基于单片机的十字路口交通灯设计--大学毕业设计(论文).doc

摘 要

近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断深入，同时带动传统控制检测技术日益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构软硬件结合，加以完善。
十字路口车辆穿梭，行人熙攘，车行车道，人行人道，有条不紊。那么靠什么来实现这井然秩序呢？靠的就是交通信号灯的自动指挥系统。交通信号灯控制方式很多。本系统采用MCS-51系列单片机AT89C51为中心器件来设计交通灯控制器，实现了能根据实际车流量通过8051芯片的P3口设置红、绿灯燃亮时间的功能；红绿灯循环点亮，倒计时剩5秒时黄灯闪烁警示（交通灯信号通过P1口输出，显示时间通过P0口输出至双位数码管）。本系统设计周期短、可靠性高、实用性强、操作简单、维护方便、扩展功能强。
关键词：单片机；交通灯

Abstract

In recent years, with the rapid development of science and technology, the application of SCM is going deep, driving the traditional detection techniques to renew day by day. In the real-time examination and in the automatic control monolithic integrated circuit application system, the monolithic integrated circuit often took a core part uses. The monolithic integrated circuit aspect knowledge is only insufficient, but should also act according to the concrete hardware architecture software and hardware union, to be improved.
The intersection vehicles shuttle, the pedestrian is bustling, car dealership traffic lane, person sidewalk, methodical. Then depending on what to realizes this orderly order? the traffic lights on the automatic control system. There are great number kinds of modes to control the traffic lights. The system uses a series of MCS-51 as the center AT89C51 single-chip device designed to control the traffic lights, so as to realize the function of setting red, green light time by 8051 chip’s P3 port according to the actual traffic flows, lighting the red-light and green-light by turn and lighting the yellow-light to warm while 5 seconds left(outputting the traffic light signal by P1,outpuing the time by P0 and showing the time on double-digits nixie tube). Short of the design cycle, high reliability, practical, simple operation, easy maintenance, the expansion of powerful is this system.
Key words: SCM; MCU; traffic light
目 录

中 英 文 摘 要 2
1　设计要求 4
２　设计目的 4
3　方案比较、设计与论证 4
4　原理分析 5
4.1 交通灯显示时序的理论分析 5
4.2 交通灯显示的理论分析 7
5　程序设计流程图 7
6　总体设计与电路图 9
6.1　芯片选择 9
6.2　设计电路图 10
6.3　PROTEUS仿真图： 11
6.4　交通灯程序 12
7 仿真测试、数据及结果分析 18
8 总结与展望 18
致谢 20
参考文献： 21
附 录 22

1　设计要求

1.1　程序开始运行先南北段通行、东西段禁止60s，后东西段通行、南北段禁止60s，依此循环。
1.2　系统分三种工作模式：正常模式、繁忙模式、特殊模式，并且通过三个按钮“正常”、“繁忙”、“特殊”可相互转化。
1.3　正常模式：
直行时间显示数码管显示60。此时南北段直行通行（绿灯）、东西段禁止（红灯）40s，南北段人行道通行（绿灯），东西段人行道禁止（红灯），同时南北段和东西段方向的数码管分别从40s和60s开始倒计时，至最后5s时南北段绿灯变成黄灯闪烁；此后南北段左拐（左拐灯亮）通行、东西段禁止（红灯）20s，南北段、东西段人行道都禁止（红灯），同时南北段和东西段方向的数码管都从20s开始倒计时，至最后5s时南北段左拐灯变成黄灯闪烁；再后东西段直行通行（绿灯）、南北段禁止（红灯）40s，东西段人行道通行（绿灯），南北段人行道禁止（红灯），同时东西段和南北段方向的数码管分别从40s和60s开始倒计时，至最后5s时东西段绿灯变成黄灯闪烁；最后东西段左拐（左拐灯亮）通行、南北段禁止（红灯）20s，东西段、南北段人行道都禁止（红灯），同时东西段和南北段方向的数码管都从20s开始倒计时，至最后5s时东西段左拐灯变成黄灯闪烁。
1.4　繁忙模式：
繁忙指示灯亮，南北段、东西段的通行时间改为45s，其中左拐的时间改为15s，其它与正常模式类似。
1.5　特殊模式：
特殊模式灯亮，南北段、东西段的通行时间改为75s，其中左拐的时间改为20s，其它与正常模式类似。

