1、 學號* 密級 公開 *本科畢業論文基于8051單片機的城市智能交通燈控制系統的設計學 院 名 稱：&&&&&&&專 業 名 稱：*學 生 姓 名：*指 導 教 師：* 二一一年五月BACHELOR'S DEGREE THESIS OF LANZHOU CITY UNIVERSITYThe Design of Intelligent Traffic Light System Based on 8051 SCM May 2011鄭 重 聲 明本人呈交的學位論文，是在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果，所有數據、圖片資料真實可

2、靠。盡我所知，除文中已經注明引用的內容外，本學位論文的研究成果不包含他人享有著作權的內容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻的其他個人和集體，均已在文中以明確的方式標明。本學位論文的知識產權歸屬于培養單位。本人簽名： 日期： 摘 要隨著經濟的發展，城市現代化程度不斷提高，交通需求和交通量迅速增長，城市交通網絡中交通擁擠日益嚴重。因此，一個好的交通燈控制系統，將給道路擁擠等方面給予技術革新。8051單片機的交通燈控制系統由8051單片機、交通燈顯示、LED倒計時、緊急處理（中斷）等模塊組成。本設計除了基本交通燈功能外，還具有倒計時顯示、緊急情況處理等相關功能。理論證明該系統能夠簡單、經濟、有效地疏

3、導交通，提高交通路口的通行能力。本設計根據單片機具有功能強、實用方便靈活、可靠性高的特點，提出了用8051單片機自動控制交通信號燈燈及時間顯示的方法，同時給出了軟硬件的設計及實現方法，在硬件電路中具體設計了時鐘電路、復位電路、中斷電路信號燈電路設計，在軟件電路中具體編寫了中斷程序和軟件延時程序。為交通指揮自動化提供一種新的廉價手段，具有一定的推廣意義。關鍵詞：交通控制；單片機；8051；智能ABSTRACT The ages is an automation ages nowadays and transportation light control's waiting a lot o

4、f equipments of professions all is closely related with calculator. Therefore, a good transportation light control system, will hustle for road, give technique innovation. The 8051 microcontrollre control system consists of the traffic lights display,8051 monolithic integrated circuits, and LED the

5、countdown,emergency adjustment .In addition to the basic traffic function outside ,still have time to manuallyset, and so on .theory show that the system can simple,economic and effective relieves traffic,improve the crossroads capacity. According to the design of chip mircrocotrollre has strong fun

6、ction ,convenient and flexible,hing reliablility .presented with 8051 microcontrollre control for traffic signal lights and time display method ,at the same time ,gives the hardware and softwaer design and implementation method .In the hardware circuit of the specific design of clock circuit ,an int

7、errupt circuit signal ccirrcuit design.In the software circuit specific writing interrupt program and a software program.Traffic command automation provides a new means of cheap, has popularizing significane. Key words:Traffic Control；Single Chip Microcomputer ； 8051；IntelligenceIV目 錄第1章 緒論11.1 課題研究

8、的背景及意義11.2 本文主要研究工作1第2章 道路交通燈控制系統的設計方案22.1 系統總框架22.2 電路的工作原理2第3章 硬件設計43.1系統總框圖43.2總的硬件電路圖設計4 3.2.1時鐘電路設計5 3.2.2復位電路設計6 3.2.3 單片機最小系統7 3.2.4 LED數碼管顯示電路設計7 3.2.5 信號燈設計9 3.2.6中斷電路設計10第4章 軟件設計124.1 軟件流程圖124.2 部分函數介紹12 4.2.1 每秒鐘的設定12 4.2.2 計數器初值計算124.3 軟件延時134.4 中斷響應程序設計144.4 程序流程圖 154.5 中斷程序164.6 源程序17結

