单片机控制交通灯论文--大学毕业设计论文.doc

青岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）
摘 要

交通控制系统是近现代社会随着物流、出行等交通发展产生的一套独特的公共管理系统。要保证高效安全的交通秩序，除了制定一系列的交通规则，还必须通过一定的科技手段加以实现。本文在对目前交通控制进行深入分析的基础上，运用检测传感、实时调整智能化控制的实现技术，将传感器监测、实时调整车辆通行时间的算法与单片机控制作用相结合，提出了基于单片机的交通控制系统设计方案。
8051单片机的交通灯控制系统由8051单片机、交通灯显示、LED倒计时、车流量检测及调整、违规检测、紧急处理、时间模式手动设置等模块组成。系统除基本交通灯功能外，还具有通行时间手动设置、可倒计时显示、急车强行通过、车流量检测及调整、交通异常状况判别及处理等相关功能。理论证明该系统能够简单、经济、有效地疏导交通，提高交通路口的通行能力。
本设计主要做了如下几方面的工作：一是确定系统交通控制的总体设计，包括，十字路口具体的通行禁行方案设计以及系统应拥有的各项功能，二是进行传感器的硬件电路、显示电路等的设计和基本功能要求。

关键词：交通控制；传感检测；AT89S51；倒计时显示

II
Abstract

Traffic control system is a modern society with logistics, travel etc of traffic development a unique set of public management system. To ensure the effective safety traffic, except for a series of traffic rules, still must through certain technological means to achieve. Based on analysis of traffic control, based on real-time detection sensor, adjust the implementation technology of intelligent control, real-time monitoring, sensor adjust vehicles time algorithm and single-chip microcomputer control function is proposed, which combines the traffic control system based on single chip design scheme.
The 8051 microcontroller control system consists of the traffic lights display, 8051 monolithic integrated circuits, and LED the countdown, traffic violation detection, emergency adjustment, manual mode, time as modules. In addition to the basic traffic function outside, still have time to manually set, can pass the countdown, car that forced through traffic, inspection and adjustment, transportation and processing abnormal discriminant functions. Theory shows that the system can simple, economic and effective relieves traffic, improve the crossroads capacity.
This design mainly do the following aspects: one is the work of the traffic control system design, including the crossroads, specific design and system should be restricted with each function, two is that the sensor, the hardware circuit design of the circuit and the basic function and requirement.

Key words：traffic control; sensing detection; AT89S51; displayand countdown

目 录

摘 要 I
Abstract II
1 绪论 1
1.1 单片机交通控制系统选题的现实意义 1
1.2 单片机交通控制系统选题的目的 1
1.3 单片机交通控制系统主要研究的内容 1
1.4 交通控制存在的问题 2
2 单片机交通控制系统总体设计 3
2.1 单片机交通控制系统的通行方案设计 3
2.2 单片机交通控制系统的功能要求 4
3 系统硬件电路的设计 7
3.1 系统硬件总电路构成及原理 7
3.2 AT89S51单片机简介 8
3.3 其它硬件介绍及连接 11
4系统软件程序的设计 17
4.1程序主体设计流程 17
4.2理论基础知识 17
结 论 19
致 谢 20
参考文献 21
附 录 22

1 绪论

1.1 单片机交通控制系统选题的现实意义
交通控制研究的发展，旨在解决人类交通因需求的增多而日益繁重带来的问题，局限于道路建设的暂时不足和交通工具的快速增长，就要使更多的车辆安全高效的利用有限的道路资源，避免因无序和抢行等无控制原因造成的不必要阻塞甚至瘫痪，另外，针对整个交通线路车辆的多少实时调整和转移多条线路的分流也十分必要。
交通网络是城市的动脉，象征着一个城市的工业文明水平。交通关系着人们对于财产，安全和时间相关的利益。具有优良科学的交通控制技术对资源物流和人们出行都是十分有价值的，保证交通线路的畅通安全，才能保证出行舒畅，物流准时到位，甚至是生命通道的延伸。

