交通灯控制系统设计论文Word下载.docx
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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，以指挥车辆的安全通行。
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。
信号灯指示方案如表1。
2.1所示。
表1。
2.1信号灯指示方案
状态
信号灯显示
S1
东西方向绿灯南北方向红灯
S2
东西方向黄灯南北方向红灯
S3
东西方向红灯南北方向绿灯
S4
东西方向红灯南北方向黄灯
1.2.3系统设计总体方案
根据交通系统管理方案和本课题任务的要求，该系统应具有交通灯的显示功能、倒计时功能和通行时间设置功能，所以把系统分为四个模块，包括单片机控制、信号灯显示、倒计时显示和键盘设置，系统硬件设计结构如图2。
1所示。
图1。
2.1系统硬件设计结构
下面分别简单介绍这四个模块：
（1）单片机控制模块：
单片机将计算机的基本部件微型化并集成到一块芯片上,具有优异的性能价格比，控制功能强，这将使各模块功能的实现变得简单方便.本系统中,8051单片机的P0口控制南北方向的时间显示；
P1口控制信号灯的点亮；
P2口控制东西方向的时间显示;
P3口接入键盘开关，可设置适应当前状况的通行时间和暂缓通行时间.
（2）信号灯显示模块：
利用发光二极管代替交通信号灯，通过单片机控制使其按要求点亮.
（3）倒计时显示模块：
此模块有两种方案。
第一种是采用数码管显示。
该方案实现简单，但只能显示有限的符号和数码字符。
第二种是采用点阵式LED显示。
该方案实现复杂，须完成大量的软件工作，但功能强大，可方便的显示各种英文字符、汉字和图形。
由于本控制系统只需显示倒计时时间，利用数码管即可完成此功能，因此本控制系统中利用2位一体的共阴数码管显示道路两个方向的通行时间和暂缓通行时间，通过单片机控制进行倒计时显示。
（4）键盘设置模块：
在交通道路突发情况时，可通过按键手动设置通行时间和暂缓通行时间,通过单片机控制进行时间设置。
此模块有两种方案:
第一种是采用8255扩展I/O口及键盘、信号灯显示等.该方案使用灵活,可提供较多I/O口,但操作复杂。
另一种是直接在I/O口线上接上按键开关。
该方案设计精简，但提供的I/O口数量有限.由于本控制系统对于交通灯及数码管的控制只用单片机本身的I/O口就可实现，故选择第二种方案.
综上所述,交通灯控制系统的总体方案已经确定，下面进行硬件设计。
2交通灯控制系统硬件设计
1单片机简介
8051系列单片机是在美国Intel公司于20世纪80年代推出的MCS—51系列高性能8位单片机的基础上发展而来的,它在单一芯片内集成了并行I/O口、异步串行口、16位定时器/计数器、中断系统、片内RAM和片内ROM，以及其他一些功能部件[5]。
单片机主要有如下特点：
（1）有优异的性能价格比。
（2）集成度高、体积小、有很高的可靠性。
单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线,大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。
另外,其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣的环境下工作。
（3）控制功能强。
为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。
单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。
（4）低功耗、低电压，便于生产便携式产品。
（5）外部总线增加了IC（Inter-IntegratedCircuit）及SPI（SerialPeripheralInterface）等串行总线方式,进一步缩小了体积,简化了结构。
（6）单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范,容易构成各种规模应用系统[6］。
2系统时钟电路
晶振采用了内部时钟信号源的方式,如图3。
1所示.8051单片机内部有一个高增益反向放大器，用于构成振荡器，反向放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2，分别是8051的第19和18脚.在XTAL1和XTAL2之间接1个石英晶体及2个电容，就可以构成稳定的自激振荡器，当震荡在6MHz~12MHz时通常取30pF左右的电容进行微调[7]。
图3。
1系统时钟电路
2.3信号灯显示电路
在信号灯显示电路中，本控制系统选用了发光二极管代替信号灯.其中：
红色发光二极管、黄色发光二极管和绿色发光二极管分别代替红灯、黄灯、绿灯。
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1.5V左右）［8]。
此外，工作电流要满足该二极管的工作电流。
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[9]。
一般发光二极管的点亮电流为5～15mA。
控制系统中，信号灯指示电路如图3。
2所示。
图3.2信号灯显示电路
在此信号灯显示电路中，每个发光二极管都与1个220Ω的电阻相连接，起到限流作用。
因为二极管的导通电压为1。
5V,电阻分得的电压为5V－1.5V=3.5V，当选择220Ω的电阻时发光二极管的电流为3.5V/220Ω,约为15mA，此时发光二极管正常点亮.