9、 論21參考文獻22致 謝24第1章 緒論1.1 課題研究的背景及意義隨著經濟的發展，城市現代化程度不斷提高，交通需求和交通量迅速增長，城市交通網絡中交通擁擠日益嚴重，道路運輸所帶來的交通擁堵、交通事故和環境污染等負面效應也日益突出，逐步成為經濟和社會發展中的全球性共同問題。交通問題已經日益成為世界性的問題，城市交通事故、交通堵塞和交通污染問題愈加突出。為了解決車和路的矛盾，常用的有兩種方法：一是控制需求，最直接的辦法就是限制車輛的增加；二是增加供給，即大量修筑道路基礎設施的辦法，在資源、環境矛盾越來越突出的今天，面對越來越擁擠的交通，有限的資源和財力以及環境的壓力，也將受到限制。這就需要依靠

10、除限制需求和提供道路設施之外的其他辦法來滿足日益增長的交通需求。在現有的道路交通條件下，實施交通控制和管理，充分發揮現有道路的通行能力正是解決這一矛盾的途徑之一，大量事實已經證明這種方法的有效性。通過對城市主要十字路口交通控制規律的觀察發現，我國現有交通燈控制系統的一個缺陷：當有緊急車輛通過時沒有響應的措施讓緊急車輛優先通過，本設計針對這一問題設計了當有緊急車輛來時優先讓其通過。1.2 本文主要研究工作 為了實現對交通道路的管理，力求交通管理先進性、科學化，本設計分析應用了單片機實現智能交通燈管制的控制系統，以及該系統軟、硬件設計方法，實驗證明該系統實現簡單、經濟、能夠有效地疏導交通，提高交通

11、路口的通行能力1。本設計主要做以下幾方面的工作：一、對交通信號燈的研究意義和交通燈的研究現狀進行分析，確定系統交通控制的總體設計，包括交通燈控制系統通常要實現自動控制等各項應有功能，增加在緊急情況下能夠手動切換信號燈讓緊急車輛優先通行的功能。二、基于8051單片機設計出城市智能交通燈控制系統，并進行詳細說明設計總的硬件電路以及各個部分的硬件電路。三、進行軟件系統的設計，尤其詳細說明了定時器、中斷以及延時程序的設計。第2章 道路交通燈控制系統的設計方案2.1 系統總框架 本設計針對一個大型十字路口設計的交通信號燈控制系統。東西方向和南北方向各設有紅燈、黃燈、綠燈各一組。指揮車輛和行人安全通行。紅

12、燈亮禁止通行，綠燈亮允許通行。黃燈亮提示人們注意紅、綠燈的狀態即將切換2。狀態一南北方向上紅燈亮25秒，東西方向上綠燈亮20秒，狀態二東西方向上綠燈閃爍2秒再接著黃燈閃爍3秒，狀態三東西方向上紅燈亮25秒，東西方向上綠燈亮20秒，狀態四南北方向上綠燈閃爍2秒再接著黃燈閃爍3秒。這樣四個狀態一直循環下去，并有數碼管顯示時間。除了可以實現基本交通燈功能外，亦能實現倒計時和緊急情況下的中斷處理。2.2 電路的工作原理 本系統共設有12個LED，其中紅色的4個，綠色的4個，黃色的4個。 所有LED在該設計中采用共陰極接法4。 交通燈應滿足兩個方向的工作時序：東西道綠燈和黃燈亮的時間等于南北道紅燈亮的時

13、間；南北道綠燈和黃燈亮的時間等于東西道紅燈亮的時間。若假設每個單位脈沖周期為1秒，則東西道綠燈、黃燈、紅燈分別亮的時間為22秒、3秒、25秒，而相應的南北道紅燈、綠燈、黃燈分別亮的時間為25秒、22秒、3秒。一次循環為50秒。東西方向黃燈亮時，南北方向紅燈以1Hz的頻率閃爍；南北方向黃燈亮時，東西方向紅燈以1Hz的頻率閃爍。 各個方向的信號燈亮時，需配合有時間提示，以數字顯示出來，方便行人與機動車觀察。信號燈亮的時間均以每秒減“1”的計數方式工作，直至減到“0”后各信號燈自動轉換。由軟件設置交通燈的初始時間，數碼管的段碼用不同的口線，東西方向的是用的P0口，南北的使用P3口，用單片機來控制各種

