智能交通燈--基于車(chē)流量自動(dòng)調(diào)時(shí)

1、2015屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的多功能交通燈設(shè)計(jì)院 （系） 名 稱(chēng)物理與電子信息學(xué)院專(zhuān) 業(yè) 名 稱(chēng)電子信息科學(xué)與技術(shù)學(xué) 生 姓 名苑大彪學(xué) 號(hào)110524065指 導(dǎo) 教 師王招娣助教完 成 時(shí) 間2015年5月8日基于單片機(jī)的多功能交通燈設(shè)計(jì)苑大彪物理與電子信息學(xué)院 電子信息科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè) 學(xué)號(hào)：110524065指導(dǎo)教師：王招娣摘要：本文是以AT89S51單片機(jī)為核心器件設(shè)計(jì)了一種多功能交通燈控制器系統(tǒng)。該系統(tǒng)可完成十字路口東西南北方向的交通燈定時(shí)控制及實(shí)時(shí)路況車(chē)流量檢測(cè)的任務(wù)，它不僅可以工作在固定計(jì)數(shù)模式下，而且可通過(guò)紅外傳感器裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)南北和東西方向連續(xù)幾次的車(chē)流量，并將其與系統(tǒng)設(shè)

2、置的閾值進(jìn)行對(duì)比完成自適應(yīng)計(jì)時(shí)調(diào)節(jié)，最后通過(guò)控制紅黃綠燈的循環(huán)點(diǎn)亮的方法，顯示輸出結(jié)果。本文通過(guò)proteus硬件仿真軟件對(duì)系統(tǒng)結(jié)果進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的根據(jù)車(chē)流量自動(dòng)調(diào)控紅綠燈時(shí)長(zhǎng)，具有一定的使用價(jià)值。關(guān)鍵詞：車(chē)流量檢測(cè)；自適應(yīng)調(diào)節(jié)；定時(shí)；多路復(fù)用Design of Multi-functional Traffic Light Based on Single Chip MicrocomputerYuan Da-biao College of Physics and Electronic Information Electronic Information Science and T

3、echnology No: 110524065Tutor:Wang Zhao-diAbstract: This article is based on AT89S51 microcontroller as the core design of a multifunctional traffic light control system. The system can realize the crossroads of East and West direction traffic light timing control, completed the task of real-time tra

4、ffic traffic detection, It can not only work at a fixed count mode, and can be detected in real time by an infrared sensor device north-south and east-west traffic flow successive, and with the threshold set by the system compared to performing adaptive timing adjustment, finally controlling the tra

5、ffic light display output results. By using proteus hardware simulation to test the system, The results show that the system can accurately automatic control according to the traffic. It shows that it has a certain value.Key words: Traffic detection; Automatic adjustment; Timing; Multiplexers目 錄1 緒論

6、11.1 引言11.2 課題研究的目的及意義12 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)22.1 自動(dòng)模式設(shè)置22.2 綠燈工作模式設(shè)置32.3 交通管理的方案論證33 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)43.1 單片機(jī)概述43.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)63.2.1 時(shí)鐘電路模塊63.2.2 復(fù)位電路模塊73.2.3 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)73.2.4 按鍵功能介紹83.3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)93.3.1 硬件設(shè)計(jì)框圖93.3.2 紅外收發(fā)傳感電路93.3.3 穩(wěn)壓芯片選型93.3.4 數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì)103.4 本章小結(jié)114 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)114.1 軟件總體設(shè)計(jì)方案114.2 部分軟件功能介紹124.2.1 延時(shí)設(shè)置124.2.2 軟件延時(shí)去抖動(dòng)144

7、.2.3 手動(dòng)模式選擇144.2.4 自動(dòng)模式切換154.3 本章小結(jié)165 仿真結(jié)果及分析175.1 Proteus軟件介紹175.2 硬件仿真分析17總結(jié)19致謝19參考文獻(xiàn)201 緒論1.1 引言隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市中人口越來(lái)越多，居民出行的次數(shù)和機(jī)動(dòng)車(chē)數(shù)量不斷增加，城市道路擁擠、車(chē)流量不均衡的問(wèn)題日益嚴(yán)重。人們常常會(huì)為道路的擁擠，交通秩序的混亂，而導(dǎo)致的出行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等交通問(wèn)題倍感苦惱。交通堵塞既增加了人們的出行時(shí)間，又無(wú)形中增加了日常車(chē)輛的耗油，損失了經(jīng)濟(jì)也浪費(fèi)了能源。交通的堵塞，造成車(chē)輛不斷的加速剎車(chē)，間接的增加了燃料耗費(fèi)，加重了環(huán)境污染，降低市民的生活品質(zhì)，影響人們的身心健

