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华北水利水电学院水利职业学院华北水利水电学院水利职业学院 电气自动化专业（三年制专科）毕业论文（设计）单片机交通信号灯控制系统单片机交通信号灯控制系统 姓名：贾西玉 学号：1131261 指导老师：陈素 完成时间：2013 年 12 月 摘要摘要 近年来，随着经济的不断发展，车辆的数量也随之飞速增长。交通堵塞的问题也时常发生，解决这一问题是城市交通所迫切的，交通管理制应当以智能化为目的，所以设计一个合理的交通信号灯控制装置系统意义重大。单片机的应用正在不断深入，单片机往往作为一个核心部分使用，交通信号灯控制方式很多，本文介绍了一种基于单片机控制的交通信号灯的控制系统。本系统采用 MCS-51系列单片机 AT89C51 为中心器件来设计交通灯控制器，以七段 LED作为交通灯红黄绿显示器系统采用上电自动复位，时间显示采用倒计时方式，四组红黄绿三色灯用发光二极管作为模拟交通信号灯，可以模拟各种道路交通灯控制情况。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。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。关键词：关键词：单片机 LED 数码显示 交通灯 单片机交通信号灯控制系统 机电与信息工程系 贾西玉 1 目录目录 第一章 绪论.3 1.1 引言.3 1.2 设计背景及意义.4 1.2.1 设计背景.4 1.2.2 设计意义.4 1.3 当前研究现状.5 1.3.1 交通信号灯在我国的发展情况.5 1.3.2 国内外交通系统发展现状.5 1.4 论文设计目标.6 第二章 基本理论知识及开发工具介绍.7 2.1 单片机概述.7 2.1.1 单片机的意义.7 2.1.2 AT89C51 芯片介绍.7 2.1.3 MSC-51 芯片简介.8 2.2 具体介绍交通信号系统.8 2.2.1 信号控制方式的分类.9 2.2.2 交通规则介绍.10 2.2.3 AT89c51 单片机交通信号灯控制系统元件清单 10 2.2.4交通信号控制硬件设备与控制系统信息传输系统简介.11 2.2.5 单片机交通信号灯控制系统框图.12 2.2.6 常用交通标志简介.13 2.3 设计方案.14 2.4 总体设计.15 2.4.1 功能概述.15 2.4.2 系统构成.16 主要功能.16 第三章 硬件设计.18 3.1 交通灯通行模式及行车方向.18 3.2 电路模块功能.18 3.2.1 时钟电路模块.18 3.2.2 复位电路模块.19 3.2.3 主控制系统模块.19 3.2.4 时间显示电路模块.21 3.2.5 系统电源模块电路.22 单片机交通信号灯控制系统 机电与信息工程系 贾西玉 2 3.3 系统硬件设计.22 3.3.1 交通信号灯硬件设计说明.23 3.3.2 系统工作原理.23 3.3.3 八段 LED 数码管.24 第四章软件设计.27 4.1 软件总体流程图.27 4.2 软件主要子程序流程.28 4.2.1 复位状态子程序.28 4.2.2 显示状态子程序.29 第五章系统调试分析及结果.31 5.1 系统硬件调试.31 5.2 系统软件调试.31 5.3 系统总体调试.31 结束语.33 总结.34 致谢.35 参考文献.36 附录一电路原理图.37 附录二实物图.37 附录三程序.38 单片机交通信号灯控制系统 机电与信息工程系 贾西玉 3 第一章第一章 绪论绪论 1.1 1.1 引言引言 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。但这一技术在 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。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 单片机交通信号灯控制系统 机电与信息工程系 贾西玉 4 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。1.2 1.2 设计背景及意义设计背景及意义 1.2.1.2.1 1 设计背景设计背景 交通掌握着城市经济活动的命脉，对发展城市经济起着重要作用。但是城市的交通问题对于困扰城市的发展、制约城市经济建设是个重要因素。城市街道网 络上的的交通容量的不断增加，表明车辆对道路容量的要求仍然很高，短期内还不能改变。而城市道路多十字路口、多交叉的特点，也决定了城市道路的交通状况必然受这种路况的制约。所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的多车道城市道路，缓解城区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理城市规划部门亟待解决的主要问题。