基于单片机的交通灯控制电路的设计

第0页共29页摘要随着社会经济的发展，交通问题越来越引起人们的关注。人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。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，它是现代交通监控指挥系统中最重要的组成部分。本设计是一款基于MCS-51单片机的交通控制系统，它可以实现对车辆、行人的有效导引。根据题目要求，设计中我选用LED发光二极管，简化了设计，并把LED发光管排成十字型，作为直行和左右拐弯指示，形象直观；选择LED发光二极管可以从发光颜色上区别人的通行与停止，该系统还可根据交通拥挤情况分别设置主干道和次干道的通行时间，以提高效率，缓减交通拥挤。关键词单片机；交通灯；控制器目录摘要.1第1章绪论.2第2章方案设计.3第3章硬件设计.53.1单片机最小系统.53.2驱动电路.63.3交通灯模块.7第4章软件设计.94.1主程序流程.94.2子程序流程.11第5章系统仿真测试.14结论.17致谢.18参考文献.19附录1总电路原理图.20附录2源程序.21第1页共29页第1章绪论随着社会经济的发展，交通问题越来越引起人们的关注。人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。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，它是现代交通监控指挥系统中最重要的组成部分。1858年，在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红，蓝两色的机械扳手式信号灯，用以指挥马车通行。这是世界上最早的交通信号灯。1868年，英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上，安装了世界上最早的煤气红绿灯。它由红绿两以旋转式方形玻璃提灯组成，红色表示“停止”，绿色表示“注意”。1869年1月2日，煤气灯爆炸，使警察受伤，遂被取消。1914年，电气启动的红绿灯出现在美国。这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成，安装在纽约市5号大街的一座高塔上。红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通行”。1918年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。带控制的红绿灯，一种是把压力探测器安在地下，车辆一接近红灯便变为绿灯；另一种是用扩音器来启动红绿灯，司机遇红灯时按一下嗽叭，就使红灯变为绿灯。红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时，它就能察觉到有人要过马路。红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间，推迟汽车放行，以免发生交通事故。第2页共29页第2章方案设计以广元市劳动大厦十字路口为例，由东西方向和南北方向两干道构成十字路口，各干道有一组红、黄、绿三色的指示灯，指挥车辆和行人安全通行。红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行。黄灯亮表示红、绿灯即将切换，这时车辆禁止通行。一般主干道比次干道车流量大。交通道路口模型如图2-1所示。黄灯燃亮时间图2-1交通道路口模型图根据上图可知本设计以单片机为控制核心，采用MCS-51的结构，模块化设计，共分以下几个功能模块：单片机主控制模块、驱动模块、交通灯、时钟电路、复位电路等。友好的人机界面、灵活的控制方式、优化的物理结构以及丰富的功能是本设计的亮点。系统总体设计原理方框图如图2-2所示。第3页共29页单片机主控制器复位电路时钟电路驱动电路交通灯单片机最小系统图2-2系统总体设计方框图第4页共29页第3章硬件设计3.1单片机最小系统单片机作为整个硬件系统的核心，它既是协调整机工作的控制器，又是数据处理器。它由单片机、时钟电路、复位电路等组成。XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD63P0.7/AD732P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A92P2.2/A1023P2.3/A124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD1P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115U280C51NET=C7DINCLKP2.1P2.2P2.3P2.4P2.