盧丹——單片機交通燈控制設計

1、烏魯木齊職業(yè)大學 畢 業(yè) 設 計（論 文）系 （院）： 信息工程學院 專 業(yè) ： 電子信息工程 班 級 ： 1007班 學生姓名 ： 盧丹 學 號 ： 2010020148 課 題 ： 單片機的交通燈控制的設計 指導教師 ： 況喻 2013年 4 月10日11 / 28文檔可自由編輯打印目錄引言 .21 課題背景與方案設計.3 1.1 交通燈研究的背景和意義.3 1.2 總體設計方案.42 單片機概述.5 2.1 單片機的發(fā)展歷程.5 2.2 單片機的特點.5 2.3 ATSC51單片機簡介.63 系統(tǒng)硬件設計.7 3.1 系統(tǒng)總框圖.7 3.2 控制流程分析.8 3.3 時鐘電路.8 3.4

2、 復位電路.9 3.5 顯示電路.10 3.5.1 LED數(shù)碼管顯示器.10 3.5.2 共陰極數(shù)碼管與共陽極數(shù)碼管.10 3.5.3 數(shù)碼管共陰與共陽的驅動電路.12 3.6 電路原理圖.13 3.6.1 原理圖.13 3.6.2 整體電路連接.144 控制器軟件流程圖.14 4.1 主程序流程圖.145 程序源代碼.176 程序運行仿真圖.207 實物拍攝.22結論.23致謝 .24參考文獻.25單片機的交通燈控制的設計摘 要: 隨著科技的飛速發(fā)展，單片機的應用正在不斷深入，同時帶動傳統(tǒng)控制檢測技術日益更新。在實時檢測和自動控制的單片機應用系統(tǒng)中，單片機往往作為一個核心部件來使用，僅單片機

3、方面知識是不夠的，還應根據(jù)具體硬件結構軟硬件結合，加以完善。十字路口車輛穿梭，行人熙攘，車行車道，人行人道，有條不紊。那么靠什么來實現(xiàn)這井然秩序呢？靠的就是交通信號燈的自動指揮系統(tǒng)。交通信號燈控制方式很多。本系統(tǒng)采用MSC-51系列單片機ATSC51和可編程并行I/O接口芯片8255A為中心器件來設計交通燈控制器，實現(xiàn)了能根據(jù)實際車流量通過8051芯片的P1口設置紅、綠燈燃亮時間的功能；紅綠燈循環(huán)點亮，倒計時剩5秒時黃燈閃爍警示（交通燈信號通過PA口輸出，顯示時間直接通過8255的PC口輸出至雙位數(shù)碼管）；綠燈時間可檢測車流量并可通過雙位數(shù)碼管顯示。本系統(tǒng)實用性強、操作簡單、擴展功能強。 關鍵

4、詞： 單片機，交通燈，闖紅燈，數(shù)碼管，檢測車流量引 言: 隨著人口的快速增多，交通工具的爆炸性的發(fā)展，以及道路資源的有限性，交通控制就應運而生，而人類的生活、工作環(huán)境中，交通扮演者極其重要的角色，人們的出行都無時不刻與交通打著交道。我國經(jīng)濟的快速發(fā)展從而導致了汽車數(shù)量的猛增，大中型城市的城市交通，正面臨著嚴峻的考驗，從而導致交通問題日益嚴重，其主要表現(xiàn)如下：交通事故頻發(fā)，對人類生命安全造成極大威脅；交通擁堵嚴重，導致出行時間增加，能源消耗加大；空氣污染和噪聲污染程度日益加深等。日常的交通堵塞成為人們司空見慣而又不得不忍受的問題，在這種背景下，結合我國城市道路交通的實際情況，開發(fā)出真正適合我們自

