基于单片机的智能交通灯控制系统设计Word格式.docx
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在大中型城市，路口的红绿灯是司机以及行人所遵守的行为规范，它是保障人们安全和道路通畅的关键。
目前，国内的城市采用的交通灯大部分是具有固定红绿灯转换时间的能自动切换的交通灯。
这种交通灯的时间控制固定，按一定的周期交替变化。
但是实际上车辆流通状况是复杂多变的，不同时刻的车流量是随机的，并且还受人为因素影响。
采用这种定时的交通灯会造成交通资源的浪费和道路的阻塞，耽误时间。
而智能交通灯控制系统可以有效的利用道路资源，提高效率。
在这种情况下，为有效疏导交通，最大程度的利用道路资源，根据车流量动态调整通行时间并让特殊车辆先行是十分必要的。
结合我国的实际情况开发一种适合我们自身特点的智能交通灯控制系统已成为主要问题。
而单片机技术则成为目前广泛被采用的一种技术。
只有保障了交通线路的畅通安全，才能保证人们出行的舒畅，甚至是生命的延伸。
1.2国内外研究现状
交通灯通常指由红、黄、绿三种颜色灯组成用来指挥交通的信号灯。
绿灯亮时，准许车辆通行，黄灯亮时，已越过停止线的车辆可以继续通行；
红灯亮时，禁止车辆通行。
最早的交通灯出现在19世纪的英国，当时只有红绿两种颜色，它是机械扳手式的煤气信号灯。
后来因为煤气灯爆炸造成警察受伤被取消。
直到1914年美国的克富兰市才最先恢复了红绿灯。
此时的红绿灯已经由煤气信号灯变成相对安全的电气信号灯。
在1918年，人们又发明了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。
而中国最早的红绿灯出现在1928年上海的英租界。
从1868年首次使用燃汽信号灯以来，交通灯控制系统经过了由手动控制到自动控制，从无车辆检测器到有车辆检测器的历程，有近百年的历史。
在1963年加拿大建立了一套使用IBM650型计算的集中协调感应控制信号系统，从而标志着交通灯控制系统的发展进入了新阶段。
之后各国陆续建成了配备交通监视系统和数字电子计算机区域交通灯控制系统的交通管制中心。
在发达国家，交通控制系统基本上已经由传统的交通控制系统转变为智能交通控制系统ITS，但是在我们国家，因为受客观条件的制约智能交通系统刚刚起步。
在20世纪90年代初，我国的一些学者开始意识到研究和开发ITS是很重要的。
90年代中期的时候，在国外ITS研发的影响下，政府有关部门也开始重视对ITS的研究。
随后，对ITS的研究又得到中央部门和部分地方政府的支持。
在1999年，我国专门成立了全国智能交通系统（ITS）协调指导小组及办公室和全国智能交通运输系统（ITS）专家咨询委员会。
目前，我国在对国外ITS进行研究的基础上已经逐渐开始摸索并逐步开发设计适合自己国情的ITS系统。
从最早的手牵皮带到20世纪50年代的电气控制，从采用计算机控制到现代化的电子定时监控，交通信号灯在科学化、自动化上不断地更新、发展和完善。
第二章单片机简介
2.1单片机的发展历史
单片机即单片微型计算机，也称微控制器或嵌入式控制器，它是微型计算机发展的一个重要分支。
随着超大规模集成电路技术的发展，单片机也随之有了很大的发展，各种新颖的单片机层出不穷，并已广泛的应用到人类生活的各个领域，成为当今科学技术现代化不可缺少的重要工具。
单片机具有嵌入式应用系统所要求的体系结构、微处理器、指令系统、总线方式和管理模式等。
它把计算机的基本功能部件微型化并集成到一块芯片上，通常片内含有中央处理部件（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM）、定时器/计数器、和各种输入/输出（I/O）接口，如RS串行通信口、中断控制、系统时钟及系统总线等。
