基于某单片机地智能交通灯控制系统系统设计论文设计

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1、word毕 业 设 计 (论 文)专 业班 级学生学 号课 题 基于单片机的智能交通控制系统 指导教师2011年9月5日38 / 41基于单片机的智能交通控制系统摘 要交通控制系统是近现代社会随着物流、出行等交通开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如此，还必须通过一定的科技手段加以实现。本文在对目前交通控制进展深入分析的根底上，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。8051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

2、流量检测与调整、违规检测、紧急处理、时间模式手动设置等模块组成。系统除根本交通灯功能外，还具有通行时间手动设置、可倒计时显示、急车强行通过、车流量检测与调整、交通异常状况判别与处理等相关功能。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。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与系统应拥有的各项功能，二是进展传感器的硬件电路、显示电路等的设计和根本功能要求。目录摘要I1 绪论1单片机交通控制系统的选题背景1单片机交通控制系统选题的现实意义1国外研究现状与其开展3国外交通控制技术3交通控制存在的问题6单片机交通

3、控制系统主要研究的容72 单片机交通控制系统总体设计8单片机交通控制系统的通行方案设计8单片机交通控制系统的功能要求9单片机交通控制系统的根本构成与原理113 系统硬件电路的设计12系统硬件总电路构成与原理12系统硬件电路构成12系统工作原理133.2 AT89S51单片机简介13单片机的概述133.2.2 AT89S51芯片部结构简介143.2.3 主要引脚功能163.2.4 AT89S51芯片最小系统18其它硬件介绍与连接19车流量检测电路与模拟19违规检测电路与模拟22八段LED数码管23其它器件254 系统软件程序的设计29程序主体设计流程29理论根底知识31定时器原理31软件延时原理

4、31中断原理32消抖动程序32结论33致34参考文献351 绪 论单片机交通控制系统的选题背景随着人口快速的增多，交通工具的爆炸性的开展，以与道路资源的有限性，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，工业开展带动整个交通运输的开展，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、出行等交通开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如此，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开展和成熟能比拟好的解决系统建立

5、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围，还能根据正常时段以与特定突发时段的情况进展科学的自动调整。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开展，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。城市道路交通自动控制系统的开展是以城市交通信号控制技术为前导，与汽车工业并行开展的。在其各个开展阶段，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

6、了交通自动控制技术的不断开展。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年与稍晚一些时候，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

7、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。但随着汽车工业的开展、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开展。继气动橡皮管式检测器之后，雷达、超声波

8、、光电、地磁、电磁、微波、红外以与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开展注入了新的活力，更是实现了以一个城市或者更域，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

9、的城市。这是道路交通控制技术开展的里程碑。可以说，在近百年的开展中，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。交通控制研究的开展，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，防止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

10、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。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

11、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，它就能发觉到有人要过马路。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

12、，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开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开展方向。表1.1 交通信号系统开展状况简称时间国别城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/

13、1926英国各城市单点定周期自动信号机单定/自动1928美国各城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美国各城市步进式定时干道协调系统多个线变/电动面控1952美国丹佛市模拟计算机交通信号控制系统多个网变气压式计算机1963加拿大多伦多数字计算机集中协调感应控制信号系统多个网变电磁式计算机信号灯的出现，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

14、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。在西方兴旺国家，交通控制系统根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，智能交通系统如此刚刚处于起步阶段。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展识别优化，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

15、制系统如此在不产生大的硬件改动的情况下有效的提高效率。智能交通系统强调的是系统性、信息交流的交互性以与服务的广泛性，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根底上，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、大围、全方位发挥作用的交通运输管理系统。在国，受客观条件的制约，ITS起步比拟晚，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，又得到中央部门和局部地方政府的支

16、持。1999年，我国成立了全国智能交通系统(ITS)协调指导小组与办公室，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、航空航天大学、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进展研究的根底上已经逐渐开始摸索开发设计适合自己国情的ITS系统。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，建立稳定的交通根底设施建设的资金出道，实行公交优先政策，建立先进的交通

17、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，经济的开展加快，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，这是我国城市哟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，世界兴旺国家就已到达20km每平方千米。20世纪90年代，我国局部城市道路面积率，为5.9%，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，

18、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。出租车以与公交的开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开展，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兴旺国家有很大差距。近几年，虽然有局部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