1.2 单片机交通控制系统选题的目的
（1）了解交通灯管理的基本工作原理。
（2）熟悉AT89C52的工作原理和应用编程。
（3）熟悉AT89C52并行接口的各种工作方式和应用。
（4）熟悉AT89C52计数器/定时器的工作方式和应用编程外部中断的方法。
（5）掌握多位LED显示问题的解决。

1.3 单片机交通控制系统主要研究的内容
用智能，集成，且功能强大的单片机芯片为控制中心，设计出一套十字路口的交通控制系统，以指挥该路口的实时通行状态。
（1）确定系统交通控制的总体设计，包括，十字路口具体的通行禁行方案设计以及系统应拥有的各项功能，增加了倒计时显示提示、对车流量检测及自调整模拟功能、违规检测及处理、紧急状况处理和键盘可设置等强大功能。
（2）进行智能传感器的硬件电路，显示电路等的设计对各器件的选择及连接，大体分配各个器件及模块的基本功能要求。
（3）进行软件系统的设计，采用单片机汇编语言编写，对单片机内部结构和工作情况做了充足的研究，了解定时器，中断以及延时原理，总体上完成了软件的编写。
1.4 交通控制存在的问题
我国城市道路建设规模正在加大，城市普遍存在道路密度、道路面积率偏低的问题，这是我国城市哟其是大城市有机的一个重要原因。近几年，国家虽不断加大城市道路建设的力度，但仍赶不上车辆的增长速度，且与世界其他国家相比，差距仍很大。
交通管理方面水平还欠发展，随着交通需求越来越旺盛，而我国城市中小交通管理和交通安全的现代化设施却做得不足。在车辆，道路和交通管理系统，城市交通信号控制系统，城市交通管制中应用人工智能技术，信息采集和信息提供技术等方面都与发达国家有很大差距。

2 单片机交通控制系统总体设计

2.1 单片机交通控制系统的通行方案设计
设在十字路口，分为东西向和南北向，在任意时刻只有一个方向通行，另一方向禁行，持续一定时间，经过短暂的过渡时间，将通行禁行方向对换。其具体状态如下图所示。说明：黑色表示亮，白色表示灭。交通状态从状态1开始变换，直至状态6然后循环至状态1，周而复始，如图2-1所示：

图2-1 交通状态
通过具体的路口交通灯状态的演示分析我们可以把这四个状态归纳如下：
（1）东西方向红灯灭，同时绿灯亮，南北方向黄灯灭，同时红灯亮，倒计时20秒。此状态下，东西向禁止通行，南北向允许通行。
（2）东西方向绿灯灭，同时黄灯亮，南北方向红灯亮，倒计时2秒。此状态下，除了已经正在通行中的其他所以车辆都需等待状态转换。
（3）南北方向红灯灭，同时绿灯亮，东西方向黄灯灭，同时红灯亮，倒计时20秒。此状态下，东西向允许通行，南北向禁止通行。
（4）南北方向绿灯灭，同时黄灯亮，东西方向红灯亮，倒计时2秒。此状态下，除了已经正在通行中的其他所以车辆都需等待状态转换。
用图表表示灯状态和行止状态的关系如表2.1所示：
表2.1 交通状态及红绿灯状态

状态1
状态3
状态4
状态6
东西向
禁行
等待变换
通行
等待变换
南北向
通行
等待变换
禁行
等待变换
东西红灯
1
1
0
0
东西黄灯
0
0
0
1
东西绿灯
0
0
1
0
南北红灯
0
0
1
1
南北绿灯
1
0
0
0
南北黄灯
0
1
0
0
东西南北四个路口均有红绿黄3灯和数码显示管2个，在任一个路口，遇红灯禁止通行，转绿灯允许通行，之后黄灯亮警告行止状态将变换。状态及红绿灯状态如表2.1所示。说明：0表示灭，1表示亮。

2.2 单片机交通控制系统的功能要求
本设计能模拟基本的交通控制系统，用红绿黄灯表示禁行，通行和等待的信号发生，还能进行倒计时显示，车流量检测及调整，交通违规处理和紧急处理等功能。