它们之间的相互连接结构如图2-1所示。
图2-1单片机结构
如果将8位单片机的诞生为单片机的发展的起点，那么其发展大致可以分为三个阶段，如表2-1所示。
表2-1单片机的发展阶段
阶段
代表
CPU
寻址空间
第一阶段
MCS-48
8位
4KB
第二阶段
MSC-51
64KB
第三阶段
MCS-96/196、
MSP430、
68HC12
8位、16位、32位
大于64KB
第一阶段：
单片机的初级阶段。
这时期的单片机内集成了一个8位CPU、一个8位平行I/O口和一个8位定时器/计数器，片内存储器RAM、ROM容量较小，并且没有串行接口。
第二阶段：
单片机的高性能阶段。
自1978年以后，8位单片机的应用日益广泛，各公司和生产厂家不断的改进产品，使单片机的功能大大增强。
这段时期的单片机都有串行接口、16位定时器/计数器和多级中断控制系统，片内存储器的容量也有所增加，并且寻址范围均可达64KB。
第三阶段：
8位单片机的巩固发展和16位、32位单片机的推出阶段。
这个时期不仅推出了16位和32位单片机，并且不断完善和提高8位单片机的性能。
16位的单片机主要应用于工业控制、智能仪器仪表、便携式设备等场合。
32位的单片机是今后单片机发展的趋势，主要用于掌上电脑、个人数字助理、可视电话、移动电话等设备中。
8位单片机是目前品种最丰富并且应用最广泛的单片机。
由于制造工艺的提高和新技术的采用，8位单片机的性能以惊人的速度提高和完善。
现在在单片机内集成的应用系统常用电路越来越多，甚至在单片机内集成了局部网络控制模块，以能满足很多应用场合的需要。
而且单片机具有体积小、功耗低、功能强、抗干扰能力强、性能/性价比高、便于推广应用等显著优点，所以8位单片机被广泛应用于自动控制装置、智能仪器仪表、通信系统、家用电器等领域。
2.2单片机的发展趋势
单片机技术正以惊人的速度向前发展，就已出现的单片机而言也正以其各自独特的优点或先进的技术在进行挑战，主要表现在以下几个方面。
1．CPU的发展
增加CPU的字节或提高时钟频率均可提高CPU的数据处理能力和运算速度。
CPU字长已有8位、16位、32位、64位。
时钟频率以发展到20MHz以上。
标准的8051单片机一个机器周期要占用12个时钟周期，执行一条指令最少需要一个机器周期。
而现在的单片机执行指令的速度大大的提高了。
如Cygnal公司的C8051FXXX系列采用了CIP-51微处理器内核，该微处理器的70%指令的执行是在1个或2个系统时钟周期内完成，只有4条指令的执行需4个以上时钟周期。
还有一些8051单片机兼容厂商为了在不提高时钟频率的条件下，加快单片机的运算速度，改善了单片机的内部时序。
如Motorola单片机使用了锁相环技术或内部倍频技术，使内部总线速度大大高于时钟发生器的频率。
2．片内存储器的发展
早期单片机的片内存储器，一般RAM为64~128B，程序存储器ROM在1~2KB，新型的单片机片内的RAM在256B以上，片内程序存储器也采用了快速闪存技术，可在5V电压下进行程序的烧录，容量可达128KB以上。
由于采用了Flash技术，使得在线编程ISP和应用中编程技术得以实现。
3．加强片内输入/输出接口功能
最初的单片机，片内只有并行输入/输出接口、定时器/计数器，它们的功能也比较差，在实际应用中往往还要通过特殊的接口扩展功能，这样既增加了应用系统结构的复杂化，也降低了系统的稳定性。
近年来，新型单片机内的接口，无论从类型上还是从数量上都有很大的发展。
这不仅大大提高了单片机的功能，，并且使系统的总体结构也大大的简化了。
例如有些单片机的I/O口能直接输出大电流和高电压，可直接用以驱动LED数码管、液晶显示器等。
