简易交通灯设计系统1.docx
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简易交通灯设计系统1
2009级学生单片机
课程设计
单片机课程设计报告书
课题名称
简易交通灯控制系统
姓名
姜宝睿
学号
2009022044
院、系、部
物理与电子科学系
专业
电子信息科学与技术
指导教师
李洁
2011年12月12日
一、设计任务及要求：
设计任务：
用单片机实现交通灯的基本功能，除此以外，实现倒计时、紧急模式等功能。
要求：
（1）南北方向车道和东西方向车道两条交叉道路上的车辆交替运行，通车时间均为45秒。
（2）东西方向、南北方向车道除了有红、黄、绿灯指示外，每一种灯亮的时间都用显示器进行显示（采用倒计时的方法）；
（3）在绿灯转为红灯时，要求黄灯先亮5s，才能变换运行车道；
（4）黄灯亮时，要求每秒闪亮一次；
（5）在处理特殊事件时，可使整个十字路口禁止通车。
强制东西通行，适用某些需要只进行东西通车的情况。
指导教师签名：
年月日
二、指导教师评语：
指导教师签名：
年月日
三、成绩
指导教师签名：
年月日
目录
一、绪言……………………………………………………………………………1
（一）设计任务………………………………………………………………2
（二）交通信号灯控制方案选择……………………………………………3
二、系统设计………………………………………………………………………4
（一）硬件电路设计…………………………………………………………4
（二）程序流程图……………………………………………………………5
（三）汇编语言程序设计……………………………………………………7
三、交通信号灯控制器仿真………………………………………………………11
（一）系统仿真………………………………………………………………11
（二）工作原理分析…………………………………………………………13
结束语……………………………………………………………………………13
参考文献………………………………………………………………………………14
一、绪言
1.交通红绿灯的发展历史
红绿灯的历史其实并不复杂。
从最初发明时的手牵皮带转动灯箱，到20世纪开始的电气控制，从采用计算机控制到电子监控感应，其发展不超过150年。
■英国人之所以选择红绿两色，据说是因为当时英国妇女着红装代表已婚，绿装代表未婚
1859年10月，英国一位纺纱工人想出一个用灯光颜色控制交通的办法，他制造了一盏有活动遮沿设备的油灯带到伦敦，可惜这个发明并未引起政府重视，后来由于英国议会大厦前时常出现马车撞人事故，人们才再次重拾这项发明。
世界上第一盏正式投入使用的交通信号灯出现在1868年12月10日，这盏身高7米，由德哈特设计的红绿两色煤气灯出现在议会大厦前的十字路口。
一位警察手持长杆牵动皮带转换红绿两色：
红灯停，绿灯行。
据说，英国人之所以选择这样的颜色，是因为在当时的英国，妇女着红装代表已婚，绿装代表未婚。
可惜的是，这盏灯的历史只有23天，中断的原因是煤气灯突然爆炸使一位警察殉职。
■美国人带来红绿灯的主要技术进步，3年内有60项与交通信号灯有关的发明获得专利
英国人发明第一盏交通信号灯时，工业革命也在发生着新的变化。
美、德崛起，新的发明开始更依赖于系统性的实验和训练有素的科学家。
正如沃尔特李普曼观察到的：
机械的进步不再是碰巧的、偶然的，而成为有系统的、渐增的。
交通信号灯便在美国人的系统性实验中不断进化，1914年，克里夫兰市率先在街道中恢复交通信号灯，随后纽约、芝加哥等城市也开始出现。
这时的交通信号灯已从煤气进化为电气，这与现代的交通信号灯已经没有多少差距，除了信号灯本身，美国人还完善了信号控制系统，1917年，美国盐湖市开始使用联动式信号系统，他们把六个交叉路口作为一个系统，以人工方式加以集中控制。
美国还最早使用车辆感应式控制器，20世纪30年代，他们已经开始根据检测器测量的交通流量来调整绿灯时间的长短，到了50年代，美国人已经运用计算机系统调节红绿灯，并逐渐完善为今天的智能交通系统。
除了1926年英国人发明自动化控制器管理红绿灯外，20世纪早期的主要技术进步都是美国人带来的，美国专利商标局专利数据库显示，从1910年11月29日到1913年11月20日之间，共有60项与交通信号灯有关的发明获得专利。
而还有很多由警察等公共部门创造的技术，没有申请专利。
2.道路交通控制的必要性
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，仅单片机方面的使之是不够的，还应根据具体结构软硬件结合，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有序呢？
