基于AT89S51单片机的交通灯设计.docx
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基于AT89S51单片机的交通灯设计
1.引言
在今天，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。
1914年，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，安装在纽约市5号大街的一座高塔上。
红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通行”。
智能的交通信号灯指挥着人和各种车辆的安全运行,实现红、黄、绿灯的自动指挥是城乡交通管理现代化的重要课题.在城乡街道的十字交叉路口,为了保证交通秩序和行人安全,一般在每条道路上各有一组红、黄、绿交通信号灯,其中红灯亮,表示该条道路禁止通行;黄灯亮,表示该条道路上未过停车线的车辆停止通行,已过停车线的车辆继续通行;绿灯亮,表示该条道路允许通行.交通灯控制电路自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换,指挥各种车辆和行人安全通行,实现十字路口城乡交通管理自动化。
本文为了实现交通道路的管理,力求交通管理先进性、科学化.分析应用了单片机实现智能交通灯管制的控制系统,以及该系统软、硬件设计方法,实验证明该系统实现简单、经济,能够有效地疏导交通,提高交通路口的通行能力。
2系统设计要求与整体规划
2.1基础设计要求
1）设计一个十字路口的交通灯控制电路，要求南北方向和东西方向两个交叉路口的车辆交替运行，两个方向能根据车流量大小自动调节通行时间，车流量大，通行时间长，车流量小，通行时间短。
2）每次绿灯变红灯时,要求黄灯先亮5S,才能变换运行车辆。
3）东西方向、南北方向车道除了有红、黄、绿灯指示外，每一种灯亮的时间都用数码管显示器进行显示（采用倒计时的方法）。
4）同步设置人行横道红、绿灯指示。
2.2系统规划
我们将系统设计成可分离单独工作的主控制机与客户端的形式，但是和传统的C/S模式不一样的是，每个终端机可以脱离主控制机而独立工作。
即使主控制机停止工作，或者由于某种原因不能正常工作，各终端机也可以照常稳定的工作。
各个终端机负责管理路口的多个信号灯。
为了方便我们称主控制机为主系统，各个终端机称为子系统。
控制系统的总框图如图2-1示
A干道交通信号灯
A干道交通信号灯
B道交通信号灯
B道交通信号灯
路口子系统
路口子系统
…………
图2-1控制系统的总框图
远程主系统计算机
路口子系统
…………
2.3方案论证和比较
1）智能交通灯的研究现状
目前设计交通灯的方案有很多，有应用CPLD设计实现交通信号灯控制器方法;有应用PLC实现对交通灯控制系统的设计;有应用单片机实现对交通信号灯设计的方法。
目前，国内的交通灯一般设在十字路门，在醒目位置用红、绿、黄三种颜色的指示灯。
加上一个倒计时的显示计时器来控制行车。
对于一般情况下的安全行车，车辆分流尚能发挥作用，但根据实际行车过程中出现的情况，还存在缺点：
两车道的车辆轮流放行时间相同且固定，在十字路口，经常一个车道为主干道，车辆较多，放行时间应该长些；另一车道为副干道，车辆较少，放行时间应该短些
2）智能交通灯的设计方案及改进措施
针对道路交通拥挤，交叉路口经常出现拥堵的情况。
利用单片机控制技术，提出了软件和硬件设计方案及改进措施：
根据各道路路口车流量的大小自动调节通行时间。
由于AT89S51单片机自单带有2计数器，6个中断源，能满足系统的设计要求。
用单片机设计不但设计简单，而且成本低，用其设计的交通灯也满足了要求，所以本文采用单片机设计交通灯。
系统构图如图2-2所示：
南北检测点
东西检测点
紧急控制开关
南北红绿黄灯时间显示块
东西红绿黄灯时间显示块
T0
T1
AT89S51
图2-2系统结构框图
3AT89S51单片机简介
3.1单片机概述
单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。
单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。
通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：
中央处理器、存储器和I/O接口电路等。
因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。
AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes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指令系统及引脚。
它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用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，可灵活应用于各种控制领域。
3.2AT89S51单片机的主要性能参数和主要引脚
3.2.1主要性能参数
与单片机产品兼容8K字节在系统可编程Flash存储器、1000次擦写周期、全静态操作：
