交通灯设计（版本9）

1目录摘要.4第1章前言.51.1概述.51.2单片机的简介及应用.51.2.1智能仪器仪表.51.2.2测控技术.61.2.3智能接口.61.3设计内容.6第2章交通灯的总体方案及硬件设计.72.1交通管理的方案.72.1.1我国交通法规也对交通指挥信号灯做出规定：.72.1.2交通灯显示时序的理论分析:.72.2总体硬件设计.82.3AT89S51的介绍.92.3.1AT89S51的主要特性.92.3.2AT89S51的硬件结构.102.3.3AT89S51的引脚及功能.102.4电源电路.112.5复位电路.122.6晶振电路.132.7路灯闪烁电路.132.8动态显示电路.142.9按键电路的设计.15第3章软件编程设计.163.1设计思路.163.2软件流程.163.3延时程序.173.4显示程序.183.5中断程序.18第4章Proteus仿真.194.1南北直行.204.2南北左拐.214.3东西直行.224.4东西左拐.234.5紧急情况.24第5章实物图.24心得体会.25参考文献.252附源程序.263摘要十字路口车辆穿梭，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？靠的就是交通信号灯的自动指挥系统。随着现代社会的发展，交通在人们的日常生活中占有越来越重要的地位。因此一个好的交通灯控制系统，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的效果。近年来科技飞速发展，单片机的应用正在不断深入到人们的日常生活当中。本交通灯控制系统就是采用以单片机AT89S51为中心器件来设计交通灯控制器，系统实用性强，操作简单、扩展性强。本设计系统由单片机基本系统电路、LED数码管显示系统、晶振电路、电源电路、复位电路等部分构成。系统除了基本的交通灯功能，还有倒计时、紧急情况处理等功能。本系统可以实现现实中可能出现的多种情况，具有很强的实用性。软件是用C51的编程，主要编写了主程序，LED数码管显示程序，延时程序，中断程序等。最后通过仿真实现交通灯的模拟。关键词：交通灯、AT89S51、LED、倒计时、程序4ABSTRACTCrossroadsshuttlevehicles,pedestriansbustling,carlanes,walkways,everythingingoodorderandwellarranged.Sowhattorealizethisorderlyorder?Theautomaticcommandsystemoftrafficsignallamp.Withthedevelopmentofthemodernsociety,trafficplaysmoreandmoreimportantroleinpeoplesdailylife.Therefore,agoodtrafficlightcontrolsystem,toeasetrafficflow,improvethecapacityofroadtraffic,reducetrafficaccidentshaveobviouseffect.Inrecentyears,therapiddevelopmentofscienceandtechnology,theapplicationofSCMisconstantlydeepeningintopeoplesdailylife.ThetrafficlightcontrolsystemisdesignedwithAT89S51asthecentraldevicetodesigntrafficlightscontroller,thesystemispractical,easytooperate,andhasstrongexpansibility.Thissystemconsistsofmicrocontrollerbasicsystemcircuit,LEDdigitaldisplaysystem,crystaloscillatorcircuit,powercircuit,resetcircuitandotherparts.Inadditiontothebasicsystemoftrafficlights,andcountdown,emergencytreatmentandotherfunctions.Thissystemcanrealizemanykindsofsituationsthatmayappearinreality,andhasstrongpracticability.SoftwareistheuseofC51programming,mainlytowritethemainprogram,LEDdigitaltubedisplayprogram,delayprocedures,interruptprocedures,etc.Simulationoftrafficlightsisrealizedthroughsimulation.5第1章前言1.1概述近年来，随着汽车数量的猛增，我国大中型城市的城市交通，正面临着严峻的考验，从而导致交通问题日益严重，其主要表现如下：交通事故频发，对人类生命安全造成极大威胁；交通拥堵严重，导致出行时间增加，能源消耗加大；空气污染和噪声污染程度日益加深等。日常的交通堵塞成为人们司空见惯而又不得不忍受的问题。在这种背景下，结合我国城市道路交通的实际情况，开发出真正适合我们自身特点的智能信号灯控制系统已经成为当前的主要任务。随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断地走向深入，渐渐的融入到人们的生活中。