8、康。有時(shí)候遇到緊急情況，例如120、消防，也可能因?yàn)榻煌ǖ亩氯斐蔁o(wú)法挽回的損失。如此看來(lái)，提高城市交通的運(yùn)行能力，實(shí)現(xiàn)交通的科學(xué)化管理迫在眉睫。 如何才能保持城市交通的安全便捷，高效暢通和綠色環(huán)保，已成為政府政策規(guī)劃的一個(gè)重要參考1,2。為了緩解城市交通的堵塞，相關(guān)部門(mén)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了考慮3：1）拓寬道路此方法是解決交通堵塞的最基本方法，因?yàn)楫?dāng)汽車(chē)使用率增加時(shí)，就需要有更多的道路來(lái)容納車(chē)流。不過(guò)此方法僅能“增加”道路的面積，而無(wú)法“根治”交通的堵塞，因?yàn)槠?chē)數(shù)量并未隨之減少。即便方案可行，但投入巨大，短時(shí)間內(nèi)也見(jiàn)不到成效。2）減少道路交叉既通過(guò)架設(shè)高架橋和開(kāi)發(fā)地鐵等方式，減少車(chē)輛在道路

9、上遇紅綠燈停行的時(shí)間，在治理交通堵塞方面有一定的作用，但和拓寬道路一樣，成本很高，短時(shí)間見(jiàn)不到效果。3）交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)通過(guò)道路上的車(chē)流量，調(diào)整信號(hào)燈的周期，使得道路交叉口的停堵時(shí)間減少，以期達(dá)到高架和地鐵的效果，讓車(chē)輛少停快行，從而有效緩解交通的堵塞。1.2 課題研究的目的及意義該方案主要涉及根據(jù)檢測(cè)車(chē)流量自動(dòng)調(diào)整綠燈時(shí)長(zhǎng)和闖紅燈的簡(jiǎn)單控制。1）檢測(cè)車(chē)流量以自動(dòng)調(diào)整綠燈時(shí)長(zhǎng)傳統(tǒng)的交通燈控制方法大多是以路口的狀況，按丁字、十字與多路口分時(shí)段進(jìn)行紅綠黃燈控制，實(shí)現(xiàn)各路口依次通行，常常存在車(chē)多的路向綠燈通行時(shí)間短、無(wú)車(chē)或少車(chē)的路向卻亮著綠燈的情況，為克服這種少車(chē)路向綠燈時(shí)無(wú)車(chē)通行，多車(chē)路向綠燈通

10、行時(shí)間短而堵車(chē)的現(xiàn)象，在不增加成本的情況下，結(jié)合現(xiàn)實(shí)的情況，我們把車(chē)流量分成空閑（雙向車(chē)流量都不大）、單忙（只一個(gè)方向的車(chē)流量大）、雙忙（雙向車(chē)流量都大）三種情況（例如上下班、節(jié)假日期間車(chē)流量較大，工作日車(chē)流量較小），用軟件實(shí)現(xiàn)檢測(cè)一段連續(xù)時(shí)間內(nèi)的車(chē)流量，以實(shí)現(xiàn)交通燈的自動(dòng)簡(jiǎn)單控制。2）闖紅燈該功能主要是為了處理交通管理中的緊急情況，在交通信號(hào)燈正常工作的基礎(chǔ)上， 增加的緊急優(yōu)先處理功能, 如消防、急救等需要闖紅燈的情況出現(xiàn)時(shí), 東西南北方向的紅燈會(huì)均閃爍數(shù)秒, 待緊急情況處理后, 交通信號(hào)燈又恢復(fù)到之前的工作狀態(tài)。2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.1 自動(dòng)模式設(shè)置結(jié)合現(xiàn)實(shí)中的情況，我們把車(chē)流量分成空閑（雙

11、向車(chē)流量都不大）、單忙（只一個(gè)方向的車(chē)流量大）、雙忙（雙向車(chē)流量都大）三種情況，例如上下班、節(jié)假日期間車(chē)流量較大，夜間車(chē)流量較小，通過(guò)紅外傳感器檢測(cè)綠燈車(chē)道的車(chē)流量，在黃燈階段，通過(guò)比較檢測(cè)到的值和預(yù)設(shè)的值，判斷車(chē)流量的大小。我們采用比較連續(xù)幾次的車(chē)流量來(lái)決定綠燈時(shí)長(zhǎng)是否切換。以3次為例，分析東西方向，只有連續(xù)3次東西方向的車(chē)流量大于預(yù)設(shè)值，再判斷為忙，反過(guò)來(lái)，只有連續(xù)3次東西方向的車(chē)流量小于預(yù)設(shè)值，才能由忙切換為閑，倘若不滿足連續(xù)的要求，工作模式既保持不變。程序中考慮路況車(chē)況，可以調(diào)整檢測(cè)連續(xù)次數(shù)的大小，并有指示燈提示當(dāng)前要檢測(cè)的連續(xù)次數(shù)。如下圖，從左至右的四個(gè)LED燈，采用8421的方法編