2.2.1倒计时显示
倒计时显示可以提醒驾驶员在信号灯灯色发生改变的时间、在“停止”和“通过”两者间作出合适的选择。驾驶员和行人普遍都愿意选择有倒计时显示的信号控制方式，并且认为有倒计时显示的路口更安全。倒计时显示是用来减少驾驶员在信号灯色改变的关键时刻做出复杂判断的1种方法，它可以提醒驾驶员灯色发生改变的时间，帮助驾驶员在“停止”和“通过”两者间作出合适的选择。

2.2.2车流量检测及调整
车辆检测器作为智能交通系统的基本组成部分，在智能交通系统中占有重要的地位。一般车流量检测器采用传感器+单片机+外围器件来实现。而且，目前国内使用的红绿灯都是固定的红绿灯时间，并自动切换。红灯时间和绿灯时间，是根据道口东西向和南北向的车流量，利用统计方法确定的。交通警察不断观察十字路口的两个方向，根据车辆密度和流速决定是否切换红绿灯，以保证最佳的道路交通控制状态。

2.2.3时间手动设置
除系统根据车流量自动控制调整，也可以通过键盘进行手动设置，增加了人为的可控性，避免自动故障和意外发生，并再紧急状态下，可设置所有灯变为红灯。键盘是单片机系统中最常用的人机接口，一般情况下有独立式和行列式两种。前者软件编写简单，但在按键数量较多时特别浪费I／0口资源，一般用于按键数量少的系统。后者适用于按键数量较多的场合，但是在单片机I／0口资源相对较少而需要较多按键时，此方法仍不能满足设计要求。本系统要求的按键控制不多，且I／0口足够，可直接采用独立式。

2.2.4时间手动设置
交通路口出现紧急状况在所难免，如特大事件发生，救护车等急行车通过等，我们都必须尽量允许其畅通无阻，毕竟在这种情况下是分秒必争的，时时刻刻关系着公共财产安全，个人生死攸关等。由此在交通控制中增设禁停按键，就可达到想此目的。

2.2.5违规检测
交通规则必须人人遵守，但是违反规则，如闯红灯等，也时有发生，交警等交通管理人员虽然可以进行实时监管，但是耗费精力，在路口设置检测传感器就可以进行自动的警报提示。

2.3 单片机交通控制系统的基本构成及原理
单片机设计交通灯控制系统，可用单片机直接控制信号灯的状态变化，基本上可以指挥交通的具体通行，当然，接入LED数码管就可以显示倒计时以提醒行使者，更具人性化。本系统在此基础上，加入了违规检测电路和车流量检测电路为单片机采集数据，单片机对此进行具体处理，及时调整控制指挥，为了超越视觉指挥的局限性，同时接上蜂鸣器，在听觉上加强了指挥提醒作用。
据此，本设计系统以单片机为控制核心，连接成最小系统，由车流量检测模块，违规检测模块，和按键设置模块等产生输入，信号灯状态模块，LED倒计时模块和蜂鸣器状态模块接受输出。系统的总体框图如图2-2所示：

图2-2 系统的总体框图
键盘设置模块对系统输入模式选择及具体通行时间设置的信号，系统进入正常工作状态，执行交通灯状态显示控制，同时将时间数据倒计时输入到LED数码管上实时显示。在此过程中还要实时捕捉违规检测和紧急按键信号，以达到对异常状态进行实时控制的目的。急停按键和违规检测随时调用中断。
在模式选择上，若为自动模式，将不断调用车流量检测模块对车流量进行检测统计，到达一定时间将修正通行时间，从而满足不同路况的需要。
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3 系统硬件电路的设计

3.1 系统硬件总电路构成及原理
实现本设计要求的具体功能，可以选用AT89S51单片机及外围器件构成最小控制系统，12个发光二极管分成4组红绿黄三色灯构成信号灯指示模块，8个LED东西南北各两个构成倒计时显示模块，车流量检测传感器采集流量数据，光敏传感器捕获违规信号，若干按键组成时间设置和模式选择按钮和紧急按钮等，以及用1个蜂鸣器进行报警。

