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1、1 综述1.1 课题背景1.1.1 概述随着社会的发展、科技的进步以及人们生活水平的逐步提高，各种方便于生活的自动控制系统开始进入了人们的生活，以单片机为核心的各种系统也越来越多。同时也标志了自动控制领域成为了数字化时代的一员。它实用性强，功能齐全，技术先进，使人们相信这是科技进步的成果。它更让人类懂得，数字时代的发展将改变人类的生活，将加快科学技术的发展。微控技术的日益完善和发展，单片机的应用在不断走向深入，使它的应用比定导致传统的控制技术从根本上发生变革。也就是说单片机应用的出现是对传统控制技术的革命。它在工业控制、数据采集、智能化仪表、机电一体化、家用电器等领路得到了广泛应用，极大的提高
2、了这些领域的技术水平和自动化控制。因此单片机的开发应用已成为高技术工程领域的一项重大课题。因此了解单片机知识，掌握单片机的应用技术具有重大的意义。国民经济的迅速发展，城市街道车辆大幅度增长，给城市交通带来巨大压力，交通拥堵已经成为影响城市可持续发展的一个全局性问题。而街道各十字路口，又是车辆通行的瓶颈所在。已有的许多建立在精确模型基础上的交通系统控制方案都存在着一定的局限性。研究车辆通行规律，找出提高十字路口车辆通行效率的有效方法，对缓解交通阻塞，提高畅通率具有十分现实的意义。1.1.2 历史最早的交通灯出现于一八六八年英国伦敦。那时的交通灯只有红、绿两色，经改良后，再增加一盏黄色的灯，红灯表
3、示停止，黄灯表示准备，绿灯则表示通行。颜色也有各自要表达的含意，要表达热或剧烈的话，最强是红色，其次是黄色。绿色则有较冷及平静的含意。因此，人们常以红色代表危险，黄色代表警觉，绿色代表安全。由于红光的穿透力最强，其他颜色的光很容易被散射，在雾天里就不容易看见，而红光最不容易被散射，即使空气能见度比较低，也容易被看见，不会发生事故。所以我们用红色表示禁止。1868年12月10日，信号灯家族的第一个成员就在伦敦议会大厦的广场上诞生了，由当时英国机械师德哈特设计、制造的灯柱高7米，身上挂着一盏红、绿两色的提灯-煤气交通信号灯，这是城市街道的第一盏信号灯。在灯的脚下，一名手持长杆的警察随心所欲地牵动皮
4、带转换提灯的颜色。后来在信号灯的中心装上煤气灯罩，它的前面有两块红、绿玻璃交替遮挡。不幸的是只面世23天的煤气灯突然爆炸自灭，使一位正在值勤的警察也因此断送了性命。从此，城市的交通信号灯被取缔了。直到1914年，在美国的克利夫兰市才率先恢复了红绿灯，不过，这时已是“电气信号灯”。稍后又在纽约和芝加哥等城市，相继重新出现了交通信号灯。 中国最早的马路红绿灯，是于1928年出现在上海的英租界。 从最早的手牵皮带到20世纪50年代的电气控制，从采用计算机控制到现代化的电子定时监控，交通信号灯在科学化、自动化上不断地更新、发展和完善。 1.1.3 现状交通灯是交管部分管理城市交通的重要工具。现在交通灯
5、一般设在十字路口，在醒目位置用红、绿、黄三种颜色的指示灯，加上一个倒计时的显示计时器来控制行车，对于一般情况下的安全行车、车辆分流发挥着作用。目前绝大部分交通灯其时间都是设定好的，采用的是单段式定时控制或多段式定时控制。交通灯系统多采用单片机或者各种门电路控制，甚至还存在人工控制交通灯，这些控制装置尽管成本较低，但是可靠性能较差，而且电子装置容易受高频信号的干扰，致使控制出现错乱，影响正常的交通次序。改用PLC控制，则可大大改善以上提到的问题，是其在定时的准确性和可靠性大大提高。1.1.4 发展趋势 面向21世纪的智能化汽车的交通运输系统应使车、路高度智能化，使人、车、路三者合一，逐步实现汽车
6、在公路上自动安全地运行。为解决交通堵塞，交通事故的国际难题而发展起来的智能交通系统，是将先进的信息技术，数据通讯和传输技术、电子自动控制技术及计算机处理技术等有效地用于整个地面运输管理体系，全方位发挥作用的实时、准确、高效的公路综合管理系统。智能交通系统是指人们将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子控制技术、传感器技术以及计算机处理技术等有效地综合运用于整个运输体系中，从而建立起的一种在大范围内、全方位发挥作用的实时、准确、高效的运输综合管理系统。实施智能交通系统工程不仅能够提高交通的效益与效率，增强交通安全性，而且有利于合理利用土地与能源，甚至对于国民经济的持续发展与社会经济效益的全面提高
7、都是至关重要的。而且还应拥有自动调整亮灯时间长短的功能。譬如说，它能自动感应该地区的交通情况，计算车流量大小，假如塞车或车辆情况不同时该交通灯能自行控制红、黄与绿等的亮灯时间长短。未来的交通灯会是一种全新的交通灯，激光等离子形成的屏障对行人和汽车均无伤害，但这种效果足以让司机朋友们不再跃跃欲试。1.2 课题提出随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。随着城市机动车量的不断增加，许多
8、大城市出现了交通超负荷运行的情况，因此，有些城市纷纷修建城市高速道路。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。所以，如何采用合适的控制方法，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。本人根据单片机具有物美价廉、功能强、使用方便灵活、可靠性高等特点，提出了一种用MCS-51单片机自动控制交通信号灯及时间显示的方法，同时给出了软硬件的实现方法，为交通指挥自动化提供了一种新的廉价手段，具有一定的推广意义。主要具有以下几种功能：前行，停止，左右拐，紧急通车，闯红灯报警等。1.3 开发工具
