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基于单片机的十字路口红绿灯控制系统的设计与实现.doc

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.17M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    1 引言
    基于 MCS-51 单片机的十字路口红绿灯控制系统的设计与实现 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 ATSC51 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 8051 芯片的 P1 口设置红、绿灯燃亮时间的功能。 关键词：单片机 交通灯 车流量 控制 Abstract:With the development of science and technology in recent years,the application of SCM is deepening in the same time promote more traditional control detection update.In real-time detection and control of the microcomputer application system,the microcontroller is often a core component to use,only SCM knowledge is not enough,also according to the specific combination of hardware,software and hardware structure ,to be improved.Crossroads shuttle vehicles,cars,buses and people walkways,orderly.What rely on to achieve the discipline of the order then? By automatic traffic lights is the chain of command control traffic lights.In this system,MSC-51 Series ATSC51 and programmable parallel I/O interface chip 8255A-centered design of traffic signal controller device to realize the actual traffic volume by 8051 according to the P1 port chip set of red,green time kindle function. Key words: microcontroller traffic light traffic flow control 1 引言 交通灯是城市交通中的重要指挥系统，它与人们日常生活密切相关。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。这一技术经 历了一个漫长的发展历程。
    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。 随着人们生活水平的提高，对交通管制也提出了更高的要求，因此提供一个 可靠、安全、便捷的多功能交通灯控制系统有着现实的必要性。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。 1.1 选题背景及意义 随着科技的飞速发展，经济的持续增长，城市交通日益繁忙，往来的车辆越 来越多，道路交通安全的压力也越来越大，尤其是十字路口，更充斥着各种危险。 我国的人口在膨胀，城市面积也在扩大，交通路口越来越多，如果靠交警来维持 交通秩序，则需耗费巨大的人力物力资源，在这种情况下，交通灯的出现成了一 种必然。交通灯的出现给我们带来了极大的便利，它既维持了城市的交通秩序， 同时也为城市建设节省了一大笔开支。在城市的各个路口普及交通灯变得十分必 要。 交通灯是信号灯的一种，由于其控制交通的特殊用途，它的三种颜色的灯的 亮灭在时间和次序上必须有严格的控制，否则将会出现严重后果，因此，它的控 制器件选择十分关键。首先，它应能够进行精确的时间控制，以便应用于不同繁 忙程度的路口。其次，它的可靠性要高。交通灯工作在各种环境中，则必须要求
    它的控制器件能够在各种环境中稳定工作，毕竟交通灯的出现本就为了交通的安 全。再次，它应该功耗小。所有的城市都有成千上万的路口，对于电力资源并不 充足的我国来说，低功耗是十分必要的。另外，它必须还要有较高的性价比。交 通灯是一项公共设施，我国也是泱泱大国，如果制造交通灯的控制器件的成本好 高的话，对于国家来说也会是不小的负担，势必无法大范围的普及。 随着大规模和超大规模集成电路的出现及发展，单片机应运而生，并得到了 迅速发展。它以其具有优异的性价比、集成度高、体积小、可靠性高、控制能力 强、低电压低功耗等特点在各个领域都得到了广泛应用。单片机作为交通灯的控 制器件可以说是最佳选择。而如今，单片机已经作为了交通灯的指挥官，工作在 了各种路口。 1.2 方案提出与论证 交通灯的应用十分广泛，在各个城市的大小路口都能见到，但在不同的路口 交通灯的设置也是不一样的。一般来说，越繁忙的路口交通灯的设置越为复杂， 来往车辆少的路口，则交通的设置较简单。而在不同的时间段，交通灯也是工作 在不同状态下的，这主要是考虑到了实际的车流量和耗电量等因素。 现拟以中等城市繁忙程度一般的路口为例，设计交通灯，提出以下方案： 设置交通灯的工作分为两个时段，即白天时段和夜间时段。白天时段的时间 设置为早上 5:30 到晚上 10:30，夜间时段即为晚上 10:30 到次日早上 5:30.白天时 段的交通灯的工作方式为红黄绿灯交替亮灭。车辆行驶分为以下几个方向：南北 方向行驶、东西方向行驶、东南方向行驶、西南方向行驶、东北方向行驶、西北 方向行驶。其中，由南向东、由东向北、由北向西、由西向南四个方向可以自由 行驶，并不与其他方向的车流发生冲突。则只需四个方向的车协调行驶，即南北 方向、东西方向、由南向西及由北向东、由西向北及由东向南四个方向。设置白 天时段四个方向的车交替行驶，每次通行时间为 20 秒。十字路口的四个路口分 别设置 3 个方向的指示灯，分别控制向左行驶、直行和向右行驶，其中向右行驶 的灯是常绿的。另外，在路口的人行路上分别加上一个带有倒计时显示的人行路 红绿灯。在东西绿灯和由东向北及由西向南方向绿灯时，东西方向的人行指示灯 绿灯亮，反之红灯亮。在南北绿灯和由南向东及由北向西方向绿灯时，南北方向 的人行指示灯绿灯亮，反之红灯亮。倒计时则显示红绿灯亮的剩余时间，同时还 能监视交通灯是否处于正常的工作状态。而夜间时段交通灯的工作则十分简单， 即所有的指示灯都黄灯闪烁。 方案可行性的论证：此方案是一个适应性很强的方案，且很利于实施。首先， 将交通灯的时段分为白天时段和夜间时段两部分，是充分考虑了中等城市的实际 行车情况。我们都知道，白天时段车流量大，而夜间时段则很小，在白天时段需 交通灯指挥车辆有条不紊的行驶，使得白天时段车辆能够安全快速的穿越十字路 口，而夜间时段没那么多车，不需要再耗费同等代价的电力资源来维持秩序。同 时，往来车辆很少，也没有必要让车辆在各个路口空等，因此，只需在十字路口 闪烁黄灯，提醒司机注意是十字路口，行车注意安全即可。这样既减少了等待的 时间，又节约了能源，一举两得。其次，人行路指示灯倒计时显示的加入，不仅 能够起到提醒行人及司机红绿灯亮的剩余时间，让他们对时间有更直观的把握， 提高安全度，同时，也可以监视交通灯的工作状态，让我们能够更准确、及时的
