基于单片机的交通灯课程设计

1、第一章 绪论 1.1 交通灯系统的介绍 在经济水平和科技水平日益提高的当代，人们的衣、食、住、行都得到了很大的改善。其中，“行”从古代马车到现代汽车的飞跃改善，彰显了人们生活水平提升的疾速。随着城市机动车辆的不断增加，交通问题越来越引起人们的关注。没有交通规则，交通事故就会明显增多，安全从古至今都是一个不容忽视的话题，交通安全更是当今发展社会的一大重点，因此，控制好交通安全，制定好交通规则，交通信号灯的使用便在此显得极为重要。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。自80年代后期，许多城市纷纷修建城市

2、高速道路，在高速道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况，确保了一定的交通安全问题。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。而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，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。为此，笔者进行了一定的研究，以下就城乡交通信号灯控制系统的电路原理、设计、计算和实验调试等问题来进行具体分析讨论。 利用单片机实现的

3、交通灯具有编程灵活，便于交通灯功能的扩充，即可用该单片机发出各种控制信号，精确度高等特点，同时可以用LED显示路口的通过时间。 本次设计以AT89S52芯片为核心，辅以必要的外围电路，设计了一个简易的电子时钟。在硬件方面，除了AT89S52外，使用8个数码管来进行显示，LED采用的是动态扫描显示，使用P0、P2口进行驱动。通过LED能够比较准确显示某路口的通行时间，通过设置的K0、K1、K2、K3四个简单的按键实现交通灯开启、关闭及紧急情况的设置。软件方面采用汇编语言编程。第2章 方案2.1 原始方案的比较2.1.1 方案一：运用数电技术。运用数字芯片组建的电路，这样的电路优点是操作简单，缺点

4、是电路复杂、成本高、焊接难和不美观。2.1.2 方案二：运用PLC控制器。运用PLC来实现交通灯信号，PLC的编程非常的简单，操作也很方便，电路更为简单，但是PLC的成本很高，就因为这点最终没能选择这个方案。2.1.3 方案三：采用AT89S52单片机。用AT89S52单片机组成的电路简单，编程简单、操作方便、成本低和错误率低。能很好的利用单片机的资源，从各方面考虑，最终选择了此方案。2.2 最终方案通过综合考虑，最终确定使用方案三，硬件方面使用单片机最小系统，硬件结构中包括了复位电路、键盘、LED显示和蜂鸣器等电路，运用汇编语言编程来实现交通灯信号的设计。2.3 总体方案介绍 2.3.1 计

5、时方案本次设计利用AT89S52单片机内部可以用定时/计数器进行中断定时，来确定延时时间，倒计时的计时。该方案节省硬件内存空间，且能使读者在定时/计数器的使用、中断及程序设计方面得到锻炼与提高，对单片机的指令系统能有更深入的了解，从而对学好并深入了解单片机技术这门课程起到一定的作用。 2.3.2 键盘/数码管方案AT89S52的P0口和P2口外接由八个LED数码管(LED7LED0)构成的显示器，用P0口作LED的段码输出口，P2口作八个LED数码管的位控输出线，P1口外接八个按键K0、K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7构成键盘电路，其中有用键K0、K1、K2、K3六个键。AT89S52

6、 是一种低功耗，高性能的CMOS 8位微型计算机。在本次课程设计中，利用按键K0、K1、K2、K3来开启、关闭、及甲乙路紧急。P3口控制LED红、黄、绿灯的亮灭，用P0口作LED的段码输出口，P2口作八个LED数码管的位控输出线，这样通过汇编语言编程来控制整个系统的运行，方案总体框图如图2.3.1所示 图2.3.1方案框图 第3章 硬件设计介绍 3.1晶振电路及复位电路设计 图3.1.1晶振电路及复位电路设计3.1.1 晶振电路X1,X2分别是系统时钟信号Fosc的输入XTAL1、输出XTAL2端。该开发板的使用的是石英晶体振荡器，晶振频率为f0=12MHz，而振荡电容C1、C2的典型值取值范

