电子信息工程技术基于单片机控制交通灯的设计.docx
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电子信息工程技术基于单片机控制交通灯的设计
电子信息工程技术-基于单片机控制交通灯的设计
信息职业技术学院
毕业设计说明书（论文）
设计（论文）题目:
基于单片机控制的交通灯
设计
专业:
______电子信息工程技术________
班级:
_________电信xx-1班_________
学号:
_______________________
姓名:
___________________
指导教师:
_____________________
2012年12月30日
息职业技术学院毕业设计（论文）任务书
学生
姓名
学号
班级
电信xx-1班
专业
电子信息工程技术
设计（或论文）题目
基于单片机控制的交通灯设计
指导教师姓名
职称
工作单位及所从事专业
联系方式
备注
副教授
学院
电信教研室
设计（论文）内容：
[注意：
选题要结合实际。
设计（论文）内容要详细写明具体步骤；学生在该设计中具体完成的工作（结果）]
1、介绍单片机的发展历史及人们对单片机技术的运用领域；2、对“单片机交通灯电路”的概述、设计和方案介绍；3、对交通灯系统的硬件设计；4、对交通灯系统的软件设计；5、着重讲解交通灯的整机工作原理：
（1）东西方向
（2）南北方向（3）紧急中断；6结论：
简述单片机交通灯电路的系统构成及不足之处、自我总结。
进度安排：
要有较为详细的时间安排（时间具体到周）
进度安排
内容及要求
备注
2012.10.13～10.29
搜集资料并对交通灯的发展、定义等进行分析
第6、7周
2012.10.30～11.23
着重分析交通灯的工作原理
第8、9、10周
2012.11.17～11.30
分析交通灯的运行状况，完成整体的方案
第10、11周
2012.11.24～12.28
对整个论文进行整理检查
第11至16周
2012.12.21～09.1.3
毕业设计答辩
第16、17周
主要参考文献、资料（写清楚参考文献名称、作者、出版单位）：
[1]胡汉才.单片机原理及其接口技术[M].北京：
清华大学出版，1996
[2]付家才.单片机控制工程实践技术[M].北京：
化学工业出版社，2004.5
[3]余锡存,曹国华.单片机原理及接口技术[M].陕西:
西安电子科技大学出版社,2000.7
审
批
意
见
教研室负责人：
年月日
备注：
任务书由指导教师填写，一式二份。
其中学生一份，指导教师一份。
摘要
当今，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。
而近年来，中国车辆数量不断增加，这以为着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。
关键词：
单片机交通灯
第一章绪论
1.1单片机交通灯电路概述
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，仅单片机方面知识是不够的，还应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MSC-51系列单片机AT89C51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8051芯片的P2口设置红、绿灯燃亮时间的功能，红绿灯循环点亮，倒计时为5秒时黄灯闪烁警示（交通灯信号通过P3口输出，显示时间直接通过P0和P2口输出至双位数码管）；外加紧急事件中断处理。
本系统只在基础交通灯上加了一个紧急通道开关，其实用性只适合中小型城市，使用范围小，还有待改进。
1.2设计任务
东西（A）、南北（B）两干道交于一个十字路口，各干道有一组红、黄、绿三个指示灯，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。
红灯的设计时间为40秒，黄灯为5秒，绿灯为34秒。
1.3方案介绍
1.3.1方案设计思想
状态
A干道灯显示
B干道灯显示
东西方向
红灯（40s）
黄灯（5s）
东西方向
红灯（34s）
绿灯（34s）
南北方向
黄灯（5s）
红灯（40s）
南北方向
绿灯（34s）
红灯（34s）
本方案分三步：
1、要建立两路信号灯的控制系统，本设计采用AT89C51芯片通过组合逻辑控制两路灯的显示关系。
2、建立显示控制系统，本系统采用MSC-51系列单片机AT89C51为中心器件来设计交通灯控制器，实现了能通过8051芯片的P0和P1口分别设置南北与东西路道的红、绿、黄灯燃亮时间的功能，红绿黄灯循环点亮。
3、建立反馈信息部分，主要解决显示时间和灯控的同步问题，采用倒计时系统，通过紧急中断和复位电路同步反馈到显示系统的置数环节中。
注意：
虽然本设计没有扩展I/O端口，但实际上8051的4个8位I/O端口中，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，8051通常需要扩展。
由于我们用外部输入设定红绿灯倒计时初值、数码管的输出显示、红绿黄信号灯的显示都要用到一个I/O端口，显然8051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接口新片来扩充。
1.3.2方案示意图
BB
东西红灯亮
东西绿灯亮
AA
（车辆禁止通行）（车辆可直线行驶和左转弯）