0Hz～33Hz、三级加密程序存储器、32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器八个中断源、全双工UART串行通道低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符。
3.2.2AT89S51芯片内部结构简介
·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（内部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个被专用寄存器占用。
·程序存储器（内部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内部配置了4KB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内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内部的终端请求进行管理与处理。
AT89S51共有5个中断源，其中又2个外部中断源和3个内部中断源。
图3-2是AT89S51系列单片机的内部结构示意图。
图3-2AT89S51系列单片机的内部结构示意图
3.2.3主要引脚功能
AT89S51引脚图如图3-1所示：
·VCC：
电源电压
·GND：
地
·P0口：
P0口是一组8位漏极开路型双向I／0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，在访问期间激活内部上拉电阻。
·P1口：
Pl是一个带内部上拉电阻的8位双向I／O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”，通过内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，因为内部存在上拉电阻，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1具有第二功能的P1口引脚
端口引脚
第二功能：
P1.5
MOSI（用于ISP编程）
P1.6
MOSI（用于ISP编程）
P1.7
MOSI（用于ISP编程）
·P2口：
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I／O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”，通过内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，因为内部存在上拉电阻，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位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR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MOVX@Ri指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），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口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I／0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，它们被内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I／0口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示：
表2具有第二功能的P1口引脚
端口引脚
第二功能：
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
/INT0（外中断0）
P3.3
/INT1（外中断1）
P3.4
T0（定时／计数器0外部输入）
P3.5
T1（定时／计数器1外部输入）
P3.6
/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7
/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SFRAUXR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／————PROG：
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位字节。
即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1／6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，可通过对特殊功能寄存器（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。
·————PSEN程序储存允许（————PSEN）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————PSEN有效，即输出两个脉冲。