12、碼表示連續(xù)的次數(shù)，亮代表1，滅代表0，其中最左邊的紅燈，亮代表工作在自動(dòng)調(diào)節(jié)模式，滅代表工作在手動(dòng)調(diào)節(jié)模式。 圖1 手動(dòng)時(shí)指示燈顯示 圖2 自動(dòng)時(shí)綠燈連續(xù)檢測(cè)2次時(shí)指示燈顯示2.2 綠燈工作模式設(shè)置交通燈為手動(dòng)調(diào)整模式時(shí)，具體綠燈時(shí)長(zhǎng)模式選擇由按鍵S2控制，模式選擇提示由倒計(jì)時(shí)牌上數(shù)碼管的dp顯示，交通燈工作在自動(dòng)調(diào)整模式時(shí)，綠燈時(shí)長(zhǎng)模式自動(dòng)切換，數(shù)碼管上的dp自動(dòng)顯示，具體綠燈時(shí)長(zhǎng)模式如表1。表1 模式設(shè)置車(chē)流量（模式）空閑單忙(東西)單忙（南北）雙忙Dp1（十位小數(shù)點(diǎn)）滅滅亮亮Dp2（個(gè)位小數(shù)點(diǎn)）滅亮滅亮南北通行時(shí)間30s30s60s60s東西通行時(shí)間45s75s45s75s圖3 兩位數(shù)碼

13、管的dp1和dp22.3 交通管理的方案論證東西、南北兩干道交于一個(gè)十字路口，各干道有一組紅、黃、綠三色的指示燈，指揮車(chē)輛和行人安全通行。紅燈亮禁止通行，綠燈亮允許通行。黃燈亮提示人們注意紅、綠燈的狀態(tài)即將切換。以車(chē)流量為空閑時(shí)為例，指示燈燃亮的方案如表2。表2 指示燈燃亮規(guī)則時(shí)間40S5S25S5S南北道紅燈亮紅燈亮綠燈亮黃燈亮東西道綠燈亮黃燈亮紅燈亮紅燈亮說(shuō)明： 1）當(dāng)南北道為綠燈，此道車(chē)輛、行人可通過(guò),綠燈時(shí)長(zhǎng)25秒；東西方向?yàn)榧t燈，此道車(chē)輛、行人禁止通行，紅燈時(shí)長(zhǎng)30秒。2）南北方向變?yōu)辄S燈時(shí)，燃亮5秒，警示車(chē)輛和行人紅、綠燈的狀態(tài)即將切換，此時(shí)東西方向依舊為紅燈，禁止車(chē)輛通行。 3）

14、當(dāng)南北方向?yàn)榧t燈，南北道車(chē)輛、行人禁止通過(guò)，紅燈時(shí)長(zhǎng)45秒；東西方向?yàn)榫G燈，此道車(chē)輛通行，綠燈時(shí)長(zhǎng)40秒。東西方向車(chē)流大通行時(shí)間長(zhǎng)。4）東西方向變?yōu)辄S燈時(shí)，燃亮5秒，警示車(chē)輛和行人紅、綠燈的狀態(tài)即將切換。南北方向依舊是紅燈，禁止車(chē)輛通行。5）這樣如上表所示紅、綠、黃依次出現(xiàn)，行人和車(chē)輛就能安全暢通的通行。6）有闖紅燈時(shí)，東西南北方向的紅燈都閃爍，為消防、急救等車(chē)輛讓道。時(shí)間為6秒。7）此表可根據(jù)車(chē)流量動(dòng)態(tài)設(shè)定紅綠燈初始值。3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 單片機(jī)概述單片微型計(jì)算機(jī)是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支，也是頗具生命力的機(jī)種。單片微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱(chēng)單片機(jī)，特別適用于控制領(lǐng)域，故又稱(chēng)為微控制器。通常，單片機(jī)

15、由單塊集成電路芯片構(gòu)成，內(nèi)部包含有計(jì)算機(jī)的基本功能部件：中央處理器、存儲(chǔ)器和I/O接口電路等。因此，單片機(jī)只需要和適當(dāng)?shù)能浖巴獠吭O(shè)備相結(jié)合，便可成為一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)。AT89S51是一個(gè)低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫(xiě)1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性?xún)r(jià)比的解決方案

16、4。AT89S51（如圖4）具有如下特點(diǎn)：40個(gè)引腳，4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口，6個(gè)中斷源，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口，看門(mén)狗（WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。下面重點(diǎn)介紹其中部分引腳特性：Vcc：電源端，接5V。 Vss：接地端。P0口（P0.0P0.7）：該端口為漏極開(kāi)路的8位準(zhǔn)雙向口，它為8位地址線和8位數(shù)據(jù)線的復(fù)用端口，使用時(shí)需接外部上拉電阻。在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，它作存儲(chǔ)器的低8位地址線。圖4 AT89S51管腳圖P1口（P1.0P1.7）：它是一個(gè)內(nèi)部帶上

17、拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口，作為輸入口使用時(shí)，應(yīng)先向其內(nèi)部鎖存器寫(xiě)1。P2口（P2.0P2.7）：它為一個(gè)內(nèi)部帶上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口，作為輸入口時(shí)同樣需先向其內(nèi)部鎖存器寫(xiě)1。在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，它作存儲(chǔ)器的高8位地址線。P3口（P3.0P3.7）：P3口同樣是內(nèi)部帶上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口，P3口除了作為一般的I/O口使用之外，其還具有第二引腳功能，具體如表3所示。表3 P3口線的第二功能口線特殊功能信號(hào)名稱(chēng)P3.0RXD串行輸入口P3.1TXD串行輸出口P3.2INT0外部中斷0輸入口P3.3INT1外部中斷1輸入口P3.4T0定時(shí)器0外部輸入口P3.5T1定時(shí)器1外部輸入口