南北绿灯亮南北红灯亮
（可以直线行驶和左转弯）（车辆禁止通行）
图1.1图1.2
B
东西红灯亮
A
（紧急车辆通行状态）
南北红灯亮
图1.3
由上面三幅图可以知道，图1为东西（A）红灯、南北（B）绿灯状态下的正常通行状态，当南北（B）为绿灯状态时，南北方向的车辆可以通过并且可左转弯；图2同图1一样是属于正常通行状态，不过是东西（A）为绿灯、南北（B）红灯；图3为紧急车辆通行状态，当遇到紧急车辆需要通过的时候，四周红灯全亮，紧急车辆可以从十字路口通行。
第二章交通灯系统硬件设计
此设计采用的是AT89C51单片机为内部控制芯片，外部接有按键中断电路以及复位电路以外，还有4个两位数码管，用以倒计时和4个路口的灯，共12个LED灯。
2.1系统框架图
电路板一块，AT89S51单片机一片，八段LED数码管四个。
发光二极管12个（4个绿的，4个红，4个黄的），8个电阻，2个电容，1个晶振，1个电解电容，1个按键开关。
（系统结构框图：
图2.1）
图2.1
2.3单元电路的分析与介绍
2.3.1MSC-51芯片简介
MCS-51单片机内部结构
8051是MCS-51系列单片机的典型产品，我们以这一代表性的机型进行系统的讲解。
8051单片机包含中央处理器、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明：
·中央处理器：
中央处理器（CPU）是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。
·数据存储器（RAM）
8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。
图2.2
·程序存储器（ROM）：
8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。
·定时/计数器（ROM）：
8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。
·并行输入输出（I/O）口：
8051共有4组8位I/O口（P0、P1、P2或P3），用于对外部数据的传输。
·全双工串行口：
8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。
·中断系统：
8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。
·时钟电路：
8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。
下图是MCS-51系列单片机的内部结构示意图2.3。
图2.3
MCS-51的引脚说明：
MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，右图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。
现在我们对这些引脚的功能加以说明：
如图2.4
图2.4
引脚9:
RESET/Vpd复位信号复用脚，当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。
初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指针写入07H，其它专用寄存器被清“0”。
RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。
然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态，8051的初始态。
8051的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，见下图2.5。
此外，RESET/Vpd还是一复用脚，Vcc掉电其间，此脚可接上备用电源，以保证单片机内部RAM的数据不丢失。
图2.5
·引脚30:
ALE/
当访问外部程序器时，ALE（地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。
而访问内部程序存储器时，ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。
更有一个特点，当访问外部程序存储器，ALE会跳过一个脉冲。
如果单片机是EPROM，在编程其间，
将用于输入编程脉冲。
·引脚29:
当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令数据放到P0口上，由CPU读入并执行。
·引脚31:
EA/Vpp程序存储器的内外部选通线，8051和8751单片机，内置有4kB的程序存储器，当EA为高电平并且程序地址小于4kB时，读取内部程序存储器指令数据，而超过4kB地址则读取外部指令数据。
如EA为低电平，则不管地址大小，一律读取外部程序存储器指令。
显然，对内部无程序存储器的8031,EA端必须接地。
2.3.2LED显示数码管
八段LED显示器由八个发光二极管组成。
其中7个长条形的发光管排列成“日”字形，另一个圆点形的放光管在显示器的右下角作为显示小数点用，它能显示各种数字及部分英文字母。
LED显示器有两种不同的形式：
一种是8个发光二极管的阳极都连在一起的，称为共阳极LED显示器如图2-2所示；另一种是8个发光二极管的阴极都连在一起的，称为共阴极LED显示器。
