西安科技大学单片机交通灯系统课程设计报告

1、 电控学院单片机课程设计报告 院 （系）： 电气与控制工程学院 专业班级： 10级测控1班 课题名称： 基于单片机的交通信号灯系统 姓 名： 指导老师： 王建 刘晓荣 2013年7月18日目录摘 要11 绪 论21.1 交通信号灯的起源及发展21.2 交通信号灯的概述21.3 单片机概述31.4 芯片介绍32 课题分析62.1 功能要求62.2 设计思路73 系统总体设计83.1 硬件实现83.2 软件实现84 硬件设计94.1 控制器选择94.2 输入电路94.3 输出电路94.4 控制电路104.5 报警电路104.6 电源选择105 软件设计115.1 交通信号灯显示程序设计115.2

2、LED倒计时显示程序设计115.3 紧急事件中断子程序设计125.4 夜间模式中断子程序设计136 心得体会14参考文献16附录17附录一：电气原理图17附录二：实物图17附录三：程序18摘 要交通信号灯是交通信号中的重要组成部分，是道路交通的基本语言。交通信号灯由红灯（表示禁止通行），绿灯（表示允许通行），黄灯（表示警示）组成。本文根据现有交通信号灯的运行情况设计了一种智能交通信号灯控制系统。本设计系统采用了MCS-51单片机进行交通路口的交通信号灯的管理。它采用简单的硬件电路模拟交通信号灯的交替变换，配合MCS-51单片机完成了不同状况下对应的工作方式（正常模式，夜间模式），还设置了紧急事

3、件报警和处理功能。本系统设计先制作了硬件电路，然后对系统软件进行了设计，其中包括以下几个部分：主程序，时间和交通信号灯的显示子程序以及中断子程序。系统软件和硬件联合调试成功，效果良好。关键词：MCS-51单片机；交通信号灯；工作方式。1 绪 论1.1 交通信号灯的起源及发展红绿灯（交通信号灯）是以规定时间交互更迭的光色讯号，设置于交岔路口或其它特殊地点，用以将道路通行权指定给车辆驾驶人与行人，管制其行止及转向的交通管制设施。以红、黄、绿三色灯号或辅以音响，指示车辆及行人停止、注意与行进。红绿灯的起源可追溯到19世纪初的英国。那时，在英国的约克城，着红装的女人表示“已婚”，而着绿装的女人则是“未

4、婚”。当时，伦敦议会大厦前经常发生马车轧人的事故。受红绿装启发，英国机械师德·哈特于1868年设计了红、绿两色的煤气交通信号灯，由一名手持长杆的警察通过牵动皮带来转换灯的颜色。可惜的是，这盏灯的历史只有23天，中断的原因是煤气灯突然爆炸使一位警察殉职。1914年，克里夫兰市率先在街道中恢复交通信号灯，随后纽约、芝加哥等城市也开始出现。这时的交通信号灯已从煤气进化为电气，这与现代的交通信号灯已经没有多少差距，除了信号灯本身，美国人还完善了信号控制系统。1968年，联合国道路交通和道路标志信号协定对各种信号灯的含义作了规定：绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以相应的直行、左转弯或右转弯，除

5、非另一种标志禁止某一种转向。转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆，过人行横道的行人更要优先通行；红灯是禁行信号，面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车；黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线，但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。此后，这一规定在全世界开始通用。红绿灯作为城市道路交通资源的分配器，科学的设置才是确保有序交通秩序的应有之义。然而，红绿灯设置不合理，或维护不当现象时有发生，甚至造成严重的交通事故。随着红绿灯的普及，各式各样的人性化的创意红绿灯也在各国层出不穷。自助红绿灯、触摸红绿灯、语音红绿灯等接连出现。1.2 交通信号灯的概述 道路交通信号灯是交

6、通安全产品中的一种类别，是为了加强道路交通管理，减少交通事故的发生，提高道路使用效率，改善交通状况的一种重要工具。适用于十字、丁字等交叉路口，由道路交通信号控制机控制，指导车辆和行人安全有序地通行。交通信号灯的种类主要有:机动车道信号灯,人行横道信号灯,非机动车道信号灯,方向指示信号灯,移动式交通信号灯,太阳能闪光警告信号灯,收费站天棚信号灯。交通信号灯是交通信号指挥中的重要组成部分，是道路交通的基本语言。交通信号灯由红灯（表示禁止通行）、绿灯（表示允许通行）、黄灯（表示警示）组成。分为：机动车信号灯、非机动车信号灯、人行横道信号灯、车道信号灯、方向指示信号灯、闪光警告信号灯、道路与铁路平面交

