方向黄灯4s红灯南北方向保持红灯绿灯2.4禁止通行模式 禁止通行模式就不要了考虑上述问题，只有交通秩序是正常，按下禁止通行行按键后，两个方向信号灯即变为红灯，两个方向车辆都必要及时停止迈进。新号灯状态如下表：表2.4 禁止通行模式信号灯状态东西方向红灯亮南北方向红灯亮2.4单片机交通控制系统功能规定该设计不但能模仿最基本交通控制系统，还能进行倒计时显示，车流量检测及调节，交通违规解决和紧急解决等功能，做到智能化控制。（1）倒计时显示倒计时显示可以让驾驶员清晰懂得在信号灯发生变化前时间。让驾驶员提前做出选取。它可以明显减少驾驶员违背交通规则次数。/*（2）车流量检测及调节智能交通灯控制系统最基本作用就是检测车流量。 当前国内正在使用红绿灯大多都是固定期间红绿灯。红灯和绿灯时间，是依照东西方向和南北方向实际路况，采用记录办法来拟定。*/ 使用注释符号，表达删除，同下（3）时间手动设立 除系统依照车流量自动控制调节，也可以通过键盘进行手动设立，增长了人为可控性，避免自动故障和意外发生，并再紧急状态下，可设立所有灯变为红灯。键盘是单片机系统中最惯用人机接口，普通状况下有独立式和行列式两种。前者软件编写简朴，但在按键数量较多时特别挥霍I0口资源，普通用于按键数量少系统。后者合用于按键数量较多场合，但是在单片机I0口资源相对较少而需要较多按键时，此办法仍不能满足设计规定。/*本系统规定按键控制不多，且I0口足够，可直接采用独立式。*/ 改为:本系统使用了矩阵键盘，每个按键相应相应功能（4）紧急解决 流量大路口经常会浮现拥堵等紧急状况，例如救护车或发生交通事故等，那么遇到这种状况咱们也要尽量保持交畅通通。因而，咱们在控制中加设禁停按键，就可以解决此问题。/*（5）违规检测 人人出行都需要遵守交通规则，但是现实社会中总有那么些人不遵守交通规则，因此咱们就需要检测到她们，对她们进行应有惩罚。在路口设立检测器就可以及时发现违规现象，并记录违规车辆信息，以便交警后期解决。*/2.3单片机交通控制系统基本构成及原理基于单片机智能交通灯控制系统，是运用单片机控制信号灯状态变化来指挥交通。系统总体框图如下：单片机按键控制红黄绿信号灯车流量检测电路最小系统外围接口电路8段LED数码管显示图2.2 系统总体框图如上图可以看出系统核心是单片机，由车流量检测模块、违规检测模块、按键设立模块、信号灯模块、LED倒计时模块/*凤鸣器*/等构成。 按键输入模块分为正常通行、南北限行、东西限行、禁止通行四个按键。倒计时显示模块共有8个共阴极数码管构成，每两个一组，每个方向分为两组，每个方向两组数码管显示内容相似，用来显示迈进或等待剩余时间。红绿灯由红绿黄三色发光二极管构成，每三个一组，每个方向有两组二极管，每个方向显示颜色一致。/*若选取自动模式，系统会不断通过车辆检测模块来检测车流量，到达一定期间将会调节时间来适应各种路况需求。 */3 系统硬件电路设计3.1系统硬件总电路构成及原理本文所述智能交通灯系统所涉及重要器件有：a，单片机最小系统所需器件b，AT89S51单片机C，三色LED灯d，按键/*e，车流量检测传感器、光敏传感器、蜂鸣器 */3.1.1系统硬件电路构成智能交通灯系统是一种以单片机为核心，/*集车流量采集*/、解决、自动控制为一体闭环控制系统。硬件电路图如下图所示：图3.1 总体设计电路图详细功能见下表：接口作用P0、p2送显两片LED数码管P1控制红绿黄发光二极管XTAL1、XTAL2接入晶振时钟电路RESET接复位电路P3.3接违规检测电路P3.2接紧停东西时间设立键JP0.6、P0.7接车流量检测电路P3.6接南北时间设立键SP3.7接自动模式选取返回键FP3.4接蜂鸣器3.1.2系统工作原理系统上电或手动复位之后，系统等待模式选取设立键按下，模式分两种：红绿灯时间自动和红绿灯时间设立。