基于單片機(jī)AT89C51的交通燈控制器的設(shè)計(jì)

1、 1 選題背景 本設(shè)計(jì)是單片機(jī)控制的交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市交通問(wèn)題越來(lái)越引起人們的關(guān)注。人、車(chē)、路三者關(guān)系的協(xié)調(diào)，已成為交通管理部門(mén)需要解決的重要問(wèn)題之一。城市交通控制系統(tǒng)是用于城市交通數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、交通信號(hào)燈控制與交通疏導(dǎo)的計(jì)算機(jī)綜合管理系統(tǒng)，它是現(xiàn)代城市交通監(jiān)控指揮系統(tǒng)中最重要的組成部分。所以，如何采用合適的控制方法，最大限度利用好耗費(fèi)巨資修建的城市高速道路，緩解主干道與匝道、城區(qū)同周邊地區(qū)的交通擁堵?tīng)顩r，越來(lái)越成為交通運(yùn)輸管理和城市規(guī)劃部門(mén)亟待解決的主要問(wèn)題。傳統(tǒng)的交通信號(hào)燈控制一般采用電子線路和繼電器控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性低。故障率高因此研究計(jì)算機(jī)與自動(dòng)控制技術(shù)，設(shè)計(jì)新型

2、的交通燈控制系統(tǒng)，對(duì)緩解交通阻塞提高暢通率具有十分現(xiàn)實(shí)的意義。以下通過(guò)介紹一種基于8051的交通燈控制系統(tǒng)，東西、南北的通行時(shí)間可調(diào)。能倒計(jì)時(shí)顯示通行時(shí)間。并有急車(chē)強(qiáng)行通過(guò)、交通異常狀況判別及處理等功能，該系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)周期短、可靠性高、維護(hù)方便、使用簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。2 方案論證 電源提供方案為使模塊穩(wěn)定工作，須有可靠電源。因此考慮了兩種電源方案：方案一：采用獨(dú)立的穩(wěn)壓電源。此方案的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定可靠，且有各種成熟電路可供選用；缺點(diǎn)是各模塊都采用獨(dú)立電源，會(huì)使系統(tǒng)復(fù)雜，且可能影響電路電平。方案二：采用單片機(jī)控制模塊提供電源。改方案的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)明扼要，節(jié)約成本；缺點(diǎn)是輸出功率不高。綜上所述，我選擇第二種

3、方案。顯示界面方案該系統(tǒng)要求完成倒計(jì)時(shí)功能?；谏鲜鲈颍铱紤]了二種方案：方案一：采用數(shù)碼管顯示。這種方案只顯示有限的符號(hào)和數(shù)碼字符，簡(jiǎn)單，方便。方案二：采用點(diǎn)陣式LED 顯示。這種方案雖然功能強(qiáng)大，并可方便的顯示各種英文字符，漢字，圖形等，但實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，且須完成大量的軟件工作。綜上所述，我選擇第一種方案 輸入方案：題目要求系統(tǒng)能調(diào)節(jié)燈亮?xí)r間，并可處理緊急情況，我研究了兩種方案：方案一：采用8155擴(kuò)展I/O 口及鍵盤(pán)，顯示等。該方案的優(yōu)點(diǎn)是：使用靈活可編程，并且有RAM,及計(jì)數(shù)器。若用該方案，可提供較多I/O 口,但操作起來(lái)稍顯復(fù)雜。方案二： 直接在I/O口線上接上按鍵開(kāi)關(guān)。由于該系統(tǒng)對(duì)于交

4、通燈及數(shù)碼管的控制，只用單片機(jī)本身的I/O 口就可實(shí)現(xiàn)，且本身的計(jì)數(shù)器及RAM已經(jīng)夠用，故選擇方案二。3 硬件電路設(shè)計(jì)綜上所述本設(shè)計(jì)系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)為控制核心，連接成最小系統(tǒng)，由倒計(jì)時(shí)顯示模塊、交通燈顯示模塊、按鍵開(kāi)關(guān)控制模塊組成。軟件部分使用的是C 語(yǔ)言編程，由軟件設(shè)置交通燈的初始時(shí)間，東西方向（主干道）通行60秒，南北方向（支干道）通行50秒，數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)顯示，P0口送字形碼，P2口送字位選通信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)的P1口控制各種信號(hào)燈的點(diǎn)亮與熄滅，采用中斷方式實(shí)現(xiàn)各按鍵的功能。3.1 設(shè)計(jì)原理及方法電路主要由AT89S51單片機(jī)、上拉電阻和兩片7407、紅、黃、綠交通燈各兩個(gè)以及按

