51单片机交通灯设计要点

1、摘要交通信号灯是交通信号中的重要组成部分， 是道路交通的基本语言，是为了 加强道路交通管理，减少交通事故的发生，提高道路使用效率，改善交通状况的 一种重要工具。适用于十字、丁字等交叉路口，由道路交通信号控制机控制，指 导车辆和行人安全有序地通行。交通信号灯由红灯（表示禁止通行）、绿灯（表示允许通行）、黄灯（表示警示）组成。分为：机动车信号灯、非机动车信号灯、 人行横道信号灯、车道信号灯、方向指示信号灯、闪光警告信号灯、道路与铁路 平面交叉道口信号灯。近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断深入， 同时带动传统控制技术日益更新。接下来将介绍基于单片机控制的交通信号灯的 自动指挥系统。交通信

2、号灯控制方式很多。本系统采用MSC-51系列单片机80C51 和芯片74LS245为中心器件来设计交通灯控制系统。、关键字：单片机，信号灯，控制、乙 刖 百道路交通信号灯是交通安全产品中的一种类别，是为了加强道路交通管理，减少交通事故的发生，提高道路使用效率，改善交通状况的一种重要工具。 适用于十 字、丁字等交叉路口，由道路交通信号控制机控制，指导车辆和行人安全有序地 通行。最早的时候只有红、绿两种颜色，后来经过改良后，增加了一盏黄色的灯， 红灯表示停止，黄灯表示准备，绿灯则表示通行。之所以采用这三种颜色，一方 面是三原色，其他颜色也是在此基础上调出来的， 另一方面，用这三种颜色作为 交通讯号

3、也和人们的视觉结构和心理反应有关。人的视网膜含有杆状和三种锥状感光细胞， 杆状细胞对黄色的光特别敏感，三种 锥状细胞则分别对红光、绿光及蓝光最敏感。由于这种视觉结构，人最容易分辨 红色与绿色。虽然黄色与蓝色也容易分辨，但因为眼球对蓝光敏感的感光细胞较 少，所以分辨颜色，还是以红、绿色为佳。交通信号灯是交通信号指挥中的重要组成部分，是道路交通的基本语言。交通信号灯由红灯（表示禁止通行）、绿灯（表示允许通行）、黄灯（表示警示） 组成。分为：机动车信号灯、非机动车信号灯、人行横道信号灯、车道信号灯、 方向指示信号灯、闪光警告信号灯、道路与铁路平面交叉道口信号灯。 广泛用于 公路交叉路口，弯道、桥梁等

4、存有安全隐患的危险路段，指挥司机或行人交通， 促进交通畅通，避免交通事故和意外事故发生。图1-1.系统硬件构成模块1. 2. 1功能概述本设计由中断系统、单片机、LE四码显示模块和按键等构成。单片机是集 成的IC芯片AT89C51单片机，只需根据实际选型。其他部分都需要根据应用要 求和性能指标自行设计。硬件结构整体框图:W升2升37 3悖用才3* W0”小012000W*寺*EOACHN 吆丫J 综0 I,卒卒N 12345 678 9R也3 0-RM 0T一li_ _L _U1p DFmOI. W05,*43-0403p D F E m;Sil£S "辛卜1I Sms*，

5、井3n :"rA A 3 2JLmD D N NR X E ER 1 A N-TR R|WDIT 5 4319彳卜卜| 5 4 | 39I 9 | 3 |3 I K2s4-RkR kQ NrI ll 1Vl_*.1 巾J21nvRf ：6o BSImm8 0 mDwN3 ES b Df54NQ N上图电路为交通灯控制系统的具体电路图，在东南西北四个方向的示灯，代表四个方位的交通信号灯LED指设计中交通灯控制规则如下：(1)每个街口有左拐、直行、红灯、绿灯四种指示灯。每个灯有红、绿、黄 三种颜色。(2)共有四种通行方式：1、道路通行方式一时，此时东西方向车辆可以直行；南北路口车辆禁止直

6、行，人行可通过；各个路口车辆均可右拐道路通行方式二时，此时东西南北方向车辆均禁止直行；东西路口车辆可 以左拐；各个路口车辆均可右拐，人行可通过。道路通行方式三时，此时南北方向车辆可以直行；东西路口车辆禁止直行, 人行可通过；各个路口车辆均可右拐。道路通行方式四时，此时东西南北方向车辆均禁止直行； 南北路口车辆可 以左拐；各个路口车辆均可右拐，人行可通过。2、有倒计时时间显示时间，红绿灯切换提前 5秒亮黄灯提示。3、紧急情况时，所有路口均亮红灯，禁止所有普通车辆通行，人行道显示 禁止通行。数码管显示no'字样。图”2通行方式一示,意当图2-3通行方式二示意图图2T通行方式四示意图图2-4