5、身特點的智能信號燈控制系統(tǒng)已經(jīng)成為當前的主要任務。隨著電子技術的發(fā)展，利用單片機技術對交通燈進行智能化管理，已成為目前廣泛采用的方法。顯然，紅綠燈安裝在各個道口上，已經(jīng)成為疏導交通車輛最常見和最有效的手段。信號燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制，對于疏導交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。綠燈是通行信號，面對綠燈的車輛可以直行，左轉彎和右轉彎，除非另一種標志禁止某一種轉向。左右轉彎車輛都必須讓合法地正在路口內(nèi)行駛的車輛和過人行橫道的行人優(yōu)先通行。紅燈是禁行信號，面對紅燈的車輛必須在交叉路口的停車線后停車。黃燈是警告信號，面對黃燈的車輛不能越過停車線，但車輛已十分接近停車線而不能安全停

6、車時可以進入交叉路口。當今，紅綠燈安裝在各個道口上，已經(jīng)成為疏導交通車輛最常見和最有效的手段。1 課題背景與方案設計1.1 交通燈研究的背景和意義隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，城市交通問題越來越引起人們的關注。人、車、路三者關系的協(xié)調(diào)，已成為交通管理部門需要解決的重要問題之一。城市交通控制系統(tǒng)是用于城市交通數(shù)據(jù)檢測、交通信號燈控制與交通疏導的計算機綜合管理系統(tǒng)，它是現(xiàn)代城市交通監(jiān)控指揮系統(tǒng)中最重要的組成部分。 交通燈是城市經(jīng)濟活動的命脈，對城市經(jīng)濟發(fā)展、人民生活水平的提高起著十分重要的作用。城市交通問題是困擾城市發(fā)展、制約城市經(jīng)濟將設的重要因素。城市道路增長的有限與車輛增加的無限這一對矛盾事故導致城市交

7、通擁擠的根本原因。城市街道網(wǎng)絡上的交通容量的不斷增加，表明車輛對道路容量的要求仍然很高，短期內(nèi)還不可能改變。自從開始使用計算機控制系統(tǒng)后，不管在控制硬件里取得什么樣的實際發(fā)展，交通控制領域的控制邏輯方面始終沒能取得重大突破。 可以肯定的說，對于減輕交通擁塞及其副作用特別是對于大的交通網(wǎng)絡而言，仍然缺乏一種真正的交通響應控制策略。計算機硬件能力與控制軟件能力很不相符，由此造成的影響是很多交通控制策略根本不能實現(xiàn)。在少數(shù)幾個例子中，一些新的控制策略確實能得以實現(xiàn)，但他們卻沒能對早期的控制策略進行改進。由于缺乏能提高交通狀況、特別是缺乏擁塞網(wǎng)絡交通狀況的實時控制策略，幾乎可以說真正成熟的控制策略仍然

8、不存在。智能化和集成化是城市交通信號控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢和研究前沿，而針對交通系統(tǒng)規(guī)模復雜性特征的控制結構和針對城市交通瓶頸問題并代表智能決策的阻塞處理則是智能交通控制優(yōu)化管理的關鍵和突破口。因此，研究基于智能集成的城市交通信號控制系統(tǒng)具有相當?shù)膶W術價值和實用價值。把智能控制引入到城市交通控制系統(tǒng)中，未來的城市交通控制系統(tǒng)才能適應城市交通的發(fā)展。從長遠來看，該研究具有巨大的現(xiàn)實意義。1.2 總體設計方案在城市道路中有大量的平面交叉路口，它們是交通流的匯集點和分流點。正是由于這些交叉路口的存在，才形成了四通八達的交通網(wǎng)絡，而平面交叉路口又往往是事故高發(fā)地帶。本設計模擬的是十字路口方案，即一主干道（