２　设计目的

2.1　了解交通灯管理的基本工作原理
2.2　熟悉AT89C51的工作原理和应用编程
2.3　熟悉AT89C51并行接口的各种工作方式和应用
2.4　熟悉AT89C51计数器/定时器的工作方式和应用编程外部中断的方法
2.5　掌握多位LED显示问题的解决

3　方案比较、设计与论证

3.1 显示界面方案
3.1.1 倒计时显示
　该系统要求完成倒计时的功能。因只需显示数字，基于上述原因，我们考虑完全采用数码管显示，四个路口分别采用一个二位阴极数码管即可。

3.1.2 状态灯显示
该系统要求完成状态灯显示的功能。求于简单，我们把各个路口的红灯和黄灯设成直行和左拐两个通行方式所共有，也就是说，一个路口只需四个状态灯，一个直行通行的绿灯，一个左拐通行的绿灯，一个共有的红灯，一个共有的黄灯。
3.2 输入方案
该系统要求能手动改变东西与南北的通行时间、紧急情况处理，我们采用扩展I/O
口方法，在外部中断P32口上扩展三个中断口，分别连接三个按钮。该方案的优点是：使用灵活，并且可提供较多I/O口,节省了AT89C51的中断口资源。

4　原理分析

4.1 交通灯显示时序的理论分析
下图所示为一种红绿灯规则的状态图。

图4.1 状态S1南北直行通行
图4.2 状态S2南北左拐通行

图4.4 状态S4东 西左拐通行
图4.3 状态S3东西直行通行

共四种状态，分别设定为S1、S2、S3、S4，交通灯以这四种状态为一个周期，循环执行如下图所示：

图4.5 交通灯状态循环图

依据上述车辆行驶的状态图，可以列出各个路口灯的逻辑表如下表所示(其中逻辑值“1”代表直行通行，逻辑值“0”代表禁止通行，逻辑值“L”代表左拐通行)：

S1的状态
E
S
W
N
逻辑值
0
1
0
1
显示时间
正常模式下为40S

S2的状态
E
S
W
N
逻辑值
0
L
0
L
显示时间
正常模式下为20S

S3的状态
E
S
W
N
逻辑值
1
0
1
0
显示时间
正常模式下为40S

S4的状态
E
S
W
N
逻辑值
L
0
L
0
显示时间
正常模式下为20S

程序就是在上述四种状态下循环转化的。一个周期四个状态，在正常模式下共花费2分钟。
4.2 交通灯显示的理论分析
4.2.1 倒计时显示的理论分析
利用定时器中断，设置 TH0=TH1＝(65536-50000)/256，即每0.05秒中断一次。每到第20次中断即过了20*0.05秒＝1秒时，使时间的计数值减1，便实现了倒计时的功能。

4.2.2 状态灯显示的理论分析
黄灯闪烁同样可以利用定时器中断。每到第10次中断即过了10*0.05秒＝0.5秒时，使黄灯标志位反置，即可让黄灯1秒闪烁一次。

5　程序设计流程图

T0响应
N
南北黄灯标志位为1
N
东西黄灯标志位为1

Y
0.5s到
Y
1s到

南北黄灯位置反
团里

Y
东西黄灯位置反
团里

Y
返回
倒计时减1,计数值置0
N
N

图5.1 定时器0中断流程图

开始
南北直行通行东西禁止
南北左拐通行东西禁止
AT89C51初始化
南北黄灯闪烁
南北黄灯闪烁
通行35秒
Y
N
闪烁5秒
Y
N
通行15秒
Y
N
闪烁5秒
Y
N
东西黄灯闪烁
东西直行通行南北禁止
东西左拐通行南北禁止
东西黄灯闪烁
通行35秒
Y
N
闪烁5秒
Y
N
通行15秒
Y
N
闪烁5秒
Y
N

图5.2 主程序流程图

INT0响应
N
“繁忙”键按下
N
“特殊”键按下
N
“正常”键按下
返回
关中断
开中断
正常模式设置
Y
繁忙模式设置
Y
特殊模式设置
Y

图5.3 外部中断0中断流程图

6　总体设计与电路图

6.1　芯片选择
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes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，与标准MCS-51指令系统及8051产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，可以按照常规方法对其进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

