单片机控制交通灯

1、河北建筑工程学院单片机课程设计单片机控制交通灯系别：电气工程系班级：姓名：学号：指导教师：职称： 2012年 2 月 26 日目 录 第一章 绪 论3 第二章 交通控制系统的功能要求及方案42.1 系统设计要求42.2 单片机交通控制系统的功能要求   42.3 单片机交通控制系统方案比较5 2.3.1 电源方案 5 2.3.2 显示界面方案 52.3.3 输入方案6 第三章 系统总体设计      73.1 单片机交通控制系统的基本构成及原理 73.2 单片机交通控制系统的通行方案设计 83.

2、3 倒计时显示电路设计 93.4硬件电路 93.4.1 AT89S51单片机简介 103.4.2 八段LED数码管 113.4.3 其它器件123.5 软件设计 133.5.1 并行口的扩展 133.5.2 显示原理 143.5.3 8255PA口输出信号接信号灯 143.5.4 软件延时原理 143.5.5 中断原理143.5.6 系统总流程图 16参考文献 17附录 18第一章 绪 论自从1858年英国人，发明了原始的机械扳手交通灯之后，随后的一百多年里，交通灯改变了交通路况，也在人们日常生活中占据了重要地位，随着人们社会活动日益增加，经济发展，汽车数量急剧增加，城市道路日渐拥挤，交通灯更

3、加显示出了它的功能，使得交通得到有效管制，对于交通疏导，提高道路导通能力，减少交通事故有显著的效果。近年来，随着科技的飞速发展，电子器件也随之广泛应用，其中单片机也不断深入人民的生活当中。本模拟交通灯系统利用单片机AT89S51作为核心元件，实现了通过信号灯对路面状况的智能控制。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，有广泛的应用前景。本模拟系统由单片机硬/软件系统，两位8段数码管和LED灯显示系统。和复位电路控制电路等组成，较好的模拟了交通路面的控制。第二章 交通控制系统的功能要求及方案2.1 系统设计要

4、求利用单片机控制交通灯，实现三种情况下的控制，正常情况下双方向轮流点亮交通灯，如表2.1所示：东西方向南北方向状态说明红灯黄灯绿灯红灯黄灯绿灯灭灭亮亮灭灭东西方向通行，南北方向禁行灭灭闪烁亮灭灭东西方向警告，南北方向禁行灭亮灭亮灭灭东西方向警告，南北方向禁行亮灭灭灭灭亮东西方向禁行，南北方向通行亮灭灭灭灭闪烁东西方向禁行，南北方向警告亮灭灭灭亮灭东西方向禁行，南北方向警告表2.1 交通灯状态说明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，通行时间调整和紧急处理等功能。（1）倒计时显示倒计时显示可以提醒驾驶员

5、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）时间的设置本设计中可通过键盘对时间进行手动设置，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I0口资源，一般用于按键数量少

6、的系统。后者适用于按键数量较多的场合，但是在单片机I0 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I0口足够，可直接采用独立式。（3）紧急处理 交通路口出现紧急状况在所难免，如特大交通事故发生，通过按键使南北东西交通灯全部显示红灯。 2.3 单片机交通控制系统方案的比较2.3.1 电源方案为使模块稳定工作，须有可靠电源。因此考虑了两种电源方案：方案一：采用独立的稳压电源。此方案的优点是稳定可靠，且有各种成熟电路可供选用；缺点是各模块都采用独立电源，会使系统复杂，且可能影响电路电平。方案二：采用单片机控制模块提供电源。改方案的优点是系统简明，节约成本；

7、缺点是输出功率不高。综上所述，我选择第二种方案。2.3.2 显示界面方案该系统要求完成倒计时、状态灯等功能。基于上述原因，我们考虑了三种方案：方案一：完全采用数码管显示。这种方案只显示有限的符号和数码字符，无法胜任题目要求。方案二：完全采用点阵式LED 显示。这种方案实现复杂，且须完成大量的软件工作；但功能强大，可方便的显示各种英文字符，汉字，图形等。方案三：采用数码管与点阵LED 相结合的方法因为设计既要求倒计时数字输出，又要求有状态灯输出等，为方便观看并考虑到现实情况，用数码管与LED灯分别显示时间与提示信息。这种方案既满足系统功能要求，又减少了系统实现的复杂度。权衡利弊，第三种方案可互补