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.0C130pFC230pFX1CRYSTALR110kC310uFP0.1P0.2P0.3P0.0P0.5P0.6P0.7P0.4图3-1单片机主控模块由图3-1可知道：P1.0口接的是南北方向的南左拐和北右拐的两盏灯，P1.4口接的是南北方向的南右拐和北左拐的两盏灯；P1.1、P1.2、P1.3口分别接的是南北方向的黄灯、绿灯、红灯各两盏。P0.0、P0.1、P0.2、P0.3口接东西方向人行道上的四盏灯，其中P0.0和P0.2口接人行道的红灯，P0.1和P0.3口接人行道的绿灯。P0.4、P0.5、P0.6、P0.7口分别接南北方向人行道的四盏灯，其中P0.4和P0.6口接人行道的红灯，P0.5和P0.7口接人行道的绿灯。P2.0口和P2.4口分别为东西方向第5页共29页的东右拐，西左拐两盏灯和东左拐，西右拐两盏灯。P2.1、P2.1、P2.3口分别接东西方向的红灯、绿灯、黄灯各两盏。复位电路有两种形式：手动按键上电复位和上电复位，在本系统中采用的是手动按键上电复位，电路如图3-2所示。由RST脚接上电容C3为10pF和R2为10K的电阻接地构成。图3-2复位电路时钟电路是由XTAL1和XTAL2之间跨接的晶体振荡器和微调电容C1、C2为30pf构成，电路如图3-3所示。时钟电路中晶体振荡器的频率高则系统的时钟频率就高，所以该系统采用12M晶振。图3-3时钟电路3.2驱动电路驱动部分采用74LS05非门来对LED发光二极管进行驱动，当输入为高点平时，输出为低电平。确保LED发光二极管的稳定性，能更有效地工作。74LS05为六组反向器，共有54/7405、54/74H05、54/74S05、54/74LS05四种线路结构形式，其主要电特性的典型值如表3-1所示。第6页共29页表3-174LS05的型号型号tPLHtPHLPD5405/740512ns8ns60mW54H05/74H056ns6.5ns140mW54S05/74S053ns3ns113mW54LS05/74LS059ns10ns12mW引出端符号1A6A输入端1Y6Y输出端。电源电压7V；输入电压54/7405、54/74H05、54/74S055.5V；工作环境温度-55125；存储温度.-65150。动态特性(TA=25)如表3-2所示。表3-274LS05各型号的动态特性参数测试条件05最大H05最大S05最大LS05最大单位tPLH输出由低到高传输延迟时间22104.515nstPHL输出由高到低传输延迟时间Vcc=5V,CL=50Pf(H05为25Pf)RL=400(H05和S05为280，LS05为2K)1510515ns3.3交通灯模块交通灯电路如图3-3所示。采用LED发光二极管，有三种颜色指示放行与禁止、等待直观。其中，绿灯表示放行，黄灯表示等待，红灯表示禁止。在设计中总共用到发光二极管36只。友好的人机界面、灵活的控制方式以及丰富的功能是本设计亮点。第7页共29页图3-3交通灯模块第8页共29页第4章软件设计4.1主程序流程系统的软件设计可以分为几个部分，首先编写各个模块的底层驱动程序，而后是系统联机调试，编写上层系统程序。本系统软件程序主要包括有交通灯的四种通行方式的子程序。四种通行方式分别如图4-1所示。a)方式一b)方式二c)方式三d)方式四图4-1交通灯的四种工作方式根据上图可以得出以下通行方式的规则，如表4-1所示。第9页共29页表4-1四种工作方式的通行规则方式一方式二方式三方式四置第1种为先直行，置人行道，时间为5秒。拐20秒置第1种为先直行，置人行道，时间为5秒。拐20秒置第2种为直行，人行道，拐，时间为20秒。拐20秒置第2种为直行，人行道，拐，时间为20秒。拐20秒置第3种为直行，人行道，拐，时间为5秒。拐20秒置第3种为直行，人行道，拐，时间为5秒。拐20秒根据上表的通行方式规则可得出交通灯的亮灭情况,如表4-2所示。表4-2四种工作方式的通行规则时间东西方向南北方向左拐右拐人行道东西人行道南北方式一25s绿灯亮红灯亮红灯亮绿灯亮红灯亮绿灯亮方式二20s绿灯亮绿灯亮红灯亮红灯亮方式三25s红灯亮绿灯亮红灯亮绿灯亮绿灯亮红灯亮方式四20s绿灯亮绿灯亮红灯亮红灯亮表4-2中的四种通行方式规则如下：1一般主干道通行时间要比次干道通行时间长5s，可以根据实际情况进行调整，以提高车辆通过率，缓减交通压力。在通行结束前5秒钟，黄灯闪烁直至结束，提醒红、绿灯的切换。其中红灯表示禁止，绿灯表示通行。2特别说明的是各路右拐、左拐、人行比直行滞后5秒钟开放。3当LED为绿灯时,此时该端口输出高点平。当LED为红灯时,此时该端口输出低电平。第10页共29页图4-2主流程图4.2子程序流程四种工作方式的子程序流程图分别如图4-3、4-4、4-5、4-6所示。