4．半导体工艺技术的发展
早期的单片机采用PMOS工艺，随后逐渐采用NMOS、HMOS和CMOS工艺。
现在的单片机基本上采用CMOS工艺。
半导体工艺技术的发展，对提高单片机的综合性能有很大的好处，主要有以下几个方面。
1 提高集成度
早期单片机采用5um的工艺，后来采用4~3um，当前大部分采用0.6以下的工艺，有的甚至采用0.13um的工艺，因此一块硅片上集成的部件更多。
2 低功耗化
采用CMOS工艺制作的单片机具有低功耗的特点。
为了进一步降低功耗，很多单片机都设置了等待、停止和睡眠等低功耗的工作方式。
例如TI公司的MSP430系列单片机，具有LPM1、LPM3和LPM4三种低功耗的工作方式。
在工作电压为3V，工作方式为LPM1时，CPU静止、振荡器处于1~4MHz、外围电路处于活动的情况下，只消耗约约50uA的电流。
在工作方式为LPM4时，CPU、外围电路、振荡器都处于静止状态，只消耗约0.1uA的电流。
3 工作电压范围加宽
对于采用NMOS工艺制作的单片机，工作电压一般为4.5~5.5V。
而采用CMOS工艺的单片机，一般都可以在3~6V的条件下工作。
目前有的单片机工作电压更低，如TI公司的MSP430X11X系列单片机工作电压是2.2V。
4 单片机的外形封装
早期单片机的外形封装都采用双列直插式的封装。
如今外形封装还有方型的，有的采用贴片工艺封装方式，以减小体积。
5．低噪音与高可靠性技术
为提高单片机系统的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片机厂家在单片机内部电路中采取了一些新的技术措施。
如Motorola公司的MC68HC08系列单片机采用了EFT的抗干扰技术。
6．ISP及IAP
在线编程技术（ISP）及在应用中编程技术（IAP）是通过计算机的并口或串口对单片机进行程序下载编程的。
单片机引出的编程线与I/O线共用，不增加单片机的额外引脚。
ISP为开发、调试提供了方便，并使单片机系统远程调试、升级成为现实。
IAP可实现单片机在应用中的再编程，为仪器仪表的智能化提供了重要的技术手段。
目前世界上比较著名的部分8位单片机的生产厂家和部分主要机型如表2-2所示。
表2-2单片机的生产厂家和部分主要机型
生产厂家
主要机型
Intel（美国英特尔）公司
MCS-51/96及其增强型系列
NS（美国国家半导体）公司
NS8070系列
RCA（美国无线电）公司
CDP1800系列
TI（美国得克萨斯仪器仪表）公司
TMS700系列
Fairchild（美国仙童）公司
FS系列及3870系列
Atmel（美国Atmel）公司
AT89系列
National（日本松下）公司
MN6800系列
Hitachi（日本日立）公司
HD6301、HD65L05、HD6305系列
Philips（荷兰菲利浦）公司
P89C51XX系列
其中INTEL公司的MCS-51系列及其增强型系列在8位单片机市中占的份额最大，它是Intel公司继MCS-48系列之后发展起来的高档8位单片机，总结了MCS-48系列单片机的应用功能，克服了MCS-48系列存储器容量小、运算功能弱得不足，提高了全机的操作速度，并且扩大了片内存储器容量和外部存储器寻址空间，增强了指令及寻址功能，扩大了并行I/O口和新增设全双工串行I/O口，增加了中断源及优先级，新增了乘除法、比较和位操作等强功能指令。
因为它比MCS-48系列单片机性价比要高得多，所以自从1980年MCS-51系列单片机推出以来，这已是我国在控制领域中的优选机种和机型。
2.3单片机的特点
单片机具有如下特点：
1）体积小，使用灵活方便
2）成本低，开发周期短，易于产品化
3）可靠性好，抗干扰能力强
4）低功耗，低电压