4倒计时显示电路
该交通灯控制系统的倒计时功能可以采用数码管显示，也可以采用点阵式LED显示。
点阵式LED虽然功能强大,但是需要完成大量的软件工作，系统设计的复杂度会增加，因此本控制系统选择采用数码管来实现交通灯倒计时功能的显示。
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[10—13]。
8段LED数码管，就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“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[14]。
数字显示代码如表3。
表3。
1数字显示驱动代码表
显示数值
dopgfedcba
驱动代码（16进制）
00111111
3FH
00000110
06H
2
01011011
5BH
3
01001111
4FH
4
01100110
66H
5
01101100
6DH
6
01111100
7DH
7
00000111
07H
8
01111111
7FH
本控制系统倒计时电路采用了4个2位一体的共阴数码管，此数码管在交通灯控制系统中便于观察倒计时显示，如图3。
3所示.
图2.2位一体的共阴数码管
这4个数码管分别与控制两干道倒计时显示的端口相连接，即可显示出信号灯的倒计时功能。
以南北方向的数码管为例,如图3.4所示.此数码管显示的数值从绿灯的设置时间最大值一直减,每秒钟减1,然后又从黄灯的设置时间一直减，再从红灯的设置时间一直减，接下来又显示绿灯时间,如此循环。
图3.4南北方向倒计时显示
5键盘设置电路
键盘设置电路中，采用独立式按键进行控制。
独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线的状态[14].独立式按键的典型应用如图3。
5所示:
5独立式按键电路
独立式按键电路配置灵活,软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，因此，在按键较多时，I/O口线浪费较大，不宜采用.
根据以上特点，本控制系统单片机的I/O口数可以满足该键盘,并且可以完成课题中所要求的手动设定时间的控制功能,所以本控制系统中应采用独立式键盘，键盘设置电路如图2。
6所示。
图2.6键盘设置电路
2.6单片机控制电路设计
交通灯控制系统中，单片机控制模块是整个电路设计的主要部分。
8051单片机有4个并行I/O口P0、P1、P2和P3，每个口都有8个引脚，共有32根I/O引脚，它们都是双向通道，每一条I/O引脚都能独立地用做输入和输出.本系统中，8051单片机的P0口控制南北方向的时间显示；
P3口接入键盘开关,可设置适应当前交通状况的通行时间和暂缓通行时间。
另外，在P0口控制南北方向的时间显示中,利用74LS245芯片驱动数码管。
74LS245管脚结构如图3。
7所示,它是常用的芯片,用来驱动LED或者其他的设备，是8路同相三态双向总线收发器，可双向传输数据［15]。
8051单片机P0口内部不带上拉电阻，输出只有电压没电流，接负载时要外接上拉电阻，即当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。
图3.774LS245管脚结构
74LS245芯片具有双向三态功能，既可以输出,也可以输入数据，74LS245芯片内部结构如图3.8所示。
图3.874LS245内部结构
当片选端低电平有效时,DIR=“0”，信号由B向A传输，即接收数据；
DIR=“1"
，信号由A向B传输，即发送数据.当为高电平时，A、B均为高阻态。
所以，在本控制系统中需要用74LS245芯片对数码管进行驱动。
本章对单片机进行了简单介绍，设计了交通灯控制系统硬件电路。
接下来,还需要对软件部分进行设计，完成整个控制系统的设计要求。
3交通灯控制系统的软件设计
硬件平台结构一旦确定，功能框架就已经形成.软件在硬件平台的基础上构筑，完成各部分硬件的控制和协调。
系统是由软硬件共同实现的，由于软件的可伸缩性,最终实现的系统功能可强可弱,差别可能很大.因此,软件是本系统的灵魂。
软件采用模块化设计方法,不仅易于编程和调试，也可减小软件故障率和提高软件的可靠性。
同时，对软件进行全面测试也是检验错误排除故障的重要手段.
