畢業(yè)設計（論文）基于單片機的智能交通控制系統

1、基于單片機的智能交通控制系統基于單片機的智能交通控制系統摘摘 要要交通控制系統是近現代社會隨著物流、出行等交通發(fā)展產生的一套獨特的公共管理系統。要保證高效安全的交通秩序，除了制定一系列的交通規(guī)則，還必須通過一定的科技手段加以實現。本文在對目前交通控制進行深入分析的基礎上，運用檢測傳感、實時調整智能化控制的實現技術，將傳感器監(jiān)測、實時調整車輛通行時間的算法與單片機控制作用相結合，提出了基于單片機的交通控制系統設計方案。8051 單片機的交通燈控制系統由 8051 單片機、交通燈顯示、led 倒計時、車流量檢測及調整、違規(guī)檢測、緊急處理、時間模式手動設置等模塊組成。系統除基本交通燈功能外，還具有通

2、行時間手動設置、可倒計時顯示、急車強行通過、車流量檢測及調整、交通異常狀況判別及處理等相關功能。理論證明該系統能夠簡單、經濟、有效地疏導交通，提高交通路口的通行能力。本設計主要做了如下幾方面的工作：一是確定系統交通控制的總體設計，包括，十字路口具體的通行禁行方案設計以及系統應擁有的各項功能，二是進行傳感器的硬件電路、顯示電路等的設計和基本功能要求。關鍵詞：關鍵詞：交通控制，傳感檢測，at89s51，倒計時顯示abstracttraffic control system is a modern society with logistics, travel etc of traffic devel

3、opment 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

4、 intelligent control, real-time monitoring, sensor adjust vehicles time algorithm and single-chip microcomputer control function is proposed, which combines the traffic control system based on single chip design scheme.the 8051 microcontroller control system consists of the traffic lights display, 8

5、051 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 adju

6、stment, 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 cr

7、ossroads, 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 ，at89s51目錄目錄摘 要.iabstract.ii1 緒 論 .11.1 單片機交通控制

8、系統的選題背景.11.2 單片機交通控制系統選題的現實意義.11.3 國內外研究現狀及其發(fā)展.31.3.1 國內外交通控制技術.31.3.2 交通控制存在的問題.61.4 單片機交通控制系統主要研究的內容.72 單片機交通控制系統總體設計.82.1 單片機交通控制系統的通行方案設計.82.2 單片機交通控制系統的功能要求.92.3 單片機交通控制系統的基本構成及原理.113 系統硬件電路的設計.123.1 系統硬件總電路構成及原理.123.1.1 系統硬件電路構成.123.1.2 系統工作原理.133.2 at89s51 單片機簡介.133.2.1 單片機的概述.133.2.2 at89s51

9、 芯片內部結構簡介.143.2.3 主要引腳功能 .163.2.4 at89s51 芯片最小系統.183.3 其它硬件介紹及連接.193.3.1 車流量檢測電路及模擬.193.3.2 違規(guī)檢測電路及模擬.223.3.3 八段 led 數碼管.233.3.4 其它器件.254 系統軟件程序的設計系統軟件程序的設計 .294.1 程序主體設計流程.294.2 理論基礎知識.314.2.1 定時器原理.314.2.2 軟件延時原理.314.2.3 中斷原理.324.2.4 消抖動程序.32結結 論論 .33致致 謝謝 .34參考文獻參考文獻 .35附錄附錄 英文文獻資料及翻譯英文文獻資料及翻譯 .3

10、61 緒緒 論論1.1 單片機交通控制系統的選題背景隨著人口快速的增多，交通工具的爆炸性的發(fā)展，以及道路資源的有限性，交通控制就應運而生，在人類的生活、工作環(huán)境中，交通扮演著極其重要的角色，人們的出行都無時不刻與交通打著交道。自 18 世紀工業(yè)革命以來，工業(yè)發(fā)展帶動整個交通運輸的發(fā)展，從而催生了單獨的交通控制學問與管理機構。交通控制系統是近現代社會隨著物流、出行等交通發(fā)展產生的一套獨特的公共管理系統。要保證高效安全的交通秩序，除了制定一系列的交通規(guī)則，還必須通過一定的技術手段加以實現?，F代人類科學技術，特別是電子科學技術的發(fā)展和成熟能比較好的解決系統建立中硬軟件方面要求的技術難題。目前，交通控

11、制方面的研究能完全實現自動智能化，甚至將整個區(qū)域整合成一個統一的系統范圍，還能根據正常時段以及特定突發(fā)時段的情況進行科學的自動調整。交通對于社會的工業(yè)經濟和人們的生活生產中有著十分重要的意義。隨著單片機和傳感技術的迅速發(fā)展，自動檢測領域發(fā)生了巨大變化，交通自動監(jiān)測控制方面的研究有了明顯的進展，并且必將以其優(yōu)異的性能價格比，逐步取代傳統的交通控制措施。1.2 單片機交通控制系統選題的現實意義城市道路交通自動控制系統的發(fā)展是以城市交通信號控制技術為前導，與汽車工業(yè)并行發(fā)展的。在其各個發(fā)展階段，由于交通的各種矛盾不斷出現，人們總是盡可能地把各個歷史階段當時的最新科技成果應用到交通自動控制中來，從而促