7、叉道口信号灯。广泛用于公路交叉路口，弯道、桥梁等存有安全隐患的危险路段，指挥司机或行人交通，促进交通畅通，避免交通事故和意外事故发生。1.3 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、存储器和并行I/O接口、中断系统、时钟电路等。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、三代的发展，目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展，它们的CPU功能在增强，内部资源在

8、增多，引角的多功能化，以及低电压底功耗。1.4 芯片介绍 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(RAM)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

9、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4KB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

10、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。单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛(Harvard)结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿(Princeton)结构。INTEL的MCS-51系列单片机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品16位的MCS-96系列单片机则采用普林斯顿结构。图1-1：MCS-51单片机结构图 图1-2：MCS-51单片机

11、实物图2 课题分析2.1 功能要求（1） 实现基本交通信号灯交替变换的基本功能。 最终方案：利用软硬件协调实现。（2） 实现夜间模式和正常模式的转换。 方案一：利用光敏传感器模块实现 优点：实现自动切换工作模式，无需人力，满足实际需要。 缺点：硬件价格昂贵。方案二：利用手动开关模拟实现 优点：硬件价格便宜，可模拟实现模式切换功能。 缺点：必须人工手动调节才能实现模式切换，不切实实际。方案三：利用光敏电阻实现 优点：硬件价格便宜，可自动实现模式切换功能。 缺点：在设计时错误估计光敏电阻在有光和无光两个状态的电阻值，有光时测得 阻值大约为5千欧，无光时测得阻值大约为25千欧，大约为有光时的5倍。由

12、于同光敏电阻相连的电阻阻值选择错误，导致功能实现失败。最终方案：利用开关模拟实现（3） 实现紧急事件时自动切换交通信号灯显示功能。 方案一：由于发生紧急事件时特殊车辆具有特殊车灯，利用光线传感器模块实现。 优点：实现自动进入紧急事件模式，无需人力。 缺点：硬件价格昂贵，而且每辆特殊车辆的高度，色彩颜色不同，所以利用光线传感器模块实现功能不切合现实的实际情况。 方案二：利用手动开关实现 优点：硬件价格便宜，可模拟实现模式切换功能。 缺点：必须人工手动调节才能实现功能实现，不切实实际。最终方案：利用开关模拟实现。（4） 实现紧急事件时自动报警功能。最终方案：利用蜂鸣器配合程序实现。（5） 实现人行

13、道灯与交通信号灯协调显示。最终方案：利用发光二极管配合程序实现。2.2 设计思路（1）分析目前交通路口的基本控制技术以及各种通行方案，并以此为基础提出自己的交通控制的初步方案。（2）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，在这里，本设计除了有信号灯状态控制能实现基本的交通功能，还增加了倒计时显示提示，基于实际情况，又增加了紧急状况处理和夜间模式这两项特特殊功能。 （3）进行显示电路，灯状态电路，按键电路的设计和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。（4）进行软件系统的设计，对于本系统，本人采用单片机汇编语言编写，对单片机内

14、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。3 系统总体设计3.1 硬件实现（1） 进入紧急事件模式。（2） 正常模式和夜间模式的选择。（3） 紧急事件报警。3.2 软件实现（1） 交通信号灯的交替变换。（2） 人行道灯的显示。（3） 二位一体数码管的显示。（4） 各种模式下交通信号灯的显示。4 硬件设计4.1 控制器选择方案一：利用MCS-51开发板（自带11.0592MHz晶振和复位电路）。 优点：开发板为自己之前制作的可直接使用，便于硬件设计。方案二：自行重新设计最小系统。 优点：重温单片机最小系统，加深对单片机的了解和应用。 缺点：制作麻烦，占

15、用时间长。最终方案：利用MCS-51开发板（自带11.0592MHz晶振和复位电路）。4.2 输入电路方案一：直接在I/O口线上接上单刀双掷开关。 优点：利用开关模拟各种情况，简单实用，价格便宜。 缺点：仅实现模拟功能，需要人工操作，不符合实际需要。方案二：利用光敏和光线传感器模块等 优点：利用传感器模块可以自动进入不同工作模式，无需手动。 缺点：价格昂贵，与现实情况不符。最终方案：利用单刀双掷开关。4.3 输出电路 方案一：利用二位一体数码管LED显示 优点：连线方便，程序简单。 缺点：仅有限的符号和数码字符。 方案二：利用点阵式LED显示。 优点：功能强大，可显示各种英文字符，汉字和特殊符