在这种情况下，道路交通信号灯开始发挥了越来越重要的作用，并已成为交管部门管理交通的重要工具之一。1.2.2 1.2.2 设计意义设计意义 本文提出一种利用单片机自动控制交通灯及时间倒计时显示的方法，将整个系统缩小在一块小小的单片机上，提高了产品的经济性和轻便性。自从交通灯诞生以来，其内部的电路控制系统就不断的被改进，设计方法也开始多种多样，从而使交 单片机交通信号灯控制系统 机电与信息工程系 贾西玉 5 通灯显得更加智能化。尤其是近几年来，随着电子与计算机技术的飞速发展，电子电路分析和设计方法有了很大的改进，电子设计自动化也已经成为现代电子系统中不可缺少的工具和手段，这些为交通灯控制电路的设计提供了一定的技术基础。利用单片机控制技术，实现道路的最大通行效率。将理论与实践相结合，提高动手动脑能力，同时通过交通信号灯控制系统的设计，掌握定时计数器、中断的使用方法、简单程序的编写、最终提高逻辑抽象能力。1.3 1.3 当前研究现状当前研究现状 1.3.1 1.3.1 交通信号灯在我国的发展情况交通信号灯在我国的发展情况 智能交通系统的研究和推进在我国还处于起步阶段，但ITS作为跨世纪经济增长点和交通系统建设必然选择的重要性已得到国家有关部门的高度重视。1998 年 1月交通部正式批复成立交通智能运输系统工程研究中心(ITSC)。为加强该中心在交通智能交通系统的开发及试验能力，投资 1400万元建设交通智能运输系统中心试验室，将为今后国家制定道路交通运输的发展和政策提供科学依据，现已完成了“交通智能运输系统发展战略研究”。1998 年 2 月，在国家科委的领导下，交通智能交通系统工程研究中还与欧盟合作成立了中欧 ITS 信息服务中心(STICNISC/ITS)，并于同年 7 月正式向国际社会提供基于Internet 的信息咨询和技术服务。1.3.2 1.3.2 国内外交通系统发展现状国内外交通系统发展现状 随着现代社会对交通运输的日趋依赖，交通系统的控制越来越受到普遍的重视。近年来，英国、美国等西方国家均在某些城市建立智能交通控制系统。在这些系统中，大部分都在路口 单片机交通信号灯控制系统 机电与信息工程系 贾西玉 6 附近装有车辆检测器，并由各路口的控制设备或工作人员将交通控制参数通过电话线、电缆、光纤或是无线网络等方式输入到微处理器，用小型计算机控制。尤其是伴随着信息技术的发展，交通控制的概念已从交通管理者的行为改变为交通管理者和道路使用者共同的行为，从而使得交通的最优化向全局最优发展。在这些发展中，除了新设备的应用外，数据的采集、传输、处理、存储与发送等技术的发展也起了关键的作用。新型的监测器，包括用摄像机采集图像信息和进行图像处理技术，为人们提供了大量的时变数据；新的通信技术，包括光纤通信、无线通信等技术，能使人们更快的传送数据。而计算机技术的发展，使交通控制系统的发展又向前进了一大步。这些控制技术与现代控制理论、现代的管理方法相结合，使交通控制系统日趋完善。与国外相比，我国目前的交通控制很落后，目前中国城市的问题呈现如下些问题：管理不力，秩序混乱；没有科学、合理、有效的城市交通监控系统。由此带来的后果表现为道路的通行能力明显低于设计要求且波动性大、出行难，交通事故发生率高，交通环境恶化，出行者易疲劳等问题。1.4 1.4 论文设计目标论文设计目标 1.了解交通灯管理的基本工作原理 2.熟悉 AT89C51的工作原理和应用编程 3.熟悉 AT89C51并行接口的各种工作方式和应用 4.熟悉 AT89C51计数器/定时器的工作方式和应用编程外部中断的方法 5.掌握多位 LED显示问题的解决 单片机交通信号灯控制系统 机电与信息工程系 贾西玉 7 第二章第二章 基本理论知识及开发工具介绍基本理论知识及开发工具介绍 2.12.1 单片机概述单片机概述 2.1.12.1.1 单片机的意义单片机的意义 单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和 I/O 接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。单片机经过 1、2、3、3代的发展，目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展，它们的 CPU 功能在增强，内部资源在增多，引角的多功能化，以及低电压底功耗。