基于51单片机的交通灯显示论文.doc

摘 要随着社会和城市交通的快速发展, 近几年机动车辆数字急剧增加，道路超负荷承载道路现象严重，致使交通事故逐年增加。交通灯是城市交通有序、安全、快速运行的重要保障，因此解决好公路交通信号灯控制问题也成了保障交通有序、安全、快速运行的重要环节。本设计是一款基于单片机AT89C52为控制核心的交通控制系统，它可以实现对车辆、行人的有效导引。设计中我们选用红、绿、黄三种不同LED发光管作为车辆和行人的指示，简化了设计，形象直观；采用LED数码管作为倒计时显示，可靠性高、抗干扰能力强。该系统还可根据交通拥挤情况分别设置主干道和次干道的通行时间，以提高效率，缓减交通拥挤。关键字：单片机AT89S52；LED数码管；通行模式Abstract Along with the development of society and the rapid development of city traffic, in recent years the motor vehicle numbers increased dramatically, the road overload bearing road phenomenon is serious, cause traffic accidents has increased year by year. Traffic lights is a city traffic order, security, fast to run the important guarantee, therefore solve good highway traffic signal lamp control problem has become a guarantee of orderly, safety, traffic fast running important link. The design is based on a single chip AT89C52 as the core control traffic control system, it can realize vehicle, pedestrian effective guidance. Design we use red, green, yellow three kinds of LED lamps as the vehicles and the pedestrian s instructions, simplifies design, visual image; using digital tube LED as the countdown display, high reliability, strong anti interference capability. The system also can according to traffic jams are respectively arranged and sub-trunk roads at the time of passage, to improve efficiency, reduce traffic congestion.Keywords: single chip AT89S52; LED digital tube; traffic pattern.目 录一、方案设计与论证1二、系统硬件设计22.1 总体设计及功能描述22.1.1 交通灯四种通行模式及行车方向指示32.1.2 行人通行指示及其实现42.2 各功能模块硬件设计及实现42.2.1 单片机控制模块的设计42.2.2 倒计时显示及状态指示模块的设计6三、 系统软件设计7四、系统调试与测试结果分析8五、设计总结10六、参考文献1117 一、方案设计与论证题目要求要实现交通灯基本信息指示功能的基础上，还要实现倒计时时间和工作状态显示、紧急情况处理等功能，如何选择有效方案至关重要！根据传统十字路口交通灯的设计，可将本系统分为四个模块，第一个模块是控制模块，主要负责整个系统工作的控制和运算，从而使各模块正常工作；第二个模块为显示模块，主要是对车辆和行人应该遵守交通规则的指导性的直观显示，它主要包括倒计时显示和红、绿、黄灯两大部分；第三个模块是输入模块，它的主要作用是辅助控制模块，相当于输入装置，利用它可以对交通灯各路口通行时间的设置以及出现紧急情况时，进行不同工作方式的切换设置；第四个模块是电源模块，它是整个系统的“心脏”，负责给各模块提供合适的电压，让各模块能稳定工作。其系统设计结构如图1所示：十字路口交通灯控制系统的控制芯片选用单片机AT89S52作为整个系统的核心控制器件，主要负责整个系统工作的控制和运算，从而使各模块正常工作；采用七段LED数码管和LED灯作为显示器件，用七段LED数码管完成倒计时显示，用LED灯作为状态灯指示功能；用触发按键构成系统的输入部分，它可以对系统进行状态设置，结合数码管，可根据交通情况对整个系统进行直观的控制；以开关电源作为系统电源部分，它有+12V、-12V、+5V、-5V电压输出，可方便对各个模块供电。