基于单片机的交通灯控制系统的设计

河北大学2009届毕业论文图4.10晶闸管电路图晶闸管VT在工作过程中，它的阳极A和阴极K与电源和负载连接，组成晶闸管的主电路，晶闸管的门极G和阴极K与控制晶闸管的装置连接，组成晶闸管的控制电路。晶闸管的工作条件：1.晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受何种电压，晶闸管都处于关断状态。2.晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。3.晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。在电路中我们使用的晶闸管来控制红绿灯的亮灭。如图4.11所示：图4.11晶闸管控制电路VT为双向晶闸管，当门极为高电平时晶闸管导通，该支路指示灯亮；当门极为低电平时晶闸管关断，该支路指示灯灭。5交通灯控制原理分析与设计5.1交通管理的方案论证A、B、C、D干道交于一个十字路口，各干道有三组红、黄、绿三色的指示灯，指挥车辆安全通行。图5.1所示为一个十字路口的道路示意图。红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行。黄灯亮提示车辆注意红、绿灯的状态即将切换。设A、C道比B、D道的车流量大。左中右A道C道右中左左左中右A道C道右中左左B中道右右中D左道我们把十字路口分成四条道路，分别为A道，B道，C道和D道。每条道路分左中右三条车道，左为左拐弯，右为右拐弯，中为直走。设A、C道比B、D道的车流量大,设计红绿灯的燃亮顺序，如表5.1：表5.1红绿灯燃亮顺序330315320310330……A道左黄红黄绿黄红黄红黄红……中黄绿黄红黄红黄红黄绿……右黄绿黄红黄绿黄红黄绿……B道左黄红黄红黄红黄绿黄红……中黄红黄红黄绿黄红黄红……右黄绿黄红黄绿黄红黄绿……C道左黄红黄绿黄红黄红黄红……中黄绿黄红黄红黄红黄绿……右黄绿黄红黄绿黄红黄绿……D道左黄红黄红黄红黄绿黄红……中黄红黄红黄绿黄红黄红……右黄绿黄红黄绿黄红黄绿……此表说明：(1)当为黄灯时A、B、C、D四条道同时为黄灯；以警示车辆下一个灯色即将到来，时间为3秒。(2)当A、C道的中、右车道为绿灯，左车道为红灯时，B、D道的左、中车道车辆禁止通行，右车道可通过。时间为30秒。(3)当A、C道的左车道为绿灯，中、右车道为红灯时，B、D道的左、中、右车道车辆禁止通行。时间为15秒。(4)当B、D道的中、右车道为绿灯，左车道为红灯时，A、C道的左、中车道车辆禁止通行，右车道可通过。时间为20秒。(5)当B、D道的左车道为绿灯，中、右车道为红灯时，A、C道的左、中、右车道车辆禁止通行。时间为10秒。(6)此表可根据车流量动态设定。5.2系统硬件设计由于一片8255芯片的扩展口不能满足对红绿灯和显示时间的控制，我们采用一块8031芯片和一块8255控制一个红绿灯和其显示时间。四个道路口有十二个红绿灯，需要十二块8031芯片和8255。这样设置红绿灯的燃亮互不干扰，灵活性高，便于交通管理。交通灯系统总框图系统总框图如下：8031控制器8031控制器锁存器8255扩展并行口显示时间显示时间红绿灯看门狗5．2．2交通灯控制线路图图5.3控制线路图5．2．3系统工作原理(1)通过编写程序设置红绿灯的燃亮时间。(2)由8031单片机的定时器每秒钟通过P0口向8255的数据口送信息，由8255的PC口显示红、绿、黄灯的燃亮情况；由8255的PA、PB口显示每个灯的燃亮时间。(3)通过8031设置各个信号等的燃亮时间。设置黄、绿、红时间依次为3秒、20秒、3秒、30秒、3秒循环由8031的P0口向8255的数据口输出。(4)通过8031单片机的P3.0位来控制系统是自动工作或手动设置，当P3.0位为0系统自动工作，为1表示按键有效，由按键输入控制红绿灯燃亮和显示时间。(5)8255的PA口用于输出时间的个位，PB口用于输出时间的十位，由74LS07驱动芯片驱动；而PC口用于输出各个灯的情况，它的末段连接双向晶闸管采用220V交流电压驱动。(6)在交通控制程序中加入看门狗指令，当系统出现异常看门狗将发出溢出中断。通过专用端口输入到MAX692看门狗芯片的WDI引脚将引起RESET复位信号复位系统。(7)当出现紧急情况，我们可以手动控制红绿灯的亮灭。P1.7为高电平，红灯亮；P1.6为高电平，绿灯亮。P1.5—P1.0输入燃亮时间。6．系统的软件分析与设计6．1延时程序设计延时方法可以有两种一种是利用MCS-51内部定时器产生溢出中断来确定延时的时间，另一种是采用软延时的方法。