3.1软件设计环境简介
3。
1Proteus仿真软件简介
ProteusISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。
它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析（SPICE）各种模拟器件和集成电路［16］。
该软件的特点是：
（1）实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。
具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；
有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等.
（2）支持主流单片机系统的仿真。
目前支持的单片机类型有：
68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。
（3）提供软件调试功能。
在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；
同时支持第三方的软件编译和调试环境，如KeilC51uVision2等软件。
（4）具有强大的原理图绘制功能[17]。
总之,该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件,功能极其强大.
3.1.2KeilC51编译软件简介
目前流行的51系列单片机开发软件是德国Keil公司推出的KeilC51软件，它是一个基于32位Windows环境的应用程序,支持C语言和汇编语言编程，其6。
0以上的版本将编译和仿真软件统一为uVision（通常称为uV2）[18］。
Keil提供包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案,由以下几部分组成：
uVisionIDE集成开发环境（包括工程管理器、源程序编辑器、程序调试器）、C51编译器、A51汇编器、LIB51库管理器、BL51连接/定位器、OH51目标文件生成器以及Monitor-51、RTX51实时操作系统［19—21］.
3.2交通灯系统主程序
在交通灯控制系统的设计中，首先对交通灯进行初始参数设置,然后根据是否出现键盘事件，如出现键盘事件就启动键盘程序，进行键盘时间处理；
若没有出现，继续进行由初始参数进行的控制程序。
交通灯控制系统的设计流程如图4.1所示:
图4.1交通灯控制系统设计流程
3.3交通灯延时程序
延时方法可以有两种，一种是利用MCS-51内部定时器才生溢出中断来确定1秒的延时时间，另一种是采用软件延时的方法。
3.3。
1计数器硬件延时
（1）计数器初值计算
定时器工作时必须给计数器初值,这个值是送到TH和TL中的。
它是以加法计数的，并能从全1到全0时自动产生溢出中断请求［22-26].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为28.
（2）计算公式
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TCLK为12MHZ，经过12分频：
方式0：
TMAX=213﹡1us=8.192ms
方式1:
TMAX=216﹡1us=65.536ms
方式2和3：
TMAX=28﹡1us=0.256ms
显然1秒钟已经超过了计数器的最大定时时间,所以只有采用定时器和软件相结合的办法才能解决这个问题。
（3）延时1秒的方法
系统中采用在主程序中设定一个初值为4000的软件计数器和使定时器定时250us。
这样每当T0到250us时CPU就响应它的溢出中断请求,进入它的中断服务子程序。
在中断子程序中，CPU先使软件计数器减1,然后判断它是否为0.为0表示1秒已到可以返回到输出时间显示程序.
