基于51单片机交通灯控制系统设计.docx
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基于51单片机交通灯控制系统设计
嵌入式应用基础课程设计报告
基于51单片机交通灯控制系统设计
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青岛工学院
摘要
近年来，随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断深入，同时带动传统控制检测技术日益更新。
在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为一个核心部件来使用，正在不断的应用到实际生活中，并且根据具体硬件结构软硬件结合，加以完善。
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。
交通信号灯控制方式很多。
本系统采用MCS-51系列单片机STC89C52为中心器件来设计交通灯控制器，实现了通过信号灯对路面状况的智能控制。
从一定程度上解决了交通路口堵塞、车辆停车等待时间不合理、急车强通等问题。
系统具有结构简单、可靠性高、成本低、实时性好、安装维护方便等优点，有广泛的应用前景。
关键词：
交通灯单片机数码管
目录
摘要I
（一）总体设计思路-1-
1.1设计背景-1-
1.2设计目的及思路-2-
1.2.1设计目的-2-
1.2.2设计思路-2-
1.3交通灯显示时序及状态转换的理论分析-3-
（二）方案比较、设计与论证-4-
2.1总体设计方案-4-
2.2控制模块选择方案-5-
2.3电源模块方案-5-
2.4显示界面方案-5-
2.4.1倒计时显示界面方案-5-
2.4.2状态灯显示-6-
（三）硬件设计-6-
3.1系统总体硬件方案论证-6-
3.2STC89C52RC单片机简介-6-
3.3单片机最小系统-9-
3.3.1时钟电路-9-
3.3.2.复位电路-10-
3.4显示电路-10-
3.5电路图-11-
（四）软件设计-12-
4.1程序流程图-12-
4.2课程设计体会-13-
4.3具体程序-14-
4.4程序烧至单片机过程-18-
参考文献-19-
（一）总体设计思路
1.1设计背景
自从1858年英国人，发明了原始的机械扳手交通灯之后，随后的一百多年里，交通灯改变了交通路况，也在人们日常生活中占据了重要地位，随着人们社会活动日益增加，经济发展，汽车数量急剧增加，城市道路日渐拥挤，交通灯更加显示出了它的功能，使得交通得到有效管制，对于交通疏导，提高道路导通能力，减少交通事故有显著的效果。
今天，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。
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。
它由红绿两块以旋转式方形玻璃提灯组成，红色表示“停止”，绿色表示“注意”。
1869年1月2日，煤气灯爆炸，使警察受伤，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，当车辆接近时,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喇叭，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。
随着经济的发展，交通运输中出现了一些传统方法难以解决的问题。
道路拥挤现象日趋严重，造成的经济损失越来越大，并一直保持大比例的增长。
现在交通系统已不能满足经济发展的需求。
由于生活水平的提高，人们对交通运输的安全性及服务水平提出了更高的要求。
在交通中管理引入单片机交通灯控制代替交管人员在交叉路口服务，有助于提高交通运输的安全性、提高交通管理的服务质量。
并在一定程度上尽可能的降低由道路拥挤造成的经济损失，同时也减小了工作人员的劳动强度。
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交通控制，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。
1.2设计目的及思路
1.2.1设计目的
了解交通灯管理的基本工作原理，熟练掌握STC89C51的工作原理和应用编程，熟悉STC89C51单片机并行接口的各种工作方式和应用，并了解计数器/定时器的工作方式和应用编程外部中断的方法，掌握多位LED显示问题的解决。
1.2.2设计思路
（1）分析目前交通路口的基本控制技术以及各种通行方案，并以此为基础提出自己的交通控制的初步方案。
（2）确定系统交通控制的总体设计，包括，十字路口具体的通行方案设计以及系统应拥有的各项功能，在这里，本设计除了有信号灯状态控制能实现基本的交通功能，还增加了倒计时显示提示。
（3）进行显示电路，灯状态电路的设计和对各器件的选择及连接，大体分配各个器件及模块的基本功能要求。