LED数码管结构原理图：
（如图2.6、2.7、2.8）
图2.6高电平驱动（共阴极）图2.7低电平驱动（共阳极）
图2.8八段LED数码管
2.3.3晶体振荡器
石英晶体振荡器的特点是振荡频率准确、电路结构简单、频率易调整，作用是为系统提供基本的时钟信号。
我们在晶体某一方向加一电场，从而在与此垂直的方向产生机械振动，有了机械振动，就会在相应的垂直面上产生电场，从而使机械振动和电场互为因果，这种循环过程一直持续到晶体的机械强度限制时，才达到最后稳定，这种压电谐振的频率即为晶体振荡器的固有频率。
振荡器特性，XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反晶体向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件就能构成自激振荡电路。
定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振电路。
电容器C1和C2主要起频率微调作用。
图2.9
2.3.4复位电路
89C51的复位时由外部的复位电路来实现的。
复位引脚RST通过一个施密特触发器用来抑制噪声，施密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。
本设计是采用上电自动复位，上电自动复位时通过外部复位电路的电容充电来实现的。
只要VCC的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。
时钟频率用12MHz时C取20PF。
图2.10
第三章交通灯系统软件设计
3.1主程序流程图
3.2软件延时程序
在整个程序里面，如在上一句命令与下一句命令执行之间（上一句命令执行完后，间隔一段时间再执行下面一句命令），产生的中间时间差，就是延时程序所起到的作用。
在C语言中，延时程序，就是一种利用循环执行一段命令，以起到延时的功能。
具体的延时程序分析：
voiddelay（uintz）//带参数的延时函数
{
ucharx,y;//定义两个变量
for（x=z;x>0;x--）//循环延时
for（y=110;y>0;y--）;//循环延时
}
3.3中断程序
3.3.1定时器中断
在main函数中的if（cc==82）【82是红黄绿三灯循环一次所需的时间】来判断语句中的cc是用来控制数码显示管与LED灯工作的。
部分程序如下：
voidtimer0（）interrupt1//定时器0的中断函数
{
TH0=（65536-50000）/256;//重装计数初值
TL0=（65536-50000）%256;//重装计数初值
aa++;
if（aa==20）//判断定时1分钟是否到
{
aa=0;//计数次数清0
if（cc==0）//南北亮红灯40秒，东西亮黄灯5秒
{
DXY=0;//东西的黄灯亮
DXG=1;//东西的绿灯不亮
DXR=1;//东西的红灯不亮
NBY=1;//南北的黄灯不亮
NBG=1;//南北的绿灯不亮
NBR=0;//南北的红灯亮
DXtemp=5;//东西的黄灯亮5秒
NBtemp=40;//南北的红灯亮40秒
}
3.3.2外部中断
当由于紧急事件需要对道路进行长时间中断时，就要外加一个外部中断，以保持该道路的畅通。
代码如下：
voidJJZD（）interrupt0//紧急中断程序，南北东西都亮红灯
{
DXY=1;//东西的黄灯不亮
DXG=1;//东西的绿灯不亮
DXR=0;//东西的红灯亮
NBY=1;//南北的黄灯不亮
NBG=1;//南北的绿灯不亮
NBR=0;//南北的红灯亮
displayNB（0,0）;//南北数码管都显示0
displayDX（0,0）;//东西数码管都显示0
cc=0;//重最开始显示
}
3.4数码显示管倒计时程序
在十字路口，由于东西、南北方向的灯亮时间各不相同（参考1.3.1表格），就只能单独编写东西、南北数码显示管倒计时程序（其中黄灯时间5秒）。
然后利用函数调用来实现显示。
如下为南北（东西亦同）方向的显示程序。
如下：
voidfenjieNB（）//南北数码管显示数字的分解函数
{
NBshi=NBtemp/10;//将要显示的时间的十位赋给变量
NBge=NBtemp%10;//将要显示的时间的个位赋给变量
NBtemp--;
}
voiddisplayNB（ucharNBshi,ucharNBge）//带参数的数码管显示函数
{
//显示南北十位
P2=0xfe;
P0=table[NBshi];
delay（5）;
//显示南北个位
P2=0xfd;
P0=table[NBge];
delay（15）;
}
3.5LED工作程序
东西、南北方向的灯交替点亮，可参看1.3.1表格。
下面为部分程序：
if（cc==0）//南北亮红灯40秒，东西亮黄灯5秒
{
DXY=0;//东西的黄灯亮
DXG=1;//东西的绿灯不亮
DXR=1;//东西的红灯不亮
NBY=1;//南北的黄灯不亮
NBG=1;//南北的绿灯不亮
NBR=0;//南北的红灯亮
DXtemp=5;//东西的黄灯亮5秒
NBtemp=40;//南北的红灯亮40秒
}
第四章系统工作原理
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，外加紧急事件中断处理，如表2。
5S/40S
34S/34S
40S/5S