2.1.2 AT89C512.1.2 AT89C51 芯片介绍芯片介绍 单片机主控电路的主要元件是 AT89C51，AT89C51是一个低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 4k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和 128 bytes 的随机存取数据存储器（RAM），器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存储技能生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51 提供了高性价比的处理方案。AT89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含 2个外中断口，2个 16位可编程定时计数器,2 个全双工串行通信口，AT89C51 可以按照常规要领执行 编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器 单片机交通信号灯控制系统 机电与信息工程系 贾西玉 8 和 Flash 存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash存储器可有效地降低开发成本。AT89C51 各中断源向量地址如图.所示：图.AT89C51 各中断源向量地址 2.1.3 MSC2.1.3 MSC-5151 芯片简介芯片简介 MCS-51 单片机内部结构：8051 是 MCS-51 系列单片机的典型产品，它包含中央处理器、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，现在我们分别进行简单介绍：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。2.2 2.2 具体介绍交通信号系统具体介绍交通信号系统 中断源 向量地址 外部中断 0(INTO)(IEO)0003H 定时/计数器 0(TF0)000BH 外部中断 1(INT1)(IE1)0013H 定时/计数器 1(TF1)001BH 串行通讯(RI+TI)0023BH 单片机交通信号灯控制系统 机电与信息工程系 贾西玉 9 2.2.1 2.2.1 信号控制方式的分类信号控制方式的分类 使用信号机控制交通流称为交通信号控制，交通信号控制的目的是与交通量相适应，用时间比分配给相互交错的交通流通行权。信号控制的方式和分类有很多种。本文按控制的范围将信号控制分为点控、线控和面控。（1）点控 单点交叉口交通信号控制通常简称为“点控制”。它以单个交叉口为控制对象，通过灯色的变化，在保证安全的前提下尽可能多地使各方向车辆通过。它是交通信号控制的最基本形式。点控制又可分为：定周期控制、感应式信号控制及模糊逻辑式信号控制。（2）线控“线控”是干道交通信号协调控制系统的简称，就是把一条主干道上一批相邻的交通信号联动起来，让干线上交叉口的信号控制器具有相同的周期，绿信号开启时间相继错开，从而使干线上行驶的车辆尽可能少遇或不遇红灯以减少延误，以便提高整个干道的通行能力。（3）面控 区域交通信号控制系统简称为“面控”，它把整个区域中所有信号交叉口作为协调控制的对象。控制区内各受控交通信号都受中心控制室的中央控制机集中控制，从而可以提高道路通行能力，增加交通安全，节省能源和减少污染等等。无论哪种控制，其控制变量主要有三个：信号周期，绿信比和相位差。点控制只需控制前两个变量即可。总之，交通控制过程可描述如下：根据交通法规，通过信号灯色的变化指示 单片机交通信号灯控制系统 机电与信息工程系 贾西玉 10 或提示车辆在交叉口处通信或暂停，在保证安全的前提下最大限度地提高交叉路口的通行能力。2.2.2 2.2.2 交通规则介绍交通规则介绍 通行制是道路交通规则中的最基本原则，不然的话，人们在道路上随意走动，通必然造成交的无秩序，车辆和行人各行其道是交通秩序的重要表现。世界现存有两种通行制：一是左行制，另一是右行制。全世界大约有 90%的国家实行右行制，将来全世界有可能统一采用右行制。我国也是采用右行制。现将一些基本的交通规则介绍如下：1、系统设置四组红、黄、绿交通指示灯，并配置四队 LED显示器。正常情况下两个干线上的红、黄、绿灯进行转换。2、东西方向和南北方向交替通行，东西方向每次放行 60秒，南北方向每次放行 60秒。3、绿灯亮表示可以通行，红灯亮表示禁止通行，每次绿灯变红灯前，黄灯亮 5秒钟。4、十字路口要有倒计时显示，以便人们更方便直观的把握时间，具体要求东西方向、南北方向通行时间及黄灯亮的时间均以秒为单位作减计数。2.2.3 AT89c512.2.3 AT89c51 单片机交通信号灯控制系统元件清单单片机交通信号灯控制系统元件清单 元 件名称 型号 数量 用途 元 件名称 型号 数量 用途 单 片机 AT89C51 1个 控制核心 集 成块 74LS04 1个 按键电路 单片机交通信号灯控制系统 机电与信息工程系 贾西玉 11 图.AT89c51 单片机交通信号灯控制系统元件清单 2.2.42.2.4 交通信号控制硬件设备与控制系统信息传输系统简交通信号控制硬件设备与控制系统信息传输系统简介介 信息传输系统，也叫通讯系统，就是把信息从一个地方传输到另一个地方。