若此时F键按下，则设立为自动模式，若此时按下是S键，则设立为时间设立模式，依次按S若干次，J键若干次可设立好两个方向红绿灯时间，再按F键确认。其实这个过程就是将存储时间值寄存器进行设立，以及标志与否要进行车流量检测及调节。接下来，系统必要先显示状态灯及LED数码管，将状态码值送显P1口，将要显示时间值送显P0口和用P2口来选通LED数码管显示导通，在此同步以50ms为周期，用软件办法计时1秒，到达1s就要将时间值减1，刷新LED数码管。时间到达一种状态所要所有时间，则要进行下一状态判断及衔接，并装入次状态相应状态码值以及时间值，/*固然，还要启动两个外部中断，其一为违规信号或禁停信号输入，一旦信号有效，中断开始，进入中断服务子程序，启动蜂鸣器禁止所有通行，当按下F键，中断结束返回。其二为车流量检测信号输入，若检测到车辆通过，进入相应中断子程序，将存储车流量计数器加1，然后中断结束返回。 */每满一种状态循环周期，若为自动模式，则须将检测到车流量数据解决一次，判断两个方向交通轻重缓急状况，再调节下次状态循环红绿灯时间，以达到自动控制目。3.2 AT89S51单片机简介3.2.1单片机概述单片机其实就是在一片半导体硅片上集成了中央解决单元、存储器、并行I/O口、串行I/O口、定期器/计数器、中断系统、系统时钟电路及系统总线微型计算机。单片机重要应用于测控领域。咱们普通把单片机称为嵌入式控制器或微控制器。只是在国内咱们习惯把它称为单片机。按照功能咱们可以把单片机分为通用型和专用型两种。单片机重要具备如下特点：1)具备很高性能与价格比。2)集成度超高、体积比较小、可靠性很高。3)控制功能很强。4)电压与功耗低。AT89S51单片机是美国ATMEL公司推出一款单片机，其在国内8位单片机市场上占有很大比例。其内部4KBFLASH存储器可以在线编程或者使用编程器重复编程，并且价格很低。3.2.2 AT89S51芯片内部构造简介 功能部件描述中央解决器8位微解决器（运算器和控制器）数据存储器128BRAM程序存储器4KBFlash ROM定期/计数器2个16位定期器/计数器并行输入/输出口4组8位I/O口(P0、P1、P2或P3)，用来对外部数据进行传播。全双工串行口一种全双工异步串行口，有4种工作方式时钟电路产生时钟脉冲序列中断系统5个中断源和中断向量 3.2.3 重要引脚功能AT89S51 引脚图如图3.3 所示： 图3.3 引脚图重要引脚功能：VCC：接5V电源。GND：接数字地RST：复位信号输入端，只对高电平有效。ALEPROG()：ALE为CPU访问外部程序存储器或外部数据存储器提供一种地址锁存信号，将8位地址锁存在片外地址锁存器中。PROG()为该引脚第二功能，可以对片内Flash存储器编程时，作为编程脉冲输入端。PSEN()程序储存容许（PSEN()）输出是外部程序存储器读选通信号，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PSEN()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PSEN()信号。EA()VPP：EA()是这个引脚第一种功能，外部程序存储器访问容许控制端。Vpp是第二功能，在片内Flash进行编程时，Vpp引脚要接入编程电压。XTAL1：片内振荡器反相放大器和时钟发生器电路输入端。