单片机课程设计-单片机设计十字路口交通灯设计.doc

单片机课程设计单片机课程设计 题题 目：十字路口交通灯设计目：十字路口交通灯设计 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 设计时间： 评语： 成绩 目目 录录 摘摘 要要.- 1 - 1.1.引引 言言.- 2 - 1.1 课程设计背景.- 2 - 1.2 本文设计任务.- 2 - 1.3 本课程设计目的.- 2 - 2.2.系统方案设计与原理系统方案设计与原理.- 3 - 2.1 设计思路.- 3 - 2.2 设计系统的运行过程.- 3 - 3.3.硬件设计硬件设计.- 5 - 3.1 十字路口交通灯控制系统的硬件电路设计图.- 5 - 3.2 硬件的功能分析.- 6 - 4.4.软件设计软件设计.- 7 - 4.1 主流程图.- 7 - 4.2 倒计时显示流程图.- 8 - 4.3 状态地址分配.- 9 - 4.4 LED 的字形代码表 .- 9 - 4.5 程序清单.- 10 - 5.5.运行与调试运行与调试.- 13 - 6.6.心得体会心得体会.- 15 - 参考文献参考文献.- 17 - 基于单片机的十字路口交通灯设计 - 1 - 摘摘 要要 随着社会经济的发展，城市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。城市交通控 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，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。探究城市交通 发展中存在问题的原因，无论是从宏观上还是从微观上分析，其根本原因在于 城市交通系统的管理机制不适应。城市交通控制系统是现代城市智能交通系统 的组成之一，主要用于城市道路交通的控制与管理。 当今时代是一个自动化时代，交通灯控制等很多行业的设备都与计算机密 切相关。因此，一个好的交通灯控制系统，将给道路拥挤、违章控制等方面给 予技术革新。十字路口车辆穿梭，行人熙攘，车行车道，人行人道，有条不紊。 那么靠什么来实现这井然秩序呢？靠的是交通信号灯的自动指挥系统，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。传统的交通信号灯控制电路一般由数字电路构成, 电路复 杂、体积大、成本高。采用单片机控制交通信号,可以简化电路结构、降低成本、 减小体积, 现在有许多方法可以实现交通信号灯控制，本文采用AT89C51单片 机为中心器件来设计交通灯控制系统。各种交通控制方案，最终都要由路口信 号控制器来实现。 交通信号灯控制方式很多，我们可由 AT89C51 单片机的定时器每秒钟通 过 P0 口输送交通信号信息，在我们的系统中我们采用的是共阳极发光二极管， 所以当 P0 口的各引脚输出为低电平时，显示红、绿、黄灯的燃亮情况，由 Pl、P2 口用 LED 显示每个灯的燃亮的倒计时时间。通过 AT89C51 单片机的 RESET 位来控制系统是工作或设置初值，当复位信号为 1 时就对系统进行初始 化，系统就开始工作。 关键词：关键词：AT89C51；LED显示；交通灯显示；交通灯 基于单片机的十字路口交通灯设计 - 2 - 1.1.引引 言言 1.11.1 课程设计背景课程设计背景 随着世界范围内城市化和机动化进程的加快，城市交通越来越成为一个全 球化的问题。城市交通基础设施供给滞后于高速机动化增长需求，道路堵塞日 趋加重，交通事故频繁，环境污染加剧等问题普遍存在。目前，全国大中城市 普遍存在着道路拥挤、车辆堵塞、交通秩序混乱的现象，交通事故频发，这给 人民的生命财产安全带来了极大的损失。如何解决城市交通问题已成为全社会 关注的焦点和大众的迫切呼声。为了确保十字路口的行人和车辆顺利、畅通地 通过,往往采用电子控制的交通信号来进行指挥。 