电源电压在5~3v范围内都
能正常工作。
5）易于扩展
单片机外部的三总线结构可根据需要进行并行或者串行扩展。
2.4MCS-51单片机简介
2.4.1MCS-51单片机的外特性
MCS-51系列单片机的外形封装有双列直插式封装和方形封装两种方式。
本次采用的是双列直插式封装，有40条引脚。
图2-2为引脚排列图。
图2-2引脚排列
各引脚功能介绍：
●Vss电源地。
●Vcc正常工作电压+5V。
●XTAL1片内振荡电路输入端。
当采用外部振荡器时，此引脚接地。
●XTAL2片内振荡电路的输出端。
当采用外部振荡器时，此引脚接外部振荡源。
●RST/VPD复位控制输入/断电时，提供备用电源输入。
●
ALE/PROG允许地址锁存输出/编程脉冲输入。
正常工作时，提供把低字节地址锁存到外部锁存器的信号，还可以对外输出时钟信号，用于定时，并且可以驱动8个TTL电路。
在EPROM编程期间，接收编程脉冲。
EA/Vpp当EA为高电平时，访问片内程序存储器，当为低电平时，访问外部程序存储器。
片外程序存储器读选通信号输出。
此引脚可以驱动8个TTL电路。
●I/O端口
1）P0口
P0口是一个8位漏极开路型双向I/O口，其中包含一个输出锁存器、两个三态缓冲器、一个输出驱动电路和一个输出控制电路。
P0口可以作为输入/输出口内，但在实际应用中通常作为地址/数据总线口，即低8位地址与数据线分时使用P0口。
2）P1口
P1口是一个8位准双向口，每一位都能作为可编程的输入或输出线，在输出驱动部分接有内部上拉电阻。
P1口作为输入时，可被任何TTL和MOS电路所驱动。
由于具有内部上拉电阻，也可以直接被集电极开路或漏极开路的电路驱动而不必外加上拉电阻。
CPU读P1口有两种情况：
读引脚和读锁存器状态。
3）P2口
P2口为一个8位准双向口，可以作为输入口或输出口使用，外接I/O设备时，又作为扩展系统的地址总线，输出高8位地址，与P0口一起组成16位地址总线。
4）P3口
P3口是一个带有内部上拉电阻的8位准双向I/O口，并且是一个双功能口。
即可以作为通用I/O口使用，又有第二功能。
其第二功能定义如表2-3所示：
表2-3P3口的第二功能
端口引脚
第二功能
P3.0
串行输入口
P3.1
串行输出口
P3.2
外部中断0输入线
P3.3
外部中断1输入线
P3.4
定时器0外部输入
P3.5
定时器1外部输入
P3.6
外部数据存储器写选通信号输出
P3.7
外部数据存储器读选通信号输出
2.4.2MCS-51单片机的内部结构
MCS-51单片机是在一块芯片上集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器等一台计算机所需要的基本功能部件。
单片机内部包含以下几个部件：
1）一个8位CPU。
2）一个片内振荡器及时钟电路。
3）4KBROM程序存储器。
4）128BRAM数据存储器。
5）两个16位定时器/计数器。
6）可寻址64KB外部数据存储器和64KB外部程序存储器空间的控制电路。
7）32条可编程的I/O线（4个8位并行I/O端口）。
8）一个可编程全双工串行接口。
9）具有5个中断源、2个优先级嵌套中断结构。
图2-3为8051单片机的内部结构框图。
频率基
准源
中断
图2-38051单片机的内部结构框图
●CPU
CPU是单片机的核心部件。
它由运算器和控制器等部件组成，运算器的功能是进行算术运算和逻辑运算。
CPU中还有定时与控制部件，8051片内设有一个由反相放大器所构成的振荡电路，其输入端输出端分别是XTAL1和XTAL2。
●存储器
MCS-51单片机的程序存储器和数据存储器空间是相互独立的，它们各有自己的寻址系统、控制信号和功能。