18、P3.6WR寫(xiě)選通輸出口P3.7RD讀選通輸出口XTAL1：接外部晶振和微調(diào)電容的一端，在片內(nèi)它是振蕩器倒相放大器的輸入，若使用外部TTL時(shí)鐘時(shí)，該引腳接外部時(shí)鐘的輸入端。XTAL2：接外部晶振和微調(diào)電容的另一端，在片內(nèi)它是振蕩器倒相放大器的輸出，若使用外部TTL時(shí)鐘時(shí)，該引腳必須懸空。地址鎖存允許信號(hào)ALE：系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，ALE用于控制地址鎖存器鎖存P0口輸出的低8位地址，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與低位地址的復(fù)用。此外，ALE是以六分之一晶振頻率的固定頻率輸出的正脈沖，可作為外部時(shí)鐘或外部定時(shí)脈沖使用。外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)PSEN ：PSEN是讀外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)，低電平有效。訪問(wèn)程序存儲(chǔ)器控制

19、信號(hào)EA：當(dāng)為高電平時(shí)，CPU執(zhí)行片內(nèi)程序存儲(chǔ)器指令，但當(dāng)PC中的值超過(guò)0FFFH時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行片外程序存儲(chǔ)器指令。當(dāng)為低電平時(shí)，CPU只執(zhí)行片外程序存儲(chǔ)器指令。復(fù)位信號(hào)RST：該信號(hào)高電平有效，在輸入端保持兩個(gè)機(jī)器周期的高電平后，就可以完成復(fù)位操作。3.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)最小系統(tǒng)由這四部分組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)、電源、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路，電路圖如圖6。3.2.1 時(shí)鐘電路模塊 時(shí)鐘電路在單片機(jī)系統(tǒng)中起著非常重要的作用，是保證系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)。在一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，時(shí)鐘是保障系統(tǒng)正常工作的基準(zhǔn)振蕩定時(shí)信號(hào)，主要由晶振和外圍電路組成，晶振頻率的大小決定了單片機(jī)系統(tǒng)工作的快慢。根據(jù)不同需要可以采用不

20、同頻率的晶振，這里采用12MHz的晶振，另外有兩個(gè)33pF的電容，兩晶振引腳分別連到XTAL1和XTAL2振蕩脈沖輸入輸出引腳。具體連接圖如圖5所示4。外接石英晶體或陶瓷諧振器以及電容C1，C2接在放大器的反饋電路中構(gòu)成并聯(lián)諧振電路。諧振器本身對(duì)外接電容C1、C2雖然沒(méi)有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會(huì)輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程度以及溫度的穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，推薦使用33pF，而使用陶瓷諧振器建議選擇40pF。圖5 時(shí)鐘電路圖6 單片機(jī)最小系統(tǒng)3.2.2 復(fù)位電路模塊單片機(jī)在啟動(dòng)時(shí)都需要復(fù)位，以使CPU及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初態(tài)開(kāi)始工作。89

21、系列單片機(jī)的復(fù)位信號(hào)是從RST引腳輸入到芯片內(nèi)的施密特觸發(fā)器中的。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，且振蕩器穩(wěn)定后，如果RST引腳上有一個(gè)高電平并維持2個(gè)機(jī)器周期(24個(gè)振蕩周期)以上，則CPU就可以響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。除進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為擺脫困境，可以按復(fù)位鍵以重新啟動(dòng)，也可以通過(guò)監(jiān)視定時(shí)器來(lái)強(qiáng)迫復(fù)位。具體電路如圖7所示。3.2.3 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)為51系列單片機(jī)系統(tǒng)提供的電源為穩(wěn)定的5V直流電源。本系統(tǒng)用一個(gè)7805芯片為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的5V直流電源。7805穩(wěn)壓芯片能提供多種固定的輸出電壓，應(yīng)用范圍廣。內(nèi)部含過(guò)熱保護(hù)，短路保護(hù)，輸出電流可達(dá)1

22、A。雖然該芯片是固定穩(wěn)壓電路，但使用不同的外接元件，可獲得不同的輸出電壓。25時(shí)輸出電壓范圍為518V。本系統(tǒng)7805的輸入電壓為9V直流電壓。9V直流電壓可用普通干電池提供，也可以用市面上很容易買(mǎi)到的普通變壓器提供。7805對(duì)輸入電壓要求不高，但輸入電壓一般應(yīng)大于所需輸出電壓2V以上5。圖7 復(fù)位電路在7805與9V電源之間用一個(gè)IN4001整流二極管來(lái)提高系統(tǒng)的安全性。IN4001能提供正向最大電流1A，最大反向峰值電壓50V，防止了電源反接或電源不穩(wěn)定給系統(tǒng)帶來(lái)的安全隱患。7805的5V調(diào)控輸出采用生產(chǎn)該芯片的公司提供的經(jīng)典電路。在輸出端5V電壓處接一個(gè)藍(lán)色發(fā)光二極管來(lái)作為電源指示燈。具

