基于单片机控制交通灯的设计（程序仿真+电路图+任务书+说明书）

第2页共30页摘要当今，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。为符合以人为本的设计，我们在路口安装与信号灯同步的倒记时显示器，行人和自行车可根据绿灯结束的时间决定是否过路口。本系统采用MSC-51系列单片机AT89C51为中心器件来设计交通灯控制器，实现了通过89C51芯片的P3口控制十字路口红，黄，绿三个灯的点亮；以及紧急通道的开通。P0、P1和P2口同时用作控制东西、南北方向的两位数码管显示。本系统在基础交通灯上加了一个紧急通道开关，其实用性只适合中小型城市，使用范围小，还有待改进。关键词：单片机交通灯控制器第2页共30页目录目录.1摘要.2第一章绪论.31.1、交通灯电路概述.31.2、设计任务.3第二章方案设计与论证.42.1、设计内容.42.2、设计方案.42.2.1、硬件设计.42.2.2、软件设计.5第三章硬件设计.63.1、AT89C51功能概述.63.2、AT89S51单片机的引脚.73.3、AT89S51单片机复位方式.83.4、数码显示管.93.5、晶体振荡器.113.5、电路原理.11第四章软件设计.134.1、系统工作原理.134.2、计数器初值计算.144.3、主程序模块.144.3、中断服务程序模块.154.3.1、定时中断.154.3.2、紧急中断.164.4、延时模块.164.5、显示程序模块.17总结.19致谢.20参考文献.21附录A.22附录B.28第3页共30页第一章绪论1.1、交通灯电路概述交通灯控制系统是城市的重要基础设施之一，一般在十字路口的交通灯大多只有红绿黄指示灯，行人在过路口时，会出现走到路中央绿灯跳变为红灯，行人不知道时前进还是后退的情况。为符合以人为本的设计，我们在路口安装与信号灯同步的倒记时显示器，行人和自行车可根据绿灯结束的时间决定是否过路口。本系统采用单片机控制交通灯和记时显示、紧急通道开关，系统成本低，电路简单。1.2、设计任务十字路口的交通灯在工作时应具有如下特点：设计一个十字路口的交通灯控制电路，要求甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行。红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行。红灯的设计时间为40秒，黄灯为5秒，绿灯为34秒。另外，紧急通道的使用，也就是当有110，120，119等紧急事件发生时，需要使十字路口的红灯全部点亮，等紧急车辆通行过后，交通灯恢复到正常状态。第4页共30页第二章方案设计与论证2.1、设计内容东西（A）、南北（B）两干道交于一个十字路口，各干道有一组红、黄、绿三个指示灯，指挥车辆和行人安全通行。红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行。红灯的设计时间为40秒，黄灯为5秒，绿灯为34秒。设A道和B道的车流量相同。BBAA东西方向红灯亮车辆禁止通行南北方向先红灯亮车辆禁止通行南北方向绿灯亮东西方向绿灯亮车辆可以直线行驶和右转弯车辆可以直线行驶右转弯东西方向红灯亮南北方向红灯亮（紧急车辆通行状态）第5页共30页2.2、设计方案2.2.1、硬件设计电路板一块，AT89S51单片机一片，八段LED数码管四个。发光二极管12个（4个绿的，4个红，4个黄的），8个电阻，2个电容，1个晶振，1个电解电容，1个按键开关。系统结构框图如下：晶体振荡器复位信号按键复位紧急中断AT89S51系统处理硬件系统的设计主要包括下面的工作：(1）配置12个LED显示器：分别表示东西和南北方向道路的红、绿、黄灯。分别循环表示4种状态.(2)复位电路，让交通灯回到初始状态。(3)中断电路，处理紧急车辆通行。2.2.2、软件设计因为本实验是交通灯控制实验，所以要先了解实际交通灯的变化规律。假设一个十字路口为东西南北走向。东西、南北两干道交于一个十字路口，各干道有一组红、黄、绿三色的指示灯，指挥车辆和行人安全通行。红灯亮禁止通行，绿灯亮允显示时间LED指示灯第6页共30页许通行。黄灯亮提示人们注意红、绿灯的状态即将切换，且黄灯燃亮时间为东西、南北两干道的车辆才能改换车到。紧急情况下，救护车来临时。南北、东西四个方向的LED指示灯都为红灯。禁止通行，优先让紧急车辆通行。5s/40s34s5s/40s34s5s/40s东西道路黄灯亮绿灯亮红灯亮红灯亮黄灯亮南北道路红灯亮红灯亮黄灯亮绿灯亮红灯亮第7页共30页第三章硬件设计3.1、AT89C51功能概述89S51是MCS-51系列单片机的典型产品，我们就这一代表性的机型进行系统的讲解。