交通灯设计（版本11）

-1-目录第一章概述.31.1交通的背景.31.2交通灯的意义.31.3交通灯控制系统概述.41.4设计的思想和步骤.41.5设计的基本功能.5第二章交通管理系统.52.1定时器原理.62.2软件延时原理.62.3中断原理.62.4设计要求.72.5时间牌管理.72.6交通控制系统方案设计和单元电路设计.82.7单元电路设计.9第三章设计功能的实现.133.1单片机的概述.133.2软件设计要求.133.3数据选择和红绿灯切换模块.143.4主程序模块的设计.153.5功能实现的设计.163.6源代码.17第四章课程设计总结.22参考文献.23-2-第一章概述1.1交通的背景1858年，在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红，蓝两色的机械扳手式信号灯，用以指挥马车通行。这是世界上最早的交通信号灯。1868年，英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上，安装了世界上最早的煤气红绿灯。它由红绿两以旋转式方形玻璃提灯组成，红色表示“停止”，绿色表示“注意”。就在它运作的第23天，煤气灯突然爆炸，一位正在执勤警察当场丧命，遂被取消。1914年，电气启动的红绿灯出现在美国。这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成，安装在纽约市5号大街的一座高塔上。红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通行”。1918年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。带控制的红绿灯，一种是把压力探测器安在地下，车辆一接近红灯便变为绿灯；另一种是用扩音器来启动红绿灯，司机遇红灯时按一下嗽叭，就使红灯变为绿灯。红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时，它就能察觉到有人要过马路，红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间，推迟汽车放行，以免发生交通事故。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。1968年，联合国道路交通和道路标志信号协定对各种信号灯的含义作了规定。绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以直行，左转弯和右转弯，除非另一种标志禁止某一种转向。左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。红灯是禁行信号，面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车。黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线，但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。此后，这一规定在全世界开始通用。1.2交通灯的意义当前，大量的信号灯电路正向着数字化、小功率、多样化、方便人、车、路三者关系的协调，多值话方向发展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。这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成初期，它们也曾有效地改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。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检测、交通信号灯控制与交通疏导和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。-3-1.3交通灯控制系统概述本设计是关于单片机控制的交通灯模拟系统的设计。主要内容有交通灯模拟系统设计方案，主要功能，各功能模块的介绍，电路设计，硬件部分设计，软件部分设计，模拟系统的仿真调试，设计方法以及课程设计的心得体会等等。该设计中用光二极管来模拟信号灯，紧急车的优先通过请求信号由外部中断技术来模拟。要求使89C51定时/计数器0作为定时器，要求对通行时间进行倒计时，从P0口输出，在LED上显示并进行递减，以此来实现十字路口交通灯的指示功能。根据交通灯系统所需要实现的功能要求，先画出中断程序部分的流程图和主程序流程图，然后根据流程图写出其子程序。从而通过模拟系统的仿真来实现该设计所要求的功能。