单片机自动控制交通灯及时间显示的方法 毕业设计论文.doc

单片机自动控制交通灯及时间显示的方法摘 要根据8051单片机的特点及交通灯在实际控制中的特点，本文提出一种用单片机自动控制交通灯及时间显示的方法。同时给出了软硬件设计方法,设计过程包括硬件电路设计和程序设计两大步骤，对在单片机应用中可能遇到的重要技术问题都有涉足。本文对十字路口状态预设为两种，一种是正常状态，另一种是故障或紧急状态，并分别用黄、红、绿色灯的不同组合来表示。本文介绍了控制基本原理以及控制的表现，同时也介绍了城市交通信息系统的设计目标, 开发途径及其系统结构与功能和数据地理编码、建库, 同时, 论述了系统中交通现状、交通管理、交通规划及背景信息查询模块的建造及应用。介绍了用于城市交叉路口的三色程控交通信号时间显示器的研制方案，对其电源供电、发光二极管构成的负载结构、灯色时间检测都给出了精巧合理的优化结构，大幅度地提高了产品可靠性并降低了制造成本。关键词：8051单片机；交通灯；自动控制；发光二极管；软件；硬件；定时器；延时；外部中断abstractaccording to the feature of scm8051 and the characteristics of traffic lights in real control,the article puts forward the method of using sigle-chip microcomputer to control automatically the traffic signal lights and time-show.the method of realization of hardware has also been given,the whole process included hardware circuit designing and program designing,in which some important technique problem that may meet during the use of singlechip involved.in this paper，the state of crossing was designed as two states.one is normal,another breackdown or urgent,which are expressed with different colour lamp named yellow、red and green.the basic principle and method of controlling are introduced.in this paper, the design goals, development ways, system structure, system functions, geographic codes and data base of the urban traffic information system (u t is) were presented. furthermore, the development and the application tests of the traffic situation model, thetraffic management model, the traffic plan model and the background information inquirement model of u t is were discussed.this paper introduces the development scheme of three-colour programmable traffic signal time indicator used in the level-crossing of our city,and gives its power supply,load construction made by led and time detection of traffic lamp colour a reasonable optimize structure.the reliability of product is substantiallyimproved while the cost is reduced.key words:scm8051；traffic lights；automatic control；time indicator；hardwore；softwore timer；delay；external interrupt目录摘 要-abstract-目 录-引 言-一、设计要求及设计意义1、设计目的2、设计要求3、交通灯设计的要求二、设计思路的分析 1、电路的设计2、系统设计3、框图设计三、设计内容1、硬件部分（1）元器件清单（2）单片机简介（3）芯片内部结构（4）交通灯电路原理2、软件部分（1）原理简介（2）系统流程图（3）工具软件简介（4）程序清单3、调试部分（1）仿真软件简介（2）软件使用及仿真全过程（3）调试结果四、设计心得五、附录1参考文献引言 交通的发达，标志着城市的发达，相对交通的管理则显得越来越重要。