基于51單片機交通信號燈控制系統(tǒng)

摘 要

     隨著時代的進步和發(fā)展，單片機技術已經(jīng)普及到我們生活、工作、科研、各個領域，已經(jīng)成為一種比較成熟的技術。本模擬交通燈系統(tǒng)利用單片機AT89C51作為核心元件，實現(xiàn)了通過信號燈對路面狀況的智能控制。從一定程度上解決了交通路口堵塞、車輛停車等待時間不合理、急車強通等問題。系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、成本低、實時性好、安裝維護方便等優(yōu)點，有廣泛的應用前景。

  本模擬系統(tǒng)由單片機硬/軟件系統(tǒng)，兩位8段數(shù)碼管和LED燈顯示系統(tǒng)等組成，較好的模擬了交通路面的控制。

關鍵詞：交通燈，單片機 ，數(shù)碼管 ，LED燈

目錄

5.Proteus軟件仿真................................................................................................................. 10

5.1 Proteus軟件介紹........................................................................................................ 10

5.2  交通控制系統(tǒng)Proteus仿真.................................................................................... 12

6. 總結(jié).................................................................................................................................... 14

參考文獻.................................................................................................................................. 15

附錄：源程序代碼.................................................................................................................. 15

引言

   當今，紅綠燈安裝在個個道口上，已經(jīng)成為疏導交通車輛最常見和最有效的手段。但這個技術在19世紀就已經(jīng)出現(xiàn)了。

    1858年，在英國倫敦主要街頭安裝了以燃煤氣為光源的紅、藍兩色的機械般手勢信號燈，用以指揮馬車通行。這是世界上最早的交通信號燈。1868年，英國機械工程師納伊特在倫敦威斯敏斯特區(qū)的會議大廈前的廣場上，安裝了世界上最早的煤氣紅綠燈。它由紅綠兩以旋轉(zhuǎn)方式玻璃提燈組成，紅色表示“停止”，綠色表示“注意”。1869年1月2日，煤氣燈爆炸，是警察受傷，遂被取消。

    電氣啟動的紅綠燈出現(xiàn)在美國，這種紅綠燈由紅黃綠三色圓形的投光器組成，1914年始裝于紐約市5號大街的一座高塔上。紅燈亮表示“停止”，綠燈亮表示“通行”。

    信號燈的出現(xiàn)，使得交通得以有效的管理，對于疏導交通流量、提高道路通行能力、減少交通事故有明顯效果。1968年，聯(lián)合國《道路交通和道路標志信號協(xié)定》對各種信號燈的含義作了規(guī)定。綠燈時通行信號燈，面對綠燈的車輛可以直行，左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎，除非兩一種標志禁止某一種轉(zhuǎn)向。左右轉(zhuǎn)彎車輛必需讓合法的正在路口內(nèi)行駛的車輛和過人行橫線的行人優(yōu)先通行。紅燈是禁行信號燈，面對紅燈的車輛必需在交叉路口的停車線后停車。黃燈是警告信號，面對黃燈的車輛不能越過停車線，但車輛已經(jīng)十分接近停車線而不能安全停車的可以進入交叉路口。

隨著時代的進步和發(fā)展，單片機技術已經(jīng)普及到我們生活、工作、科研、各個領域，已經(jīng)成為一種比較成熟的技術。本交通燈控制系統(tǒng)利用單片機AT89C51作為核心元件，實現(xiàn)了通過信號燈對路面狀況的智能控制。從一定程度上解決了交通路口堵塞、車輛停車等待時間不合理、急車強通等問題。系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、成本低、實時性好、安裝維護方便等優(yōu)點，有廣泛的應用前景。

    本設計主要是介紹了單片機控制下的交通燈控制系統(tǒng)，詳細介紹了其硬件和軟件設計，并對其各功能模塊做了詳細介紹，其主要功能和指標如下：

    東西、南北兩干道交于十字路口，各干道有一組紅、綠、黃三個指示燈，指揮車輛和行人安全通行。東西方向為主干道，通行時間為40秒；南北方向為支干道，通行時間為30秒。通行時間最后3秒，綠燈滅，黃燈閃爍，黃燈閃爍完畢變更通行車道。通行時間由數(shù)字顯示器顯示，黃燈3秒閃爍不單另計時。