7、通行方式三示意图一、硬件部分1 .系统硬件构成模块2 .硬件介绍(1) 80C51引脚图以及引脚功能介绍8 F To nF TT F T7 F18FP1.0 PL1Pl 2 Pl 3Pl 4 Pl.5FL6 Pl 7RST/VPD RXDP3.0 TXD P3A INT0P3,2 INTI P3.3 TO P3.4T£P3.5 WRP3.6RUP37 XTAL2KTAL1 VSS艰ocovcc PO.O P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0 6 P07 EA/VPF ALE/PROq FSENP27 P2.6 P2J P24 P2 3 P2 2 P2.1 P2.04

8、0 歹 JL：3? 然34 33 3237 卫 29 需 77 26 万 匆 23 22 7T这40根引脚大致可分为：电源（Vcc、Vss、Vpp、Vpd）、时钟（XTAL1、XTAL2 ）、 I/O 口（P0P3）、地址总线（P0口、P2口）和控制总线（ALE、RST、PROG 、 丽T、EA ）等几部分。它们的功能简述如下：1 .电源Vcc （引脚号40）,芯片电源，接+5V; Vss （引脚号20）,电源接地端。2 .时钟XTAL1 （引脚号18）内部振荡电路反相放大器的输入端，是外接晶振的一个引脚。当采用外部振荡器时，此引脚接地。XTAL2 （弓加却号19）内部振荡器的反相放大器输出端

9、，是外接晶振的另一端。 当采用外部振荡器时，此引脚接外部振荡源。3 .控制总线（1） ALE/PROG（引脚号30）:正常操作时为ALE功能（允许地址锁存）,用来把地址的低字节锁存到外部锁存器。ALE引脚以不变的频率（振荡器频率的 1/6）周期性地发出正脉冲信号。因此，它可用作对外输出的时钟信号或用于定时。但要注意，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个 ALE脉冲。ALE端可以驱动 （吸收或输出电流）8个LSTTL电路。在8751单片机EPROM®程期间，此引脚接编程脉冲 （FROG 功能）。（2） FSEJT （引脚号29）:外部程序存储器读选通信号。在从外部程序存 储器取指令（或

10、数据）期间， 丽【在每个机器周期内两次有效。 丽【可以 驱动8个LSTTL电路。（3） RST/VPD（引脚号9）:复位信号输入端。振荡器工作时，该引脚上持续 2个机器周期的高电平可实现复位操作。此引脚还可接上备用电源。在Vcc掉电期间，由】印 向内部RAMI供电源，以保持内部 RAMfr的数据。（4）或/Vpp （引脚号31）:亚 为内部程序存储器和外部程序存储器的选 择端。当函 为高电平时，访问内部程序存储器（PC值小于4K）;当曲 为低电平时，访问外部程序存储器。对于87C51I片机，在EPRO编程期间，此 端为21V编程电源输入端。4 . I/O 线（1） P0口（引脚号3239）:单

11、片机的双向数据总线和低8位地址总线。在访 问外部存储器时实现分时操作，先用作地址总线，在 ALE信号的下降沿，地址 被锁存；然后用作为数据总线。它也可以用作双向输入/输出口。P0口能驱动8个LSTTL负载。（2） P1 口（引脚号18）:准双向输入/输出口，它能驱动4个LSTTL负载。（3） P2口（引脚号2128）:准双向输入/输出口。在访问外部存储器时，用 作高8位地址总线。P2口能驱动4个LSTTL负载。（4） P3口 （引脚号1017）:准双向输入/输出口，它能驱动4个LSTTL负载。 P3 口的每一引脚还有另外一种功能：P3.0-RXD:用行口输入端P3.1TXD:用行口输出端P3.