本系统由单片机系统、键盘、LED显示、交通灯演示系统组成1.4设计的思想和步骤该设计在熟练掌握单片机及其仿真系统的使用方法基础上，综合应用单片机原理、微机原理、微机接口技术等课程方面的知识，设计一个采用STC89C51单片机控制的交通灯控制电路。根据设计功能及要求，我们可得系统的原理框图如图所示。上电复位电路STC89C51数据信号数码管倒计数显示段码调时电路振荡电路片选交通灯LED-4-图1根据系统的原理框图，分别分析各部分电路的元器件的功能以及选择合适的元件。具体设计思路如下：收集并整理资料，硬件设计，软件设计，Protel画原理图，设计体会与总结。1.5设计的基本功能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，主干道每次通行时间都设为15秒、支干道每次通行时间为10秒，时间可设置修改。2）在绿灯转为红灯时，黄灯先亮3秒钟，才变换运行车道；3）黄灯亮时，每秒闪亮一次。4）东西方向、南北方向车道除了有红、黄、绿灯指示外，每一种灯亮的时间都用显示器进行显示（采用计时的方法）。5）一道有车而另一道无车（实验时用开关K4和K6控制），交通灯控制系统能立即让有车道放行。主干道通行时间还是15秒，支干道通行时间还是10秒。6）有紧急车辆要求通过时，系统要能禁止普通车辆通行，A、B道均为红灯，紧急车由K5开关模拟。时间为15秒。7）时间设定，按K3键进行设置正在通行干道的绿灯时间，按K4键增加时间值，按K6键减少时间值，按K3完成设置。-5-第二章交通管理系统中国车辆数量不断增加，交通控制在未来的交通管理中起着越来越重要的作用。智能交通灯的管理比重修一条马路无论在经济、交通运行速率上都有很好的效益、更加节约资源，使交管人员有更多的精力投入到管理整个城市的交通控制，使其带来更大的经济和社会效益,为创造美好的城市交通形象发挥更多的作用。2.1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可得到如下计算通式：TC=M-C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=TT0。计算通式变为：T=（MTC）T0模值和计数器工作方式有关。在方式0时M为8192；在方式1时M的值为65536；在方式2和3为256。就此可以算出各种方式的最大延时。如单片机的主脉冲频率为12MHZ，经过12分频后，若采用方式最大延时只有8.129毫秒，采用方式最大延时也只有65.536毫秒。这就是为什么扫描周期为50ms的原因，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。2.2软件延时原理MCS-51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。我们设定一个初值为20的软件计数器和使T0定时50毫秒。这样每当T0-6-到50毫秒时CPU就响应它的溢出中断请求，进入他的中断服务子程序。在中断服务子程序中，CPU先使软件计数器减，然后判断它是否为零。为零表示秒已到。设定定时器需要定时50毫秒，故T0必须工作于方式。要求初值：TC=M-T*T0=216-50ms/1us=15536=3CBOH.2.3中断原理本系统主要使用了外部中断，中断信号有引脚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，8051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。在优先级的允许下，一旦有外部中断信号产生，单片机CPU首先保护断点，PC值进栈，然后执行相应的中断服务子程序，执行完后，用RETI指令返回，此时CPU会从堆栈中取保存的断点地址，送回PC，程序再正常执行。2.4设计要求.当东西方向绿灯亮时（表示允许东西方向车辆直行或左转弯通过十字路口），南北方向应亮红灯；反之，当南北方向亮绿灯时，东西方向应亮红灯。.设有“自动/手动”开关对信号灯进行控制，当开关位置在“自动”时，东西方向或南北方向红绿灯信号应能每隔一定时间交替地显示，红绿灯信号灯显示时间相等，并且显示时间能在20-60s范围内按10s间隔由人工设定。在交替之前，从第5s开始黄灯以2HZ频率闪动至交替时结束。当开关位置在“手动”时，应能手动控制两个方向的红绿灯的交替显示（交替前不要求黄灯闪动）2。为简化设计，由“手动”转入“自动”时，红灯信号或绿灯信号先转至何方向无要求，也可增加以下要求：.中的开关位置在“自动”时，要求任意方向的红、绿信号灯显示时间可以不等，且能在20-60s范围内按10s间隔有人工设定。-7-.中要求由“手动”转入“自动”时，绿信号灯先转东西方向还是南北方向应能随意选择。.当各方向均无车辆通过时，可以通过灭灯开关将所有信号灯熄灭。.