畢業(yè)設(shè)計論文基于單片機(jī)的交通信號燈控制系統(tǒng)設(shè)計

1、編號：河南大學(xué)2011屆本科畢業(yè)論文基于單片機(jī)的交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計論文作者姓名：_ 作 者 學(xué) 號：_ 所 在 學(xué) 院： 物理與電子學(xué)院 所 學(xué) 專 業(yè)：_測控技術(shù)與儀器_導(dǎo)師姓名職稱：_ 論文完成時間： 2015年03月28日 _ 目 錄基于單片機(jī)的交通信號燈控制系統(tǒng)設(shè)計1摘 要：1關(guān)鍵詞：1traffic light control system based on single chip1abstract:1key words:10 前言11 交通信號燈設(shè)計概述21.1 課題研究背景與意義21.2 課題設(shè)計要求21.3 課題設(shè)計內(nèi)容32 系統(tǒng)硬件設(shè)計32.1 主控制系統(tǒng)32.2 復(fù)位電路3

2、2.3 時鐘電路42.4 led燈電路52.5 八段式led數(shù)碼管顯示電路62.6 串口通信電路63 系統(tǒng)軟件設(shè)計73.1 軟件整體思路73.2 交通信號燈的控制83.3 利用定時器中斷實(shí)現(xiàn)精確延時93.4 八段數(shù)碼管顯示倒計時103.5 通過串口與上位機(jī)通信114 上位機(jī)軟件設(shè)計125 交通燈控制系統(tǒng)調(diào)試與運(yùn)行125.1 軟件系統(tǒng)調(diào)試126 結(jié)論13參考文獻(xiàn)14致 謝15附錄16附錄a 實(shí)物運(yùn)行圖16附錄b 上位機(jī)串口助手16附錄c 單片機(jī)源代碼16基于單片機(jī)的交通信號燈控制系統(tǒng)設(shè)計金鵬舉（河南大學(xué)物理與電子學(xué)院，河南 開封，475004）摘 要： 隨著社會的發(fā)展，交通信號燈在城市道路管理中

3、扮演著越來越重要的角色；隨著科技的發(fā)展，單片機(jī)在日常生活中的應(yīng)用越來越廣泛。本文將介紹一種使用單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制芯片，通過單片機(jī)軟件程序?qū)崿F(xiàn)自動控制，通過與上位機(jī)的交互實(shí)現(xiàn)手動調(diào)節(jié)的交通信號燈控制系統(tǒng)的設(shè)計方式。整個系統(tǒng)以stc89c52rc單片機(jī)為核心，通過定時器中斷實(shí)現(xiàn)精確延時，采用八段led數(shù)碼管顯示倒計時，使用紅、黃、綠三色led燈作為信號指示，通過串口與上位機(jī)通信實(shí)現(xiàn)交通信號燈倒計時時間更改，模擬演示了交通信號燈的控制運(yùn)行。本交通信號燈控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，實(shí)用性強(qiáng)。關(guān)鍵詞： 交通燈；單片機(jī)；定時器；數(shù)碼管；串口traffic light control syste

4、m based on single chipjin peng-ju(school of physics and electronics, henan university, henan kaifeng 475004, china)abstract: with the development of society, the traffic lights in the city road management plays an increasingly important role; with the development of science and technology, scm appli

5、cations in daily life more widely. this article describes a system using scm as the master unit, and automatic control through the mcu software program, through interaction with the host computer to achieve manually adjust the traffic signal control system design. the whole system stc89c52rc microco

6、ntroller core, accurate timer interrupt latency by using eight led digital display countdown, the use of red, yellow, and green led lights as a signal indication, communicate with the host via the serial port to achieve traffic lights countdown time change, simulation demonstrates the control operat

7、ion of traffic lights. the traffic signal control system, stable performance, simple structure, easy operation, practical.key words: traffic lights; single chip; timer; digital control; serial0 前言隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國汽車保有量快速增長，已居世界第二位。車輛的增多導(dǎo)致交通擁擠和堵塞時常發(fā)生，交通堵塞問題已經(jīng)成為城市交通中亟需解決的問題。交通信號燈作為交通管理一部分，一直在交通管理中發(fā)揮著巨大的作