23、體電氣連接如圖8所示。圖8 電源電路3.2.4 按鍵功能介紹本系統(tǒng)一共用到五個(gè)按鍵，除了一個(gè)用于單片機(jī)功能復(fù)位外，其中三個(gè)采用了功能復(fù)用。按鍵S0和S1分別表示東西和南北車(chē)道上的紅外傳感器，其工作原理一樣，以東西方向的S0為例，東西方向?yàn)榧t燈時(shí)，S0按下，表示東西車(chē)道上有急救車(chē)輛闖紅燈，單片機(jī)會(huì)做出反應(yīng)，東西南北車(chē)道上的綠燈均熄滅，紅燈均閃爍，警示車(chē)輛讓道；東西方向?yàn)榫G燈時(shí)，交通燈工作在手動(dòng)模式下時(shí)，紅外傳感器不檢測(cè)車(chē)流量，按下S0無(wú)反應(yīng)；交通燈工作在自動(dòng)模式下時(shí)，每按下一次S0表示東西車(chē)道有一輛車(chē)通過(guò)，模擬紅外傳感器檢測(cè)車(chē)流量，待東西方向變?yōu)辄S燈時(shí)，將綠燈時(shí)檢測(cè)到的車(chē)流量與系統(tǒng)預(yù)定值比較，判

24、斷此次通行是忙還是閑，以此自動(dòng)調(diào)節(jié)東西車(chē)道的綠燈時(shí)長(zhǎng)。按鍵S2采用了功能復(fù)用，與按鍵S搭配使用。S鍵控制的是交通燈的工作模式切換，其狀態(tài)顯示由標(biāo)號(hào)為S的LED表示，S亮?xí)r，表示工作在自動(dòng)模式下，S滅時(shí)，表示工作在手動(dòng)模式下。在自動(dòng)模式下，按鍵S2用于調(diào)整需要檢測(cè)的連續(xù)綠燈次數(shù)，LED燈S22、S21、S20運(yùn)用8421的編碼方式排列，表示需要檢測(cè)的綠燈次數(shù)；在手動(dòng)模式下，按鍵S2用于切換車(chē)道的閑忙模式，通過(guò)數(shù)碼管的小數(shù)點(diǎn)表示，亮表示忙，滅表示閑。3.3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)3.3.1 硬件設(shè)計(jì)框圖本系統(tǒng)基于單片機(jī)AT89S51所設(shè)計(jì)，附有系統(tǒng)電源、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、數(shù)碼管顯示電路等，具體如圖10

25、所示。3.3.2 紅外收發(fā)傳感電路本系統(tǒng)通過(guò)紅外線發(fā)射二極管和接收管檢測(cè)車(chē)道是否有車(chē)輛通過(guò)。紅外線二極管發(fā)射紅外光，如果該車(chē)道有車(chē)輛通過(guò)，紅外線從車(chē)輛反射回來(lái)，相當(dāng)于人眼睛的紅外接收器，檢測(cè)到反射回的紅外光線，并發(fā)出信號(hào)來(lái)表明檢測(cè)到從車(chē)輛反射回的紅外線，單片機(jī)基于這個(gè)傳感器的輸入檢測(cè)車(chē)流量。紅外接收管/檢測(cè)器有內(nèi)置的光濾波器，除了需要檢測(cè)的980nm波長(zhǎng)的紅外線外，它幾乎不允許其他光通過(guò)。紅外檢測(cè)器還有一個(gè)電子濾波器，它只允許大約38.5kHz的電信號(hào)通過(guò)。換句話說(shuō)，檢測(cè)器只尋找每秒閃爍38500次的紅外光。這就防止了普通光源像太陽(yáng)光等對(duì)紅外接收管的干擾。太陽(yáng)光是直流干涉（0Hz）源，它完全被

26、紅外探測(cè)器忽略5。仿真過(guò)程紅外傳感器用按鍵代替。3.3.3 穩(wěn)壓芯片選型7805為3端穩(wěn)壓集成電路，TO-220封裝，能提供多種固定的輸出電壓，應(yīng)用范圍廣。內(nèi)含過(guò)流、過(guò)熱和過(guò)載保護(hù)電路。帶散熱片時(shí)，輸出電流可達(dá)1A。雖然是固定穩(wěn)壓電路，但使用外接元件，可獲得不同的電壓和電流6-8。引腳排列如圖9： 主要特點(diǎn)：1）輸出電流可達(dá) 1A 2）輸出電壓有：5V 3）過(guò)熱保護(hù) 4）短路保護(hù) 圖9 78055）輸出晶體管 SOA 保護(hù) 圖10 總電路圖3.3.4 數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì)數(shù)碼管按段數(shù)分為7段數(shù)碼管和8段數(shù)碼管。7段數(shù)碼管是由七段條形發(fā)光二極管組成的“8”字形的LED顯示器，每段分別用a、b、c、