16、号等。 缺点：价格昂贵，实现复杂，需要大量软件工作。最终方案：利用二位一体数码管LED显示。4.4 控制电路最终方案：利用二极管和单片机的高低电平配合控制二极管的点亮，熄灭和二位一体数码管的显示。4.5 报警电路最终方案：利用有源蜂鸣器，开关及单片机的配合实现蜂鸣器在不同工作模式下的启动和关闭。4.6 电源选择 方案一：采用独立的稳压电源供电。 优点：稳定可靠。 缺点：使系统复杂，有可能影响电路的电平。 方案二：利用单片机控制模块供电。 优点：系统简单，节约成本。 缺点：输出功率不高，当负载过多时，单片机有可能带不起来。最终方案：利用单片机控制模块供电。5 软件设计5.1 交通信号灯显示程序设

17、计在本系统中，实际控制的灯有8个，分别是东西红灯，东西绿灯，东西黄灯，南北红灯，南北绿灯，南北黄灯，南北人行道红灯，南北人行道绿灯分别由单片机的P0.3，P0.4，P0.5，P0.0，P0.1，P0.2,P0.6.P0.7控制。有以下几种状态：东西红灯，南北绿灯，人行道红灯0B5H ； 东西红灯，南北黄灯，人行道红灯0B3H； 南北红灯，东西绿灯，人行道绿灯6EH； 南北红灯，东西黄灯，人行道绿灯5EH。部分程序如下：/东西红，南北绿，计时时间为15s MOV P1,#0B5H MOV 60H,61HA1: MOV R1,#50A2: ACALL BCD ACALL DISPCLK DJNZ

18、R1,A2 MOV A,60H MOV R0,60H ADD A,#99H DA A MOV 60H,A CJNE R0,#05H,A15.2 LED倒计时显示程序设计LED计时每1秒都要刷新1次，采用的是动态显示，首先将R4除以10H，整数即十位放在50H中，余数即个位放在51H中，设置7段LED显示数据的数据表，用数据指针寄存器DPTR指向数据表的首地址，再加上A中的偏移量，就可以指向十位数字，然后送显即可，个位显示同理。具体程序如下：BCD: MOV A,60H MOV B,#10H DIV ABMOV 51H,AMOV A,BMOV 50H,ARETDISPCLK: MOV DPTR,

19、#TAB MOVA,50H MOVCA,A+DPTR MOVP0,A CLRP2.6 LCALLDELAY SETBP2.6 MOVA,51H MOVCA,A+DPTR MOVP0,A CLRP2.7 LCALLDELAY SETBP2.7 RET5.3 紧急事件中断子程序设计紧急事件按键连接到外部中断引脚P3.3，即INT1捕获到一个低电平，则进入该中断进行相关处理。程序如下：XX:MOV 80H,P1 MOV 81,P0 PUSH 80HPUSH 81H MOV P1,#0DBH LCALL DELAYPOP 81HPOP 80HMOV P1,80HMOV P0,81HRETI5.4 夜间

20、模式中断子程序设计夜间模式按键连接到外部中断引脚P3.2，即INT0捕获到一个低电平，则进入该中断进行相关处理。程序如下：YY:MOV 70H,P1 MOV 71H,P0 PUSH 70HPUSH 71H MOV P1,#0B6HLCALL DELAYPOP 71HPOP 70HMOV P1,70HMOV P0,71H RETI6 心得体会（1）在这次单片机课程设计中，我主要负责软件编写，调试和报告的撰写。在这次设计过程中，我学到了很多，也发现了自己的不足。第一，不懂变通，死板硬套实验指导书上的程序；第二，我对数码管倒计时和交通信号灯交替变换显示的编程知识的不足；第三，轻信网上的信息。我之前从