1.21.2 本文设计任务本文设计任务 设计一个能够控制十二盏交通信号灯的模拟系统。利用单片机的定时器定 时，令十字路口的红绿灯交替点亮和熄灭，并用 LED 灯显示倒计时间。 假设一个十字路口为东南西北走向。初始状态 0 为东西南北都红灯亮。然 后转状态 1 南北绿灯通车，东西红灯亮。过一段时间后，转状态 2，南北绿灯 灭，黄灯闪几下，东西还是红灯。再转状态 3，南北红灯亮，东西绿灯通车。 过一段时间后转状态 4，东西绿灯灭，闪几个黄灯，南北还是为红灯亮，一段 时间后，又循环至状态 1。 通过对发光二极管的控制，来模拟交通信号灯的管 理。每延时一段时间，灯的显示情况都会按交通灯的显示规律进行状态转换， 并增添其倒计时间的显示功能。 1.31.3 本课程设计目的本课程设计目的 （1）掌握十字路口交通灯控制的设计原理，并能够运用VHDL编程语言编 写出实验程序，进一步对所学的知识进行掌握与实际应用。 （2）学会在MAX+plus软件环境中仿真，熟悉软件的基本操作和运行环 境。 （3）锻炼自己获取信息的能力，以及能够独立自主的思考和解决问题的能 基于单片机的十字路口交通灯设计 - 3 - 力。 2.2.系统方案设计与原理系统方案设计与原理 2.12.1 设计思路设计思路 在交通灯控制系统中，东西南北四个方向各有红黄绿三种颜色的指示灯各 一盏，共计 12 盏指示灯，用以来指挥车辆和行人安全通行。当红色指示灯亮的 时候表示禁止该方向的车辆和行人通行，当绿色指示灯亮的时候表示允许该方 向的车辆和行人通行，当黄色指示灯亮的时候提示人们红、绿灯的状态即将切 换。并且黄灯燃亮时为东西和南北两干道的公共停车时间。 初始状态 0 为东西南北都红灯亮。然后转为状态 1 南北绿灯通车，东西红 灯亮。过一段时间后，转为状态 2，南北绿灯灭，黄灯闪几下，东西还是红灯。 再转为状态 3，南北红灯亮，东西绿灯通车。过一段时间后转为状态 4，东西绿 灯灭，闪几个黄灯，南北还是为红灯亮，一段时间后，又循环至状态 1。 为了达到上述设计要求，可以用一片 AT89C51 单片机实现。可以用一个 AT89C51 的 P0 口(P0.0P0.5)分别接上垂直两个道口的 6 盏信号灯，由 AT89C51 单片机的定时器每秒钟通过 P0 口输送交通信号信息，在我的这个系 统中采用的是共阳极发光二极管，所以当 P0 口的各引脚输出为低电平时，显示 红、绿、黄灯的燃亮情况。用 AT89C51 的 Pl、P2 口显示每个灯的燃亮的倒计 时时间，时间由定时器来控制，由 P1 口的输出作为倒计时时间的十位数码， P2 口输出作为倒计时时间的个位数码，用四个数码管的显示用动态显示的方法 实现。P3 口用来接应急开关 K2、K3，用来实现对特殊情况的处理，当按下开 关时交通显示灯全变为红灯，是特殊车辆通过。 2.22.2 设计系统的运行过程设计系统的运行过程 一般十字路口的交通灯控制系统的工作过程如下： （1）图中南北车道绿灯亮，东西车道红灯亮。表示南北车道上的车辆允许 基于单片机的十字路口交通灯设计 - 4 - 通行，东西车道禁止通行。绿灯亮足 25S 时，控制器发出状态信号，转到下一 工作状态。 （2）南北车道黄灯亮，东西车道红灯亮。表示南北车道上未过停车线的车 辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行，东西车道禁止通行。黄灯亮足 5S 时， 控制器发出状态转换信号，转到下一工作状态。 （3）南北车道红灯亮，东西车道绿灯亮。表示南北车道禁止通行，东西车 道上的车辆允许通行绿灯亮足 25S 时，控制器发出状态转换信号，转到下一工 作状态。 （4）南北车道红灯亮，东西车道黄灯亮。表示南北车道禁止通行，东西车 道上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行。黄灯亮足 5S 时， 控制器发出状态转换信号，系统又转换到第（1）种工作状态，就这样一次循环 的进行运行。 