下面给出延时1秒的实现方法。6.1.1计数器硬件延时计数器初值计算定时器工作时必须给计数器送计数器初值，这个值是送到TH和TL中的。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，我们可以把计数器记满为零所需的计数值设定为C和计数初值设定为TC可得到如下计算通式：TC=M-C式中，M为计数器模值，该值和计数器工作方式有关。在方式0时M为213；在方式1时M的值为216；在方式2和3的M值为28。计算公式T=（M－TC）T计数或TC＝M－T／T计数T计数是单片机时钟周期TCLK的12倍；TC为定时初值如单片机的主脉冲频率为TCLK=12MHZ，经过12分频方式0TMAX＝213*1微秒＝8.192毫秒方式1TMAX＝216*1微秒＝65.536毫秒方式2、3TMAX=28*1微秒=256微秒显然1秒钟已经超过了计数器的最大定时间，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。设置１秒延时我们采用在主程序中设定一个初值为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1，然后判断它是否为零。为零表示1秒已到，可以返回到输出时间显示程序。相应程序代码（１）主程序定时器需定时50毫秒，故T0工作于方式1。初值：TC＝M－T／T计数＝216－50ms/1us=15536=3CBOHORG1000HSTART:MOVTMOD,#01H；令T0为定时器方式1MOVTH0,#3CH；装入定时器初值MOVTL0,#BOHMOVIE,#82H；开T0中断SEBTTR0；启动T0计数器MOVRO,#14H；软件计数器赋初值LOOP:SJMP$；等待中断（２）中断服务子程序ORG000BHAJMPBRTOORG2000HBRTO：DJNZR0，NEXTAJMPTIME；跳转到时间及信号灯显示子程序MOVR0，#14H；恢复R0值MOVTH0,#3CH；重装入定时器初值MOVTL0,#BOHMOVIE,#82HRETIEND6.2软件延时MCS-51的工作频率为2-12MHZ，我们选用的8031单片机的工作频率为6MHZ。机器周期与主频有关，机器周期是主频的12倍，所以一个机器周期的时间为12*（1/6M）=2us。我们可以知道具体每条指令的周期数，这样我们就可以通过指令的执行条数来确定1秒的时间。具体的延时程序分析：DELAY:MOVR4,#08H；延时1秒子程序DE2:LCALLDELAY1DJNZR4,DE2RETDELAY1:MOVR6,#0；延时125ms子程序MOVR5,#0DE1:DJNZR5,$DJNZR6,DE1RETMOVRN，#DATA；字节数数为2，机器周期数为1所以此指令的执行时间为2ms。DELAY1为一个延时125mS子程序的双重循环，循环次数256*256=65536所以延时时间为65536*2=131072us约为125ms。R4设置的初值为8时，主延时程序循环8次，所以125ms*8=1秒。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。6.3时间及信号灯的显示6.3.18031并行口的扩展8031虽然有4个8位I/O端口,但真正能提供借用的只有P1口,因为P2和P0口通常用于传送外部传送地址和数据,P3口也有它的第二功能。因此，8031通常需要扩展。由于我们向外输出时间时，时间的个位、十位、信号灯的显示都要用到一个I/O端口，显然8031的端口是不够，需要扩展。扩展的方法有两种：（1）借用外部RAM地址来扩展I/O端口；（2）采用I/O接口芯片来扩充。我们也可以用8255并行接口芯片来扩展I/O端口。6.3.2显示原理当定时器定时为1秒时程序跳转到时间显示及信号灯显示子程序，它将依次显示信号灯时间，同时一直显示信号灯的颜色，这时在返回定时子程序定时一秒，在显示黄灯的下一个时间，这样依次把所有的灯色的时间显示完后在重新给时间计数器赋初值，重新进入循环。6.3.38255输出信号的放大要使行人能看见信号灯的情况，必须把8255输出的信号进行放大，这里我们用VT双向晶闸管，当门极为高电平时晶闸管导通，该支路指示灯亮；当门极为低电平时关断，该支路指示灯灭。我们用连接7段数码管的方法来连接晶闸管。6.3.48255输出信号与信号灯的连接LED灯的显示原理:通过同名管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管角上加上7FH所以SP上为0伏，不亮其余为TTL高电平，全亮则显示为8。