8、用。交通信號燈的控制方式有許多種，本文基于stc89c52系列單片機(jī)，構(gòu)建交通信號燈的控制系統(tǒng)，具有可靠性高、實(shí)用性強(qiáng)、成本低廉的特點(diǎn)，對于道路交通管理，緩解交通堵塞等具有十分現(xiàn)實(shí)的意義。1 交通信號燈設(shè)計概述1.1 課題研究背景與意義交通是城市經(jīng)濟(jì)活動的命脈，對城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人民生活水平的提高起著十分重要的作用1。我國是一個歷史文化悠久、人口基數(shù)龐大的國家，城市數(shù)量隨著社會的發(fā)展不斷增多。隨著城市化進(jìn)程的大大加快，城市交通問題是困擾城市發(fā)展、制約城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要因素。本文提出一種利用單片機(jī)對交通信號燈進(jìn)行自動控制以及紅綠燈倒計時顯示的方法，整個系統(tǒng)被濃縮在一塊微小的單片機(jī)上，并能利用串口與

9、上位機(jī)進(jìn)行交互，實(shí)時更改交通信號燈的倒數(shù)時間，大大提高了產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性和輕便性。1.2 課題設(shè)計要求以生活中最常見的十字路口（如圖1）為例，交通信號燈控制東西和南北的來往車輛有次序的行進(jìn)，并可根據(jù)兩個方向的實(shí)際車流量，手動調(diào)節(jié)東西和南北方向的通行時間。圖1 十字路口模型圖交通信號燈控制過程如下：東西方向綠燈亮，南北方向紅燈同時亮；東西方向綠燈亮20秒后，閃爍10秒（亮0.5秒，滅0.5秒），然后東西方向黃燈亮，閃爍3秒后，東西方向紅燈亮，33秒后東西方向綠燈亮周而復(fù)始；南北方向紅燈亮33秒后，南北方向綠燈亮20秒，再閃爍10秒，然后南北方向黃燈亮，閃爍3秒后，南北方向紅燈亮2周而復(fù)始。1.3 課

10、題設(shè)計內(nèi)容本課題以stc89c52系列單片機(jī)為控制核心，研究并設(shè)計制作了基于單片機(jī)的交通信號燈控制系統(tǒng)，用于十字路口的車輛及行人的交通管理。東西南北四個路口具有紅、黃、綠三種交通信號燈，并分別用定時器顯示路口通行轉(zhuǎn)換剩余時間，通過串口可以與上位機(jī)通信，修改交通信號燈倒計時時間。2 系統(tǒng)硬件設(shè)計利用單片機(jī)設(shè)計應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)考慮在滿足設(shè)計要求的前提下，硬件電路要盡可能地簡單，最大限度的用程序設(shè)計完成系統(tǒng)的各項功能3。本交通信號燈控制系統(tǒng)基于stc89c52系列單片機(jī)開發(fā)板設(shè)計，根據(jù)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能，硬件要包含復(fù)位電路、時鐘電路、led交通燈顯示模塊、八段led數(shù)碼管顯示時間模塊和串口通信模塊。2.1

11、主控制系統(tǒng)主控制器采用stc89c52單片機(jī)。stc89c52是標(biāo)準(zhǔn)的40引腳雙列直插式集成芯片，功能強(qiáng)大并且功耗低。stc89c52的引腳及其功能如圖2所示。stc89c52單片機(jī)具有8k字節(jié)程序存儲空間和512字節(jié)數(shù)據(jù)存儲空間，并且支持串口下載，因此編程和修改十分方便4；具有32個通用i/o口，分為四組八個，分別由p0、p1、p2和p3控制；具有3個16位定時/計數(shù)器，可以實(shí)現(xiàn)精確的時間控制；具有一個通用異步串行接口，通過rs232協(xié)議與其他主機(jī)通信。2.2 復(fù)位電路stc89c52的復(fù)位電路如圖3所示，包含兩種復(fù)位方式，低電平復(fù)位與高電平復(fù)位。一般都采用高電平復(fù)位，即正常工作時復(fù)位引腳為