12、2INTO :外部中断0中断请求输入端P3.3而 ：外部中断1中断请求输入端P3.4T0: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-而：外部数据存储器写选通信号P3.7而：外部数据存储器读选通信号 （2） 74LS245弓I脚图及功能74LS245是我们常用的芯片，用来驱动led或者其他的设备，它是8路同相 三态双向总线收发器，可双向传输数据。2工6_7_8A0A1A2A3A4A5A6A7B0B1B2B3B4B5B6B7-74LS245DIR1S n I?i7叵1T57 _E是H时）B为高阳E为L, DIR为L时，B-A任为L, DIR是H时，A+B74LS2

13、45还具有双向三态功能，既可以输出，也可以输入数据。当8051单片机的P0 口总线负载达到或超过P0最大负载能力时，必须接入 74LS245等总线驱动器。当片选端/CE低电平有效时，DIR= "0"，信号由B向A传输；（接收）DIR= "1"，信号由A向B传输；（发送）当CE为高电平时，A、B均为高 阻态。由于P2 口始终输出地址的高8位，接口时74LS245的三态控制端1G和2G 接地，P2 口与驱动器输入线对应相连。P0 与74LS245输入端相连,E端接地， 保证数据线畅通。8051的/RD和/PSEN相与后接DIR,使得RD且PSEN有效时， 7

14、4LS245输入（P0.1D1）,其它时间处于输出（P0.1-D1）。（3）八段LED数码管LED显示屏作为大型显示设备的一种，具有亮度高、价格低、寿命长、维 护简便等优点。LED数码管的结构简单，分为七段和八段两种形式，也有共阳 和共阴之分。以八段共阳管为例，它有 8个发光二极管（比七段多一个发光二极 管，用来显示dP,即点），每个发光二极管的阳极连在一起，如图 1-3所示。这 样，一个LED数码管就有I根位选线和8根段选线，要想显示一个数值，就要分别对它们的高低电平来加以控制。为方便起见，本文主要讨论共阳八段LED数码显示管，其他类形的显示管与其类似。j BPLED灯的显示原理：通过同名管

15、脚上所加电平的高低来控制发光二极管是 否点亮而显示不同的字形，如dp, g,f,e,d,c,b,a全亮显示为8 ,采用共阳极连接驱动代码，代码如下所示。显示数值dp,g,f,e,d,c,b,a驱动代码011010000C0H111111001F9H210100100A4H310110000B0H41001100199H51001001092H61000001082H711111000F8H81000000080H91001000090HLED瞰数码管的设置为每个方位上的一对 2为显示器。四个方位上总共用4 个LED接在单片机的IO 口上。虽然路口不一样，但是显示的时间在数字上是一 样的，所以两

16、边连接的IO 口是对称的。二、部分电路设计1、时钟电路时钟是一切微处理器、微控制器内部电路工作的基础。单片机内部有一个自 激振荡电路，它是定时控制部件中的一部分，可以通过内部自激振荡或外部提供 振荡源这两种方式，驱动内部时钟电路产生系统时钟信号。内部方式：在XTAL1、XTAL2跨接定时元件和两个电容就构成了自激振荡 器，C1、C2取5-30PF,起微调和稳定作用。晶振频率：f=1.2-12MHZ,常用频率为 6、12、11、0592MHZ。外部万式：外部振荡脉冲信号直接由XALT1端输入，此时，XALT2端悬浮。 这种方式常用于多片单片机系统，以使相互的时钟信号保持同步。晶振周期：为振荡器输

17、出的时钟脉冲频率的倒数。 是单片机中最小、最基本 的时间单位。状态周期：也叫时钟周期，是振荡频率经 2分频后获得的信号周期，称S, 显然，S为晶振周期的2倍。机器周期：12个晶振周期为一个机器周期，对应计算机执行一个基本操作 所需的时间。指令周期：执行一条指令所需的时间，至少包含一个机器周期。指令字节：指令占用存储空间的字节数，有单字节、双字节、三字节三类。 当时钟频率为12MHz和6MHZ时，晶振周期分别为1/12 s和1/16画 机器周 期分别为1肉和2日。这里使用12MHZ晶振和两个电容就构成的自激振荡器。如图：2、复位电路复位电路一般有2种复位操作方式: 位的操作电路形式不同，如下图。

18、上电位复位方式和手动复位,两种复上电自动复位：通过电容充电来实现的， VCC的上升时间不超过1ms,就以实现上电位复位。手动开关复位：手动开关复位在系统出现操作错误或程序运行出错时使用。在单片机系统运行过程中，按下复位键，单片机被强制执行复位操作，系统 可以退出错误运行状态，恢复正常工作。此次设计选择的为第二种手动开关复位。3、时间显示电路在单片机应用系统中通常使用由八个LED器件组成的七段LED显示器，其中七个LED构成七笔字形，另一个 LED构成小数点（故有时称八段显示 器）。如图所示，其接法共有两种：共阴极与共阳极，前者是输入高电平有效（LED发 光），后者是输入低电平有效。其工作原理是