采用共阴级连接:其中PA0\PB0-a, PA1\PB1-b,PA2\PB2-c,PA3\PB3-d,PA4\PB4-e,PA5\PB5-f,PA6\PB6-gPA7\PB7-SP接地表6.1驱动代码表显示数值dpgfedcba驱动代码（16进制）0001111113FH10000011006H2010110115BH3010011114FH40110011066H5011011006DH6011111007DH70000011107H8011111117FH6.3.58255与8031的连接用8031的P0口的P0.7连接8255的片选信号CS。我们用8031的地址采用全译码方式，当P0.7=0时片选有效，其他无效，P0.1用于选择8255端口。P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0A7A61XXXXX0000H为8255的PA口1XXXXX0101H为8255的PB口1XXXXX1002H为8255的PC口1XXXXX1103H为8255的控制口由于8031是分时对8255和储存器进行访问，所以8031的P0口不会发生冲突。6.4程序设计6.4.1流程图流程图如图所示：开始开始初始化P3.0=1?NYP1.7=1或P1.6=1？N红灯亮，设置时间绿灯亮，设置时间P1.7=1P1.6=1图6.1按键流程图初始化开始初始化开始黄灯燃亮状态红灯燃亮状态R5=0?绿灯燃亮状态R6=0?NNNYYY有键盘事件？处理键盘事件YNR4=0？6.4.2源程序代码R4存放黄灯时间303H（时间可以动态设定）R5存放红灯时间2014H R6存放绿灯时间301EHPC0显示黄灯信号PC1显示红灯信号PC2显示黄灯信号工作于方式08255PA、PB、PC口输出控制字为10000000B（80H）程序代码：ORG0000HLJMPMAINORG0100HMAIN:MOVR1,#03H；初始化8255MOVA,#80HMOVX@R1,AMOVR4,#03；存放黄灯时间MOVR5,#20；存放红灯时间MOVR6,#30；存放绿灯时间START:LCALLKEY_INLCALLDISP_YLCALLDISP_RLCALLDISP_YLCALLDISP_GLCALLDISP_YMOVA,R5；保存R5中的时间PUSHAMOVR5,#66LCALLDISP_RPOPAMOVR5,AJMPSTART按键子程序：KEY_IN:MOVP1,0FFH；按键子程序MOVC,P3.0JNBEXITMOVC,P1.7JNBTEST_YANLP1,3FH；显示红灯MOVR5,P1LCALLDISP_RTEST_Y:MOVC,P1.6；显示绿灯JNBEXITANLP1,3FHMOVR6,P1LCALLDISP_GEXIT:RETDISP_Y:MOVR1,#O；显示黄灯十位MOVDPTR,#TABMOVA,R1MOVCA,@A+DPTRMOVR1,#01HMOVX@R1,AMOVA,R4；显示黄灯个位MOVR0,ANEXT1:MOVDPTR,#TABMOVA,R0MOVCA,@A+DPTRMOVR1,#00HMOV@R1,AMOVR1,#02H；显示黄灯信号MOVA,#04HMOV@R1,AACALLDELAY；延时1秒DJNZR0,NEXT1RETDISP_R:MOVA,R5MOVR0,ANEXT2:MOVDPTR,#TAB；显示红灯十位MOVA,R0MOVB,#10DIVABMOVCA,@A+DPTRMOVR1,#01HMOVA,R0MOVX@R1,AMOVDPTR,#TAB；显示红灯个位MOVR2,BMOVA,R2MOVCA,@A+DPTRMOVR1,#00HMOVX@R1,AMOVR1,#02H；显示红灯信号MOVA,#01HMOVX@R1,AACALLDELAY；延时1秒DJNZR0,NEXT2RETDISP_G:MOVA,R6MOVR0,ANEXT3:MOVDPTR,#TAB；显示绿灯十位MOVA,R0MOVB,#10DIVABMOVCA,@A+DPTRMOVR1,#01HMOVA,R0MOVX@R1,AMOVDPTR,#TAB；显示绿灯个位MOVR2,BMOVA,R2MOVCA,@A+DPTRMOVR1,#00HMOVX@R1,AMOVR1,#02H；显示绿灯信号MOVA,#02HMOVX@R1,AACALLDELAY；延时1秒DJNZR0,NEXT3RETDELAY:MOVR4,#08H；延时1秒子程序DE2:LCALLDELAY1DJNZR4,DE2RETDELAY1:MOVR6,#0MOVR5,#0DE1:DJNZR5,$DJNZR6,DE1RETTAB:DB3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH,77H,7CH,39H,5EH,79H,71H；驱动代码表END7抗干扰措施由于单片机自身的抗干扰能力比较差，尤其在一些条件比较恶劣、噪声大的场合，常会出现单片机因为受外界干扰而导致死机的现象，造成系统不能正常工作。