7、围为2033pF，所以这里取33pF的瓷介电容。注意：为减少寄生电容对振荡频率的影响，在印制板上的电容C1和C2应尽可能靠近CPU芯片的X1和X2引脚。 3.1.2 RC分立元件构成的外部复位电路 掉电复位：当正常工作时，电容充电完成、两端电压近似VCC,RET为低电平；断电后，VCC下降，当VCC=0时，VCC与地GND等电位，电容C3通过R15放电， 保证再放电时，RST引脚为高电平，CPU可靠复位。按键复位：但按下按钮S1时，电容C3通过R14放电，当电容C3放电结束后，RET引脚电位由R15和R14分压比决定，由于R14R15,因此RST引脚为高电平，CPU进入复位状态，松开复位按钮后

8、，电容C3充电，RST引脚电位下降，CPU脱离复位状态，R14的作用是限制复位按钮按下瞬间电容C3的放大电流，避免产生火花，以保护按钮的触点，其中R14=200，R15=1k.C3=22uF. 3.2 独立键盘模块 图3.2.1 独立键盘电路如图3.2.1所示，开发板独立按键与P1口相连，当某一按键按下时，对应的口线为低电平；如按键S2按下，则P1.0口为低电平（P10P17分别与P1.0P1.7口相连）。当按键没有按下时，P1口通过排电阻与VCC相连，为高电平；按键按下，对应口线直接与地相连，为低电平。3.3 蜂鸣器模块 图3.3.1 蜂鸣器电路如图3.3.1所示，三极管的基极接单片机的P3

9、.1口，当P3.1口输出低电平时，三极管导通，蜂鸣器可以发出声音。其基极的限流电阻R12=1K，当VCC=5V时，Ib=（VCC-0.7）/1K4.3mA,PNP三极管9012的放大系数约为100，则最大集电极电流Ic大约430mA,足以驱动蜂鸣器工作。（注意，负载必须串联在集电极，而不是发射极，否则PNP驱动管不可能进入饱和状态，功耗大，而且负载的压降也小，蜂鸣器不能正常驱动） 3.4 数码管显示模块 图3.4.1 数码管显示电路如图3.4.1所示，开发板数码管显示所用的是两只4位LED数码管，为共阳LED数码管,P0.0P0.7送段码，P2.0P2.7送位码（P20P27分别与P2.0P2

10、.7口相连，P00P07分别与P0.0P0.7口相连）。 数码管中各段发光二极管的伏安特性和普通二极管类似，只是正向电压较大，正向电阻也大，在一定范围内，其正向电流也发光亮度成正比。由于常规的数码管段电流不小于25mA,字电流不小于50mA,当然电流也不能太大,所以它的输入端在5V电源的电路信号相接时，一定要串加限流电阻，以免损坏元件。 基极的限流电阻Rb:本设计使用的开发板，基极的限流电阻Rb=470,则基极电流Ib=(VCC-Veb)/4709mA,三极管9012的放大倍数100，则集电极的最大电流为900mA,每一位数码管有8段LED发光二极管，流过每一段发光二极管的电流为900/8=1

11、00mA,所以Rb=470可以驱动数码管。LED数码显示驱动电路使用动态显示方式，单片机P2口通过三极管对LED数码管进行位控，如电路图3.4.1所示，由于三极管发射级与VCC连接，当P2.0口为低电平时，三极管Q8饱和导通，LED2的d4为高电平即最后一位LED数码管被选中显示；当P2.0口为高电平时，三极管Q8处于截至状态，LED2的d4为低电平未被选中。 3.5 发光二极管模块 图3.5.1 发光二极管电路 如图3.5.1所示，限流电阻Rp其大小由LED二极管工作电流I决定，一般控制在320mA之间，I=(VDD-0.7)/RP=4.3/Rp,取I=10mA时，求得限流电阻Rp大致为43

12、0，所以去标称值470.。 此次设计中用到D3、D4、D5，分别为绿、红、黄主干道标志指示灯；D6、D7、D8为绿、红、黄次干道对应的标志灯。 第四章 软件设计4.1倒计时500MS基本方法 利用MCS-51系列单片机的可编程定时/计数器、中断系统可以实现延时500ms。计数初值计算如下:4.1.1 延时500MS:由于数码管每个数码管都在调用时用时1MS,因此8个数码管共计调用时间为8MS，给一个数字寄存器R3赋值为3EH，应用DJNZ来判断R3是否为零在应用时调用数码管显示程序，这样调用一次耗时8MS，调用3EH次共耗时500MS.4.2数码管的计时显示交通灯系统在八位数码管上进行显示，因