12、進了交通自動控制技術的不斷發(fā)展。早在 1850 年，城市交叉口處不斷增長的交通就引發(fā)了人們對安全和擁堵的關注。世界上第一臺交通自動信號燈的誕生，拉開了城市交通控制的序幕，1868 年，英國工程師納伊特在倫敦威斯特敏斯特街口安裝了一臺紅綠兩色的煤氣照明燈，用來控制交叉路口馬車的通行，但一次煤氣爆炸事故致使這種交通信號燈幾乎銷聲匿跡了近半個世紀。1914 年及稍晚一些時候，美國的克利夫蘭、紐約和芝加哥才重新出現了交通信號燈，它們采用電力驅動，與現在意義上的信號燈已經相差無幾。1926 年英國人第一次安裝和使用自動化的控制器來控制交通信號燈，這是城市交通自動控制的起點。早期的交通信號燈使用“固定配時

13、”方式實行自動控制，這種方式對于早期交通流量不大的情況曾起過一定的作用。但隨著汽車工業(yè)的發(fā)展、交通流量增加、隨機變化增強，采用以往那種單一模式的“固定配時”方式已不能滿足客觀需要，于是一種多時段多方案的信號控制器開始出現并逐步取代了傳統的只有一種控制方案的控制器。 20 世紀 30 年代初，美國最早開始用車輛感應式信號控制器，之后是英國，當時使用的車輛檢測器是氣動橡皮管檢測器。車輛感應控制器的特點是它能根據檢測器測量的交通流量來調整綠燈時間的長短，使綠燈時間更有效地被利用，減少車輛在交叉口的時間延誤，比定時控制方式有更大的靈活性。車輛感應控制的這一特點刺激了車輛檢測器技術的發(fā)展。繼氣動橡皮管式

14、檢測器之后，雷達、超聲波、光電、地磁、電磁、微波、紅外以及環(huán)形線圈等檢測器相繼問世。當今在城市道路交通自動控制、交通監(jiān)測和交通數據采集系統中，應用最廣的是環(huán)形線圈車輛檢測器。超聲波檢測器主要在日本等少數國家得到廣泛應用。計算機技術的出現為交通控制技術的發(fā)展注入了新的活力，更是實現了以一個城市或者更大地域，而非簡單的一個路口的交通總體控制系統。1952 年，美國科羅拉多州丹佛市首次利用模擬計算機和交通檢測器實現了對交通信號機網的配時方案自動選擇式信號燈控制，而加拿大多倫多市于 1964 年完成了計算機控制信號燈的實用化，建立了一套由 ibm650 型計算機控制的交通信號協調控制系統，成為世界上第

15、一個具有電子數字計算機城市交通控制系統的城市。這是道路交通控制技術發(fā)展的里程碑?？梢哉f，在近百年的發(fā)展中，道路交通信號控制系統經歷了手動到自動，從固定配時到靈活配時，從無感應控制到有感應控制，從單點控制到干線控制，從區(qū)域控制到網絡控制的長遠過程。交通控制研究的發(fā)展，旨在解決人類交通因需求的增多而日益繁重帶來的問題，局限于道路建設的暫時不足和交通工具的快速增長，就要使更多的車輛安全高效的利用有限的道路資源，避免因無序和搶行等無控制原因造成的不必要阻塞甚至癱瘓，另外，針對整個交通線路車輛的多少實時調整和轉移多條線路的分流也十分必要。交通網絡是城市的動脈，象征著一個城市的工業(yè)文明水平。交通關系著人們

16、對于財產，安全和時間相關的利益。具有優(yōu)良科學的交通控制技術對資源物流和人們出行都是十分有價值的，保證交通線路的暢通安全，才能保證出行舒暢，物流準時到位，甚至是生命通道的延伸。1.3 國內外研究現狀及其發(fā)展1.3.1 國內外交通控制技術當今，紅綠燈安裝在各個道口上，已經成為疏導交通車輛最常見和最有效的手段。但這一技術在 19 世紀就已出現了。1858 年，在英國倫敦主要街頭安裝了以燃煤氣為光源的紅，藍兩色的機械扳手式信號燈，用以指揮馬車通行。這是世界上最早的交通信號燈。1868 年，英國機械工程師納伊特在倫敦威斯敏斯特區(qū)的議會大廈前的廣場上，安裝了世界上最早的煤氣紅綠燈。它由紅綠兩以旋轉式方形玻

17、璃提燈組成，紅色表示“停止” ，綠色表示“注意” 。1869 年 1 月 2 日，煤氣燈爆炸，使警察受傷，遂被取消。電氣啟動的紅綠燈出現在美國，這種紅綠燈由紅綠黃三色圓形的投光器組成，1914 年始安裝于紐約市 5 號大街的一座高塔上。紅燈亮表示“停止” ，綠燈亮表示“通行” 。1918 年，又出現了帶控制的紅綠燈和紅外線紅綠燈。帶控制的紅綠燈，一種是把壓力探測器安在地下，車輛一接近紅燈便變?yōu)榫G燈；另一種是用擴音器來啟動紅綠燈，司機遇紅燈時按一下嗽叭，就使紅燈變?yōu)榫G燈。紅外線紅綠燈當行人踏上對壓力敏感的路面時，它就能察覺到有人要過馬路。紅外光束能把信號燈的紅燈延長一段時間，推遲汽車放行，以免發(fā)

18、生交通事故。從1868年英國倫敦首次使用燃汽色燈信號以來，城市交通信號機由手動到自動，交通信號由固定周期到可變周期，系統控制方式由點控到面控，從無車輛檢測器到有車輛檢測器，經歷了近百年的歷史。到1963年加拿大多倫多市建立了一套使用ibm650型計算的集中協調感應控制信號系統，從而標志著城市道路交通信號系統的發(fā)展進入了一個新的階段。各個時期典型交通信號系統得特征如附表所示。之后，美國、英國、德國、日本、澳大利亞等多家相繼建成數字電子計算機區(qū)域交通控制系統，這種系統一般還配備交通監(jiān)視系統組成交通管制中心。到80年代初，全世界建有交通管制中心的城市有300多個，代表了未來交通控制的發(fā)展方向。表1.