12、高電平，按下復(fù)位按鍵是，復(fù)位腳為高電平。阻容復(fù)位的特點(diǎn)是成本低，連接方便。圖2 stc89c52單片機(jī)引腳圖圖3 stc89c52單片機(jī)復(fù)位電路 2.3 時鐘電路時鐘電路由一個晶體振蕩器和兩個30pf的瓷片電容組成。時鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需的時鐘信號，而時序所研究的是指令執(zhí)行中各信號之間的相互關(guān)系。單片機(jī)本身就是一個復(fù)雜的同步時序電路，為了保證同步工作方式的實(shí)現(xiàn)，電路應(yīng)在唯一的時鐘信號控制下嚴(yán)格地工作。本系統(tǒng)使用11.0592mhz的晶振為單片機(jī)提供時鐘信號，其時鐘電路的電路圖如圖4所示。圖4 stc89c52單片機(jī)晶振電路2.4 led燈電路交通信號燈采用紅、黃、綠三種顏色的發(fā)光二極管

13、設(shè)計。stc89c52單片機(jī)通過p1口對led交通信號燈進(jìn)行控制，在不同的狀態(tài)時控制led交通信號燈的狀態(tài)。交通信號燈原理圖如圖5所示。當(dāng)r=1000歐時，按公式a=(5-1.8)/r計算，電路中的電流大小應(yīng)為a=3.2ma。由于每個路口的通行雙向指示處理相同，因此每個端口應(yīng)具有6.4ma的吸收電流能力。圖5 led交通信號燈控制電路2.5 八段式led數(shù)碼管顯示電路數(shù)碼管是現(xiàn)在常用的顯示器件，價格低廉，隨著技術(shù)的發(fā)展，這種高亮度低功耗的顯示器件受到廣大用戶的青睞。數(shù)碼管分為共陰極和共陽極兩種。這里我們使用八位八段式共陰極數(shù)碼管，顯示東西南北四個方向上交通信號燈的倒計時時間。八段式共陰極數(shù)碼管

14、如圖6所示，通過p0口輸出位碼和段碼進(jìn)行選擇和顯示。圖6 八段式共陰極數(shù)碼管2.6 串口通信電路串口通信的本質(zhì)就是兩個cpu以規(guī)定的通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。stc89c52單片機(jī)的串口使用max3232實(shí)現(xiàn)串口通信協(xié)議的電平轉(zhuǎn)換，串口通訊的原理圖如圖7所示。串口端口中，我們只需要用到2、3、5三個引腳，其中2號引腳是接收數(shù)據(jù)端，3號引腳是發(fā)送數(shù)據(jù)端，5號引腳是接地端。這里我們采用rs232通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)之間的串口通訊。串行異步通信協(xié)議中有兩個比較重要的指標(biāo)：數(shù)據(jù)幀格式和波特率。rs232通信協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)幀格式為：一位起始位、五到八位的數(shù)據(jù)位、可選的奇偶校驗(yàn)位和一到二位的停止位。波特

15、率可以根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行選擇。在工業(yè)控制領(lǐng)域我們通常選擇9600bps的波特率，使用過程中較穩(wěn)定且速度足夠。圖7 串口通訊3 系統(tǒng)軟件設(shè)計本設(shè)計使用keil軟件完成系統(tǒng)的軟件設(shè)計,采用c51高級語言編程，最后生成單片機(jī)燒錄需要使用的hex文件。keil c51是美國keil software公司出品的51系列兼容單片機(jī)c語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，c語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。keil提供了包括c編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案。3.1 軟件整體思路軟件共可以分為主程序、定時器中斷、串口中斷三大部分。主程序

16、用來硬件初始化、交通信號燈控制和八段數(shù)碼管顯示倒計時；定時器中斷用來產(chǎn)生精確的延時，控制交通信號燈的周期；串口中斷用來與上位機(jī)實(shí)時交互，獲取當(dāng)前交通信號燈的周期以及設(shè)置交通信號燈的周期。主程序流程圖如圖8所示。 開始 設(shè)置定時器東西方向通行倒計時顯示延時時間到?南北方向通行倒計時顯示延時時間到?圖8 主程序流程控制圖3.2 交通信號燈的控制單片機(jī)的p1口外接led燈，p1.0、p1.1、p1.2、p1.3、p1.4、p1.5分別代表東西向紅燈、黃燈、綠燈和南北向紅燈、黃燈、綠燈。當(dāng)p1口輸出低電平時，led燈亮，當(dāng)p1口輸出高電平時，led燈滅?？梢酝ㄟ^p1口某位輸出0或者1來控制信號燈的明暗

