AT89C52单片机控制交通灯系统

目目 录录 1 交通信号灯控制系系统设计任务和性能指标 1 1 1 设计任务 1 1 2 性能指标 1 2 2 交通信号灯控制系统设计方案 1 2 1 设计思路 1 2 1 1 设计思路 1 2 1 2 功能设计 2 2 2 总体设计 2 2 2 1 通行方案设计 2 2 2 2 硬件设计方案 4 2 2 3 软件设计方案 4 3 交通信号灯控制系统硬件设计 5 3 1 系统硬件框图 5 3 2 单元电路设计 5 3 2 1 单片机最小系统 5 3 2 2 信号灯显示电路 7 3 2 3 倒计时显示电路 8 3 2 4 按键操作电路 8 4 交通信号灯控制系统程序设计 8 4 1 理论基础知识 8 4 1 1 定时器原理 8 4 1 2 软件延时原理 9 4 1 3 中断原理 9 4 2 主程序框图 9 5 调试分析及所用器件 10 5 1 调试环境 10 5 2 所用芯片 11 6 心得体会 11 7 参考文献 12 8 附录 13 附件 1 程序清单 13 附件 2 系统仿真图 16 1 摘要 交通在人们的日常生活中占有重要的地位 随着人们社会活动的日益频繁 这点 更是体现的淋漓尽致 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 近年来随着科技的飞速发展 单片机的应用正在不断深入 同时带动传统控制检 测技术日益更新 在实时检测和自动控制的单片机应用系统中 单片机往往作为一个 核心部件来使用 仅单片机方面知识是不够的 还应根据具体硬件结构软硬件结合 加以完善 本系统采用单片机 AT89C52 为中心器件来设计交通信号灯控制器 系统实用性强 操作简单 扩展性强 本设计系统就是由单片机最小系统 交通灯状态显示系统 LED 数码显示系统 复位电路和按键操作电路等几大部分组成 系统除具有基本的交 通信号灯功能外 还具有倒计时 时间调整和紧急情况处理等功能 较好的模拟实现 了十字路口可能出现的状况 软件上采用 KEIL C 编程 主要编写了主程序 LED 数码管显示程序 中断程序 延时程序等 经过整机调试 实现了对十字路口交通灯的模拟 关键字 AT89C52 交通灯 PROTUES 中断程序 2 1 1 交通信号灯控制系统设计任务和性能指标交通信号灯控制系统设计任务和性能指标 1 1 设计任务 利用单片机设计一个十字路口交通信号灯控制系统 该交通信号灯控制器由一条 主干道和一条支干道汇合成十字路口 在每个入口处设置红 绿 黄三色信号灯 红 灯亮禁止通行 绿灯亮允许通行 黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停在禁行线外 并 有倒计时系统显示信号灯转换时间 用红 绿 黄发光二极管作信号灯 两位八段数 码管显示时间来控制交通信号灯的变化 模拟框图如图 1 所示 图 1 交通信号灯模拟图 1 2 性能指标 1 东西和南北方向的车辆交替通行 任意时刻只有一个方向通行 以黄灯闪 烁来转换 2 系统开始运行时设置每次放行 10 秒 其中有 2 秒是黄灯闪烁提醒行人和车 辆禁止通行 3 通行时间可在 0 99 秒内任意设置 4 有紧急情况处理功能 比如 有急救车辆通行时 暂时禁止其他车辆通行 2 2 交通信号灯控制系统设计方案交通信号灯控制系统设计方案 2 1 设计思路 2 1 1 设计思路 1 分析目前交通路口的基本控制技术以及各种通行方案 并以此为基础提出 自己的交通控制的初步方案 2 确定系统交通控制的总体设计 包括 十字路口具体的通行禁行方案设计 3 以及系统应拥有的各项功能 在这里 本设计除了有基本的交通功能 还增加了倒计 时显示提示 基于实际情况 又增加了紧急状况处理和通行时间可调这两项特殊功能 3 选择器件 