19、1 交通信號系統發(fā)展狀況簡稱時間國別城市名稱控制路口數信號周期檢測器控制方式1868英國倫敦燃氣色燈單/1914美國克利夫蘭電力色燈單/1926英國各城市單點定周期自動信號機單定/自動點控1928美國各城市感應式自動信號機單定氣壓式自動線控1917美國鹽湖城手控干道協調系統6個定/人工1922美國休斯頓電子計時干道協調系統12個定/電動線控1928美國各城市步進式定時干道協調系統多個（線）變/電動1952美國丹佛市模擬計算機交通信號控制系統多個（網）變氣壓式計算機面控1963加拿大多倫多數字計算機集中協調感應控制信號系統多個（網）變電磁式計算機信號燈的出現，使交通得以有效管制，對于疏導交通流量

20、、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。1968年，聯合國道路交通和道路標志信號協定對各種信號燈的含義作了規(guī)定。綠燈是通行信號，面對綠燈的車輛可以直行，左轉彎和右轉彎，除非另一種標志禁止某一種轉向。左右轉彎車輛都必須讓合法地正在路口內行駛的車輛和過人行橫道的行人優(yōu)先通行。紅燈是禁行信號，面對紅燈的車輛必須在交叉路口的停車線后停車。黃燈是警告信號，面對黃燈的車輛不能越過停車線，但車輛已十分接近停車線而不能安全停車時可以進入交叉路口。在西方發(fā)達國家，交通控制系統基本上完成了由傳統的交通控制系統向智能交通控制系統its的轉變，而在我國，智能交通系統則剛剛處于起步階段。對于傳統的交通控制系統而言，

21、對紅綠燈一般采用定時控制，無法對實際的交通流進行識別優(yōu)化，以至于不能適應交通量的不確定性和隨機性的原因，往往造成交通資源的浪費和道路的梗阻。而智能交通控制系統則在不產生大的硬件改動的情況下有效的提高效率。its：intelligent transport systems。這一國際性術語于1994年被正式認定。在此之前，美國稱這類技術或相關研究項目為“智能車輛道路系統(ivhs)”(intelligent veliiele highway system)。日本將這類技術稱為utms、vics等：歐盟則稱之為“道路交通信息技術(rti)”。國際標準化組織(iso)為its設立的專項叫isotc20

22、4，使用的術語是“1rics(交通運輸信息與控制系統)”。智能交通系統強調的是系統性、信息交流的交互性以及服務的廣泛性，其核心技術是電子技術、信息技術、通信技術、交通工程和系統工程。智能交通系統its是在較完善的道路設施基礎上，將先進的電子技術、信息技術、傳感器技術和系統工程技術集成運用于地面交通管理所建立的一種實時、準確、高效、大范圍、全方位發(fā)揮作用的交通運輸管理系統。在國內，受客觀條件的制約，its起步比較晚，在20世紀90年代初，我國的相關學者開始意識到研究和開發(fā)its的重要性。到90年代中期，由于受到國外its研發(fā)的影響，政府部門也開始重視對its的研究，隨后，又得到中央部門和部分地方

23、政府的支持。1999年，我國成立了全國智能交通系統(its)協調指導小組及辦公室，同年，又成立了全國智能交通運輸系統(its)專家咨詢委員會，其中，同濟大學、清華大學、北方交通大學、北京航空航天大學、吉林工業(yè)大學、東南大學等高校的有關專家為咨詢委員，并啟動了國家“九五”科技攻關課題和國家“十五”科技攻關課題。目前，在對一些大中型城市引入的國外its進行研究的基礎上已經逐漸開始摸索開發(fā)設計適合自己國情的its系統。1.3.2 交通控制存在的問題我國城市交通運輸的現狀和存在的問題，借鑒國外城市交通管理的先進經驗，強調建立城市交通管理體制的重要性，提出加強城市交通研究的交通規(guī)劃，建立穩(wěn)定的交通基礎設

24、施建設的資金出道，實行公交優(yōu)先政策，建立先進的交通信息系統等對策。隨著城市機動車增長速度的加快。1994 年臥軌城市機動車保有量已接近500 完輛。20 世紀 90 年代以來，經濟的發(fā)展加快，從 1985 年到 1995 年，機動車增長率達 13%左右，近幾年更是增多。然而，在此同時，城市道路建設規(guī)模也在加大，我國城市普遍存在道路密度，道路面積率偏低的問題，這是我國城市喲其是大城市有機的一個重要原因。我國城市道路的密度只有 6.8km 每平方千米，而在 20 世紀 80 年代，世界發(fā)達國家就已到達 20km 每平方千米。20 世紀 90 年代，我國部分城市道路面積率，北京為 5.9%，上海為

25、6.4%，而國外東京為 13.8%，巴黎為 25%，普遍高于我國。近幾年，國家雖不斷加大城市道路建設的力度，但仍趕不上車輛的增長速度，且與世界其他國家相比，差距仍很大。出租車以及公交的發(fā)展運營情況并不盡如人意，雖然車輛和線路長度增長，但運營速度成了瓶頸，新增的運力被運輸效率低下所抵消。交通管理方面水平還欠發(fā)展，隨著交通需求越來越旺盛，而我國城市中小交通管理和交通安全的現代化設施卻做得不足。在車輛，道路和交通管理系統，城市交通信號控制系統，城市交通管制中應用人工智能技術，信息 采集和信息提供技術等方面都與發(fā)達國家有很大差距。近幾年，雖然有部分城市研究和引進一些國外先進的交通信號管理系統，但是由于