19、输速度普遍下降，这都源于交通通行不佳。基于整个交通控制系统的开展情况，本设计主要进展如下方面的研究：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与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根本的交通功能，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与自调整模拟功能，违规检测与处理，紧急状况处理和键盘可设置等强大功能。 二是进展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与连接，大体分配各

20、个器件与模块的根本功能要求。三是进展软件系统的设计，对于本系统，本人采用单片机汇编语言编写，对单片机部结构和工作情况做了充足的研究，了解定时器，中断以与延时原理，总体上完成了软件的编写。2 单片机交通控制系统总体设计设在十字路口，分为东西向和南北向，在任一时刻只有一个方向通行，另一方向禁行，持续一定时间，经过短暂的过渡时间，将通行禁行方向对换。其具体状态如如下图所示。说明：黑色表示亮，白色表示灭。交通状态从状态1开始变换，直至状态6然后循环至状态1，周而复始，即如图2.1所示：图2.1 交通状态 通过具体的路口交通灯状态的演示分析我们可以把这四个状态归纳如下：东西方向红灯灭，同时绿灯亮，南北方

21、向黄灯灭，同时红灯亮，倒计时20秒。此状态下，东西向禁止通行，南北向允许通行。东西方向绿灯灭，同时黄灯亮，南北方向红灯亮，倒计时2秒。此状态下，除了已经正在通行中的其他所以车辆都需等待状态转换。南北方向红灯灭，同时绿灯亮，东西方向黄灯灭，同时红灯亮，倒计时20秒。此状态下，东西向允许通行，南北向禁止通行。南北方向绿灯灭，同时黄灯亮，东西方向红灯亮，倒计时2秒。此状态下，除了已经正在通行中的其他所以车辆都需等待状态转换。下面我们可以用图表表示灯状态和行止状态的关系如下：表 交通状态与红绿灯状态状态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

22、黄灯0001东西绿灯0010南北红灯0011南北绿灯1000南北黄灯0100东西南北四个路口均有红绿黄3灯和数码显示管2个，在任一个路口，遇红灯禁止通行，转绿灯允许通行，之后黄灯亮警告行止状态将变换。状态与红绿灯状态如表2.1所示。说明：0表示灭，1表示亮。本设计能模拟根本的交通控制系统，用红绿黄灯表示禁行，通行和等待的信号发生，还能进展倒计时显示，车流量检测与调整，交通违规处理和紧急处理等功能。1倒计时显示倒计时显示可以提醒驾驶员在信号灯灯色发生改变的时间、在“停止和“通过两者间作出适宜的选择。驾驶员和行人普遍都愿意选择有倒计时显示的信号控制方式，并且认为有倒计时显示的路口更安全。倒计时显示

23、是用来减少驾驶员在信号灯色改变的关键时刻做出复杂判断的1种方法，它可以提醒驾驶员灯色发生改变的时间，帮助驾驶员在“停止和“通过两者间作出适宜的选择 。2车流量检测与调整随着我国经济建设的蓬勃开展，城市人口和机动车拥有量在急剧增长，交通流量日益加大，交通拥挤堵塞现象日趋严重，交通事故时有发生。车辆检测器作为智能交通系统的根本组成局部，在智能交通系统中占有重要的地位。现阶段，车辆检测器检测方式有很多，各有其优缺点，如红外线检测器、地磁检测器、机械压电检测器，磁频检测器、波频检测器、视频检测器等。一般车流量检测器采用传感器+单片机+外围器件来实现。 而且，目前国使用的红绿灯都是固定的红绿灯时间，并自

24、动切换。红灯时间和绿灯时间，是根据道口东西向和南北向的车流量，利用统计方法确定的。交通警察不断观察十字路口的两个方向，根据车辆密度和流速决定是否切换红绿灯，以保证最优的道路交通控制状态。3时间手动设置 除系统根据车流量自动控制调整，也可以通过键盘进展手动设置，增加了人为的可控性，防止自动故障和意外发生，并再紧急状态下，可设置所有灯变为红灯。键盘是单片机系统中最常用的人机接口，一般情况下有独立式和行列式两种。前者软件编写简单，但在按键数量较多时特别浪费I0口资源，一般用于按键数量少的系统。后者适用于按键数量较多的场合，但是在单片机I0口资源相对较少而需要较多按键时，此方法仍不能满足设计要求。本系