设置看门狗是为了防止单片机死机、提高单片机系统抗干扰性的一种重要途径。一个完整的单片机应用系统应该是一个软、硬件的结合体，在系统正常工作时，会受到各种外界干扰因素的影响。这种外界干扰轻者导致系统内部数据出错，重者将严重影响程序的运行。因此单片机应用系统的开发一定要考虑系统可靠性的设计，以满足系统在现场苛刻环境下的正常运行，而“看门狗”则是系统可靠性设计的重要一环。在一个单片机应用系统中，所谓的“看门狗”是指在系统设计中通过软件或硬件方式在一定的周期内监控单片机或其他CPU的运行情况。如果在规定的时间内没有收到来自单片机或其他CPU的触发信号，则系统会强制复位，以保证系统在受到干扰时仍能够维持正常的工作状态。在单片机系统中，看门狗的设计一般采用硬件和软件结合两种方式。7.1软件看门狗软件看门狗是利用单片机片内闲置的定时器/计数器单元作为看门狗，在单片机程序中适当的插入监控指令，当程序出现异常或进入死循环时，利用软件将程序计数器PC赋予初始值，强制性的使程序重新开始运行。使用软件看门狗的具体实现方法如下。首先在初始化程序中设置好定时器/计数器的方式控制寄存器(TMOD)

和定时时间的初值，并开中断。根据定时器的定时时间，在主程序中按一定的间隔插入复位定时器的指令，既插入监控指令，两条指令间的时间间隔应该小于定时时间，否则看门狗将发生错误动作。在定时器的中断服务程序中设置一条无条件转移指令，将程序计数器PC转移到初始化程序的入口。软件看门狗的最大特点是无须外加硬件电路，经济性好。当然，如果片内的定时器/计数器被占用，就需要寻求其他的设计方式了。7.2硬件看门狗专用硬件看门狗是指一些集成化的或集成在单片机内的专用看门狗电路，它实际上是一个特殊的定时器，当定时时间到时，发出溢出脉冲。从实现角度上看，该方式是一种软件与片外专用电路相结合的技术，硬件电路连接好后，在程序中适当地插入一些看门狗复位的指令，保证程序正常运行时看门狗不溢出。而当程序运行异常时，看门狗超时发出溢出脉冲，通过单片机的RESET引脚使单片机复位。这种方式中，看门狗能否可靠有效地工作，与硬件组成及软件的控制策略都有密切的关系。目前常用的集成看门狗电路很多，如MAX705~708、MAX813L、X5043/5045等。看门狗电路可以分为内看门狗和外看门狗。看门狗电路是指看门狗的硬件电路包含在单片机内部，如Microchip的16C5x系列，MOTOROLA的68C05系列，51内核中比较典型的有Atmel公司的AT89C55WD、AT89S8252，Winbond公司的W77E58，SST公司的SST89C58以及Philips公司87系列的多种型号的单片机等。对于没有看门狗定时器的单片机或是认为内部看门狗不可靠时，可以采用外部看门狗定时器。外部看门狗电路既可以用专用看门狗芯片，也可由普通芯片实现。这里，以专用芯片MAX692作为外部看门狗的电路。MAX692123MAX69212345678VOUTVCCGNDPFIVBATTRESETWDI/PFD图7.1MAX692封装和引脚VOUT：电源输出引脚。VCC：接电源引脚，电源供电3.0-5.5V。GND：接地。PFI：电池故障输入。/PFO：电池故障输出。WDI：监视器输入引脚。/RESET：复位输出引脚，低电平有效。VBATT：后备电池输入端。MAX692在单片机系统中的具体使用方法和电路原理图如下图7.2所示。MAX692电路原理图如图，其中WDI是看门狗监测输入脚，接到CPU的一个专用I/O口或一个总线上。/RESET是复位信号输出脚，接到CPU的复位输入脚。MAX692的WDI定时周期是1.6s，复位脉冲宽度是200ms。如果WDI保持高或低超过看门狗定时周期（1.6s），/RESET端将发生200ms的负脉冲使CPU复位.图7.2MAX692电路原理图结论本系统就是充分利用了8031和8255芯片的I/O引脚。