【正文】 鹽城師范學(xué)院畢業(yè) 論文（ 設(shè)計(jì) ） 第 1 頁 共 41 頁 基于 AT89C51 單片機(jī)的交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 電子信息工程 蘇 麗 指 導(dǎo) 教 師 周加超 摘 要： 本 文研究的 是 以 AT89C51 單片機(jī)為控制器的智能 交通燈 控制系統(tǒng)， 該 系統(tǒng) 通過 紅外接收器 接收信號(hào)實(shí)現(xiàn)特種車輛（ 11 120 等）自動(dòng)放行；通過 車輛檢測 電路 采集 路 況信號(hào)， 經(jīng) 單片機(jī)處理后， 分配各車道的綠燈時(shí)間，實(shí)現(xiàn)車流動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，并 由74HC244 驅(qū)動(dòng) LED 數(shù)碼管顯示通行倒計(jì)時(shí) ； 左拐、右拐、直行及行人的通行指示燈 采用雙色高亮度發(fā)光二極管 ，設(shè)計(jì)中還添加了聲音提示 電路，方便盲人過人行道。本設(shè)計(jì)是以軟件和硬件 相結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn) ， 文中給出了具體的硬件電路圖和軟件流程圖 及程序源碼 。 關(guān) 鍵 詞 ： 智能 交通燈 ， AT89C51， 車輛 檢測 ， 74HC244， LED 1 引言 在人類的生活、工作環(huán)境中，交通扮演著極其重要的角色，人們無時(shí)無刻不與交通打交道。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和人口的快速增加，人們對(duì)各種交通車輛的需求更是越來越大，交通工具的迅猛發(fā)展以及道路資源的局限性，給城市交通帶來巨大的壓力，交通擁堵問題已成為影響現(xiàn)代城市可持續(xù)發(fā)展的重要因素。要保證高效安全的交通秩序，除了制定一系列的交通規(guī)則，還必須通過一定 的技術(shù)手段加以實(shí)現(xiàn)。 作為車輛通行瓶頸所在的十字路口，通過研究其車輛通行規(guī)律，找出提高其車輛通行效率，對(duì)緩解交通擁堵，提高道路暢通率具有十分現(xiàn)實(shí)的意義 [1]。國內(nèi)的在十字路口的交通燈，一般用紅 、綠 、黃三種顏色的指示燈和一個(gè)倒計(jì)時(shí)的顯示計(jì)時(shí)器來控制行車。且絕大多數(shù)交通燈的時(shí)間都是設(shè)定好的。 現(xiàn)在十字路口的交通燈存在著兩車道的車輛輪流放行時(shí)間相同且固定，一般主干道車輛較多，放行時(shí)間長些；副干道車輛較少 ，放行時(shí)間短些的問題，甚至可能出現(xiàn)一鹽城師范學(xué)院畢業(yè) 論文（ 設(shè)計(jì) ） 第 2 頁 共 41 頁 條車道上排著很長的車隊(duì)，而另一條車道上沒有車輛的情況；再者沒有考慮到當(dāng) 有緊急車輛（如 11 120）通過時(shí)，兩車道應(yīng)自動(dòng)轉(zhuǎn)為特種車輛放行，其他車輛禁止通行的狀態(tài)；還有欠缺對(duì)盲人這個(gè)特殊群體穿過道口時(shí)所遇困難的考慮 [2]。傳統(tǒng)的交通燈控制系統(tǒng)存在的這些缺點(diǎn)，說明傳統(tǒng)的交通燈控制系統(tǒng)已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)前城市交通發(fā)展的要求，不能最高效地利用城市的交通道路資源。 城市交通控制系統(tǒng)是一個(gè)綜合度高而又復(fù)雜的問題，關(guān)系到政策、機(jī)構(gòu)、體制、管理、成本、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和投資各方面問題。道路交通控制系統(tǒng)在近百年的發(fā)展中，經(jīng)歷了從手動(dòng)到自動(dòng)、從無感應(yīng)控制到有感應(yīng)控制、從固定配時(shí)到靈活配時(shí)、從單點(diǎn)控制到干 線控制、從區(qū)域控制到網(wǎng)絡(luò)控制的長遠(yuǎn)發(fā)展歷程。我國的交通是從新中國成立之后才開始發(fā)展的，起步較晚，但隨著我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)高速發(fā)展對(duì)交通的需求急劇增加，對(duì)原有交通控制系統(tǒng)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。城市交通發(fā)展的規(guī)劃應(yīng)在廣泛借鑒和吸取國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上， 結(jié)合我國城市交通運(yùn)輸?shù)默F(xiàn)狀和存在的問題， 建立并健全適合我國交通的城市交通控制系統(tǒng)。 近年來，國家雖然不斷加大城市道路建設(shè)的力度，但仍趕不上城市機(jī)動(dòng)車的增長速度，我國城市仍普遍存在道路面積偏低的問題，這也是制約著我國大城市發(fā)展的一個(gè)重要原因。