9、南北方向），一從干道（東西方向）的路口(1)。如圖1-1。北東南西圖1-1 十字形路口本系統(tǒng)需要采用MSC-51系列單片機ATSC51作為中心器件，設計交通燈控制器實現(xiàn)：直行紅綠燈、左轉紅綠燈的顯示以及紅綠燈轉換倒計時顯示。具體通行設計方案：第一階段：初始運行開始，南北方向直行綠燈亮，左轉燈紅燈亮，東西方向直行與左轉燈紅燈亮。數(shù)碼管40秒倒計時，此時行人可通過東西路。第二階段：倒計時結束，紅綠燈變換時間間隔為一秒。南北方向左轉綠燈亮，直行燈紅燈亮，東西方向直行與左轉燈紅燈亮。數(shù)碼管20秒倒計時，行人禁行。第三階段：倒計時結束，紅綠燈變換時間間隔為一秒。東西方向直行綠燈亮，左轉燈紅燈亮，南北方向

10、直行與左轉燈紅燈亮。數(shù)碼管40秒倒計時，此時行人可通過南北路。第四階段：倒計時結束，紅綠燈變換時間間隔為一秒。東西方向左轉綠燈亮，直行燈紅燈亮，南北方向直行與左轉燈紅燈亮。數(shù)碼管20秒倒計時，行人禁行。倒計時結束。返回第一階段繼續(xù)循環(huán)。運行過程中可通過復位電路開關將運行狀態(tài)復位至第一階段初始狀態(tài)。2 單片機概述2.1 單片機的發(fā)展歷程 以8位單片機的推出作為起點，單片機的發(fā)展歷史大致可分為以下幾個階段： 第一階段（1976-1978）：單片機的控索階段。以Intel公司的MCS-48為代表。MCS-48的推出是在工控領域的控索，參與這一控索的公司還有Motorola 、Zilog，都取得了滿意

11、的效果。這就是SCM的誕生年代，“單機片”一詞即由此而來。第二階段（1978-1982）：單片機的完善階段。Intel公司在MCS-48 基礎上推出了完善的、典型的單片機系列MCS-51。它在以下幾個方面奠定了典型的通用總線型單片機體系結構。完善的外部總線。MCS-51設置了經(jīng)典的8位單片機的總線結構，包括8位數(shù)據(jù)總線、16位地址總線、控制總線及具有很多機通信功能的串行通信接口。 CPU外圍功能單元的集中管理模式(2)。 體現(xiàn)工控特性的位地址空間及位操作方式。 指令系統(tǒng)趨于豐富和完善，并且增加了許多突出控制功能的指令。第三階段第三階段第三階段第三階段（1982-1990）：8位單片機的鞏固發(fā)展

12、及16位單片機的推出階段，也是單片機向微控制器發(fā)展的階段。Intel公司推出的MCS-96系列單片機，將一些用于測控系統(tǒng)的模數(shù)轉換器、程序運行監(jiān)視器、脈寬調(diào)制器等納入片中，體現(xiàn)了單片機的微控制器特征。隨著MCS-51系列的廣應用，許多電氣廠商競相使用80C51為內(nèi)核，將許多測控系統(tǒng)中使用的電路技術、接口技術、多通道A/D轉換部件、可靠性技術等應用到單片機中，增強了外圍電路路功能，強化了智能控制的特征。第四階段第四階段第四階段第四階段（1990現(xiàn)在）：微控制器的全面發(fā)展階段。隨著單片機在各個領域全面深入地發(fā)展和應用，出現(xiàn)了高速、大尋址范圍、強運算能力的8位/16位/32位通用型單片機，以及小型廉

13、價的專用型單片機。2.2 單片機的特點（1）性價比高，開發(fā)周期短，易于產(chǎn)品化，（2）集成度高，可靠性好，抗干擾性強，（3）功能完善，接口多樣，（4）低功耗、低電壓 一般電源供電電壓在53V范圍內(nèi)單片機都能正常工作，供電的下限12V。（5）總線多樣，易于擴展單片機外部的典型三總線結構,方便系統(tǒng)構擴展,構成各種規(guī)模的應用系統(tǒng)。外部總線增加了I2C及SPI等串行總線方式, 可根據(jù)需要進行并行或者串行擴展。2.3 ATSC51單片機簡介 MCS-51單片機內(nèi)部結構8051是MCS-51系列單片機的典型產(chǎn)品，包含中央處理器、程序存儲器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、定時/計數(shù)器、并行接口、串行接口和中