图6.1 AT89C51芯片引脚图

6.2　设计电路图

图6.2 电路图

图中大部分连线采用总线形式。共五个二位阴极数码管，其中四个分别用于四个路口的倒计时显示，另外一个用于总体的直行时间显示，五个数码管的阳极都接到AT89C51的P0口，阴极接到P2口；共32个发光二极管，其中16个绿色发光二极管，14个红色发光二极管，2个黄色发光二极管，四个路口每个路口各有一个红（禁行）、黄（警告）发光二极管，二个绿色发光二极管（通行），一个用于直行通行，一个用于左拐通行，四个人行道，每个人行道两边各有一红、绿发光二极管，另外两个红色发光二极管分别用于繁忙模式和特殊模式的指示，其中四个路口的二极管接到P1口，人行道的发光二极管接到P3口，繁忙模式和特殊模式的指示灯接P2口;外部中断0接上三个按钮，分别用于繁忙、特殊、正常模式的转化。

6.3　PROTEUS仿真图：

图6.3 PROTEUS仿真图

6.4　交通灯程序

/***********************************************************
十字路口交通灯控制 C 程序
***********************************************************/
#include <reg51.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
/*****定义控制位*******************************************/
sbit Time_Show_LED2=P2^5; //Time_Show_LED2(直行时间显示)控制位
sbit Time_Show_LED1=P2^4; //Time_Show_LED1(直行时间显示)控制位
sbit EW_LED2=P2^3; //EW_LED2控制位
sbit EW_LED1=P2^2; //EW_LED1控制位
sbit SN_LED2=P2^1; //SN_LED2控制位
sbit SN_LED1=P2^0; //SN_LED1控制位
sbit SN_Yellow=P1^6; //SN黄灯
sbit EW_Yellow=P1^2; //EW黄灯
sbit EW_ManGreen=P3^0; //EW人行道绿灯
sbit SN_ManGreen=P3^1; //SN人行道绿灯
sbit Special_LED=P2^6; //交通特殊指示灯
sbit Busy_LED=P2^7; //交通繁忙指示灯
sbit Nomor_Button=P3^5; //交通正常按键
sbit Busy_Btton=P3^6; //交通繁忙按键
sbit Special_Btton=P3^7; //交通特殊按键
sbit EW_ManRed=P3^3; //EW人行道红灯
sbit SN_ManRed=P3^4; //SN人行道红灯
bit Flag_SN_Yellow; //SN黄灯标志位
bit Flag_EW_Yellow; //EW黄灯标志位
char Time_EW; //东西方向倒计时单元
char Time_SN; //南北方向倒计时单元
uchar EW=60,SN=40,EWL=19,SNL=19; //程序初始化赋值，正常模式
uchar EW1=60,SN1=40,EWL1=19,SNL1=19; //用于存放修改值的变量
uchar code table[10]={0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F}; //0-9段选码
uchar code S[8]={0x28,0x48,0x18,0x48,0x82,0x84,0x81,0x84};
//交通信号灯控制代码
/**********************延时子程序**************************/
void Delay(uchar a)
{
uchar i;
i=a;
while(i--){;}
}

/*****************显示子函数******************************/
void Display(void)
{
uchar h,l;
h=Time_EW/10;
l=Time_EW%10;
P0=table[l];
EW_LED2=1; //点亮EW_LED2
Delay(2);
EW_LED2=0; //熄灭EW_LED2
P0=table[h];
EW_LED1=1; //点亮EW_LED1
Delay(2);
EW_LED1=0;

h=Time_SN/10;
l=Time_SN%10;
P0=table[l];
SN_LED2=1; //点亮SN_LED2
Delay(2);
SN_LED2=0;
P0=table[h];
SN_LED1=1; //点亮SN_LED1
Delay(2);
SN_LED1=0;

h= EW1/10;
l= EW1%10;
P0=table[l];
Time_Show_LED1=1; //点亮Time_Show_LED1
Delay(2);
Time_Show_LED1=0;
P0=table[h];
Time_Show_LED2=1; //点亮Time_Show_LED2
Delay(2);
Time_Show_LED2=0;
}
/**********************外部0中断服务程序******************/

void INT0_srv(void)interrupt 0 using 1
{
EX0=0; //关中断

if(Nomor_Button==0) //测试按键是否按下，按下为正常状态
{
EW1=60;
SN1=40;
EWL1=19;
SNL1=19;
Busy_LED=0; //关繁忙信号灯
Special_LED =0; //关特殊信号灯
}
if(Busy_Btton==0) //测试按键是否按下，按下为繁忙状态
{
EW1=45;
SN1=30;
EWL1=14;
SNL1=14;
Special_LED=0; //关特殊信号灯
Busy_LED=1; //开繁忙信号灯

