基于单片机交通信号灯课程设计

基于单片机的交通信号灯设计姓名：陈芷涵学号：201220305122专业名称：电气工程及其自动化指导教师：赵西 老师摘 要：近年来随着科技的飞速发展，一个以微电子技术、计算机技术和通信技术为先导的信息革命正在蓬勃发展。计算机技术作为三者之一，怎样与实际应用更有效的结合并发挥其作用。单片机作为计算机技术的一个分支，正在不断的应用到实际生活中，同时带动传统控制检测的更新。在实时检测和自动控制的应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件使用，针对具体应用对象的特点,配以其它器件来加以完善。十字路口车辆穿梭，行人熙攘，车行车道，人行人道，有条不紊。那么靠什么来实现交通的井然秩序呢？靠的是交通信号灯的自动指挥系统，来实现交通的井然有序。交通信号灯控制方式很多。本系统采用美国ATMEL 公司生产的单片机 AT89S51，以及其它芯片来设计交通灯控制。实现了通过 AT89S51 芯片的 P1 口设置红、绿灯点亮的功能，通过AT89S51 芯片的 RXD、TXD 输入、输出设置显示时间。交通灯的点亮采用发光二极管实现，时间的显示采用七段数码管实现。单片机系统采用的直流供电。为了系统稳定可靠，系统内集成了“看门狗”芯片，避免了系统因为死机而停止工作的情况发生。系统实用性强、操作简单、扩展性好。目 录摘 要： .I前言 .21 交通管理方案论证 .31.1 设计任务 .31.2 方案介绍 .32 交通灯系统硬件设计 .62.1 单片机概述 .62.2 系统构成 .72.3 芯片选择与介绍 .82.3.1 AT89S51 芯片 .82.3.2 74HC164 芯片介绍 .112.3.3 74LS04 输出信号与信号灯 .112.3.4 交通灯控制线路图.123 交通灯软件设计 .133.1 程序设计流程图 .143.2 延时的设定 .163.2.1 计数器初值计算 .163.2.2 相应程序代码 .173.3 程序的主控制循环调用 .183.4 对现有程序的扩充 .194 实验 .204.1 实验步骤 .204.1.1 编写程序代码 .204.1.2 按照系统硬件连线图连接好系统并调试 .20结论 .22致谢 .23参考文献 .24附件：程序代码 .25成都理工大学工程技术学院单片机课程设计- 2 -前言今天，红绿灯安装在各个道口上，已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段。但这一技术在 19 世纪就已出现了。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。它由红绿两块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，当车辆接近时,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喇叭，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。信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。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直行，左转弯和右转弯，除非另一种标志禁止某一种转向。左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。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。随着经济的发展，交通运输中出现了一些传统方法难以解决的问题。道路拥挤现象日趋严重，造成的经济损失越来越大，并一直保持大比例的增长。现在交通系统已不能满足经济发展的需求。由于生活水平的提高，人们对交通运输的安全性及服务水平提出了更高的要求。在交通中管理引入单片机交通灯控制代替交管人员在交叉路口服务，有助于提高交通运输的安全性、提高交通管理的服务质量。并在一定程度上尽可能的降低由道路拥挤造成的经济损失，同时也减小了工作人员的劳动强度。 中国车辆数量不断增加，交通控制在未来的交通管理中起着越来越重要的作用。智能交通灯的管理比重修一条马路无论在经济、交通运行速率成都理工大学工程技术学院单片机课程设计- 3 -上都有很好的效益、更加节约资源。使交管人员有更多的精力投入到管理整个城市交通控制，带来更大的经济和社会效益,为创造美好的城市交通形象发挥更多的作用。1 交通管理方案论证1.1 设计任务东西（A） 、南北（B）两干道交于一个十字路口，各干道有一组红、左转绿、绿三个指示灯，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。红灯的设计时间为 40 秒，绿灯及左转绿灯各为 20 秒。设A 道和 B 道的车流量相同。1.2 方案介绍把设计任务细化为四个状态，其对应状态：如图 1图 1 状态转换图整个交通灯控制由四个状态组成，可以用程序设计实现，也可用时序逻辑实现.以下方案就是分别用了这两种方法。A 道为 40 秒红灯，B 道绿灯 20 秒A 道为 20 秒红灯，B 道左转 20 秒绿灯A 道为 20 秒绿灯，B 道为 40 秒红灯A 道左转 20 秒绿灯，B 道为 20 秒红灯成都理工大学工程技术学院单片机课程设计- 4 -方案 1 设计思想：采用分模块设计的思想，程序设计实现的基本思想是一个计数器 ， 选择一个单片机，其内部为一个计数，是十六进制计数器，模块化后，通过设置或程序清除来实现状态的转换， 由于每一个模块的计数多不是相同， 这里的各模块是以预置数和计数器计数共同来实现的，所以要考虑增加一个置数模块，其主要功能细分为，对不同的状态输入要产生相应状态的下一个状态的预置数， 如图中 A 道和 B 道,分别为次干道的置数选择和主干道的置数选择。