单片机AT89S52为控制核交通灯设计毕业论文

1十字路口交通灯控制系统摘要：本设计以单片机AT89S52为控制核心，以红、绿、黄三种 LED发光管作为直行和左右拐弯以及行人通行的指示，以LED数码管作为倒计时指示，完成了题目要求的所有功能。在此基础上增设了LED灯和数码管实时显示系统各种状态，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及紧急情况时可根据需要手动设置某干道车辆通行状态，紧急情况结束后再转成自动状态，并对系统机械结构进行了优化设计，整体性好，人性化强、可靠性高。关键字：单片机 AT89S52；LED 数码管；通行模式Abstract: The design for the control of AT89S52 microcontroller core, red, green, yellow and three LED light tube as a straight and turning left and right directions and pedestrians, LED digital tube as a countdown to the instructions, subjects completed all the required functions. On this basis, the addition of LED lights and a variety of digital real-time display system status, traffic congestion can also be the case were set according to the main road and secondary roads, and emergency travel time can be set manually according to a state of roads to traffic, emergency automatically transferred into the situation after the end of the state, and the system was optimized mechanical structure design, good integrity, humanity, and high reliability. Keywords: MCU AT89S52; LED digital tube; access mode 2引 言随着社会和城市交通的快速发展, 近几年机动车辆数字急剧增加，道路超负荷承载道路现象严重，致使交通事故逐年增加。交通灯是城市交通有序、安全、快速运行的重要保障，因此解决好公路交通信号灯控制问题也成了保障交通有序、安全、快速运行的重要环节。本设计是一款基于单片机 AT89C52 为控制核心的交通控制系统，它可以实现对车辆、行人的有效导引。设计中我们选用红、绿、黄三种不同 LED 发光管作为车辆和行人的指示，简化了设计，形象直观；采用 LED 数码管作为倒计时显示，可靠性高、抗干扰能力强。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；当出现紧急情况时，交警可将系统设置成手动：全路口车辆、行人禁行，紧急情况结束后再转成自动状态。本设计并对系统物理结构进行了优化，很有城市交通道口的“模型”味。3第 1 章 方案设计与论证题目要求要实现交通灯基本信息指示功能的基础上，还要实现倒计时时间和工作状态显示、紧急情况处理等功能，如何选择有效方案至关重要！1.1 总体方案设计思想根据传统十字路口交通灯的设计，可将本系统分为四个模块，第一个模块是控制模块，主要负责整个系统工作的控制和运算，从而使各模块正常工作；第二个模块为显示模块，主要是对车辆和行人应该遵守交通规则的指导性的直观显示，它主要包括倒计时显示和红、绿、黄灯两大部分；第三个模块是输入模块，它的主要作用是辅助控制模块，相当于输入装置，利用它可以对交通灯各路口通行时间的设置以及出现紧急情况时，进行不同工作方式的切换设置；第四个模块是电源模块，它是整个系统的“心脏” ，负责给各模块提供合适的电压，让各模块能稳定工作。其系统设计结构如图 1 所示：电源模块控制模块显示模块显示模块显示模块显示模块输入模块东西南北十字路口工作状态显示图 1 系统设计结构图1.2 系统方案选择与比较1.2.1 控制模块选择方案方案一：由计数器 74LS161 级联组成，配合译码器和秒脉冲信号发生器等器件组成交通灯系统，整个系统简单，控制简单，调试容易等优点。 4方案二：采用 ATC 公司的单片机 ATC89C52 作为控制器。单片机运算能力强，软件编程灵活，自由度大。它是 MCS-51 系列单片机的派生产品，在指令系统、硬件结构和片内资源上与标准 8052 单片机完全兼容，使用时容易掌握；采用ATC89C52 单片机稳定可靠、应用广泛、通用性强，在系统/在应用可编程。方案比较：采用方案一来实现十字路口交通灯控制系统非常方便，电路结构简单，控制单一，但整个系统性能不是很高，倒计时不是非常精确，如果要求系统能设置不同工作时间不容易，因而对于完成题目较困难，而方案二完全能实现设计要求，容易掌握，利用编程，易控制，I/O 接口很多，易于扩展外围电路，价格便宜，故选择方案二。1.2.2 显示模块选择方案该系统要求完成倒计时、状态灯等功能。基于上述原因，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苻，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：用七段 LED 数码管完成倒计时显示，用 LED 灯作为状态灯指示功能。方案比较：方案一和方案二都不符合设计要求，实现较复杂，而方案三采用数码管与 LED 灯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，选择方案三。1.2.3 输入模块方案选择方案一：采用 8155 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，我们使用四个按键，分别是 K1、K2、K3、K4。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，5且本身的计数器及 RAM 已经够用，故选择方案二。