XTAL2：片内振荡器反相放大器和输出端。3.2.4 AT89S51芯片最小系统一种最简朴单片机系统涉及晶振、复位、电源、系统输入控制、输出显示，以及其她外围模块(如通信、数据采集等)。（1）时钟电路一方面简介一下单片机晶振电路，即时钟电路。单片机工作流程，就是在系统时钟作用下，一条一条地执行存储器中程序。单片机时钟电路由外接一只晶振和两只起振电容，以及单片机内部时钟电路构成，晶振频率越高，单片机解决数据速度越快，系统功耗也会相应增长，稳定性也会下降。单片机系统惯用晶振频率有6MHz、110592MHz、12MHz、本系统采用110592MHz晶振，电容选22pF或30pF均可。/*在这里添加晶振电路截图，做有关阐明，简介下图中单片机晶振电路，以及晶振电路作用，原理等，请参照：晶振电路原理简介参照原则，能看懂觉得重要就改写抄下来，看不懂就不看。（2）复位电路系统刚上电时，单片机内部程序还没有开始执行，需要一段准备时间，也就是复位时间。一种稳定单片机系统必要设计复位电路。当程序跑飞或死机时，也需要进行系统复位。复位电路有诸各种，有上电复位，手动复位等。 /*在这里添加有关截图，等，做有关阐明，简介下图中单片机复位电路，以及复位电路作用，原理等，请参照：简介下复位电路作用：参照单片机复位电路原则同上。（3）EA脚功能及接法单片机EA脚控制程序从内部存储器还是从外部存储器读取程序。由于当前单片机内部flash容量都很大，因而基本都是从内部存储器读取程序，即不需要外接ROM来存储程序，因而，EA脚必要接高电平。本设计中复位方式采用上电按键手动复位方式，时钟采用内部时钟。如下图3.4所示。图3.4 本系统复位与时钟方式/*下面继续讲述各个某些电路作用*/1、矩阵键盘作用及其原理:详细简介矩阵键盘实现原理 和 独立按键做比较，然后做总结简介下电路图中各个某些按键作用，*请参照第六讲_独立键盘.ppt和 （1）独立按键简朴，容易实现，接线少，使用IO口扫描或者中断检测方式，按键较少时可以这样使用.图片：（2）矩阵键盘 适合多按键使用，可以实现较少接线实现多按键。图片：（3）选取矩阵键盘因素：（4）按键如何消除抖动，按键消除抖动有两种办法，（1）硬件，成本高，不够以便（2）软件 实现简朴，使用与各种场合。本设计中采用延时消除抖动办法.2、简介下LED显示原理 数码管显示数字原理等等，（1）LED显示发光原理*（2）数码管显示数字原理（3）数码管驱动方式，静态扫描和动态扫描静态扫描：长处，缺陷，动态扫描：长处，缺陷，本设计采用动态扫描方式。第四章节 软件设计 1、软件设计流程图 概述下程序设计流程* 参照PDF文档*2、 讲述下51单片机中断和定期器如何设立正常工作，以及定期器原理请参照文档：/*吧你参照这个文档 这某些抄下来就行了*/*一定要自己改写，不能直接复制*/所有控制程序事实上分为若干模块：键盘设立解决程序，状态灯控制程序，LED显示程序，消抖动延时程序，次状态判断及解决程序，紧停或违规判断程序，中断服务子程序，车流量计数程序，红绿灯时间调节程序等。整个软件程序方面重要分两大某些：按键解决程序和50ms扫描程序。流程图如图4.1所示。一方面是按键解决程序，89S51通过对IO扫描，拟定与否有键按下，再判断详细是那个键按下，依照键值跳转到按键解决程序。按键解决成果可设立两种工作模式：红绿灯时间设立模式和红绿灯时间自动模式，次程序相称于系统模式设立，若想重新设立则要按下复位键。设立过后进入50ms扫描程序。50ms扫描程序开始后，先刷新显示模块，若为自动模式则接下来要计数车流量，然后扫描紧停信号和违规信号，若捕获则调用中断，中断服务子程序重要启动蜂鸣器，直至恢复键按下。