2022年基于AT89S51单片机的交通灯方案设计书.docx
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1、精品学习资源在今日,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 世纪就已显现了;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 “留意 ”;1869 年 1 月 2 日,煤气灯爆炸,使警察受伤,遂被取消;1914 年,电气启动的红绿灯显现在美国;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
2、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治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,已过停车线的车辆连续通行;绿灯亮 , 表示该条道路答应通行.交通灯掌握电路自动掌握十字路口两组红、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治理自动化;本文为了实现交通道路的治理,力求交通治理先进性、科学化. 分析应
3、用了单片机实现智能交通灯管制的掌握系统,以及该系统软、硬件设计方法,试验证明该系统实现简洁、经济,能够有效地疏导交通 ,提高交通路口的通行才能;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掌握电路,要求南北方向和东西方向两个交叉路口的车辆交替运行,两个方向能依据车流量大小自动调剂通行时间,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(采纳倒计时的方法);4) 同步设置人行横道红、绿灯指示;2.2 系统规划我
4、们将系统设计成可分别单独工作的主掌握机与客户端的形式,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掌握机而独立工作;即使主掌握机停止工作,或者由于某种缘由不能正常工作,各终端机也可以照常稳固的工作;各个终端机负责治理路口的多个信号灯;为了便利我们称主掌握机为主系统,各个终端机称为子系统;掌握系统的总框图如图 2-1 示欢迎下载精品学习资源远程主系统运算机欢迎下载精品学习资源路口子系统路口子系统路口子系统欢迎下载精品学习资源A 干道交通信号A干道交通信号B 道交通信号灯B 道交通信号灯图 2-1 掌握系统的总框图2.3 方案论证和比较1) 智能交通灯的讨论现状目前设计交通灯的方案有
5、很多,有应用CPLD 设计实现交通信号灯掌握器方法;有应用 PLC 实现对交通灯掌握系统的设计;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掌握行车;对于一般情形下的安全行车,车辆分流尚能发挥作用,但依据实际行车过程中显现的情形,仍存在缺点:两车道的车辆轮番放行时间相同且固定, 在十字路口,常常一个车道为主干道,车辆较多,放行时间应当长些;另一车道为副干道,车辆较少,放行时间应当短些2) 智能交通灯的设计方案及改进措施针对道路交通拥挤,交叉路口常常显现拥堵的情形;利用单片机掌握技术,提出了软件和
6、硬件设计方案及改进措施:依据各道路路口车流量的大小自动调剂通行时间;由于 AT89S51 单片机自单带有2 计数器, 6 个中断源,能满意系统的设计要求;用单片机设计不但设计简洁,而且成本低,用其设计的交通灯也满意了要求,所以本文采纳单片机设计交通灯;系统构图如图2-2 所示:南北检测点欢迎下载精品学习资源东西检测点T0南北红绿黄灯时间显示块T1AT89S51东西红绿黄灯时间显示块紧急掌握开关图 2-2 系统结构框图3 AT89S51 单片机简介3.1 单片机概述单片机微型运算机是微型运算机的一个重要分支,也是颇具生命力的机种;单片机微型运算机简称单片机,特殊适用于掌握领域,故又称为微掌握器;
7、通常,单片机由单块集成电路芯片构成,内部包含有运算机的基本功能部件:中心处理器、储备器和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掌握系统;AT89S51 是美国 ATMEL公司生产的低功耗,高性能CMOS8 位单片机,片内含4k bytes 的可系统编程的Flash 只读程序储备器 ,器件采纳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 程序储备器既可在线编程(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 单片机可为您供应很多高性
8、价比的应用场合,可敏捷应用于各种掌握领域;3.2 AT89S51 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 储备器、 1000 次擦写周期、全静态操作: 0Hz 33Hz、三级加密程序储备器、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 串行通道低功耗闲暇和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符;3.2.2 AT89S51 芯片内部结构简介中央处理器:中心处理器 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
9、负责掌握、指挥和调度整个单元系统和谐的工作,完成运算和掌握输入输出功能等操作;数据储备器 内部 RAM :欢迎下载精品学习资源数据储备器用于存放变化的数据;AT89S51 中数据储备器的地址空间为256 个 RAM 单元,但其中能作为数据储备器供用户使用的仅有前面128 个,后 128 个被专用寄存器占用;程序储备器 内部 ROM :程序储备器用于存放程序和固定不变的常数等;通常采纳只读储备器,且其又多种类型,在 89 系列单片机中全部采纳闪存;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
10、/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 口仍有其他功能;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恳求进行治理与处理;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
11、源;图 3-2 是 AT89S51 系列单片机的内部结构示意图;欢迎下载精品学习资源图 3-2 AT89S51 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I0 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 规律门电路,对端口写“l可”作为高阻抗输入端用;在拜访外部数据储备器或程序储备器时,这组口线分时转换地址(低8 位)和数据总线复用, 在拜访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