1.2.4 电源模块方案选择电源是整个系统的“心脏”，它是系统稳定工作的保障，为使各个模块稳定工作，须有可靠电源。下面考虑了两种电源方案。方案一：采用单片机控制模块提供电源。该方案的优点是系统简明扼要，节约成本；缺点是输出功率不高，不能驱动数码管。方案二：采用独立的稳压电源，采用开关电源作为整个系统的供电，它具有多路电源输出，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，方案比较：方案一只采用单片机自身的 I/O 来驱动数码管显示是不行的，而方案二虽然要给各模块供电，但却能给各模块提供稳定可靠的电压从而达到显示明亮的程度。故选择第二种方案。1.3 系统总体方案论证经上述各模块的方案选择与论证，十字路口交通灯控制系统的控制芯片选用单片机 AT89S52 作为整个系统的核心控制器件， 主要负责整个系统工作的控制和运算，从而使各模块正常工作；采用七段 LED 数码管和 LED 灯作为显示器件，用七段 LED 数码管完成倒计时显示，用 LED 灯作为状态灯指示功能；用触发按键构成系统的输入部分，它可以对系统进行状态设置，结合数码管，可根据交通情况对整个系统进行直观的控制；以开关电源作为系统电源部分，它有+12V 、-12V、+5V、-5V 电压输出，可方便对各个模块供电。 系统设计方框总图如图 2 所示： 6开关电源单片机AT89S52LED 数码管显示模块按键输入东西南北十字路口LED 数码管工作状态显示LED 数码管显示模块LED 数码管显示模块LED 数码管显示模块红、绿、黄LED 状态指示灯图 2 系统设计方框总图7第 2 章 系统硬件设计硬件设计是整个系统的基础，要考虑的方方面面很多，除了实现交通灯基本功能以外，主要还要考虑如下几个因素：系统稳定度；器件的通用性或易选购性； 软件编程的易实现性；系统其它功能及性能指标；因此硬件设计至关重要。现从各功能模块的实现逐个进行分析探讨。2.1 总体设计及功能描述本设计以单片机 AT89S52 为控制核心，采用模块化设计，共分以下几个功能模块：单片机控制系统、键盘及状态显示、行车方向指示、行人通行指示和倒计时模块等。 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。 行车方向指示采用红、绿、黄 LED 发光管，用三种颜色指示车辆放行、暂停、禁止，形象直观。 行人通行指示采用两支红、绿 LED 发光管，用两种颜色指示放行与禁止，形象直观，简洁明了。 键盘及状态显示，键盘采用四只触发按键组成，电路简洁可靠；显示器采用七段 LCD 数码管，可实时显示系统运行状态，可供交警在室内实时监视交通状况。通过键盘可设置：紧急情况发生时的交通灯状态控制、主干道通行时间等，人机界面非常友好。 系统采用双数码管倒计时计数功能，最大显示数字 99。其交通口模拟仿真结果如图 3 所示图 3交通口模拟仿真图8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。系统总体设计原理图见附录。2.1.1 交通灯四种通行模式及行车方向指示按交通灯控制规则，每个街口有转弯、直行及行人三种指示灯。主要指示灯有红、绿、黄三种颜色。交道口模型如图 4 所示：图 4 交道口模型图4 组 LED 数码管按照设置的通行时间（各路口默认的通行时间均为 1 分钟）进行倒计时，并各自进行红、绿、黄灯显示，共有四种通行状态，分别为：图 4-1 通行状态一示意图 图 4-2 通行状态二示意图9图 4-3 通行状态三示意图 图 4-4 通行状态四示意图直行默认时间为 40 秒，转弯默认时间为 20 秒，系统设置了任意更改功能，可以根据实际情况进行倒计时调整，以提高车辆通过率，缓减交通压力。在直行状态变为转弯状态时结束前 5 秒钟，黄灯闪烁直至结束。本设计选用两只绿色 LED 发光管来指示转弯、直行等交通指示信息。绿灯1 亮表示直行，绿灯 2 亮表示允许转弯行驶，红色则表示禁止通行。所有指示信息一目了然。2.1.2 行人通行指示及其实现行人通行时间为 1 分钟，行人通行指示选用红、绿 LED 发光管，用两种颜色指示放行与禁止，形象直观。红色 LED 亮时禁止通行标志，绿色 LED 灯亮时表示此时禁止通行，提醒行人站在原地等候。2.1.3 主干道单独时间设置功能当主干道方向的车辆过多发生堵塞，正常的信号灯时序将会使交通状况更加恶化。本设计添加了主次干道单独时间设置功能，交警可按需求设置绿灯的点亮时间，该措施可在一定程度缓减短暂的交通压力。2.1.4 紧急情况处理功能及其实现在十字交通路口常出现的紧急情况，若不及时处理将形成不良隐患。比如，交道口的行人有紧急情况发生，那么交警可以对信号灯进行手动控制，按下紧急情况处理键，通过软件使所有红灯亮，路口车辆禁行，行人通行，直至紧急情况结束后再转成常规的自动状态。2.1.5 倒计时计数功能及其实现本系统使用数码管完成倒计时显示功能。以南北方向为例，数码管显示的10数值从绿灯的设置时间最大值往下减，每秒钟减 1，一直减到 0。然后又从红灯的设置时间最大值往下减，一直减到 0。接下来又显示绿灯时间，如此循环。系统共有4 个两位的LED 数码管，分别放置在模拟交通灯控制板上的四个路口。因为四个方向的数码管应该显示同样的内容，所以可以把它们同样对待。也就是说各个方向的数码管个位（把数码管第二位定义为个位，第一位定义为十位）用一根信号线控制，十位用另一根信号线控制。这里采用动态显示。2.2 各功能模块硬件设计及实现2.2.1 单片机控制模块的设计单片微机(Single-Chip Microcomputer)简称为单片机。它在一块芯片上集中成了中央处理单元 CPU、随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、定时 /计数和多功能输入/输出 I/O 口,如并行口 I/O、串行口 I/O 和转换 A/D 等。MCS-51 系列单片机在我国得到了广泛的应用，是单片机的主流系列，软硬件应用设计资料丰富齐全。为了提高指令的执行速度和效率，采用了面向控制的结构和指令系统的独立 CPU。因此本设计采用 AT89S52 单片机作为系统的控制器件，这是因为 AT89S52 是目前应用比较广泛的 MCS-51 系列兼容单片机作为主控制器。AT89S52 单片机的主要性能特点： 与 MCS-51 系列单片机产