14、信號燈的燃亮時間，通過單片機的P2口控制5。控制電路圖如下圖2.1所示：倒計時顯示8051系統處理交通信號燈圖2.1 控制電路框圖本系統每個信號指示燈接一個對應的I/O口，通過對I/O口賦值控制交通信號燈的狀態來指揮交通。在此基礎上按鍵可以觸發單片機進入中斷，進而控制交通信號燈的狀態6。 第3章 硬件設計3.1系統總框圖 交通燈控制系統的設計方案如下圖3.1所示：圖3.1系統設計方案框圖時鐘電路LED燈顯示 8051 信號燈時間顯示部分中 斷部 分復 位電 路3.2總的硬件電路圖設計 圖3.2 總硬件電路圖（其中R表示紅燈,Y表示黃燈,G綠燈）3.2.1時鐘電路設計時鐘電路是單片機的心臟，它控

15、制著單片機的工作節奏。單片機內部有一個高增益反相放大器，用于構成振蕩器。反相放大器的輸入端為XTAL1，輸出端為XTAL2，利用芯片內部反相器和電阻組成的振蕩電路，在XTAL1和XTAL2引腳上跨接晶體振蕩器和微調電容，從而構成一個穩定的自激振蕩器，形成單片機的時鐘電路(如下圖3.3所示)，可穩定頻率并對振蕩頻率有微調作用7。每個單片機系統里都有晶振，全程是叫晶體震蕩器，在單片機系統里晶振的作用非常大，他結合單片機內部的電路，產生單片機所必須的時鐘頻率，單片機的一切指令的執行都是建立在這個基礎上的，晶振的提供的時鐘頻率越高，那單片機的運行速度也就越快。晶振用一種能把電能和機械能相互轉化的晶體在

16、共振的狀態下工作，以提供穩定，精確的單頻振蕩。晶振的作用是為系統提供基本的時鐘信號7。本設計中取晶體振蕩器的頻率，電容C1、C2的主要作用是幫助振蕩器起振，其值的大小對振蕩器的頻率有微調作用，典型值為C1=C2=33pF。 圖3.3 時鐘電路3.2.2復位電路設計單片機在啟動時都需要復位，以使CPU及系統各部件處于確定的初始狀態，并從初態開始工作。51系列單片機的復位信號是從RST引腳輸入到芯片內的施密特觸發器中的。當系統處于正常工作狀態時，且振蕩器穩定后，如果RST引腳上有一個高電平并維持2個機器周期(24個振蕩周期)以上，則CPU就可以響應并將系統復位8（本設計中需要2us以上的高電平就能

17、復位）。除進入系統的正常初始化之外，當由于程序運行出錯或操作錯誤使系統處于死鎖狀態時，為擺脫困境，可以按復位鍵以重新啟動。具體電路如圖3.4所示： 圖3.4 復位電路3.2.3 單片機最小系統 圖3.5 最小系統電路圖 單片機最小系統（如上圖3.5所示）以8051為核心，外加時鐘和復位電路,電路結構簡單，抗干擾能力強，成本相對較低，非常符合本設計的所有要求。時鐘電路在單片機的外部通過XTAL1、XTAL2這兩個引腳跨接晶體振蕩器和微調電容，構成穩定的自激振蕩器.本系統采用的為12MHz的晶振，一個機器周期為1us，C1、C2為33pF9。復位電路分為上電自動復位和按鍵手動復位，RST引腳是復位

18、信號的輸入端，復位信號是高電平有效。上電自動復位通過電容C3和電阻R2來實現，按鍵手動復位是圖中復位鍵來實現的10。3.2.4 LED數碼管顯示電路設計根據系統設計要求，東西和南北方向的信號燈時間不一樣，所以就利用單片機的P0和P3口來做數碼管的段碼驅動，東西方向和南北方向的位線可以公共來使用，可以節約單片機的口線11。數碼管可以使用共陰數碼管4，數碼管的每段的電流是10毫安。電路如下圖3.6所示： 圖3.6單片機與數碼管連線圖其數碼管顯示原理13：數碼管按段數分為7段數碼管和8段數碼管。7段數碼管是由七段條形發光二極管組成的“8”字形的LED顯示器，每段分別用a、b、c、d、e、f、g表示；

