基于单片机的交通灯控制器设计方案

桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 1 页 共 17 页 1 基于单片机的交通灯控制器设计方案 1 设计方案 通灯历史简介 当今，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 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。 1968 年，美国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特的会议大厦前的广场上，安装了世界上最早的煤气红绿灯。它由红绿两种旋转式方形提灯组成，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。 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透光其组成， 1914年安装于纽约市 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。带控制得红绿灯，一种是把压力探测器放在地上，车辆一接近红灯变成绿灯；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走，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的正在路口内行驶的车辆和过人行道的行人先通过，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。 计要求 本交通灯的设计要求如下： （ 1） 电源： 5V 。 （ 2） 剩余时间显示：两位数码管。 （ 3） 每次绿灯变红灯时，要 求黄灯先亮 3 秒钟。 （ 4） 主干道每次放行 45 秒；支干道每次放行 30 秒 计思路 本设计的题目是“ 基于单片机的交通灯控制器设计 ”，所以主控芯片当然是单片机，由于对 款单片机比较熟悉，所以我选 为主控芯片。只要交通指示部分，红、绿、黄三种不同颜色的指示灯是必不可少的，这里我选用红、绿、 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 2 页 共 17 页 2 黄三种颜色的高亮 为交通指示灯。对于倒计时显示，选用一般的数码管即可，这里我选用的事两位共阴数码管。由于东西、南北（反方向）的指示灯和倒计时是一致的，所以只需分别将东和西、南和北方向的并联在一起 即可，这就简化了程序设计部分。编程时，在快要到切换东西和南北通车方向的前 3秒，先将此刻通车的方向的绿灯切换成黄灯。 2 硬件电路设计 要元器件简介 性能 有 8 储器 。使用 失性存储器 技术制造，与工业 80上 许 程序存储器 在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 在系统可编程 得 众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、 超有效的解决方案。 有以下标准功能： 8k 字节 56 字节 32 位 I/O 口线， 看门狗定时器 ， 2 个数据指针，三个 16 位定时器/计数器 ，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工 串行口 ， 片内晶振及 时钟电路 。另外，降至 0态逻辑操作，支持 2 种 软件 可选择节电模式。空闲模式下，止工作，允许 定时器 /计数器 、串口、中断继续工作。掉电保护方式下， 容被保存，振荡器被冻结， 单片机 一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止 。 是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 口。 是一个具有内部上拉电阻的 8 位 双向 I/O 口 。 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 3 页 共 17 页 3 图 1 脚图 装 数码管是一种半导体发光 器件 ，其基本单元是 发光二极管 。按 数码管内部发光二极管的个数（ 段数 ）可以将数码管分为 七段数码管和八段数码管，八段 数码管比七段数码管多一个 发光二极管 单元（多一个小数点显示） 。两位共阴数码管即可以同时显示两个数字的数码管。 共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极 (数码管，共阴数码管在应用时应将公共极 到地线 ，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。 图 2 数码管内部电路图 图 3 两位数码管实物图 路原理图设计 整体电路原理框图 如下： 图 4 整体电路原理框图 整体硬件包括单片机最小系统本分、 示部分和数码管显示部分。 单 片 机 指示灯 数码管 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 4 页 共 17 页 4 图 5 整体电路原理图 （ 1）单片机在单片机应用系统中，单片机是核心部件，能够自动完成用户赋予它的任务，控制 示和数码管显示倒计时。 （ 2）晶振电路：晶振电路是单片机一种时序电路，必须为其提供脉冲信号才能正常工作。由于 列单片机内 部已集成了时钟电路，所以在使用时只要外接晶体振荡器和电容就可以产生脉冲信号。晶体振荡器和电容所组成的电路称为晶振电路。 图 6 晶振电路 （ 3）复位电路：单片机在启动运行时，都需要先复位，即是使 系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。 列单片机本身，一般不能自动进行复位，必须配合相应的外部电路才能实现。复位电路的作用就是使单片机在上电时能够复位或运行出错时进入复位状态。 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 5 页 共 17 页 5 图 7 复位电路 （ 4）输入输出口线插座： 单片机通过输入输出口线与外界 交换信息。例如，单片机与外设的通讯就是通过输入输出口线实现的。单片机输入输出口线的驱动能力有限。驱动能力不足时，可以在口线上接驱动器。 高亮 受的电压比较小，所以不能直接在 端直接用 5V 电压驱动，这是需要串联上一个电阻进行分压。但是如果用单片机端口直接驱动 路阳极，单片机输出端口的输出电流很小，需要另加驱动电路。为了解决单片机不能直接驱动 需将单片机的输出口直接接到 路的阴极即可。 这样就不再需要另加驱动电路，简化了电路结构，降低成本。 图 8 南北方向 示电路 由于数码管可以承受 5V 的电压，所以可以直接将数码管接到单片机的输出端口。