89S51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，现在我们分别加以说明：1、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，能第8页共30页处理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。2、数据存储器(RAM)89S51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。3、程序存储器(ROM)89S51共有4KB可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）最大可扩展64K字节，用于存放用户程序，原始数据或表格。4、定时/计数器：89S51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。5、并行输入输出(I/O)口：89S51共有4组8位I/O口(P0、P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。6、中断系统89S51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。3.2、AT89S51单片机的引脚89S51单片机内部总线是单总线结构,即数据总线和地址总线是公用的.89S51有40条引脚,与其他51系列单片机引脚是兼容的.这40条引脚可分为I/O接口线、电源线、控制线、外接晶体线4部分.89S51单片机为双列直插式封装结构,89S51引脚分配图第9页共30页89S51单机的电源线有以下两种：（1）VCC：+5V电源线。电源线（2）GND：接地线。89S51单片机的外接晶体引脚有以下两种:（1）XTAL1：片内振荡器反相放大器的输入端和内部时钟工作的输入端。采用内部振荡器时，它接外部石英晶体和微调电容的一个引脚。（2）XTAL2：片内振荡器反相放大器的输出端，接外部石英晶体和微调电容的另一端。采用外部振荡器时，该引脚悬空。外接晶体引脚。控制线89S51单片机的控制线有以下几种：（1）RST：复位输入端，高电平有效。（2）ALE/PROG：地址锁存允许/编程线。（3）PSEN：外部程序存储器的读选通线。（4）EA/Vpp：片外ROM允许访问端/编程电源端。3.3、AT89S51单片机复位方式单片机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，在这种情况下都需要复位.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,并从这个状态重新开始工作.89S51单片机的复位靠外部电路实现,信号由RESET(RST)引脚输入,高电平有效,在振荡器工作时,只要保持RST引脚高电平两个机器周期,单片机即复位.复位后,PC程序计数器的内容为0000H,片内RAM中内容不变.第10页共30页本设计是采用手动电平复位，当RESET键按下时，在单片机的复位端将出现一个分压电平，是单片机复位。R1220C322uf3.4、数码显示管LED显示器是由发光二极管显示字段的MCS-51单片机输出设备。单片机应用系统常采用七段LED数码管作为显示器，一位显示器由8个发光二极管组成，其中7个发光二极管构成字型“8”的各个笔划（段）ag，另一个小数点为dp发光二极管。当在某段发光二极管施加一定的正向电压时，该段笔划即亮；不加电压则暗。LED数码管显示器可以分为共阴极和共阳极两种结构。(1)共阴极结构：如果所有的发光二极管的阴极接在一起，称为共阴极结构，则数码显示段输入高电平有效，当某段输入高电平该段便发光，如图a所示。(2)共阳极结构：如果所有的发光二极管的阳极接在一起，称为共阳极结构，则数码显示段输入低平有效，当某段输入低电平该段便发光，如图b所示。第11页共30页a.共阴极b.共阳极不同亮暗的组合就能形成不同的字形，这种组合称之为字形码，下面给出共阴极的字形码见表2“0”3FH“8”7FH“1”06H“9”6FH“2”5BH“A”77H“3”4FH“b”7CH“4”66H“C”39H“5”6DH“d”5EH“6”7DH“E”79H“7”07H“F”71H3.5晶体振荡器石英晶体振荡器的特点是振荡频率准确、电路结构简单、频率易调整，作用是为系统提供基本的时钟信号。振荡器特性，XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反晶体向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件就能构成自激振荡电路。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振电路。