25、统要求的按键控制不多，且I0口足够，可直接采用独立式。4紧急处理 交通路口出现紧急状况在所难免，如特大事件发生，救护车等急行车通过等，我们都必须尽量允许其畅通无阻，毕竟在这种情况下是分秒必争的，时时刻刻关系着公共财产安全，个人生死攸关等。由此在交通控制中增设禁停按键，就可达到想此目的。5违规检测 交通规如此必须人人遵守，但是违反规如此，如闯红灯等，也时有发生，交警等交通管理人员虽然可以进展实时监管，但是消耗精力，在路口设置检测传感器就可以进展自动的警报提示。根本构成与原理单片机设计交通灯控制系统，可用单片机直接控制信号灯的状态变化，根本上可以指挥交通的具体通行，当然，接入LED数码管就可以显示

26、倒计时以提醒行使者，更具人性化。本系统在此根底上，参加了违规检测电路和车流量检测电路为单片机采集数据，单片机对此进展具体处理，与时调整控制指挥，为了超越视觉指挥的局限性，同时接上蜂鸣器，在听觉上加强了指挥提醒作用。单片机蜂鸣器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 系统的总体框图据此，本设计系统以单片机为控制核心，连接成最小系统，由车流量检测模块，违规检测模块，和按键设置模块等产生输入，信号灯状态模块，LED倒计时模块和蜂鸣器状态模块承受输出。系统的总体框图如上所示。键盘设置模块对系统输入模式选择与具体通行时间设置的信号，系统进入正常工作状态，执行交

27、通灯状态显示控制，同时将时间数据倒计时输入到LED数码管上实时显示。在此过程中还要实时捕捉违规检测和紧急按键信号，以达到对异常状态进展实时控制的目的。急停按键和违规检测随时调用中断。在模式选择上，假如为自动模式，将不断调用车流量检测模块对车流量进展检测统计，到达一定时间将修正通行时间一满足不同路况的需要。3 系统硬件电路的设计实现本设计要求的具体功能，可以选用AT89S51单片机与外围器件构成最小控制系统，12个发光二极管分成4组红绿黄三色灯构成信号灯指示模块，8个LED东西南北各两个构成倒计时显示模块，车流量检测传感器采集流量数据，光敏传感器捕获违规信号，假如干按键组成时间设置和模式选择按钮

28、和紧急按钮等，以与用1个蜂鸣器进展报警。本系统以单片机为核心，组成一个集车流量采集、处理、自动控制为一身的闭环控制系统。系统硬件电路由车流量检测电路、单片机、违规检测电路，状态灯，LED显示，按键，蜂鸣器组成。其具体的硬件电路总图如下列图。图 总体设计电路图其中流量检测电路，接蜂鸣器。系统上电或手动复位之后，系统等待模式选择设置键按下，模式分两种：红绿灯时间自动和红绿灯时间设置。假如此时F键按下，如此设置为自动模式，假如此时按下的是S键，如此设置为时间设置模式，依次按S假如干次，J键假如干次可设置好两个方向的红绿灯时间，再按F键确认。其实这个过程就是将存储时间值的存放器进展设置，以与标志是否要

29、进展车流量检测与调整。接下来，系统必须先显示状态灯与LED数码管，将状态码值送显P1口，将要显示的时间值送显P0口和用P2口来选通LED数码管的显示导通，在此同时以50ms为周期，用软件方法计时1秒，到达1s就要将时间值减1，刷新LED数码管。时间到达一个状态所要全部时间，如此要进展下一状态判断与衔接，并装入次状态的相应状态码值以与时间值，当然，还要开启两个外部中断，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，开启蜂鸣器禁止全部通行，当按下F键，中断完毕返回。其二为车流量检测信号输入，假如检测到车辆经过，进入相应的中断子程序，将存储车流量的计数器加1，然后中断完毕

30、返回。每满一个状态循环周期，假如为自动模式，如此须将检测到的车流量数据处理一次，判断两个方向的交通轻重缓急状况，再调整下次状态循环的红绿灯时间，以达到自动控制的目的。 AT89S51单片机简介单片微型计算机简称单片机，又称微控制器，嵌入式微控制器等，属于第四代电子计算机。它把中央处理器、存储器、输入/输出接口电路以与定时器/计数器集成在一块芯片上，从而具有体积小、功耗低、价格低廉、抗干扰能力强且可靠性高等特点，因此，适合应用于工业过程控制、智能仪器仪表和测控系统的前端装置。正是由于这一原因，国际上逐渐采用微控制器(MCU)代替单片微型计算机(SCM)这一名称。“微控制器更能反映单片机的本质，但