当紧急车辆（如消防、救护车活警车）出现时，可由“紧急”开关控制，使东、西、南、北各个方向都亮红灯（禁止各方向一般车辆通过），并当紧急车辆通过后，绿信号灯先转至何方向能随意选择。2.5时间牌管理当“自动/手动”开关由“手动”转向“自动”时，时间牌应该从设定值开始，按秒显示之后任一时刻至本次红绿信号交替时刻之间的时间。当“自动/手动”开关打在“手动”位置时，或“紧急”开关或“灭灯”开关有效时，时间牌数码管应熄灭。（3）给定条件东、西、南、北四个方向的红、黄、绿信号灯分别用红、黄、绿发光二极管代替（东西南北方向共用两只红色和两只绿色发光管，四个方向共用一只黄色发光管）。用一个时间显示牌代表四个方向的时间显示牌（因各方向时间显示牌的内容均相同），并用半导体数码管代替时间牌。2.6交通控制系统方案设计和单元电路设计分析交通管理系统的设计要求，要实现两个功能：一个是红绿灯和黄灯管理，红绿灯和黄灯管理主要控制其“亮”和“灭”；另一个是时间牌管理是按照设计要求控制其显示时间。因此，交通管理系统属于数字系统，其关键部分是控制器的选择。数字系统中的控制器用于控制系统各部分协调工作，其控制器通常有移位型控制器、计数型控制器、微程序控制器以及PLC型控制器3。通过对系统的设计要求和功能分析，系统要控制红绿灯的交替、时间牌的显示、黄灯闪动，并有手动和自动控制功能。因此，该系统属于控制类电子电路系统。根据系统要实现的功能，可设计系统的控制方案组成框图如图3-1所示。-8-3.1交通管理系统控制方案组成框图从图3.1中可以看出，系统控制器是整个系统中的关键部分，担负着接收输出信号，经过运算产生控制输出的功能，是交通管理系统的核心模块；输入模块包括时间初值输入、脉冲的产生与分频、手动/自动选择模块和手动输入模块；输出模块包括时间显示和信号灯显示模块4。2.7单元电路设计（1）减计数控制器可考虑选用BCD码输出的减计数器。本处选用两片74LS192构成计数控制器，计数器74LS192的逻辑符号和功能引脚时序图分别如图3.3、3.4所示。数码管（时间显示）数码管驱动器系统控制器系统控制器手动/自动选择信号灯驱动器红绿黄信号灯时间初值设定脉冲产生与分频手动输入-9-图3.374LS192逻辑符号图3.474LS192各个引脚功能时序图引脚说明：A、B、C、D：初值设定引脚QA、QB、QC、QD：计数输出BO、CO：错位和进位LOAD：异步置数CLR：异步清零UP：加计数脉冲输入端DOWN：减计数脉冲输入端时序说明：加计数至9，产生进位输出；减计数至0，产生错位输出。-10-清除信号（CLR）控制预置数和计数输出，也即清除信号（CLR）优先级最高。预置数信号（LOAD）为异步置数信号。做加法计数时，减计数输入端（DOWN）必须为高电平，做减法计数时，加计数输入端（UP）必须为高电平。依据74LS192的功能时序，可用两片74LS192芯片构成减计数控制器，如图3.5所示。U174LS192NA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4LOAD11BO13CO12CLR14U274LS192NA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4LOAD11BO13CO12CLR14VCC5V1VCC0CLOCKCLOCK图3.5两片74LS192构成的减计数控制器计数器连接时，将低位片的错位信号（BO）连至高位片的减计数输入端（DOWN），低位片的减计数输入端（DOWN）接时钟信号；做减计数器时，两片的加计数器输入端均接高电平（VCC）；正常计数时，两片的清零信号（CLR）均接低电平（地）。这样连接后的计数器的计数循环为9998972109998，是100进制计数器。在此基础上，进一步可设计为其他进制计数器。（2）5s译码和0s译码电路按设计要求，减计数至小于等于5时，黄灯闪动。这意味着，系统能将51s从计数结果中识别出来，故应有“5s译码电路”承担对51s的译码任务。减计数至0s，红绿灯交替，并读入设定值，所以应有“0s译码电路”承担对0s的译码任务7。能实现译码的电路很多，如采用比较器译码、用门电路译码、用触发器构成译码电路。用数据选择器构成译码电路、用集成译码器译码等。系统的译码电路承担对05、04、03、02、01、00共6个代码的译码任务，本处选用集成译码器74LS138构成译码电路，能方便实现0500这6个代码的识别任务。其他译码电路请有兴趣的读者思考实现。5s译码和0s译码电路如图3.6所示。