34S/34S
紧急中断
东西道
黄灯亮
绿灯亮
红灯亮
红灯亮
红灯亮
南北道
红灯亮
红灯亮
黄灯亮
绿灯亮
红灯亮
表2
表2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,时间为40秒；南北道为绿灯，此道车辆通过，行人禁止通行，时间为34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，时间为34秒；南北方向为红灯，南北道车辆禁止通过，行人通行，时间为40秒。
（4）当由于紧急需要时，就要对道路进行长时间中断。
（5）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。
调试程序
打开Keil软件，新建工程；
选择芯片；
新建文档，把编写好代码写入文档并保存了ASM文件；
把保存的文档加载到SourceGroup；
编译程序；
设置转换成16进制；
运行程序的结果；
把编写好的16进制文件（***.hex）输入单片机AT89C51仿真器和对其进行初始化。
给实验板进行通电，观察运行结果，不一致则跳到第一步进行反复调试，直到与预定目的一致。
通电以后，东西、南北方向的时间均递减，5秒以后，东西方向的5秒用完，变成东西左转、南北各34秒，此后，时间显示和红绿灯不再变化，一直保持这一状态。
第五章结论
本系统采用MSC-51系列单片机AT89C51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8051芯片的P2口设置红、绿灯燃亮时间的功能，红绿灯循环点亮，倒计时为5秒时黄灯闪烁警示（交通灯信号通过P3口输出，显示时间直接通过P0和P2口输出至双位数码管），外加紧急事件中断处理。
系统不足之处不能控制车的左、右转、以及自动根据车流改变红绿灯时间等。
这是由于本身地理位子以及车流量情况所定，如果有需要可以设计扩充原系统来实现。
但是在这次毕业设计中我发现自己的看法有点太片面。
毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。
通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺，自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低，学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。
更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（特别是C语言）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。
致谢
在这里，我首先向我的指导老师张xx表示深深的感谢，同时感谢我的同学在毕业设计中给我的帮助和鼓励。
在整个毕业设计过程中，他们都给予了我极大的关心和帮助，并对我的毕业设计进行了悉心的指导。
使我获得了丰富的理论知识，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。
我感谢大学三年来所有教过我的计算机工程系的老师们，是他们传授了有用的专业知识给我，使我在整个毕业设计过程中能游刃有余的发挥，同时也感谢我们计算机工程系为我们提供了良好的上机环境，在此向他们致以深深的谢意！
最后，我忠心地感谢单片机组的其它同学以及各位老师的指导和支持，在未来的工作和学习中，我将以更好的成绩来回报各位领导、老师和同学。
参考文献
[1] 李朝青.单片机原理及接口技术（简明修订版）.
杭州：
北京航空航天大学出版社，1998
[2] 李广弟.单片机基础［Ｍ］.北京：
北京航空航天大学出版社，1994
[3]胡文金，单片机应用技术实训教程，重庆大学出版社，2005年2月。
[4]胡辉《单片机原理与应用》，中国水利出版社，2007。
[5]刘守义《单片机应用技术》，西安电子科技大学出版社
附录1
交通灯控制线路图
附录2
原程序代码
#include
#defineuintunsignedint//宏定义
#defineucharunsignedchar//宏定义
ucharaa,cc,NBshi,NBge,DXshi,DXge,NBtemp,DXtemp;//定义变量
sbitNBR=P3^0;//南北红灯
sbitNBY=P3^1;//南北黄灯
sbitNBG=P3^4;//南北绿灯
sbitDXY=P3^5;//东西黄灯
sbitDXG=P3^6;//东西绿灯
sbitDXR=P3^7;//东西红灯
ucharcodetable[]={
0x3f,0x06,0x5b,0x4f,
0x66,0x6d,0x7d,0x07,
0x7f,0x6f};//数字的代码从0-9
voidinit（）;//初始化子程序的申明
voiddisplayNB（ucharNBshi,ucharNBge）;//显示子程序的申明
voiddelay（uintz）;//延时子程序的申明
voidfenjieNB（）;//南北数码管显示数字的分解函数
voidfenjieDX（）;//东西数码管显示数字的分解函数
voidmain（）
{
init（）;//初始化子程序
while
（1）
{
if（cc==82）//循
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