对于复杂的城市交通系统，为了确保安全，保证正常的交通秩序，十字路口的信号控制必需按照一定的规律变化，以便于车辆行人能顺利地通过十字路口。考虑到单片机具有物美价廉、功能强、使用方便灵活、可靠性高等特点，拟采用mcs - 51系列的单片机来实现十字路口交通信号灯的控制。 正常情况下，十字路口的红绿灯应交替变换，考虑紧急情况下，如有救护车或警车到来时，应优先让其通过。 在本文中，用发光二极管来模拟信号灯，救护车的优先通过请求信号由外部中断技术来模拟。要求使用 8051定时器/ 计数器0作为定时器，假设南北和东西的通车时间都为30 s ，外部中断的延时为10 s ，要求对通行时间进行倒计时，从p1 口输出，在led上显示并进行递减。以此来实现十字路口交通灯的指示功能。交通灯在安全行车过程中起着十分重要的作用, 现在交通灯一般设在十字路口, 在醒目位置用红、绿、黄三种颜色的指示灯, 加上一个倒计时的显示计时器来控制行车, 对于一般情况下的安全行车、车辆分流发挥着作用, 但根据实际行车过程中出现的情况, 主要有如下几个缺点: 1两车道让车轮流放行时间相同且固定, 在十字路口, 经常一个车道为主干道,车辆较多, 放行时间应该长些; 另一车道为副干道, 车辆较少,放行时间短些。2 没有考虑紧急车通过时, 两车道应采取的措施, 譬如, 有消防车通过执行紧急任务时, 两车道的车都应停止, 让紧急车通过。根据行车过程中出现的实际情况, 如何全面有效地利用交通灯指示交通情况, 本人尝试用单片机来控制交通灯, 在软、硬件方面采取一些改进措施, 使交通灯在控制中灵活而有效。 传统的交通灯控制系统, 采用的基本上是3种控制方式。手按: 交警在岗亭值守,人为进行红绿灯改变; 黄闪: 夜间无人值守时, 用每秒1次的黄灯闪亮, 提醒司机安全驾驶; 程控: 以60s 作为一个时间单位。某一方面(例南北方向) 红黄绿三灯的工作程序分别是: 红灯先亮30s, 然后绿灯亮28s, 再绿灯闪亮3s (每秒1次) , 最后黄灯亮2s。此时, 另一方向(东西方向) 红黄绿三灯的工作顺序相应为: 绿灯亮25s, 绿灯闪亮3s (每秒1次) , 黄灯亮2s, 最后红灯亮30s。此后以60s 作为时间单位进行上述的反复循环, 较为合理地解决了十字路口的交通调度问题。但红绿灯的工作顺序及时间都是固定的, 缺乏灵活性。采用该3种方式能解决一般岗亭的交通灯控制。但重点岗亭仍需要有2人以上同时值班, 保证有事要处理时, 仍能保留一名交警负责对交通灯的控制。而此时若想采用程控方式, 交警将无法对交通灯再人为地加以管理。难以再科学地指挥车辆的通行, 有效地解决交通堵塞问题。例如当南北方向车流量很大时, 程控方式下的南北方向绿灯无法保证开放更长的时间, 以缓解交通拥挤的问题。当前，交通事业蓬勃发展，交通流量年年增长，大、中、小城市的汽车、摩托车等各种车辆与日俱增，道路交通繁忙，经常有严重堵车现象，特别是在交叉口，机动车、非机动车、行人来往非常混乱，为了在叉口的各条干道实现合理的科学分流。本人根据单片机具有物美价廉、功能强、使用方便灵活、可靠性高等特点，提出了一种用mcs-51单片机自动控制交通信号灯及时间显示的方法，同时给出了软硬件的实现方法，为交通指挥自动化提供了一种新的廉价手段，具有一定的推广意义。一、设计要求及设计意义1、 设计目的（1）进一步熟悉89s51单片机外部引脚线路连接 （2）学习顺序结构程序的编程方法及子程序的设计方法（3）掌握单片机全系统调试的过程及方法 （4）进一步理解和消化书本知识，运用所学知识和技能进行简单的设计。 （5）通过毕业设计设计提高应用能力，分析问题和解决问题的能力。 （6）培养查阅资料的习惯,训练和提高自学，独立思考的能力。 2、设计要求 交通灯控制系统的设计 1) 掌握在单片机系统中扩展简单i/o接口的方法。 2) 掌握数据输出程序的设计方法。 3) 掌握模拟交通灯控制的实现方法。 4) 掌握外部中断技术的基本使用方法。 5) 掌握中断处理程序的编程方法。 3、交通灯设计的要求 用at89c51单片机控制一个交通灯系统，晶振采用12mhz。设a车道与b车道交叉组成十字路口，a车道是主干道，b为支道。设计要求如下：（1） 用发光二极管模拟交通信号灯。