系统设计方框总图如图2所示： 开关电源单片机AT89S52LED数码管显示模块按键输入东西南北十字路口LED数码管工作状态显示LED数码管显示模块LED数码管显示模块LED数码管显示模块红、绿、黄LED状态指示灯图2 系统设计方框总图 二、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。 2.1 总体设计及功能描述本设计以单片机AT89S52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、行车方向指示、行人通行指示和倒计时模块等。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、时钟电路、复位电路等组成。行车方向指示采用红、绿、黄LED发光管，用三种颜色指示车辆放行，形象直观。行人通行指示采用两支红、绿LED发光管，用两种颜色指示放行与禁止，形象直观，简洁明了。系统采用双数码管倒计时计数功能，最大显示数字99。其交通口模拟仿真结果如图3所示图 3交通口模拟仿真图2.1.1 交通灯四种通行模式及行车方向指示按交通灯控制规则，每个街口有转弯、直行及行人三种指示灯。主要指示灯有红、绿、黄三种颜色。交道口模型如图4所示：图4 交道口模型图4组LED数码管按照设置的通行时间（各路口默认的通行时间均为1分钟）进行倒计时，并各自进行红、绿、黄灯显示，共有四种通行状态，分别为： 图4-1 通行状态一示意图 图4-2 通行状态二示意图 图4-3 通行状态三示意图 图4-4 通行状态四示意图直行默认时间为40秒，转弯默认时间为20秒，系统设置了任意更改功能，可以根据实际情况进行倒计时调整，以提高车辆通过率，缓减交通压力。在直行状态变为转弯状态时结束前5秒钟，黄灯闪烁直至结束。本设计选用两只绿色LED发光管来指示转弯、直行等交通指示信息。绿灯1亮表示直行，绿灯2亮表示允许转弯行驶，红色则表示禁止通行。所有指示信息一目了然。2.1.2 行人通行指示及其实现行人通行时间为1分钟，行人通行指示选用红、绿LED发光管，用两种颜色指示放行与禁止，形象直观。红色LED亮时禁止通行标志，绿色LED灯亮时表示此时禁止通行，提醒行人站在原地等候。 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0。然后又从红灯的设置时间最大值往下减，一直减到0。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。 2.2 各功能模块硬件设计及实现 2.2.1单片机控制模块的设计单片微机(Single-Chip Microcomputer)简称为单片机。它在一块芯片上集中成了中央处理单元CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、定时/计数和多功能输入/输出I/O口,如并行口I/O、串行口I/O和转换A/D等。MCS-51系列单片机在我国得到了广泛的应用，是单片机的主流系列，软硬件应用设计资料丰富齐全。为了提高指令的执行速度和效率，采用了面向控制的结构和指令系统的独立CPU。因此本设计采用AT89S52单片机作为系统的控制器件，这是因为AT89c52是目前应用比较广泛的MCS-51系列兼容单片机作为主控制器。AT89c52单片机的主要性能特点：1、与MCS-51系列单片机产品兼容。2、8K字节在系统可编程Flash存储器，1000次擦写周期。3、全静态操作：033Hz。4、三级加密程序存储器。5、32个可编程I/O口线，3个16位定时器/定时器，8个中断源。6、全双工UART串行通道，低功耗空闲和掉电模式。7、掉电后中端可唤醒，看门狗定时器。8、双数据指针和掉电标识符。电源、时钟信号以及复位电路时单片机工作的基本条件，缺一不可。AT89c52单片机系统的基本工作电路包括电源电路、时钟电路、复位电路。其组成方框图如图5：单片机AT89S52电源电路时钟电路复位电路 图 5 单片机及其控制系统基本硬件组成方框图（1）电源电路电源电路模块为系统板上的其他模块提供+5V电源。供电电源可由开关电源提供，即能满足。（2）时钟电路模块的设计单片机的时钟信号用来为单片机芯片内部的各种操作提供时间基准。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列，作为单片机工作的时间基准，典型的晶体振荡频率为12MHz。MCS-51系列单片的时钟信号可以由两种方式产生：一种是内部时钟方式，利用芯片内部的振荡电路；另一种方式为外部时钟方式。由于AT89S52单片机芯片内有时钟振荡电路，因此本系统单片机采用内部时钟方式，只要在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体和微调电容，就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟信号脉冲信号，具体电路设计如图6所示。图6 单片机系统硬件电路原理图 图中电容C1、C2的作用的是稳定频率和快速起振，其值为530pF,在此选择30pF；晶振X1的振荡频率范围在1.212MHz之间选择，本设计中选择12MHz。（3）复位电路模块设计 复位电路使单片机或系统中的其他部件处于某种确定的状态。 