13、此，在内部RAM中设置显示缓冲区共8个单元。 次干道 主干道 LED7 LED6 LED5 LED4 LED3 LED2 LED1 LED0 红 黄 绿 红 黄 绿 数码管的显示 7FH 7EH 7DH 7CH 7BH 7AH 79H 78H时间显示： 十位 个位4.3 交通灯系统程序 4.3.1交通灯的主程序 按照课程设计的要求，设计出来的主程序如图4.3.1所示 图4.3.1 交通灯系统主程序4.3.2 K0键功能（开启） （1）主绿次红（如图4.3.2） 如图4.3.2 主干道绿灯次干道红灯（2） 主干道黄灯次干道红灯（如图4.3.3所示） 图4.3.3 干道黄灯次干道红灯（3) 主干道

14、红灯次干道绿灯（如图4.3.4所示）图4.3.4 主干道红灯次干道绿灯（4） 主干道红灯次干道黄灯（如图4.3.5所示） 图4.3.5主干道红灯次干道黄灯 4.3.3 K1键功能 本课程设计中K1键用于交通灯系统关闭，其流程图如4.3.6所示 图4.3.6关闭4.3.4 K2键功能 主干道紧急，其流程图如图4.3.7所示图4.3.7 紧急红灯亮4.3.5 K3键功能 次干道紧急，其流程图如图4.3.8所示 图4.3.8次干带紧急 4.3.6其他子程序 （1）延时一毫秒程序（图4.3.9所示）图4.3.9延时1ms （2） DISP程序流程图（图4.3.10所示） 图4.3.10数码管流程图 (

15、3) 键扫描子程序（图4.3.11所示）图4.3.11键扫程序(4) P1口数据处理的流程图（图4.3.12所示）图4.3.12 P1口数据处理的流程图(5) 500ms子程序（图4.3.13所示） 图4.3.13 500ms子程序 (6) MIE程序流图（图4.3.14所示）图4.3.14 MIE程序流图第5章 交通灯的调试与结果5.1调试与结果 5.1.1 调试说明 (1)按键示意图及功能 图5.1.1按键示意图交通灯所用到得按键K0、K1、K2、K3其功能分别是：K0、启动交通灯K1、关闭交通灯K2、主干道紧急K3、次干道紧急(2) 调试方法 交通灯上电或按键复位后能自动显示系统提示符“

16、P.”(“P.”稳定地显示在LED显示器的最左端数码管上，无K0、K1、K2、K3键按下，则不进入交通灯任一的运行状态，继续显示“P.”）。1. K0按下，系统直接从60开始运行，主干道绿灯亮、次干道红灯亮，时间开始倒计时到00；主干道黄灯亮、次干道红灯亮，时间开始从03倒计时到00，在倒计时同蜂鸣器也随它一起鸣叫；主干道红灯亮、次干道绿灯亮，时间开始29倒计时到00；主干道红灯亮、次干道黄灯亮，时间开始从03倒计时到00，在倒计时同蜂鸣器也随它一起鸣叫；然后主干道绿灯亮、次干道红灯亮。2.K1按下，系统显示 提示符“P.”3.K2按下，系统启动主干道紧急通车红主干道绿灯亮、次干道红灯亮，数码

17、管从09倒计时到00，然后系统显示 提示符“P.”4.K3按下，系统启动次干道紧急通车红主干道绿灯亮、次干道红灯亮，数码管从09倒计时到00，然后系统显示 提示符“P.”5.2.2调试结果（1）待机（如图5.2.1所示）图5.2.1 (2)启动（如图5.2.2所示） 图5.2.2 (3)紧急（如图5.2.3所示）图5.2.3 图5.2.1为交通灯系统待机中；图5.2.2为交通灯开启运行；图5.2.3为交通灯紧急时。 将程序导入电路板，运行结果验证了该次程序设计正确，正也是通过多天的努力得到的结果，不断查阅资料，虚心请教同学和老师，不断对程序进行分析，拆合，修改，调试。经过努力，虽然编写的程序比