27、d、e、f、g表示；8段數(shù)碼管則是在7段的基礎(chǔ)上再加一個(gè)圓點(diǎn)型發(fā)光二極管，用dp表示。由于連接方式的不同，數(shù)碼管又分共陽(yáng)極接法和共陰極接法，接法不同，段碼值不同6-8。在該設(shè)計(jì)中采用共陰極接法，具體段碼值確定如表3。表3 采用共陰極連接顯示數(shù)值dp g f e d c b a驅(qū)動(dòng)代碼（16進(jìn)制）00 0 1 1 1 1 1 13FH10 0 0 0 0 1 1 006H20 1 0 1 1 0 1 15BH30 1 0 0 1 1 1 14FH40 1 1 0 0 1 1 066H50 1 1 0 1 1 0 06DH60 1 1 1 1 1 0 07DH70 0 0 0 0 1 1 107H

28、80 1 1 1 1 1 1 17FH90 1 1 0 1 1 1 16FH3.4 本章小結(jié)本系統(tǒng)基于單片機(jī)AT89S51所設(shè)計(jì)，附有系統(tǒng)電源、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、數(shù)碼管顯示電路等，硬件電路十分簡(jiǎn)潔，且對(duì)元器件參數(shù)無(wú)特殊要求，只需采用各元器件廠家推薦的經(jīng)典電路就可以滿足設(shè)計(jì)的需要，需要的成本很低。簡(jiǎn)易的硬件需求，使得該系統(tǒng)能夠很方便的投入使用和維護(hù)。4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1 軟件總體設(shè)計(jì)方案軟件設(shè)計(jì)部分采用模塊化程序設(shè)計(jì)，用C語(yǔ)言編寫(xiě)。Keil是美國(guó)Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語(yǔ)言在功能、結(jié)構(gòu)、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，易學(xué)易用

29、9。本次單片機(jī)課程設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)部分采用模塊化程序設(shè)計(jì)，程序部分由主程序、T0中斷程序、T1中斷程序、數(shù)碼管顯示子程序、延時(shí)子程序等組成。其程序流程圖如圖11所示。4.2 部分軟件功能介紹4.2.1 延時(shí)設(shè)置延時(shí)方法分兩種：一種是硬件延時(shí)，利用MCS-51內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生溢出中斷來(lái)延時(shí)，另一種是軟件延時(shí)。在此采用計(jì)數(shù)器硬件延時(shí)與軟件延時(shí)相結(jié)合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)延時(shí)1s，采用軟件延時(shí)解決按鍵的抖動(dòng)問(wèn)題。計(jì)數(shù)器硬件延時(shí)1S：1)計(jì)數(shù)器初值計(jì)算9定時(shí)器工作時(shí)必須給計(jì)數(shù)器送計(jì)數(shù)器初值，這個(gè)值是送到TH和TL中的。他是以加法記數(shù)的，并能從全1到全0時(shí)自動(dòng)產(chǎn)生溢出中斷請(qǐng)求。因此，我們可以把計(jì)數(shù)器記滿為零所需的計(jì)數(shù)值

30、設(shè)定為C和計(jì)數(shù)初值設(shè)定為T(mén)C 可得到如下計(jì)算通式：TC=M-C式中，M為計(jì)數(shù)器模值，該值和計(jì)數(shù)器工作方式有關(guān)。在方式0時(shí)M為213 ；在方式1時(shí)M的值為216；在方式2和3為282)計(jì)算公式T=（MTC）T計(jì)數(shù)或TCMTT計(jì)數(shù)其中T計(jì)數(shù)是單片機(jī)時(shí)鐘周期T的12倍；TC為定時(shí)初值。例如單片機(jī)的主脈沖頻率為12MHz，經(jīng)過(guò)12分頻，計(jì)數(shù)頻率就是1MHz，計(jì)數(shù)周期為1us，所以方式0TMAX213 * 1微秒8.192毫秒方式1TMAX216 * 1微秒65.536毫秒顯然秒鐘已經(jīng)超過(guò)了計(jì)數(shù)器的最大定時(shí)時(shí)間，所以我們只有采用定時(shí)器和軟件相結(jié)合的辦法才能解決這個(gè)問(wèn)題。3)延時(shí)秒的方法我們采用在主程序中

31、設(shè)定一個(gè)初值為20的軟件計(jì)數(shù)器，使T0定時(shí)50毫秒。這樣每當(dāng)T0到50毫秒時(shí)CPU就響應(yīng)它的溢出中斷請(qǐng)求，進(jìn)入他的中斷服務(wù)子程序。在中斷服務(wù)子程序中，CPU先使軟件計(jì)數(shù)器減1，然后判斷它是否為零。為零表示1秒已到可以返回到輸出時(shí)間顯示程序。圖11 系統(tǒng)流程圖4）相應(yīng)程序代碼（）主程序void init(void)TMOD=0x01; EA=1;TH0=(65536-50000)/256;TL0=(65536-50000)%256; ET0=1; TR0=1;（2）定時(shí)器0中斷 void time0(void) interrupt 1 static uint counter ;counter +

