基于单片机智能交通控制系统.docx

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1、基于单片机智能交通控制系统 毕业论文( 设计) 题 目 基于单片机的交通灯限制系统设计 学生姓名 王 义 爱 学 号 20221336043 院 系 信息与限制学院 专 业 自动化 指导老师 王玉芳 二一年 五月 二十 日 目 录 1 绪论 . 1 1.1 探讨意义 . 1 1.2 交通灯探讨现状 . 2 1.2.1 国内城市交通现状 . 2 1.2.2 国际先进成果 . 2 1.3 探讨内容 . 2 2 总体方案设计 . 3 3 硬件设计 . 4 3.1 单片机概述 . 4 3.2 电源电路 . 7 3.3 检测电路 . 8 3.3.1 红外传感器的发展 . 8 3.3.2 常用的红外传感器

2、 . 9 3.3.3 主动式红外传感器简介 . 10 3.3.4 检测电路 . 10 3.3 紧急按键 K1 电路 . 11 3.4 红绿灯显示电路 . 11 3.5 倒计时显示电路 . 12 3.6 振荡电路 . 14 3.7 复位电路 . 15 4 系统软件设计 . 15 4.1 主程序设计 . 16 4.2 延时子程序 . 19 4.2.1 计数器硬件延时. 19 4.2.2 软件延时 . 21 4.3 计数器计数 . 22 4.4 数码管显示子程序 . 22 4.5 黄灯闪耀子程序 . 23 4.6 车流量算法子程序 . 24 4.7 紧急车辆子程序 . 24 5 系统实现 . 25

3、5.1 仿真软件简介 . 25 5.1.1 Proteus 软件简介 . 25 5.1.2 Keil 软件简介 . 26 5.2 仿真实现 . 28 5.3 实物设计 . 29 6 结束语 . 31 参考文献 . 32 致谢 . 33 ABSTRACT . 34 附录 程序清单 . 35 基于单片机的交通灯限制系统设计 王义爱 南京信息工程高校信息与限制学院 南京 210144 摘要：本文依据 AT89C51 单片机的特点及交通灯在实际限制中的特点，提出了一种用单片机自动限制交通灯以刚好间显示的方法，同时给出了软硬件设计的方法。设计的过程包括硬件电路设计和程序设计两大步骤，对在单片机应用中可能

4、遇到的重要设计问题都有涉足。本系统采纳单片机作为核心限制器，通过红外检测系统来测量东西方向和南北方向的车流量大小，经过简洁的算法得出红绿灯时间。然后分别用红、黄、绿灯的不同组合来指挥两个方向的通车与禁行，用 LED 数码管作为倒计时指示，实时地限制当前交通灯时间使 LED 显示器进行倒计时工作并与状态灯保持同步，在保持交通平安的同时最大限度地提高交通能顺畅交替运行，从而实现十字路口的智能交通限制。 关键词：单片机；交通灯；红外检测；智能限制 1 绪论 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。1918 年，

5、又出现了带限制的红绿灯和红外线红绿灯。信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行实力，削减交通事故有明显效果。1968 年，联合国道路交通和道路标记信号协定对各种信号灯的含义作了规定：绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以直行，左转弯和右转弯，除非另一种标记禁止某一种转向。左右转弯车辆都必需让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。红灯是禁行信号，面对红灯的车辆必需在交叉路口的停车线后停车。黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线。 1.1 探讨意义 随着社会经济快速发展，汽车数量的急剧增加，给城市交通带来了极大的压力。特殊是在上下班高峰期，巨大的车流量使得

6、道路拥挤，造成了不必要的时间奢侈与经济损失。由此可见，交通拥塞已成为一个国际性的问题。因此，设计牢靠、平安、便捷的智能交通灯限制系统有极大的现实必要性。而社会上正在运用的交通限制系统主要有两个缺陷:1、车道放行车辆时，时间设定相同且固定，十字路口常常出现主车道车辆多，放行时间短，车流无法在规定时间内通过，而副车道车辆少，放行时间明显过长;2、未考虑急车强通学习并熟识单片机的基本结构、引脚功能说明等硬件方面的学问。 2）在传感器上，主要运用的是红外传感器，在这方面我们要了解传感器的工作原理，传感器是该系统的检测部分的核心之一，它关系到其它各个部分的运行和操作。 3）学会利用多种语言编写单片机的程