隨著交通需求越來越旺盛，車多、路 多了，但運(yùn)營成了瓶頸，運(yùn)輸效率逐步下降。我國與發(fā)達(dá)國家在車輛、道路、交通管理系統(tǒng)、人工智能技術(shù)在交通管制中的應(yīng)用、信息采集和提取等方面存在著很大的差距。由于交通控制系統(tǒng)不健全等原因，我國交通道口的交通事故率居高不下，且隨著城市交通運(yùn)量逐年的增長，城市車流行駛速度逐年下降，這些都是由于交通通行不佳。 針對(duì)整個(gè)交通控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r，本設(shè)計(jì)根據(jù)道路交通擁擠，十字路口經(jīng)常出現(xiàn)擁堵的情況，運(yùn)用智能、集成，且功能強(qiáng)大的單片機(jī)芯片為控制核心，設(shè)計(jì)出了十字路口智能交通燈控制系統(tǒng)，以改善十字路口實(shí)時(shí)通行狀況。 本設(shè)計(jì)與傳統(tǒng) 交通燈比較，有以下幾點(diǎn)改進(jìn)措施： 1）可根據(jù)十字路口的各道口車流量自動(dòng)調(diào)節(jié)通行時(shí)間； 2)擁有車流量檢測電路和特種車輛自動(dòng)通行控制模塊，設(shè)計(jì)緊急切換開關(guān)； 3）設(shè)置盲人提示音電路，考慮到社會(huì)弱勢群體通行問題； 4）進(jìn)行軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用匯編語言編寫，簡單、方便 [3]。 智能交通燈控制系統(tǒng)將有效地解決日趨嚴(yán)重的道路擁擠現(xiàn)象，緩解城市的交通壓力，減少交通事故發(fā)生率；減少了交通管理人員的大部分工作量，并為人們的出行節(jié)省了大量時(shí)間，創(chuàng)造出更多的社會(huì)價(jià)值，提高經(jīng)濟(jì)效益。 鹽城師范學(xué)院畢業(yè) 論文（ 設(shè)計(jì) ） 第 3 頁 共 41 頁 2 方案設(shè)計(jì)及論證 方案設(shè)計(jì)論證 交通燈控制方法簡介 目前，國內(nèi)的交通燈設(shè)計(jì)方案有很多，有應(yīng)用 PLC 對(duì)交通燈控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制的設(shè)計(jì)；有應(yīng)用 CPLD 實(shí)現(xiàn)對(duì)交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；有應(yīng)用單片機(jī)對(duì)交通燈控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制的設(shè)計(jì) [4]。交通燈一般設(shè)置在十字路口，用紅、綠兩種顏色的指示燈，并加上顯示倒計(jì)時(shí)的計(jì)時(shí)器來控制車輛通行。本設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn) AT89C51 單片機(jī)作為控制器，采用 3 位 LED 數(shù)碼管顯示通行倒計(jì)時(shí)；左拐、右拐、直行及行人的通行指示燈采用的是高亮發(fā)光二極管； LED 顯示采用動(dòng)態(tài)掃描，以節(jié)省端口數(shù)。特種車輛通行采用紅外線發(fā)射及接收識(shí)別方法實(shí)施 中斷完成，采用霍爾車輛檢測傳感器檢測電路完成車流量大小的檢測。由于 AT89C51 單片機(jī)自身帶有 2 個(gè)定時(shí) /計(jì)數(shù)器、 5 個(gè)中斷源，端口剛好滿足要求。該系統(tǒng)具有電路簡單，設(shè)計(jì)方便，顯示亮度高，耗電少，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。 交通燈控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)研究的是基于 AT89C51 單片機(jī)的交通燈智能控制系統(tǒng)。根據(jù)交通控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，闡述了硬件和軟件方面開發(fā)的整個(gè)過程。主控系統(tǒng)采用 AT89C51 單片機(jī)作為控制器，控制通行倒計(jì)時(shí)及右拐、右拐、直行、行人的通行，占用端口少，耗電也最小。系統(tǒng)電源采用獨(dú)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 [5]。該設(shè)計(jì)可直接在 I/O 口上接按鍵開關(guān)，精簡并優(yōu)化了電路。結(jié)合實(shí)際情況，顯示界面采用點(diǎn)陣 LED 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描的方法，滿足了倒計(jì)時(shí)的時(shí)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(fù)雜度。 