26、交通管理設施不足等原因，我國交通事故率居高不下。城市車流行駛速度逐年下降，目前不少城市交通運量年年增長，但運輸速度普遍下降，這都源于交通通行不佳。1.4 單片機交通控制系統主要研究的內容基于整個交通控制系統的發(fā)展情況，本設計主要進行如下方面的研究：用智能，集成，且功能強大的單片機芯片為控制中心，設計出一套十字路口的交通控制系統，以指揮該路口的實時通行狀態(tài)。本設計主要做了如下幾方面的工作：一是確定系統交通控制的總體設計，包括，十字路口具體的通行禁行方案設計以及系統應擁有的各項功能，在這里，本設計除了有信號燈狀態(tài)控制能實現基本的交通功能，還增加了倒計時顯示提示，基于實際情況，又要求了對車流量檢測及

27、自調整模擬功能，違規(guī)檢測及處理，緊急狀況處理和鍵盤可設置等強大功能。 二是進行智能傳感器的硬件電路，顯示電路等的設計對各器件的選擇及連接，大體分配各個器件及模塊的基本功能要求。三是進行軟件系統的設計，對于本系統，本人采用單片機匯編語言編寫，對單片機內部結構和工作情況做了充足的研究，了解定時器，中斷以及延時原理，總體上完成了軟件的編寫。2 單片機交通控制系統總體設計單片機交通控制系統總體設計2.1 單片機交通控制系統的通行方案設計設在十字路口，分為東西向和南北向，在任一時刻只有一個方向通行，另一方向禁行，持續(xù)一定時間，經過短暫的過渡時間，將通行禁行方向對換。其具體狀態(tài)如下圖所示。說明：黑色表示亮

28、，白色表示滅。交通狀態(tài)從狀態(tài) 1 開始變換，直至狀態(tài) 6 然后循環(huán)至狀態(tài) 1，周而復始，即如圖 2.1 所示：圖 2.1 交通狀態(tài) 通過具體的路口交通燈狀態(tài)的演示分析我們可以把這四個狀態(tài)歸納如下：東西方向紅燈滅，同時綠燈亮，南北方向黃燈滅，同時紅燈亮，倒計時20 秒。此狀態(tài)下，東西向禁止通行，南北向允許通行。東西方向綠燈滅，同時黃燈亮，南北方向紅燈亮，倒計時 2 秒。此狀態(tài)下，除了已經正在通行中的其他所以車輛都需等待狀態(tài)轉換。南北方向紅燈滅，同時綠燈亮，東西方向黃燈滅，同時紅燈亮，倒計時20 秒。此狀態(tài)下，東西向允許通行，南北向禁止通行。南北方向綠燈滅，同時黃燈亮，東西方向紅燈亮，倒計時 2

29、秒。此狀態(tài)下，除了已經正在通行中的其他所以車輛都需等待狀態(tài)轉換。下面我們可以用圖表表示燈狀態(tài)和行止狀態(tài)的關系如下：表 2.1 交通狀態(tài)及紅綠燈狀態(tài)東西南北四個路口均有紅綠黃 3 燈和數碼顯示管 2 個，在任一個路口，遇紅燈禁止通行，轉綠燈允許通行，之后黃燈亮警告行止狀態(tài)將變換。狀態(tài)及紅綠燈狀態(tài)如表 2.1 所示。說明：0 表示滅，1 表示亮。2.2 單片機交通控制系統的功能要求本設計能模擬基本的交通控制系統，用紅綠黃燈表示禁行，通行和等待的信號發(fā)生，還能進行倒計時顯示，車流量檢測及調整，交通違規(guī)處理和緊急處理等功能。（1）倒計時顯示倒計時顯示可以提醒駕駛員在信號燈燈色發(fā)生改變的時間、在“停止”

30、和“通過”兩者間作出合適的選擇。駕駛員和行人普遍都愿意選擇有倒計時顯示狀態(tài) 1狀態(tài) 3狀態(tài) 4狀態(tài) 6東西向禁行等待變換通行等待變換南北向通行等待變換禁行等待變換東西紅燈1100東西黃燈0001東西綠燈0010南北紅燈0011南北綠燈1000南北黃燈0100的信號控制方式，并且認為有倒計時顯示的路口更安全。倒計時顯示是用來減少駕駛員在信號燈色改變的關鍵時刻做出復雜判斷的 1 種方法，它可以提醒駕駛員燈色發(fā)生改變的時間，幫助駕駛員在“停止”和“通過”兩者間作出合適的選擇 。（2）車流量檢測及調整隨著我國經濟建設的蓬勃發(fā)展，城市人口和機動車擁有量在急劇增長，交通流量日益加大，交通擁擠堵塞現象日趨嚴

31、重，交通事故時有發(fā)生。車輛檢測器作為智能交通系統的基本組成部分，在智能交通系統中占有重要的地位。現階段，車輛檢測器檢測方式有很多，各有其優(yōu)缺點，如紅外線檢測器、地磁檢測器、機械壓電檢測器，磁頻檢測器、波頻檢測器、視頻檢測器等。一般車流量檢測器采用傳感器+單片機+外圍器件來實現。 而且，目前國內使用的紅綠燈都是固定的紅綠燈時間，并自動切換。紅燈時間和綠燈時間，是根據道口東西向和南北向的車流量，利用統計方法確定的。交通警察不斷觀察十字路口的兩個方向，根據車輛密度和流速決定是否切換紅綠燈，以保證最佳的道路交通控制狀態(tài)。（3）時間手動設置 除系統根據車流量自動控制調整，也可以通過鍵盤進行手動設置，增加