考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AT89S52单片机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P3口设置红、绿灯燃亮时间的功能：
红绿灯循环点亮，倒计时剩5秒时黄灯闪烁警示（交通灯信号通过P1口输出，显示时间通过P0口输出至双位数码管）。
本系统设计周期短、可靠性高、实用性强、操作简单、维护方便、扩展功能强。
经济的发展，城市化速度的加快，机动车辆占有量急剧增加，由此引发日益严重的交通问题：
交通拥挤甚至堵塞，交通事故频繁，空气和噪声污染严重，公共运输系统效率下降等。
解决这一问题通常有两种方法，一种是修路造桥，这对交通状况的改善是一种最直接的办法，但它需要巨额的投资，且在城市中心区受拆迁限制，很难实施；另一种是在现有的道路交通条件下，实施交通控制和管理，充分发挥现有道路的通行能力，大量事实已经证明这种方法的有效性。
现代道路交通的复杂多样，常常是几个或几十个甚至成百上千个路口互相关联，在这种情况下，任何一个经验丰富的交警都无能为力。
因此，人们越来越关注把先进的科学技术用于交通管理，从而促进了交通自动控制技术的不断发展。
道路交通控制的目的可定义为：
在确定的行政规定约束下，采用合适的运营方法来确保公共和私人交通方式具有最佳的交通运行状态。
围绕这一目的研制出的道路佳通控制系统，把受控制对象看成一个整体，采用对交通流科学地时间分割的方法，最大限度的保证交通流运动的连续性，使受控制的交通流减少冲突，同时平稳地、有规则地运动。
道路交通控制的作用主要表现为以下几个方面：
⑴改善交通秩序，增加交通安全
⑵减少交通延误，提高经济效益
⑶降低污染程度，保护生态环境
⑷节省能源和土地消耗
（一）设计任务
1、交通信号灯的起源
交通信号灯的出现，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。
交通信号灯在19世纪就已出现了。
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。
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，1914年始安装于纽约市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，车辆一接近红灯便变为绿灯；另一种是用扩音器来启动红绿灯，司机遇红灯时按一下嗽叭，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。
2、早期交通信号灯的控制
从最早的手牵皮带到20世纪50年代的电气控制，从采用计算机控制到现代化的电子定时监控，交通信号灯在科学化、自动化上不断地更新、发展和完善。
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
3、本次设计要实现的目标
通过对早期交通灯发展现状，结合自己本次设计的课题，本次设计任务要完成的目标是：
1.在十字路口的东西、南北方向各有一组红黄绿灯和一个计时显示系统，计时系统由1位LED数码管组成，用于显示红绿灯点亮的时间。
2．东西路口红灯亮，南北路口绿灯亮，同时开始30秒倒计时，以七段数码管显示时间。
3.计时到最后5秒时，南北路口的绿灯闪烁，计时到最后2秒时，南北路口黄灯亮。
4.30秒结束后，南北路口红灯亮，东西路口绿灯亮，并重新30秒倒计时，一次循环。
（二）交通信号灯控制方案选择
1、交通信号灯的控制方案论证
根据设计任务与要求，我们可以知道这个交通灯的设计是分主次干道的，两个方面的时间是不同的，东西方向通行30s，南北方向30s，这就要求我们要有两个计数器，根据我自己的经验，东西方向通行30s完，倒计时数字显示器会显示到0，然后切换到南北方向通行30s完之后，倒计时数字显示器也会显示到0之后然后切换到东西方向，这样如此循环，这样的话我们就要设计一个16进制和一个11进制的计数器，根据我们所学和知识，可以用两片74192芯片来构成对应进制的计数器，由于是30和30之间循环切换，我们可以用利用JK触发器的翻转功能来实现两种进制计数器之间的切换；当然还有每个方向倒计时只有5s时，绿灯闪，计时到最后2秒时，路口黄灯亮，一直到0为止，由于黄灯是当两个计数器倒计时到2时开始闪，我们就可以在这时发出一个脉冲然后一直保持到0，或者是接收0~2这段时间的脉冲都可以控黄灯只在到了这段时间才亮；还有就是一个紧急开关，我们可以控制在出现紧急情况时使用清零端使之清零，并且红灯直接接到电源，使之一直处于亮的状态。
