基于51单片机的交通信号灯控制系统设计.doc

1、 毕业综合实践报告 题目：基于单片机信号灯控制系统设计 姓 名 张文轩 学 号 2013191294096 学 院 应用科技学院 专 业 电子信息工程 指 导 教 师 钮文良 企业指导教师 协助指导教师 2016 年 04 月 25 日 摘 要 近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断深入，同时带动传统控制检测技术日益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统 中，单片机往往作为核心器件来使用。十字路口车辆穿梭，行人熙攘，车行车道，人行人道，有条不紊。交通信号灯控制方式很多，本系统采用 MSC-51 系列单片机 AT9S51 和可编程并行 I/O 接口芯片 89S51 位中心器件来设计交

2、通灯控制器，实现了能根据实际车流量通过 89S51 的 P1 口设置红绿灯点亮时间的功能，红绿灯循环点亮，倒计时剩 5 秒时黄灯闪烁警告，本系统实用性强，操作简单，扩展功能强。 交通的亮灭规则为：初始状态南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮，延迟 50s 后，东西方向黄灯亮。延迟 10s 后，南北方向绿灯亮，同时东西方向红灯亮，延迟 40s 后，南北黄灯亮，延迟 10s 后，南北方向红灯亮，东西方向黄灯亮，重复上述过程。 关键词 :交通灯 AT89S51 单片机 目 录 摘要 . 错误 !未定义书签。 第章 绪论 .错误 !未定义书签。 1.1 课题背景 .错误 !未定义书签。 1.2 国内外研究现

3、状 .错误 !未定义书签。 1.3 课题研究的内容及拟采取的方法 .错误 !未定义书签。 第章 单片机概述 .错误 !未定义书签。 第章 芯片简介 .错误 !未定义书签。 3.1 AT89C51 芯片简介 .错误 !未定义书签。 3.2 74HC244 芯片简介 .错误 !未定义书签。 3.3 LED 晶体管分析 .错误 !未定义书签。 第章 设计思路 .错误 !未定义书签。 第章 交通信号灯硬件设计 .错误 !未定义书签。 5.1 焊接技术 .错误 !未定义书签。 5.1.1 导线的焊接 .错误 !未定义书签。 5.1.2 印制电路板的焊接 .错误 !未定义书签。 5.2 系统调试 .错误

4、!未定义书签。 结 论 .错误 !未定义书签。 参考文献 .错误 !未定义书签。 致 谢 .错误 !未定义书签。 1 绪 论 近年来随着科技的飞速 发展，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，加以完善。 交通信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。随着中国加入 WTO，我们不但要在经济、文化等各方面与国际接轨，在交通控制方面也应与国际接轨。如果交通控 不

5、好道路还是无法保障畅通安全。作为交通控制的重要组成部份单片机。因此 ，本人选择制作交通灯作为课题加以研究。 我国大中城市交通系统压力沉重。交通管制当以人性化、智能化为目的，做出相应的改善。以此为出发点，本系统采用的单片机控制的交通信号灯。该系统分为单片机主控电路、键盘控制电路和显示电路三部分组成。并在软硬件方面采取一些改进措施，实现了根据十字路口车流量、进行对交通信号灯的智能控制，使交通信号灯现场控制灵活、有效从一定程度上解决了交通路口堵塞车辆停车等待时间不合理等问题。系统具有结构简单、可靠性高、成本低、实时性好、安装维护方便等优点，有广阔的应用前景。1.1 交通灯的研 究背景 随着城市经济的

6、高速发展，机动化交通在城市交通中所占的比例不断增加。但以机动车交通为主体的交通发展方式也给城市带来了诸多问题。道路上汽车数量的增加，使得尾气污染、交通拥堵、交通事故等愈加严重，同时也降低了城市居民的出行安全保障（夏天， 2010）。城镇道路建设由于历史等原因的相对滞后，人们也越来越受到交通拥堵、交通事故频发等问题所带来的困扰，特别是街道的各十字路口，更成为交通网中通行能力的隘口和交通事故的多发源（覃娴， 2012）。 交通安全问题不仅仅是交通领域的问题，它的严重程度已经成为社会问题。根据联合国和世界卫生组织的有关报告，人们每天所而对的各种问题中，道路交通伤害是最复杂也是最危险的。据估计，全世界

7、每年约有 120 万人死于道路交通事故，受伤者多达 5000万人。如果不采取强有力的预防措施，今后 20 年中道路交通事故致死和受伤人数将增加 65%左右。交通安全已经成为一个波及社会各个部门的全球性问题。 世界卫生组织的报告指出，全世界每天有 3000 多人死于道路交通伤害。因道路交通伤害引起的 85%的死亡以及 90%的伤残调整寿命年发生在中、低收入国家。研究表明，2000 到 2020 年，道路交通事故死亡人数在高收入国家 将下降 30%左右，而在中、低收入国家则会大幅度增加，如果不采取适当措施，到 2020 年，道路交通伤害预计将成为全球疾病与伤害负担的重要原因（王笑京， 2008）。

8、 交通问题是世界各国面临的共同问题。交通拥挤造成了巨大的时间浪费，加大了环境污染。我国大多数城市的平均行车速度已降至 20km/h 以下，有些路段甚至只有7-8km/h;由于车辆速度过慢，尾气排放增加，使得城市的空气质量进一步恶化。 交通问题造成了巨大的经济损失，据研究报道，美国每年因交通阻塞造成的经济损失约 410 亿美元，日木东京每年因交通拥挤造成的时间损 失相当于 1000 多亿美元。为了缓解经济发展带来的交通运输方面的压力，尽量的利用现有的资源，使其发挥最大的作用，各国都加大了对智能交通系统的研究和建设的力度（梁琳， 2008）。 1.2 国内外科研现状 智能交通系统的研究和推进在我国