1、交通信号灯的硬件设备。其构成可分为以下五部分：（1）信号灯：就是悬挂在道路上空或设置在路侧灯柱上的发光装置，内装彩色信号灯；（2）车辆检测器：车辆通过检测器时，由感应原理可以检测交通参数的设施，是感应式信号控制系统的必要设施；（3）无线遥控装置：启闭信号灯，控制紧急车辆通过时的红晶振 12MHz 1个 晶振电路 集 成块 74LS86 1个 按键电路 电容 30pF 2个 晶振电路 电阻 4.7k 2个 按键电路 电 解电容 10UF/10V 1个 复位电路 按键 4个 按键电路 电阻 10k 1个 复位电路 电阻 300 12个 LED限流 驱 动器 74LS07 1个 LED驱动 电源+5V/0.5A 1个 提供+5V电源 发 光二 极管 LED 12个 黄、红、绿、灯 单片机交通信号灯控制系统 机电与信息工程系 贾西玉 12 灯；（4）电子警察(摄像机)：监控违章车辆；（5）单片机系统：整个信号灯控制的核心；2、控制信息传输系统也是交通信号控制系统中的重要组成部分。通信系统的组成：a）信道的容量 信息传送的通路通常称为信道或线路。描述一个信道不仅要通过它所连接的点到点的地理通路，而且还要根据它所具有的携带信息的容量。b）信道的方向 单工：在信息源和接收器之间提供单一的单向性通道。半双工：这种通信方式是在A站和B站之间只有一个通信信道，数据要么是 A站发送，B站接收，要么 B站发送，A站接收。双工：（1）允许信息同时在两个方向上传输的信道。（2）数字数据传输 （3）调制和解调 2.2.52.2.5 单片机交通信号灯控制系统框图单片机交通信号灯控制系统框图 单片机交通信号灯的控制系统由电源电路、单片机主控电路、按键控制电路、道路显示电路几部分组成，框图组成如 2.3 单片机交通信号灯控制系统 机电与信息工程系 贾西玉 13 图.单片机交通信号灯控制系统框图 2.2.6 2.2.6 常用交通标志简介常用交通标志简介 交通标志是交通系统中重要的一部分，用以帮助驾驶员掌握方向情况。现将部分常用标志介绍如下：直行 向左转弯 向右转弯 直 行 向 右 转弯 向 左 和 向 右转弯 靠 右 侧 道 路行驶 靠左侧道路行驶 立交直行/右转弯 行驶 电源电路 复位电路 晶振电路 按键电路 单 片 机AT89C51 驱 动电 路 驱动电 路 A道 LED显示电路 B 道 LED显示电路 单片机交通信号灯控制系统 机电与信息工程系 贾西玉 14 环岛行驶 直 行 向 左 转弯 立交直行和转弯行驶 鸣喇叭 机动车道 准许试刹车 单向行驶（向左/向右）单向行驶（直行）表 2.4 指示标志 2.32.3 设计设计方案方案 方案一：交通控制系统主要控制东西、南北，车道的交通，整个系统以 STC89C52RC 单片机为核心芯片，通过控制三色 LED 的亮灭来控制各车道的通行，另外通过复位键来恢复到程序的初始状态。总体设计框图如图 2.5 所示：图 2.5 方案一设计框图 单片机交通信号灯控制系统 机电与信息工程系 贾西玉 15 方案二：采用标准 STC89C52RC 单片机为控制器，通行倒计时显示采用 3 位数码管；车道指示灯采用三色发光二极管，LED 显示采用动态扫描，以节省端口。紧急车辆通行采用实时中断完成，识别方法采用手动按钮。按以上系统构架设计，单片机端口资源刚好满足要求。该系统具有电路简单，设计方便，显示亮度高耗电少，可靠性高，但是占用单片机资源太多了，整个框图设计如图 2.6 所示：图 2.6 方案二设计框图 方案三：采用标准 STC89C52 单片机为控制器，通行倒计时、东西、南北车道通行指示采用单块 LCD 液晶点阵显示器。这种方案设计占用单片机的端口最少，硬件也最少，耗电也最少，虽然显示图案也精美，但由于亮度太暗，晚上还得开背光灯，所以较少采用。通过以上综合分析可以看出，方案一具有综合设计优点，因此城市道口交通灯控制系统模型采用方案一设计。2.4 2.4 总体设计总体设计 2.4.12.4.1 功能概述功能概述 本设计由单片机、LED 数码显示模块和按键等构成。单片 单片机交通信号灯控制系统 机电与信息工程系 贾西玉 16 机是集成的 IC芯片 STC89C52单片机，只需根据实际选型。其他部分都需要根据应用要求和性能指示设计。本系统交通灯控制规则如下：1）系统设置四组红、黄、绿交通指示灯，并配置四队 LED显示器。正常情况下两个干线上的红、黄、绿灯进行转换。2)东西方向和南北方向交替通行，东西方向每次放行30秒，南北方向每次放行30秒。3)绿灯亮表示可以通行，红灯亮表示禁止通行，每次绿灯变红灯前，黄灯亮5秒钟。