在单片机的应用系统中，单片机往往是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，以及软件的设计，来实现我们所想要的功能。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。1.2单片机的简介及应用单片机又称单片机微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲，将中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出端口（I/O）等主要计算机部件都集成在一块电路芯片上的微型计算机称为单片微型计算机（Single-chipMicro-controller），简称单片机。89S51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有4K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，AT89S51为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。由于单片机具有抗干扰能力强、可靠性高、灵活性好，环境要求不高，价格低廉，开发容易等特点，它被广泛应用于各个领域。我们这次可靠性高就是用单片机来实现对十字路口交通灯的控制。下面介绍一下单片机在单机应用领域内的主要内容。1.2.1智能仪器仪表目前，各种传感器、变送器、控制仪表已普遍采用单片机应用系统。它集测量、6处理、控制功能于一体，具有各种智能化功能，如存储、数据处理、查找、1判断、联网和语音等功能。例如，精密数字温度计、智能电度表、智能流速仪等。1.2.2测控技术用单片机构成的各种工业控制系统中的数据采集系统具有工作稳定可靠、抗干扰能力强的优点，如炉温恒温控制系统、电镀生产自动控制系统等。1.2.3智能接口在计算机系统，特别是较大型的工业测控系统中，除通用外部设备外，还由许多外部通信、采集、多路分配管理、驱动控制等接口。这些外部设备与接口如果完全由主机进行管理，势必会造成主机负担过重，运行速度降低，接口的管理水平也不可能提高。如果用单片机进行接口的控制与管理，单片机与主机可并行加工处理，可以大量降低接口的通信密度，极大的提高了接口控制管理水平。在一些通用计算机外部设备上，已实现了单片机的键盘管理、打印机控制、绘图仪控制、硬盘驱动控制等。1.3设计内容对于系统的硬件设计，主要包括：1.单片机基本系统电路设计；2.动态显示电路设计；3.电源电路设计；对于系统的软件设计，主要包括：1.系统软件流程图；2.系统主程序的设计；3.系统中断子程序以及显示电路的设计；4.Proteusprofessional软件的模拟仿真等内容；7第2章交通灯的总体方案及硬件设计2.1交通管理的方案2.1.1我国交通法规也对交通指挥信号灯做出规定：1.绿灯亮时，准行车辆，行人通行，但转弯的车辆不准妨碍执行的车辆和被放行的行人通行。2.黄灯亮时，不准车辆行人通行，但已越过停止线的车辆和已进入人行横道的行人，可以继续通行。3.红灯亮时，不准车辆，行人通行。4.绿色箭头灯亮时，准行车辆按箭头所示方向通行。5.黄灯闪烁时，车辆行人在确保安全的原则下可以通行。信号灯的出现，使交通得到有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力和减少交通事故有明显效果。2.1.2交通灯显示时序的理论分析:下图所示为一种红绿灯规则的状态图图2-1-1状态S1南北直行通行图2-1-2状态S2东西左拐通行8图2-1-3状态S3南北直行通行图2-1-4状态S4南北左拐通行共四种状态，分别设定为S1、S2、S3、S4，交通灯以这四种状态为一个周期，循环执行。依据上述车辆行驶的状态图，可以列出各个路口灯的逻辑表如下表所示(其中逻辑值“1”代表禁止通行，逻辑值“0”代表直行通行，逻辑值“L”代表左拐通行)：表2-1-1东西直行S1的状态ESWN逻辑值0101显示时间正常模式下为40S表2-1-2东西左拐S2的状态ESWN逻辑值L1L1显示时间正常模式下为20S表2-1-3南北直行S3的状态ESWN逻辑值1010显示时间正常模式下为40S表2-1-4南北左拐S4的状态ESWN逻辑值L0L0显示时间正常模式下为20S一个周期四个状态，程序就是在上述四种状态下循环转化的。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，绿灯亮允许通行。黄灯亮提示人们注意红、绿灯的状态即将切9换，且黄灯燃亮时间为东西、南北两干道的公共停车时间。2.2总体硬件设计总体设计方案共有五个部分组成，分别是：单片机AT89S51、红、绿、黄灯显示电路、LED数显时间电路、晶振及复位控制电路，电源电路。在进行仿真调试过程中，程序运行正确，五个部分就同时工作，从而实现了交通灯的基本功能及调时功能。AT89S51单片机电源部分数码管显示路灯系统时钟复位紧急按键图2-2硬件设计方案2.3AT89S51的介绍2.3.1AT89S51的主要特性AT89S51是一种低功耗、高性能、COMS、8位微控制器，具有4在系统可编程FLASE存储器。使用ATMEL公司高密度非易失真性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。支持两种节电模式、空闲模式和掉电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。