以主干道为例，简述其设计思想。如前分析，已经确定该系统有四个状态，而置数子模块可定要将下一状态的预置数准备好，所以很容易得到主干道的置数表如：表 1状态 主干道预置数 次干道预置数00 40 2001 20 20（左转）10 20 4011 20（左转） 20表 1 置数表由该表，就可以通过程序循环的方法设计该模块，主要思想是通过数据判断指令、跳转指令实现，由主控制器计时和中断产生的四个状态去译码，从而得到不同的输出，即预置数，由上分析可用一个计数器和跳转指令去完成的预置数。而红绿灯的显示也是一样，由状态分析可以得出红绿灯的变化表如：表 2状态 主干道灯显示 次干道灯显示00 红灯 绿灯01 红灯 左转绿灯10 绿灯 红灯11 左转绿灯 红灯表 2 红绿灯变化表通过这张表就可以用组合电路实现该功能了，可以用数据选择器的思想，在本系统中，直接通过门电路的译码，接下来就是计数模块了，成都理工大学工程技术学院单片机课程设计- 5 -其主要的功能细分为，要从预置数开始递减计数，一个状态结束，通过判断，通知主控制模块，使之进入下一模块。还有一个必须考虑到的就是，预置数必须在下一个状态来之前准备好，而红绿灯的状态变化，必须和计数状态同步，于是引起预置数变化的程序要超前于系统本身的状态变化，所以，系统中的两个状态转换时，在上一状态结束时设置预置数，而控制红绿灯的是随着系统本身状态的变化而变化，体现在本子电路中就是有两组电路去判断符合的状态。方案 2 设计思想：状态转换表如：表 3状态 主干道灯显示 次干道灯显示00(15S) 红灯 绿灯01(05S) 红灯 黄灯10(15S) 绿灯 红灯11(05S) 黄灯 红灯表 3 状态转换表本方案分三步：（1）要建立三路信号灯的控制系统，本设计采用 7408 芯片通过组合逻辑控制三路灯的显示关系。（2）建立显示控制系统，本设计采用 74190 芯片倒计时控制，每个方向用两片相连实现，另外用 74153 芯片，因为分析中设置的时间末位均为 5，所以只要用一片 74153 对高位置位，将低位的初值预置锁定为 5，而高位则根据需要由反馈部分提供预置值。（3）建立反馈和细节连接部分，本部分主要解决显示和灯控的同步问题本系统采用倒计时系统减为 0，如当系统减为 0 时通过两个 D 触发器得到两个变量，即为开头分析中的状态，通过它的变化得到不同的逻辑关系，驱动 74153 控制哪组灯亮（对应关系如表所示），另外他还要同步反馈到显示系统的置数环节。注意：本实验中若采用更复杂的四片 74190 控制主干道的两组灯，再用八片 74153 分别对 74190 置数可实现任意数值的交通灯系统。另外对 7408 片子的控制红灯的端口用一个与门将一端再接一个频率一定的方波，使一边为黄灯时，另一边的红灯在闪烁。方案比较：方案 1（以下称 1）用了模块设计，而方案 2（以下称 2）采用的是一般设计，相比之下 1 有较强的可读性和较强的可修改性，而 2 则在成都理工大学工程技术学院单片机课程设计- 6 -设计上显得较简单，设计纯朴，便于测试，它的优势则在于提供了一条较为便捷的解决方案。2 首先将许多逻辑关系简化到极点，而后将其一起集成用较少的芯片去完成所需功能。我们从中可以得出的是，我们最终的设计应该尽量使用模块化设计。对工程设计人员来说，将来的产品无论从修改还是升级考虑对有好处，但另外我们又需将设计简单化，因此我觉得在设计初期尽可能的简单化设计，而一旦设计的各项测试通过了，在有可能的条件下将设计模块化，所以本设计以第一方案为主进行。 2 交通灯系统硬件设计2.1 单片机概述单片机是由运算器、控制器、存储器、输入设备以及输出设备共五个基本部分组成的。单片机是把包括运算器、控制器、少量的存储器、最基本的输入输出口电路、串行口电路、中断和定时电路等都集成在一个尺寸有限的芯片上。通常，单片机由单个集成电路芯片构成，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，引脚的多功能化，以及低电压、低功耗。可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC 机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词“智能型” ，如智能型洗衣机等。现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。 成都理工大学工程技术学院单片机课程设计- 7 -目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能 IC 卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。它主要是作为控制部分的核心部件。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。2.2 系统构成电路板一块，AT89S51 单片机一片，74HC164 芯片八片，七段数码管八个。74LS04 反向器一片，发光二极管 13 个（8 个绿的，4 个红的用于交通控制，1 个用于标识电源），7805 三端稳压电源一个，一个按键，一条数据下载线。系统结构框图如：图 2图 2 系统结构框图系统各部分工作：(1)程序设置初始时间，通过 AT89S51 单片机内部相应寄存器来实现。(2) 由 AT89S51 单片机的定时器每秒钟通过 P3.0 口向 74HC164 的数据端口送信息，由 74HC164 的输出口显示红、绿、黄灯的点亮时间情况；由AT89S51 的 P1.0、P1.1、P1.2、P1.3 口显示每个灯的点亮情况。(3) AT89S51 通过程序设置各个信号灯的点亮时间，通过程序设置左键盘控制返回AT89S51单片机系统LCD 显示与LED 倒计时模块接口电路74HC164成都理工大学工程技术学院单片机课程设计- 8 -转绿、绿、红时间依次为