    方案一：利用PLC實現(xiàn)對交通燈控制，其可靠性高，抗干擾能力強。對于交通燈這種特殊裝置，其可靠性是至關重要的，因為交通燈控制系統(tǒng)中途若發(fā)生什么意外，其后果是不堪設想。而且PLC系統(tǒng)的設計、制造工作量小，維護方便，體積小、重量輕、能耗低，還可以進行智能化控制以更有效、合理地控制交通。但是使用PLC控制也有缺點，因為PLC比起其它控制系統(tǒng)，其價格較貴，一般一臺小型的PLC價格最便宜的也在二三千元以上。  

    方案二：運用單片機對交通燈系統(tǒng)進行實現(xiàn),使用51單片機為主控核心,通過軟件來控制過往車輛的正常運作。同時它也具有如下的優(yōu)點：

(1)單片機體積小巧、使用靈活、成本低，易于真正產(chǎn)品化。組裝各種智能式控制設備和儀器，能做到機電儀一體化。

(2)面向控制。能有針對性地解決各種從簡單到復雜的各類控制任務，因而能獲得最佳的性能價格比。

(3)抗干擾能力強，適應溫度范圍寬，在各種惡劣的環(huán)境下都能可靠的工作。這是其它微機集中無法比擬的。

(4)可以方便的實現(xiàn)多機、分布式的集散控制，使整個控制系統(tǒng)的效率大大地提高。

(5)單片機應用產(chǎn)品的研制周期短，所開發(fā)出來的樣機就是以后批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，可以避免不必要的二次開發(fā)過程。

綜上所述，比較5種交通燈控制裝置的優(yōu)點與缺點，根據(jù)交通燈所工作的特殊環(huán)境，體積小巧、使用靈活、成本低，易于真正產(chǎn)品化面向控制抗干擾能力強，適應溫度范圍寬可以方便的實現(xiàn)多機、分布式的集散控制便等特點，現(xiàn)在擬采用單片機來控制交通燈。

本設計研究的是基于AT89C51單片機的交通燈智能控制系統(tǒng)。根據(jù)交通控制系統(tǒng)的設計原理，闡述了硬件和軟件方面開發(fā)的整個過程。主控系統(tǒng)采用AT89C51單片機作為控制器，控制通行倒計時及右拐、右拐、直行，占用端口少，耗電也最小。系統(tǒng)電源采用獨立的+5V穩(wěn)壓電源，有各種成熟電路可供選用，使此方案可靠穩(wěn)定。該設計可直接在I/O口上接按鍵開關，精簡并優(yōu)化了電路。結(jié)合實際情況，顯示界面采用LED提示和數(shù)碼管計時的方法，滿足了倒計時的時間顯示輸出和狀態(tài)燈提示信息輸出的要求，減少系統(tǒng)的復雜度。

開機上電便處于正常運行狀態(tài)，東西方向通行40秒后變?yōu)槟媳狈较蛲ㄐ?0秒，如此70秒循環(huán)一次，使得東西方向和南北方向交替通行。

顯示系統(tǒng)則顯示到下一次改變通行方向所剩的時間，利于司機調(diào)整車輛狀況。每到通行方向轉(zhuǎn)換時，正在通行的方向綠燈熄滅，變?yōu)辄S燈閃爍，提醒司機注意通行方向的改變，避免不必要的危險。