19、8段數碼管則是在7段的基礎上再加一個圓點型發光二極管，用dp表示。由于連接方式的不同，數碼管又分共陽極接法和共陰極接法，接法不同，段碼值不同12。在本設計中采用共陰極接法，具體段碼值確定如下表3.1所示：表3.1 采用共陰極連接顯示數值dp g f e d c b a驅動代碼（16進制）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 107H80 1

20、 1 1 1 1 1 17FH90 1 1 0 1 1 1 16FH3.2.5 信號燈設計本設計利用單片機的P2口驅動和控制各種信號燈的燃亮和燃亮時間，在實際中，交通燈的信號燈需要用高電壓控制，在這里我們只是模擬一下它的控制信號，所以我們就只用單片機的信號引腳直接來控制發光二極管，電路圖見圖3.8所示14。鎖存器-74HC573八進制三態非反轉透明鎖存器，高性能硅門CMOS 器件。器件的輸入是和標準CMOS 輸出兼容的；加上拉電阻，他們能和LS/ALSTTL 輸出兼容。當鎖存使能端為高時，這些器件的鎖存對于數據是透明的（也就是說輸出同步）。當鎖存使能變低時，符合建立時間和保持時間的數據會被鎖存

21、15。管腳安排如下圖3.7所示：圖3.7 鎖存器74HC573管腳圖主要特點：1） 輸出能直接接到CMOS，NMOS 和TTL 接口上2） 操作電壓范圍：2.0V-6.0V3） 低輸入電流：1.0uA4） CMOS 器件的高噪聲抵抗特性其功能表如表3.2所示：表3.2 鎖存器74HC573功能表輸入輸出輸出使能輸入鎖存D QLHHHLHLLLLX不變HXXZX：不用關心Z：高阻抗 圖3.8 單片機與信號燈連接圖 (其中R表示紅燈，Y表示黃燈，G表示綠燈)3.2.6中斷電路設計16當緊急情況發生時，按下緊急按鍵（外部中斷INT1），單片機輸出緊急信號，系統進入緊急狀態17。中斷硬件顯示如下圖3.

22、9所示： 圖3.9 中斷硬件連接圖 第4章 軟件設計4.1 軟件流程圖開始系統初始化設置時間初值初值送緩沖單元初值減到“0”？返回圖4.1 主程序流程調用顯示子程序初值自減拆分程序YN4.2 部分函數介紹4.2.1 每秒鐘的設定 延時方法可以有兩種一中是利用MCS-51內部定時器才生溢出中斷來確定1秒的時間，另一種是采用軟件延時的方法18。4.2.2 計數器初值計算 定時器工作時必須給計數器送計數器初值，這個值是送到TH和TL中的。他是以加法記數的，并能從全1到全0時自動產生溢出中斷請求。因此，我們可以把計數器記滿為零所需的計數值設定為C和計數初值設定為TC 可得到如下計算通式： TC=M-C

23、式中，M為計數器摸值，該值和計數器工作方式有關。在方式0時M為213 ；在方式1時M的值為216；在方式2和3為28。 計算公式：T=（MTC）T計數 或TCMTT計數T計數是單片機時鐘周期T的12倍；TC為定時初值。如單片機的主脈沖頻率為T12MHz，經過12分頻：方式0TMAX213*1微秒8.192毫秒方式1TMAX216*1微秒65.536毫秒顯然秒鐘已經超過了計數器的最大定時間，所以我們只有采用定時器和軟件相結合的辦法才能解決這個問題。4.3 軟件延時 MCS-51的工作頻率為212MHz。機器周期與主頻有關，機器周期是主頻的12倍，所以一個機器周期的時間為12*（1/6M）=2us

24、。我們可以知道具體每條指令的周期數，這樣我們就可以通過指令的執行條數來確定1秒的時間19。 具體的延時程序分析： DELAY: MOV R4,#08H 延時1秒子程序 DE2: LCALL DELAY1 DJNZ R4 , DE2 RETDELAY1: MOV R6,#0 延時125ms 子程序 MOV R5,#0DE1: DJNZ R5,$ DJNZ R6,DE1 RETMOV RN， #DATA 字節數數為2 機器周期數為1所以此指令的執行時間為2ms DELAY1 為一個雙重循壞，循環次數為256*256=65536，所以延時時間=65536*2=131072us 約為125us。DEL