3.1.1系统硬件电路构成
本系统以单片机为核心，组成一个集车流量采集、处理、自动控制为一身的闭环控制系统。系统硬件电路由车流量检测电路、单片机、违规检测电路，状态灯，LED显示，按键，蜂鸣器组成。
其中P0，P2，用于送显两片LED数码管，P1用于控制红绿黄发光二极管，XTAL1和XTAL2接入晶振时钟电路，RESET引脚接上复位电路，P3.3即INT1接违规检测电路和P3.2即INT0接紧停／东西时间设置键J，P0.6，P0.7接车流量检测电路，P3.6接南北时间设置键S，P3.7接自动模式选择／返回键F，P3.4接蜂鸣器。

3.1.2系统工作原理
系统上电或手动复位之后，系统等待模式选择设置键按下，模式分两种：红绿灯时间自动和红绿灯时间设置。若此时F键按下，则设置为自动模式，若此时按下的是S键，则设置为时间设置模式，依次按S若干次，J键若干次可设置好两个方向的红绿灯时间，再按F键确认。其实这个过程就是将存储时间值的寄存器进行设置，以及标志是否要进行车流量检测及调整。
接下来，系统必须先显示状态灯及LED数码管，将状态码值送显P1口，将要显示的时间值送显P0口和用P2口来选通LED数码管的显示导通，在此同时以50ms为周期，用软件方法计时1秒，到达1s就要将时间值减1，刷新LED数码管。
时间到达一个状态所要全部时间，则要进行下一状态判断及衔接，并装入次状态的相应状态码值以及时间值，
当然，还要开启两个外部中断，其一为违规信号或禁停信号输入，一旦信号有效，中断开始，进入中断服务子程序，开启蜂鸣器禁止全部通行，当按下F键，中断结束返回。其二为车流量检测信号输入，若检测到车辆经过，进入相应的中断子程序，将存储车流量的计数器加1，然后中断结束返回。
每满一个状态循环周期，若为自动模式，则须将检测到的车流量数据处理一次，判断两个方向的交通轻重缓急状况，再调整下次状态循环的红绿灯时间，以达到自动控制的目的。

3.2 AT89S51单片机简介

3.2.1单片机的概述
单片微型计算机简称单片机，又称微控制器，嵌入式微控制器等，属于第四代电子计算机。它把中央处理器、存储器、输入/输出接口电路以及定时器/计数器集成在一块芯片上，从而具有体积小、功耗低、价格低廉、抗干扰能力强且可靠性高等特点，因此，适合应用于工业过程控制、智能仪器仪表和测控系统的前端装置。
AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4k bytes的可系统编程的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。

3.2.2AT89S51芯片内部结构简介

3.2.2.1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。
3.2.2.2数据存储器(内部RAM)
数据存储器用于存放变化的数据。AT89S51中数据存储器的地址空间为256个RAM单元，但其中能作为数据存储器供用户使用的仅有前面128个，后128个被专用寄存器占用。
3.2.2.3程序存储器(内部ROM)
程序存储器用于存放程序和固定不变的常数等。通常采用只读存储器，且其又多种类型，在89系列单片机中全部采用闪存。AT89S51内部配置了4KB闪存。
3.2.2.4定时/计数器(ROM)
定时/计数器用于实现定时和计数功能。AT89S51共有2个16位定时/计数器。
3.2.2.5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。每个口都由1个锁存器和一个驱动器组成。它们主要用于实现与外部设备中数据的并行输入与输出，有些I/O口还有其他功能。
3.2.2.6全双工串行口
A89S51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。
3.2.2.7时钟电路
时钟电路的作用是产生单片机工作所需要的时钟脉冲序列。
3.2.2.8中断系统
中断系统的作用主要是对外部或内部的终端请求进行管理与处理。