8、一二方案的优缺，我们决定采用方案三以实现系统的显示功能。2.3.3 输入方案系统要求能手动设灯亮时间、紧急情况处理，我们讨论了两种方案：方案一：采用8255扩展I/O 口及键盘，显示等。该方案的优点是：使用灵活可编程，并且有RAM,及计数器。若用该方案，可提供较多I/O 口,但操作起来稍显复杂。方案二： 直接在IO口线上接上按键开关。因为设计时精简和优化了电路，所以剩余的口资源还比较多，我们使用按键K1由于该系统对于交通灯及数码管的控制，只用单片机本身的I/O 口就可实现，且本身的计数器及RAM已经够用，故选择方案二。第三章 单片机交通控制系统总体设计由于AT89S51单片机自单带有2计数器，

9、6个中断源，能满足系统的设计要求。用单片机设计不但设计简单，而且成本低，用其设计的交通灯也满足了要求，所以本文采用AT89S51单片机设计交通灯。3.1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，加入了紧急情况处理与时间调整功能。交通灯系统由四部分组成：外围接口电路，信号灯电路，时间显示电路，按键控制电路。系统的总体框图如下：AT89S51单片机最小系统外围接口电路LED数码管显示红黄绿信号灯按键控制电路图3.1 系统的总体框图据此

10、，本设计系统以单片机为控制核心，连接成最小系统，由按键设置模块产生输入，信号灯状态模块，LED倒计时模块接受输出。系统的总体框图如上图所示。单片机上电后，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。在此过程中随时调用急停按键和时间调节中断。3.2 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，在任何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:图3.2 交通状态示意图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：东西方向红灯灭，同时绿灯亮，

11、南北方向黄灯灭，同时红灯亮，倒计时30秒。此状态下，东西向禁止通行，南北向允许通行。东西方向绿灯灭，同时黄灯亮，南北方向红灯亮，倒计时5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。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30秒。此状态下，东西向允许通行，南北向禁止通行。南北方向绿灯灭，同时黄灯亮，东西方向红灯亮，倒计时5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。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。3.3 倒计时显示电路设计在交通信号灯的正上方安

12、装一个可以显示绿灯通行时间，红灯等待时间的显示电路，采用数码管显示电路是一种很好的方法。由于东往西方向和西往东方向显示的时间相同，南往北方向和北往南方向显示的时间也相同，所以只需要考虑四位数码管显示电路，其中东西方向两位，南北方向两位，两位数码管可以时间的时间为0-99秒完全可以满足系统的要求，数码管连接方法如图3.3所示:图3.3 数码管连接方法3.4 硬件电路系统总体原理图如附录A3.4.1 AT89S51单片机简介 AT89S51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。128×8位内部RAM，32可编程I/O线，两个16位定时

13、器/计数器，5个中断源（两个外部中断源和3个内部中断源） ，可编程串行通道，低功耗的闲置和掉电模式，片内振荡器和时钟电路。 ·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。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中， AT89S51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉方案3.4.2 八段LED数码管LED

14、显示屏作为大型显示设备的一种，具有亮度高、价格低、寿命长、维护简便等优点。LED数码管的结构简单，分为七段和八段两种形式，也有共阳和共阴之分。以八段共阳管为例，它有8个发光二极管(比七段多一个发光二极管，用来显示sP，即点)，每个发光二极管的阳极连在一起，如图（图3.4）所示。这样，一个LED数码管就有I根位选线和8根段选线，要想显示一个数值，就要分别对它们的高低电平来加以控制。为方便起见，本文主要讨论共阳八段LED数码显示管，其他类形的显示管与其类似。图3.4 LED数码管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 dp，g，f，e，d，c

15、，b，a全亮显示为8，采用共阳极连接驱动代码，代码表如下表所示:显示数值dp，g，f，e，d，c，b，a驱动代码011000000C0H111111001F9H210100100A4H310110000B0H41001100199H51001001092H61000001082H711111000F8H81000000080H91001000090H表3.1 驱动代码表相应在程序软件上，可以通过调用程序给定的秒值经过特定计算算出需要显示的个位和十位，然后有DPTR调取LEDMAP的代码。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