25、AY R4設置的初值為8，主延時程序循環8次，所以125us*8= 1秒。由于單片機的運行速度很快其他的指令執行時間可以忽略不計。4.4 中斷響應程序設計 在現實生活中，通常會有一些緊急車輛出現（例如救護車）。此時應強行中斷正常的交通燈運轉狀態，使有緊急車輛的車行方向保持通行狀態。無緊急車輛時，交通信號燈按正常時序控制。有緊急車輛來時，若緊急車通行方向為綠燈狀態，則無需處理。若緊急車通行方向為紅燈狀態，則按下緊急通行開關使此方向維持紅燈狀態，另一個方向也為紅燈狀態。，一般情況下交通燈按照車流量大小合理分配通行時間，按一定規律變化，但考慮緊急車通行車況，設計緊急通行開關20。中斷服務程序的流程圖

26、如圖4.2所示。返回 保護現場強制南北東西方向為紅燈數碼顯示時間中斷完畢？恢復現場中斷響應中斷響應中斷響應 保護現場強制南北方向或者東西方向為綠燈數碼顯示時間 否中斷完畢？ 是恢復現場 圖4.2 中斷流程圖交通燈的中斷處理流程：（1）現場保護和現場恢復：有緊急車輛要通過時要進行中斷，在中斷之前，先將交通燈中斷前情況保護好，當中斷執行后再恢復現場，包括信號燈，時間顯示電路。（2）中斷打開和中斷關閉：按一下緊急車輛通行開關就可以打開中斷，關閉緊急車輛通行開關也要關閉中斷。（3）中斷服務程序：有中斷產生，就必然有其具體的要執行的任務，中斷服務程序就是執行中斷處理的具體內容：東西南北方向全是紅燈。（4

27、）中斷返回：執行完中斷服務程序后，必然要返回，即交通燈信號回到中斷前狀態，顯示時間也和中斷之前一樣。4.4 程序流程圖 開始 初始化 設定初值 南北紅燈計時25S東西綠燈計時20S東西綠燈閃2S東西黃燈閃3S 南北綠燈計時20S東西紅燈計時25S南北綠燈閃2S南北黃燈閃3S 圖4.3 程序流程圖4.5 中斷程序 JJ: PUSH PSW ； 緊急車中斷 PUSH ACC PUSH R6 PUSH TH0 ；保持中斷時刻時間 PUSH TL0 ；保持中斷時刻計數值 PUSH TH1 PUSH TL1 CLR TR0 CLR TR1 SETB EAMOV A,#0C3H ；東西南北全紅MOVX D

28、PTR,ALCALL DBLAYR2POP TL1POP TH1POP TL0POP TH0POP R6MOV A,R6 ；輸出中斷前狀態MOVX DPTR,APOP ACCSETB TR0SETB TR1POP PSWRETI END4.6 源程序系統晶振是 12 MHz ORG 0000H LJMP START ORG 0003H ;INT 0 中斷入口地址 LJMP INT0 ORG 0040H START: MOV SP,#60H MOV TMOD,#01H ;初始化 SETB ET0MOV TH0,#3CHMOV TL0,#B0HCLR AMOV R1,ASETB EA LCALL

29、STATUS R0 ;初始狀態(都是紅燈) CIRCLE: LCALL STATUS R1 ;南北綠燈,東西紅燈 LCALL STATUS R2 ;南北綠燈閃轉黃燈,東西紅燈 LCALL STATUS R3 ;南北紅燈,東西綠燈 LCALL STATUS R4 ;南北紅燈,東西綠燈閃轉黃燈 LJMP CIRCLE INT0: PUSH PSW ;保護現場 PUSH R2 PUSH ACC MOV TH0,#3CHMOV TL0,#B0HINC R1MOV A,R1CJNE A,#14H,IN0MOV DPTR,#8300H MOV A,#0FH ;南北,東西都亮紅燈 MOVX DPTR,A M