5、鈕開(kāi)關(guān)組成，如圖1所示。在設(shè)計(jì)中采用6個(gè)發(fā)光二極管來(lái)模擬2個(gè)路口的黃紅綠燈，通過(guò)單片機(jī)P1口實(shí)現(xiàn)對(duì)交通燈的控制主程序執(zhí)行對(duì)P1口各使用位的控制，并調(diào)用相應(yīng)的延時(shí)子程序?qū)崿F(xiàn)。有中斷產(chǎn)生時(shí)，則轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序，使相應(yīng)方向切換成“綠燈”，另外方向切換成“紅燈”。系統(tǒng)各組成部分說(shuō)明如下。3.1.1 復(fù)位電路單片機(jī)復(fù)位電路原理是在單片機(jī)的復(fù)位引腳RST上外接電阻和電容，實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位。當(dāng)復(fù)位電平持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上時(shí)復(fù)位有效。復(fù)位電平的持續(xù)時(shí)間必須大于單片機(jī)的兩個(gè)機(jī)器周期。具體數(shù)值可以由RC電路計(jì)算出時(shí)間常數(shù)。復(fù)位電路由手動(dòng)復(fù)位和上電復(fù)位兩部分組成。（1）上電復(fù)位電路要求接通電源后，通過(guò)外部電容充

6、電來(lái)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)自動(dòng)復(fù)位操作。上電瞬間RESET引腳獲得高電平，隨著電容的充電，RERST引腳的高電平將逐漸下降。RERST引腳的高電平只要能保持足夠的時(shí)間（2個(gè)機(jī)器周期），單片機(jī)就可以進(jìn)行復(fù)位操作。（2）手動(dòng)復(fù)位：手動(dòng)復(fù)位就是在復(fù)位電容上并聯(lián)一個(gè)開(kāi)關(guān)，當(dāng)開(kāi)關(guān)按下時(shí)電容被放電、RST也被拉到高電平，而且由于電容的充電，會(huì)保持一段時(shí)間的高電平來(lái)使單片機(jī)復(fù)位。單片機(jī)復(fù)位期間不產(chǎn)生ALE和PSEN信號(hào)，即ALE=1和PSEN=1。這表明單片機(jī)復(fù)位期間不會(huì)有任何取指操作。 圖3 單片機(jī)手動(dòng)復(fù)位電路3.1.2 時(shí)鐘電路 單片機(jī)系統(tǒng)里都有晶振，在單片機(jī)系統(tǒng)里晶振作用非常大，全稱叫晶體振蕩器，它結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部

7、電路產(chǎn)生單片機(jī)所需的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率越高，那么單片機(jī)運(yùn)行速度就越快，單片機(jī)的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率。單片機(jī)晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。單片機(jī)的時(shí)鐘電路由外接的一只晶振和兩只起振電容，以及單片機(jī)內(nèi)部的時(shí)鐘電路組成，晶振的頻率越高，單片機(jī)處理數(shù)據(jù)的速度越快，系統(tǒng)功耗也會(huì)相應(yīng)增加，穩(wěn)定性也會(huì)下降。單片機(jī)的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)有兩種方式，一種是內(nèi)部時(shí)鐘方式，一種是外部時(shí)鐘方式。在內(nèi)部時(shí)鐘方式下單片機(jī)內(nèi)部的高增益、反相放大器通過(guò)XTAL1、XTAL2外接作為反饋元件的外部晶體管振蕩器與電容組成的并聯(lián)諧振回路構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器，向內(nèi)部時(shí)鐘電路提供振蕩時(shí)鐘

8、。振蕩器的頻率主要取決于晶體的振蕩頻率。外部時(shí)鐘方式是把外部已有的時(shí)鐘信號(hào)引入到單片機(jī)內(nèi)。此方式常用于多片單片機(jī)同時(shí)工作，以便于各單片機(jī)的同步。一般要求外部信號(hào)高電平的持續(xù)時(shí)間大于20s，且為頻率低于12MHz的方波。本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式，單片機(jī)系統(tǒng)常用的晶振頻率有6MHz、110592MHz、12MHz、本系統(tǒng)采用110592MHz晶振，電容選22pF或30pF均可。 圖4 單片機(jī)時(shí)鐘電路3.1.3 EA腳的功能及接法AT89C51 單片機(jī)的EA/VPP（31 腳） 是內(nèi)部和外部程序存儲(chǔ)器的選擇管腳。當(dāng)EA 保持高電平時(shí)，單片機(jī)訪問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器；當(dāng)EA 保持低電平時(shí)，則不管是否有內(nèi)部程序