18、较简单，单片机试验的功能不是出众，但基本把老师布置的内容，按时完成。以后会再加强程序调试和硬件方面的能力，希望能在这个基础上加以改进。第六章 设计总结与体会这次单片机课程设计是一次具有实用性的设计。总的来说这次设计能够成功达到设计要求，是一次成功的设计。经过这段时间的辛勤工作，终于完成了自己的单片机课程设计。在本次的课程设计中我主要完成了以下的工作：通过这次单片机课程设计，加强了我动手、思考和解决问题的能力。这个交通信号灯控制系统的设计，涉及的知识面非常广泛，其精髓始终在于程序的设计，一个程序才是这个设计中最为主导的设计。（1）完成了信号源的系统硬件电路设计。包括单片机主控制电路与外围电路设计

19、。（2）掌握了电子系统设计的流程，熟悉了各种硬件电路以及软件编程方法。（3）理解了最单片机的各部分组成及特性。（4）熟练使用了各种计算机辅助设计工具完成设计，充分掌握了这些工具的使用。加强了对软件的使用如Protel 99，还有keil和proteus。由于本设计涉及到的知识面比较广，再加上本人在相关领域知识的缺乏，所以本设计的性能指标还是有待改善的，然而，模拟仿真证明了本设计的设计思想和设计方法是现实可行的。参考文献 1 华容茂.电工、电子技术实习与课程设计.北京：电子工业出版社，2000版),2002,26(5):650-653.2 曾碧清.C语言程序设计.中南大学出版社，2005.3 李

20、广弟、朱月秀、王秀山.单片机基础.北京:北京航空航天大学出版社 ,2001:200-240.4 李广弟.单片机基础. 北京航空航天大学出版社2008. 5 电子线路设计实验测试（第三版），谢自美等编著.武汉：华中科技大学出版社，2006.8. 附录 一 、Proteus图图1 Proteus图 二、 PCB图 图2 PCB图 三、 Protel 图 图 3 Portel 图 四、元件清单 表1交通灯元件清单元件名称元件个数元件特性单片机1 AT89S52电阻24 4703 1K1 2001 4.7K电容2 33pF极性电容1 22F三极管9S855018B20118B20插针若干下载口1 10

21、P蜂鸣器1LED数码管2 四位一体共阳上拉排阻2 8*10K晶振1 12MHz发光二极管9 红色按键9 四角开关1 六角USB电源接口1五、程序清单;*;项目名称:交通灯（包括数字键盘）;设计者：李慧兵;设计日期：2011年12月30日;*;堆栈栈底80H;*;LED数码管显示器设定;P0.7-P0.0段控线，接LED的显示段dp,g,f,e,d,c,b,a;P2.0-P2.7位控线,从左至右(LED7,LED6,LED5,LED4,LED3,LED2,LED1,LED0);显示缓冲区设定从左至右依次为78H,79H,7AH,7BH,7CH,7DH,7EH,7FH ;*;独立式键盘设定;8个按

22、键S2至S9分别依次接在P1.0至P1.7口线; ;*;键功能程序;KEYA (S1键键功能程序开始);KEYB (S2键键功能程序结束);KEYC (S3键键功能程序主车道紧急);KEYD (S4键键功能程序次车道紧急);*;常数表格;DISBH(系统提示符P.字型代码序号表);DISBI(数字“55”的序号);DISBJ(数字“5”的序号);DISBH(数字“25”的序号);DISBG（数字“10”的序号）;TAB(共阳数码管字型代码表);* ;子程序;TIME_500MS（定时500ms子程序）;KEY(键扫描子程序);KEYCHULI(P1口数据处理子程序);DISP（数码管显示子程序