31、是由于单片机这个名称已经为国大多数人所承受，所以仍沿用“单片机这一名称。单片机的主要特点有：1)具有优异的性能价格比。2)集成度高、体积小、可靠性高。3)控制功能强。4)低电压，低功耗。AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片含4k bytes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指令系统与引脚。它集Flash程序存储器 既可在线编程ISP也可用传统方法进展编程与通用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

32、于各种控制领域。3.2.2 AT89S51芯片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(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个被专用存放器占用。程序存储器(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部配置了4K

33、B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部的终端请求进展管理与处理。

34、图3.2 AT89S51系列单片机的部结构示意图AT89S51共有5个中断源，其中有2个外部中断源和3个部中断源。3.2.3 主要引脚功能AT89S51 引脚图如图3.3 所示： 图3.3 引脚图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，在访问期间激活部上拉电阻。P1口：Pl 是一个带部上拉电阻的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TTL逻辑门电路。对端口写“l，

35、通过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3.1 具有第二功能的P1口引脚端口引脚第二功能：MOSI用于ISP编程MOSI用于ISP编程MOSI用于ISP编程P2 口：P2 是一个带有部上拉电阻的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

36、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 口线上的容也即特殊功能存放器SFR区中P2存放器的容，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I0口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示：表3.2 具有第二

37、功能的P1口引脚端口引脚第二功能：RXD串行输入口TXD串行输出口/INT0外中断0/ INT1外中断1T0定时计数器0外部输入T1定时计数器1外部输入/ WR外部数据存储器写选通/ 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

38、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，可通过对特殊功能存放器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

39、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，复位时部会锁存EA端状态。如EA端为高电平接VCC端，CPU如此执行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：振荡器反相放大器与部时钟发生器的输入端。3.2.4 AT89S51芯片最小系统一个最简单的单片机系统包括晶振、复位、电源、系统的输入控制、输出显示，以与其他外围模块(如通信、数据采集等)。1时钟电路首先介绍一下单片机的晶振电路，即时钟电路。单片机的工作流程，就是

40、在系统时钟的作用下，一条一条地执行存储器中的程序。单片机的时钟电路由外接的一只晶振和两只起振电容，以与单片机部的时钟电路组成，晶振的频率越高，单片机处理数据的速度越快，系统功耗也会相应增加，稳定性也会下降。单片机系统常用的晶振频率有6MHz、110592MHz、12MHz、本系统采用110592MHz晶振，电容选22pF或30pF均可。2复位电路系统刚上电时，单片机部的程序还没有开始执行，需要一段准备时间，也就是复位时间。一个稳定的单片机系统必须设计复位电路。当程序跑飞或死机时，也需要进展系统复位。复位电路有很多种，有上电复位，手动复位等。3EA脚的功能与接法单片机的EA脚控制程序从部存储器还

41、是从外部存储器读取程序。由于现在单片机部的flash容量都很大，因此根本都是从部的存储器读取程序，即不需要外接ROM来存储程序，因此，EA脚必须接高电平。本设计中复位方式采用上电按键手动复位方式，时钟采用部时钟。如如下图3.4所示。图3.4 本系统复位与时钟方式3.3其它硬件介绍与连接电路与模拟如何判断两路口车辆的状况呢？我们要设计一套科学检测车流量而自动调整绿灯放行时间( 需设定上、下限) 的控制系统,这样无疑会大大提高车辆通过率, 有效缓解交通压力。我们在每车道车辆等待线的前方都安装一个霍尔车辆检测传感器, 当有一辆车通过时就会使霍尔开关型传感器的磁场发生变化, 而产生一个脉冲电平, 脉冲

42、电平送给单片机的计数器处理, 给单片机的计数器定一个初值, 用来判断各方向车辆状况。比如: 20秒可以通过的车辆为20辆, 当20秒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2

43、0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。本系统的特点是本钱低, 控制准确。图3.5 十字路口车辆通行顺序十字路口车辆通行顺序由于南往北, 北往南时间显示一样, 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。A1104开关型霍尔的工作原理霍尔传感器的外形图和与磁场的作用关系。磁钢用来提供霍尔能感应