（4）进行软件系统的设计，对于本系统，本人采用语言编写程序，对单片机内部结构和工作情况做了充足的研究，了解定时器，中断以及延时原理，总体上完成了软件的编写。
1.3交通灯显示时序及状态转换的理论分析
S2
S1
S4
S3
图1红绿灯状态转换图
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、绿灯的状态即将切换，且黄灯燃亮时间为东西、南北两干道的公共停车时间、指示灯燃亮的方案如表1。
状态
S1
S2
S3
S4
时间
30s
5s
30s
5s
东西道
红灯亮
红灯亮
绿灯亮
黄灯亮
南北道
绿灯亮
黄灯亮
红灯亮
红灯亮
表1十字路口指示灯燃亮方案
表1说明：
（1）当东西方向为红灯，此道车辆禁止通行，东西道行人可通过；南北道为绿灯，此道车辆通过，行人禁止通行。
时间为60秒。
（2）黄灯闪烁5秒，警示车辆和行人红、绿灯的状态即将切换。
（3）当东西方向为绿灯，此道车辆通行；南北方向为红灯，南北道车辆禁止通过，行人通行。
时间为80秒。
东西方向车流大通行时间长。
（4）这样如上表的时间和红、绿、黄出现的顺序依次出现这样行人和车辆就能安全畅通的通行。
（5）此表可根据车流量动态设定红绿灯初始值。
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，循环执行如下图所示：
图2交通灯状态循环图
程序就是在上述四种状态下循环转化的。
一个周期四个状态，在正常模式下共花费1分10秒。
（二）方案比较、设计与论证
2.1总体设计方案
根据十字路口交通灯的要求，可将本系统分为三个模块，第一模块是控制模块，主要负责整个系统的控制和运算，从而使各模块正常工作，第二个模块式显示模块包括LED灯和数码管；第三是电源模块，给各模块提供电源，让各模块工作。
其系统设计结构如图：
图3.系统设计结构图
2.2控制模块选择方案
方案一：
由计数器74LS161级联组成，配合译码器和秒脉冲信号发生器等器件组成交通灯系统，整个系统简单，控制简单，调试容易等优点。
方案二：
采用单片机STC89C52作为控制器。
单片机运算能力强，软件编程灵活，自由度大。
在指令系统、硬件结构和片内资源上与标准8052单片机完全兼容，使用时容易掌握；采用STC89C52单片机稳定可靠、应用广泛、通用性强。
方案比较：
采用方案一来实现十字路口交通灯控制系统非常方便，电路结构简单，控制单一，但整个系统性能不是很高，倒计时不是非常精确，如果要求系统能设置不同工作时间不容易，因而对于完成题目较困难，而方案二完全能实现设计要求，容易掌握，利于编程，易控制，I/O接口很多，易于扩展外围电路，价格便宜，故选择方案二。
2．3电源模块方案
为使模块稳定工作，须有可靠电源。
因此考虑了两种电源方案：
方案一：
采用独立的稳压电源。
此方案的优点是稳定可靠，且有各种成熟电路可供选用；缺点是各模块都采用独立电源，会使系统复杂，且可能影响电路电平。
方案二：
采用单片机控制模块提供电源，使用电池盒供电。
该方案的优点是系统简明扼要，节约成本；缺点是输出功率不高。
综上所述，我选择第二种方案。
2．4显示界面方案
2.4.1倒计时显示界面方案
该系统要求完成倒计时功能。
只需显示数字，基于上述原因，我考虑了二种方案：
方案一：
采用全数码管显示。
这种方案只显示有限的符号和数码字符，简单，方便。
方案二：
采用点阵式LED显示。
这种方案虽然功能强大，并可方便的显示各种英文字符，汉字，图形等，但实现复杂，且须完成大量的软件工作。
综上所述，我选择第一种方案，四个路口采用两个二位共阴极数码管。
2.4.2状态灯显示
该系统要求完成状态灯显示的功能。
求于要求简单，我们把各个路口的红灯、绿灯和黄灯设成直行和左拐两个通行方式所共有，也就是说，一个路口只需三个状态灯，一个共有的绿灯，一个共有的红灯，一个共有的黄灯。
（三）硬件设计
3.1系统总体硬件方案论证
本设计以单片机为控制核心，采用模块化设计，共分以下几个功能模块：
单片机控制系统、状态显示模块、倒计时模块、电源模块。
经上述各模块的方案选择与论证，十字路口交通灯控制系统的控制芯片选用单片机STC89C52作为整个系统的核心控制器件，主要负责整个系统工作的控制和运算，从而使各模块正常工作；采用七段LED数码管和LED灯作为显示器件，用七段LED数码管完成倒计时显示，用LED灯作为状态灯指示功能；以电池供电作为系统电源部分，可对各个模块供电并便于演示。
单片机作为整个硬件系统的核心，它既是协调整机工作的控制器，又是数据处理器。
它由单片机振荡电路、复位电路等组成。
3.2STC89C52RC单片机简介
STC89C52RC是STC89系列单片机中应用较为广泛的一种型号，芯片内部有8KB的闪速存储器FlashROM。
内部的8KB存储器用于存放可编程控制器监控程序。
STC89C52RC单片机的40条引脚按功能来分，可以分为3部分，电源及时钟引脚、控制引脚和输入/输出引脚。
图4.STC89C52单片机原理图
89C52单片机引脚功能：
主电源及时钟引脚
此类引脚包括电源引脚Vcc、Vss、时钟引脚XTAL1、XTAL2。