3.2.3主要引脚功能
AT89S51 引脚图如图3-1所示：
图3-1 引脚图
VCC：电源电压
GND：地
P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I／0口，也即地址／数据总线复用口。作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“l”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。
P1口：Pl 是一个带内部上拉电阻的8位双向I／O口，Pl的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“l”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。Flash编程和程序校验期间，Pl接收低8位地址。
P2 口：P2 是一个带有内部上拉电阻的8 位双向I／O 口，P2 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL逻辑门电路。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址数据。在访问8 位地址的外部数据存储器时，P2 口线上的内容，在整个访问期间不改变。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。
P3 口：P3 口是一组带有内部上拉电阻的8 位双向I／0 口。P3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL逻辑门电路。对P3口写入“l”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3口除了作为一般的I／0口线外，更重要的用途是它的第二功能。
RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。WDT 溢出将使该引脚输出高电平，设置SFR AUXR的DISRT0 位（地址8EH）可打开或关闭该功能。DISRT0位缺省为RESET输出高电平打开状态。
ALE／PROG(————)：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE 仍以时钟振荡频率的1／6 输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
PSEN(————)程序储存允许输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S51 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN(————)有效，即输出两个脉冲。当访问外部数据存储器，没有两次有效的PSEN(————)信号。
EA(——)／VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H－FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。如EA端为高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。
XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。

3.2.4 AT89S51芯片最小系统
一个最简单的单片机系统包括晶振、复位、电源、系统的输入控制、输出显示，以及其他外围模块(如通信、数据采集等)。

3.2.4.1时钟电路
单片机的时钟电路由外接的一只晶振和两只起振电容，以及单片机内部的时钟电路组成，晶振的频率越高，单片机处理数据的速度越快，系统功耗也会相应增加，稳定性也会下降。
3.2.4.2复位电路
系统刚上电时，单片机内部的程序还没有开始执行，需要一段准备时间，也就是复位时间。一个稳定的单片机系统必须设计复位电路。当程序跑飞或死机时，也需要进行系统复位。复位电路有很多种，有上电复位，手动复位等。
3.2.4.3EA脚的功能及接法
单片机的EA脚控制程序从内部存储器还是从外部存储器读取程序。由于现在单片机内部的flash容量都很大，因此基本都是从内部的存储器读取程序，即不需要外接ROM来存储程序，因此，EA脚必须接高电平。

3.3 其它硬件介绍及连接

3.3.1车流量检测电路及模拟
如何判断两路口车辆的状况呢？我们要设计一套科学检测车流量而自动调整绿灯放行时间(需设定上、下限) 的控制系统,这样无疑会大大提高车辆通过率, 有效缓解交通压力。我们在每车道车辆等待线的前方都安装一个霍尔车辆检测传感器, 当有一辆车通过时就会使霍尔开关型传感器的磁场发生变化, 而产生一个脉冲电平, 脉冲电平送给单片机的计数器处理, 给单片机的计数器定一个初值, 用来判断各方向车辆状况。
十字路口车辆通行顺序由于南往北, 北往南时间显示相同, 所以只要一个方向多车, 下次时间就要加长东往西,西往东也一样。
车流量检测传感器可对单片机控制系统提供实时数据，系统对所获数据进行模糊处理。实现红绿灯模糊控制必须解决对当前十字路口的交通状况的检测，并完成如下工作:
（1）输入量的采集，系统采集两个输入量，即两个方向的车流量。
（2）输出量的确认，即红绿灯时间值。
（3）设计将输入映照到输出的模糊规则。
（4）决定被激活模糊规则的组合方式和清晰处理，生成精确输出控制信号。
为了采集上述数据，在十字路口的四侧共设置2个传感器。分别检测两个方向的车流量，车流量检测不是最终目的，在每半个循环周期，系统会检测到两个方向的车流量数据，除以时间，那么就可以得到单位时间的车流量，然后比较两个方向单位时间车流量多少，以确定下一次循环红绿灯时间，达到调整的目的。时间选择如下表3.1所示：
表3.1 显示时间选择