大体分配各个器件及模块的基本功能要求 设计主控电路 显 示电路 信号灯状态电路 按键电路等 4 进行软件系统的设计 对于本系统 本人采用单片机 C 语言编写 对单片 机内部结构和工作情况做了充足的研究 在深入了解了定时器 中断以及延时原理后 完成了软件的编写 2 1 2 功能设计 本设计能模拟基本的交通控制系统 用红绿黄灯表示禁行 通行和等待的信号发 生 还能进行倒计时显示 通行时间调整和紧急情况处理等功能 1 基本功能 采用红绿黄三种颜色的 LED 灯的亮灭来模拟信号灯 从而达到控制车辆的通行 2 倒计时显示功能 采用两位八段数码管来显示时间 来告知行人和车辆通行时间和要等待的时间 3 时间可调功能 通过键盘对时间进行手动设置 增加了人为的可控性 避免车少长等和减缓车 多交通堵塞的麻烦 4 紧急处理 交通路口出现紧急状况在所难免 如特大事件发生 救护车等急行车通过等 我们都必须尽量允许其畅通无阻 由此在交通控制中增设禁停按键 2 2 总体设计 单片机设计交通灯控制系统 可用单片机直接控制信号灯的状态变化 基本上可 以指挥交通的具体通行 接入 LED 数码管就可以显示倒计时以提醒行使者 更具人性 化 本系统在此基础上 加入了紧急情况处理与时间调整功能 2 2 1 通行方案设计 十字路口分为东西向和南北向 在任一时刻只有一个方向通行 另一方向禁行 持续一定时间 经过短暂的过渡时间 将通行禁行方向对换 其具体状态如图 2 所示 4 说明 黑色表示亮 白色表示灭 交通状态从状态 1 开始变换 直至状态 4 然后循环 至状态 1 周而复始 S1 东西通行 S2 东西禁行过渡状态 S3 南北通行 S4 南北禁行过渡状态 图 2 交通信号灯状态 通过对具体的十字路口交通信号灯状态的演示分析 可以把这四个状态归纳如下 状态 S1 东西方向绿灯亮 允许通行 南北方向红灯亮 禁止通行 状态 S2 东西方向绿灯转黄灯闪烁 允许通行 南北方向红灯亮 禁止通行 状态 S3 东西方向红灯亮 禁止通行 南北方向绿灯亮 允许通行 状态 S4 东西方向红灯亮 禁止通行 南北方向绿灯转黄灯闪烁 允许通行 依据上述分析 东西的通行时间为状态 S1 和状态 S2 的时间之和 南北的通行时 间为状态 S3 和状态 S4 的时间之和 因此可以列出各个路口灯的状态转换如表 1 所示 其中逻辑值 1 代表执行通行 逻辑值 0 代表禁止通行 逻辑值 L 代表绿 灯转黄灯 表 1 交通灯状态转换表 状态时间东 西南 北 5 绿灯黄灯红灯 绿灯 黄灯 红灯 S1 8s100001 S2 2s0L 闪烁 0001 S3 8s001100 S4 2s0010L 闪烁 0 2 2 2 硬件设计方案 本系统选用 Atmel 公司的 AT 系列单片机 AT89C51 为中心器件设计交通信号灯控 制器 实现了红绿灯循环点亮 绿灯变红灯中间为黄灯闪烁警示的功能 每个方向采 用红绿黄三色的 LED 灯的亮灭来模拟信号灯 采用两位八段共阳数码管 显示十字路 口通行或禁止的剩余时间 通过键盘对时间进行手动设置 增加了人为的可控性 避 免车少长等和减缓车多交通堵塞的麻烦 同时增设了紧急情况处理按键 因为交通路 口出现紧急状况在所难免 如特大事件发生 救护车等急行车通过等 我们都必须尽 量允许其畅通无阻 所设计的系统硬件框图如图 3 所示 STC80C51 单片机 最小系统LED 数码 管显示 数码管 显示 按键控制电 路 图 3 系统硬件框图 2 2 3 软件设计方案 设计要求为 首先南北方向红灯 东西方向绿灯亮 南北方向红灯 10 秒 东西 方向绿灯 8 秒 相应的数码管显示对应的数字并读秒 同时南北方向红色的二极管和 东西方向的绿色二极管接通点亮显示 当东西方向的绿灯时间到 则东西方向的绿灯 转为黄灯 同时数码管显示黄灯的时间 2 