44、的磁场，当霍尔元件以切割磁力线的方式相对磁钢运动时，在霍尔输出端口就会有电压输出，所以霍尔传感器和磁钢需要配对使用。在非磁材料的圆盘边上粘贴一块磁钢，霍尔传感器固定在圆盘外缘附近。圆盘每转动一圈，霍尔传感器便输出一个脉冲。通过单片机测量产生脉冲的频率，就可以得出圆盘的转速。同样道理，根据圆盘(车轮)的转速，再结合圆盘的周长就是计算出物体的位移。如果要增加测量位移的精度，可以在圆盘(车轮)上多增加几个磁钢。车流量检测传感器可对单片机控制系统提供实时数据，系统对所获数据进展模糊处理。实现红绿灯模糊控制必须解决对当前十字路口的交通状况的检测，并完成如下工作:1.输入量的采集，系统采集两个输入量，即两

45、个方向的车流量。2.输出量确实认，即红绿灯时间值。3.设计将输入映照到输出的模糊规如此。4.决定被激活模糊规如此的组合方式和清晰处理，生成准确的输出控制信号。为了采集上述数据，在十字路口的四侧共设置2个传感器。分别检测两个方向的车流量，车流量检测不是最终目的，在每半个循环周期，系统会检测到两个方向的车流量数据，除以时间，那么就可以得到单位时间的车流量，然后比拟两个方向单位时间车流量多少，以确定下一次循环红绿灯时间，达到调整的目的。表 3.3 显示时间选择车辆情况本次该方向通行时间下次表该方向通行时间本次该方向通行时间本次该方向通行时间南往北少车，北往南少车20秒20秒40秒20秒南往北少车，北

46、往南多车20秒40秒40秒40秒南往北多车，北往南少车20秒40秒40秒40秒南往北多车，北往南多车20秒40秒40秒40秒东往西少车，西往东少车20秒20秒40秒20秒东往西少车，西往东多车20秒40秒40秒40秒东往西多车，西往东少车20秒40秒40秒40秒东往西多车，西往东多车20秒40秒40秒40秒车流量检测是用外部中断引脚P06,P07捕获到一个低电平，如此进入相应的中断服务子程序，在子程序中，用R5计南北向车流量，用R6计东西向车流量，设车向标志位为01H，判断车向. 根据红绿灯时间调整原理，一个周期下来，R5，R6中分别存储着南北，东西的车流量，接下来求单位时间车流量，此时南北向

47、时间，东西向时间分别存储在R0，R1中，如此两个方向的流量比例为R5/R0/R6/R1=(R5*R1)(R6*R0),显然该比例是1左右带小数的值，然而单片机程序中只取整数，重要的数据信息就会丢失，所以本设计中首先将(R5*R1)乘以10，比例就变为10左右的值。将该比例值放在A，然后进展时间调整。表3.4 比例与调整时间南北与东西向比例0调整南北向时间202040调整东西向时间402020由表可知，对应的时间调整也只有三种，分别是20，40；20，20；40，20.显然在实际应用中这样简单的处理难以尽如人意，但在此处，本设计只是模拟大致的调整过程违规检测电路与模拟在红灯和黄灯期间，车辆是禁行

48、的，为了对那些违反规如此的车辆进展检测，可使用超声波车辆传感器。但是，用于受到条件的限制，本系统设计中只是使用了普通光敏二极管。图3.6 违规检测电路其根本设计思想是：将光敏二极管放在停车线上，当车辆行驶过将光敏二极管遮住，这样，光敏二极管就不导通，单片机检测到这一信号执行警报操作。违规检测电路如如下图3.5所示。但是除了使用光敏二极管，还需使用三极管，三极管的型号是9031.由于普通光敏二极管的开关特性不太好，所以设计在电路中参加了三极管作为开关。由于普通光敏二极管在导通的情况下的电阻都能达到0.5-1K，所以在设计中将光敏二极管直接连到了电源上。同时三极管还可以起到一定的隔直作用。当光敏二

49、极管关闭时，三极管的基极为低电平，基极与发射基之间的电压为零，三极管关断，检测口的电压为高电平。同理，当光敏二极管导通时，三极管的基极电压为高，基极与发射极之间的电平为高，三极管导通，检测口的电压为低电平。基于此就可以检测是否有违规车辆了。LEDLight Emitting Diode，发光二极管，它是一种固态的半导体器件，可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由三局部组成，一局部是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子，中间通常是1至5个周期的