32、了人為的可控性，避免自動故障和意外發(fā)生，并再緊急狀態(tài)下，可設置所有燈變?yōu)榧t燈。鍵盤是單片機系統中最常用的人機接口，一般情況下有獨立式和行列式兩種。前者軟件編寫簡單，但在按鍵數量較多時特別浪費 i0 口資源，一般用于按鍵數量少的系統。后者適用于按鍵數量較多的場合，但是在單片機 i0口資源相對較少而需要較多按鍵時，此方法仍不能滿足設計要求。本系統要求的按鍵控制不多，且 i0 口足夠，可直接采用獨立式。（4）緊急處理 交通路口出現緊急狀況在所難免，如特大事件發(fā)生，救護車等急行車通過等，我們都必須盡量允許其暢通無阻，畢竟在這種情況下是分秒必爭的，時時刻刻關系著公共財產安全，個人生死攸關等。由此在交通控

33、制中增設禁停按鍵，就可達到想此目的。（5）違規(guī)檢測 交通規(guī)則必須人人遵守，但是違反規(guī)則，如闖紅燈等，也時有發(fā)生，交警等交通管理人員雖然可以進行實時監(jiān)管，但是耗費精力，在路口設置檢測傳感器就可以進行自動的警報提示。2.3 單片機交通控制系統的基本構成及原理單片機設計交通燈控制系統，可用單片機直接控制信號燈的狀態(tài)變化，基本上可以指揮交通的具體通行，當然，接入 led 數碼管就可以顯示倒計時以提醒行使者，更具人性化。本系統在此基礎上，加入了違規(guī)檢測電路和車流量檢測電路為單片機采集數據，單片機對此進行具體處理，及時調整控制指揮，為了超越視覺指揮的局限性，同時接上蜂鳴器，在聽覺上加強了指揮提醒作用。單片

34、機蜂鳴器按鍵控制紅黃綠信號燈車流量檢測電路最小系統外圍接口電路8 段 led 數碼管顯示圖 2.2 系統的總體框圖據此，本設計系統以單片機為控制核心，連接成最小系統，由車流量檢測模塊，違規(guī)檢測模塊，和按鍵設置模塊等產生輸入，信號燈狀態(tài)模塊，led 倒計時模塊和蜂鳴器狀態(tài)模塊接受輸出。系統的總體框圖如上所示。鍵盤設置模塊對系統輸入模式選擇及具體通行時間設置的信號，系統進入正常工作狀態(tài)，執(zhí)行交通燈狀態(tài)顯示控制，同時將時間數據倒計時輸入到 led數碼管上實時顯示。在此過程中還要實時捕捉違規(guī)檢測和緊急按鍵信號，以達到對異常狀態(tài)進行實時控制的目的。急停按鍵和違規(guī)檢測隨時調用中斷。在模式選擇上，若為自動模

35、式，將不斷調用車流量檢測模塊對車流量進行檢測統計，到達一定時間將修正通行時間一滿足不同路況的需要。3 系統硬件電路的設計系統硬件電路的設計3.1 系統硬件總電路構成及原理實現本設計要求的具體功能，可以選用 at89s51 單片機及外圍器件構成最小控制系統，12 個發(fā)光二極管分成 4 組紅綠黃三色燈構成信號燈指示模塊，8個 led 東西南北各兩個構成倒計時顯示模塊，車流量檢測傳感器采集流量數據，光敏傳感器捕獲違規(guī)信號，若干按鍵組成時間設置和模式選擇按鈕和緊急按鈕等，以及用 1 個蜂鳴器進行報警。3.1.1 系統硬件電路構成本系統以單片機為核心，組成一個集車流量采集、處理、自動控制為一身的閉環(huán)控制

36、系統。系統硬件電路由車流量檢測電路、單片機、違規(guī)檢測電路，狀態(tài)燈，led 顯示，按鍵，蜂鳴器組成。其具體的硬件電路總圖如圖 3.1 所示。e a/v p31x 119x 218r es et9r d17w r16in t 012in t 113t 014t 115p101p112p123p134p145p156p167p178p0039p0138p0237p0336p0435p0534p0633p0732p2021p2122p2223p2324p2425p2526p2627p2728pse n29a le /p30t xd11r xd108051c ry st a l11.0592m hzc

37、1c 2220v交交交交交交0.22f0.1 f交交c51234d 1v in1gnd2v out3l m7805+5v+21.6vgyrygrrgyygr1234567abcdefg8dp9g ndabfcgdedpa mb e rc c1234567abcdefg8dp9g ndabfcgdedpa mb e rc c1234567abcdefg8dp9g ndabfcgdedpd s?a mb e rc c1234567abcdefg8dp9g ndabfcgdedpd s?a mb e rc c1234567abcdefg8dp9g ndabfcgdedpd s?a mb e rc c

38、1234567abcdefg8dp9g ndabfcgdedpd s?a mb e rc c1234567abcdefg8dp9g ndabfcgdedpd s?a mb e rc c1234567abcdefg8dp9g ndabfcgdedpd s?a mb e rc cvccvcca 1104 交交交交交交交交交交交交vccvccjfsr 2r 3r 4r 5交交交交vccr 81kv ccr 9a7b1c2d6l t3b i/r bo4r bi5a13b12c11d10e9f15g14u ?7448vcca 1104 交交交交交交交交交交交交vcc0.3k0.3k0.3k0.3k0.3