19、：控制其中各段LED的亮与暗即可 显示出相应的数字、字母或符号。若添加防雷器件：TVS （TRANSIENT VOLTAGE SUPPRESSOR）或称瞬变电压抑制二极管是 在稳压管工艺基础上发展起来的一种新产品，其电路符号和普通稳压二极管相同 外形也与普通二极管无异，当TVS管两端经受瞬间的高能量冲击时，它能以极高 的速度（最高达1*10-12秒）使其阻抗骤然降低，同时吸收一个大电流，将其两 端间的电压箝位在一个预定的数值上，从而确保后面的电路元件免受瞬态高能量 的冲击而损坏。TVS的反应速度绝对比RC回路快的多10s-12s可不用考虑TVS的击穿电压VBR,反向临界电压VWM,最大峰值脉冲

20、电流IPP和最大箝位电 压VC及峰值脉冲功率PP.选才？ VWM等于或大于电路工作电压，VC为小于保护 器件的耐压值，能测量最好（IPP）,或估计出脉冲的功率，选功率较大的TVS.防干扰器件：光电耦合器（optical coupler,英文缩写为OC）亦称光电隔离器，简称光耦。 光电耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用， 所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输 入的电信号驱动发光二极管（LED）,使之发出一定波长的光，被光探测器接收 而产生光电流，再经过进一步放大后

21、输出。这就完成了电一光一电的转换，从而 起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输 具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。三、软件部分1.程序流程图:总程序流程图:紧急程序流程图:若有紧急中断信号出现，显示子程序优先处理中断程序，将所有路口的信号灯置为红色禁止通行。紧急状态解除各信号灯再进入正常状态显示源程序代码:#defineuchar unsignedchar#defineuint unsignedint#include<reg51.h>/* 定义控制位 */sbit EW_LED2=P2A3; /祢西数码管个位sbit EW_LE

22、D1=P2A2; /祢西数码管十位sbit SN_LED2=P2A1; /南d匕数码管个位sbit SN_LED1=P2A0；/南北数码管十位_sbit SN_Yellow=P1A6;/ 南北黄灯sbit EW_Yellow=P1A2;/ 东西黄灯sbit EW_Red=P1A3;/东西红灯sbit SN_Red=P1A7;/南北红灯/sbitBusy_Btton=P3A2;bit Flag_SN_Yellow; /南北黄灯标志位bit Flag_EW_Yellow;/东西黄灯标志位charTime_EW;/东西方向倒计时单元charTime_SN;/南北方向倒计时单元 uchar EW=50

23、,SN=25,EWL=20,SNL=20; /程序初始化赋值，正常模式 uchar EW1=50,SN1=25,EWL1=20,SNL1=20;/川于存放修改值的变量 /uchar code table10=0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F;/1一9段选码uchar codetable10=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90;/uchar codetable10=0x03,0x9f,0x25,0x0d,0x99,0x49,0x41,0x1f,0x01,0x09;/u

24、char code S8=0X28,0X48,0X18,0X48,0X82,0X84,0X81,0X84;/交通信号灯控制代码uchar code S8=0xd7,0xb7,0xe7,0xb7,0x7d,0x7b,0x7e,0x7b;/*voidDelay(uchar延时子程序 */ a)/*uchar i; i=a;while(i-);显示子函数 */voidDisplay(void)char h,l;h=Time_EW/10;l=Time_EW%10;P0=tablel;EW_LED2=1;Delay(200);EW_LED2=0;P0=tableh;EW_LED1=1;Delay(200

25、);EW_LED1=0;h=Time_SN/10;l=Time_SN%10;P0=tablel;SN_LED2=1;Delay(200);SN_LED2=0;P0=tableh;SN_LED1=1;Delay(200);/*T0SN_LED1=0;中断服务程序 */void timer0(void)interrupt 1 using 1 static uchar count;TH0=(65536-50000)/256;TL0=(65536-50000)%256;count+;/if(count=10)(Time_EW-;Time_SN-;if(Flag_SN_Yellow=1) / SN_Ye

