基于单片机交通灯设计毕业论文.doc

目 录一、引言3二、设计原理及思路32.1原理32.2方案设计与论证32.3电源提供方案42.4显示界面方案42.5输入方案42.6 设计满足的基本功能4 2.7部分电路设计52.7.1显示部分电路设计52.7.2复位部分电路设计6三、系统硬件设计73.1总体设计73.2单片机最小系统83.2.1 振荡电路83.3显示及其驱动模块83.3.1键盘与状态显示功能83.3.2倒计时计数功能8四、系统软件设计94.1软件总体设计94.2软件主要子程序设计10五、硬件电路设计（原理图）19六、程序设计，流程图21七、总结22参考文献23一、引言本系统由单片机系统、键盘、LED显示、交通灯演示系统组成。系统包括人行道、左转、右转、以及基本的交通灯的功能。系统除基本交通灯功能外，还具有时间设置、紧急情况处理、分时段调整信号灯的点亮时间以及根据具体情况手动控制等功能。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。二、设计原理及思路2.1原理基于AT89S52单片机数显交通灯系统硬件原理，由于单片机需高稳定，高频率的实基脉冲，因此需要晶体振荡器。在晶体振荡器两端并联两个电容C1、C2，对振荡器频率有微调作用。如图1： 图1 基于AT89S52单片机数显交通灯系统组成框图2.2方案设计与论证 本设计以单片机为核心，以LED数码管作为倒计时指示，根据设计的要求我们考虑了各功能模块的几种设计方案，以求最佳方案，实现实时显示系统各种状态，以提高效率，缓减交通拥挤。2.3电源提供方案 为使模块稳定工作，须有可靠电源。本次设计考虑了两种电源方案：方案一：采用独立的稳压电源。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，会使系统复杂，且可能影响电路电平。方案二：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。综上所述，选择第二种方案。2.4显示界面方案该系统要求完成倒计时功能。基于上述原因，本次设计考虑了两种方案：方案一：完全采用点阵式LED显示。这种方案功能强大，可方便的显示各种英文字符，汉字，图形等，但实现复杂，且须完成大量的软件工作。 方案二：完全采用数码管显示。这种方案优点是实现简单，可以完成倒计时功能。缺点是功能较少，只能显示有限的符号和数码字符。根据本设计的要求，方案二已经满足了要求，所以本次设计采用方案二以实现系统的显示功能。2.5输入方案这里同样讨论了两种方案： 方案一：采用8155扩展I/O口、键盘及显示等。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I/O口线上接上按键开关。因为设计时精简和优化了电路，所以剩余的端口资源还比较多，我们使用六个按键，分别是P16、P17、P27、P30、P32、P33，依次完成倒计时加1、倒计时减1、调完确认、调时方向切换、南北强行和东西强行等功能。由于该系统是对交通灯及数码管的控制，只需用单片机本身的I/O口就可实现，且本身的计数器及RAM已经够用，故选择方案二。2.6 设计满足的基本功能本系统由单片机系统、键盘、LED数码管显示、流水灯演示系统组成。最后，系统要求实现如下的交通灯的功能：1）南北方向（主干道）车道和东西方向（支干道）车道两条交叉道路上的车辆交替运行，南北方向设有红绿黄灯和转向灯，东西方向只设有红绿黄灯，不设转向灯（如果有需要可以取消警报灯D6来设置）。时间可在初始化中设置修改。2）南北方向在绿灯转为转向灯时，要求黄灯先闪3s；在转向转为红灯时，要求黄灯先闪5s。东西方向在绿灯转为黄灯时，要求黄灯先闪5s。3）东西方向、南北方向每次灯亮的时间都用显示器进行显示（采用倒计时的方法）。4）复位按键S1,能在任何情况下返回初始设置5）发生紧急情况，如交通意外或道路施工，需要车辆禁止通行时，系统能通过K1按键指挥交通停止，南北和东西方向同时显示红灯，并鸣响警报、亮起警报灯，提示行人车辆。进入紧急模式并保留当时交通灯运行的情况，可以通过第二次按下K1恢复原来状态。6）深夜路上没有行车的路口，可以设置夜间模式，系统通过K2按键切换到黄灯不停闪烁的模式，数码管只显示0000，不进行倒计时。可以通过复位键进行返回。7）当交通一个方向上有车而另另一个方向上无车时，系统能通过K3立即让有车道放行。如果是东西通道无车而南北通道有车，按下K3能直接切换到南北绿灯；如果是南北通道无车而东西方向上有车，按下K3能直接切换到东西绿灯。根据设计功能及要求，我们可得系统的原理框图如图2所示。