第11页共29页图4-3方式一流程图4-4方式二流程第12页共29页图4-5方式三流程图4-6方式四流程第13页共29页第5章系统仿真测试交通灯通行方式的三种仿真图，如5-1、5-2、5-3所示。A0.7B0.7C0.7D0.7D01D23D45D6C01C23C45C6B01B23B45B6A01A23A45A6XTAL218XTAL119ALE301PSN29RST9P0./AD039.1/18P0.2/AD237.3/36P0.4/AD435.5/54P0.6/AD63.7/72P2.7/A1528P2.0/A821.1/9P2./A023.3/14P2.4/A225.5/136.6/47P1.01.2P1.23.34P1.45.56P1.67.78P3.0/RXD10.1/TP3.2/IN012./IT13P3.4/014P3.7/RD17.6/W6.5/T15U280C51NET=7STAICDISPLAYCT01D0.7C0.7B0.7A0.7DINCLKD0.7C0.7B0.7A0.7DINCLKD1YELOWD2YELOWD3YELOWD4GREND5GREND6GREND8RED9RED10YELOWD1GRENDINCLK1274053474055674059874051107405P1.P1.2P2.1P2.3P2.P2.1.P2.3.4.0D13RED14RE127405P2.0D15REDD16RED347405P2.4D17D20YELOW1107405P1.0D19YELOWD18YELOW567405P1.413127405P1.3P1.2P1.3.4.0D7LE-ED12LE-ED23REDD24RED567405P0.1D21GREND2GREN127405P0.13127405P0.5D31LE-REDD32LE-REDC130pFC230pFX1CRYSTALR110kC310uFD27REDD28RED567405P0.3D25GREND26GREN127405P0.2D29GREND30GREN987405P0.4D3GREND34GREN987405P0.713127405P0.6D35RED36REP0.1.2P0.3.P0.5.6P0.7.4图5-1方式一仿真图方式一为东西方向绿灯亮，东西方向右拐灯亮，东西方向人行道绿灯亮。南北方向红灯亮，南北方向右拐灯亮，人行道红灯亮。第14页共29页A0.7B0.7C0.7D0.7D01D23D45D6C01C23C45C6B01B23B45B6A01A23A45A6XTAL218XTAL119ALE3031PSN29RST9P0./AD0390.1/138P0.2/AD2370.3/336P0.4/AD4350.5/534P0.6/AD630.7/732P2.7/A1528P2.0/A8212.1/92P2./A10232.3/124P2.4/A12252.5/13262.6/1427P1.011.2P1.231.34P1.451.56P1.671.78P3.0/RXD103.1/T1P3.2/INT0123./IT113P3.4/T014P3.7/RD173.6/W163.5/T115U280C51NET=7STAICDISPLAYCT01D0.7C0.7B0.7A0.7DINCLKD0.7C0.7B0.7A0.7DINCLKD1YELOWD2YELOWD3YELOWD4GREND5GREND6GREND8RED9RED10YELOWD1GRENDINCLK1274053474055674059874051107405P1.P1.2P2.1P2.3P2.P2.12.P2.32.42.0D13RED14RE127405P2.0D15REDD16RED347405P2.4D17D20YELOW1107405P1.0D19YELOWD18YELOW567405P1.413127405P1.3P1.1.2P1.31.41.0D7LED-EDD12LED-EDD23REDD24RED567405P0.1D21GREND2GREN127405P0.13127405P0.5D31LED-REDD32LED-REDC130pFC230pFX1CRYSTALR110kC310uFD27REDD28RED567405P0.3D25GREND26GREN127405P0.2D29GREND30GREN987405P0.4D3GREND34GREN987405P0.713127405P0.6D35REDD36REDP0.10.2P0.30.P0.50.6P0.70.4图5-2方式二仿真图在第一种完了即将到达5秒时，南北方向的绿灯跳变，说明南北和东西方向的灯即将切换。