秒 东西方向的黄色二极管接通点亮 此时 6 南北方向的红灯不变 南北方向的红灯和东西方向的黄灯时间同时到 此时南北方向 的红灯跳转为绿灯 时间同样为 8 秒 东西方向有黄灯跳转为红灯 时间为 10 秒 当南北方向的绿灯时间到 南北绿灯跳转为黄灯 东西方向的红灯不变 当南北方向 的黄灯和东西方向的红灯时间到 南北方向的黄灯跳转为红灯 东西方向的红灯跳转 为绿灯 进入开始的状态 循环执行 此外还利用单片机的中断设计了紧急情况处理 和时间调整的功能 根据设计要求 程序框图如图 4 所示 软件采用 KEIL C 语言完成 软件设计可 以分为以下几个功能模块 图 4 程序结构框图 3 3 交通信号灯控制系统硬件设计交通信号灯控制系统硬件设计 3 1系统硬件框图 根据设计的要求 单片机选用 AT89C52 其内部带有 8KB 的 FLASH ROM 设计 时无需外接程序存储器 为设计和调试带来极大的方便 四个方向各采用三个不同色 的 LED 灯和 1 个两位的数码管显示 来实现该方向的指示灯的点亮时间倒计时 按 键可以根据系统的需要进行操作 初始化 CPU 初始化中断 状态转换 S1 S2 S3 S4 按键操作 中断处理 AT89C52 XTAL1 P0 0 XTAL2 P0 5 RES P2 0 P2 7 P3 时钟电路 复位电路 信号灯显示 倒计时显示 按键操作 7 图 5 系统硬件框图 3 2 单元电路设计 3 2 1 单片机最小系统 对 51 系列单片机来说 单片机要正常工作 必须具有五个基本电路 也称五 个工作条件 1 电源电路 2 时钟电路 3 复位电路 4 程序存储器选择电路 5 外围电路 因此 单片机最小系统一般应该包括单片机 晶振电路 复位电路 外围电路等 如下面的框图所示 图 6 单片机最小系统框图 1 电源电路设计 单片机芯片的第40脚为正电源引脚 VCC 一般外接 5V 电压 第20脚为接地引脚 GND 常见电源电路设计如下图7所示 图7 电源设计 2 时钟电路设计 单片机是一种时序电路 必须要有时钟信号才能正常工作 单片机芯片的18脚 XTAL2 19脚 XTAL1 分别为片内反向放大器的输出端和输入端 只要在18脚 XTAL2 和19脚 XTAL1 之间接上一个晶振 再加上2个20PF 的瓷片电容即可构成 单片机所需的时钟电路 本设计就采用图8所示时钟电路 8 图8 时钟电路 此外 当采用外部时钟时 19脚 XTAL1 接地 18脚 XTAL2 接外部时钟信号 3 复位电路设计 单片机芯片的第9脚 RST Reset 是复位信号输入端 单片机系统在开机时或在 工作中因干扰而使程序失控 或工作中程序处于某种死循环状态等情况下都需要复位 复位的作用是使中央处理器 CPU 以及其他功能部件都恢复到一个确定的初始状态 并 从这个状态开始工作 AT89C52单片机的复位靠外部电路实现 信号从 RST 引脚输入 高电平有效 只要保持 RST 引脚高电平2个机器周期 单片机就能正常复位 常见的 复位电路有上电复位电路和按键复位电路二种 如图9所示 本设计采用手动复位电 路 A 上电复位 B 手动复位 图9 复位电路 4 程序存储器选择电路 单片机芯片的第31脚 EA 为内部与外部程序存储器选择输入端 当 EA 引脚接 高电平时 CPU 先访问片内8KB 的程序存储器 执行内部程序存储器中的指令 当程 序计数器超过0FFFH 时 将自动转向片外程序存储器 既是从1000H 地址单元开始执 行指令 当 EA 引脚接低电平时 不管片内是否有程序存储器 CPU 只访问片外程序 存储器 AT89S52内部有8KB 的程序存储器 所以根据该脚的引脚功能 只要将该脚接上 9 高电平 才能先从片内程序存储器开始取指令 常见的程序存储器选择电路就是将第31脚直接接到正电源上 5 