23、）;DL(2毫秒延时子程序);*;系统起始程序区 ORG 0000H START:LJMP MAIN;*;系统监控程序区 ORG 0030H MAIN:MOV SP,#80H ;确立堆栈区 MOV PSW,#00H ; MOV TMOD,#01H ;定时器初始化，定时器0以工作方式1工作 CLR F0 ;判断表格首地址标志位 CLR EA MOV R0,#20H ;RAM区首地址 MOV R7,#5FH ;RAM区单元个数ML: MOV R0,#00H INC R0 DJNZ R7,MLTSF: MOV DPTR,#DISBH ;系统初始化后提示符“P.”字符代码表首地址 MOV R5,#08

24、H MOV R0,#78HDISPTSF:CLR A MOVC A,A+DPTR MOV R0,A INC R0 INC DPTR DJNZ R5,DISPTSFLOOP:LCALL DISP ;调显示子程序显示提示符“P.” LCALL KEY JB 20H.0,KEYA ;是KEYA键，转KEYA执行 JB 20H.1,KEYB ;是KEYB键，转KEYB执行 JB 20H.2,KEYC ;是KEYC键，转KEYC执行 JB 20H.3,KEYD 是KEYD键，转KEYD执行LJMP TSFKEYB:LJMP KEYBBKEYC:LJMP KEYCCKEYD:LJMP KEYDD;*KEY

25、A: CLR 20H LCALLMIE LCALLDISPDISBI1:MOV DPTR, #DISBI ;字符“60”首地址 MOV R5, #08H MOV R0, #78HDISPTSG:CLR A ;开始显示60 MOVC A, A+DPTR MOV R0, A INC R0 INC DPTR DJNZ R5, DISPTSG MOV 7BH,#9 MOV 7CH,#5DAO: MOV P3,#7BH LCALLDISP;60S数码管倒计时 LCALLTIME_500MS LCALLTIME_500MS DEC 7BH ;个位减一 LCALL KEY JB 20H.0, KEYA;是K

26、EYA键，转KEYA执行 JB 20H.1, KEYB;是KEYB键，转KEYB执行 JB 20H.2, KEYC;是KEYC键，转KEYC执行 JB 20H.3, KEYD;是KEYD键，转KEYD执行 MOV A, 7BH CJNE A, #0FFH, DAO ;如果秒个位不等于0，返回继续运算； MOV 7BH,#9 DEC 7CH MOV R6,7CH CJNE R6, #0FFH, DAO ;个位等于0，十位不等于0，转移DISBJ1:LCALL DISP MOV DPTR, #DISBJ ;3的首地址 MOVR5,#08H MOVR0,#78HDISPTSH:CLRA MOVC A

27、,A+DPTR MOVR0, A INCR0 INCDPTR DJNZ R5, DISPTSH MOV R4, #3 MOV P3, #75H ;主通道黄灯亮，次通道红灯亮SHAN55:DEC7BH MOV P3, #75H LCALLDISP LCALLTIME_500MS LCALLKEY JB 20H.0, KEYA0 ;是KEYA键，转KEYA执行 JB 20H.1, KEYB0 ;是KEYB键，转KEYB执行 JB 20H.2,KEYC0 ;是KEYB键，转KEYC执行 JB 20H.3, KEYD0 ;是KEYD键，转KEYD执行 MOV P3, #7FH LCALLTIME_50

28、0MS LCALLKEY JB 20H.0, KEYA0 ;是KEYA键，转KEYA执行 JB 20H.1, KEYB0 ;是KEYB键，转KEYB执行 JB 20H.2,KEYC0 ;是KEYB键，转KEYC执行 JB 20H.3, KEYD0 ;是KEYD键，转KEYD执行 DJNZ R4, SHAN55 ; 循环3次 LJMP DISBK1KEYA0:LJMP KEYAKEYB0:LJMP KEYBKEYC0:LJMP KEYCKEYD0:LJMP KEYD DISBK1:MOV DPTR, #DISBK ;字符“30”序号的首地址 MOV R5, #08H MOV R0, #78HDI