39、k0.3k0.3k0.3k0.3k0.3k0.3k0.3kp10p11p12p13p14p15p10p11p12p13p14p15p10p11p12p13p14p15vccvccvccvccvccvccvccvccvccp20p21p22p23p24p25p26p27p20p21p22p23p24p25p26p27vccr 1c 3vccvccvccvcc 圖 3.1 總體設計電路圖其中 p0，p2，用于送顯兩片 led 數碼管，p1 用于控制紅綠黃發(fā)光二極管，xtal1 和 xtal2 接入晶振時鐘電路，reset 引腳接上復位電路，p3.3 即 int1 接違規(guī)檢測電路和 p3.2 即 i

40、nt0 接緊停東西時間設置鍵 j，p0.6，p0.7 接車流量檢測電路，p3.6 接南北時間設置鍵 s，p3.7 接自動模式選擇返回鍵f，p3.4 接蜂鳴器。3.1.2 系統工作原理系統上電或手動復位之后，系統等待模式選擇設置鍵按下，模式分兩種：紅綠燈時間自動和紅綠燈時間設置。若此時 f 鍵按下，則設置為自動模式，若此時按下的是 s 鍵，則設置為時間設置模式，依次按 s 若干次，j 鍵若干次可設置好兩個方向的紅綠燈時間，再按 f 鍵確認。其實這個過程就是將存儲時間值的寄存器進行設置，以及標志是否要進行車流量檢測及調整。接下來，系統必須先顯示狀態(tài)燈及 led 數碼管，將狀態(tài)碼值送顯 p1 口，將

41、要顯示的時間值送顯 p0 口和用 p2 口來選通 led 數碼管的顯示導通，在此同時以 50ms 為周期，用軟件方法計時 1 秒，到達 1s 就要將時間值減 1，刷新 led數碼管。時間到達一個狀態(tài)所要全部時間，則要進行下一狀態(tài)判斷及銜接，并裝入次狀態(tài)的相應狀態(tài)碼值以及時間值，當然，還要開啟兩個外部中斷，其一為違規(guī)信號或禁停信號輸入，一旦信號有效，中斷開始，進入中斷服務子程序，開啟蜂鳴器禁止全部通行，當按下f 鍵，中斷結束返回。其二為車流量檢測信號輸入，若檢測到車輛經過，進入相應的中斷子程序，將存儲車流量的計數器加 1，然后中斷結束返回。每滿一個狀態(tài)循環(huán)周期，若為自動模式，則須將檢測到的車流量

42、數據處理一次，判斷兩個方向的交通輕重緩急狀況，再調整下次狀態(tài)循環(huán)的紅綠燈時間，以達到自動控制的目的。3.2 at89s51 單片機簡介3.2.1 單片機的概述單片微型計算機簡稱單片機，又稱微控制器，嵌入式微控制器等，屬于第四代電子計算機。它把中央處理器、存儲器、輸入/輸出接口電路以及定時器/計數器集成在一塊芯片上，從而具有體積小、功耗低、價格低廉、抗干擾能力強且可靠性高等特點，因此，適合應用于工業(yè)過程控制、智能儀器儀表和測控系統的前端裝置。正是由于這一原因，國際上逐漸采用微控制器(mcu)代替單片微型計算機(scm)這一名稱。 “微控制器”更能反映單片機的本質，但是由于單片機這個名稱已經為國內

43、大多數人所接受，所以仍沿用“單片機”這一名稱。單片機的主要特點有：1)具有優(yōu)異的性能價格比。2)集成度高、體積小、可靠性高。3)控制功能強。4)低電壓，低功耗。at89s51 是美國 atmel 公司生產的低功耗，高性能 cmos8 位單片機，片內含 4k bytes 的可系統編程的 flash 只讀程序存儲器,器件采用 atmel 公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準 8051 指令系統及引腳。它集 flash 程序存儲器 既可在線編程（isp）也可用傳統方法進行編程及通用 8 位微處理器于單片芯片中,atmel 公司的功能強大，低價位 at89s51 單片機可為您提供許多高性價比的

44、應用場合，可靈活應用于各種控制領域。3.2.2 at89s51 芯片內部結構簡介 中央處理器：中央處理器：中央處理器(cpu)是整個單片機的核心部件，是 8 位數據寬度的處理器，能處理 8 位二進制數據或代碼，cpu 負責控制、指揮和調度整個單元系統協調的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。數據存儲器數據存儲器(內部內部 ram)：數據存儲器用于存放變化的數據。at89s51 中數據存儲器的地址空間為 256個 ram 單元，但其中能作為數據存儲器供用戶使用的僅有前面 128 個，后 128個被專用寄存器占用。程序存儲器程序存儲器( (內部內部 rom)rom)：程序存儲器用于存放程序和固

45、定不變的常數等。通常采用只讀存儲器，且其又多種類型，在 89 系列單片機中全部采用閃存。at89s51 內部配置了 4kb 閃存。定時定時/ /計數器計數器(rom)(rom)： 定時/計數器用于實現定時和計數功能。at89s51 共有 2 個 16 位定時/計數器。 并行輸入輸出并行輸入輸出(i/o)(i/o)口：口： 8051 共有 4 組 8 位 i/o 口(p0、 p1、p2 或 p3)，用于對外部數據的傳輸。每個口都由 1 個鎖存器和一個驅動器組成。它們主要用于實現與外部設備中數據的并行輸入與輸出，有些 i/o 口還有其他功能。 全雙工串行口：全雙工串行口：a89s51 內置一個全雙