外围电路的设计 外围电路的设计主要依据项目要实现的功能 本项目要实现的功能是用单片机控 制交通信号灯 3 2 2 交通信号灯显示电路 本系统采用 LED 作为信号灯来使用 单片机的 I O 口直接与 LED 连接 在十字路 口的四组红 黄 绿三色交通灯中 东西方向的同色灯连接在一起 南北方向的同色 灯也彼此连接 受单片机 AT89C52 的 P0 0 P0 5 控制 12 个 LED 指示灯采用共阳极 的连接方式 因此 I O 口输出低电平时 与之相连的 LED 会亮 输出高电平时 LED 熄灭 3 2 3 倒计时显示电路 该交通信号灯控制系统在正常工作情况下 为方便提示路上行人及车辆交通灯转 换的剩余时间 专门为控制系统提供了一个倒计时的显示装置 该装置采用 2 位八段 数码管来显示 每个路口需要 1 个 共 4 个 在设计电路时 本系统采用用共阳数码 管 直接和 P2 口连接 作为段选 来控制每个数码管数字的显示 再通过 P1 0 P1 3 进行位选 来选择要显示的数码管 3 2 3 按键操作电路 该系统最大的好处就是可以实现时间的调整和紧急停车功能 通过六个按键来达 到对路面通行状态的实时控制 4 交通信号灯控制系统程序设计 4 1 理论基础知识 4 1 1 定时器原理 定时器工作的基本原理其实就是给初值 让它不断加 1 直至减完为模值 这个初 值是送到 TH 和 TL 中的 它是以加法记数的 并能从全 1 到全 0 时自动产生溢出中断 请求 因此 我们可以把计数器记满为零所需的计数值 即所要求的计数值设定为 C 把计数初值设定为 TC 可得到如下计算公式 TC M C 10 式中 M 为计数器模值 计数值并不是目的 目的是时间值 设计 1 次的时间 即定时器计数脉冲的周期为 T0 它是单片机系统主频周期的 12 倍 设要求的时间值 为 T 则有 C T T0 计算公式变为 T M TC T0 模值和计数器工作方式有关 本系统选用方式 1 计数 在方式 1 时 M 的值为 65536 单片机的主脉冲频率为 12MHZ 经过 12 分频后 采用方式 最大延时是 65 536 毫秒 所以选择扫描周期为 50ms 若使用软件则会耽搁程序流程 显然不可 行 相反 时间计时方面却不可能只用计数器 因为显然 秒钟已经超过了计数器的 最大定时间 所以我们还必须采用定时器和软件相结合的办法才能解决这个问题 4 1 2 软件延时原理 AT89C52 单片机的工作频率为 12MHZ 机器周期与主频有关 机器周期是主频的 12 倍 所以一个机器周期的时间为 12 1 12MHZ 1us 我们可以知道具体每条指 令的周期数 这样我们就可以通过指令的执行条数来确定 1 秒的时间 但同时由于单 片机的运行速度很快其他的指令执行时间可以忽略不计 4 1 3 中断原理 本系统主要使用了定时器中断和外部中断 中断信号由引脚 T0 INT0 和 INT1 输 入 低电平有效 CPU 每个时钟周期都会检测 INT0 和 INT1 上的信号 单片机允许外 部中断以电平方式或负边沿方式两种中断方式输入中断请求信号 可由用户通过设置 TCON 中 IT0 和 IT1 位的状态来实现 以 IT0 为例 IT0 0 为电平触发方式 IT0 1 为负边沿触发方式 本设计采用电平方式 IE0 为其中断标志位 有中断信 号则置位 中断服务子程序响应后 IE0 自动清零 IE 中的 EA 为允许中断的总控制 位 为 1 开启 EX0 为外部中断允许控制位 为 1 开启 使用 proteus 软件进行电路仿真 芯片 AT89C52 还需要载入代码文件来支持其 正常工作以实现预期功能要求 程序代码编写是整块设计的核心内容 本系统中利用 一个定时器 T0 完成了交通指示灯所有的切换过程和数码管的倒计时功能 其中指示 灯的切换有 