系统统采用MSC-51系列单片机Intel8051和可编程并行I/O接口芯片8255A为中心器件来设计交通灯控制器，实现了能根据实际车流量通过8031芯片的P1口设置红、绿灯燃亮时间的功能；为了系统稳定可靠而采用了MAX629“看门狗”芯片，避免了系统因为死机而停止工作的情况发生；显示时间直接通过8255的PA、PB输出；交通灯信号通过平常PC口输出；交通灯的点亮采用VT双向晶闸管来控制，直接采用220V交流电源驱动，系统设计简便、实用性强、操作简单、程序设计简便。系统不足之处没有设置人行横道、以及自动根据车流改变红绿灯时间等。但如果有需要可以设计扩充原系统来实现。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。参考文献1.李全利，迟荣强.单片机原理及接口技术西安电子科技大学出版社20012.贾好来.MCS-51单片机原理及应用机械工业出版社20033．赵晓安.计算机硬件技术基础教程.天津:天津大学出版社,20064．余家春.PROTEL99SE电路设计实用教程.北京:中国铁道出版社,20045．曹丙霞，赵艳华.Protel99SE原理图与PCB设计.北京:电子工业出版社,20076．陈小忠，黄宁，赵小侠.单片机接口技术实用子程序.北京:人民邮电出版社,20057．周杰英.微型计算机原理及应用.北京:机械工业出版社,20068．刘祖刚.模拟电路分析与设计基础.北京:机械工业出版社20089．赵建领.51系列单片机开发宝典.北京:电子工业出版社,200710．李朝青.单片机原理及接口技术.北京航空航天大学出版社,199911.张友德编著.MCS-51单片机实验指导.上海：复旦大学，199512.武庆生主编.单片机及接口实用教程.北京：电子科技大学出版社，199513.王义方主编.微型计算机原理及应用.北京：机械工业出版社，200214.张毅刚.MCS-51单片机应用设计[M]．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1997.15．胡汉才编著.单片机原理及其接口技术．北京：清华大学出版社，199616．李广弟．单片机基础．北京：北京航空航天大学出版社，199517．何立民．MCS-51系列单片机应用系统设计.北京：北京航空航天大学出版社，199918.Peterprinz&TonyCrawford,CinaNutshell.O’ReillyMedia,Inc200719.U.TitzeCh.Schenk.ElecfronicCircuits，10thed.Spring-Verlag,Berlin199320.AdelS.SedraandKmith:MicroelectronicCircuits,4thed,OxfordUniversityPress.Inc,1998致谢通过本次毕业设计，我在指导老师李军老师的精心指导和严格要求下，获得了丰富的理论知识，并且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，单片机领域这对我今后进一步学习计算机方面的知识有极大的帮助。另外,此次毕业设计还获得了系各位领导和老师的大力支持。在此，我忠心感谢安老师以及电子系各位老师的指导和支持。同时感谢在论文写作期间同学们给予我的帮助。在未来的工作和学习中，我将继续努力学习，以更好的成绩来回报各位领导和老师。谢谢你们对于我的悉心培养与教诲。附录AORG0000HLJMPMAINORG0100HMAIN:MOVR1,#03H；初始化8255MOVA,#80HMOVX@R1,AMOVR4,#03；存放黄灯时间MOVR5,#20；存放红灯时间MOVR6,#30；存放绿灯时间START:LCALLKEY_INLCALLDISP_YLCALLDISP_RLCALLDISP_YLCALLDISP_GLCALLDISP_YMOVA,R5；保存R5中的时间PUSHAMOVR5,#66LCALLDISP_RPOPAMOVR5,AJMPSTARTKEY_IN:MOVP1,0FFH；按键子程序MOVC,P3.0JNBEXITMOVC,P1.7JNBTEST_YANLP1,3FH；显示红灯MOVR5,P1LCALLDISP_RTEST_Y:MOVC,P1.6；显示绿灯JNBEXITANLP1,3FHMOVR6,P1LCALLDISP_GEXIT:RETDISP_Y:MOVR1,#O；显示黄灯十位MOVDPTR,#TABMOVA,R1MOVCA,@A+DPTRMOVR1,#01HMOVX@R1,AMOVA,R4；显示黄灯个位MOVR0,ANEXT1:MOVDPTR,#TABMOVA,R0MOVCA,@A+DPTRMOVR1,#00HMOV@R1,AMOVR1,#02H；显示黄灯信号MOVA,#04HMOV@R1,A