但是单片机的驱动电路很小，数码管亮度不够，所以要在单片机的输出端口接上上拉电阻作为驱动电路，增加驱动电流，提高驱动能力，增加数码管的亮度。 3 程序设计 程序设计时，将程序进行模块设计可以让思路更加明确，方便阅读。 体程序流程图 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 6 页 共 17 页 6 图 9 程序流程图 始化程序 单片机的 可以不用专门的初始化程序，直接默认 即可。这里的初始化程序主要是定时器初始化，比如将计数器赋起始值等。 车指示程序 通车指示程序包括主干道东西通车指示程序和次干道南北通车指示程序，即东西通车函数和南北通车函数。每个函数的内部都包括 示功能和数码管显示功能。东西方向通车 45 秒 (数码管显示倒计时 )，即在倒计时期间，先亮 42 秒绿灯，再亮 3 秒黄灯，期间南北方向不通车（红灯）。南北通车 30 秒（数码管显示倒计时），即在倒计时期间，南北方向绿灯先亮 27 秒，然后再到黄灯亮 3 秒，期间东西方向亮红灯。使用 通车。 计时程序 实现通车剩余时间倒计时可用两种方法，一种是使用 环语句倒计时，另外一种是使用定时器中断计算时间实现倒计时。 前一种方法，即使用 环语句的方法计算的时间的方法，由于交通灯对时间的要求不是很精确，理论上也是可以的。但是使用这种方法在实际调试时候，由于在倒计时的期间单片机要执行其他的程序语句，所以用这种方法很难实现。 后一种方法，即使用定时器中断函数来计算时间，不但可以很精确地计算时间，而且在定时的同时，单片机还可以执行其他语句，比如数码管动态显示。所以选择了使用定时器 中断来计算倒计时时间。 码管显示 由于这里使用的是两位共阴数码管，也就是说在同一时刻，数码管不能同时显示两位数字，所以不能使用数码管静态显示的方法。在这里，我使用了数码管动态显示的方法，即让数码管的两位数字轮流显示，当周期很短的时候，由于视觉滞留的效果，看起来好像数码管的两位数是同时显示的。 4 调试过程 调试可以分为硬件调试和程序调试。在硬件调试前，先确认电源电压是否为 5V。将电路板接上电源后，先用万用表确认单片机等元件是否接上电。然后开始结合程序，测试单片机是否正常工作，若单片机不能正常工 作，检查晶振是否震荡。确认单片机最小系统可以正常工作后，将程序烧录到单片机中，点亮每一个 数码管。确认硬 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 7 页 共 17 页 7 件可以正常工作后，开始程序调试。程序调试的第一步是让数码可以正常显示数字，这样可以使后面调试过程出现的错误在数码管显示出来。第二步，调试定时器倒计时程序，并在数码管上下面是出来。第三步，分别编写东西通车和南北通车两个倒计时函数，并让这两个函数轮流切换运行。第四步，分别在两个倒计时函数中调节红黄绿 流切换的功能。最后，将整个系统运行一段时间，检查系统是否已能正常工作，若不能正常工作，则分析原因并 解决问题，直到系统正常。 5 心得体会 通过本次的课程设计，很深刻地体会到一点，那就是我们在设计过程中一定要有一个整体的清晰的思路，知道自己的设计的对象的基本功能和核心器件的适用及其作用，只要把握住这些主要方面，一些小问题都将围绕着这些主要问题而逐步得到解决。同时我也懂得，在整个设计过程中，生活中也一样，一定要意志坚定，克服自己的畏难情绪 ,这样才能将事情做好，才能干出一番成就。 谢 辞 感谢学院给我们提供这样的实践动手机会，并通过课程设计使我们能够有机会将书本上学到的知识运用到的实际中 去。在课设过程中施娟老师给了我很多的指导和帮助，并监督我及时完成了本次课程设计，老师 严谨的治学态度、对科研工作的执着追求、谦逊和蔼的风范对 自己 产生的深远影响， 使自己 受益终生。 在她的 严格要求下 ，我的设计有了很大的进展，每次的指导我都会从中 获得丰富的理论知识 同时也会 提高实践能力，这对我 将来 进一步学习电子方面的知识有 着 极大的帮助 。在此特别感谢施娟老师和给予我帮助的同学。 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 8 页 共 17 页 8 参考文献 1 张毅刚，彭喜元，彭宇 . 单片机原理及应用 (第 2 版 )2 郑峰 ,王巧芝等 . 51 单片机典型应用开发范例大全 . 中国铁道工业出版社 0 3 曾峰 计与制作 M电子工业出版社 1 4 刘文涛 . 片机培训教程 ( 5 王宜怀 北京希望电子出版社 , 6 邵贝贝 清华大学出版社 , 7 龚运新 语言开发技术 8 . 嵌入式系统构件 北京 :机械工业出版社 , 2002. 9 江世明基于 单片机应用技术 M. 北京：电子工业出版社， 2009. 10 李泉溪 . 单片机原理与应用实例仿真 M北京：北京航空航天大学出版社， 2009. 11 孙惠芹 . 单片机项目设计教程 M. 北京：电子工业出版社， 2009. 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 9 页 共 17 页 9 附 录 原理图： ： 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 10 页 共 17 页 10 电路板实物图： C 语言源程序： # / 包含 51 单片机寄存器定义的头文件 #=0 / =0 =0 /中断次数计数变量 /秒计数变量 = ; ; = ; 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 11 页 共 17 页 11 = ; ; = ; = ; = ; = ; = ; ,* 函数功能：延时 1*/ i,j; i=0; ; 1; ; ; 0; ; 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 13 页 共 17 页 13 if( ; 1; ; ; 1; ; if(t=0) ; ; 0; ; ; 1; /* 函数功能：东西通道通车时间 入口参数： */ t) 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 14 页 共 17 页 14 abt/10;/显示个位 ; ; abt%10; ; ; if(t3) ; 0; ; ; 1; ; if( ; 1; ; ; 1; ; if(t=0) ; 1; 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 15 页 共 17 页 15 ; ; 0; ; /* 函数功能：主函数 */ ; /使用定时器 65536256; /将定时器计时时间设定为 46083 秒 /=50000 微秒 =50 毫秒 65536256; ; /开启总中断 ; /定时器 断允许 ; /启动定时器 始运