（2） 正常情况下，a、b两车道轮流放行，a车道放行50s，另有5s用于警告；东西南北车道放行30s，另有5s用于警告（3） 在交通繁忙时，交通信号灯控制系统应有手控开关，可人为地改变信号灯的状太，以缓解交通拥挤状况。在b车道放行期间，若a车道有车而b车道无车，按下模拟开关k1使a车道放行15s；在a车道放行期间，若b车道有车而a车道无车，按下模拟开关k2使b车道放行15s。（4） 有紧急车辆通过时，按下开关k3使a、b车道均为红灯，禁止通行20s。二、设计思路的分析 1、电路的设计 （1）原理 要完成本实验，首先必须了解交通灯的亮灭规律。本实验需要用到试验箱上12个发光二极管，即红、绿、黄各4个。将l1（红）、l2(绿)、l3(黄)作为东西方向的指示灯，将l5(红)、l6(绿)、l7(黄)作为南北方向的指示灯。交通灯的亮灭规律为：初始态是两个路口的红灯全亮，之后，东西路口的绿灯亮，南北路口的红灯亮，东西方向通车，延时一段时间后，东西路口绿灯灭，黄灯开始闪烁。闪烁若干次后，东西路口红灯亮，而同时南北路口的绿灯亮，南北方向开始通车，延时一段时间后，南北路口的绿灯灭，黄灯开始闪烁。闪烁若干次后，再切换到东西路口方向，重复上述过程。 各发光二极管的阳极通过保护电阻接到+5v的电源上，阴极接到输入端上，因此使其点亮使相应使相应输入端为低电平。 当有急救车到达时，两个方向上的红灯亮，以便让急救车通过，假设急救车通过路口的时间为20秒，急救车通过后，交通灯恢复中断前的状态，返回主程序。（2）系统设计交通灯控制系统主要控制a、b两车道的交通，以at89c51单片机为核心芯片，通过控制三色led的亮灭来控制各车道的通行；另外通过3个按键来模拟各车道有无车辆的情况和有紧急车辆的情况。根据设计要求，制定总体设计思想如下：l 正常情况下运行主程序，采用0.5s延时子程序的反复调用来实现各种定时时间。l 一个车道有车而另一个车道无车时，采用外部中断1执行中断服务程序，并设置该中断为低优先级中断。l 有紧急车辆通过时擦，采用外部中断0执行中断服务程序，并设置该中断为高优先级中断，实现二级中断嵌套。 （3）框图设计基于at89c51单片机的交通信号控制系统由电源电路、单片机主控电路、按键控制电路和道路显示电路几部分组成，框图如下图所示。三、设计内容用p1端口控制12个发光二极管，模拟十字路口交通灯的工作。东西向和南北向的红、绿、黄灯个两个，交通灯的工作规律：十字路口是东西南北走向，每一刻每一方向只能有一种颜色的灯亮，初始状态为全红灯，1s后转为a道绿灯放行，b道红灯禁止；延时45s后，a道绿灯闪烁3次，转为a道黄灯放行，b道红灯禁止，黄灯等待时间为5s,转为a道红灯禁止，b道绿灯放行，延时25s,b灯闪烁3次，转为黄灯；再延时5s等待时间返回主程序，重复执行。1、硬件部分（1）元器件清单序号元件名称规格数量151单片机at89c511个2晶振12m立式1个3集成电路74ls861个74ls041个74ls071个4按键4个5复位电容22uf/10v1个6起振电容30pf瓷片电容2个7电阻1k4个电阻30012个8红、黄、绿各4个12个9电源5v/0.5a1个（2）单片机简介 单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。 通常，单片机由单块集成电路芯片构成，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，引角的多功能化，以及低电压底功耗。(3) msc-51芯片简介mcs-51单片机内部结构 8051是mcs-51系列单片机的典型产品，我以这一代表性的机型进行系统的讲解。 8051单片机包含中央处理器、程序存储器(rom)、数据存储器(ram)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我分别加以说明：中央处理器：中央处理器(cpu)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，cpu负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。数据存储器(ram)8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的ram只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。图1程序存储器(rom)：8051共有4096个8位掩膜rom，用于存放用户程序，原始数据或表格。定时/计数器(rom)：8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。并行输入输出(i/o)口：8051共有4组8位i/o口(p0、 p1、p2或p3)，用于对外部数据的传输。