当访问外部数据存储器，没有两次有效的————PSEN信号。
·——EA／VPP：
外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H－FFFFH），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，复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平（接VCC端），CPU则执行内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：
振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。
4智能交通灯方案的实现
根据设计任务和要求,可画出该控制器的原理框图,为确保十字路口的交通安全，往往都采用交通灯自动控制系统来控制交通信号。
其中红灯（R）亮，表示禁止通行；黄灯（Y）亮表示暂停；绿灯（G）亮表示允许通行。
4.1系统总框图如图4-1：
图4-1系统总框图
4.2智能交通灯系统的组成
交通灯系统由四部分组成：
车检测电路，信号灯电路，时间显示电路，紧急转换开关。
4.3智能交通灯系统的工作原理
大家都明白，绿灯的放行时间与车辆通过数量不成正比。
比如说20秒内每车道可以通过20辆车，40秒内每车道却可以通过45辆车。
因为这有一个起步的问题，还有一个黄灯等待问题。
也就是说，绿灯放行时间越长，单位时间通过车辆的数量就越多。
我们来计算一下，每车道通行20秒内可以通过20辆车，一个红绿灯循环是40秒（单交叉路口），加上每次状态转换的黄灯5秒（一个循环要两次转换），即一个红绿黄灯循环要50秒，即50秒内通行的车辆为40辆。
通过一辆车的平均时间是1.25秒。
如果每次车辆通行的时间改为40秒，40秒内每车道可以通过45辆，一个红绿灯循环是80秒（单交叉路口），加上每次状态转换的黄灯5秒（一个循环要两次转换），即一个红绿黄灯循环要90秒，即90秒内通行的车辆为90辆。
通过一辆车的平均时间只需1秒。
显然在车辆拥挤的情况下绿灯的通行时间越长，单位时间内通行的车辆越多，可以有效缓解车辆拥堵问题。
当然绿灯时间也不可能无限长，要考虑到让另一路口的等待时间不能过长。
人们总是希望在交通灯前等候的时间越短越好。
所以笔者设定了绿灯通行时间的上限为40秒。
在非拥挤时段绿灯的通行时间的下限为20秒，当交叉路口双方车辆较少时通行时间设为20秒，这样可以大大缩短车辆在红灯面前的等待时间。
当交叉路口双方车辆较多时通行时间设为40秒。
4.3.1车检测电路
用来判断各方向车辆状况,比如：
20秒内可以通过的车辆为20辆，当20秒内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秒内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秒时间内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秒内通过的车辆数达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20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。
本系统的特点是成本低，控制准确。
十字路口车辆通行顺序如图4-2所示：
图4-2十字路口车辆通行顺序
由于南往北，北往南时间显示相同，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，显示时间选择如表3。
表3显示时间选择
车辆情况
本次该方向通行时间
下次该方向通行时间
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
4.3.2信号灯电路
信号灯用来显示车辆通行状况，下面以一个十字路口为例，说明一个交通灯的四种状态见图4-3。
每个路口的信号的的转换顺序为：
绿——>黄——>红绿灯表示允许通行，黄灯表示禁止通行，但已经驶过安全线的车辆可以继续通行，是绿灯过渡到红灯提示灯。
红灯表示禁止通行。
绿灯的最短时间为20秒，最长时间为40秒，红红最短时间为25秒，最长时间为45秒，黄灯时间为5秒。
图4-3交通信号灯运行状态
4.3.3时间显示电路
在交通信号灯的正上方安装一个可以显示绿灯通行时间，红灯等待时间的显示电路，采用数码管显示电路是一种很好的方法。
由于东往西方向和西往东方向显示的时间相同，南往北方向和北往南方向显示的时间也相同，所以只需要考虑四位数码管显示电路，其中东西方向两位，南北方向两位，两位数码管可以时间的时间为0-99秒完全可以满足系统的要求，数码管连接方法如图4-4所示。
图4-4数码管连接方法
5.系统软件设计
5.1控制器的软件设计
5.1.1每秒钟的设定
延时方法可以有两种一中是利用MCS-51内部定时器产生溢出中断来确定1秒的时间，另一种是采用软件延时的方法。
计数器硬件延时
.a计数器初值计算
定时器工作时必须给计数器送计数器初值，这个值是送到TH和TL中的。
他是以加法记数的，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设定为C和计数初值设定为TC可得到如下计算通式：
TC=M-C
式中，M为计数器模值，该值和计数器工作方式有关。