7、序，特殊是高级语言的运用会极大地降低编写程序的困难性。 4）在电路方面，我们要了解电路的作用，电路的工作原理，电路的设计原理，加深我们对电路学问的学习。 5）要熟识系统设计思路，组织电路的设计，了解整个电路的联系，将其组成一个整体，实现最终的设计思路。 2 总体方案设计 本文是采纳了以 AT89C51 单片机为核心的限制方案。方案中通过遮光式的红外传感器来检测东西方向和南北方向的车流量大小，再经过肯定的简洁算法算出各方向上的红绿灯时间并在数码管显示器上显示倒计时，同时通过路口上的红绿灯的点亮与熄灭限制车辆的通行与停止。另外，方案中还设计一个紧急车辆通行按键，每当有紧急车辆须要通过时，操作员按下

8、按键，东西方向和南北方向上均为红灯，并发出警报禁止一般车辆的通行，先让紧急车辆通过。东西、南北两干道交于一个十字路口，各干道有一组红、黄、绿三色的指示灯，指挥车辆平安通行。红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行。黄灯亮提示人们留意红、绿灯的状态即将切换，且黄灯燃亮时间为东西、南北两干道的公共停车时间，指示灯燃亮的方案如表 2-1。 表 2-1 指示灯的燃亮方案表 s 3s s 3s 东西道 红灯亮 黄灯亮 绿灯亮 黄灯亮 南北道 绿灯亮 黄灯亮 红灯亮 黄灯亮 表 2-1 说明： 当东西方向为红灯，此道车辆禁止通行；南北道为绿灯，此道车辆通过。时间为秒。 黄灯闪耀 3 秒，警示车辆红、绿灯的状态即将切

9、换。 当东西方向为绿灯，此道车辆通行；南北方向为红灯，南北道车辆禁止通过。时间为秒。 这样如上表的时间和红、绿、黄出现的依次依次出现这样车辆就能平安畅通的通行。另外，在紧急状况下，操作员可以通过紧急按键 K1，使两路口均是红灯，禁止一般车辆通行，先让紧急车辆通过。 注：时间 T1 和 T2 均由红外传感器检测电路测的。另外，在交通灯的燃亮指示表中，东西方向绿灯的点亮时间为），这是因为循环时间段 T1包括绿灯和黄灯的时间，扣除的 3 秒钟为黄灯的点亮时间，所以从时间段 T1扣除黄灯的 3 秒钟即为东西方向的绿 灯点亮时间。 3 硬件设计 本系统利用 AT89C51 单片机作为系统的核心限制部件，

10、利用其定时器/计数器作为红外传感器的接收端，通过凹凸电平的改变来统计通过检测区域的车流量，然后通过软件计时来限制接在 P0 端口的红绿灯的点亮与熄灭状态，并在 8 段数码管上显示倒计时。系统的电路图主要由电源电路、遮光式红外传感器检测电路、红绿灯显示电路、红绿灯时间倒计时电路以及紧急按键 K1 电路等电路组成。系统的基本原理框图如图 3-1 所示： AT 89C C 51单片机紧急按键K K1 1报警电路红外传感器检测电路红绿灯显示电路数码管倒计时显示电路振荡电路复位电路 图 3-1 系统的基本原理框图 下面从各个电路分别加以说明，首先介绍一下单片机。 3.1 单片机概述 单片机 3 也被称为

11、微限制器，是因为它最早被用在工业限制领域。单片机由芯片内仅有 CPU 的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和 CPU 集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更简单集成进困难的而对体积要求严格的限制设备当中。INTEL 的 Z80 16 是最早根据这种思想设计出的处理器，从今以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。 早期的单片机都是 8 位或 4 位的。其中最胜利的是 INTEL 的 8031，因为简洁牢靠而性能不错获得了很大的好评。此后在 8031 上发展出了 MCS51 系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛运用。随着工业限制领域要求的提高，起先出现了

12、16 位单片机，但因为性价比不志向并未得到很广泛的应用。90 年头后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。随着 INTEL i960 系列特殊是后来的 ARM 系列的广泛应用，32 位单片机快速取代 16 位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的 8 位单片机的性能也得到了飞速提高，处理实力比起 80 年头提高了数一百零一倍。目前，高端的 32 位单片 机主频已经超过 300MHz，性能直追 90 年头中期的专用处理器，而一般的型号出厂价格跌落至 1 美元，最高端 1 的型号也只有 10 美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和运用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用

13、在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以干脆运用专用的 Windows 和 Linux 操作系统。 单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统 17 ，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有 1-2 部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备 40 多部单片机，困难的工业限制系统上甚至可能有数一百零一台单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过 PC 机和其他计算的总和，甚至比人类的数量

14、还要多。 单片机又称单片微限制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了 I/O 设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发供应了便利条件。同时，学习运用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。 本文中运用的 AT89C51 单片机是 MCS-51 系列单片机的典型产品，我们以这一代表性的机型进行系统的讲解。8951 单片机包含中心处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和限制总线