车辆情况
本次该方向通行时间
下次该方向通行时间
本次该方向通行时间
本次该方向通行时间
南往北少车，北往南少车
20秒
20秒
40秒
20秒
南往北少车，北往南多车
20秒
40秒
40秒
40秒
南往北多车，北往南少车
20秒
40秒
40秒
40秒
南往北多车，北往南多车
20秒
40秒
40秒
40秒
东往西少车，西往东少车
20秒
20秒
40秒
20秒
东往西少车，西往东多车
20秒
40秒
40秒
40秒
东往西多车，西往东少车
20秒
40秒
40秒
40秒
东往西多车，西往东多车
20秒
40秒
40秒
40秒
车流量检测是用外部中断引脚P06,P07捕获到一个低电平，则进入相应的中断服务子程序，在子程序中，用R5计南北向车流量，用R6计东西向车流量，设车向标志位为01H，判断车向。
根据红绿灯时间调整原理，一个周期下来，R5，R6中分别存储着南北，东西的车流量，接下来求单位时间车流量，此时南北向时间，东西向时间分别存储在R0，R1中，则两个方向的流量比例为（R5/R0）/（R6/R1）=(R5*R1)／(R6*R0),显然该比例是1左右带小数的值，然而单片机程序中只取整数，重要的数据信息就会丢失，所以本设计中首先将(R5*R1)乘以10，比例就变为10左右的值。将该比例值放在A，然后进行时间调整。
由于受到多方面的限制，时间调整在此只划定3个范围。比例0到0.7为一个范围，0.8到1.5为一个范围，1.5以上为一个范围。第一范围显然表明东西向交通严重，应将时间调长；第二范围表明两向相当，可设置一样的时间，第三范围表明南北向交通严重，应将该向时间调长。具体设置如表3.2所示：
表3.2 比例及调整时间
南北与东西向比例
0—0.7
0.8—1.5
1.5及以上
调整南北向时间
20
20
40
调整东西向时间
40
20
20
由表可知，对应的时间调整也只有三种，分别是20，40；20，20；40，20.显然在实际应用中这样简单的处理难以尽如人意，但在此处，本设计只是模拟大致的调整过程

3.3.2违规检测电路及模拟
在红灯和黄灯期间，车辆是禁行的，为了对那些违反规则的车辆进行检测，可使用超声波车辆传感器。但是，用于受到条件的限制，本系统设计中只是使用了普通光敏二极管。
其基本设计思想是：将光敏二极管放在停车线上，当车辆行驶过将光敏二极管遮住，这样，光敏二极管就不导通，单片机检测到这一信号执行警报操作。
但是除了使用光敏二极管，还需使用三极管，三极管的型号是9031。由于普通光敏二极管的开关特性不太好，所以设计在电路中加入了三极管作为开关。由于普通光敏二极管在导通的情况下的电阻都能达到0.5-1K，所以在设计中将光敏二极管直接连到了电源上。
同时三极管还可以起到一定的隔直作用。当光敏二极管关闭时，三极管的基极为低电平，基极与发射基之间的电压为零，三极管关断，检测口的电压为高电平。同理，当光敏二极管导通时，三极管的基极电压为高，基极与发射极之间的电平为高，三极管导通，检测口的电压为低电平。基于此就可以检测是否有违规车辆了。