50、量子阱。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子和空穴就会被推向量子阱，在量子阱电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。 LED显示屏作为大型显示设备的一种，具有亮度高、价格低、寿命长、维护简便等优点。LED数码管的结构简单，分为七段和八段两种形式，也有共阳和共阴之分。以八段共阴管为例，它有8个发光二极管(比七段多一个发光二极管，用来显示sP，即点)，每个发光二极管的阴极连在一起。这样，一个LED数码管就有I根位选线和8根段选线，要想显示一个数值，就要分别对它们的上下电平来加以控制。为方便起见，本文主要讨论共

51、阴八段LED数码显示管，其他类形的显示管与其类似。图3.7 LED数码管LED 灯的显示原理:通过同名管脚上所加电平的上下来控制发光二极管是否点亮而显示不同的字形，如 dp，g,f,e,d,c,b,a全亮显示为。采用共阴极连接:表3.5 驱动代码表显示数值a b c d e f g dop 驱动代码16进制01 1 1 1 1 1 1 1 0FCH1 0 0 0 0 0 1 1 060H2 1 1 0 1 1 0 1 00DAH3 1 1 1 1 0 0 1 00F2H4 0 1 1 0 0 1 1 066H5 1 0 1 1 0 1 1 00B6H6 1 0 1 1 1 1 1 00BEH7

52、 1 1 1 0 0 0 0 00E0H8 1 1 1 1 1 1 1 00FEH9 1 1 1 1 0 1 1 00F6H相应在程序软件上，可以通过调用程序给定的秒值经过特定计算算出需要显示的个位和十位，然后用DPTR调取LEDMAP的代码。LED8段数码管的设置为每个方位上的一对2为显示器。四个方位上总共用8个LED接在单片机的IO口上。虽然路口不一样，但是显示的时间在数字上是一样的，所以两边连接的IO口是对称的。因为输出口较少的原因，所以每个十位，个位的数据的传输必须采用动态扫描的方式，因为人眼的视觉原因，人们会认为是同时点亮的.下面我们用这种方法显示交通灯的时间，南北方向要显示20秒，

53、东西方向要显示25秒，那么我们先给P0口送2的共阴极码即5BH，让第一位2要显示的位码GND段为低电平，其它七位的控制端都接高电平，那么第一位就显示2，其它七位不亮。让其显示1MS后再给P0口送0的共阴极码即3FH，让第二位要显示0的位码GND段为低电平，其它七位的控制端都接高电平，那么第二位就显示0，其它七位不亮。依此类推分别送完第一位2，第二位0，第三位2，第四位5每一位点亮1MS一个扫描周期为8MS，一秒时间就要扫描125次3.3.4其它器件1发光二极管根据本设计的特点，红绿灯的显示不可少，红绿灯的显示采用普通的发光二极管。每个方向上设置红绿黄灯，总共4组。如果东西红灯亮，那南北方向就是

54、绿灯亮，反之亦然，所以在硬件上连接图上也是对称分布的，如如下图3.8所示。图3.8 信号灯的连接在本设计中，实际控制的灯只有6个，即：东西红灯，东西绿灯，东西黄灯，南北红灯，南北绿灯，南北黄灯,其中均是低电平有效。共有4钟状态：东西红灯亮，南北绿灯亮11011101/DDH；东西红灯亮，南北黄灯亮10111101/BDH；东西绿灯亮，南北红灯亮11101101/EDH；东西黄灯亮，南北红灯亮11100111/E7H。括号中是P1端口8个引脚值P1.7,P1.6,P1.5,P1.4,P1.3,P1.2,P1.1,P1.0以与对应的十六进制码。在用于显示发光二极管时，直接由MOV指令将十六进制码送

55、入P1口。刚刚的4个状态是依次变换的，这就要涉与到状态的判断和衔接了。先把P1端口的值与所有的4个状态码比拟，假如一样如此判断成功当前状态，再把下一状态的状态码送显P1即可。2蜂鸣器8051图3.9 蜂鸣器连接紧停按键和违规信号传感器连接到外部中断引脚INT1，P3.6捕获到一个低电平，如此进入该中断，中断程序中先把蜂鸣器P3.7端口置0，启动蜂鸣。并且等待恢复键F键按下，然后关闭蜂鸣返回。3按键控制图3.10 按键示意图首先程序不断扫描模式设置键，分别记为：S键，J键，F键,低电平有效，按键顺序是指定的，假如直接按F键，如此为自动调整模式，然后进入下一程序；假如先按S键，再按J键，F键如此为