30、OV R2,#100 ;延時10秒 LCALL DELAY POP ACC ;恢復現場 MOVX DPTR,A POP R2 POP PSW IN0:RETI STATUS R0: ;南北紅燈,東西紅燈 MOV DPTR,#8300H MOV A,#0FH MOVX DPTR,A MOV R2,#10 ;延時1秒 LCALL DELAY RET STATUS R1: ;南北綠燈,東西紅燈 MOV DPTR,#8300H MOV A,#96H ;南北綠燈,東西紅燈 MOVX DPTR,A MOV R2,#200 ;延時20秒 LCALL DELAY RET STATUS R2: ;南北綠燈閃轉黃

31、燈,東西紅燈 MOV DPTR,#8300H MOV R3,#03H ;綠燈閃3次 FLASH: MOV A,#9FH MOVX DPTR,A MOV R2,#03H LCALL DELAY MOV A,#96H MOVX DPTR,A MOV R2,#03H LCALL DELAY DJNZ R3,FLASH MOV A,#06H ;南北黃燈,東西紅燈 MOVX DPTR,A MOV R2,#10 ;延時1秒 LCALL DELAY RET STATUS R3: ;南北紅燈,東西綠燈 MOV DPTR,#8300H MOV A,#69H MOVX DPTR,A MOV R2,#200 ;延時

32、20秒 LCALL DELAY RET STATUS R4: ;南北紅燈,東西綠燈閃轉黃燈 MOV DPTR,#8300H MOV R3,#03H ;綠燈閃3次 FLASH R1: MOV A,#6FH MOVX DPTR,A MOV R2,#03H LCALL DELAY MOV A,#69H MOVX DPTR,A MOV R2,#03H LCALL DELAY DJNZ R3,FLASH1 MOV A,#09H ;南北紅燈,東西黃燈 MOVX DPTR,A MOV R2,#10 ;延時1秒 LCALL DELAY NOP RET DELAY: ;延時子程序 PUSH R2 PUSH R1

33、 PUSH R 0 DELAY R1: MOV 1,#00H DELAY R2: MOV 0,#0B2H DJNZ R0,$ DJNZ R1,DELAY R2 ;延時 100 ms DJNZ R2,DELAY R1 POP R0 POP R1 POP R2 RET END結 論 本此設計充分利用了8051芯片的I/O引角。系統采用MCS-51系列單片機為中心器件來設計交通燈控制器，實現了能根據實際車流量通過單片機芯片的P2口設置紅、綠燈燃亮時間的功能；P2口和P3口外接數碼管來顯示各個信號燈的時間。系統設計簡便、實用性強、操作簡單、程序設計簡便。本次的單片機課程設計，使我們更進一步了解到單片機

34、的優點和強大功能,在查找資料的過程中,認識到單片微型計算機應用的廣泛性和極高的性價比。根據實驗結果，本設計基本完成了設計要求，由于學生的知識水平有限和時間比較倉促，設計的單片機交通燈系統還是存在一些的缺點和不足，譬如紅燈和綠燈的切換不夠迅速，紅綠燈規則效率不是很高，而且這些都沒有考慮到一些特殊人群如盲人與色盲，沒能實現左右轉向信號燈的設計，不能根據車流量的大小來控制各方向的通車時間，應該再加一些語音提示等等措施，相信如果這樣可以大大降低交通事故率。 參考文獻1王成勇. 智能交通燈控制系統J, 廣東技術師范學院學報. 2006, (4): 92-94.2 遲曉君, 林彬. 青島市智能交通系統分析與展望J. 中共青島市委黨校青島行政學 院學報，2004, (1): 64-66.3 王幸之等. 單片機應用系統抗干擾技術M. 北京航空航天大學出版社, 1999:229-235.4 李杏春等. 8051單片機原理及實用接口技術M. 北京航空航天大學出版社, 1996:267-269.5何為民. 低功耗單片微機系統設計M. 北京航空航天大學出版社, 1994:235-237. 6 李華. MCS-51系列單片