全双工串行口：8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。中断系统：8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。时钟电路：8051内置最高频率达12mhz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。下图是mcs-51系列单片机的内部结构示意图2。单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛(harvard)结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿(princeton)结构。intel的mcs-51系列单片机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品16位的mcs-96系列单片机则采用普林斯顿结构。（4）电路原理图2、软件部分（1）原理简介主程序采用查询方式定时，由r2寄存器调用0.5s延时子程序的次数，从而获取交通灯的各种时间。子程序采用定时器1方式1查询定时，定时器定时50ms，r3寄存器确定50ms循环10次，从而获得0.5s的延时时间。有车车道放行的中断服务程序首先要保护现场，因需要用到延时子程序和p0口，故需保护的寄存器有r3、p0、th1和tl1，保护现场时还需关中断，以防止高优先级中断（紧急车辆通过产生的中断）出现导致程序混乱。开中断，由软件查询p3.0和p3.1口，判别那一车道，再根据查询情况执行相应的服务。待交通灯信号出现后，保持15s的延时，然后，关中断，恢复现场，再开中断，返回主程序。紧急车辆出现时的中断服务程序也需要保护现场，但无须关中断（因其为高优先级中断），然后执行相应的服务，待交通灯信号出现后延时20s，确保紧急车辆通过交叉路口，然后，恢复现场，返回程序。（2）交通灯模拟控制系统流程图 （3）软件编程 此次用到的软件编程软件是伟福仿真器，伟福软件包是南京伟福公司开发的仿真调试集成软件包，它可以实现编辑、编译、连接、跟踪调试、下载等多项功能，是开发单片机软硬件按的理想工具。 伟福软件包可以工作在两种模式下：软件模拟仿真和硬件仿真。其中，硬件仿真必须在伟福仿真器及仿真头等硬件支持下才能实现。 软件模拟仿真主要包括一下几个基本步骤：软件的安装和设置、新建程序文件、编译程序、仿真调试程序。 （4）定时中断交通灯的程序org 0000h ljmp main org 0003h ljmp intt0 ;转向紧急车辆中断服务程序 org 0013h ljmp intt1 ;转向有车车道中断服务程序 org 0200hmain: mov sp,#30h setb px0 ;置外部中断0为高优先级中断 mov tcon,#00h ;置外部中断0、1为电平触发 mov tmod,#10h ;置定时器1为方式1 mov ie,#85h ;开cpu中断，开外部中断0、1中断loop: mov p0,#0f3h ;a道绿灯放行，b道红灯禁止 mov r1,#90 ;置0.5s循环次数（0.5x90=45s）dip1: acall delay ;调用0.5s延时子程序 djnz r1,dip1 ;45s不到继续循环 mov r1,#06 ;置a道绿灯循环次数wan1: cpl p0.2 ;a绿灯闪烁 acall delay djnz r1,wan1 ;闪烁次数未到继续循环 mov p0,#0f5h ;a黄灯警告，b红灯禁行 mov r1,#04h ;置0.5s循环次数（0.5x4=2s）yl1: acall delay djnz r1,yl1 ;2s未到继续循环 mov p0,#0deh mov r1,#32hdip2: acall delay djnz r1,dip2 mov r1,#06hwan2: cpl p0.5 ;b绿灯闪烁 acall delay djnz r1,wan2 mov p0,#0eeh ;a红灯，b黄灯 mov r1,#04hyl2: acall delay djnz r1,yl2 ajmp loop ;循环执行主程序intt0: push p0 ;p0口数据压栈保护 push th1 ;th1压栈保护 push tl1 ;tl1压栈保护 mov p0,#0f6h ;a、b道均为红灯 mov r2,#40h ;置0.5s循环初值（20s）dey0: acall delay djnz r2,dey0 ;20s未到继续循环 pop tl1 ;退栈恢复现场 pop th1 pop p0 reti ;返回主程序intt1: clr ea ;关中断 push p0 ;压栈保护 push th1 push tl1 setb ea ;开中断 jb p3.0,bop ;a道无车转向b道 