3.3.3八段LED数码管
LED（Light Emitting Diode），发光二极管，它是一种固态的半导体器件，可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子和空穴就会被推向量子阱，在量子阱内电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。
LED 灯的显示原理:通过同名管脚上所加电平的高低来控制发光二极管是否点亮而显示不同的字形，如a,b,c,d,e,f,g,dop全亮显示为8。
如表3.3所示：
表3.3 驱动代码表
显示数值
a b c d e f g dop
驱动代码（16进制）
0
1 1 1 1 1 1 1 1
0FCH
1
0 0 0 0 0 1 1 0
60H
2
1 1 0 1 1 0 1 0
0DAH
3
1 1 1 1 0 0 1 0
0F2H
4
0 1 1 0 0 1 1 0
66H
5
1 0 1 1 0 1 1 0
0B6H
6
1 0 1 1 1 1 1 0
0BEH
7
1 1 1 0 0 0 0 0
0E0H
8
1 1 1 1 1 1 1 0
0FEH
9
1 1 1 1 0 1 1 0
0F6H
LED8段数码管的设置为每个方位上的一对2为显示器。四个方位上总共用8个LED接在单片机的IO口上。虽然路口不一样，但是显示的时间在数字上是一样的，所以两边连接的IO口是对称的。因为输出口较少的原因，所以每个十位，个位的数据的传输必须采用动态扫描的方式，因为人眼的视觉原因，人们会认为是同时点亮的。
下面我们用这种方法显示交通灯的时间，南北方向要显示20秒，东西方向要显示25秒，那么我们先给P0口送2的共阴极码即5BH，让第一位2要显示的位码GND段为低电平，其它七位的控制端都接高电平，那么第一位就显示2，其它七位不亮。让其显示1MS后再给P0口送0的共阴极码即3FH，让第二位要显示0的位码GND段为低电平，其它七位的控制端都接高电平，那么第二位就显示0，其它七位不亮。依此类推分别送完第一位2，第二位0，第三位2，第四位5…每一位点亮1MS一个扫描周期为8MS，一秒时间就要扫描125次。

3.3.4其它器件

3.3.4.1发光二极管
根据本设计的特点，红绿灯的显示不可少，红绿灯的显示采用普通的发光二极管。每个方向上设置红绿黄灯，总共4组。如果东西红灯亮，那南北方向就是绿灯亮，反之亦然，所以在硬件上连接图上也是对称分布的。
在本设计中，实际控制的灯只有6个，即：东西红灯，东西绿灯，东西黄灯，南北红灯，南北绿灯，南北黄灯,其中均是低电平有效。
共有4钟状态：东西红灯亮，南北绿灯亮；东西红灯亮，南北黄灯亮；东西绿灯亮，南北红灯亮；东西黄灯亮，南北红灯亮。
括号中是P1端口8个引脚值P1.7,P1.6,P1.5,P1.4,P1.3,P1.2,P1.1,P1.0以及对应的十六进制码。
在用于显示发光二极管时，直接由MOV指令将十六进制码送入P1口。刚才的4个状态是依次变换的，这就要涉及到状态的判断和衔接了。先把P1端口的值与所有的4个状态码比较，若相同则判断成功当前状态，再把下一状态的状态码送显P1即可。
3.3.4.2蜂鸣器
本设计采用一般蜂鸣器，蜂鸣器使用PNP三极管进行驱动控制，当连接到单片机上的引脚输出为低电平，PNP导通，蜂鸣器蜂鸣；当连接到单片机上的引脚输出高电平时，PNP截止，蜂鸣器停止蜂鸣。
紧停按键和违规信号传感器连接到外部中断引脚INT1，P3.6捕获到一个低电平，则进入该中断，中断程序中先把蜂鸣器P3.7端口置0，启动蜂鸣。并且等待恢复键F键按下，然后关闭蜂鸣返回。
3.3.4.3按键控制
本设计设置了有3个键：S键，J键，F键。每个按键一端接地，另一端接上拉电阻。低电平有效，当按键按下端口接地，单片机捕获到低电平，从而知道相应的输入信息。
首先程序不断扫描模式设置键，分别记为：S键，J键，F键,低电平有效，按键顺序是指定的，若直接按F键，则为自动调整模式，然后进入下一程序；若先按S键，再按J键，F键则为设置时间模式，然后进入下一程序。
程序的开始要判断是否有键按下，可以不断将S键值和F键值相与，与值为1则表示没有键按下，为0则表示有键按下。
接下来要判断具体是那个键，若为F键，则将自动标志位置1，进入下一程序，否则为S键，则表示设置南北绿灯时间，用R0存值，按1下加1，同时还需判断此时J键是否按下，若按下，则表示南北绿灯时间设置完毕，开始设置东西绿灯时间，用R1存值，同样按1下加1 ，同时判断此时F键是否按下，若按下，则表示时间设置完毕，进入下一程序。在这个过程中，S，J键的计数是循环的，从初值20开始，加到40则循环回到20。
3.3.4.4电源电路设计
由于单片机工作时需要的+5V电压,所以在设计电源电路时,需要一个电子元件能提供+5V电压,由于7805能够提供5V电压的三端稳压电源,在实际的电路控制中应用其作为电源电路较为广泛,在普通的电子元器件商场都有销售易于购买,并且技术相对成熟。7805引脚为电源输入端,二脚为公共接地端,三脚即为我们所需要的+5V电压输出端.本文采用最典型的7805提供电压的电路,即在7805的1脚和公共接地端(即2脚)之间接入0.3μF的电容,在公共接地端和三脚+5V电压输出端之间接入0.1μF的电容。