电容器C1和C2主要起频率微调作用，第12页共30页3.5电路原理电路的核心是89S51单片机，其内部带有4KB的FlashROM,无须扩展程序存储器；电脑没有大量的运算和暂存数据，现有的128B片内RAM已能满足要求，也不必扩展片外RAM，系统配备2位LED显示，采用P0接口外接南北方向的LED动态扫描的段码控制驱动信号。用P1口外接东西方向的LED动态扫描的段码控制驱动信号。用P2接口的P2.0-P2.3外接2位LED的位选信号驱动口，P3口接交通指示灯，整个系统采用查表的方法，将交通灯的显示情况和数码管的计时情况，分别以代码的形式送到指示灯和LED数码管，启动定时器，同时调用显示程序。利用软件计数器的方法计时一秒，利用中断的方法使计时时间循环，当按下应急按键时停止定时器，送一个代码使两个方向都为红灯，松开按键时启动定时器，恢复到中断前的状态。如图所示第13页共30页X1CRYSTALC130p230pR120XTAL218XTAL119ALE3031PSN29RST9P0./AD0390.1/138P0.2/AD2370.3/336P0.4/AD4350.5/534P0.6/AD630.7/732P1.011.2P1.231.34P1.451.56P1.671.78P3.0/RXD103.1/T1P3.2/IN0123./IT113P3.4/014P3.7/RD173.6/W163.5/T115P2.7/A1528P2.0/A8212.1/92P2./A10232.3/124P2.4/A12252.5/13262.6/1427U2AT89C51D1LED-YELOWD2LE-RED3LED-GREND4LED-GREND5LE-YELOWD6LE-REDD7LED-REDD8LED-YELOW9LED-GREND10LED-GREND1LED-REDD12LED-YELOWR210kR310kR410k510kR610kR710kR810kC32uf第14页共30页第四章软件设计4.1、系统工作原理A:首先根据该设计的特点，把出现的情况进行分析整理，得到以下几种情况：（1）通行道:占时34秒,（2）禁行道:占时40秒,（3）黄灯延时5秒变红灯；（4）救护车来临时,都变为红灯,结束中断。恢复之前状态。B：根据以上的情况分析，经过思路的整理统一得到了整体的设计框架图，及程序流程图。初始状态：东西道路黄灯亮，南北道路红灯亮；初始化状态0（初始状态）状态1状态2状态3状态4返回外部中断入口保护现场东西,南北都亮红灯结束中断恢复现场中断返回第15页共30页状态1：东西道路绿灯亮，南北道路红灯亮；状态2：东西道路红灯亮，南北道路黄灯亮；状态3：东西道路红灯亮，南北道路绿灯亮；状态4：东西道路黄灯亮，南北道路红灯亮4.2、计数器初值计算定时器工作时必须给计数器送初值，将这个值送到TH和TL中。他是以加法记数的，并能从全1到全0时自动产生溢出中断请求。因此工作于方式1,定时器为16位计数器其定时时间由下式计算：定时时间=（216X）振荡周期12（或）X=216定时时间振荡周期12式中x为T0的初始值，该值和计数器工作方式有关。如单片机的主脉冲频率为，经过分频方式0定时时间2131微秒8.192毫秒方式1定时时间2161微秒65.536毫秒秒钟已经超过了定时器的最大定时间，所以我们只有采用定时器和软件相结合的办法才能解决这个问题，定时器需定时50毫秒，故0工作于方式1，计数20次，就可定时一秒。第16页共30页4.3、主程序模块主干程序流程：开始if（cc=82）YNcc=0进入定时器中断if（aa=20）YNaa+；if（cc=？）while（1）执行if下面的语句aa=0；cc+；4.3、中断服务程序模块4.3.1、定时中断进入中断程序后，先保护现场，判断1秒钟到了吗？如果没有到，将定时器重装初值恢复现场，如果1秒钟到了，将软件计数器重初值；判断指示灯循环显示完了吗？如果没完，将保地址重新送入程序计数器中，然后再查表下一地址，显示下一组指示灯状态和显示时间，保存下一组程序数据地址，将定时器重装初值，恢复现场，返回主程序，如果完了，查表首地址，查时间地址，保存下一地址，将定时器重装初值，恢复现场，返回主程序。同时一秒到了应先判断个位是否为0，如果个位是0，判断十位是不是0，如果十位也是0，判断交通灯是否按黄、绿、红的顺序循环完必，如果没循环完应查下一组数据继续循环，如果循环完必，应查表首地址，周而复始的循环，如果十位不是0，应将十位先减1，个位送9，然后返回，再进行中断定时一秒，然后再判断，如果个位不是0，应将个位减1，将定时器重装初值，恢复现场。