    了解交通灯是否正常工作。此方案虽然简单，但却涵盖了几乎所有的行车规则， 适应能力极强，只需稍加修改，即可应用于各种各样的路口，是一个可移植性极 强的方案，很有研究的价值。 2 系统硬件设计 2.1.1 单片机选型 MCS-51 系 列 是 当 前 单 片 机 应 用 的 主 流 ， 其 特 征 为 片 内 Flash 是 一 种 EEPROM，即电可擦除可编程只读存储器，可在内部存放程序，能方便的实现单 片系统、扩展系统、多级系统。因此，此次选用此款芯片作为控制器件，现对其 做以下简要介绍。 1. MCS-51 的引脚说明： MCS-51 系列单片机中的 8031、8051 及 8751 均采用 40Pin 封装的双列直接 DIP 结构，右图是它们的引脚配置，40 个引脚中，正电源和地线两根，外置石 英振荡器的时钟线两根，4 组 8 位共 32 个 I/O 口，中断口线与 P3 口线复用。现 在我们对这些引脚的功能加以说明：如图 1 图 1 Pin9:RESET/Vpd 复位信号复用脚，当 8051 通电，时钟电路开始工作，在 RESET 引脚上出现 24 个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后， 程序计数器 PC 指向 0000H，P0-P3 输出口全部为高电平，堆栈指针写入 07H， 其它专用寄存器被清“0”。RESET 由高电平下降为低电平后，系统即从 0000H 地 址开始执行程序。然而，初始复位不改变 RAM（包括工作寄存器 R0-R7）的状 态，8051 的初始态。 8051 的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，见下图 4。此外， RESET/Vpd 还是一复用脚，Vcc 掉电其间，此脚可接上备用电源，以保证单片机 内部 RAM 的数据不丢失。
    图 4 ·Pin30:ALE/ 当访问外部程序器时，ALE(地址锁存)的输出用于锁存地址 的低位字节。而访问内部程序存储器时，ALE 端将有一个 1/6 时钟频率的正脉冲 信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。 更有一个特点，当访问外部程序存储器，ALE 会跳过一个脉冲。 如果单片机是 EPROM，在编程其间， 将用于输入编程脉冲。 ·Pin29: 当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，PC 的 16 位地址数据将出现在 P0 和 P2 口上，外部程序存储器则把指令数据放到 P0 口上， 由 CPU 读入并执行。 ·Pin31:EA/Vpp 程序存储器的内外部选通线，8051 和 8751 单片机，内置有 4kB 的程序存储器，当 EA 为高电平并且程序地址小于 4kB 时，读取内部程序存 储器指令数据，而超过 4kB 地址则读取外部指令数据。如 EA 为低电平，则不管 地址大小，一律读取外部程序存储器指令。显然，对内部无程序存储器的 8031,EA 端必须接地。在编程时，EA/Vpp 脚还需加上 21V 的编程电压。 ·输入/输出引脚 P0,P1，P2,P3:P0 口是一个 8 位漏极开路型双向 I/O 端口。 在访问片外存储器时，它分别做 8 位地址线和 8 位双向数据总线用。P1 是一个 带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 端口。在 EPROM 编程和验证程序时，由它输入低 8 位地址。P2 也是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 端口。在访问外部存储器 时，由它输出高 8 位地址；在对 EPROM 编程和程序验证时，由它输入 8 位地址。 P3 也是一个带内部上拉电阻的双向 I/O 端口。在 MCS-51/52 中，这 8 个引脚还 用于专门的第二功能，如下表所示： P3 口各位线与第二功能表
    2. 下图是 MCS-51 系列单片机的内部结构示意图。 由图可知，89C51 的片内程序存储器采用了 Flash 存储器，这种存储器使用 方便，可以多次编程，擦除次数可达 10000 次，因此，89 系列单片机的应用十 分广泛，也是此次采用它作为主元器件的原因之一。 2.1.2 8255 芯片简介 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／Ｂ配合使用，可以用作控制信号输出或作为状态信号输入。 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，需要时用户可自行查找有关资料。 方式控制字格式说明如表 1： 表 1 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
    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。 2.2 系统硬件设计 选用设备 8051 单片机一片选用设备：8051 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、连线若干。 2．2．1 系统总框图如下：
    图 6 2．2．2 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 通过设置各个信号灯的燃亮时间,，绿、红时间分别为 20 秒循环， 黄灯时间为 3 秒，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，当此位为 0 就对系统进行初始化，为 1 系统就开始工作。 （5）绿灯时间倒计时完毕，重新循环。 3 系统软件设计 3.1 工作流程图 交通灯的白天时段的工作流程图如下图所示： 开始 ↓ 东西方向绿灯，其他方向红灯 20s↓ 东西方向黄灯，由东向北及由西向南方向黄灯， 其他方向红灯 3s ↓ 由东向北及由西向南方向绿灯，其他方向红灯
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