交通燈控制系統(tǒng)硬件框圖 該 交通燈控制系統(tǒng)有以下幾個(gè)部分組成：車輛 檢測、緊急控制、單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)和顯示電路 [6]。如圖 所示： 鹽城師范學(xué)院畢業(yè) 論文（ 設(shè)計(jì) ） 第 4 頁 共 41 頁 圖 系統(tǒng)硬件組成總框圖 交通燈控制系統(tǒng)工作原理 本系統(tǒng)運(yùn)用單片機(jī)對(duì)交通燈控制系統(tǒng)實(shí)施控制，通過直接控制信號(hào)燈的狀態(tài)變化，指揮交通的具體運(yùn)行，運(yùn)用了 LED 數(shù)碼管顯示倒計(jì)時(shí)以提醒行駛者，更添加了盲人提示音電路，方便視力障礙群體通行，更具人性化。在此基礎(chǔ)上，加入了特種車輛自動(dòng)通行控制模塊和車流量檢測電路為系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，經(jīng)單片機(jī)進(jìn)行具體處理，及時(shí)調(diào)整通行方向。 由此，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)以單片 機(jī)為控制核心，構(gòu)成最小系統(tǒng)，根據(jù)特種車輛自動(dòng)通行控制模塊、車輛 檢測模塊和按鍵設(shè)置模塊等產(chǎn)生輸入，由信號(hào)燈狀態(tài)模塊， LED 倒計(jì)時(shí)模塊和盲人提示音模塊 輸出 [7]。 系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)， LED 數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)倒計(jì)時(shí)，執(zhí)行交通燈狀態(tài)顯示控制，在此過程中若有控制信號(hào)和實(shí)時(shí)車流量檢測信號(hào)，可對(duì)異常狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，隨時(shí)調(diào)用中斷，達(dá)到修正通行時(shí)間滿足不同時(shí)間不同路況的需求。 3 交通燈控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件組成及原理圖 根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的具體功能，經(jīng)過比較，我選用 AT89C51 單片機(jī)及外圍器件構(gòu)成最小控制系統(tǒng)， 4 組雙色燈構(gòu)成信號(hào)燈指示模 塊，東西南北方向分別構(gòu)成倒計(jì)時(shí)顯示模塊，CCD 采集車輛數(shù)量 數(shù)據(jù)， 紅外線接收器接收中斷信號(hào)，使實(shí)時(shí)中斷來響應(yīng)特種車輛的通行要求， 接 LED 顯示器 [8]。硬件原理圖如圖 所示： P1 P2 AT89C51 P0 RST P3 南北通行燈 東西通行燈 LED 驅(qū)動(dòng)器 3 位 LED 顯示器 特種車輛自動(dòng)通行控制模塊 車輛檢測電路 上電復(fù)位 自動(dòng) /手動(dòng)鍵盤 鹽城師范學(xué)院畢業(yè) 論文（ 設(shè)計(jì) ） 第 5 頁 共 41 頁 圖 硬件電路原理圖 單片機(jī) AT89C51 AT89C51 是一種高效微控制器，它是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含 4Kbytes 的可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器 (FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory) 和 1288 位 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (RAM)，該器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生 產(chǎn)，它與 MCS51 系統(tǒng)產(chǎn)品兼容，AT89C51 單片機(jī)功能強(qiáng)大，具有 8Kb 中央處理器（ CPU）和 4KbFlash 程序存儲(chǔ)器，性價(jià)比高，可應(yīng)用于很多要求高性價(jià)比的場合，靈活地應(yīng)用于各個(gè)控制領(lǐng)域 [9]。 AT89C51 的 主要性能 內(nèi)含 4Kb 可重編程的 FPEROM； 與 MCS51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容； 1288 位的內(nèi)部 RAM； 4 個(gè) 8 位 (32 根 )雙向可位尋址的 I/O 端口； 2 個(gè) 16 位的計(jì)數(shù) /定時(shí)器； 全雙工方式的串行通道 (UART)； 6 個(gè)中斷源； 5 個(gè)向量二級(jí)中斷結(jié)構(gòu)； 最高時(shí)鐘振蕩頻率可 達(dá) 12MHz； 指令集中 64 條為單周期指令，支持 6 種尋址方式，共 111 條指令； 低功耗空閑和掉電方式； 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。 