交通信号灯模拟控制系统设计.doc

百色职业学院毕业论文
百色职业学院
电气自动化技术专业毕业论文
论文题目：交通信号灯模拟控制系统设计
学生姓名:
学 号：
指导教师：
专 业:电气自动化技术
年 级:
设计时间：2011年8月25日 -—2011年10月19日
百 色 职 业 学 院
百色职业学院电气工程系
毕业论文声明
本人郑重声明:所呈交的毕业论文,是本人在老师指导下，进行实践工作所完成的。除文中已经注明引用的内容外,本论文的成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明.本论文声明的法律责任由本人承担.
签名
X年X月X日
目 录
前言……………………………………………………………………………………3
第一章 交通信号灯的系统设计方案与论证………………………………………4
1。1 系统设计方案的选择与论证…………………………………………………4
1。2 系统设计要求…………………………………………………………………4
第二章 单片机简介…………………………………………………………………4
2。1 单片机的发展历程……………………………………………………………5
2。2 单片机的特点…………………………………………………………………6
2。3 AT89C51单片机简介 …………………………………………………………6
2。3。1 主要性能参数……………………………………………………………7
2.3。2 功能特性概述……………………………………………………………7
2.3.3 引脚功能…………………………………………………………………8
2.3。4 极限参数…………………………………………………………………8
第三章 交通信号灯的分析与设计…………………………………………………8
3。1 Keil软件的简介………………………………………………………………8
3.2 设计原理………………………………………………………………………9
3.3 硬件电路图设计………………………………………………………………9
3。4 软件设计………………………………………………………………………10
3.5 流程图设计……………………………………………………………………16
第四章 调试…………………………………………………………………………17
总结……………………………………………………………………………………17
致谢……………………………………………………………………………………18
参考文献………………………………………………………………………………19
附录……………………………………………………………………………………20
前 言
随着社会经济的快速发展，人们的生活水平也日益提高.城市交通也日益拥挤，维护社会稳定保障人们的人身、财物以及社会公共设施的安全已经成为人们生活的一部分。怎样才能有效的维护城市里井然的交通秩序呢?其十字路口的红绿灯不失为最有效的方法之一。为了更方便简捷的控制街道的通行,我们引出了自动控制技术。
本次毕业课题以十字路口交通信号灯为例,跟大家说说这门技术的强大功能以及它给人类生活带来的好处!
第一章 交通信号灯的系统总体设计方案与论证
1.1 系统设计方案的选择与论证
方案一：由普通的数字电路集成芯片组成
这种方案的特点是:硬件设计思路简单，但用元件多，电路比较复杂,焊接调试容易出错,而且不利于智能控制,调试时间电路复杂。
方案二：单片机控制
采用单片机控制，可提高电路的可靠性和稳定性，硬件电路比较简单,主要用软件来控制，控制方式灵活多样，能满足不同情况的控制,可利用中断等方式通过程序来方便的实现调试时间.
综合以上两种方案的特点，并结合自身的知识结构，本设计采用方案二，选择常用的AT89C51单片机构成。
1。2 系统设计要求
1、在双干线的“十字"路口上，交通信号灯的变化是定时的,其基本规律如下：
A:放行线：绿灯亮放行25秒，黄灯亮警告5秒,然后红灯亮禁行。
B：禁行线：红灯亮禁行30秒，然后绿灯亮放行.
2、控制东、西、南、北四个路口的红、黄、绿信号灯正常工作.
3、两条路交替成为放行线和禁行线。
4、有急救车优先通行控制。有急救车来时，所有路口信号灯全部变红，假定急救车通过时间为10秒，急救车过后，交通灯恢复先前状态。
5、能显示定时时间信息。
6、可用具体硬件实现，也可用PROTEUS软件仿真实现.
第二章 单片机简介
2.1 单片机的发展历程
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.