}
if(Special_Btton==0)//测试按键是否按下，按下为特殊状态
{
EW1=75;
SN1=55;
EWL1=19;
SNL1=19;
Busy_LED=0; //关繁忙信号灯
Special_LED =1;//开特殊信号灯
}
EX0=1; //开中断
}
/**********************T0中断服务程序*******************/
void timer0(void)interrupt 1 using 1
{
static uchar count;
TH0=(65536-50000)/256;
TL0=(65536-50000)%256;
count++;

if(count==10)
{
if(Flag_SN_Yellow==1) //测试南北黄灯标志位
{SN_Yellow=~SN_Yellow;}
if(Flag_EW_Yellow==1) //测试东西黄灯标志位
{EW_Yellow=~EW_Yellow;}
}
if(count==20)
{
Time_EW--;
Time_SN--;
if(Flag_SN_Yellow==1) //测试南北黄灯标志位
{SN_Yellow=~SN_Yellow;}
if(Flag_EW_Yellow==1) //测试东西黄灯标志位
{EW_Yellow=~EW_Yellow;}
count=0;
}
}
/*********************主程序开始***********************/
void main(void)
{
Busy_LED=0;
Special_LED=0;
IT0=1; //INT0负跳变触发
TMOD=0x01; //定时器工作于方式1
TH0=(65536-50000)/256; //定时器赋初值
TL0=(65536-50000)%256;
EA=1; //CPU开中断总允许
ET0=1; //开定时中断
EX0=1; //开外部INTO中断
TR0=1; //启动定时

while(1)
{
/*******S0状态**********/
SN_ManRed=0;
SN_ManGreen=1; //SN人行道通行
EW_ManRed=1; //EW人行道禁止
EW_ManGreen=0;
Flag_EW_Yellow=0; //EW关黄灯显示信号
Time_EW=EW;
Time_SN=SN;
while(Time_SN>=5)
{
P1=S[0]; //SN绿灯，EW红灯
Display();
}

/*******S1状态**********/
P1=0x00;
while(Time_SN>=0)
{
Flag_SN_Yellow=1; //SN开黄灯信号位
P1=P1|0x08; //保持EW红灯
Display();
}

/*******S2状态**********/
SN_ManRed=1; //SN人行道禁止
SN_ManGreen=0;
EW_ManRed=1; //EW人行道禁止
EW_ManGreen=0;
Flag_SN_Yellow=0; //SN关黄灯显示信号
Time_SN=SNL;
while(Time_SN>=5)
{
P1=S[2]; //SN左拐绿灯亮，EW红灯
Display();
}

/*******S3状态**********/
P1=0x00;
while(Time_SN>=0)
{
Flag_SN_Yellow=1; //SN开黄灯信号位
P1=P1|0x08; //保持EW红灯
Display();
}

/***********赋值*********/
EW=EW1;
SN=SN1;
EWL=EWL1;
SNL=SNL1;
/*******S4状态**********/
SN_ManRed=1; //SN人行道禁止
SN_ManGreen=0;
EW_ManRed=0;
EW_ManGreen=1; //EW人行道通行
Flag_SN_Yellow=0; //SN关黄灯显示信号
Time_EW=SN;
Time_SN=EW;
while(Time_EW>=5)
{
P1=S[4]; //EW通行，SN红灯
Display();
}

/*******S5状态**********/
P1=0X00;
while(Time_EW>=0)
{
Flag_EW_Yellow=1;//EW开黄灯信号位
P1=P1|0x80; //保持SN红灯
Display();
}

/*******S6状态**********/
SN_ManRed=1; //SN人行道禁止
SN_ManGreen=0;
EW_ManRed=1; //EW人行道禁止
EW_ManGreen=0;
Flag_EW_Yellow=0;//EW关黄灯显示信号
Time_EW=EWL;
while(Time_EW>=5)
{
P1=S[6]; //EW左拐绿灯亮，SN红灯
Display();
}

/*******S7状态**********/
P1=0X00;
while(Time_EW>=0)
{
Flag_EW_Yellow=1; //EN开黄灯信号位
P1=P1|0x80; //保持SN红灯
Display();
}