29、SPTSI:CLR A MOVC A, A+DPTR MOV R0, A INC R0 INC DPTR DJNZ R5, DISPTSI ;字符“30”序号的首地址 MOV 7BH,#9 MOV 7CH,#2 LCC:MOV P3,#0CFH ACALL DISP ;30S数码管倒计时 LCALLTIME_500MS LCALLTIME_500MS DEC 7BH LCALL KEY JB 20H.0, KEYA1 ;是KEYA键，转KEYA执行 JB 20H.1, KEYB1 ;是KEYB键，转KEYB执行 JB20H.2, KEYC1 ;是KEYB键，转KEYC执行 JB 20H.3,

30、KEYD1 ;是KEYD键，转KEYD执行 MOV A,7BH CJNE A,#0FFH,LCC ;如果秒个位不等于0，返回继续运算； MOV 7BH,#9 DEC 7CH MOV R6,7CH CJNE R6,#0FFH,LCC ;个位等于0，十位不等于0，转移 LJMP FF KEYA1:LJMP KEYA KEYB1:LJMP KEYBB KEYC1:LJMP KEYCC KEYD1:LJMP KEYDD FF: LCALLDISP ;字符“3 ”的首地址 MOV DPTR, #DISBJ MOV R5,#08H MOV R0,#78HDISPTSJ:CLR AMOVC A,A+DPTR

31、MOVR0, AINCR0INCDPTRDJNZ R5,DISPTSJ MOV R4, #3 MOV P3, #0ADHSHAN2:DEC7BH MOV P3, #0AFH LCALLDISP LCALLTIME_500MS LCALLKEY JB 20H.0, KEYA2;是KEYA键，转KEYA执行 JB 20H.1, KEYB2;是KEYB键，转KEYB执行 JB 20H.2, KEYC2;是KEYB键，转KEYC执行 JB 20H.3, KEYD2;是KEYD键，转KEYD执行 MOV P3,#0EDH LCALLTIME_500MS LCALLKEY JB 20H.0, KEYA2;

32、是KEYA键，转KEYA执行 JB 20H.1, KEYB2 ;是KEYB键，转KEYB执行 JB20H.2, KEYC2 ;是KEYB键，转KEYC执行 JB 20H.3, KEYD2 ;是KEYD键，转KEYD执行 DJNZR4, SHAN2 LJMP LCB KEYA2:LJMP KEYA KEYB2:LJMP KEYBB KEYC2:LJMP KEYCC KEYD2:LJMP KEYDD LCB: LJMPDISBI1 RETKEYBB:MOV P3,#0FFH LJMP TSF ;返回显示P RETKEYCC:CLR 20H LCALL MIE LCALL DISPDISBI10:M

33、OV DPTR, #DISBG ;字符“10”序号的首地址 MOV R5, #08H MOV R0, #78HDISPTS10:CLR A MOVC A, A+DPTR MOV R0, A INC R0 INC DPTR DJNZ R5, DISPTS10 ;字符“30”序号的首地址 MOV 7BH,#9 MOV 7CH,#0DAO10:ACALL DISP ;10S数码管倒计时 MOV P3,#6FH LCALL TIME_500MS MOV P3,#6DH LCALL TIME_500MS DEC 7BH LCALL KEY JB 20H.0, KEYA2 ;是KEYA键，转KEYA执行

34、JB 20H.1, KEYB2;是KEYB键，转KEYB执行 JB 20H.2, KEYC2;是KEYB键，转KEYC执行 JB 20H.3, KEYD2;是KEYD键，转KEYD执行 MOV A,7BH CJNE A,#0FFH,DAO10 ;如果秒个位不等于0，返回继续运算； MOV P3,#0FFH LJMP LOOP RETKEYDD:LJMP KEYC;次干道紧急 RET;*;常数表格区;系统初始化后提示符“P.”字符代码表DISBH: DB 10H,10H,10H,10H,10H,10H,10H,11H ;提示符“P.”字符序号DISBI:DB 10H,10H,10H,00H,06H,10H,10H,10H ;数字“60”的序号DISBJ:DB 10H,10H,10H,03H,00H,10H,10H,10H ;数字“3”的序号DISBK:DB 10H,10H,10H,00H,03H,10H,10H,10H ;数字“30”的序号DISBG:DB 10H,10H,10H,00H,01H,10H,10H,10H ;数字“10”的序号;显示字符段选码表(共阳极代码)TAB: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H ;0-8 DB 90H,88H,83H,