2、单片机的控制方案论证
根据设计任务书中的设计要求，可选用Atmel公司的89系列单片机AT89S52，但考虑到将来控制功能的扩充，用AT89S52来完成本次设计。
控制方案如下：
单片机采用用AT89S52芯片,使用发光二极管（红,黄,绿）代笔各个路口的交通灯,用8段数码管对转换时间进行倒计时（东西、南北路口各30秒，黄灯2秒）。
二系统设计
（一）硬件电路设计
1、交通信号灯控制电路图
选用设备8031单片机一片选用设备：
8031弹片机一片，8255并行通用接口芯片一片，74LS07两片，MAX692‘看门狗’一片，共阴极的七段数码管两个双向晶闸管若干，7805三端稳压电源一个，红、黄、绿交通灯各两个，开关键盘、连线若干。
图2-1交通信号灯控制线路图
2、主要元器件选择
主要元器件选用型号和数量如表2-1所示：
表2-1主要元器件清单
序号
材料名称
规格型号
数量
元件代号
1
单片机
74LS07
1
U1
2
晶振
6MHz
1
X1
3
数码管
共阳极
4
4
LED灯
红
4
黄
4
绿
4
（二）程序流程图
1、内存单元分配
AT89C51片内RAM存储单元分配如表2-2所示：
表2-2片内RAM存储单元分配表
序号
存储单元
用途
1
2AH
堆栈区
2
R1
秒数个位字形码寄存器
3
R2
中断服务程序的延时计数初值
4
R3
信号灯控制码寄存器
5
R4
LED显示器位码寄存器
6
R5
LED显示器段码寄存器
2、主程序流程图
按交通灯控制方案要求，主程序应是完成正常情况下使A、B两车道轮流放行。
主程序流程图如下：
3、中断服务程序流程图
（1）紧急状态时，采用中断方式，通过按钮，使单片机执行中断服务程序，让干线红灯、支线红灯同时亮。
中断服务子程序如下：
ORG 000BH
AJMP BRT0
ORG 00BH
BRTO：
DJNZR0，NEXT
AJMPTIME;跳转到时间及信号灯显示子程序
DJNZ：
MOV RO，＃14H ；恢复RO值
MOVTH0,#3CH;重装入定时器初值
MOVTL0,#BOH ;
MOVIE, #82H
RET1
END
（三）汇编语言程序设计
1、主程序
ORG0000H;主程序的入口地址
LJMPMAIN;跳转到主程序的开始处
ORG0003H;外部中断0的中断程序入口地址
ORG000BH;定时器0的中断程序入口地址
LJMPT0_INT;跳转到中断服务程序处
ORG0013H;外部中断1的中断程序入口地址
MAIN:
MOVSP,#50H
MOVIE,#8EH;CPU开中断，允许T0中断，T1中断和外部中断1中断
MOVTMOD,#51H;设置T1为计数方式,T0为定时方式，且都工作于模式1
MOVTH1,#00H;T1计数器清零
MOVTL1,#00H
SETBTR1;启动T1计时器
SETBEX1;允许INT1中断
SETBIT1;选择边沿触发方式
MOVDPTR,#0003H
MOVA,#80H;给8255赋初值，8255工作于方式0
MOVX@DPTR,A
AGAIN:
JBP3.1,N0;判断是否要设定东西方向红绿灯时间的初值，若P3.1为1则跳转
MOVA,P1
JBP1.7,RED;判断P1.7是否为1，若为1则设定红灯时间，否则设定绿灯时间
MOVR0,#00H;R0清零
MOVR0,A;存入东西方向绿灯初始时间
MOVR3,A
LCALLDISP1
LCALLDELAY
AJMPAGAIN
RED:
MOVA,P1
ANLA,#7FH;P1.7置0
MOVR7,#00H;R7清零
MOVR7,A;存入东西方向红灯初始时间
MOVR3,A
LCALLDISP1
LCALLDELAY
AJMPAGAIN
;-------------------------------------------
N0:
SETBTR0;启动T0计时器
MOV76H,R7;红灯时间存入76H
N00:
MOVA,76H;东西方向禁止，南北方向通行
MOVR3,A
MOVDPTR,#0000H;置8255A口，东西方向红灯亮，南北方向绿灯亮
MOVA,#0DDH
MOVX@DPTR,A
N01:
JBP2.0,B0
N02:
SETBP3.0
CJNER3,#00H,N01;比较R3中的值是否为0，不为0转到当前指令处执行
;------黄灯闪烁5秒程序------
N1:
SETBP3.0
MOVR3,#05H
MOVDPTR,#0000H;置8255A口，东西，南北方向黄灯亮
MOVA,#0D4H
MOVX@DPTR,A
N11:
MOVR4,#00H
N12:
CJNER4,#7DH,$;黄灯持续亮0.5秒
N13:
MOVDPTR,#0000H;置8255A口，南北方向黄灯灭
MOVA,#0DDH
MOVX@DPTR,A
N14:
MOVR4,#00H
CJNER4,#7DH,$;黄灯持续灭0.5秒
CJNER3,#00H,N1;闪烁时间达5秒则退出
;------------------------------------------------------------
N2:
MOVR7,#00H
MOVA,R0;东西通行，南北禁止
MOVR3,A
MOVDPTR,#0000H;置8255A口，东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮
MOVA,#0EBH
MOVX@DPTR,A
N21:
JBP2.0,T03
N22:
CJNER3,#00H,N21
;------黄灯闪烁5秒程序------
N3:
MOVR3,#05H
MOVDPTR,#0000H;置8255A口，东西，南北方向黄灯亮
MOVA,#0E2H
MOVX@DPTR,A
N31:
MOVR4,#00H
CJNER4,#7DH,$;黄灯持续亮0.5秒
N32:
MOVDPTR,#0000H;置8255A口，南北方向黄灯灭
MOVA,#0EBH
MOVX@DPTR,A
N33:
MOVR4,#00H
CJNER4,#7DH,$;黄灯持续灭0.5秒
CJNER3,#00H,N3;闪烁时间达5秒则退出
SJMPN00
2、1S延时子程序
N7:
RETI
T0_INT:
MOVTL0,#9AH;给定时器T0送定时10ms的初值
MOVTH0,#0F1H
INCR4
INCR5
CJNER5,#0FAH,T01;判断延时是否够一秒，不够则调用显示子程序
MOVR5,#00H;R5清零
DECR3;倒计时初值减一
DECR2;报警初值减一
T01:
ACALLDISP;调用显示子程序
RETI;中断返回
3、显示子程序
DISP:
JNBP2.4,T02
DISP1:
MOVB,#0AH
MOVA,R3;R3中值二转十显示转换
DIVAB
MOV79H,A
MOV7AH,B
DIS:
MOVA,79H;显示十位
MOVDPTR,#TAB
MOVCA,@A+DPTR
MOVDPTR,#0002H
MOVX@DPTR,A
MOVDPTR,#0001H
MOVA,#0F7H
MOVX@DPTR,A
LCALLDELAY
DS2:
MOVA,7AH;显示个位
MOVDPTR,#TAB
MOVCA,@A+DPTR
MOVDPTR,#0002H
MOVX@DPTR,A
MOVDPTR,#0001H
MOVA,#0FBH
MOVX@DPTR,A
RET
三、交通信号灯控制器仿真
（一）系统仿真
在完成了交通灯控制器硬件设计和软件设计以后，便进入系统的调试阶段。
系统的调试步骤和方法基本上是相同的，但具体细节和所采用的开发系统以及用户系统选用的单片机型号有关，如可选用Keil软件进行软件调试，用Proteus软件完成硬件调试。
1、Keil调试
图3-1程序调试完成图
2、Proteus调试
图3-2交通信号灯联调效果图
（二）工作原理分析
交通灯控制器的功能主要包括两大部分，一是控制部分；二是延时部分；三是显示部分。
交通灯控制器工作原理分析如下：
（1）开关键盘输入交通灯初始时间，通过8052单片机P1输入到系统。
设置各个信号灯的燃亮时间，绿、红时间分别为45秒、然后倒计时为5秒时警告，最后继续循环。
紧急情况时，按下紧急按钮，东西和南北路都为45秒红灯禁止。
（2）采用软件延时的方法设置延时1秒。
（3）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。
结束语
完成情况：
经过两个月的努力，完成了交通灯控制方案的设计，用AT89C51单片机实现交通灯控制方案，本方案也可用AT89C51单片机来实现，这样可减小电路板的体积、降低生产成本。
本设计只包括交通信号灯控制器部分，在路口实际使用的点阵式LED显示器及其驱动部分均未涉及。
所得收获：
通过这次课程设计，使我得到了一次用专业知识和专业技能去分析问题、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，以及用汇编语言设计程序的思路技巧等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。
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