mov p0,#0f3h ;a道绿灯，b道红灯 sjmp del1 ;转向15s延时bop: jb p3.1,exit ;b道无车退出中断 mov p0,#0deh ;a红灯，b绿灯del1: mov r5,#30 ;置0.5s循环初值（15s）next: acall delay djnz r5,next ;15s未到继续循环exit: clr ea pop th1 ;退栈恢复现场 pop tl1 pop p0 setb ea retidelay: mov r3,#0ah ;0.5s延时子程序（50msx10=0.5s） mov th1,#3ch ;置50ms初值x=3cb0h mov tl1,#0b0h setb tr1 ;启动t1lp1: jbc tf1,lp2 ;查询计数溢出 sjmp lp1lp2: mov th1,#3ch ;置50ms初值x=3cb0h mov tl1,#0b0h djnz r3,lp1 ret end3、调试部分（1）仿真软件 我此次设计应用到的仿真软件是有美国labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件proteus，它是一种电子设计自动化软件，运行于windows操作系统上，提供了一仿真数字、交流、直流等千种元器件及多种实现功能存在的虚拟仪器仪表，还提供图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时的显示出来。（2）仿真步骤(一) proteus仿真软件主界面(二) 元件查找(三) 摆放元器件单击对象选择列表中的at89c51，预览窗口中将会显示at89c51图形。在编辑窗口单击，可将at89c51放置在编辑窗口内。如需调整元件摆放位置，右击选中对象，并按住左键拖动该对象到合适位置，然后在编辑窗口的空白处右击，撤销对象的选中状态。如需调整元件方位，右击选中对象，可弹出如图所示的菜单，其中的rotate clockwise、rotate、anti-clockwise、rotate 180 degrees、x-mirror、y-mirror选项可分别用于元件的“顺时针旋转90”、“逆时针旋转90”、“旋转180”、“水平翻转”和“垂直翻转”调整操作。(四) 编辑元器件标签在图形编辑窗口中右击选中对象，继续双击可打开该元件的编辑对话框。图为at89c51的编辑对话框。图中列出的参数类型可能依元器件不同而有所差异，但表示元器件在原理图中的参考号的“component referer”选项总是存在的。对话框中的选项一般都可根据用户需要进行更该。需要注意的是，对话框中的“hidden”选项可使对应参数值变为隐藏的，即不出现在原理图上，用户可以根据需要自行设置。(五) 编辑元器件属性从图中可以看出，每个元器件下面都有一个框，可能影响原理图的美观。为取消框，需要元器件的属性进行设置。双击框进入元器件属性编辑对话框，并且单击“style”选项卡，如图所示。取消“visible”项的“follow globl”属性，visible将由灰色状态变为黑色，同样取消其选中状态，框将从原理图中影藏起来。按此步骤，可将每个元器件下面的框变为隐藏状态。(六) 对原理图布线（a）画导线isis模块中没有提供专门的连线工具，省去了用户选择连线模式的麻烦。在isis中，两个元件之间的连线非常简单。只需要直接单击两个元件的连接点，isis即可自动定出走线的路径并完成两连接点的连线操作，这就是isis的线路自动路径功能（简称war）。war功能可通过使用工具栏里的war命令按钮来关闭或打开。如果想自己决定走线的路径，只需要单击第一个元器件的连接点，然后在希望放置拐点的地方单击，最后单击另一个元器件的连接点即可。isis具有重复布线功能。例如，用户要画出at89c51 p0口与led1之间的7条导线，可以采取如下步骤：从p0口的第一个引脚发向led1的第一个引脚连接一根导线，双击p0口的第二个引脚，重复画线功能就会被激活，isis会自动在p0口与led1的第二个引脚之间画出导线。双击第三个引脚，以此类推，可以轻松地完成所有导线的连接。（b）画电源线选择绘图工具栏中的terminals mode图标，会出现端子列表，其中power为电源，ground为接地端。选择ground，并在原理图编辑窗口中单击，“接地”端就被放置到原理图编辑窗口中了。同理，选择power可放置正电源。至此，电子秒表的电路原理图便完成了。(七) 添加.hex仿真文件原理图绘制好后需要加载可执行文件*.hex才能进仿真运行，加载方法如下：a) 双击原理图中at89c51元件，可弹出标签对话框b) 单击“program file”参数框后面的文件夹按钮，在文件夹中找到经过编译后形成的可执行文件，单击“ok”按钮结束加载过程。（八）仿真运行单击原理图编辑窗