16、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。3.4.3 其它器件（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，如下图所示：图3.5 信号灯的连接（2）紧急按键控制电路本设计设置了有1个键：该按键一端接地，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。3.5 软件设计3.5.1 并行口的扩展 AT89S51虽然有4个8位I/O端口,但真正能提供借用的只有P1口,因为

17、P2和P0口通常用于传送外部传送地址和数据,P3口也有它的第二功能。因此，AT89S51通常需要扩展。由于我们用外部输入设定红绿灯倒计时初值、数码管的输出显示、红绿黄信号灯的显示都要用到一个I/O端口，显然AT89S51的端口是不够，需要扩展。 扩展的方法有两种：（1）借用外部RAM地址来扩展I/O端口；（2）采用I/O接口新片来扩充。用8255并行接口信片来扩展I/O端口。3.5.2 显示原理当定时器定时为1秒，时程序跳转到时间显示及信号灯显示子程序，它将依次显示信号灯时间 ，同时一直显示信号灯的颜色，这时在返回定时子程序定时一秒，在显示黄灯的下一个时间，这样依次把所有的灯色的时间显示完后在

18、重新给时间计数器赋初值 ，重新进入循环。 3.5.3 8255PA口输出信号接信号灯 由于发光二极管为共阳极接法，输出端口为低电平，对应的二极管发光，所以可以用置位方法点亮红，绿，黄发光二极管。延时方法可以有两种一中是利用MCS-51内部定时器产生溢出中断来确定1秒的时间，另一种是采用软件延时的方法。3.5.4 软件延时原理AT89S51单片机的工作频率为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

19、的指令执行时间可以忽略不计。3.5.5 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。以IT0为例，IT0=0，为电平触发方式，IT0=1，为负边沿触发方式，本设计采用电平方式，IE0为其中断标志位，有中断信号则置位，中断服务子程序响应后，IE0自动清零。IE中的EA为允许中断的总控制位，为1开启，EX0为外部中断允许控制位，为1开启。在优先级的允许下，一旦有外部中断信号产生，

20、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。3.5.6 系统总流程图 开始初始化，置初值，设置工作方式东西绿灯亮，南北红灯亮东西绿灯闪烁，南北红灯亮东西黄灯亮，南北红灯亮东西红灯亮，南北绿灯亮东西红灯亮，南北绿灯闪烁东西红灯亮，南北黄灯亮调用显示程序，将时间送显示 中断处理子程序处理返回参考文献l边海龙，孙永奎. 单片机开发与典型工程项目实例详解J.电子工业出版社，2008，(10)：143-160.2张鑫，华臻，陈书谦. 单片机原理及应用J.电子工业出版社，2008(5).3

21、黄智伟.凌阳单片机课程设计指导J. 北京航空航天大学出版社，2007，4余锡存 曹国华.单片机原理及接口技术M.陕西:西安电子科技大学出版社,2000.75雷丽文 等.微机原理与接口技术M.北京：电子工业出版社，1997.6柴钰.单片机原理和应用M.西安电子科技大学出版社.7张靖武.单片机系统的PROTUSE设计和仿真M.电子工业出版社.2007.8唐 工.51单片机工程应用实例M.9张毅坤. 单片微型计算机原理及应用，西安电子科技大学出版社 1998 10余锡存 曹国华.单片机原理及接口技术M.陕西:西安电子科技大学出版社,2000.17附 录附录A：系统总体原理图附录B：系统程序清单ORG

22、 0000H LJMP START ORG 0003H LJMP INT0 ORG 0040HSTART: MOV SP,#60H SETB EX0 SETB IT0 SETB EA LCALL DYZ0 DY: LCALL DYZ1 LCALL DYZ2 LCALL DYZ3 LCALL DYZ4 LJMP DYINT0: PUSH PSW PUSH 02H PUSH ACC MOV DPTR,#8300H MOV A,#0FH MOVX DPTR,A MOV R2,#100 LCALL DELAY POP ACC MOVX DPTR,A PUSH 02H POP PSW RETIDYZ0: MOV DPTR,#8300H MOV A,#0FH MOVX DPTR,A MOV R2,#50 LCALL DELAY RET