46、工串行通信口，用于與其它設備間的串行數據傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當同步移位器使用。 時鐘電路：時鐘電路：時鐘電路的作用是產生單片機工作所需要的時鐘脈沖序列。 中斷系統：中斷系統：中斷系統的作用主要是對外部或內部的終端請求進行管理與處理。圖 3.2 at89s51 系列單片機的內部結構示意圖 at89s51 共有 5 個中斷源，其中有 2 個外部中斷源和 3 個內部中斷源。3.2.3 主要引腳功能at89s51 引腳圖如圖 3.3 所示： 圖 3.3 引腳圖vcc：電源電壓gnd：地p0 口：p0 口是一組 8 位漏極開路型雙向 i0 口，也即地址數據總線復用口。作為輸出口

47、用時，每位能驅動 8 個 ttl 邏輯門電路，對端口寫“l(fā)”可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數據存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉換地址（低 8 位）和數據總線復用，在訪問期間激活內部上拉電阻。p1 口：pl 是一個帶內部上拉電阻的 8 位雙向 io 口，pl 的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4 個 ttl 邏輯門電路。對端口寫“l(fā)” ，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（iil） 。flash 編程和程序校驗期間，pl 接收低 8 位地址。表 3.1 具有第二功能的 p1 口引腳端口引腳第二功

48、能：p1.5mosi（用于 isp 編程）p1.6mosi（用于 isp 編程）p1.7mosi（用于 isp 編程）p2 口：p2 是一個帶有內部上拉電阻的 8 位雙向 io 口，p2 的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4 個 ttl 邏輯門電路。對端口寫“1” ，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（iil） 。在訪問外部程序存儲器或 16 位地址的外部數據存儲器（例如執(zhí)行 movxdptr 指令）時，p2 口送出高 8 位地址數據。在訪問 8 位地址的外部數據存儲器（如執(zhí)行movxri 指令）時

49、，p2 口線上的內容（也即特殊功能寄存器（sfr）區(qū)中 p2 寄存器的內容） ，在整個訪問期間不改變。flash 編程或校驗時，p2 亦接收高位地址和其它控制信號。p3 口：p3 口是一組帶有內部上拉電阻的 8 位雙向 i0 口。p3 口輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4 個 ttl 邏輯門電路。對 p3 口寫入“l(fā)”時，它們被內部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時，被外部拉低的 p3 口將用上拉電阻輸出電流（iil） 。p3 口除了作為一般的 i0 口線外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示：表 3.2 具有第二功能的 p1 口引腳端口引腳第二功能：p3.0rxd（串行輸入口）p

50、3.1txd（串行輸出口）p3.2/int0（外中斷 0）p3.3/ int1（外中斷 1）p3.4t0（定時計數器 0 外部輸入）p3.5t1（定時計數器 1 外部輸入）p3.6/ wr（外部數據存儲器寫選通）p3.7/ rd 外部數據存儲器讀選通）p3 口還接收一些用于 flash 閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。rst：復位輸入。當振蕩器工作時，rst 引腳出現兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。wdt 溢出將使該引腳輸出高電平，設置 sfr auxr 的disrt0 位（地址 8eh）可打開或關閉該功能。disrt0 位缺省為 reset 輸出高電平打開狀態(tài)。aleerror!：

51、當訪問外部程序存儲器或數據存儲器時，ale（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ale 仍以時鐘振蕩頻率的 16 輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數據存儲器時將跳過一個 ale 脈沖。對 f1ash 存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（prog） 。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（sfr）區(qū)中的 8eh 單元的 d0 位置位，可禁止 ale 操作。該位置位后，只有一條 m0vx 和 m0vc 指令 ale 才會被激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應設置 ale 無效。error!

52、程序儲存允許（error!）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當at89s51 由外部程序存儲器取指令（或數據）時，每個機器周期兩次error!有效，即輸出兩個脈沖。當訪問外部數據存儲器，沒有兩次有效的error!信號。error!vpp：外部訪問允許。欲使 cpu 僅訪問外部程序存儲器（地址為0000hffffh） ，ea 端必須保持低電平（接地） 。需注意的是：如果加密位 lb1被編程，復位時內部會鎖存 ea 端狀態(tài)。如 ea 端為高電平（接 vcc 端） ，cpu 則執(zhí)行內部程序存儲器中的指令。f1ash 存儲器編程時，該引腳加上+12v 的編程電壓 vpp。xtal1：振蕩器反相放大器

53、及內部時鐘發(fā)生器的輸入端。3.2.4 at89s51 芯片最小系統一個最簡單的單片機系統包括晶振、復位、電源、系統的輸入控制、輸出顯示，以及其他外圍模塊(如通信、數據采集等)。（1）時鐘電路首先介紹一下單片機的晶振電路，即時鐘電路。單片機的工作流程，就是在系統時鐘的作用下，一條一條地執(zhí)行存儲器中的程序。單片機的時鐘電路由外接的一只晶振和兩只起振電容，以及單片機內部的時鐘電路組成，晶振的頻率越高，單片機處理數據的速度越快，系統功耗也會相應增加，穩(wěn)定性也會下降。單片機系統常用的晶振頻率有 6mhz、110592mhz、12mhz、本系統采用 110592mhz 晶振，電容選 22pf 或 30pf