4系统软件程序的设计

4.1程序主体设计流程
全部控制程序实际上分为若干模块：键盘设置处理程序，状态灯控制程序，LED显示程序，消抖动延时程序，次状态判断及处理程序，紧停或违规判断程序，中断服务子程序，车流量计数程序，红绿灯时间调整程序等。
首先是按键处理程序，89S51通过对IO扫描，确定是否有键按下，再判断具体是那个键按下，根据键值跳转到按键处理程序。按键处理结果可设置两种工作模式：红绿灯时间设置模式和红绿灯时间自动模式，次程序相当于系统的模式设置，若想重新设置则要按下复位键。设置过后进入50ms扫描程序。
50ms扫描程序开始后，先刷新显示模块，若为自动模式则接下来要计数车流量，然后扫描紧停信号和违规信号，若捕获则调用中断，中断服务子程序主要启动蜂鸣器，直至恢复键按下。50ms已到则重新扫描。扫描20次之后计时到达1s则时间数据减1，在显示模块中修改显示缓冲区内容。在半个状态对换时，车流量计数程序在一个状态变换循环先后计数两个方向的车流量，然后调用红绿灯时间调整程序，更新红绿灯时间。当前状态时间已到，则判断次状态装入相应数据，然后进入下一状态。

4.2理论基础知识

4.2.1定时器原理
定时器工作的基本原理其实就是给初值，让它不断加1直至减完为模值，这个初值是送到TH和TL中的。它是以加法记数的，并能从全1到全0时自动产生溢出中断请求。
本设计中时间计时方面不可能只用计数器，因为1秒钟已经超过了计数器的最大定时间，所以我们还必须采用定时器和软件相结合的办法才能解决这个问题。

4.2.2软件延时原理
MCS-51的工作频率为12MHZ，机器周期与主频有关，机器周期是主频的12倍，所以一个机器周期的时间为12*（1/12MHZ）=1us。我们可以知道具体每条指令的周期数，这样我们就可以通过指令的执行条数来确定1秒的时间，但同时由于单片机的运行速度很快其他的指令执行时间可以忽略不计。

4.2.3中断原理
本系统主要使用了外部中断，中断信号有引脚INT0和INT1输入，低电平有效，CPU每个时钟周期都会检测INT0和INT1上的信号，8051允许外部中断以电平方式或负边沿方式两种中断方式输入中断请求信号，可由用户通过设置TCON中IT0和IT1位的状态来实现。
在优先级的允许下，一旦有外部中断信号产生，单片机CPU首先保护断点，PC值进栈，然后执行相应的中断服务子程序，执行完后，用RETI指令返回，此时CPU会从堆栈中取保存的断点地址，送回PC，程序再正常执行。

4.2.4消抖动程序
在按键计数的过程中，还存在机械抖动与软件方面的矛盾，即当程序检测到了有按键按下，则会计一次数，但是实际上，按键闭合后在微观上还会弹起，然后闭合，一直到达稳定，显然后面的弹落是无效的，为了使程序避免这个问题，可以在检测到首次闭合时，调用一定时间的延时程序。此处延时程序完全用软件完成，利用程序执行一