主要性能如下：与MCS-51单片机产品兼容；4K字节在系统可编程FLASH存储器；1000次擦写周期；32个可编程I/O口线；两个16位定时器/计数器；108个中断源；一个全双工UART串行通道；低功耗空闲和掉电模式；掉电后中断可唤醒；看门狗定时器；双数据指针；掉电标识符。2.3.2AT89S51的硬件结构1.中央处理器中央处理器简称CPU，是单片机的核心部件，其作用是读入和分析每条指令，根据每条指令的功能要求，完成运算和控制操作。中央处理器包括运算器和控制器两部分电路。2.存储器51单片机的片内存储器由程序存储器（ROM）和数据存储器(RAM)两部分构成。通常，ROM容量较大，用来存放程序代码和一些常数表格数据，RAM容量较小，用来存放一些变量和全局数据。3.I/O接口I/O接口有并行和串行两种。串行接口用于串行通信，可把单片机内部的并行数据转化为串行数据向外传送，也可以串行接收外部数据并把他们转换成并行数据送给CPU处理。2.3.3AT89S51的引脚及功能11图2-3AT89S51引脚分布图电源及时钟：VCC、VSS；XTAL1,XTAL2；控制信号引脚：ALE/PROG：地址锁存允许/编程脉冲输入信号线（输出信号）PSEN：片外程序存储器开发信号引脚（输出信号）EA/VPP:片外程序存储器使用信号引脚/编程电源输入引脚RST/VPD：复位/备用电源引脚输入输出引脚P0.0P0.7：P0口第一功能作为通用I/O接口，第二功能作为低八位地址总线、数据总线。（必须外加10K100K的上拉电阻）P1.0P1.7：P1口通用I/O接口无第二功能。P2.0P2.7：P2口第一功能作为通用I/O接口，第二功能作为高8位地址总线。P3.0P3.7：P3口除了作为通用I/O接口，还有第二功能。P3.0RXD：串行口输入端P3.1TXD：串行口输出端P3.1TXD：串行口输出端P3.2：外部中断0中断请求输入端P3.3：外部中断1中断请求输入端12P3.4T0：定时器/计数器0外部输入端P3.5T1：定时器/计数器1外部输入端P3.6：外部数据存储器写选通信号P3.7：外部数据存储器读选通信号2.4电源电路AK2DComentPOWER_LIU43SBNV-+GuF图2-4电源电路电源电路是系统中最基本的模块，任何电路都离不开电源部分，单片机系统也不例外，而且我们必须高度重视电源部分。其实有将近一半的故障或制作失败都和电源有关，所以我们不能因为电源电路比较简单而有所忽视。在本设计当中，我们采用USP供电。2.5复位电路图2-5复位电路13在振荡器运行时，有两个机器周期（24个振荡周期）以上的高电平出现在此引脚时，将使单片机复位，只要这个脚保持高电平，51芯片便循环复位。复位后P0P3口均置1引脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能寄存器SFR全部清零。当复位脚由高电平变为低电平时，芯片为ROM的00H处开始运行程序。复位是由外部的复位电路来实现的。片内复位电路是复位引脚RST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，它的输出在每个机器周期的S5P2，由复位电路采样一次。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式，此电路系统采用的是上电与按钮复位电路。当时钟频率选用6MHz时，C取22F，Rs约为200，RK约为1K。复位操作不会对内部RAM有所影响。2.6晶振电路图2-6晶振电路XTAL1是片内振荡器的反相放大器输入端，XTAL2则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到XTAL1，而XTAL2悬空。内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为12MHz，时钟频率就为6MHz。晶振的频率可以在1MHz-24MHz内选择。电容取30PF左右。系统的时钟电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。AT89单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。因此，此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为22F。在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机14芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。2.7路灯闪烁电路在设计路灯时，采用了发光二极管代替路灯。先介绍一下二极管，二极管工作原理是单向导通，即只有正极电压高于负极电压某特定值时才会导通，而负极电压高于正极电压是不导通的。图2-7-1发光二极管示意图发光二极管是一种特殊的二极管，导通时会发光（发光二极管导通压降一般为1.7V1.9V）。此外，工作电流要满足该二极管的工作电流。发光二极管的正负极可以用万用表进行判断，把万用表拨至二极管档或电阻挡，用两个表笔分别接触二极管的两个引出脚。若发光二极管被点亮，则与红表笔相接的引出脚为正极。从外观上看，发光二极管的正极引脚的长度也比较长。一般发光二极管与I/O端口之间都会再连接一个电阻，其作用在于限制通过二极管的电流，从而达到减少功耗或者满足端口对最大电流的限制。一般发光二极管的点亮电流为5mA至10mA。路灯设计时我采用了红、黄、绿三种发光二级管来代替交通中的红、黄、绿三种交通指示灯。我们通过控制单片机P1端口以及P2端口的高低电平来实现交通中的红、黄、绿三种颜色灯的循环闪烁。