第15页共29页A0.7B0.7C0.7D0.7D01D23D45D6C01C23C45C6B01B23B45B6A01A23A45A6XTAL218XTAL119ALE301PSN29RST9P0./AD039.1/18P0.2/AD237.3/36P0.4/AD435.5/54P0.6/AD63.7/72P2.7/A1528P2.0/A821.1/9P2./A023.3/14P2.4/A225.5/136.6/47P1.01.2P1.23.34P1.45.56P1.67.78P3.0/RXD10.1/TP3.2/IN012./IT13P3.4/014P3.7/RD17.6/W6.5/T15U280C51NET=7STAICDISPLAYCT01D0.7C0.7B0.7A0.7DINCLKD0.7C0.7B0.7A0.7DINCLKD1YELOWD2YELOWD3YELOWD4GREND5GREND6GREND8RED9RED10YELOWD1GRENDINCLK1274053474055674059874051107405P1.P1.2P2.1P2.3P2.P2.1.P2.3.4.0D13RED14RE127405P2.0D15REDD16RED347405P2.4D17D20YELOW1107405P1.0D19YELOWD18YELOW567405P1.413127405P1.3P1.2P1.3.4.0D7LE-ED12LE-ED23REDD24RED567405P0.1D21GREND2GREN127405P0.13127405P0.5D31LE-REDD32LE-REDC130pFC230pFX1CRYSTALR110kC310uFD27REDD28RED567405P0.3D25GREND26GREN127405P0.2D29GREND30GREN987405P0.4D3GREND34GREN987405P0.713127405P0.6D35RED36REP0.1.2P0.3.P0.5.6P0.7.4图5-3方式三仿真图方式三为南北方向绿灯亮，南北方向右拐灯亮，南北方向人行道绿灯亮。东西方向红灯亮，东西方向右拐灯亮，人行道红灯亮。第16页共29页结论本设计以功能齐全适用于大众为指导思想，以单片机为基准，选取AT89C51单片机为控制核心。通过采用发光二极管显示红、黄、绿三种颜色来确定指示车辆及人的有序、安全地行驶。软件程序均采用C语言编写，便于移植与升级。系统经组装、调试后，可以稳定运行。同时可以对交通的安全进行。系统采用串行器件具有线路简单、体积小、价格低等优点。报告详细介绍了整个系统的硬件组成结构、工作原理和系统的软件程序设计。通过这次毕业设计，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题全面系统的锻炼。使我在单片机的基本原理、单片机应用系统开发过程，以及在常用编程设计思路技巧（特别是汇编语言）的掌握方面都能向前迈了一大步，为日后成为合格的应用型人才打下良好的基础。第17页共29页致谢为期一个学期的毕业设计终于接近尾声了，在这短短的几个月里，不仅仅考察了大学三年自己所学要的东西，更重要的是把自己从老师从课本里所了解的东西应用到实践应用中，检验了自己的能力。虽然有过成功，有过失败，有过欢笑，有过泪水，但是过程其实才是最重要的。通过本次毕业设计，我在曾宝国指导老师的精心指导和严格要求下，获得了丰富的理论知识，并在设计过程中,翻阅大量的科技文献,针对设计内容的要求,对所学过的专业知识又认真细致的进行巩固和练习,在硬件和软件的组合上认真听取了曾老师和系领导的意见,在很大程度上使这次设计顺利通过老师的审核和评定.在另一方面极大地提高了实践能力，并对当前电子领域的研究状况和发展方向有了一定的了解，单片机领域这对我今后进一步学习计算机方面的知识有极大的帮助。另外,此次毕业设计还得到了电子系各位领导和我们通信专业几位老师的大力支持。在此，我忠心感谢曾宝国老师以及电子系各位老师的指导和支持。在未来的工作和学习中，我将以更好的成绩来回报各位领导和老师,回报老师和母校的辛勤栽培,做一名优秀的大学毕业生,奉献社会。第18页共29页参考文献1胡汉才.单片机原理及其接口技术M.北京：清华大学出版，19962付家才.单片机控制工程实践技术M.北京：化学工业出版社，20043潘新民.微型计算机控制技术M.北京：人民邮电出版社，19994李广弟.单片机基础.北京：北京航空航天大学出版社，19925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，19946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，19957谭浩强.单片机课程设计.北京：清华大学出版社，19898美MykePredko著，张晓林等译.数字电路原理与设计实例解析(DigitalElectronicsGuidebookWithProjects).