AT89C51 的引腳功能 AT89C51 為雙列直插（ DIP）式封裝的 51 單片機(jī)芯片，有 40 條引腳，其引腳示意及功能分類如圖 所示。 單片機(jī)控制系統(tǒng)模塊 CCD 時(shí)間顯示模塊 特殊車輛轉(zhuǎn) 換模塊 二值化電路 驅(qū)動(dòng)電路 鹽城師范學(xué)院畢業(yè) 論文（ 設(shè)計(jì) ） 第 6 頁 共 41 頁 圖 89C51 單片機(jī)引腳圖 各引腳功能說明如下： （ 1）主電源引腳 Vcc（ 40 腳）：接 +5（ 1177。20﹪ ） V 電源正端； Vss（ 20 腳）：接地。 （ 2） I/O 引腳 P0 口（ 39~32 腳）： ~ 統(tǒng)稱為 P0 口。 P0 口 是一組 8 位漏極開路型雙向 I/O 口 ,分時(shí)復(fù)用為低 8 位地址總線和雙向數(shù)據(jù)總線。作為輸出口用時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8 個(gè)邏輯門電路，對(duì)端口 P0 寫 “1”時(shí)，可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這組端口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址 （ 低 8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在FLASH 編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) Flash 進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0 口輸出原碼，此時(shí) P0 外部必須被拉高。 P1口（ 1~8腳）： ~ P1口，可作為準(zhǔn)雙向 I/O口使用。 P1是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O口， P1口緩 沖器能接收輸出 4TTL門電流。對(duì)端口寫 “1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。 P1口被外部下拉為低電平時(shí)，輸出電流，是因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。在 Flash編程和校驗(yàn)時(shí)， P1口作為第八位地址接收。 P2 口（ 21~28 腳）： ~ 統(tǒng)稱為 P2 口，一般作為準(zhǔn)雙向 I/O 使用。 P2 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。 P2 的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 邏輯門電路。當(dāng)對(duì) P2 端口寫 “1”時(shí)，內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使鹽城師范學(xué)院畢業(yè) 論文（ 設(shè)計(jì) ） 第 7 頁 共 41 頁 用時(shí)， 由于內(nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流 （ IIL） 。在接有片外存儲(chǔ)器或擴(kuò)展 I/O 口且尋址范圍超過 256B 時(shí)， P2 口用作高 8 位地址總線。 當(dāng)給出地址為 “1”時(shí)，它就利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀 /寫時(shí)，P2 口便輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)， P2 口接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P3 口（ 10~17 腳）： ~ 統(tǒng)稱為 P3 口。 P3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。 P3 口的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 邏輯門電路接收輸出電流。當(dāng) P3 口寫“1”時(shí)，通過內(nèi)部的上拉電阻上拉為高電平并作為輸入口。此時(shí)由于外部下拉為低電平，P3 口將輸出電流 （ IIL） 。除作為準(zhǔn)雙向 I/O 口使用外，還可以將每一位用于第二功能，而且 P3 口的每一條引腳均可獨(dú)立定義為第一功能的輸入輸出或第二功能。 P3 口第二功能祥見表 ： 表 P3 口第二功能表 口線 第二功能 信號(hào)名稱 RXD 串行數(shù)據(jù)接受 TXD 串行數(shù)據(jù)發(fā)送 I N T 0—————— 外中斷 0 申請(qǐng) I N T 1—————— 外中斷 1 申請(qǐng)