在MCS-51系列单片机中,有两个子系列：51子系列和52子系列。每个子系列有诺干中型号.51系列有8051、8751和8031三个型号，后来经过改进产生了80c51、87c51、80c31三个型号；52系列有5021、8752、8032三个型号,改进后的型号是80c52/87c52、80c32。改进后的型号更加省电。52系列比对应的51系列增加了定时器T2并将内部程序存贮器增加到8KB.Inter公司停止生产MCS-51系列单片机之后将生产权转让给了许多其他公司,于是出现了许多与Mcs—51兼容的单片机.现在生产mcs—51兼容单片机的公司对其进行了不同程度的改进和提高。我们现在使用比较的多的是AT89C51/AT89s51等。
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。
单片机经过1、2、3、3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，内部资源在增多,引角的多功能化,以及低电压底功耗
2。2 单片机的特点：
（1）性价比高，开发周期短，易于产品化，
（2）集成度高，可靠性好，抗干扰性强，
（3）功能完善,接口多样，
（4）低功耗、低电压
一般电源供电电压在5～3V范围内单片机都能正常工作,供电的下限可达1～2V。
(5）总线多样，易于扩展
单片机外部的典型三总线结构,方便系统构扩展，构成各种规模的应用系统.外部总线增加了I2C及SPI等串行总线方式, 可根据需要进行并行或者串行扩展。
2.3 AT89C51单片机简介
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机,片内含4KB的可反复擦写的程序存储器和128B的随机存取数据存储器（RAM）,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MCS—51指令系统,片内配置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C51单片机可灵活应用于各种控制领域。
2。3.1 主要性能参数
与MCS-51产品指令系统完全兼容
4KB可反复擦写Flash闪速存储器
1000次擦写周期
时钟频率范围：0Hz-24MHz
3级加密程序存储器
128＊8B内部RAM
32个可编程I/O接口线
2个16位定时/计数器
6个中断源
可编程串行UART通道
低功耗空闲和掉电模式
2.3。2 功能特性概述
AT89C51提供以下标准功能:4KB的Flash闪速存储器，128B内部RAM，32个I/O接口线，两个16位定时/计数器,一个5向量两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式.空闲方式停止CPU的工作,但允许RAM、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。
2。3。3 引脚功能
如图2—4所示AT89C51芯片引脚图
VCC：供电电压。
GND：接地。
P0口:P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流.当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高.
P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1"时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入.并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低，将输出电流.这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容.P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口:P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入.作为输入，由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
l P3.0 RXD（串行输入口）
l P3。1 TXD（串行输出口）
l P3。2 /INT0（外部中断0)
l P3.3 /INT1(外部中断1）
l P3。4 T0(记时器0外部输入）
l P3。5 T1（记时器1外部输入)
l P3。6 /WR(外部数据存储器写选通）
l P3。7 /RD（外部数据存储器读选通）
l P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
图2-4 AT89C51芯片引脚图
RST：复位输入.当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲.在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时, ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用.另外，该引脚被略微拉高.如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现.
/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H—FFFFH）,不管是否有内部程序存储器.注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源(VPP）。
XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入.
XTAL2：来自反向振荡器的输出。
2。3。4 极限参数
l 工作温度：-55℃—+125℃
l 储藏温度：-65℃—+15℃
l 任一引脚对地电压：-1.0V—+7。0V
l 最高工作电压：6。6V
l 直流输出电流：15。0mA
第三章 交通信号灯的分析与设计
3。1 Keil软件的简介
Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编语言相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C语言来开发，体会更加深刻。
Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具,可以完成从工程建立到管理、编译、链接、目标代码的生成、软件仿真、硬件仿真等完整的开发流程,全Windows界面。另外重要的一点，只要看汇编后生成的代码，就能体会到Keil 51生成的目标代码效率非常之高，而且可以附加灵活的控制选项，多数语句生成的汇编代码很紧凑,容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势.Keil C51集成开发环境的主要功能有以下几点：
²  µVision2 for Windows：是一个集成开发环境,它将项目管理、源代码编辑和程序调试等组合在一个功能强大的环境中;
²  C51国际际准化C交叉编译器：从C源代码产生可重定位的目标模块；
²  A51宏汇编器:从80C51汇编源代码产生可重定位的目标模块;
²  BL51链接器/定位器：组合由C51和A51产生的可重定位的目标模块，生成绝对目标模块；
²  LIB51库管理器：从目标模块生成连接器可以使用的库文件;
²  OH51目标文件至HEX格式的转换器，从绝对目标模块生成Intel Hex文件;
²  RTX-51实时操作系统：简化了复杂的实时应用软件项目的设计.
这个工具套件是为专业软件开发人员设计的，但任何层次的编程人员都可以使用,并获得80C51单片机的绝大部分应用.