15、等三大总线，现在我们分别加以说明： 中心处理器: 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 负责限制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和限制输入输出功能等操作。 数据存储器(RAM): 8951 内部有 128 个 8 位用户数据存储单元和 128 个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放限制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能运用的 RAM 只有128 个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。 程序存储器(ROM)： 8951 共有 4096 个 8 位掩

16、膜 ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。 定时/计数器(ROM)： 8951 有两个 16 位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于限制程序转向。 并行输入输出(I/O)口： 8951 共有 4 组 8 位 I/O 口(P0、 P1、P2 或 P3)，用于对外部数据的传输。 全双工串行口： 8951 内臵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运用。 中断系统： 8951 具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满意不同的限制要求，并具有 2 级的优先级别选择。 时钟电路： 8

17、951 内臵最高频率达 12MHz 的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但 8951 单片机需外臵振荡电容。 AT89C51 单片机的外形结构为 40 条引脚双列直插式封装，下面是单片机的引脚图，以及简洁的管脚说明 4 ： 1 13132333435363738394020221817361514131211109 101 87 76 65 54 43 32 228273625242322213029A AT T8 89 9C C5 51 1ALE/ / PROGXTAL 2 2P P3 3. .7 7/ / RDP P3 3. .6 6/ / WRP P3 3. .5 5/ /T

18、T 1 1P P3 3. .4 4/ /T T 0 0P P3 3. .3 3/ / INT 1 1P P3 3. .2 2/ / INT 0 0P P3 3. .1 1/ / TXDP P3 3. .0 0/ / RXDRST/ /V V PDP P1 1. .7 7P P1 1. .6 6P P1 1. .5 5P P1 1. .4 4P P1 1. .3 3P P1 1. .2 2P P1 1. .1 1P P1 1. .0 0XTAL 1 1V V SSP P0 0. .0 0V V CCP P0 0. .7 7P P0 0. .6 6P P0 0. .5 5P P0 0. .4 4P

19、 P0 0. .3 3P P0 0. .2 2P P0 0. .1 1V V PP / / EAPSENP P2 2. .7 7P P2 2. .6 6P P2 2. .5 5P P2 2. .4 4P P2 2. .3 3P P2 2. .2 2P P2 2. .1 1P P2 2. .0 0 图 3-2 单片机的引脚图 VCC：供电电压。 GND：接地。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 振荡器特性: XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配臵为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采纳。如采纳外

20、部时钟源驱动器件，XTAL2 应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必需保证脉冲的凹凸电平要求的宽度。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平常间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平常，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要留意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SF

21、R8EH 地址上臵 0。此时， ALE 只有在执行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。假如微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，臵位无效。 N /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN 信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA 保持低电平常，则在此期间外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。留意加密方式 1 时，/EA 将内部锁定为 RESET；当/EA 端保持高电平常，此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源。

22、 0 P0 口：P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可汲取 8TTL 门电流。当 P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在 FIASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行校验时，P0 输出原码，此时 P0 外部必需被拉高。 1 P1 口：P1 口是一个内部供应上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流。P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平常，将输出电流，这是由于内部上拉的原因。在 FLASH 编程和校验

23、时，P1 口作为第八位地址接收。 2 P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出 4 个 TTL门电流，当 P2 口被写‚1时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的原因。P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出地址‚1时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2 口输出其特别功能寄存器的内容。P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和限制信号。 3 P

24、3 口：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL 门电流。当P3 口写入‚1后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3 口将输出电流这是由于上拉的原因。 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特别功能口，如下表所示： P3 口管脚 备选功能 P3.0：RXD P3.1：TXD P3.2：/INT0 P3.3：/INT1 P3.4：T0 P3.5：T1 P3.6：/WR P3.7：/RD P3 口同时为闪耀编程和编程校验接收一些限制信号。 3.2 电源电路 电源采纳输出为正 5V 直流电压的稳压电源电路 7

25、 。IC 采纳集成稳压器 7805 三端稳压器。它是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路，以其体积小、成本低、性能好、工作牢靠性高、运用简捷便利等特点，成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压器件。当输出电流较大时，7805 应配上散热板。C3 为输入端滤波电容，C5 为输出端滤波电容。如图 3-3 所示： 7805C40.1ufC31010ufC50.1ufC6101ufVinVioGND 图 3-3 电源电路 本系统采纳 220V 沟通电电源，经过 5V 适配器滤波后，在固定式三端稳压器 LM7805 的 Vin 和 GND 两端形成一个并不非常稳定的直流电压(该电压经常