4 种不同的操作 数码管的切换有 2 种不同的操作 用变量 i 表示状态的 切换 采用 C 语言进行编程 下面简要介绍下各段程序代码的意义和功能 4 2 主程序框图 主程序为交通灯四个状态循环转换的死循环 主程序代码和程序框图如下所示 void main 11 Init 初始化 基本功能循环工作 while 1 key if flag1 1 flag1 0 if flag2 1 yellowled flag2 0 display 全部控制程序实际上分为若干模块 键盘设置处理程序 状态灯控制程序 LED 显示程序紧停程序 中断服务子程序 红绿灯时间调整程序等 整个软件程序方面主要分两大部分 主程序部分和中断处理程序 开始 系统初始化 东西亮绿灯 南北亮红灯 调显示子程序 动态显示 东西 南北方向换向 东西黄灯闪烁 南北亮红灯 中断处理子程序 处理 返回 图 10 系统程序流程图 设计说明 该交通信号灯控制系统的软件设计采用的是顺序执行并反复循环的方 法 在正常工作的情况下 每 20s 循环变化一次 每个循环周期在还剩 2s 时 正在 通行路口的黄灯同时点亮并开始闪烁 以提醒路人上的行人及车辆 交通灯即将发生 变化 当紧急情况需要禁止通行时 按下全部禁行按键 黄灯闪 3 秒后四个方向全变 红灯 直到路面恢复正常后 通过按三次功能键即可复位 12 5 5 调试分析及所用芯片调试分析及所用芯片 5 1 调试环境 本设计使用仿真软件 Proteus 和 Keil C 进行联合调试 原理图在 Proteus 提供 的模板中选择恰当的元器件进行设计绘图 完成电路的搭建 发现设计中的错误及时 改正 所有 c 语言源程序都在 Keil C 下编写 对仿真软件进行相应的设置后 Keil C 和 Proteus 能进行通信 即在 Keil C 中全速运行程序时 Proteus 中的单片机系统 也会自动运行 系统的软件调试借助于 STC 仿真器 在进行系统软件的连续调试之前 要先进行软件的初调 就是要使各个子程序模块运行正确 程序的运行流程正确 软 件调试主要分以下几个步骤进行 1 功能子程序的调试 主要是查看每个子程序是否正确 这样方便查错 2 程序流程的调试 主要是查看程序运行的步骤是否正确 在某时刻程序运行 所处的位置是否正确 是否能正确运行各个中断服务程序 5 2 所用芯片及参数 表 2 所用芯片 序号名称元件型号参数数量 1 单片机 AT89C521 2 指示灯 LED RED GREEN YELLOW 12 各 4 个 3 8 段两位共阳数码管 7SEG MPX2 CA4 4 电容 CAP22pF2 5 电解电容 CAP ELEC10 F1 6 晶振 CRYSTAL12MHZ1 7 电阻 RES100 12 8 电阻 RES500 1 9 排阻 RESPACK 810K1 10 按键 BUTTON6 13 6 个人小结 这次是我认为最有意义的一次课程设计 从原理图设计到软件仿真 我从中收获 了许多 刚开始设计时 我就在校门口仔细观察交通灯的转换 经过研究思考最终得 到了上述的交通灯状态转换表 对于交通灯这个题目 由于刚学了 PLC 实现交通信号灯的控制实验 所以就想通 过不同的核心器件来实现同样的功能 来加深自己在这个题目上的深入研究 在确定 题目之后 查阅了大量的资料 初步完成了电路设计方案 在程序编写上 我选择了用 KEIL C 语言进行编程 在整个程序的编写过程中 采用模块化 编一个子程序仿真一个 通过 Keil 和 proteus 两个软件来实现的 Keil 帮助检查程序是否存在语法错误之类的问题 同时可以生成 hex 文件 供 proteus 软件仿真使用 通过一周的课程设计 使我更深入的学习了 AT89C52 单片机 尤其是在中断程序的编写上学到了好多 七 