3.2 设计原理
通常情况下,东西路口和南北路口交替通车。交通灯的亮灭规律：东西路口的绿灯亮,南北路口的红灯亮，东西方向通车，延时一段时间后，东西路口绿灯灭，黄灯开始闪烁。闪烁若干次后,东西路口红灯亮,而同时南北路口的绿灯亮，南北方向开始通车，延时一段时间后,南北路口的绿灯灭,黄灯开始闪烁。闪烁若干次后,再切换到东西路口方向，重复上述过程。
有急救车通过时,东西路口和南北路口两个方向上均不允许通车.让急救车通过。交通灯的亮灭规律：东西路口和南北路口两个方向上的红灯亮，延时一段时间后，交通灯恢复到急救车来到之前的状态。
3.3 硬件电路图设计
硬件电路图通过Proteus 7。5 SP3仿真之后如图1所示，其中:
l 东西方向绿灯所运行的状态如附录中图3所示；
l 南北方向绿灯所运行的状态如附录中图4所示；
l 东西方向黄灯所运行的状态如附录中图5所示;
l 南北方向红灯所运行的状态如附录中图6所示;
l 急救车通行所运行的状态如附录中图7所示.
图1
3.4 软件设计
C语言程序:
＃include<reg51.h〉
＃define uchar unsigned char
＃define uint unsigned int
sbit dxred=P1^0；
sbit dxyellow=P1^1；
sbit dxgreen=P1^2；
sbit nbred=P1^3;
sbit nbyellow=P1^4;
sbit nbgreen=P1^5;
sbit jijiuche=P3^3；
uchar code table[]={0xc0，0xf9，0xa4,0xb0，0x99，0x92，0x82，0xf8，0x80,0x90,0x88，0x83,0xc6，0xa1,0x86，0x8e｝;
void init1（）； //第一状态，南北亮绿灯，东西亮红灯
void init2（)； //第二状态，南北亮黄灯,东西亮红灯
void init3（）; //第三状态，南北亮红灯,东西亮绿灯
void init4（）； //第四状态,南北亮红灯，东西亮黄灯
void init5（）； //第五状态，东西南北同时亮红灯
void delay(uint ms）
｛
uint i,j；
for（i=0；i〈ms;i++)
for(j=0；j<124;j++）;
}
void display(uint shu）
｛
P2=0xfa;
P0=table[shu％10］;
delay(5）；
P2=0xf5；
P0=table［shu/10］；
delay（5）；
｝
uint tt；
void main(）
｛
TMOD=0x01；
TH0=(65536—50000）/256;
TL0=（65536—50000）％256;
TR0=1；
ET0=1；
EA=1;
while（1）
{
init1（);
init2(）;
init3(）；
init4(）；
init5(）；
｝
｝
void init1(）
{
uint jishi；
jishi=30；
TMOD=0x01；
TH0=（65536—50000）/256；
TL0=(65536—50000）%256;
TR0=1；
ET0=1;
EA=1；
while（1)
｛
dxred=1;
dxgreen=0；
dxyellow=0；
nbred=0;
nbgreen=1；
nbyellow=0；
if（tt==20)
{
tt=0；
jishi——；
if（jijiuche==0)
｛
init5（)；
}
｝
if（jishi==5）
{
init2(）；
｝
display（jishi)；
｝
｝
void init2()
{
uint jishi；
jishi=5；
TMOD=0x01；
TH0=（65536—50000）/256;
TL0=(65536—50000）％256；
TR0=1;
ET0=1；
EA=1；
while（1）
{
dxred=1;
dxgreen=0；
dxyellow=0;
nbred=0；
nbgreen=0;
nbyellow=1；
if（tt==20）
｛
tt=0；
jishi—-；
if（jijiuche==0）
{
init5(）；
}
｝
if（jishi==0）
｛
init3()；
}
display（jishi)；
}
｝
void init3（）
｛
uint jishi;
jishi=30;
TMOD=0x01；
TH0=（65536—50000）/256；
TL0=(65536—50000)％256；
TR0=1；
ET0=1；