-11-U1A74LS32NU2B74LS32NU3C74LS32NU474LS138NY015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y77A1B2C3G16G2A4G2B5U574LS192NA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4LOAD11BO13CO12CLR14U674LS192NA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4LOAD11BO13CO12CLR14GNDGNDVCC5VVCC5VVCC5VU774LS30N图3.65s译码和0s译码电路如图3.6所示，用三个“或门”74LS32对高位计数器的计数结果进行逻辑或运算，输出接至译码器74LS138的G2A端（保证不识别15、14、13等代码），低位计数器的QD接至译码器74LS138的G2B端(保证不识别08和09两代码)，低位计数器的QA、QB、QC分别接至译码器74LS138的A、B、C三个输入端。这种接法保证译码电路只识别05、04、03、02、01、00这6个代码，而不至于将其他代码识别出来。0s译码输出用于控制“灭零”和“红绿灯切换”。5s译码输出用于控制黄灯闪动。-12-第三章设计功能的实现3.1单片机的概述单片微型计算机简称单片机，又称微控制器，嵌入式微控制器等，属于第四代电子计算机。它把中央处理器、存储器、输入/输出接口电路以及定时器/计数器集成在一块芯片上，从而具有体积小、功耗低、价格低廉、抗干扰能力强且可靠性高等特点，因此，适合应用于工业过程控制、智能仪器仪表和测控系统的前端装置。正是由于这一原因，国际上逐渐采用微控制器(MCU)代替单片微型计算机(SCM)这一名称。“微控制器”更能反映单片机的本质，但是由于单片机这个名称已经为国内大多数人所接受，所以仍沿用“单片机”这一名称。单片机的主要特点有：1)具有优异的性能价格比。2)集成度高、体积小、可靠性高。3)控制功能强。4)低电压，低功耗。AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可系统编程的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位AT89S51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。3.2软件设计要求在进行应用系统的总体设计时，软件设计与硬件设计应统一考虑，相结合进行。当系统的电路设计定型以后，软件的任务也就明确了。一般来说，软件的功能可分为两大类。一类是执行软件，它能完成各种实质性的功能，如测量计算、显示、打印、输出控制等；另一类是监控软件，它是专门用来协调各执行模块和操作者的关系，在系统软件中充当组织协调角色。我们设计时，应从以下几个方面考虑：1）根据软件功能的要求，将系统软件分为若干个相对独立的部分。设计出合理的软件总体结构，使其清晰、简捷、流程合理。-13-2）各功能程序实行模块化、子程序化。3）在编写应用软件之前，应绘制出程序流程图。4）要合理分配系统资源，包括ROM、RAM、定时器/计数器、中断源等。本设计采用了模块化设计，主要由主程序模块、功能实现模块两大部分模块组成。3.3数据选择和红绿灯切换模块（1）创建电路：选择元器件创建数据选择和红绿灯切换模块电路，如图4.6所示。VCC5VVCC5VU1A74LS74N1D21Q51Q61CLR11CLK31PR4U274LS257N1Y42Y73Y94Y121A21B32A52B63A113B104A144B13A/B1G15MANINPUTMANAUTOOOYIMATOLGHT图4.6数据选择和红绿灯切换模块电路（2）添加模块的输入输出引脚，图4.6中，00YIMA为输入引脚，接计数译码电路的0s译码输出；MANINPUT为手动输入引脚；MANAUTO为手动/自动选择输入引脚;TOLIGHT为输出引脚，输出接红绿灯。（3）单击存储按钮，将编辑的图形文件存盘，文件名为“手动自动选择模块.ms9”。（4）模块封装，经封装后的计数译码模块电路的封装图，如图4.7所示。-14-X100YIMAMANINPUTMANAUTOTOLIGHT动动动动动动动动图4.7数据选择和红绿灯切换模块电路的封装图3.4主程序模块的设计主程序流程图如下图A所示：该交通信号灯控制系统的四中工作状态（南北方向的交通灯为例）：（1）南北方向A车道红灯亮，东西方向B车道绿灯亮。表示南北方向A车道上的车辆禁止通行，东西方向B车道允许通行。绿灯亮足规定的时间隔时，控制器发出状态信号，转到下一工作状态。（2）南北方向A车道红灯亮，东西方向B车道黄灯亮。表示东西方向B车道上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行，南北方向A车道禁止通行。黄灯亮足规定时间间隔时，控制器发出状态转换信号，转到下一工作状态。