14、斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線，現(xiàn)在我們分別加以說明：中央處理器中央處理器(CPU)是整個單片機的核心部件，是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理8位二進制數(shù)據(jù)或代碼，CPU負責控制、指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。數(shù)據(jù)存儲器(RAM)8051內(nèi)部有128個8位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和128個專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的RAM只有128個，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運算的中間結果或用戶定義的字型表。 下圖是MCS-51系列單片機的內(nèi)部結構示意圖2-1(3).

15、圖2-1 MCS-51結構框圖3 系統(tǒng)硬件設計3.1 系統(tǒng)總框圖圖 3-1 系統(tǒng)框圖3.2 控制流程分析（1）東西、南北方向提醒信號燈變化的各倒計時顯示只需要同一種倒計時顯示配合信號燈的變化即可起到警示過往車輛的功能。在現(xiàn)實中共有東西南北四個方向共有四個倒計時顯示的數(shù)碼管。模擬電路中，為了節(jié)省花費我們只設置了一個數(shù)碼管顯示。而如果需要其余三個數(shù)碼管只需并聯(lián)按照與此數(shù)碼管相同的接法接到相應端口即可。（2）東西、南北方向信號燈控制是中心對稱的，即兩側系統(tǒng)對同方向的信號燈控制是同步的。模擬電路中，我們同一方向只設置了一組信號燈，即可實現(xiàn)模擬的功能?，F(xiàn)實中需要同一方向另一組信號燈的時候。只需要并聯(lián)按照

16、前一組信號燈的接法接入電路相應端口即可。3.3 時鐘電路時鐘電路一般由晶體震蕩器、晶震控制芯片和電容組成。可以簡單定義如下： （1）就是產(chǎn)生像時鐘一樣準確的振蕩電路。 （2）任何工作都按時間順序。用于產(chǎn)生這個時間的電路就是時鐘電路。單片機運行需要時鐘支持就像計算機的CPU一樣，如果沒有時鐘電路來產(chǎn)生時鐘驅動單片機，那單片機就不能執(zhí)行程序。單片機可以看成是在時鐘驅動下的時序邏輯電路。時鐘電路是計算機的心臟,它控制著計算機的工作節(jié)奏。CPU就是通過復雜的時序電路完成不同的指令功能的。MCS5l的時鐘信號可以由兩種方式產(chǎn)生:一種是內(nèi)部方式,利用芯片內(nèi)部的振蕩電路,產(chǎn)生時鐘信號;另一種為外部方式,時鐘

17、信號由外部引入。分別如圖所示(4)。圖3-2 內(nèi)部時鐘方式 外部時鐘方式ATSC51單片機內(nèi)部有一個用于構成振蕩器的高增益反向放大器，它的輸入端為芯片引腳XTAL1,輸出端為引腳XTAL2。這兩個引腳跨接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容，構成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。如圖3-3所示（C1、C2大小一般為30pF）。圖3-3 時鐘電路3.4 復位電路單片機在啟動時都需要復位，以使CPU及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初態(tài)開始工作。RESET/Vpd是復位信號復用腳，當8051通電，時鐘電路開始工作，在RESET引腳上出現(xiàn)24個時鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復位。初始化后，程序計數(shù)器PC指向0000H，