在实际中，东西和南北两方向车道交通灯的 4 种运行状态的具体显示，如 图 2-1 所示。 状态 1 南北 绿灯亮 状态 2 南北 黄灯亮 状态 3 东西 绿灯亮 状态 4 东西 黄灯亮 四个状态 图 2-1 四种状态的交通灯显示 基于单片机的十字路口交通灯设计 - 5 - 3.3.硬件设计硬件设计 3.3.1 1 十字路口十字路口交通灯控制系统的硬件电路设计图交通灯控制系统的硬件电路设计图 根据以上的设计思路分析，可以得到十字路口交通灯控制系统的硬件电路 设计图如 3-1 所示。 基于单片机的十字路口交通灯设计 - 6 - R1 P0.0/AD0 P0.1/AD1 P0.2/AD2 P0.3/AD3 P0.4/AD4 P0.5/AD5 P0.6/AD6 P0.7/AD7 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 P2.0/A8 P2.1/A9 P2.2/A10 P2.3/A11 P2.4/A12 P2.5/A13 P2.6/A14 P2.7/A15 XTAL1 XTAL2 /EAVpp PSEN /ALEPROG RST +5V 东西 南北 红黄绿绿黄红 19 18 9 29 30 31 AT89C51 P3.2/ 南北应急功能键K2 东西应急功能键K3 复位键K1 图 3-1 十字路口交通灯控制系统的硬件电路设计图 3.23.2 硬件硬件的功能分析的功能分析 AT89C51单片机是交通灯控制系统的核心，主要用来驱动数码显示管、实 现晶振电路和发光二极管等部件的控制，本设计中用到了P0，P1和P2口，用 89C51的P0口(P0.0P0.5)分别接上垂直两个道口的6盏信号灯，P1口输出作为倒 计时时间的十位数码，P2口输出作为倒计时时间的个位数码,所以其实现了对整 基于单片机的十字路口交通灯设计 - 7 - 个系统的控制。 十字路口要有数字显示装置，作为时间提示，以便人们更直观地把握时间。 具体要求为：当某方向绿灯亮时，置定时器为某一个数值，然后以每秒减 1 的 计数方式工作，直至减到数为 0，十字路口红、绿灯交换，一次工作循环结束， 进入另一个方向的工作循环。数码显示管就是用来显示东西和南北两个道口的 红黄绿三种颜色的灯的倒计时时间。 通过89C5l单片机的RESET位来控制系统是工作或设置初值，当复位信号为 1时就对系统进行初始化，系统就开始工作，复位开关K1就是用来实现对整个 系统的初始化和复位工作。 在东西和南北两方向垂直的十字路口上，共有12盏交通灯，但有东西整个 道上的分析一样，南北整个道上的分析一样，所以在设计时可用6盏灯来完成整 个道路的设计，所以用3盏灯来显示南北方向的红黄绿，用3盏灯来显示东西方 向的红黄绿。 应急开关K2、K3借用P3口，用来实现对特殊情况的处理，当按下开关时交 通显示灯全变为红灯，是特殊车辆通过。 整个设计满足了任务的要求，即完成了四个状态的转换，完成了倒计时数 码管的显示，所以这个系统的设计足以控制十字路口的交通灯正常变换，保证 各道车辆的畅通运行。 4.4.软件设计软件设计 4.14.1 主流程图主流程图 通过设计思路的分析，得到主流程图如图 4-1 所示。 基于单片机的十字路口交通灯设计 - 8 - 初始化 绿灯倒计时25s是否结束 东西红南北绿 否 是 红灯倒计时30s是否结束 东西红南北黄 否 是 绿灯倒计时25s是否结束 东西绿南北红 否 是 红灯倒计时30s是否结束 东西黄南北红 否 是 东西红南北绿 图 4-1 主程序流程图 4.24.2 倒计时显示流程图倒计时显示流程图 在整个交通灯的设计过程中，LED 显示是主要设计的内容之一，在这个系 统中，用到 30S 和 25S 两个时间段，用定时器 0 的工作方式 1 的时候，其最大 设定时间只能为 131ms（）的时间，mss131)(10131072102)02( 6616 所以我用到了定时器和计数来完成这一功能，为了计算的方便，选择定时时间 基于单片机的十字路口交通灯设计 - 9 - 为 125ms，即计满 8 次为 1s，依此循环使其计够 30s 或 25s，其中 R6 和 R7 就 是存储 30s 和 25s 的倒计时时间的寄存器，整个运行过程是个比较复杂的内容， 故将其流程图列画如下图所示。 