重新周而复始的循环，第17页共30页voidtimer0()interrupt1/定时器0的中断函数TH0=(65536-50000)/256;/重装计数初值TL0=(65536-50000)%256;/重装计数初值aa+;if(aa=20)/判断定时1秒是否到aa=0;/计数次数清0if(cc=0)/南北亮红灯40秒，东西亮黄灯5秒DXY=0;/东西的黄灯亮DXG=1;/东西的绿灯不亮DXR=1;/东西的红灯不亮NBY=1;/南北的黄灯不亮NBG=1;/南北的绿灯不亮NBR=0;/南北的红灯亮DXtemp=5;/东西的黄灯亮5秒NBtemp=40;/南北的红灯亮40秒4.3.2、紧急中断在紧急情况下，救护车或者是消防车来临时。按下外部中断按钮，调用外部中断程序。南北、东西四个方向的LED指示灯都为红灯。禁止通行，优先让紧急车辆通行。voidJJZD()interrupt0/紧急中断程序，南北东西都亮红灯DXY=1;DXG=1;DXR=0;NBY=1;NBG=1;NBR=0;displayNB(0,0);/南北数码管都显示0displayDX(0,0);/东西数码管都显示0cc=0;/重最开始显示4.4延时模块MCS-51的工作频率为2-12MHZ，我们选用的89C51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第18页共30页为12*（1/12M）=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。延时程序，在整个程序里面的作用，起到的作用就是，在上一句命令与下一句命令之间，上一句命令执行完后，间隔一段时间再执行下面一句命令。中间的时间差，就是延时程序所起到的作用。在C语言中，延时程序，就是一种利用循环执行一段命令，利用执行时间来起到延时的功能。本设计的延时程序时参考使用的。具体的延时程序分析：voiddelay(uintz)/带参数的延时函数ucharx,y;/定义两个变量for(x=z;x0;x-)/循环延时for(y=110;y0;y-);/循环延时4.5显示程序模块显示程序采用动态显示，由位码控制那一个数码管显示，由段码控制数码管显示什么数值，根据中断程序显示时间来查表显示数值，从个位开始倒减，同时每显示一位判断一次二位显示完了吗？没有显示完进行显示下一位，显示完了从头开始再循环。如图4.3所示第19页共30页显示程序将段码送P0、P1口将位码送P2口调用延时判断显示完了吗？将位码左移NY由于是在十字路口，那么东西、南北方向的灯亮的时间各不相同，东西灯亮的时间一样，南北灯亮的时间一样。那么，就只能分开写东西、南北数码显示管倒计时程序了。然而在之间，还有一个黄灯，黄灯亮的时间只有5秒。然后利用函数调用来实现显示。voidfenjieDX()/东西数码管显示数字的分解函数DXshi=DXtemp/10;DXge=DXtemp%10;DXtemp-;voiddisplayDX(ucharDXshi,ucharDXge)子程序返回降下一段码送入P0、P1口第20页共30页/东西十位P2=0xfb;P1=tableDXshi;delay(5);/东西个位P2=0xf7;P1=tableDXge;delay(5);子程序返回第21页共30页总结本系统的硬件控制电路图简单,采用单片机可提高系统的可靠性和稳定性,缩小系统的体积,调试和维护方便,并可根据具体情况修改程序中的参数。采用C语言编写程序代码。对灵活有效地利用交通灯控制行车安全,车辆分流有一定的实际意义,而且解决了紧急车的通行问题。从本交通信号灯自动控制系统的设计中可以看出,交通信号灯控制管理,基本上涉及单片机系统中I/O接口的使用；数据输出程序的设计方法；模拟交通灯控制的方法；信号灯及数码管的使用。加入中断的要求,从而涉及外部中断技术的基本使用方法和编程方法。通过本次毕业设计设计，加深了我对单片机的认识，经过查阅有关方面的书籍，获得了许多专业方面的知识，开拓了视野。通过设计电路、编写程序，丰富了理论知识。完成了适当的硬件电路的设计和软件的编程与调试。初步掌握了运用单片机编程，利用单片机仿真器进行单片机仿真和调试。在整个设计与制作过程中，从一开始拿到题目，到分析与设计，采用所学的单片机的知识，运用单片机最小应用系统，设计出硬件电路，以P1、P2口作为输出，通过按键来控制紧急车通道。用Proteus7Professional完成原理图的制作，然后在此基础上用C语言来编写程序，来实现对硬件电路的控制。对于程序的调试，通过多次调试，得到完整正确的程序。总之，本次毕业设计是个很好的锻炼机会，对我们各个方面的能力都有所提高，对将来我们走出校园，从事类似专业的工作都有很大的益处。第22页共30页致谢本课题在选题及研究过程中得到张万良老师的悉心指导。张老师多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。张老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，虽历时三载，却给以终生受益无穷之道。对张老师的感激之情是无法用言语表达的。