9、还处于起步阶段，但 ITS 作为跨世纪经济增长点和交通系统建设必然选择的重要性已得到国家相关部门的高度重视。 1998 年 1月交通部正式批复成立交通智能运输系统工程研究中心 (ITSC)。为加强该中心在交通智能交通系统的开发及试验能力，投资 1400 万元建设交通智能运输系统中心试验室，将为今 后国家制定道路交通运输的发展和政策提供科学依据，现已完成了“交通智能运输系统发展战略研究”。 1998 年 2 月，在国家科委的领导下，交通智能交通系统工程研究中心还与欧盟合作成立了中欧 ITS 信息服务中心 (STICNISC/ITS)，并于同年 7 月正式向国际社会提供基于 Internet 的信

10、息咨询和技术服务。 1.3 智能交通在东亚地区的发展情况 韩国的智能交通系统示范工程选在光州市，该工程预计耗资 100 亿韩元 (1250 万美元 )，选取了交通感应信号系统、公交车乘客信息系统、动态线路引导系统、自动化管理系统、即时播报系统 、电子收费系统、停车预报系统、运行中测重系统、智能交通系统中心建立 9 项内容进行开发和检测智能交通系统技术和效益，并以此验证智能交通在韩国的适用性。香港早在 1977 年就在九龙设置了一套电脑化区域交通控制系统，现在全港约有 320 组交通灯由电脑控制，有利于车辆尽快通过交叉口的时间。公路上所有车辆都配有无线对讲机，随时向公司报告行车情况并接受公司的行

11、车指示。 2 单片机概述 单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（ Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写 MCU 表示单片机，它最早是被 用在工业控制领域。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，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。 INTEL 的 Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，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。其中最成功的是 INTEL 的 8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。

12、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使用。随着工业控制 领域要求的提高，开始出现了 16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代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系列特别是后来的 ARM系列的广泛应用， 32位单片机迅速取代 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，处理能力比起 80年代提高了数百倍。目前，高端的 32位单片机主频已经超过 300MHz，性能直追 90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至 1 美

13、元，最高端的型号也只有 10美元。当代单片机系统已经不再只在 裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用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直接使用专用的 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，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， 复杂的工业控制系

14、统上甚至可能有数百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，甚至比人类的数量还要多。 单片机又称单片微控制器 ,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、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。 单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如 CPU，内存，并行总线 ，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低

15、的，一般不超过 10 元即可 ,用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、 VCD等等的家电里面都可以看到它的身影！它主要是作为控制部分的核心部件。 它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用 PC）的主要区别。 单片机是靠程序运行的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独 特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国 50 年代开发的 74系列，或者 60年代的 CD4000 系列这

16、些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大 PCB板！但是如果要是用美国 70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！ 由于单片机对成本是敏感的，所以目前占统治地位的软件还是最低级汇编语言，它是除了二进制机器码以上最低级的语言了，单片机没有家用计算机那样的CPU，也没有 像硬盘那样的海量存储设备。一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮，也会达到几十 K的尺寸！对于家用 PC的硬盘来讲没什么，可是对于单片机来讲是不能接受的。 单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行，所以汇编虽然原始却还是在大量使用。一样的道理，

17、如果把巨型计算机上的操作系统和应用软件拿到家用 PC 上来运行，家用 PC 的也是承受不了的。 可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称 PC机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一 类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时

18、工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词 “智能型”，如智能型洗衣机等。现在有些工厂的技术人员或其 它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。 第三章 芯片简介 3.1 AT89C51 芯片简介 1、 主要元器件介绍 单片机主控电路的主要元件是 AT89C51， AT89C51 是一个低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 4k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器（ PEROM）和 128 bytes 的随机

19、存取数据存储器（ RAM），器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存储技能生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元，内置功能强大的微型计算机的 AT89C51 提供了高性价比的处理方案。 AT89C51 是一个低功耗高性能单片机， 40 个引脚， 32个外部双向输入 /输出（ I/O）端口，同时内含 2 个外中断口， 2 个 16 位可编程定时计数器 ,2 个全双工串行通信口，AT89C51 可以按照常规要领执行 编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和 Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash 存储器可有效地降低开发

20、成本。 2、管脚说明： VCC：供电电压。 GND：接地。 P0 口： P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门流。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 执行 校验时， P0 输出原码，此时 P0外部必须被拉高。 P1 口： P1 口是一个内部提供上拉电阻的 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时，将输出

21、电流，这是由于内部上拉 的缘故。在 FLASH 编程和校验时， P1 口作为第八位地址接收。 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缘故。 P2口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器执行 存取时， P2 口输出地址的高八位。在给出地址 “1” 时，它运用 内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器执行 读写时， P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。 P2 口 在

22、FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3 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（ ILL）这是由于上拉的缘故。 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断 0） P3.3 /INT1（外部中断 1） P3.4 T0（记时器 0外部输入） P3.5 T1（记时器 1外部

23、输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 ST：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时间。 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。在平时， 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。然而要留心的是：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 SFR8EH 地址上置 0。此时， ALE 只有在执行 MOVX， MOVC 指令是 ALE