（4）相应程序代码
主程序中：
定时器需要定时250us，故T0工作于方式2.初值:
TC=M－T/T计数=28－250us/1us=06H
TMOD=0x02;
//设置定时器0为工作方式2
TH0=0x06;
TL0=0x06；
//初始化8位定时器（256－6）＊4000=1s
EA=1;
//总中断允许
ET0=1；
//T0中断允许
TR0=1;
//打开T0中断
3.3.2软件延时
软件延时需要通过编写延时程序进行延时.计算机执行一条指令需要一定的时间，由一些指令组成一段程序，并反复循环执行，利用计算机执行程序所用的时间来实现延时，这种程序称为延时程序[27-28]。
如当系统使用12MHz晶振时，一个机器周期为1us，执行一条双字双周期DJNZ指令的时间为2us,因此执行该指令50万次，就可以实现延时1s的目的,对于50万次循环可采用外循环、中循环、内循环嵌套的多重循环结构。
4交通灯显示程序
交通灯显示程序设计流程如图4.2所示。
交通灯显示程序总共有4个状态S1、S2、S3和S4，每个状态中发光二极管显示信号灯点亮情况，数码管来进行倒计时显示，完成这4个状态后再进入初始状态S1，进行循环。
图4.2交通灯显示设计流程
3.5按键处理程序
键盘是人机进行交互的重要接口之一。
用户通过对仪器下达命令，仪器获得相应的键值，并执行相应的命令程序[29]。
键盘部分的软件设计主要是对键盘管理芯片8051进行编程，从而成功地读取键盘值，实现相应功能。
按键模块设计流程如图4。
3所示。
在系统中有3个按键设置,分别为“设置键”、“增加键”、“减少键"
.若“设置键"
没有按下,不进行按键处理。
若“设置键”按下，则按照到“设置键”程序处理，看是否有“增加键”和“减少键"
被按下,若没有，不进行处理;
若有，进行相应按键处理。
图4。
3按键模块设计流程
3.5.1设置键处理
（1）设置键的功能
设置键的功能是根据按键次数决定的，如表4.1所示。
按下“设置键”1次，则设置东西方向的绿灯点亮时间；
按下“设置键”2次，则设置东西方向黄灯点亮时间；
按下“设置键”3次,则设置南北方向的绿灯点亮时间;
按下“设置键”4次，则设置南北方向黄灯点亮时间；
按下“设置键”5次，则恢复交通灯工作状态，时间显示设置后的通行时间和暂缓通行时间。
表4.1设置键功能
按“设置键”次数
第1次
第2次
第3次
第4次
第5次
调整内容
东西方向
绿灯点亮
时间
黄灯点亮
南北方向
恢复交通灯工作状态
（2）设置键设计流程
4设置键设计流程
（3）设置键相关程序
voidsetSecond（void）
｛while（P3_4==0）;
cntP3_4++;
//标志设置键被按下的次数
switch（cntP3_4）
{case1:
cntEW=5;
//cntEW为东西向标志位
P1=0xf7；
//东西向绿灯点亮
break；
case2:
cntEW=1;
P1=0xef；
//东西向黄灯点亮
break；
case3:
cntSN=1;
//cntSN为南北向标志位
P1=0xfe;
//南北向绿灯点亮
break；
case4：
cntSN=3；
P1=0xfd;
//南北向黄灯点亮
case5:
//东西方向和南北方向标志位都回到初始状态
cntSN=5；
cnt_num=0；
cntP3_4=0；
break;
｝
}
增加键处理
（1）增加键的功能
当系统系统需要进行按键设置时,通过“增加键”可以改变东西方向和南北方向的通行时间和暂缓通行时间。
此按键分为两个功能，一个是“加1”功能，一个是“加10”功能.
（2）增加键处理流程
图4.5增加键设计流程
（3）“增加键”相关程序
秒数加1程序：
voidaddSecond（void）
{while（P3_5==0）;
cnt_key=0；
//记录长按键的参数清零
{case1:
if（keyMemory!
=greenEW+10）//判断按键是否已经加10,如果没有加10则秒数加1,如果已经加10则不加1
{greenEW++;
｝
if（greenEW==90）
{greenEW=0;
//90为秒数增加后的最大值，当超过90s后自动为0
scdEW=greenEW;
scdSN=greenEW+yellowEW+1;
//东西向绿灯显示时间设置
if（yellowEW++==9）
｛yellowEW=0;
}
scdEW=yellowEW；
break；
//东西向黄灯显示时间设置
case3：
=greenSN+10）
{greenSN++;
if（greenSN==90）
{greenSN=0;
scdEW=greenSN+yellowSN+1;
scdSN=greenSN；
//南北向绿灯显示时间设置
if（yellowSN++==9）
｛yellowSN=0;
scdSN=yellowSN;
}//南北向黄灯显示时间设置
长按加10s程序：
当长时间按下按键后,增加的时间为10s
voidadd_10s（void）
｛cnt_key=0;
｛case1:
//设置键按1次,设置东西方向绿灯显示时间
greenEW=greenEW+10;
//长按秒数加10
if（greenEW〉=90）
keyMemory=greenEW+10；
//keyMem
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