参考文献 1 张毅坤 单片微型计算机原理及应用 西安电子科技大学出版社 1998 2 夏继强 单片机实验与实践教程 北京 北京航空航天大学出版社 2001 3 彭伟 单片机 C 语言程序设计 100 例 北京 电子工业出版社 2009 5 雷丽文 微机原理与接口技术 北京 电子工业出版社 2001 14 6 于永 51 单片机 C 语言常用模块与综合系统设计 北京 电子工业出版社 2007 7 谭浩强 C 语言程序设计 北京 清华大学出版社 2005 8 于永 51 单片机 C 语言常用模块与综合系统设计 北京 电子工业出版社 2007 15 8 附录 附件 1 程序代码 include include define uchar unsigned char define uint unsigned int sbit yellowled nb P0 3 南北黄灯 sbit yellowled dx P0 0 东西黄灯 sbit greenled nb P0 4 南北绿灯 sbit greenled dx P0 1 东西绿灯 sbit K1 P3 0 时间加 1 调整 sbit K2 P3 1 时间减 1 调整 sbit K3 P3 6 功能键 uchar code table 0 xc0 0 xf9 0 xa4 0 xb0 0 x99 0 x92 0 x82 0 xf8 0 x80 0 x90 0 xff 共阳数码管 uchar code weixuan 0 x01 0 x02 0 x04 0 x08 uchar data buf 4 显示缓冲区 uchar max dx 10 东西绿灯通行时间 uchar max nb 10 南北绿灯通行时间 uchar sec nb 南北数码指示值 uchar sec dx 东西数码管指示值 uchar flag nb uchar flag dx 黄灯控制 uchar flag all 全部禁止黄灯控制标志 uchar t 控制禁止时的黄灯闪烁时长 uchar flag1 flag2 flag1 为 1s 定时标 志 flag2 为黄灯闪烁标志 uchar data time time1 time 控制 1s 定 时 time1 控制黄灯闪烁时间 bit set 0 交通灯方向切换标志 int adjust flag 1 功能选择位 毫秒延时函数 void delayms uint ms uint j k for j 0 j ms j for k 0 k 2 adjust flag 1 if adjust flag 1 if flag all 1 flag all 0 sec nb max nb 2 sec dx max nb TR0 1 P0 0 xeb adjust BUFFER else if flag all 1 adjust BUFFER1 void key 按键扫描 if K1 0 扫描按键 1 1 delayms 10 if K1 0 key1 while K1 if K2 0 扫描按键 2 1 delayms 10 if K2 0 key2 while K2 if K3 0 扫描按键 2 1 delayms 10 if K3 0 TR0 0 key3 while K3 void display 显示数据 uchar i for i 0 i 12 t 0 TR0 0 P0 0 xdb void adjust Time sec dx sec nb if set 0 如果是南北方向通行时 if sec nb 0 if flag nb 0 sec nb 2 flag nb 1 南北黄灯控制 greenled nb 1 关绿灯 yellowled nb 0 南北黄灯亮 else flag nb 0 南北黄灯控制位清零 set 1