（1）Vcc（40脚）：
接+5V电源，为单片机芯片提供电能。
（2）Vss（20脚）接地。
（3）XTAL1（18脚）在单片机内部，它是一个反向放大器的输入端，该放大器构成了片内的振荡器，可提供单片机的时钟控制信号。
（4）XTAL2（19脚）在单片机内部，接至上述振荡器的反向输出端。
控制引脚
此类引脚包括RESET（即RSR/VPD）、ALE、PSEN、EA，可以提供控制信号，有些具有复用功能。
（1）RSR/VPD（9脚）：
复位信号输入端，高电平有效，当振荡器运行时，在此引脚加上两个机器周期的高电平将使单片机复位（REST）。
复位后应使此引脚电平保持为不高于0.5V的低电平，以保证单片机正常工作。
掉电期间，此引脚可接上备用电源（VPD），以保持内部RAM中的数据不丢失。
当Vcc下降到低于规定值，而VPD在其规定的电压范围内（5±0.5V）时，VPD就向内部RAM提供备用电源。
（2）ALE/PROG（30脚）：
ALE为地址锁存允许信号。
当单片机访问外部存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲的下降沿用于锁存16位地址的低8位。
即使不访问外部存储器，ALE端仍有周期性正脉冲输出，其频率为振荡器频率的1/6。
但是每当访问外部数据存储器时，在两个机器周期中ALE只出现一次，即丢失一个ALE脉冲。
ALE端可以驱动8个LSTTL负载。
（3）PSEN（29脚）：
程序存储器允许输出控制端。
此输出为单片内访问外部程序存储器的读选通信号。
在从外部程序存储器取指令（或取常数）期间，每个机器周期均PSEN两次有效。
但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不会出现。
PSEN同样可以驱动8个LSTTL负载。
（4）EA（31脚）：
EA功能为内外程序存储器选择控制端。
当EA端保持高电平时，单片机访问内部程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFH时将自动转向执行外部程序存储器内的程序。
输入/输出引脚
此类引脚包括P0口、P1口、P2口和P3口。
（1）P0（P0.0~P0.7）是一个8位三态双向I/O口，在不访积压处部存储器时，做通用I/O口使用，用于传送CPU的输入/输出数据，当访问外部存储器时，此口为地址总路线低8位及数据总路线分时复用口，可带8个LSTTL负载。
（2）P1（P1.0~P2.7）是一个8位准双向I/O口（作为输入时，口锁存器置1），带有内部上拉电阻，可带4个LSTTL负载。
（3）P2（P2.0~P2.7）是一个8位准双向I/O口，与地址总路线高8位复用，可驱动4个LSTTL负载。
（4）P3（P3.0~P3.7）是一个8位准双向I/O口，除此之外每位还具有第二功能。
P3口功能表：
P3口各个位的第二功能
P3口的位
第二功能
说明
P3.0
RXD
串行数据接收口
P3.1
TXD
串行数据发射口
P3.2
INT0
外部中断0输入
P3.3
INT1
外部中断1输入
P3.4
T0
计数器0计数输入
P3.5
T1
计数器1计数输入
P3.6
WR
外部RAM写信号
P3.7
RD
外部RAM读信号
STC89C52内部结构图：
图5.STC89C52内部结构图
图6.单片机8051的内部结构
3.3单片机最小系统
3.3.1时钟电路
图7.时钟电路
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22μF。
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。
3.3.2.复位电路
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腿时，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P0－P3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22μF，Rs约为200Ω，Rk约为1K。
复位操作不会对内部RAM有所影响。
常用的复位电路如下图所示：
图8.复位电路图
3.4显示电路
显示器普遍地用于直观地显示数字系统的运行状态和工作数据，按照材料及产品工艺，单片机应用系统中常用的显示器有：
发光二极管LED显示器、液晶LCD显示器、CRT显示器等。
LED数码管是现在最常用的显示器之一。
发光二极管（LED）由特殊的半导体材料砷化镓、磷砷化镓等制成，可以单独使用，也可以组装成分段式或点阵式LED显示器件（半导体显示器）。
分段式显示器（LED数码管）由7条线段围成8字型，每一段包含一个发光二极管。
外加正向电压时二极管导通，发出清晰的光。
只要按规律控制各发光段亮、灭，就可以显示各种字形或符号。
LED数码管有共阳、共阴之分。
本系统采用的是两位共阴极数码管。
图9.两位共阴极数码管引脚图
3.5电路图
图10.交通灯电路图