从物理地址空间看，MCS-51单片机有4个存储器地址空间，即片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器和片外数据存储器。
程序存储器用来存放程序和始终要保留的常数。
数据存储器是随机存取存储器，用来存放程序运行中所需要的常数或变量。
MCS-51单片机的数据存储器分为内部数据存储器和外部数据存储器两个地址空间，其中内部数据存储器是最灵活的地址空间。
MCS-51单片机设有4个8位双向I/O端口，每一条I/O线都能独立的用作输入或输出。
●复位和复位电路
MCS-51单片机的复位方式有加电自动复位和开关复位两种。
图2-4（a）为加电自动复位，图2-4（b）为开关复位。
+5VCRCR
RR1
RRRR2
（a）加电自动复位（b）开关复位
图2-4复位电路
2.4.3MCS-51单片机的中断系统
当CPU正在处理某项事物的时候，如果外界或内部发生了紧急事件，要求CPU暂停正在处理的工作转而去处理这个紧急事件，待处理完以后再回到原来被中断的地方，继续执行原来被中断了的程序，这样的过程称为中断。
MCS-51单片机的5个中断源，如下：
INT0来自P3.2引脚上的外部中断请求（外中断0）。
INT1来自P3.3引脚上的外部中断请求（外中断1）。
●T0片内定时器/计数器0溢出（TF0）中断请求。
●T1片内定时器/计数器1溢出（TF1）中断请求。
●串行接口片内串行接口完成一帧发送或接收中断请求源TI或RI。
5个中断源服务程序的入口地址如表2-4所示。
表2-4中断源服务程序的入口地址
中断源
入口地址
外部中断0
0003H
定时器0溢出
000BH
外部中断1
0013H
定时器1溢出
001BH
串行接口中断
0023H
通常在中断入口地址处安排一条跳转指令，以跳转到用户的服务程序入口。
MCS-51单片机中断系统具有两级优先级,它们遵循以下基本规则：
1）低优先级中断源可被高优先级中断源所中断，而高优先级中断源不能被任何中断源所中断。
2）一种中断源（不管是高优先级或低优先级）一旦得到响应，与它同级的中断源不能再中断它。
当同时收到几个同一优先级的中断时，响应哪一个中断源取决于内部查询顺序。
其优先级排列如表2-5所示。
表2-5中断源排列优先级
同级内的中断优先级
最高
最低
定时器/计数器0溢出中断
定时器/计数器1溢出中断
在某些条件下能封存CPU对中断的响应，像下面三种情况：
1）CPU正在处理同级的或高一级的中断。
2）现行的机器周期不是当前所执行指令的最后一个机器周期。
3）当前正在执行的指令是返回指令或是对IE或IP寄存器进行读/写的指令。
2.4.4MCS-51单片机的定时器/计数器
MCS-51单片机内部有两个16位可编程的定时器/计数器，即定时器T0和定时器T1。
这两个定时器不仅可以用作定时器方式，而且可用作计数器方式。
在作定时器使用时，输入的时钟脉冲是由晶体振荡器的输出经12分频后得到的，所以定时器也可看做是对计算机机器周期的计数器。
其频率为晶振频率的1/12。
当用作计数器时，接相应的外部输入引脚T0或T1。
当检测到输入引脚上的电平由高跳变到低时，计数器就加1。
定时器/计数器有四种工作方式：
方式0、方式1、方式2、方式3。
方式0是一个13位计数器，方式1是一个16位的计数器，方式2是一个可以自动恢复初值的8位计数器，常用于定时，还用作串行接口波特率发生器。
方式3对定时器T0和T1是不同的，它只适用于T0,。
若T1设置为方式3，则停止工作。
方式3可以使MCS-51具有三个定时器/计数器（增加一个附加的8位定时器/计数器）。
第三章智能交通灯控制系统的总体设计
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