当在MCS-51系列单片的RST引脚处引入高电平并保持2个机器周期，单片机内部就执行复位操作。复位操作有两种基本形式：一种是上电复位，另一位是按键复位。本设计采用按键复位方式。2.2.2 倒计时显示及状态指示模块的设计七段数码显示器：七段发光线段分别用a、b、c、d、e、f、g七个小写字母表示。 七段显示组合与数字对照表（表中“L”表示低电位，“H”表示高电位）LED数码管：半导体数码管又称LED数码管，是一种广泛使用的显示器件。LED有两种：共阳极型和共阴极型。LED优点：亮度高、字形清晰，工作电压低（1.53V）、体积小、可靠性高、寿命长，响应速度极快。三 系统软件设计硬件平台结构一旦确定，大的功能框架即形成。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。由于编程多涉及到数值运算，比较复杂，还有LCD的菜单界面设计都是需要多重选择判断，用我们平时常用的汇编语言编程是很难实现的，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。软件总体设计及流程图见图3-1，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，包括对HD7279、1302和液晶的初始化，启动无线接收模块，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3-1所示。 图3-1 软件总体流程图主程序比较简单，初始化完成后，调用按键扫描程序，取得键值，并根据当前系统状态调用相应的子程序。这里有六个基本的子程序供调用，分别对应系统的各种功能状态。分别是语音提示子程序、特种车检测子程序、紧急状态子程序、设置子程序和时钟显示子程序，倒计时子程序等。四 、 系统调试与测试结果分析因本设计本身要求有稳定性高、免维护、抗干扰能力强等功能，系统调试除了验证数据处理的精度，确保判断的准确性外，同时必须确认各项的功能的正常运行。根据系统设计方案，本系统的调试共分为三大部分：硬件调试，软件调试和软硬件联调。由于在系统设计中采用模块化设计，所以方便了对各电路功能模块的逐级测试，包括对：交通灯演示功能调试，行人通行指示功能调试，倒计时功能调试，主次干道分开设置功能调试，紧急情况手动控制功能调试，特种车通行功能调试，时钟和语音功能调试，液晶显示屏实时显示功能调试等。单片机软件先在最小系统板上调试，确保工作正常之后，再与硬件系统联调。最后将各模块组合后在交道口模型上进行整体测试，使系统的所有功能得以实现。1. 硬件调试城市交道口交通灯控制系统的PCB电路板焊接工作量非常大，电路安装完成后，首先进行检查，即确认电路无虚焊，无短路，无断路，集成元件安装是否正确，之后进行电路功能模块的分级调试，根据电路功能逐级进行：1) 通行方式功能调试：包括对四种通行方式控制调试，行人和行车方向指示灯亮度和驱动电路调试；2) 倒计时功能调试：数码管亮度调试；3) 紧急情况手动控制功能调试：包括按键功能调试及显示器件的亮度和规则调试；4) 特种车通行功能调试：包括无线发送和接收电路调试。5) 时钟和语音功能调试：包括时钟模块电路硬件调试，语音电路硬件调试，以及录放音功能的实现调试等。2. 软件调试本系统的软件系统很大，全部用C51来编写，选用一般的伟福仿真器对C51进行调试。除了语法差错外，当确认程序没问题时，通过直接下载到单片机来调试。采取的是自下到上的调试方法，即单独调试好每一个模块，然后再连接成一个完整的系统，最后完成一个完整的系统调试。主要是液晶显示屏实时显示功能的调试。3. 软硬联调系统做好后，进行系统的完整调试。主要任务是检验实现的功能及其效果并校正数值。根据实测数据，逐步校正数据，使测量结果更准确。单片机软件先在最小系统板上调试，确保工作正常之后，再与硬件系统联调。四、设计总结本设计以单片机AT89c52为核心，采用主从双MCU结构，以双色LED发光管箭头作为直行和左右拐弯指示，以LED数码管作为倒计时指示，以双色LED点阵作为行人通行的指示，以数字编码无线传输模式实现特种车辆检测，完成了题目要求的所有功能。在此基础上，增设了可根据交通拥挤情况分别设置主干道和次干道的通行时间，并对系统机械结构进行了优化设计。该设计很好地完成了题目的各项要求，并扩展了多项功能，主要体现如下：1. 巧妙使用无线传输模块，用模型车演示，当有警车通过时系统自动转为特种车放行，其它车辆禁止通行状态，特定时间后系统自动恢复；2. 人行道指示标志使用LED显示，一目了然。3. 主干道和次干道可以分开设置时间功能，使控制更加灵活；以上所有功能均在城市交道口模型上得到很好地实现，该设计在确保功能实现的基础上，充分考虑了控制系统操作方便、人性化、抗干扰能力强、可靠性高、稳定性好等要求。本设计虽然结束了，但由于时间、设备、条件和水平等各方面因素有限，系统还存在一些不足，一个新系统最终走向成熟和完善还需要我们在以后的学习和工作中作不懈的努力！参考文献1 欧伟民. 基于单片机的交通信号控制系统J.湖南大学学报(自然科学版) ,2002,(S2) . 2 沈鸿星. 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