延時方法可以有兩種，一種是利用MCS-51內(nèi)部定時器才生溢出中斷來確定1秒的時間，另一種是采用軟延時的方法。本程序的倒計時采用軟件延時。

3.系統(tǒng)硬件設計

    根據(jù)上面的功能要求，硬件系統(tǒng)主要有單片機模塊、指示燈模塊和倒計時顯示模塊。各模塊選擇如下

主控芯片采用AT89C51單片機，其管腳圖下圖所示。

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圖3.1  AT89C51引腳圖

AT89C51是AT89C5X系列單片機的典型產(chǎn)品，它采用ATMEL的高密非易失存儲技術制造并和工業(yè)標準MCS—51指令集和引腳結(jié)構(gòu)兼容。通過在單塊芯片上組合通用的CPL1和快閃存儲器，ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C52是一強勁的微型計算機，它對許多嵌入式控制的應用，提供了一種高度靈活和成本低的解決辦法。芯片AT89C52是ATMEL公司生產(chǎn)的帶2K字節(jié)快閃存儲器的8位單片機。它具有如下的一些特性：

（1）指令和89C51產(chǎn)品兼容

（2）內(nèi)含2K字節(jié)可重復編程快閃存儲器

（3）耐久性1,000寫/擦除周期   

（4）2.7V~6V的工作電壓范圍

（5）全靜態(tài)操作0Hz~24MHz      

（6）二級程序存儲器加鎖

（7）內(nèi)含128*8位內(nèi)部RAM     

（8）15根可編程I/0引線

（9）2個16位的計數(shù)器/定時器   

（10）6個中斷源

（11）帶有可編程串行通訊口      

（12）可直接驅(qū)動LED輸出

（13）片內(nèi)模擬電壓比較器        

（14）低功耗空載和掉電方式

   另外,該單片機還具有體積小,價格低等特點。AT89C51單片機包含中央處理器、程序存儲器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、定時/計數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線。

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圖3.2  系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

中央處理器(CPU)是整個單片機的核心部件，是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理8位二進制數(shù)據(jù)或代碼，CPU負責控制、指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。

AT89C51內(nèi)部有128個8位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和128個專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的RAM只有128個，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表。  

AT89C51共有4096個8位掩膜ROM，用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格。 AT89C51有兩個16位的可編程定時/計數(shù)器，以實現(xiàn)定時或計數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制程序轉(zhuǎn)向。

AT89C51共有4組8位I/O口(P0、P1、P2或P3)，用于對外部數(shù)據(jù)的傳輸。 AT89C51內(nèi)置一個全雙工串行通信口，用于與其它設備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當同步移位器使用。

AT89C51具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時/計數(shù)器中斷和一個串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級的優(yōu)先級別選擇。

AT89C51內(nèi)置最高頻率達12MHz的時鐘電路，用于產(chǎn)生整個單片機運行的脈沖時序，但AT89C51單片機需外置振蕩電容。

本設計中，使單片機運行在最小系統(tǒng)。

時鐘電路由兩個20nF的微調(diào)電容和一個晶振組成。AT89C51內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，它的輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL2。這兩個引腳接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容，構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。本系統(tǒng)采用12Hz的振蕩器，機器周期為1us。復位操作有上電自動復位、按鍵電平復位和外部脈沖復位三種方式。本設計采用按鍵電平復位。按鍵電平復位是通過復位端經(jīng)電阻與電源接通實現(xiàn)，如下圖所示。

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圖3.3 AT89C51最小系統(tǒng)

   （1）指示燈模塊：

   設計電路中每個路口的控制信號燈應有三個，即紅燈、黃燈、綠燈各一個。因此，本電路的設計中應用到紅燈、黃燈、綠燈個四個。同一方向的兩個路口的同一顏色指示燈是同時亮滅，為簡化電路，可讓這兩個燈接同一引腳。這樣可用P1口控制所有的指示燈。