EA=1；
while（1）
｛
dxred=0;
dxgreen=1；
dxyellow=0；
nbred=1；
nbgreen=0；
nbyellow=0;
if（tt==20)
{
tt=0；
jishi—-；
if（jijiuche==0）
｛
init5()；
｝
｝
if（jishi==5）
｛
init4（);
｝
display（jishi)；
｝
}
void init4（）
{
uint jishi;
jishi=5;
TMOD=0x01；
TH0=（65536—50000）/256;
TL0=(65536—50000）％256;
TR0=1；
ET0=1；
EA=1；
while（1）
{
dxred=0；
dxgreen=0;
dxyellow=1;
nbred=1;
nbgreen=0;
nbyellow=0；
if（tt==20)
｛
tt=0;
jishi-—;
if（jijiuche==0）
｛
init5(）;
｝
}
if（jishi==0）
｛
init1（）；
｝
display(jishi）；
}
}
void dingshi（) interrupt 1
｛
TH0=(65535—50000)/256；
TL0=(65535—50000）%256;
tt++；
｝
void init5(）
{
uint jishi;
jishi=10；
TMOD=0x01;
TH0=(65536—50000）/256;
TL0=（65536—50000）％256;
TR0=1；
ET0=1;
EA=1；
while(1）
｛
dxred=1;
dxgreen=0；
dxyellow=0；
nbred=1；
nbgreen=0;
nbyellow=0;
if（tt==20)
{
tt=0；
jishi—-；
}
if（jishi==0）
{
return；
｝
display(jishi）;
}
｝
3.5 流程图设计
主程序流程图如图2所示:
开始
初始化
状态1
是否有急救车
状态5
状态2
是否有急救车
状态5
状态3
状态5
状态5
是否有急救车
是否有急救车
状态4
是
否
否
否
是
是
是
否

图2
第四章 调试
程序编写过程中遇到很多语法、符号、调用差错问题，通过仔细修改后都得到了解决，并且程序通过Proteus 7。5 SP3仿真软件的测试也能够正常运行.
总 结
毕业设计已经基本完成了！看着自己的努力成果心底不禁流露出了成就的喜悦！回望整个过程，其中的苦楚与喜悦只有自己知道。
刚开始做这个设计的时候好瞢，没有头绪,不知道从何下手.后来得到了师傅的指导以及同事和朋友的建议才有了一个模糊的方向。首先,我认真筛选了我比较熟悉的课题，详细地解了交通信号灯的工作要求；其次，我给我的课题列出了具体的方案以及提纲；再者，我按照提纲的要求一项一项的去完成；最后，我把手上有的材料整理了一片,把重要可取的部分摄取出来。
在做设计的过程中最重要的是有恒心与毅力，重在坚持。遇到难题时就要积极主动向指导老师以及各位师傅们寻求解决，坚持每天都在向成功靠近。通过这次毕业设计，我学到了很多新东西，同时也更进一步巩固了以前所学到是知识，更好的充实了自己,是我的又一次充电.
生活就应该怎样一步一个脚印，踏踏实实的向前进。沿途的风光或许会比峰顶上的更加美妙！
致谢
这次毕业设计是在老师的指导下完成的.他严谨的治学精神、精益求精的工作态度、和蔼可亲的形象深刻地影响着我，是我刻苦探取源源不短的动力。在此我向赵永红表示最真诚的感谢和崇高的敬意!
在此我还要感谢我的师傅和所有帮助过我同事以及朋友们，也正是你们的热情帮助和引导我才能够完成这次课题。我对你们表示忠心的感谢！
参考文献
［1］ 马忠梅，籍顺心。 单片机的C语言应用程序设计［M］. 北京航空航天大学出版，2007
[2］ 胡汉才。 单片机原理与接口技术［M］. 清华大学出版社,2006
［3］ 丁元杰。 单片机原理与应用［M］。 机械工业出版社，2007
[4］ 谭浩强。 C程序设计（第3版）[M］. 清华大学出版社,2005
［5］ 郭天祥。 新概念51单片机C语言教程：入门、提高、开发、拓展全攻略[M］。 电子工业出版社，2009
［6] 黄智伟。 全国大学生电子设计竞赛系统设计（第2版)［M]。 北京航空航天大学出版,2011
附录
图3 东西方向通行状态
图4 东西方向黄灯状态
图5 南北方向通行状态
图6 南北方向黄灯状态
图7 急救车通行状态
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