北京：电子工业出版社，2004第19页共29页附录1总电路原理图第20页共29页附录2源程序SECOND1EQU30H;东西路口计时寄存器SECOND2EQU31H;南北路口计时寄存器DBUFEQU40H;显示码缓冲区1TEMPEQU44H;显示码缓冲区2LED_G1BITP2.2;东西路口绿灯LED_Y1BITP2.3;东西路口黄灯LED_R1BITP2.1;东西路口红灯LED_B1BITP2.0;东西路口左侧左拐红灯LED_B2BITP2.4;东西路口右侧右拐绿灯LED_B3BITP0.1;东西路口左侧人行横到红灯LED_B4BITP0.0;东西路口左侧人行横到绿灯LED_B5BITP0.3;东西路口右侧人行横到红灯LED_B6BITP0.2;东西路口右侧人行横到绿灯LED_G2BITP1.2;南北路口绿灯LED_Y2BITP1.1;南北路口黄灯LED_R2BITP1.3;南北路口红灯LED_A1BITP1.0;南北路口左侧左拐红灯LED_A2BITP1.4;南北路口右侧右拐绿灯LED_A3BITP0.6;南北路口左侧人行横到红灯LED_A4BITP0.7;南北路口右侧人行横到绿灯LED_A5BITP0.5;南北路口右侧人行横到红灯LED_A6BITP0.4;南北路口右侧人行横到绿灯第21页共29页ORG0000HLJMPSTARTORG0100HSTART:MOVTMOD,#01H;置T0为工作方式1MOVTH0,#3CH;置T0定时初值50msMOVTL0,#0B0HCLRTF0SETBTR0;启动T0CLRAMOVP1,A;关闭不相关的LED;*LOOP:MOVR2,#20;置1s计数初值,50ms*20=1sMOVR3,#20;红灯亮20sMOVSECOND1,#25;东西路口计时显示初值25sMOVSECOND2,#25;南北路口计时显示初值25sLCALLDISPLAYWAIT1:LCALLSTATE1;调用状态1JNBTF0,WAIT1;查询50ms到否CLRTF0MOVTH0,#3CH;恢复T0定时初值50msMOVTL0,#0B0HDJNZR2,WAIT1;判断1s到否？未到继续状态1MOVR2,#20;置50ms计数初值DECSECOND1;东西路口显示时间减1s第22页共29页DECSECOND2;南北路口显示时间减1sLCALLDISPLAYDJNZR3,WAIT1;状态1维持20s;*MOVR2,#5;置50ms计数初值5*4=20MOVR3,#3;绿灯闪3sMOVR4,#4;闪烁间隔200msMOVSECOND1,#5;东西路口计时显示初值5sMOVSECOND2,#5;南北路口计时显示初值5sLCALLDISPLAYWAIT2:LCALLSTATE2;调用状态2JNBTF0,WAIT2;查询50ms到否CLRTF0MOVTH0,#3CH;恢复T0定时初值50msMOVTL0,#0B0HDJNZR4,WAIT2;判断200ms到否？未到继续状态2CPLLED_G1;东西绿灯闪MOVR4,#4;闪烁间隔200msDJNZR2,WAIT2;判1s到否？未到继续状态2MOVR2,#5;置50ms计数初值DECSECOND1;东西路口显示时间减1sDECSECOND2;南北路口显示时间减1sLCALLDISPLAYDJNZR3,WAIT2;状态2维持3s;*MOVR2,#20;置50ms计数初值第23页共29页MOVR3,#2;黄灯闪2sMOVSECOND1,#2;东西路口计时显示初值2sMOVSECOND2,#2;南北路口计时显示初值2sLCALLDISPLAYWAIT3:LCALLSTATE3;调用状态3JNBTF0,WAIT3;查询100ms到否CLRTF0MOVTH0,#3CH;恢复T0定时初值100msMOVTL0,#0B0HDJNZR2,WAIT3;判断1s到否？未到继续状态3MOVR2,#20;置100ms计数初值DECSECOND1;东西路口显示时间减1sDECSECOND2;南北路口显示时间减1sLCALLDISPLAYDJNZR3,WAIT3;状态3维持2s;*MOVR2,#20;置50ms计数初值MOVR3,#20;红灯闪20sMOVSECOND1,#25;东西路口计时显示初值25sMOVSECOND2,#25;南北路口计时显示初值25sLCALLDISPLAYWAIT4:LCALLSTATE4;调用状态4JNBTF0,WAIT4;查询100ms到否CLRTF0MOVTH0,#3CH;恢复T0定时初值100msMOVTL0,#0B0H第24页共29页DJNZR2,WAIT4;判断1s到否？未到继续状态4MOVR2,#20;置100ms计数初值DECSECOND1;东西路口显示时间减1sDECSECOND2;南北路口显示时间减1sLCALLDISPLAYDJNZR3,WAIT4;状态4维持20s;*MOVR2,#5;置50ms计数初值MOVR4,#4;红灯闪20msMOVR3,#3;绿灯闪3sMOVSECOND1,#5;东西路口计时显示初值5sMOVSECOND2,#5;南北路口计时显示初值5sLCALLDISPLAYLJMPLOOP;大循