56、设置时间模式，然后进入下一程序。程序的开始要判断是否有键按下，可以不断将S键值和F键值相与，与值为1如此表示没有键按下，为0如此表示有键按下。 接下来要判断具体是那个键，假如为F键，如此将自动标志位置1，进入下一程序，否如此为S键，如此表示设置南北绿灯时间，用R0存值，按1下加1，同时还需判断此时J键是否按下，假如按下，如此表示南北绿灯时间设置完毕，开始设置东西绿灯时间，用R1存值，同样按1下加1 ，同时判断此时F键是否按下，假如按下，如此表示时间设置完毕，进入下一程序。在这个过程中，S，J键的计数是循环的，从初值20开始，加到40如此循环回到20。 4电源电路设计由于单片机工作时需要的+5V

57、电压,所以在设计电源电路时,需要一个电子元件能提供+5V电压,由于7805能够提供5V电压的三端稳压电源,在实际的电路控制中应用其作为电源电路较为广泛,在普通的电子元器件商场都有销售易于购置,并且技术相对成熟.7805一脚为电源输入端,二脚为公共接地端,三脚即为我们所需要的+5V电压输出端.本文采用最典型的7805提供电压的电路,即在7805的1脚和公共接地端(即2脚)之间接入F的电容,在公共接地端和三脚+5V电压输出端之间接入F的电容. 图3.11 +5V电源电路57448七段显示译码器7448七段显示译码器输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器。该集成显示译码器设有多个辅助控制端，以增强器件

58、的功能,可将单片机输出的四位二进制数转换成10进制数与七段数码管显示对应，用于显示09的数字。 图3.12 7448芯片4 系统软件程序的设计全部控制程序实际上分为假如干模块：键盘设置处理程序，状态灯控制程序，LED显示程序，消抖动延时程序，次状态判断与处理程序，紧停或违规判断程序，中断服务子程序，车流量计数程序，红绿灯时间调整程序等。整个软件程序方面主要分两大局部：按键处理程序和50ms扫描程序。流程图如图4.1所示。图4.1 系统总流程图首先是按键处理程序，89S51通过对IO扫描，确定是否有键按下，再判断具体是那个键按下，根据键值跳转到按键处理程序。按键处理结果可设置两种工作模式：红绿灯

59、时间设置模式和红绿灯时间自动模式，次程序相当于系统的模式设置，假如想重新设置如此要按下复位键。设置过后进入50ms扫描程序。50ms扫描程序开始后，先刷新显示模块，假如为自动模式如此接下来要计数车流量，然后扫描紧停信号和违规信号，假如捕获如此调用中断，中断服务子程序主要启动蜂鸣器，直至恢复键按下。50ms已到如此重新扫描。扫描20次之后计时到达1s如此时间数据减1，在显示模块中修改显示缓冲区容。在半个状态对换时，车流量计数程序在一个状态变换循环先后计数两个方向的车流量，然后调用红绿灯时间调整程序，更新红绿灯时间。当前状态时间已到，如此判断次状态装入相应数据，然后进入下一状态。定时器工作的根本原

60、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中的。它是以加法记数的，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，即所要求的计数值设定为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。计数值并不是目的，目的是时间值，设计1次的时间，即定时器计数脉冲的周期为T0，它是单片机系统主频周期的12倍，设要求的时间值为T，如此有C=TT0。计算通式变为：T=MTCT0模值和计数器工作方式有关。在方式0时M为8192；在方式1时M的值为65536；在方式2和3为256。就此可以算出各种方式的最大延时。如单片机的

61、主脉冲频率为12MHZ，经过12分频后，假如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的原因，假如使用软件如此会耽搁程序流程，显然不可行。相反，时间计时方面却不可能只用计数器，因为显然秒钟已经超过了计数器的最大定时间，所以我们还必须采用定时器和软件相结合的方法才能解决这个问题。MCS-51的工作频率为12MHZ，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*1/12MHZ=1us。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，但同时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。我们设定一个初值为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，然后判断它是否为零。为零表示秒已到。设定定时器需要定时50毫秒，故T0必须工作于方式。要求初值：TC=M-T*T0=216-50ms/1us=15536=3CBOH. 本系统主要使用了外部中断，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上的信号，8051允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请求信号，可由用户通过设置TCO