26、llow=SN_Yellow; if(Flag_EW_Yellow=1) / EW_Yellow=EW_Yellow;南北黄灯标志位东西黄灯标志位if(count=20)Time_EW-;Time_SN-;if(Flag_SN_Yellow=1)/ 南北黄灯标志位 Time_SN=Time_EW;/ Time_SN+;SN_Yellow=SN_Yellow;if(Flag_EW_Yellow=1)/ 东西黄灯标志位(/Time_EW=Time_SN;Time_EW+;EW_Yellow=EW_Yellow;/Time_EW-; Time_SN-;/ Display。;count=0;/*voi

27、d main(void)主程序开始 */IT1=0; /INT1负跳变触发TMOD=0x01;/定时器工作于方式1 TH0=(65536-50000)/256;/ 定时器赋初值 TL0=(65536-50000)%256;EA=1;/CPU开中断总允许ET0=1;/开定时中断EX1=1;/开外部INTO中断TR0=1;/ 启动定时PX1=1;/中断优先级高 while(1)/*S0 状态 */Flag_EW_Yellow=0;Time_EW=EW;Time_SN=SN;/EW关黄灯显示信号while(Time_SN>0)P1=S0; /SN 通行，EWH灯Display。;/*S2 状态

28、 */Flag_SN_Yellow=0; /SN关黄灯显示信号Time_SN=SNL;while(Time_SN>0)P1=S2;/SN 左拐绿灯亮，EW红灯Display();/*S3状态 */P1=0xff;while(Time_EW>0)Flag_SN_Yellow=1; /SN 开黄灯信号位EW_Red=0; /SN黄灯亮，等待停止信号，EWH灯/SN_LED1=EW_LED1;/SN_LED2=EW_LED2;Display();/*赋值 */EW=EW1;SN=SN1;EWL=EWL1;SNL=SNL1;/*S4状态*/Flag_SN_Yellow=0; /SN关黄灯显

29、示信号Time_EW=SN;Time_SN=EW;while(Time_EW>0)P1=S4; /EW 通行，SN红灯Display();心*$状态 */Flag_EW_Yellow=0; /EW 关黄灯显示信号Time_EW=EWL;while(Time_EW>0)P1=S6;/EW 左拐绿灯亮，SN红灯Display。; /*S7 状态 */P1=0Xff;while(Time_SN>0)Flag_EW_Yellow=1; /EW开黄灯信号位SN_Red=0;/EW 黄灯亮，等待停止信号，SN红灯 Display();/*赋值*/EW=EW1;SN=SN1;EWL=EWL

30、1;SNL=SNL1;外部中断INT1void xint1() interrupt 2 / P1=0x77;Display();Delay(200);总结通过这次的课程设计，我真心感觉到了设计的艰苦，虽然有参考，但需要自 己思考的东西还是很多。从根本意义上运用了平时上课所学的知识点。还有一些 自己不懂得东西还有掌握的不牢固的东西需要自己去查资料，以及报告的排版， 都需要下心血去做，不是一件轻易的事情。这次设计中实现了交通灯的转换以及数码管显示计时功能， 改进的方向有希 望能设计出根据车流量调整红绿灯亮的时间， 让交通更加便利合理，还有能够实 现夜间信号灯闪烁的功能，让司机看的更加清晰，更不容易

31、违反交通规则。参考文献1陈权昌、李兴富.单片机原理及应用.华南理工大学出版社,2004.2葛仁华、卢勇威,数字电子技术,华南理工大学出版社,2005.3沈鸿星,LED交通信号灯系统的硬件设计J,电子工程师,2004.4何立民,单片机应用技术大全M,北京：北京航空航天大学出版社,1994.5李广弟,单片机基础M,北京：北京航空航天大学出版社,1992.6胡汉才,单片机原理及其接口技术M,清华大学出版社，2000年5月第一版.7何立民,单片机高级教程M,北京航空航天大学出版社，2000年5月第一版. 8骆新全,吴小泉,李行星,电子电路与系统实验,北京，中国广播电视出版 社，2009.9百度百科：TVS管、光电耦合电品&、交通信号灯.附：车流量智能交通灯只需在普通交通灯上增加一个车流检测模块即可。车流监测方案：利用红外线车辆检测器。红外线车辆检测器是利用被检测物对光束的遮挡或 反射，通过同步回路检测物体有无。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均 可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出， 接收器再根据接 收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。如当汽车通过光扫描区域时，部 分或全部光束被遮挡，从而实现对车辆数据的综合检测。红外线车辆扫描系统提 供了