图2 系统的原理框图 2.7部分电路设计2.7.1显示部分电路设计 该设计采用如下所示的数码管，分别显示东西和南北灯的剩余时间，左边两位为东西，右边两位为南北。该数码管为共阳接法（0脉冲有效），片选部分接单片机管脚的P2口和数码段显示部分接单片机管脚的P0口，具体的下见图3。 图3 单片机管脚P0口 P2口 图4 单片机部分管教图2.7.2复位部分电路设计复位引脚RESET通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2，斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。 复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式，该设计采用的是上电直接复位。其连接图如下图5所示： 图5 独立按键模块键盘是最常用的输入设备，本设计中键盘数目较少，且为安装方便，因此在本设计中采用独立式接法，由P3.2、P3.3、P3.4口控制。独立式实际上就是一组独立的按键，这些按键可直接与单片机的I/O口连接，即每个按键独占一条口线，这种接法简单。本设计采用P1口控制二极管的发光情况，口线送低电平有效。三、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。3.1总体设计 本设计以单片机为控制核心，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、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。它由单片机振荡电路、复位电路等组成。 键盘及状态显示，开关键盘输入交通灯初始时间，通过单片机P1输入到系统。系统采用双数码管倒计时计数功能，最大显示数字99。按键功能介绍本设计中采用独立式接法，由P3.2、P3.3、P3.4口控制，如下表1所示。 表1 各按键控制功能 按键键名功能P3.2K1键紧急停止键P3.3K2键夜间模式键P3.4K3键转换模式键当按下启动按钮K1并释放后，系统就进入紧急停止模式，东西和南北方向上都亮起红灯。表示发生紧急状况，两边道路都禁止通车。当按下启动按钮K2并释放后，系统就进入夜间模式，东西和南北方向上都为黄灯不停闪烁，能有效的节约能源，并依旧能起到提醒过往车辆和行人的效果。当按下启动按钮K3并释放后，系统就进入转换模式，当一个方向上有车而另另一个方向上无车时，系统能立即让有车道放行。如果是东西通道无车而南北通道有车，按下K3能直接切换到南北绿灯；如果是南北通道无车而东西方向上有车，按下K3能直接切换到东西绿灯。3.2单片机最小系统3.2.1 振荡电路 AT89S52是内部具有振荡电路的单片机，只需在18脚和19脚之间接上石英晶体，给单片机加工作所需直流电源，振荡器就开始振荡起来。振荡电路就为单片机工作提供了所需要的时钟脉冲信号，是单片机的内部电路、单片机的内部程序（若有）开始工作。振荡电路不工作，整个单片机电路都不能正常工作。AT89C51常外接6MHz、12MHz的石英晶体，18脚和19脚分别对地接了一个20pF的电容，目的是防止单片机自激。若从18脚输入外部时钟脉冲，则19脚接地。3.3显示及其驱动模块3.3.1键盘与状态显示功能 键盘在本设计中用于紧急情况的手动控制装置，以及定时时间的设置等功能，起到了不可缺少的重要作用。当定时器定时为1秒时程序跳转到时间显示及信号灯显示子程序，它将依次显示信号灯时间，同时一直显示信号灯的颜色，这时在返回定时子程序定时1秒，在显示黄灯的下一个时间，这样依次把所有的时间显示完后在重新给时间计数器赋初值，重新进入循环。键盘电路如图6所示。 图6 键盘电路3.3.2倒计时计数功能 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1。然后又从红灯的设置时间最大值往下减，一直减到1。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，所以我们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。LED数码管如图7所示。 图7 LED数码管四、系统软件设计 软件在硬件平台上构筑，完成各部分硬件的控制和协调。系统功能是由软硬件共同实现的，由于软件的可伸缩性，最终实现的系统功能可强可弱，差别可能很大。因此，软件是本系统的灵魂。软件采用模块化设计方法，不仅易于编程和调试，也可减小软件故障率和提高软件的可靠性。同时，对软件进行全面测试也是检验错误排除故障的重要手段。这里我们选用了移值性好、结构清晰、能进行复杂运算的C语言来实现编程。4.1软件总体设计 软件总体设计主要完成各部分的软件控制和协调。