（四）软件设计
4.1程序流程图
图11.交通灯程序流程图
4.2课程设计体会
关于这次课程设计，我们花费了比较多的心思，既是对课程理论内容的一次复习和巩固，还让我们丰富了更多与该专业相关的其他知识，比如软件应用等，在摸索中学习，在摸索中成长，在学习的过程中带着问题去学我发现效率很高，这是我做这次课程设计的又一收获，在真正设计之前我们做了相当丰富的准备，首先巩固一下课程理论，再一遍熟悉课程知识的构架，然后结合加以理论分析、总结，有了一个清晰的思路和一个完整的的软件流程图之后才着手设计。
在设计程序时，我们不能妄想一次就将整个程序设计好，反复修改、不断改进是程序设计的必经之路；养成注释程序的好习惯是非常必要的，一个程序的完美与否不仅仅是实现功能，而应该让人一看就能明白你的思路，这样也能为资料的保存和交流提供了方便；我觉得在设计课程过程中遇到问题是很正常，但我们应该将每次遇到的问题记录下来，并分析清楚，以免下次再碰到同样的问题的课程设计又出错了。
除了对此次设计的准备工作之外，我们还学到了很多平时难得的东西，首先是团队协作，在这次设计当中，难免和同学产生观点和意见的分歧，以及分工明细、时间安排等不合理，通过这次设计，我们体会到了团结合作的重要性及力量之强大，还有让我们处理事情更加有条理，思路更加清晰明了了，发现、提出、分析、解决问题和实践能力的提高都将受益于我在以后的学习、工作和生活中。
此次的设计，其实也是我们所学知识的一次综合运用，让我深深的认识到了学习单片机要有一定的基础，要有电子技术方面的数字电路和模拟电路等方面的理论基础，特别是数字电路；也要有编程语言的汇编语言或C语言。
要想成为单片机高手，我们首先要学好汇编语言，然后转入C语言学习，所以我们不能学到后面就忘了前面的知识，更应该将所学的知识紧紧的结合在一起，综合运用，所谓设计，就是要求创新，只有将知识综合运用起来才能真正的设计好。
4.3具体程序
#include
voiddelay（unsignedinti）;//函数声名
voiddisplay（）;//函数声明
unsignedintnum,time;//定义变量
//此表为LED的字模,共阴数码管0-9-
unsignedcharcodeDisp_Tab[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x40};//段码控制
//此表为8个数码管位选控制,共阴数码管1-8个-
unsignedcharcodedispbit[8]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdF,0xbF,0x7F};//位选控制查表的方法控制
/************主函数**********************/
main（）
{
TMOD=0X10;//定时器1的工作方式1
EA=1;//开启总中断
ET1=1;//开启定时器1
TH1=0x3c;//高位赋初值
TL1=0xb0;//低位赋初值3cb0是15535，则计时为（65535-15535=50000）us，即50ms
TR1=1;//启动定时器T1
num=0;
while
（1）
{
if（num<31）//宝田路绿灯，前进路红灯，持续30s
{
P2=0xcd;//11001101
P3=0xfe;//11111110
time=（30-num）;
display（）;
}
if（num>30&&num<36）//宝田路黄灯，人行道禁止通行，前进路红灯，持续三秒
{
P2=0xd6;//11010110
P3=0xfe;//11111110
time=（36-num）;
display（）;
}
if（num>35&&num<67）//前进路绿灯，宝田路红灯，持续30s
{
P2=0x7a;//01111010
P3=0xfd;//11111101
time=（66-num）;
display（）;
}
if（num>64&&num<72）//前进路黄灯，人行道禁止通行，宝田路红灯，持续三秒
{
P2=0xba;//10111010
P3=0xfe;//11111101
time=（72-num）;
display（）;
}
}
}
/*******************延时函数**********************************************/
voidint_1（）interrupt3
{
unsignedcharn;
TH1=0x3c;
TL1=0xb0;//3cb0是15535，则计时为（65535-15535=50000）us，即50ms
TR1=1;
n++;
if（n==20）//1snum加1
{
num++;
n=0;
if（num==68）//跑完整个流程是68s
num=0;//重置时间
}
}
voiddisplay（）
{
unsignedinti;//变量定义
unsignedintLedOut[10];//变量定义
Led
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