18、P0-P3輸出口全部為高電平，堆棧指針寫入07H，其它專用寄存器被清“0”。RESET由高電平下降為低電平后，系統(tǒng)即從0000H地址開始執(zhí)行程序。然而，初始復位不改變RAM（包括工作寄存器R0-R7）的狀態(tài)，8051的初始態(tài)。8051的復位方式可以是自動復位，也可以是手動復位。此外，RESET/Vpd還是一復用腳，Vcc掉電其間，此腳可接上備用電源，以保證單片機內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)不丟失(5)。圖3-4 上電自動復位 手動復位電路3.5 顯示電路3.5.1 LED數(shù)碼管顯示器顯示電路采用LED數(shù)碼管顯示器動態(tài)倒計時顯示?，F(xiàn)在的字符型液晶模塊已經(jīng)是單片機應用設計中最常用的信息顯示器件。但是其成本比較

19、高，二位一體數(shù)碼管顯示器成本低廉，且易于控制，制作方便。我們選用二位一體數(shù)碼管用于倒計時顯示。數(shù)碼管動態(tài)顯示介面是單片機中應用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅動是將所有數(shù)碼管的8個顯示筆劃"a,b,c,d,e,f,g,dp "的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的I/O線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機對位元選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。透過分時輪流控制各個LED數(shù)碼管的

20、COM端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅動。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點亮時間為12ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極體的余輝效應，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示資料，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O口，而且功耗更低。3.5.2 共陰極數(shù)碼管與共陽極數(shù)碼管數(shù)碼管分共陰極數(shù)碼管與共陽極數(shù)碼管。數(shù)碼管分共陰極數(shù)碼管與共陽極數(shù)碼管。它們的發(fā)光原理是一樣的，只是它們的電源極性不同而已。圖3-5例舉的是共陽極的LED數(shù)碼管，共陽就是7段的顯示字碼共用一個電源的正。LED數(shù)碼管原理圖示意(6)：圖3

21、-5 引腳示意圖 從上圖可以看出，要是數(shù)碼管顯示數(shù)字，有兩個條件：1、是要在VT端（3/8腳）加正電源；2、要使（a,b,c,d,e,f,g,dp)端接低電平或“0”電平。這樣才能顯示的。  共陽極LED數(shù)碼管的內(nèi)部結構原理圖圖3-6所示(7)： 圖3-6 共陽極LED數(shù)碼管的內(nèi)部結構原理圖 共陰極LED數(shù)碼管的內(nèi)部結構原理圖圖3-7：圖3-7 共陰極LED數(shù)碼管的內(nèi)部結構原理圖以下為如何測試數(shù)碼管是共陰極還是共陽極的方法。首先，我們找個電源（3到5伏）和1個1K（幾百歐的也行）的電阻，VCC串接個電阻后和GND接在任意2個腳上，組合有很多，但總有一個LED會發(fā)光的，找到一

22、個就夠了，然后GND不動，VCC（串電阻）逐個碰剩下的腳，如果有多個LED（一般是8個），那它就是共陰的了。相反用VCC不動，GND逐個碰剩下的腳，如果有多個LED（一般是8個），那它就是共陽的。也可以直接用數(shù)字萬用表，紅表筆是電源的正極，黑表筆是電源的負極(8)。3.5.3 數(shù)碼管共陰與共陽的驅動電路如果想使得數(shù)碼管亮，在實際操作中需要接一個驅動電路。 共陰極數(shù)碼管的驅動電路（圖A）以及共陽極數(shù)碼管（圖B）的驅動電路。分別如下圖3-8(9)。 圖A 圖B圖3-8 共陰/陽極數(shù)碼管的驅動電路3.6 電路原理圖3.6.1 原理圖(10)3.6.2 整體電路連接(11)圖3-10 整體電路連接其中

23、各LED燈分別為：D1代表南北方向直行的綠燈。D2代表南北方向直行的紅燈。D3代表南北方向左轉的綠燈。D4代表南北方向左轉的紅燈。D5代表東西方向直行的綠燈。D6代表東西方向直行的紅燈。D7代表東西方向左轉的綠燈。D8代表東西方向左轉的紅燈。4 軟件流程圖4.1主程序流程圖(12)開始初始化等待盤事件鍵鍵盤事件處理顯示程序處理5 程序源代碼#include<reg52.h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned charuchar code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x