本系统主程序模块主要完成的工作是对系统的初始化，发送显示数据，同时对键盘进行扫描，等待外部中断，以及根据所需要的功能进行相应的操作。其流程图如图8所示。 图8 软件总体流程图程序实现功能;西南北路口直行与转弯交替通行，数码管显示直行通行倒计时，红绿黄灯显示包括人行道在内的道路交通状态。;某一方向道路拥挤时，可以人工控制调节东西南北方向通行时间。;紧急情况时，各路口交通灯显示红灯，数码管保持数据不变。;工作寄存器及存储单元分配;1.工作寄存器;R2设置为定时器定时中断次数,R6、R7用于延时程序中的寄存器;2.片内存储单元;30H、31H作为两组数码管显示数据存储单元;32H、33H作为交通灯初始状态存储单元;40H、41H作为交通灯显示数据存储单元;3.标志位;00H：南北通行标志位 ; 01H：东西通行标志位;02H：紧急事件标志位 ;-SNF EQU 00H ;南北通行标志位EWF EQU 01H ;东西通行标志位URF EQU 02H ;紧急事件标志位ORG 0000HLJMP MAIN ;上电转主程序ORG 000BH ;定时中断入口LJMP DSZD ORG 0003H ;紧急中断入口LJMP URZDORG 0030H MAIN: LCALL INIT ;调用初始化子程序LOOP: LCALL DIS ;循环执行显示子程序 AJMP LOOP;/初始化程序INIT: SETB SNF SETB EWF SETB URF MOV R2,#20 ;定时器中断20次为1s MOV TMOD,#01H ;初始化定时器 MOV TL0,#0B0H MOV TH0,#3CH SETB EA ;开定时中断与紧急中断 SETB ET0 SETB TR0 SETB EX0 SETB IT0 ;设置中断程控方式 MOV DPTR,#TAB ;数值首地址放入DPTR中 MOV 40H,#40 ;东南西北通行时间设置 MOV 41H,#40 MOV 30H,#40 ;通行时间初始化 MOV 31H,#60 MOV P0,#4CH ;初始化时南北通行并把交通灯状态分别放在32H和33H中 MOV 32H,#4CH MOV P2,#15H MOV 33H,#15H RET;/显示子程序DIS: MOV P3,#0DFH ;选中南北方向的十位数码管 MOV A,30H ;把显示数据送人数码管显示 MOV B,#10 DIV AB MOVC A,A+DPTR MOV P1,A ; LCALL D1MS MOV P3,#0EFH ;选中南北方向的个位数码管 MOV A,B ;送入数码管显示 MOVC A,A+DPTR MOV P1,A LCALL D1MS MOV P3,#7FH ;选中第东西方向的十位数码管 MOV A,31H ;送入数码管显示 MOV B,#10 DIV AB MOVC A,A+DPTR MOV P1,A LCALL D1MS MOV P3,#0BFH ;选中第东西方向的个位数码管 MOV A,B MOVC A,A+DPTR MOV P1,A LCALL D1MS SETB P3.0 SETB P3.1 JNB P3.0,DIS_S ;查询是否第一个按键按下 JNB P3.1,DIS_E ;查询是否第二个按键按下 AJMP DIS_R ;没有键按下则返回DIS_S:LCALL D5MS ;按键去抖 JNB P3.0,DIS_SN AJMP DIS_R DIS_SN:MOV 40H,#50 ;对通行时间从新分配，南北通行时间加长 MOV 41H,#30 AJMP DIS_RDIS_E:LCALL D5MS ;按键去抖 JNB P3.1,DIS_EW AJMP DIS_RDIS_EW:MOV 40H,#30 ;东西通行时间加长 MOV 41H,#50DIS_R:RET ;/定时中断处理程序DS_C: LJMP DS_R ;接力跳转DSZD: PUSH ACC ;保护现场 PUSH PSW CLR TR0 ;关定时器及中断标志位并重新赋值 CLR TF0 MOV TL0,#0B0H MOV TH0,#3CH DJNZ R2,DS_C ;判断1m时间是否到达 MOV R2,#20 ;到达重新赋值 DEC 30H ;南北方向通行时间减一 MOV A,30H ;把减一后的时间送入显示存储单元;南北通行到达最后4秒时黄灯闪烁DS_10:CJNE A,#4,DS_11 ;如果通行时间剩余4秒 JNB SNF,DS_11 ;判断是否是南北通行 MOV P0,#8AH MOV 32H, #8AH ;把交通灯状态存入存储单元（后面类似）DS_11:CJNE A,#3,DS_12 ;不是剩余3秒，返回 JNB SNF,DS_12 ;不是南北通行时间，返回 MOV P0,#88H MOV 