通过这次毕业设计，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题全面系统的锻炼。使我在单片机的基本原理、单片机应用系统开发过程，以及在常用编程设计思路技巧的掌握方面都能向前迈了一大步，为日后成为合格的应用型人才打下良好的基础。我在指导老师张老师的精心指导和严格要求下，获得了丰富的理论知识，极大地提高了实践能力，并对当前电子领域的研究状况和发展方向有了一定的了解，这对我今后进一步学习单片机方面的知识有极大的帮助。在此，我忠心感谢张老师指导和支持。在未来的工作和学习中，我将以更好的成绩来回报老师。在此，我还要感谢在一起愉快的度过大学生生活的机电系全体老师和同门，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们!第23页共30页参考文献1李朝青.单片机原理及接口技术（修订版）.北京：北京航空航天大学出版社，19982李广弟.单片机基础.北京：北京航空航天大学出版社，19923何立民.单片机应用技术大全.北京：北京航空航天大学出版社，19944张毅刚.单片机原理及接口技术.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，19905谭浩强.单片机课程设计.北京：清华大学出版社，19896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19987余锡存曹国华.单片机原理及接口技术M.陕西:西安电子科技大学出版社,2000.7第24页共30页附录A交通灯程序#include#defineuintunsignedint/宏定义#defineucharunsignedchar/宏定义ucharaa,cc,NBshi,NBge,DXshi,DXge,NBtemp,DXtemp;/定义变量sbitNBR=P30;/南北红灯sbitNBY=P31;/南北黄灯sbitNBG=P34;/南北绿灯sbitDXY=P35;/东西黄灯sbitDXG=P36;/东西绿灯sbitDXR=P37;/东西红灯charcodetable=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;/数字的代码从0-9voidinit();/初始化子程序的申明voiddisplayNB(ucharNBshi,ucharNBge);/显示子程序的申明voiddelay(uintz);/延时子程序的申明voidfenjieNB();/南北数码管显示数字的分解函数voidfenjieDX();/东西数码管显示数字的分解函数voidmain()init();/初始化子程序while(1)if(cc=82)/循环一次结束第25页共30页cc=0;/从新进行下一次循环voiddelay(uintz)/带参数的延时函数ucharx,y;/定义两个变量for(x=z;x0;x-)/循环延时for(y=110;y0;y-);/循环延时voidinit()/初始化子程序EA=1;/开总中断ET0=1;/允许定时器0中断EX0=1;/允许外部中断0中断TR0=1;/启动定时器0TMOD=0x01;/设置定时器0工作方式1TH0=(65536-50000)/256;/给定时器的高8为赋处值TL0=(65536-50000)%256;/给定时器的低8为赋处值voidfenjieNB()/南北数码管显示数字的分解函数NBshi=NBtemp/10;/将要显示的时间的十位赋给变量NBge=NBtemp%10;/将要显示的时间的个位赋给变量NBtemp-;voidfenjieDX()/东西数码管显示数字的分解函数第26页共30页DXshi=DXtemp/10;DXge=DXtemp%10;DXtemp-;voiddisplayNB(ucharNBshi,ucharNBge)/带参数的数码管显示函数/显示南北十位P2=0xfe;P0=tableNBshi;delay(5);/显示南北个位P2=0xfd;P0=tableNBge;delay(15);voiddisplayDX(ucharDXshi,ucharDXge)/东西十位P2=0xfb;P1=tableDXshi;delay(5);/东西个位P2=0xf7;P1=tableDXge;delay(5);voidtimer0()interrupt1/定时器0的中断函数TH0=(65536-50000)/256;/重装计数初值TL0=(65536-50000)%256;/重装计数初值aa+;第27页共30页if(aa=20)/判断定时1分钟是否到aa=0;/计数次数清0if(cc=0)/南北亮红灯40秒，东西亮黄灯5秒DXY=0;/东西的黄灯亮DXG=1;/东西的绿灯不亮DXR=1;/东西的红灯不亮NBY=1;/南北的黄