17、。交通信號燈的狀態(tài)輸出如表1所示。表1 交通信號燈狀態(tài)表 狀態(tài) 持續(xù)時間 東西紅燈 東西黃燈 東西綠燈 南北紅燈 南北黃燈 南北綠燈東西通行 20s 滅 滅 亮 亮 滅 滅東西通行 10s 滅 滅 閃 亮 滅 滅東西通行 3s 滅 閃 滅 亮 滅 滅南北通行 20s 亮 滅 滅 滅 滅 亮南北通行 10s 亮 滅 滅 滅 滅 閃南北通行 3s 亮 滅 滅 滅 閃 滅3.3 利用定時器中斷實(shí)現(xiàn)精確延時定時器是單片機(jī)的特殊功能模塊。stc89c52系列單片機(jī)具有t0和t1兩個定時/計數(shù)器，并且有四種工作模式可供選擇。這里我們使用定時器t0工作于模式1，th和tl組成16位定時器5。模式1的工作原理

18、如圖9所示。圖9 定時器t0工作于模式1單片機(jī)使用的是11.0592mhz的晶振，16位加1計數(shù)器最大的延時時間為：所以要想實(shí)現(xiàn)1秒的延時，我們采用定時器中斷與軟件相結(jié)合的方法：首先設(shè)置定時器t0定時50毫秒6：然后在程序中設(shè)定一個初值為0的軟件計數(shù)器interrupt_num。每當(dāng)定時器t0到50毫秒時，計數(shù)器溢出產(chǎn)生中斷請求，cpu就響應(yīng)它的請求，進(jìn)入中斷服務(wù)函數(shù)。在中斷服務(wù)函數(shù)中，令interrupt_num自加1，這樣通過判斷interrupt_num的值的大小就可以控制精確的控制延時時間。3.4 八段數(shù)碼管顯示倒計時stc89c52系列單片機(jī)有8位八段式共陰極數(shù)碼管，八段式共陰極數(shù)碼

19、管顯示數(shù)字的編碼格式如表2所示。表2 八段共陰極數(shù)碼管編碼顯示字形 dp g f e d c b a 字符碼 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0x3f 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0x06 2 0 1 0 1 1 0 1 1 0x5b 3 0 1 0 0 1 1 1 1 0x4f 4 0 1 1 0 0 1 1 0 0x66 5 0 1 1 0 1 1 0 1 0x6d 6 0 0 1 1 1 1 1 1 0x7d 7 0 0 0 0 0 1 1 1 0x07 8 0 1 1 1 1 1 1 1 0x7f 9 0 1 1 0 1 1 1 1 0x6f首先通過p0口輸出位碼，選擇所用

20、的數(shù)碼管，然后通過p0口輸出段碼，顯示需要的數(shù)字。本系統(tǒng)需要使用四個數(shù)碼管兩兩組合構(gòu)成兩個兩位數(shù)的倒計時顯示器。顯然，數(shù)碼管靜態(tài)顯示已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)的要求，所以采用動態(tài)掃描的方式。數(shù)碼管動態(tài)掃描的程序流程圖如圖10所示。動態(tài)掃描數(shù)碼管的過程中，要取一個兩位數(shù)num的十位和各位分別顯示，并且在每次顯示數(shù)據(jù)之前要清空數(shù)據(jù)，防止有交替重影。unsigned int shiwei = num / 10;unsigned int gewei = num % 10;開始東西方向倒計時十位顯示延時東西方向倒計時各位顯示 延時南北方向倒計時十位顯示延時南北方向倒計時各位顯示延時圖10 八段數(shù)碼管動態(tài)掃描流程圖