32H, #88HDS_12:CJNE A,#2,DS_13 JNB SNF,DS_13 MOV P0,#8AH MOV 32H, #8AH DS_13:CJNE A,#1,DS_14 JNB SNF,DS_14 MOV P0,#88H MOV 32H, #88H;-DS_14:JNZ DS_NE ;通行时间没有结束转向改变东西方向的数码管 CPL SNF ;如果通行时间结束则对标志位取反 JNB SNF,DS_1 ;判断是否南北通行 MOV 30H,40H ;是，点亮相应的交通灯 MOV P0,#4CH MOV 32H,#4CH ;存储交通灯状态 MOV P2,#15H MOV 33H, #15H ;存储交通灯状态DS_NE:DEC 31H ;东西方向通行时间减一 MOV A,31H ;把通行剩余时间送入显示存储单元;东西方向通行时间剩余4秒钟黄灯闪烁（程序注释与南北方向类似 略）DS_20:CJNE A,#4,DS_21 JB EWF,DS_21 MOV P0,#51H MOV 32H, #51HDS_21:CJNE A,#3,DS_22 JB EWF,DS_22 MOV P0,#41H MOV 32H, #41HDS_22:CJNE A,#2,DS_23 JB EWF,DS_23 MOV P0,#51H MOV 32H, #51HDS_23:CJNE A,#1,DS_24 JB EWF,DS_24 MOV P0,#41H MOV 32H, #41H;-DS_24:JNZ DS_R ;东西方向时间没有结束，返回 CPL EWF ;对通行状态取反 JNB EWF,DS_2 ;东西方向通行时间到来，跳转 MOV 31H,#80 ;东西方向通行结束，重新显示时间 MOV P0,#89H ;点亮相应的交通灯 MOV 32H, #89H MOV P2,#29H MOV 33H, #29H AJMP DS_R DS_1: MOV 30H,#80 ;南北通行时间结束，重新对显示存储单元赋值 MOV P0,#89H ;执行转弯状态1 MOV 32H, #89H MOV P2,#26H MOV 33H, #26H AJMP DS_NE DS_2: MOV 31H,41H ;东西方向开始通行，赋值予显示存储单元 MOV P0,#61H ;点亮相应的交通灯 MOV 32H, #61H MOV P2,#15H MOV 33H, #15HDS_R: SETB TR0 POP PSW ;恢复现场 POP ACC RETI4.2软件主要子程序设计4.2.1紧急状态子程序设计 1在紧急状态下，只有紧急状态手动控制按键才可以使所有的LED都被置为红灯，车辆禁行、行人通行。紧急情况结束后再转成自动状态。紧急控制按键如图9所示。紧急状态子程序如图10所示。 图9 手动控制按键 图10 紧急状态子程序处紧急中断处理程序如下 /紧急中断处理程序 URZD: PUSH ACC ;保护现场PUSH PSW CLR IE0 ;清除中断标志位 CLR TR0 ;关定时器 CPL URF ;紧急事件标志位 JB URF,UR_CON ;紧急结束；跳转 MOV P0,#49H ;各路口灯全显示红灯亮 MOV P2,#15H AJMP UR_RUR_CON:SETB TR0 ;恢复正常交通 MOV A,32H MOV P0,A MOV A,33H MOV P2,AUR_R: POP PSW ;恢复现场 POP ACC RETI 4.2.2键盘模块子程序设计 键盘是人机进行交互的重要接口之一。用户通过按键对仪器下达命令，仪器对按键译码获得相应的键值，并执行相应的命令程序。键盘部分的软件实现主要是指对键盘管理进行编程，从而成功地读取键盘值，实现相应的功能。键盘实现的程序流程图如图11所示。 图11 键盘实现的程序流程图五、硬件电路设计（原理图）主要电路原理图 基于AT89S52单片机数显交通灯系统硬件电路原理如图所示，由于单片机需高稳定，高频率的实基脉冲，因此需要晶体振荡器。AT89S52在XTAL1、XTAL2两引脚接晶体振荡器。在晶体振荡器两端并联两个电容C1、C2均为30pF，对振荡器频率有微调作用，震荡范围为1.2-12MHz.时间倒计时显示电路采用4个两位共阴LED显示。排电阻RP1用于单片机P0口的上拉电阻。电路原理图如下图12所示：图12 电路原理图部分电路原理图 显示电路采用4个两位共阴数码管，P1口作为数码管的输入，P3.4、P3.5、P3.6P3.7分别作为东西南北四路数码管的位选端。数码管和信号灯电路如图13所示。 图13 数码管和信号灯电路六、程序设计，流程图程序分主程序和中断程序，可采用汇编语言编程，计时采用延时程序进行，延时的程序执行时间为1秒（）（若单片机的晶振频率为6MHZ），用