32、;TH0=(65536-50000)/256;TL0=(65536-50000)%256;if(20= counter)counter =0;time0-;time1-;4.2.2 軟件延時(shí)去抖動(dòng)/延時(shí)函數(shù)10 void delay(unsigned int z)while(z-);4.2.3 手動(dòng)模式選擇手動(dòng)模式選擇由S2按鍵控制，按鍵按下一次，S2自增1，當(dāng)S2自加到4時(shí)，軟件使其置零。具體如表5所示。表5 模式選擇模式雙向閑東西忙南北忙雙向忙雙向閑S201230while(1)if(0=s1)delay(20);if(0=s1)while(0=s1);if(+mode=4) mode=0

33、;switch(mode)case 0:temp0=30;temp1=45;break;/雙向閑case 1:temp0=30;temp1=75;break;/東西忙case 2:temp0=60;temp1=45;break;/南北忙case 3:temp0=60;temp1=75;break;/雙向忙default: break;4.2.4 自動(dòng)模式切換自動(dòng)模式切換通過(guò)幾個(gè)標(biāo)志變量實(shí)現(xiàn)，貫穿程序的首尾，其中的關(guān)鍵是處理檢測(cè)車(chē)流量的連續(xù)次數(shù)中，若一次不滿足，之前的累計(jì)數(shù)全部清零，重新檢測(cè)滿足的連續(xù)次數(shù)，這部分是本程序的核心，簡(jiǎn)要如下：綠燈變?yōu)辄S燈再變?yōu)榧t燈的程序變量賦值變化：if(time0

34、=0 && yellow_flag=0) time0=2;N_GRE=1;N_YEL=0;yellow_flag=1;N_mark=0;if(time0=255 && yellow_flag=1) time0=temp0;N_YEL=1;N_RED=0;D_RED=1;D_GRE=0;yellow_flag=0;red_flag=1; N_mark=0;檢測(cè)連續(xù)綠燈的車(chē)流量與臨界值比較：if(s1=0)delay(10);if(s1=0)while(s1=0);Ngreen_busycounter+;if(yellow_flag=1 && N_m

35、ark=0) N_mark=1; if(Ngreen_busycounter >= Bus_num) N_busymode+; if(N_busymode=Green_checkmode) N_busymode=0;N=1; else N_busymode=0; Ngreen_busycounter=0; 4.3 本章小結(jié)軟件部分是本系統(tǒng)的核心和難點(diǎn)，設(shè)計(jì)了正常、單忙、雙忙三種綠燈模式，模式切換設(shè)計(jì)了手動(dòng)和自動(dòng)兩種方法，其中手動(dòng)切換是根據(jù)實(shí)際車(chē)流量通過(guò)按鍵S2來(lái)更改模式；自動(dòng)切換模式是根據(jù)設(shè)定的程序，通過(guò)紅外傳感器分別探測(cè)南北和東西方向連續(xù)幾次的車(chē)流量與預(yù)定的臨界值作比較,以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換

36、綠燈工作模式。以東西方向?yàn)槔?，處于閑的模式時(shí)，如果東西方向連續(xù)N次綠燈的車(chē)流量都大于臨界值，此方向切換為忙的模式，之后，要等到東西方向連續(xù)N次綠燈的車(chē)流量都小于臨界值，此方向才能切換為閑的模式，若連續(xù)N次中有一次車(chē)流量大于臨界值，東西方向保持忙的模式，如此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)綠燈時(shí)長(zhǎng)。處于自動(dòng)切換模式時(shí)，可以設(shè)定連續(xù)檢測(cè)車(chē)流量的次數(shù)N。用S0鍵模擬東西方向紅外檢測(cè)模塊，S1鍵模擬南北方向紅外檢測(cè)模塊，兩個(gè)紅外檢測(cè)模塊功能復(fù)用，以南北為例，南北方向?yàn)榧t燈時(shí)，S1檢測(cè)南北方向是否有應(yīng)急車(chē)輛闖紅燈，若有會(huì)啟動(dòng)闖紅燈模式，東西南北均亮紅燈給急救車(chē)輛讓道；南北方向?yàn)榫G燈時(shí)，S1統(tǒng)計(jì)南北向車(chē)流量，在南北方向

37、為黃燈時(shí)，測(cè)定車(chē)流量與預(yù)定值比較，為南北向紅綠燈自動(dòng)切換時(shí)長(zhǎng)提供依據(jù)。5 仿真結(jié)果及分析5.1 Proteus軟件介紹Proteus是世界上著名的EDA仿真軟件，提供30多種元件庫(kù)，超過(guò)8000中模擬、數(shù)字元器件，可以仿真模擬電路和數(shù)字電路，也可仿真模擬數(shù)字混合電路，還可以對(duì)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)與仿真，是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等多種系列的處理器。2010年又增加了Cortex和DSP系列處理器，并持