54、 均可。（2）復位電路系統剛上電時，單片機內部的程序還沒有開始執(zhí)行，需要一段準備時間，也就是復位時間。一個穩(wěn)定的單片機系統必須設計復位電路。當程序跑飛或死機時，也需要進行系統復位。復位電路有很多種，有上電復位，手動復位等。 （3）ea 腳的功能及接法單片機的 ea 腳控制程序從內部存儲器還是從外部存儲器讀取程序。由于現在單片機內部的 flash 容量都很大，因此基本都是從內部的存儲器讀取程序，即不需要外接 rom 來存儲程序，因此，ea 腳必須接高電平。本設計中復位方式采用上電按鍵手動復位方式，時鐘采用內部時鐘。如下圖 3.4 所示。圖 3.4 本系統復位與時鐘方式3.3 其它硬件介紹及連接3

55、.3.1 車流量檢測電路及模擬如何判斷兩路口車輛的狀況呢？我們要設計一套科學檢測車流量而自動調整綠燈放行時間( 需設定上、下限) 的控制系統,這樣無疑會大大提高車輛通過率, 有效緩解交通壓力。我們在每車道車輛等待線的前方都安裝一個霍爾車輛檢測傳感器, 當有一輛車通過時就會使霍爾開關型傳感器的磁場發(fā)生變化, 而產生一個脈沖電平, 脈沖電平送給單片機的計數器處理, 給單片機的計數器定一個初值, 用來判斷各方向車輛狀況。比如: 20秒內可以通過的車輛為20輛, 當20秒內南往北方向車輛通過車輛達不到20輛時, 判斷該方向為少車, 當20秒內北往南方向車輛通過車輛也達不到20 輛時, 判斷該方向也為少

56、車, 下一次通行仍為20秒, 當20秒時間內南往北或北往南任意一個方向通過的車輛達20輛時證明該狀態(tài)車輛較多, 下一次該方向綠燈放行時間改為40秒, 當40秒內通過的車輛數達45輛時車輛判斷為擁擠, 下一次綠燈放行時間改仍為40秒, 當40秒車輛上通過車輛達不到45輛時, 判斷為少車, 下次綠燈放行時間改為20秒, 依此類推。綠燈下限時間為20秒, 上限值為40秒, 初始時間為20秒。這樣檢測, 某次可能不準確, 但下次肯定能彌補回來, 累積計算是很準確的, 這就是人們常說的模糊控制”。因為路上的車不可能突然增多, 塞車都有一個累積過程。這樣控制可以把不斷增多的車輛一步一步消化, 雖然最后由于

57、每個路口的綠燈放行時間延長而使等候的時間變長, 但比塞車等候的時間短得多。本系統的特點是成本低, 控制準確。圖3.5 十字路口車輛通行順序十字路口車輛通行順序由于南往北, 北往南時間顯示相同, 所以只要一個方向多車, 下次時間就要加長東往西,西往東也一樣。a1104開關型霍爾的工作原理霍爾傳感器的外形圖和與磁場的作用關系。磁鋼用來提供霍爾能感應的磁場，當霍爾元件以切割磁力線的方式相對磁鋼運動時，在霍爾輸出端口就會有電壓輸出，所以霍爾傳感器和磁鋼需要配對使用。在非磁材料的圓盤邊上粘貼一塊磁鋼，霍爾傳感器固定在圓盤外緣附近。圓盤每轉動一圈，霍爾傳感器便輸出一個脈沖。通過單片機測量產生脈沖的頻率，就

58、可以得出圓盤的轉速。同樣道理，根據圓盤(車輪)的轉速，再結合圓盤的周長就是計算出物體的位移。如果要增加測量位移的精度，可以在圓盤(車輪)上多增加幾個磁鋼。車流量檢測傳感器可對單片機控制系統提供實時數據，系統對所獲數據進行模糊處理。實現紅綠燈模糊控制必須解決對當前十字路口的交通狀況的檢測，并完成如下工作:1.輸入量的采集，系統采集兩個輸入量，即兩個方向的車流量。2.輸出量的確認，即紅綠燈時間值。3.設計將輸入映照到輸出的模糊規(guī)則。4.決定被激活模糊規(guī)則的組合方式和清晰處理，生成精確的輸出控制信號。為了采集上述數據，在十字路口的四側共設置 2 個傳感器。分別檢測兩個方向的車流量，車流量檢測不是最終

59、目的，在每半個循環(huán)周期，系統會檢測到兩個方向的車流量數據，除以時間，那么就可以得到單位時間的車流量，然后比較兩個方向單位時間車流量多少，以確定下一次循環(huán)紅綠燈時間，達到調整的目的。表 3.3 顯示時間選擇車輛情況本次該方向通行時間下次表該方向通行時間本次該方向通行時間本次該方向通行時間南往北少車，北往南少車20 秒20 秒40 秒20 秒南往北少車，北往南多車20 秒40 秒40 秒40 秒南往北多車，北往南少車20 秒40 秒40 秒40 秒南往北多車，北往南多車20 秒40 秒40 秒40 秒東往西少車，西往東少車20 秒20 秒40 秒20 秒東往西少車，西往東多車20 秒40 秒40

60、秒40 秒東往西多車，西往東少車20 秒40 秒40 秒40 秒東往西多車，西往東多車20 秒40 秒40 秒40 秒車流量檢測是用外部中斷引腳 p06,p07 捕獲到一個低電平，則進入相應的中斷服務子程序，在子程序中，用 r5 計南北向車流量，用 r6 計東西向車流量，設車向標志位為 01h，判斷車向. 根據紅綠燈時間調整原理，一個周期下來，r5，r6 中分別存儲著南北，東西的車流量，接下來求單位時間車流量，此時南北向時間，東西向時間分別存儲在 r0，r1 中，則兩個方向的流量比例為（r5/r0）/（r6/r1）=(r5*r1)(r6*r0),顯然該比例是 1 左右?guī)档闹?，然而單片機程序