21、网上查到二位一体数码管的管脚图，后来总是显示错误，后来用万用表的一个表笔接在数码管的任意管脚，万用表的另一个表笔在数码管其他管脚划一下，来判断数码管的管脚，才发现网上给的是错误的；第四，我对数码管的控制电路知识不足，平常很少参加实践活动；第五，为了实现外部中断低电平触发，我最早用了一个单刀单掷开关。开关的一端接在P3.2上，一端接在地上。中断失灵时不灵。后来发现因为管脚悬空是高阻状态，用万用表测时有可能是1又有可能是0，换成了单刀双掷开关。一端接在地上，一端接在电源端，一端接在P3.2上，实现了中断功能。第六，开始对自己报以太大的信心，所有电路图全是自己设计的，后来才发现就是这个自认为简单的设

22、计里包含了很多未曾接触的知识，每走一步前面都是一座山。通过这次课程设计，我发现自己在理论和实践知识的不足。（2）本学期在学院的安排下我们学习了单片机的理论知识,这门课程是我们测控专业的主修课程。虽然我们学的都是一些简单的知识，注重学习如何去分析和研究一款单片机的功能和内部结构等，但学习的过程中还是有一定的困难。在理论课结束后老师为我们安排了单片机的课程设计实习。本次课程实习我们两个人组，我主要负责硬件的设计和调试以及电路的焊接，另一个同学负责软件的编写和调试。这次实习对于我来说还是有一定难度的，因为几乎没有什么实际经验而不像有的同学以前参加过电子设计大赛。他们做起来感觉得心应手可以说是一气合成

23、，而我却经历了焊接调试发现错误重新焊接再次调试这些反复的操作过程，有的器件最多反复焊接过三次，最终才得到相对满意的结果。就比如说本次设计中电路板的焊接，由于我们用的是二位一体共阳数码管而不是一开始准备用的一位共阳数码管。在焊接时没有具体的焊接电路图,在网上查了二位一体共阳数码管的接线图，当焊接好以后发现网上的接线图有错误，因此我们只能自己用万用表来测试每一个拐角的接线方法。这样就只好把之前焊接好的数码管拆下来重新焊接，在经过焊接发现错误重新焊接之后，数码管的基本连接终于完成。另外在我们设计的交通灯模拟系统中有一个模拟对人行道上的行人提醒的功能，我们用的是五个绿色二极管组成显示一个人字表示行人可

24、以通过和五个红色二极管组成显示叉，表示行人禁止通行。但由于一开始焊接时没有考虑二极管的供电问题，就将五个二极管串联在一起（含限流电阻），结果在通电调试时发现二极管不亮。我们经过调试发现用三节干电池只能为两个串联的二极管供电，因此我们就将五个二极管并联再与限流电阻串联后接在供电装置上，从而实现该模块的功能。除以上的一些问题外，还有一些功能用原先设计好的器件无法实现，只好换用其他器件。比如我们本来打算用单片机端口来控制蜂鸣器结果由于供电电压不足就只能用开关直接控制，在设计过程中还出现了一些别的问题，但经过我们的努力最后都解决。基本上实现了我们想设计的所有功能。通过这次课程设计，虽然学到了不少东西不

25、管是硬件焊接还是软件的编写和调试，但同时也发现了自身的不足。就比如说实际动手能力吧。焊接同样的一块电路板，经常做的同学可能有一上午就可以焊接好，而我却需要差不多一天的时间还不能保证还接完全正确。希望通过这次实习可以对自己的操作能力有所提高。参考文献1 柴钰 单片机原理应用，西安电子科技大学出版社 20092 柴钰 刘晓荣 QTH-2008XS单片机实验指导书，西安科技大学出版社附录附录一：电气原理图附录二：实物图附录三：程序 ORG 0000H LJMP START ORG 0003H LJMP XX ORG 0013H LJMP YY ORG 0030HSTART: SETB EA SETB

26、 EX0 SETB EX1 CLR IT0 CLR IT1 MOV SP,#6FH ;系统初始化 MOV 61H,#20H MOV 60H,61HLIGHT: MOV P1,#0B5H ;东西红，南北绿，计时时间为15s MOV 60H,61HA1: MOV R1,#50A2: ACALL BCD ACALL DISPCLK DJNZ R1,A2 MOV A,60H MOV R0,60H ADD A,#99H DA A MOV 60H,A CJNE R0,#05H,A1 MOV P1,#0B3H ; 东西红，南北黄灯闪烁5s MOV R2,#5 A3: MOV R1,#50 A4: ACALL BCD ACALL DISPCLK DJNZ R1,A4 CPL P1.2 MOV A,60H ADD A,#99H DA A MOV 60H,A DJNZ R2,A3 MOV P1,#06EH ;东