（3）南北方向A车道绿灯亮，东西方向B车道红灯亮。表示南北方向A车道允许通行，东西方向B车道上的车辆禁止通行，绿灯亮足规定的时间间隔时，控制器发出状态转换信号，转到下一工作状态。（4）南北方向A车道黄灯亮，东西方向B车道红灯亮。表示东西方向B车道禁止通行，南北方向A车道上位过限停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行。黄灯亮足规定的时间间隔时，控制器发出状态转换信号，系统又转换到第（1）种工作状态。控制灯程序流程图如图5下：-15-置A道放行标志0F0A到放行时间送R4A道有车？A道亮绿灯，B道亮红灯B道有车？YN开始允许/int0中断B道亮黄灯，A道亮红灯延时0.5秒A道亮黄灯，B道亮红灯R1-1=0？A道有车？B到放行时间送R3B道亮绿灯，A道亮红灯延时0.5秒延时0.5秒置B道放行标志0F0延时0.5秒B道有车？R3-1=0？YNYYYN图5交通灯控制流程图3.5功能实现的设计功能实现模块主要由中断处理子程序，键盘处理子程序和显示子程序等组-16-成。下面仅对INT0中断服务程序部分进行简单介绍。P3.4与K2连接，K2与地连接。按下K2，东西南北四个方向全红，也就是说，东西南北四个通道都不能通车，这时可对南北的总时间进行调节。K1与AT89S52的p3.3管脚相连。在按下K2的前提下，按下K1，此时显示的是东西的总时间，并可对其调节。其中中断服务程序流程图下图所示：3.6源代码#includeunsignedchardispram10=0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F;unsignedcharc,b,d;A道亮黄灯，B道亮红灯B道亮绿灯，A道亮红灯A道亮绿灯，B道亮红灯开始延时0.5秒A道亮黄灯，B道亮红灯B道亮黄灯，A道亮红灯紧急车通过A道放行返回YNYNN原道A放行-17-unsignedtime;bita=0;voiddelay(intx)/延时子程序/inti;for(i=0;ix;i+);voidmain()EA=1;/开CPU中断/ET1=1;/开定时中断1/EX1=1;/开外部中断1/TMOD=0x10;/定时中断工作模式1/TH1=(65536-50000)/256;TL1=(65536-50000)%256;TR1=1;/允许运行定时中断1/time=60;b=0;c=0;d=60;while(1)if(b=0)/判断是否点亮红灯/P1=0xf3;if(time=0)/判断时间是否计到0/time=3;b=1;/黄灯闪标志/-18-P0=dispramtime/10;P2=0x00;P2=0XFF;P0=0xfb;P2=0x20;P2=0xff;delay(500);P0=dispramtime%10;P2=0x00;P2=0xff;P0=0xf7;P2=0x20;P2=0xff;delay(500);if(b=1)/判断是否黄灯闪/if(time=3)P1=0xfd;if(time=2)P1=0xff;if(time=1)P1=0xfd;if(time=0)/判断倒计时/-19-time=18;P1=0xfe;b=2;/点亮绿灯标志/P0=dispramtime/10;P2=0x00;P2=0XFF;P0=0xfb;P2=0x20;P2=0xff;delay(500);P0=dispramtime%10;P2=0x00;P2=0xff;P0=0xf7;P2=0x20;P2=0xff;delay(500);if(b=2)/判断是否点亮绿灯/P1=0xfe;if(time=0)/判断倒计时/time=d;b=0;/点亮红灯标志/P0=dispramtime/10;P2=0x00;P2=0XFF;P0=0xfb;-20-P2=0x20;P2=0xff;delay(100);P0=dispramtime%10;P2=0x00;P2=0xff;P0=0xf7;P2=0x20;P2=0xff;delay(100);voidint2(void)interrupt2using3/外部中断子程序/a=a;/a取反/if(a=1)/判断a的值/c=0;/中断次数清零/b=0;/给模式1标志量赋初值0/time=30;/给模式2时间赋初值30/d=30;elseif(a=0)c=0;/中断次数清零/time=60;/给模式1时间赋初值60/d=60;b=0;/给模式1标志量赋初值0/-21-voidtimer0(void)interrupt3using2/定时中断子程序/TH1=(65536-50000)/256;TL1=(65536-50000)%256;c+;if(c=20)/判断定时中断是否执行了20次/c=0;/给定时中断次数赋初值/time-;/秒数减1/-22-第4章课程设计总结毕业设计是