开始 定时125ms 125ms是否计满 否 重复8次，即1s 8次是否计满 否 R6或R7的值减1 R6或R7的值是否为0 否 倒计时结束 是 是 是 图 4-2 倒计时显示流程图 4.34.3 状态地址分配状态地址分配 设计任务中描述了十字路口交通灯的四种不同的状态，在整个的运行过程 中要求四个状态进行切换，因此在程序设计中必须给四个状态分配不同的地址 来进行驱动，由于 P0 上的灯用低电平“0”来驱动点亮，所以其具体点的状态 地址分配如表 4-1 所示。 基于单片机的十字路口交通灯设计 - 10 - P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0 东西绿东西黄东西红南北绿南北黄南北红 状态 地址 11110011F3H 11110101F5H 11011110DEH 11101110EEH 表 4-1 状态地址分配表 4.4 LED 的字形代码表的字形代码表 LED 显示器中的发光二极管用共阴极连接时，其十六进制数字形代码表如 表 4-2 所示。 字型 D7D6D5D4D3D2D1D0 共阴极代码 0111100113FH 10000011006H 2010110115BH 3010011114FH 40110011066H 5011011016DH 6011111017DH 70000011107H 8011111117FH 9011011116FH 灭 0000000000H 表 4-2 LED 的字形代码表 4.54.5 程序清单程序清单 ORG 0000H MOV P0,#00H ;确保 P0 为低电位 lJMP MAIN0 ORG 0030H 基于单片机的十字路口交通灯设计 - 11 - MAIN0: MOV 30H,#08HMOV R6,#00H MOV R7,#00H MOV DPTR,#TABLE ;取数码管的译码 MOV TMOD,#01H ;设计定时方式为定时器 0 的方 1； MOV TL0,#0CDH ;定时时间为 125ms MOV TH0,#0BH SETB TR0 ;启动定时器 SETB EA ;开总中断 SETB EX0 ;允许外部中断 0 SETB EX1 CLR IT0 MAIN: MOV P0,#0F3H ;南北绿灯，东西红灯 MOV R6,#1EH ;红灯 30s 倒计时 MOV R7,#19H ;绿灯 25s 倒计时 MAIN1:CALL DELAY ;1S 延时子程序 CJNE R7,#00H,MAIN1 ;判断绿灯 25s 是否倒计完 MOV P0,#0F5H ;南北黄灯，东西红灯 MAIN2:CALL DELAY MOV R7,#00H ;红灯继续倒计时，黄灯闪烁 CPL P0.1 ;黄灯闪烁 CJNE R6,#00H,MAIN2 ;判断红灯是否倒计时完 MOV P0,#0DEH ;南北红灯，东西绿灯 MOV R7,#1EH MOV R6,#19H MAIN3:CALL DELAY CJNE R6,#00H,MAIN3 MOV P0,#0EEH MAIN4:CALL DELAY MOV R7,#00H CPL P0.4 CJNE R6,#00H,MAIN4 基于单片机的十字路口交通灯设计 - 12 - JMP MAIN DELAY:MOV A,R6 ;进行南北方向倒计时时间的十进制调整 MOV B,#0AH DIV AB MOVC A,A+DPTR ;找寻相应的数码管代码 MOV P1,A ;输出个位 MOV R4,#4 ;降低动态显示频率 LOOP2:MOV R3,#125 LOOP3:DJNZ R3,LOOP3 