38、續(xù)增加其他系列處理器模型11-14。Proteus包含強(qiáng)大的調(diào)試工具，可觀測(cè)寄存器、存儲(chǔ)器變化、設(shè)置斷點(diǎn)、單步模式等，可對(duì)IAR、Keil和MATLAB等開(kāi)發(fā)工具的源程序進(jìn)行調(diào)試，觀察代碼在仿真硬件上的實(shí)時(shí)運(yùn)行效果，對(duì)顯示、按鈕、鍵盤(pán)等外設(shè)的交互可視化進(jìn)行仿真。Proteus可以實(shí)現(xiàn)從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。5.2 硬件仿真分析系統(tǒng)初始上電時(shí)，東西南北方向均亮紅燈，之后東西綠燈，南北紅燈，循環(huán)往復(fù)。初始上電，東西南北均為閑，數(shù)碼管小數(shù)點(diǎn)位均熄滅，系統(tǒng)處于手動(dòng)模式。手動(dòng)模式下，以東西為例，東西為紅燈時(shí)，按下S0鍵，交

39、通燈處于闖紅燈模式，東西南北均亮紅燈3秒，之后恢復(fù)為闖紅燈前的狀態(tài)；東西為綠燈時(shí)，按下S0鍵無(wú)反應(yīng)。在手動(dòng)模式下，按下S2鍵，交通燈會(huì)在雙閑，東西忙，南北忙，雙忙模式下交替切換，可根據(jù)車(chē)流量人為設(shè)定。數(shù)碼管的高位小數(shù)點(diǎn)代表東西，低位小數(shù)點(diǎn)代表南北，亮表示忙，滅表示閑。上電后，按下S鍵，紅燈S亮表示處于自動(dòng)模式，初始連續(xù)檢測(cè)的車(chē)流量次數(shù)設(shè)為2，綠燈S21亮，S22，S20滅，以421的編碼模式表示為2。按下S2鍵，檢測(cè)的次數(shù)會(huì)在2到7之間切換，以S22,S21,S20三盞藍(lán)色LED的亮滅讀取次數(shù)，調(diào)試程序中閑忙的臨界值設(shè)為3。自動(dòng)模式下，以東西為例，東西為紅燈時(shí)，按下S0鍵，交通燈處于闖紅燈模式

40、，東西南北均亮紅燈3秒；東西為綠燈時(shí)，按下S0鍵的次數(shù)表示東西方向檢測(cè)到的車(chē)流量，若連續(xù)2次綠燈時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到的車(chē)流量都不小于3，東西由閑的模式切換為忙的模式，數(shù)碼管高位小數(shù)點(diǎn)點(diǎn)亮表示東西忙，接著若連續(xù)2次檢測(cè)到的車(chē)流量都小于3，東西由忙的模式切換為閑的模式，數(shù)碼管高位小數(shù)點(diǎn)熄滅，否則，東西方向一直處于忙的模式，可通過(guò)數(shù)碼管小數(shù)點(diǎn)的亮滅判斷閑忙狀態(tài)。本系統(tǒng)在Proteus上調(diào)試完全通過(guò)，仿真效果如圖12所示。圖12 手動(dòng)模式仿真效果總結(jié)本文是以AT89S51單片機(jī)為核心器件設(shè)計(jì)了一種多功能交通燈控制器系統(tǒng)。該系統(tǒng)可完成十字路口東西南北方向的交通燈定時(shí)控制及實(shí)時(shí)路況車(chē)流量檢測(cè)的任務(wù)，它不僅可以工作

41、在固定計(jì)數(shù)模式下，而且可通過(guò)紅外傳感器裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)南北和東西方向連續(xù)幾次的車(chē)流量，并將其與系統(tǒng)設(shè)置的閾值進(jìn)行對(duì)比完成自適應(yīng)計(jì)時(shí)調(diào)節(jié)模式，最后通過(guò)控制紅黃綠燈的循環(huán)點(diǎn)亮的方法，顯示輸出結(jié)果。本文通過(guò)proteus硬件仿真軟件對(duì)系統(tǒng)結(jié)果進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明系統(tǒng)能夠很好的根據(jù)車(chē)流量自動(dòng)調(diào)控綠燈時(shí)長(zhǎng)。但由于能力有限，時(shí)間倉(cāng)促，想要投入實(shí)際運(yùn)用，還需一定的改進(jìn)，像左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)等都需要完善。最后感謝你閱讀此文，文中的錯(cuò)誤和不妥在所難免，敬請(qǐng)老師、同學(xué)批評(píng)指正。致謝論文告終，內(nèi)心激動(dòng)之余對(duì)所有關(guān)心、支持和幫助我的老師、家人、朋友致以最由衷的謝意。畢設(shè)的硬件電路很簡(jiǎn)單，涉及的單片機(jī)知識(shí)也不深，難點(diǎn)在于程序的設(shè)計(jì)，整個(gè)過(guò)程咨詢(xún)了很多老師和同學(xué)，看了很多期刊資料，這個(gè)過(guò)程讓我熟悉了Proteus的使用方法，對(duì)程序設(shè)計(jì)的策略