50ms已到则重新扫描。扫描20次之后计时到达1s则时间数据减1，在显示模块中修改显示缓冲区内容。在半个状态对换时，车流量计数程序在一种状态变换循环先后计数两个方向车流量，然后调用红绿灯时间调节程序，更新红绿灯时间。当前状态时间已到，则判断次状态装入相应数据，然后进入下一状态。4.2理论基本知识4.2.1定期器原理定期器工作基本原理其实就是给初值，让它不断加1直至减完为模值，这个初值是送到TH和TL中。它是以加法记数，并能从全1到全0时自动产生溢出中断祈求。因而，咱们可以把计数器记满为零所需计数值，即所规定计数值设定为C，把计数初值设定为TC 可得到如下计算通式：TC=M-C式中，M为计数器模值。计数值并不是目，目是时间值，设计1次时间，即定期器计数脉冲周期为T0，它是单片机系统主频周期12倍，设规定期间值为T，则有C=TT0。计算通式变为：T=（MTC）T0模值和计数器工作方式关于。在方式0时M为8192；在方式1时M值为65536；在方式2和3为256。就此可以算出各种方式最大延时。如单片机主脉冲频率为12MHZ，通过12分频后，若采用方式最大延时只有8.129毫秒，采用方式最大延时也只有65.536毫秒。这就是为什么扫描周期为50ms因素，若使用软件则会耽误程序流程，显然不可行。相反，时间计时方面却不也许只用计数器，由于显然秒钟已经超过了计数器最大定期间，因此咱们还必要采用定期器和软件相结合办法才干解决这个问题。4.2.2软件延时原理MCS-51工作频率为12MHZ，机器周期与主频关于，机器周期是主频12倍，因此一种机器周期时间为12*（1/12MHZ）=1us。咱们可以懂得详细每条指令周期数，这样咱们就可以通过指令执行条数来拟定1秒时间，但同步由于单片机运营速度不久其她指令执行时间可以忽视不计。咱们设定一种初值为20软件计数器和使T0定期50毫秒。这样每当T0到50毫秒时CPU就响应它溢出中断祈求，进入她中断服务子程序。在中断服务子程序中，CPU先使软件计数器减，然后判断它与否为零。为零表达秒已到。设定定期器需要定期50毫秒，故T0必要工作于方式。规定初值：TC=M-T*T0=216-50ms/1us=15536=3CBOH. 4.2.3中断原理本系统重要使用了外部中断，中断信号有引脚INT0和INT1输入，低电平有效，CPU每个时钟周期都会检测INT0和INT1上信号，8051容许外部中断以电平方式或负边沿方式两种中断方式输入中断祈求信号，可由顾客通过设立TCON中IT0和IT1位状态来实现。以IT0为例，IT0=0，为电平触发方式，IT0=1，为负边沿触发方式，本设计采用电平方式，IE0为其中断标志位，有中断信号则置位，中断服务子程序响应后，IE0自动清零。IE中EA为容许中断总控制位，为1启动，EX0为外部中断容许控制位，为1启动。在优先级容许下，一旦有外部中断信号产生，单片机CPU一方面保护断点，PC值进栈，然后执行相应中断服务子程序，执行完后，用RETI指令返回，此时CPU会从堆栈中取保存断点地址，送回PC，程序再正常执行。4.2.4消抖动程序此外，在按键计数过程中，还存在机械抖动与软件方面矛盾，即当程序检测到了有按键按下，则会计一次数，但是事实上，按键闭合后在微观上还会弹起，然后闭合，始终到达稳定，显然背面弹落是无效，为了使程序避免这个问题，可以在检测到初次闭合时，调用一定期间延时程序。此处延时程序完全用软件完毕，运用程序执行一条指令时间，再加上两次累减嵌套。结论道谢参照文献附录：程序：附录：整体电路图：/*完*/