在方式0时M为213；在方式1时M的值为216；在方式2和3为28
.b计算公式
T=（M－TC）T计数
或TC＝M-C／T计数
T计数是单片机时钟周期ＴＣＬＫ的12倍；TC为定时初值
如单片机的主脉冲频率为ＴＣＬＫ12MHZ ，经过12分频
方式0 TMAX＝213 ＊１微秒＝8.912毫秒
方式1 TMAX＝216 ＊１微秒＝65.536毫秒
显然１秒钟已经超过了计数器的最大定时间，所以我们只有采用定时器和软件相结合的办法才能解决这个问题．
5.1.21秒的方法
我们采用在主程序中设定一个初值为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１，然后判断它是否为零。
为零表示1秒已到可以返回到输出时间显示程序。
相应程序代码
（１）主程序
定时器需定时50毫秒，故T0工作于方式1。
初值：
TC＝M-T／T计数 ＝２１６ －50ms/1us=15536=3CBOH
ORG1000H
START:
MOVTMOD,#01H;令T0为定时器方式１
MOVTH0,#3CH;装入定时器初值
MOVTL0,#BOH ;
MOVIE, #82H;开Ｔ0中断
SEBT TRO ；启动Ｔ0计数器
MOV RO, #14H ;软件计数器赋初值
LOOP:
SJMP$ ；等待中断
（２）中断服务子程序
ORG00BH
AJMP BRT0
ORG 00BH
BRT0：
DJNZR0，NEXT
AJMPTIME;跳转到时间及信号灯显示子程序
DJNZ：
MOVR0，＃14H ;恢复R0值
MOVTH0,#3CH;重装入定时器初值
MOVTL0,#BOH ;
MOVIE, #82H
RET1
END
5.1.3软件延时
MCS-51的工作频率为2-12MHZ，我们选用的8031单片机的工作频率为6MHZ。
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*（1/6M）=2us。
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。
具体的延时程序分析：
DELAY:
MOVR4,#08H延时1秒子程序
DE2:
LCALLDELAY1
DJNZR4,DE2
RET
DELAY1:
MOVR6,#0；延时125ms子程序
MOVR5,#0
DE1:
DJNZR5,$
DJNZR6,DE1
RET
MOVRN，#DATA；字节数数为2，机器周期数为1
所以此指令的执行时间为2ms，而DELAY1为一个双重循坏循环次数为256*256=65536所以延时时间=65536*2=131072us约为125us。
DELAYR4设置的初值为8主延时程序循环8次，所以125us*8=1秒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。
5.2流程图如图5-1所示
图5-1交通灯的软件设计流程图
5.3程序源代码
ORG0000H
A_BITEQU20H;用于存放南北十位数
B_BITEQU21H;用于存放南北十位数
C_BITEQU22H;用于存放东西十位数
D_BITEQU23H;用于存放东西位数
TEMP1EQU24H;用于存放第一二南北状态要显示的时间
TEMP2EQU25H;用于存放第一二东西状态要显示的时间
TEMP3EQU26H;用于存放第三第四南北状态要显示的时间
TEMP4EQU27H;用于存放第三第四南北状态要显示的时间
LJMPMAIN
ORG0003H;外部中断0入口
LJMPINT0;跳转到外部0中断
ORG0013H;外部中断1入口
LJMPINT1;跳转到外部1中断
INT0:
MOVA,P1;外部0中断
PUSHACC
MOVA,P2;中断保护
PUSHACC
MOVP1,#0FFH;清除先前状态
MOVP2,#0FFH
CLRP1.0
CLRP1.4;南北通行，东西禁止通行
CLRP1.6
CLRP2.3
JNBP3.2,$;判断是否还在中断状态
POPACC
MOVP2,A;返回中断前状态
POPACC
MOVP1,ACC
RETI;中断返回
INT1:
MOVA,P1;外部1中断
PUSHACC;中断保护
MOVA,P2
PUSHACC
MOVP1,#0FFH;清除先前状态
MOVP2,#0FFH
CLRP1.2
CLRP2.1
CLRP1.3;东西通行，南北禁止通行
CLRP1.5
JNBP3.3,$;判断是否还在中断状态
POPACC
MOVP2,A;返回中断前状态
POPACC
MOVP1,A
RETI;中断返回
基于单片机的交通灯信号控制器设计（含源程序和电路图）
设计一个基于单片机的交通灯信号控制器。
已知东、西、南、北四个方向各有红黄绿色三个灯，在东西方向有两个数码管，在南北方向也有两个数码管。
要求交通灯按照表1进行显示和定时切换，并要求在数码管上分别倒计时显示东西、南北方向各状态的剩余时间。
表1交通灯的状态切换表
南北方向
东西方向
序号
状态
序号
状态
1
绿灯亮25秒，红、黄灯灭
1
红灯亮30秒，绿、黄灯灭
2
黄灯亮5秒，红、绿灯灭
3
红灯亮30秒，绿、黄灯灭
2
绿灯亮25秒，红、黄灯灭
3
黄灯亮25秒，红、绿灯灭
回到状态1
回到状态1
3.2.1模块1:
系统设计
（1）任务分析与整体设计思路
试题要求实现的功能主要包括计时功能、动态扫描以及状态的切换等几部分。
计时功
升级会员 