DJNZ R4,LOOP2 MOV A,B MOVC A,A+DPTR MOV P2,A ;输出十位 MOV R4,#4 LOOP4:MOV R3,#125 LOOP5:DJNZ R3,LOOP5 DJNZ R4,LOOP4 MOV A,R7 ;进行东西方向倒计时时间的十进制整 MOV B,#0AH DIV AB MOVC A,A+DPTR MOV P1,A MOV R4,#4 LOOP6:MOV R3,#125 LOOP7:DJNZ R3,LOOP7 DJNZ R4,LOOP6 MOV A,B MOVC A,A+DPTR MOV P2,A MOV R4,#4 LOOP8:MOV R3,#125 基于单片机的十字路口交通灯设计 - 13 - LOOP9:DJNZ R3,LOOP9 DJNZ R4,LOOP8 JBC TF0,LOOP ;判断是否计满 125ms AJMP DELAY LOOP: MOV TL0,#0CDH ;计满 125ms 重新给定时器赋值 MOV TH0,#0BH MOV A,30H DEC A MOV 30H,A JNZ DELAY ;判断是否计满 8 次 125ms，即 1s DEC R6 ;计满 1s，东西倒计时减 1，南北倒计 1 DEC R7 MOV 30H,#08H ;重新 1s 次数，重新计时 RET TABLE:DB 03FH,06H,05BH,04FH,66H ;相应数值的数码管代码 DB 6DH,7DH,07H,7FH,6FH,00H END 5.5.运行与调试运行与调试 在单片机仿真软件 Proteus.Professional.7.1.SP2中进行仿真，在初始状态下的 情况如图5-1所示。 基于单片机的十字路口交通灯设计 - 14 - 图5-1 十字路口初始状态的交通灯图 经过编译后，得到状态1（东西红，南北绿）情况下的仿真结果如图5-2所 示。 图5-2 状态1情况下的仿真结果 经过编译后，运行一段时间后，我们得到状态3（东西绿，南北红）情况下 的仿真结果如图5-2所示。 基于单片机的十字路口交通灯设计 - 15 - 图5-3 状态3情况下的仿真结果 设计完成后，由于各种原因，我们在实验室的硬件上未能正确的完成模拟， 但在单片机仿真软件 Proteus.Professional.7.1.SP2上我们通过画外部接线图，装 载程序等步骤进行了仿真，最终仿真结果能按照我们设计的四种状态依次循环 的进行运行，当按下复位键时其重新开始仿真，当按下应急键时南北东西的红 灯全亮，禁止车辆运行，仿真结果令人满意，让人有种苦尽甘来的感觉。 基于单片机的十字路口交通灯设计 - 16 - 6.6.心得体会心得体会 本周课程设计的任务是在学完单片机原理及课程之后综合利用所学单片机 知识完成一个单片机应用系统设计，并且要在实验室连接硬件调试实现。该课 程设计的主要任务是通过解决一、两个实际的问题，巩固和加深单片机原理 与应用课程中所学的理论知识和实验能力，基本掌握单片机应用电路的一般 设计方法，提高电子电路的设计和实验能力，加深对单片机软硬知识的理解， 获得初步的应用经验，为以后工作打下一定的基础。 在今天，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。交通信号灯的出现，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。通过这个星期的学习，我对单片 机的结构和功能已有了大体的了解和认识。单片机在交通控制中起到了举足轻 重的作用，掌握了单片机的工作原理也就基本了解了交通灯的运做原理。为了 更好地掌握单片机的结构和功能，为了进一步加强自己的实践能力，学院给我 们的这次课设机会让我确实受益匪浅。 在做课程设计的过程中，我通过图书和上网查阅资料，不仅了解了很多单 片机的知识，而且锻炼了我自学和独立思考的能力。我们先通过题目的要求构 思出大体的思路，画出主程序的流程图和细节的复杂过程