按照設計，指示燈采用紅/綠/黃三種發(fā)光二極管。該組件及其與單片機引腳的接法如下：

表3.1  引腳接口

   （2）倒計時模塊：

由于黃燈3秒閃爍時間不單另計時，四個路口的倒計時是同步的。兩位的倒計時采用兩個八位的七段數(shù)碼顯示管。

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圖3.4 倒計時顯示模塊

圖3.5 系統(tǒng)總體電路圖

4.系統(tǒng)軟件設計簡介

4.1 系統(tǒng)主程序流程

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圖4.1 系統(tǒng)主程序流程圖

開機上電便處于正常運行狀態(tài)，東西方向通行40秒后變?yōu)槟媳狈较蛲ㄐ?0秒，如此70秒循環(huán)一次，使得東西方向和南北方向交替通行。

顯示系統(tǒng)則顯示到下一次改變通行方向所剩的時間，利于司機調(diào)整車輛狀況。每到通行方向轉(zhuǎn)換時，正在通行的方向綠燈熄滅，變?yōu)辄S燈閃爍，提醒司機注意通行方向的改變，避免不必要的危險。

延時方法可以有兩種，一種是利用MCS-51內(nèi)部定時器才生溢出中斷來確定1秒的時間，另一種是采用軟延時的方法。本程序的倒計時采用軟件延時。     

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圖5.1 啟動頁面

    Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件，可完成從原理圖布圖、PCB設計、代碼調(diào)試到單片機與外圍電路的協(xié)同仿真，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設計，是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，其處理器模型支持8051、HC11、PIC、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。Proteus軟件主要具有以下特點：

（1）具有強大的原理圖繪制功能。

（2）實現(xiàn)了單片機仿真和SPICE電路仿真相結(jié)合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機及其外圍電路的系統(tǒng)仿真、RS232動態(tài)仿真、I2

C調(diào)試器、SPI調(diào)試器、鍵盤和LCD系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等。

（3）支持主流單片機系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機類型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各種外圍芯片。

（4）提供軟件調(diào)試功能。具有全速、單步、設置斷點等調(diào)試功能，同時可以觀察各變量以及寄存器等的當前狀態(tài)，并支持第三方編譯和調(diào)試環(huán)境，如wave6000、Keil等軟件。file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image015.jpg

圖5.2 軟件預覽頁面5.2  交通控制系統(tǒng)Proteus仿真

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圖5.2 交通控制系統(tǒng)運行（南北通行）

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圖5.3 交通控制系統(tǒng)運行（南北等待）

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圖5.4 交通控制系統(tǒng)運行（東西通行）

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圖5.5 交通控制系統(tǒng)運行（東西等待）

    隨著科學技術發(fā)展的日新日異，單片機已經(jīng)成為當今計算機應用中空前活躍的領域，在生活中可以說得是無處不在，因此作為二十一世紀的大學來說掌握單片機的開發(fā)技術是十分重要的。單片機作為我們的主要專業(yè)課之一，雖然在開始學習時我對這門課并沒有什么興趣，覺得那些程序指令枯燥乏味，但在這次課程設計后我發(fā)現(xiàn)自己在一點一滴的努力中對單片機的興趣也在逐漸增加。

    在設計中，我對單片機系統(tǒng)有了一個更深刻的認識。通過此次課程設計，熟練掌握了匯編語言的編程方法，進一步熟悉了外部中斷的使用方法。在參與硬件設計的同時，我學到了如何通過使用仿真軟件Proteus，深化了對軟硬件聯(lián)合調(diào)試的意義的理解。

    作為一名自動化專業(yè)的學生，單片機的課程設計是很有意義的，在這個過程中可以學會如何把自己平時所學的東西應用到實際中。雖然我對這門課懂的并不多，很多基礎的東西都還沒有很好的掌握，覺得有點難，但是靠著這兩個多星期的學習突擊，自己開始主動學習并逐步從基礎慢慢開始弄懂它。我認為這個收獲應該說是相當大的。我覺得課程設計反映的是一個從理論到實際應用的過程，這個過程對缺乏實際經(jīng)驗的我們是非常重要的。通過這次單片機課程設計使我認識到自身知識及能力的薄弱，更讓我知道實踐的重要性。在以后的學習過程中，我會更加努力學習單片機的相關知識和應用，真正能夠運用單片機組成的微控制系統(tǒng)解決各種實際的問題。

[1]李群芳.《單片機原理及接口技術》.北京：電子工業(yè)出版社，2008