基于AT89S51交通灯设计(二)

 3 AT89S51单片机简介
   3.1 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。
 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。它集Flash程序存储器 既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中,ATMEL公司的功能强大，低价位AT89S51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
3.2 AT89S51单片机的主要性能参数和主要引脚
  3.2.1 主要性能参数
 与单片机产品兼容8K字节在系统可编程Flash存储器、1000次擦写周期、全静态操作：0Hz～33Hz、三级加密程序存储器、32个可编程I/O口线 、三个16位定时器/计数器 八个中断源 、全双工UART串行通道低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符。
 3.2.2 AT89S51芯片内部结构简介
   ·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(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。
 ·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。
 ·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。
   ·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。
  ·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。
  ·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。
  ·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。AT89S51共有5个中断源，其中又2个外部中断源和3个内部中断源。
    图3-2是AT89S51系列单片机的内部结构示意图。
图3-2  AT89S51系列单片机的内部结构示意图

 3.2.3 主要引脚功能
 AT89S51 引脚图如图3-1所示：
 
 ·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。
表1 具有第二功能的P1口引脚
端口引脚 第二功能：
P1.5 MOSI（用于ISP编程）
P1.6 MOSI（用于ISP编程）
P1.7 MOSI（用于ISP编程）
 ·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。对端口写“1”，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）。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）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（如执行MOVX@Ri 指令）时，P2 口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），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，如下表所示：
表2 具有第二功能的P1口引脚
端口引脚 第二功能：
P3.0 RXD（串行输入口）
P3.1 TXD（串行输出口）
P3.2 /INT0（外中断0）
P3.3 / INT1（外中断1）
P3.4 T0（定时／计数器0外部输入）
P3.5 T1（定时／计数器1外部输入）
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口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
 ·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／：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。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对F1ash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH 单元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。该位置位后，只有一条M0VX和M0VC指令ALE才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。
 ·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，没有两次有效的信号。
 ·／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）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。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。F1ash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程电压Vpp。
 ·XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。
4  智能交通灯方案的实现
 根据设计任务和要求,可画出该控制器的原理框图, 为确保十字路口的交通安全，往往都采用交通灯自动控制系统来控制交通信号。其中红灯（R）亮，表示禁止通行；黄灯（Y）亮表示暂停；绿灯（G）亮表示允许通行。
4.1 系统总框图如图4-1：
 图4-1系统总框图
4.2 智能交通灯系统的组成
 交通灯系统由四部分组成：车检测电路，信号灯电路，时间显示电路，紧急转换开关。
4.3 智能交通灯系统的工作原理
 大家都明白，绿灯的放行时间与车辆通过数量不成正比。比如说20秒内每车道可以通过20辆车，40秒内每车道却可以通过45辆车。因为这有一个起步的问题，还有一个黄灯等待问题。也就是说，绿灯放行时间越长，单位时间通过车辆的数量就越多。我们来计算一下，每车道通行20秒内可以通过20辆车，一个红绿灯循环是40秒(单交叉路口)，加上每次状态转换的黄灯5秒（一个循环要两次转换），即一个红绿黄灯循环要50秒，即50秒内通行的车辆为40辆。通过一辆车的平均时间是1.25秒。如果每次车辆通行的时间改为40秒，40秒内每车道可以通过45辆，一个红绿灯循环是80秒(单交叉路口)，加上每次状态转换的黄灯5秒（一个循环要两次转换），即一个红绿黄灯循环要90秒，即90秒内通行的车辆为90辆。通过一辆车的平均时间只需1秒。显然在车辆拥挤的情况下绿灯的通行时间越长，单位时间内通行的车辆越多，可以有效缓解车辆拥堵问题。当然绿灯时间也不可能无限长，要考虑到让另一路口的等待时间不能过长。人们总是希望在交通灯前等候的时间越短越好。所以笔者设定了绿灯通行时间的上限为40秒。在非拥挤时段绿灯的通行时间的下限为20秒，当交叉路口双方车辆较少时通行时间设为20秒，这样可以大大缩短车辆在红灯面前的等待时间。当交叉路口双方车辆较多时通行时间设为40秒。
 4.3.1车检测电路
 用来判断各方向车辆状况,比如：20秒内可以通过的车辆为20辆，当20秒内南往北方向车辆通过车辆达不到20辆时，判断该方向为少车，当20秒内北往南方向车辆通过车辆也达不到20辆时，判断该方向也为少车，下一次通行仍为20秒，当20秒时间内南往北或北往南任意一个方向通过的车辆达20辆时证明该状态车辆较多，下一次该方向绿灯放行时间改为40秒，当40秒内通过的车辆数达45辆时车辆判断为拥挤，下一次绿灯放行时间改仍为40秒，当40秒车辆上通过车辆达不到45辆时，判断为少车，下次绿灯放行时间改为20秒， 依此类推。绿灯下限时间为20秒，上限值为40秒，初始时间为20秒。这样检测，某次可能不准确，但下次肯定能弥补回来，累积计算是很准确的，这就是人们常说的“模糊控制”。因为路上的车不可能突然增多，塞车都有一个累积过程。这样控制可以把不断增多的车辆一步一步消化，虽然最后由于每个路口的绿灯放行时间延长而使等候的时间变长，但比塞车等候的时间短得多。本系统的特点是成本低，控制准确。十字路口车辆通行顺序如图4-2所示：
 图4-2 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，显示时间选择如表3。
表3 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
  4.3.2信号灯电路

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