26、会因为市电电压的波动或负载的改变等缘由而发生改变)。此直流电压经过 LM7805 的稳压和电容的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。 3.3 检测电路 检测电路是本系统能够实现智能限制红绿灯时间的关键。检测电路的核心是红外传感器，下面首先对红外传感器做一个简洁地介绍： 3.3.1 红外传感器的发展 传感器被定义为能感受规定的被测量并根据肯定的规律转换成可用输出信号的器件或装臵，通常由敏感元件和转换元件组成。 红外传感器 5 是利用物体产生红外辐射的特性，实现自动检测的传感器。在物理学中，我们就已经知道可见光、不行见光、红外光及无线电等都是电磁波，它们之间的差别只是波长

27、的不同而已。 红外技术发展到现在，已经为大家所熟知，这种技术已经在现代科技、国防和工农业等领域获得了广泛的应用。红外传感系统是利用红外线为介质的测量系统，根据功能能够分成五类：辐射计，用于辐射和光谱测量；搜寻和跟踪系统，用于搜寻和跟踪红外目标，确定其空间位臵并对它的运动进行跟踪；热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像；红外测距和通信系统；混合系统，是指以上各类系统中的两个或者多个的组合。 红外传感器依据探测机理可分成为：光子探测器和热探测器。 3.3.2 常用的红外传感器 红外探测器 红外系统的核心是红外探测器，根据探测的机理不同，可以分为热探测器和光子探测器两大类。 热探测器是利用辐射

28、热效应，使探测元件接收到辐射能后引起温度上升，进而使探测器中依靠于温度的性能发生改变。检测其中某一性能的改变，便可探测出辐射。多数状况下是通过热点改变来探测辐射的。当元件接收辐射，引起非电量的物理改变时，可以通过适当的变换后测量相应的电量改变。 红外测温产品： HEITRONICS 拥有 40 多年非接触红外测温阅历，50 多种红外测温仪和非接触红外测温系统可满意不同行业用户的特别需求，供应最优非接触红外测温解决方案。在高性能和高品质的红外测温产品市场，来自德国的 HEITRONICS 以其在尖端领域应用中良好的品质记录，被广泛公认为是世界一流的红外测温产品供应者而受到信任。 HEITRONI

29、CS 系列产品已广泛应用于冶金，玻璃，造纸，纺织，橡胶，木材，制陶，塑料涂层，沥青建筑，电子，食品，石化，水泥等工业制造、科学探讨和试验领域。 压电传感器 压电传感器是一种典型的有源传感器，它是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，电介质表面产生电荷，从而实现外力与电荷量间的转换，达到非电量的电测目的。 压电传感器的应用：可分为单向力，双向力和三向力传感器。压电传感器的物理基础是压电效应，压电敏感元件感受力的作用而产生电压或电荷输出，即依据输出电压或电荷的大小和极性，就可确定作用力的大小和方向。由此可见，压电传感器可以干脆用于测力，或测与力有关的压力、位移、振动加速度等。 磁电传感器 磁

30、电传感器可分为两大类，一类是基于铁芯线圈电磁感应原理的磁电感应式传感器，一类是基于半导体材料磁敏效应的磁敏传感器。 磁敏管的应用：不但具有很高的磁灵敏度，同时能识别磁场极性：而且体积小，功耗低，因而具有广泛的应用前景。 光电传感器 光电传感器是一种将光信号转换成电信号的装臵，它具有结构简洁，性能牢靠，精度高，反应快等优点，在现代测量和自动限制系统中，应用特别广泛，是一种很有发展前途的新型传感器。 人体热释电红外传感器介绍和应用 在电子防盗、人体探测器领域中，被动式热释电红外探测器的应用特别广泛，因其价格低廉、技术性能稳定而受到广阔用户和专业人士的欢迎。 无线红外传感器 无线红外传感器又称无线红

31、外探测器是依据人体红外光谱而工作，当人体在其接受范围内活动时，探测器输出报警信号，广泛用于银行、仓库和家庭等场所的平安防范。 综上所述，每一种传感器都有他的用处和广泛的应用前景。经过比较，在本文系统中最适合采纳的是 光电传感器，下面再简洁地介绍下。 3.3.3 主动式红外传感器简介 光电传感器是通过把光强度的改变转换成电信号的改变来实现限制的。光电传感器在一般状况下，有三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。发送器对准目标放射光束，放射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外放射二极管。光束不间断地放射，或者变更脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。 本文采纳的是一种对射型光电传感器，即主动红外探测器。主动红外探测器由红外放射机、红外接收机和报警限制器组成。分别臵于收、发端的光学系统一般采纳的是光学透镜，起到将红外光束聚焦成较细的平行光束的作用，以使红外光的能量能够集中传送。红外光在人眼看不见的光谱范围，有人经过这条无形的封锁线，必定全部或部分遮挡