/***********赋值********/
EW=EW1;
SN=SN1;
EWL=EWL1;
SNL=SNL1;
}
}

7 仿真测试、数据及结果分析
程序运行结果如下：
1． 首先，直行时间显示数码管显示60。此时南北段绿灯亮、东西段红灯亮40s，南北段人行道绿灯亮，东西段人行道红灯亮，同时南北段和东西段方向的数码管分别从40s和60s开始倒计时。
2． 35秒后，南北方向的黄灯闪烁5秒钟，此时东西方向仍维持红灯亮，人行道灯不变。
3． 40秒后，南北方向左拐灯亮，东西方向红灯亮，东西和南北人行道全部红灯亮，同时南北段和东西段方向的数码管分别从19秒开始倒计时。
4． 55秒钟后，南北方向的黄灯闪烁5秒，此时东西方向仍维持红灯亮，人行道灯不变。
5． 1分钟后，东西段绿灯亮、南北段红灯亮40s，东西段人行道绿灯亮，南北段人行道红灯亮，同时南北段和东西段方向的数码管分别从60s和40s开始倒计时。
6. 1分35秒后，东西方向的黄灯闪烁5秒钟，此时南北方向仍维持红灯亮，人行道灯不变。
7． 1分40秒后，东西方向左拐灯亮，南北方向红灯亮，东西和南北人行道全部红灯亮，同时南北段和东西段方向的数码管分别从19秒开始倒计时。
8． 1分55秒钟后，东西方向的黄灯闪烁5秒，此时南北方向仍维持红灯亮，人行道灯不变。
9. 按下“繁忙”、“特殊”按钮时直行显示分别为45和75。其它过程与正常模式下相同。

8 总结与展望
8.1 软件延时与定时器计时
软件延时，设计简单，使用方便，但是无法进行精确计时，无法在实际应用中进行使用，本次设计采用了定时器0进行计时，每50ms产生一个脉冲信号，可以准确的计时并方便8段数码管进行显示。
8.2 使用中断的好处
使用中断可以进行多样化设计，强化程序功能与执行效率。
在本设计中程序每50ms请求一次中断，实现精确定时与数码管显示刷新。
8.3 关于本次设计
本次课程设计的过程是艰辛的，不过收获却是很大的。
在设计过程中，会出现了一些问题，但都是常见的小问题，如：代码中双引号的使用并不是在英语书写状态下，输入字母出错等，在调试时出现异常，不过这些都是经常性错误，经过调试修改都一一解决，程序顺利完成，并实现了其功能。
综合课程设计让我把以前学习到的知识得到巩固和进一步的提高认识，对已有知识有了更进一步的理解和认识。在此，由于自身能力有限，在课程设计中碰到了很多的问题，但通过查阅相关书籍、资料以及和周围同学交流后都得以一一解决。
由于使用的是单片机作为核心的控制元件，使得电路的可靠性比较高，功能也比较强大，而且可以随时的更新系统，进行不同状态的组合。但是在我们设计和调试的过程中，也发现了一些问题，譬如红灯和绿灯的切换还不够迅速，红绿灯规则效率还不是很高等等，这需要在实践中进一步完善。
当然，通过这次课程设计，我也发现了自身的很多不足之处，在以后的学习中，我会不断的完善自我，不断进取，能使自己在单片机编程这方面有一个大的发展。

参考文献：

[1] 李朝青.单片机原理及接口技术（修订版）.北京：北京航空航天大学出版社，1998.
[2] 李广弟.单片机基础.北京：北京航空航天大学出版社，1992.
[3] 何立民.单片机应用技术大全.北京：北京航空航天大学出版社，1994.
[4] 张毅刚. 单片机原理及接口技术.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1990.
[5] 谭浩强.单片机课程设计. 北京：清华大学出版社，1989.
[6] 徐爱均，彭秀华．ｋｅｉｌ　ｃｘ５１　Ｖ７．０单片机高级语言编程与￣Ｖｉｓｉｏｎ２应用实践【Ｍ】．北京：电子工业出版社，２００４．　
[7] 深圳市计算机行业协会．２００５年全国单片机与嵌入式系统学术交流会论文集【Ｍ】．北京：北京航空航天大学出版社，２００５．
[8] 胡汉才　单片机原理及其接口技术【Ｍ】．北京：清华大学出版社．１９９６.　
[9] 付家才．单片机控制工程实践技术【Ｍ】．北京：化学工业出版社．２００４.　
[10] 朱勇．单片机原理与应用技术【Ｍ】．北京：清华大学出版社．２００６.
[11] 马忠梅．单片机的Ｃ语言应用程序设计【Ｍ】．北京：北京航空航天大学出版社．１９９９.

附 录

单片机历史：
单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。
　　1.SCM即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。
　　2.MCU即微控制器（Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。
　　Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记Intel和Philips的历史功绩。
3.单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系
统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。

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