21、3.5 通過串口與上位機(jī)通信本系統(tǒng)使用定時器t1工作在模式2（八位自動重裝載模式）。因?yàn)椋核远〞r器t1的初值為：由于本系統(tǒng)使用的單片機(jī)晶振頻率為11.0592mhz，若要設(shè)置波特率為9600，則初值th1 = tl1 = 0xfd。常見的波特率設(shè)置初值表如圖11所示。圖11 常見波特率初值表本系統(tǒng)設(shè)置單片機(jī)的串口通信協(xié)議為波特率9600，無校驗(yàn)位，八位數(shù)據(jù)位，一位停止位，啟用串口中斷。規(guī)定所有的數(shù)據(jù)幀以#結(jié)束。當(dāng)串口接收到上位機(jī)發(fā)送的“#”，將立即返回當(dāng)前的交通信號燈倒計時時間數(shù)據(jù)，幀格式為“*xx xx xx xx xx xx#”；當(dāng)串口接收到上位機(jī)發(fā)送的“*xx xx xx xx xx

22、xx#”格式數(shù)據(jù)幀時，將在本次循環(huán)結(jié)束后，自動設(shè)置新的倒計時時間。4 上位機(jī)軟件設(shè)計本次設(shè)計使用電腦作為上位機(jī)，通過串口usb轉(zhuǎn)串口線與單片機(jī)進(jìn)行通信。上位機(jī)的串口通信助手基于mfc使用mscomm控件編寫完成，實(shí)現(xiàn)了完整的收發(fā)功能，并且可以設(shè)置串口的波特率、開始位、停止位、校驗(yàn)位等。按照既定的數(shù)據(jù)幀格式與單片機(jī)進(jìn)行通信，可以實(shí)時獲取交通信號燈的倒計時時間以及手動設(shè)置交通信號燈的倒計時時間。5 交通燈控制系統(tǒng)調(diào)試與運(yùn)行交通信號燈的控制系統(tǒng)本身要求有穩(wěn)定性高、操作方便、抗干擾能力強(qiáng)等功能，系統(tǒng)調(diào)試除了驗(yàn)證數(shù)據(jù)處理的精度，確保判斷的準(zhǔn)確性外，同時必須確認(rèn)各項功能的正常運(yùn)行。5.1 軟件系統(tǒng)調(diào)試本系

23、統(tǒng)的軟件系統(tǒng)很大，選用單片機(jī)c51語言進(jìn)行程序編寫和調(diào)試。除了語法差錯外，當(dāng)確認(rèn)程序沒問題時，通過直接下載到單片機(jī)來調(diào)試。采取的是自下到上的調(diào)試方法，即單獨(dú)調(diào)試好每一個模塊，然后再連接成一個完整的系統(tǒng)，最后完成一個完整的系統(tǒng)調(diào)試。在軟件的調(diào)試時，兩個數(shù)碼管組合顯示兩位數(shù)的過程中，由于使用動態(tài)掃描的方式使數(shù)碼管顯示，兩個數(shù)碼管顯示之間應(yīng)有合適的間隔延時時間，若時間太長則會造成閃爍，時間太短則會有重影。剛開始的時候，兩個數(shù)碼管總是有重影現(xiàn)象，后來本人經(jīng)過查閱資料，在每次顯示之前清空數(shù)據(jù)，這樣就消除了交替重影的現(xiàn)象。6 結(jié)論 本次設(shè)計利用stc89c52單片機(jī)完成了城市道路交通信號燈控制系統(tǒng)的設(shè)計。

24、使用單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心元件，使得電路控制具有較高的可靠性，功能相對較完善，且具有較大的升級空間。本次設(shè)計可適用于十字路口的車輛和行人的交通管理，通過數(shù)碼管顯示紅綠燈倒計時時間更加直觀便捷，通過串口與上位機(jī)進(jìn)行通信可以修改紅綠燈的倒計時時間，從而適應(yīng)不同的路況。在現(xiàn)在這個車輛不斷增加，城市化進(jìn)程不斷加快的狀況下，此交通信號燈控制系統(tǒng)對于交通管理、緩解和疏導(dǎo)交通堵塞具有十分現(xiàn)實(shí)且重要的意義。在本次設(shè)計，我發(fā)現(xiàn)很多的問題，有很多看似簡單的問題其實(shí)并沒有想象中那么簡單，而這一切都需要用實(shí)踐去檢驗(yàn)。同時，通過本次畢業(yè)設(shè)計，鞏固了我所學(xué)習(xí)過的專業(yè)知識，也使我們把理論與實(shí)踐從真正意義上相結(jié)合了起來；考驗(yàn)了我們借助互聯(lián)