24、07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71;/數(shù)碼管碼表(13)#define status1 0x56#define status2 0x59#define status3 0x6a#define status4 0x9a#define seg1 0xfe#define seg2 0xfduint tt,displaytime;int time;uchar nodisplay_flag; void delay(uint);/延時函數(shù)聲明void display(uint);/LED顯示函數(shù)聲明void init();/單片機初始化函數(shù)聲明void m

25、ain() init();while(1)/大循環(huán) if(tt=20) tt=0;nodisplay_flag=0;time-;if(time>=83)&&(time<=123) P1=status1; displaytime=time-83; if(time>=62)&&(time<=82) P1=status2; displaytime=time-62; if(time>=21)&&(time<=61) P1=status3; displaytime=time-21;if(time>=0)&&

26、amp;(time<=20) P1=status4; displaytime=time; if(time=0) time=124;if(nodisplay_flag!=1) display(displaytime);void delay(uint z) /延時函數(shù)延時大約Z毫秒 uint x,y;for(x=z;x>0;x-)for(y=120;y>0;y-); void display(uint x) /顯示 P0=0xff; P2=tablex/10; P0=seg1; delay(5); P0=0xff; P2=tablex%10; P0=seg2; delay(5);

27、 void init() /初始化函數(shù) tt=0;nodisplay_flag=1;time=124;TMOD=0x01;TH0=(65536-50000)/256;TL0=(65536-50000)%256; EA=1;ET0=1;TR0=1;P0=0xff; void timer0() interrupt 1/定時中斷周期50MS TH0=(65536-50000)/256;TL0=(65536-50000)%256;tt+; 6 程序運行仿真圖(14)圖6-1 第一階段圖6-2 第二階段圖6-3 第三階段圖6-4 第四階段7 實物拍攝(15) 7-1 LED交通指示燈 7-2 LED交通

28、信號燈結論本系統(tǒng)設計了一個十字形路口，通過充分利用了ATSC51芯片的I/O引腳來完成交通燈控制系統(tǒng)。系統(tǒng)統(tǒng)采用MSC-51系列單片機ATSC51來設計交通燈控制器，實現(xiàn)了能通過單片機的P1口設置紅、綠燈燃亮時間的功能以及紅綠燈循環(huán)點亮。 這次畢業(yè)設計，不僅是對前面所學知識的一種檢驗，而且也是對自己能力的一種提高。通過這次畢業(yè)設計使我明白了自己原來知識還比較欠缺。自己要學習的東西還太多，以前老是覺得自己什么東西都會，什么東西都懂，有點眼高手低。通過這次畢業(yè)設計，我才明白學習是一個長期積累的過程，在以后的工作、生活中都應該不斷的學習，努力提高自己知識和綜合素質。在完成畢業(yè)設計的過程中，我不斷的翻

29、閱資料，通過一次次的努力，終于將這次畢業(yè)設計完成，不僅知識上得到一個很大的提升，同時心里的成就感也不由而生。在整個設計中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨立工作的能力，樹立了對自己工作能力的信心，相信會對今后的學習工作生活有非常重要的影響。而且大大提高了動手的能力，使我充分體會到了在創(chuàng)造過程中探索的艱難和成功時的喜悅。雖然這個設計做的也不太好，但是在設計過程中所學到的東西是這次畢業(yè)設計的最大收獲和財富，使我終身受益?？偠灾?，這次畢業(yè)設計使我得到了一次用專業(yè)知識、專業(yè)技能分析、實際動手能力和解決問題全面系統(tǒng)的鍛煉，同時也使我在單片機的基本原理、單片機應用系統(tǒng)開發(fā)過程，以及在常用編程設計思路技巧（特別是C語言）的掌握方面都能向前邁了一大步，為日后成為合格的應用型人才打下良好的基礎。致 謝這次畢業(yè)設計，首先要感謝的使我們