12、级可驱动(吸取或输出电流) 4 个 TTL规律门电路;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,由于内部存在上拉电阻,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 具有其次功能的 P1 口引脚端口引脚其次功能:P1.5MOSI (用于 ISP 编程)P1.6MOSI (用于 ISP 编程)P1.7MOSI (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(吸取或输出电流) 4 个 TTL 规律门电路;对端口写“
13、1,”通过内部的上拉电阻把端口拉到高电欢迎下载精品学习资源平,此时可作输入口,作输入口使用时,由于内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL );在拜访外部程序储备器或16 位地址的外部数据储备器(例如执行 MOVXDPTR指令)时, P2 口送出高 8 位地址数据;在拜访8 位地址的外部数据储备器(如执行 MOVXRi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),在整个拜访期间不转变;Flash 编程或校验时, P2 亦接收高位地址和其它掌握信号;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
14、冲级可驱动(吸取或输出电流) 4 个 TTL规律门电路;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其次功能,如下表所示:表 2 具有其次功能的 P1 口引脚端口引脚其次功能:P3.0RXD (串行输入口)P3.1 P3.2 P3.3P3.4TXD (串行输出口)/INT0 (外中断 0)/ INT1 (外中断 1)T0 (定时计数器 0 外部输入)P3.5T1 (定时计数器 1 外部输入)P3.6P3.7/ WR (外部数据储备器写选通)/ RD
15、外部数据储备器读选通)P3 口仍接收一些用于Flash 闪速储备器编程和程序校验的掌握信号;RST:复位输入;当振荡器工作时,RST 引脚显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SFR AUXR 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 :当拜访外部程序储备器或数据储备器时,ALE (地址锁存答应)输出脉冲用 于锁存地址的低8 位字节;即使不拜访外部储备器,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;要留意的是:每当拜访外部数
16、据储备器时将跳过一个ALE 脉冲;对 F1ash 储备器编程期间,该引脚仍用于输入编程脉冲( 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,该引脚会被柔弱拉高,单片机执行外部程序时,应设置ALE 无效;程序储存答应()输出是外部程序储备器的读选通信号,当AT89S51 由外部程序储备器取指令(或数据)时,每个机器周期两次有效,即输出两个脉冲;当拜访外部数据储备器,没有两次有效的信号;欢迎下载精品学习资源 VPP : 外 部 访 问 允 许; 欲 使 CPU
17、 仅 访 问 外 部 程序 存 储 器 ( 地址 为 0000H FFFFH ), EA 端必需保持低电平(接地);需留意的是:假如加密位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 就执行内部程序储备器中的指令; F1ash储备器编程时,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依据设计任务和要求,可画出该掌握器的原理框图, 为确保十字路口的交通安全,往往都采纳交通灯自动掌握系统来掌握交通信号;其中红灯(R)亮,表示禁止通行;黄灯(Y )亮表示暂停;绿灯(G)亮表示答
18、应通行;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;由于这有一个起步的问题,仍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;我们来运算一下,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
19、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;假如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 秒内欢迎下载精品学习资源通行的车辆为 90 辆;通过一辆车的平均时间只需1 秒;明显在车辆拥挤的情形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;当然绿灯时间也不行能无限长,要考虑到让另一路口的等待时间不能过长;人们总是期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
20、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 车检测电路用来判定各方向车辆状况,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,判定该方向为少车,当20 秒内北往南方向车辆通过车辆也达不到 20 辆时,判定该方向也为少车,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
21、辆数达45 辆时车辆判定为拥挤,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,判定为少车,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,某次可能不精确,但下次确定能补偿回来,累积运算是很精确的,这就是人们常说的“模糊掌握 ”;由于路上的车不行能突然增多,塞车都有一个累积过程;这样掌握可以把不断增多的车辆一步一步消化,虽然最终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,掌握精确;十字路口车辆通行次序如图 4-2 所示:图 4-2 十字路口
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