2.8动态显示电路我们所说的动态显示就是用数码管来显示出时间。数码管工作原理这里我们介绍8段数码管的工作原理。8段数码管又称为8字型数码管，分为8段：A、B、C、D、E、F、G、DP。其中，DP为小数点。数码管常用的有10根管脚，每一段有一根管脚，另外两根管脚为一个数码管的公共段，两根之间相互连通。发光二极管的发光原理，我们在路灯闪烁电路中已经介绍过了，同理，8段LED数码管，则是在一定形状的绝缘材料上，利用不同形状点划的发光二极管组合，排列成15“8”字型的数码管，分别引出它们的电极，点亮相应的点划来显示0-9的数字。从电路上，按数码管的接法不同又分为共阴和共阳两种。图2-5-1是共阴和共阳极数码管的内部电路，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。图2-8-1数码管的内部电路接法由于现实中只用到两位数，所以这本设计中采用两位一体的共阳极数码管。这个数码管只有十个引脚，分别是A、B、C、D、E、F、G、DP、1、2。我们用的是共阳极，只要把1、2两端口接电源就可以了。在这里我们要注意，动态显示需要消隐。因为动态显示是利用人眼的暂留效应来多位显示。原理是其多位数码管的每位段码控制只由一个口8位输出，先位选，送段码，延时（13ms），关位选（这个就是消隐作用，如果没关，下一位的段码送出时，这一位也显示下一位的段码，这样就乱了）再下一位，重复上述过程。162.9按键电路的设计按键工作方式可以是中断方式也可以是扫描方式，对扫描方式来说，扫描是一直调用按键扫描程序，也可以用定时调用按键扫描程序，但是不管哪一种，都需要占用系统宝贵的时间资源，相比较而言中断就有优势，中断键盘只有在有按键按下时才去执行键盘程序，在没有按键按下的情况下，可以处理其他的事务，使资源得到充分的利用，故中断键盘有占用资源少，响应速度快的优点。在本设计中我们采用外部0中断。K2GND减345P.图2-9按键电路第3章软件编程设计3.1设计思路要想设计一个好的交通灯应用系统，首先了解实际交通灯的变化规律。下面我来分解一下交通灯的显示时序。假设一个十字路口为东西南北走向。初始状态（S0）东西红灯，南北直行绿，南北人行道绿，东西人行道红；（S1）东西红灯，南北黄灯闪烁，南北人行道红，东西人行道红；（S2）东西红灯，南北左行绿，南北人行道红，东西人行道红；（S3）东西红灯，南北黄灯闪烁，南北人行道红，东西人行道红；（S4）南北红灯，东西直行绿，东西人行道绿，南北人行道红；（S5）南北红灯，东西黄灯闪烁，东西人行道红，南北人行道红；（S6）南北红灯，东西左行绿，东西人行道红，南北人行道红；（S7）南北红灯，东西黄灯闪烁，东西人行道红，南北人行道红；十字路口的路灯就是S0S7的无限循环（紧急按键未按下）。中断按键按下的17时候，执行中断。3.2软件流程程序初始化返回开始显示S1状态南北直行时间是否大于5显示S0状态显示S2状态显示S4状态显示S3状态显示S7状态显示S5状态显示S6状态东西直行时间是否大于5东西直行时间是否大于0东西左拐时间是否大于5东西左拐时间是否大于0南北直行时间是否大于0南北左拐时间是否大于5南北左拐时间是否大于0YYNYNYNYYNNNNYNY18图3-2-2主程序流程图3.3延时程序voiddelay(uintk)/形参uinti,j;for(i=0;ki;i+)for(j=0;ji时，执行语句（第二个for循环）i+是修改循环的表达式，当i增加到超过k时就退出循环。3.4显示程序voiddisplay()gew=time_ew%10;shiw=time_ew/10;/东西时间显示for(a=0;a=100)ew1=99;sn1=79;if(reduce_button=0)/时间减ew1-=5;sn1-=5;if(ew1#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcharsbittime_show_led2=P25;/显示控制位sbittime_show_led1=P24;sbitew_led2=P23;sbitew_led1=P22;sbitsn_led2=P21;sbitsn_led1=P20;sbitew_yellow=P17;/交通灯的各个端口sbitew_red=P16;sbitew_straight_green=P15;sbitew_man_green=P15;sbitew_left_green=P14;sbitew_man_red=P37;sbitsn_yellow=P13;sbitsn_red=P12;sbitsn_straight_green=P11;sbitsn_left_green=P10;sbitsn_right_green=P26;/右拐sbitew_right_green=P27;sbitsn_man_red=P36;sbitsn_man_green=P11;sbitadd_button=P35;sbitreduce_button=P34;sbiturgent_button=P33;/交通紧急按键bitflag_ew_yellow;/东西黄灯标识位bitflag_sn_yellow;/南北黄灯标识位uchartime_ew;/东西方向倒计时单元uchartime_sn;/南北方向倒计时单元28ucharew=60,sn=40,ewl=19,snl=19;/程序初始化赋值ucharew1=60,sn1=40,ewl1=19,snl1=19;/用于存放修改值的变量ucharcodetable10=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90;uchara,b,c,gew,s