9、存儲(chǔ)器，只訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器。由于現(xiàn)在單片機(jī)內(nèi)部的flash容量都很大，因此基本都是從內(nèi)部的存儲(chǔ)器讀取程序，即不需要外接ROM來(lái)存儲(chǔ)程序，因此，EA腳必須接高電平。圖5 單片機(jī)最小系統(tǒng)3.1.4 按鍵控制模塊本系統(tǒng)設(shè)置了有4個(gè)鍵：K0鍵，K1鍵，K2鍵，K3鍵。每個(gè)按鍵一端接地，另一端接上二極管。 低電平有效，當(dāng)按鍵按下端口接地，單片機(jī)捕獲到低電平，從而得到相應(yīng)的輸入信息。 本系統(tǒng)采用了二極管做開(kāi)關(guān)，是為了防止有一按鍵被按下3根線同時(shí)被低，中斷無(wú)效。二極管在正向電壓作用下電阻很小，處于導(dǎo)通狀態(tài)，相當(dāng)于一只接通的開(kāi)關(guān)；在反向電壓作用下，電阻很大，處于截止?fàn)顟B(tài)，如同一只斷開(kāi)的開(kāi)關(guān)。利用二極管的開(kāi)關(guān)特性

10、，可以組成各種邏輯電路。 程序開(kāi)始運(yùn)行先東西段通行、南北段禁止60s，后南北段通行、東西段禁止50s，依此循環(huán)。 系統(tǒng)分三種工作模式：南北通行模式、東西通行模式、返回模式、緊急情況模式，并且通過(guò)四個(gè)按鍵K0、K1、K2、K3實(shí)現(xiàn)之間的相互轉(zhuǎn)化。 圖8 按鍵控制模塊3.1.3電源模塊單片機(jī)工作時(shí)需要的+5V電壓,所以在設(shè)計(jì)電源電路時(shí),需要一個(gè)電子元件能提供+5V電壓,由于78L05能夠提供5V電壓的三端穩(wěn)壓電源,78L05一腳為電源輸入端,二腳為公共接地端,三腳即為我們所需要的+5V電壓輸出端.本系統(tǒng)采用典型的78L05提供電壓的電路,即在78L05的1腳和公共接地端(即2腳)之間接入0.3F的

11、電容,在公共接地端和三腳+5V電壓輸出端之間接入0.1F的電容.圖9 電源模塊4. 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 4.1 系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)計(jì)算3.1.1 T0的計(jì)數(shù)初值T0的計(jì)數(shù)初值：X=216-12*50*1000/12=15536=3CB0H3.1.2 倒計(jì)時(shí)顯示的理論分析倒計(jì)時(shí)顯示的理論分析：利用定時(shí)器中斷，設(shè)TH0=TH1(65536-50000)/256，即每0.05秒中斷一次。每到第20次中斷即過(guò)了20*0.05秒1秒時(shí)，使時(shí)間的計(jì)數(shù)值減1，便實(shí)現(xiàn)了倒計(jì)時(shí)的功能。3.1.2 交通燈狀態(tài)顯示的理論分析狀態(tài)燈顯示的理論分析：黃燈閃爍同樣可以利用定時(shí)器中斷。每到第10次中斷即過(guò)了10*0.05秒0.5秒時(shí)

12、，使黃燈標(biāo)志位反置，即可讓黃燈1秒閃爍一次。4.2 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)交通燈的控制，程序的編寫(xiě)用C語(yǔ)言來(lái)完成。系統(tǒng)控制程序可以分為若干模塊：初始化程序，按鍵開(kāi)關(guān)控制程序，交通燈轉(zhuǎn)換控制程序，LED數(shù)碼管顯示程序，按鍵消抖動(dòng)程序，延時(shí)程序，中斷服務(wù)子程序等。系統(tǒng)相應(yīng)的程序流程如圖所示。開(kāi)始系統(tǒng)初始化東西亮綠燈，南北亮紅燈調(diào)顯示子程序（動(dòng)態(tài)顯示）東西，南北方向換向東西黃燈閃爍，南北亮紅燈燈中斷處理子程序處理返回圖10 程序流程圖 5 結(jié)束語(yǔ) 通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我受益匪淺。使我在軟硬件結(jié)合的綜合運(yùn)用能力上有了進(jìn)一步的提升，對(duì)課堂上所學(xué)的單片機(jī)知識(shí)有了進(jìn)一步的加深和鞏固，在C語(yǔ)言的掌握方面也向前邁了一大步，在老師和同學(xué)的幫助下，提高了個(gè)人分析解決實(shí)際問(wèn)題的綜合能力以及協(xié)同合作的能力，同時(shí)還鍛煉了我查閱資料的能力、動(dòng)手能力、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。面對(duì)