9、和开发环境本文件系统采用汇编语言实现，编译器为Keil uVision2。汇编语言是面向机器的程序设计语言。汇编语言是一种功能很强的程序设计语言,也是利用计算机所有硬件特性并能直接控制硬件的语言。汇编语言比机器语言易于读写、调试和修改，同时具有机器语言全部优点。但是采用汇编语言编程必须对单片机内部结构和外围电路非常了解，尤其是对指令系统必须非常熟悉，故对程序开发者要求比较高。开发环境为windows操作系统 1.4 软硬件结构本系统软件编程有汇编语言完成，采用定时器延时一秒的方法，是数码管显示数据减一，采用调用子程序方法显示交通灯燃亮情况。硬件部分是自己焊电路板，实现课题所要求的功能。2 需求
10、分析 2.1 系统开发目的 专业课的学习不仅仅是要学习理论知识，还要有了解本专业的科技前沿知识，专业知识在日常生活中的应用，理论联系实际，应用本专业的一般理论去进行创新等等，而课程设计正是起到桥梁的作用，它不仅仅是对理论的理解，更是对理论的应用和创新。交通事业蓬勃发展，交通流量年年增长，大、中、小城市的汽车、摩托车等各种车辆与日俱增，道路交通繁忙，经常有严重堵车现象，特别是在交叉口，机动车、非机动车、行人来往非常混乱，所以本系统主要目的是为了在叉口的各条干道实现合理的科学分流。随着我国国民经济的迅速发展，城市街道车辆大幅度增长，给城市交通带来巨大压力，交通拥堵已经成为影响城市可持续发展的一个全
11、局性问题。而街道各十字路口，又是车辆通行的瓶颈所在。研究车辆通行情况，找出提高十字路口车辆通行效率的有效方法，保证交通安全的前提下最大限度地提高了交通效率，对缓解交通阻塞，提高畅通率具有十分现实的意义。本设计分析了现代城市交通控制的现状，结合实验阐述了交通灯控制系统的工作原理，设计出一种简单实用的城市交通灯控制系统的硬件电路设计方案。2.2 系统功能要求 本系统的主要功能是控制车辆运行，包括车辆前行，停止，左右转，紧急情况通车和闯红灯时报警。整个过程可分为四个阶段第一阶段，车辆南北通行，东西停止，此时行人可通过东西路；第二阶段，南北、东西禁止，南北车辆向左拐，行人禁止通行；第三阶段，南北停止，
12、东西通行，此时行人可通过南北路；第四阶段，南北、东西停止，东西车辆左拐，行人禁止通行在整个过程中当有绿灯变红灯时中间有三秒黄灯显示。发生闯红灯事件时报警。2.3 系统设计要求 本课题采用建立实物模型完成，清晰直观地表达系统所具有的功能，使用数码管显示时间到计时，提醒行人指示灯的燃亮时间，红黄绿三色指示灯更替燃亮控制车辆运行。使用按钮按键来模拟外部中断信号，紧急通车时十字路口四方向全部亮红灯，以使重要车先通过，有车辆闯红灯时，发出声音报警，每个模块之间相互独立，有紧密连接。3 系统总体设计3.1 系统硬件设计根据具体的功能，该控制器分为以下几个功能模块：数码管显示模块，声音报警模块，指示灯显示模
13、块，数码显示模块，常用功能模块等。通过各模块的控制和调用可以实现交通灯控制器的基本功能。各模块之间结构图如图3-1。单片机STC98C52串行口计算机按钮开关数码管指示灯扬声器 图3-1 系统组成结构框图 3.1.1 单片机概述单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。 通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和I/O接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。 单片机经过1、2、3、3代的发展，目前单片机正朝着高性
14、能和多品种方向发展，它们的CPU功能在增强，内部资源在增多，引角的多功能化，以及低电压底功耗。3.1.2 MCS-51芯片8051是MCS-51系列单片机的典型产品，我们以这一代表性的机型进行系统的讲解。8051单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明：中央处理器：中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。数据存储器(R
15、AM)：8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。 程序存储器(ROM)：8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。定时/计数器(ROM)：8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。并行输入输出(I/O)口：8051共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。全双工串行口：8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。中断系统： 8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。时钟电路：8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。MCS-51系列单片机中的8031、8051及8