4）十字路口要有倒计时显示，以便人们更方便直观的把握时间，具体要求东西方向、南北方向通行时间及黄灯亮的时间均以秒为单位作减计数。2.4.2 2.4.2 系统构成系统构成 整个系统的构成以 STC89C52RC 单片机为核心，由 I/O 口扩展，LED数码管显示，还有复位电路、时钟电路等组成。单片机作为整个硬件系统的核心。主要功能 兼容 MCS51 8K可反复擦写 Llash ROM 32 个双向 I/O口 256x8bit 内部 RAM 3 个 16 位可编程定时/计数器中段 时钟频率 0-MHz24 2 个串行中段 可编程 UART串行通道 2 个外部中断源 共 6个中断源 2 个读写中段口线 3 级加密位 单片机交通信号灯控制系统 机电与信息工程系 贾西玉 17 图 2.7主要功能 它既是协调整机工作的控制器，又是数据处理器。它由单片机、晶振电路、复位电路等组成。行车方向指示采用 LED发光二极管，可有红、绿两种颜色指示放行与禁止，黄灯作为红绿转换的提示，形象直观。系统采用双数码管倒计时计数功能，最大显示数字 99。低功耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能 单片机交通信号灯控制系统 机电与信息工程系 贾西玉 18 第三章第三章 硬件设计硬件设计 3.1 3.1 交通灯通行模式及行车方向交通灯通行模式及行车方向 按交通灯控制规则，每个道口有红、黄、绿三种指示灯，2组 LED数码管按照设置的通行时间（各路口默认的通行时间均为 60s）进行倒计时，倒计时到 5S 时，绿灯变成黄灯，并各自进行红、黄、绿灯显示，共有两种通行方式.通行默认时间为 60s，系统设置了任意更改功能，可以根据实际情况进行调整，以提高车辆通过率，缓减交通压力。在通行结束前 5秒钟，黄灯亮直至结束。本设计选用 LED发光二极管的红绿灯状态用来指示交通指示信息。绿色表示通行，红色则表示禁止通行，黄灯等待。你所有指示信息一目了然。3.2 3.2 电路模块功能电路模块功能 3.2.13.2.1 时钟电路模块时钟电路模块 时钟电路由一个晶体振荡器 12MHZ和两个 30pF的瓷片电容组成。时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各信号之间的相互关系。单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地工作。图 3.1 时钟电路模块 单片机交通信号灯控制系统 机电与信息工程系 贾西玉 19 3.2.23.2.2 复位电路模块复位电路模块 复位电路是使单片机的 CPU 或系统中的其他部件处于某一确定的初始状态，并从这状态开始工作，除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要按复位电路以重新启动。本设计采用的是按键复位电路。其电路如图 3.2所示 图 3.2 复位电路模块 3.2.33.2.3 主控制系统模块主控制系统模块 主控制器采用 STC89C52RC，STC89C52RC 单片机是宏晶科技推出的新一代高速/功耗低/抗干扰能力强的单片机，8051单片机和其指令代码可以很好的兼容，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。其特点如下：单片机交通信号灯控制系统 机电与信息工程系 贾西玉 20 1.增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，8051单片机和其指令代码可以很好的兼容。2.工作时的电压：5.5V3.3V（5V 单片机）/3.8V2.0V（3V 单片机）。3.工作频率的范围：040MHz，基本上和普通8051的080MHz 一样，实际它的工作频率基本上可达到48MHz。4.用户应用程序空间为 8K 字节。5.片上集成 512 字节 RAM。6.通用 I/O口（32个）复位后为：P1/P2/P3/P4为准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，当它当作 I/O口就需要加上拉电阻，而当它当作总线扩展用时，就不需要加上拉电阻了。7.ISP/IAP，不需要专门用的编程器，不需要专门用的仿真器，它可以通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接来下载用户需要的程序，几秒钟就可以完成一片。8.具有 EEPROM功能。9.具有看门狗的功能。10.共3个16位定时器/计数器。即定时器 T0、T1、T2。11.外部中断4路，低电平触发电路或者是下降沿中断，外部中断低电平触发中断方式可以唤醒 Power Down模式。12.通用异步串行口（UART），另外定时器软件还可以使它实现多个 UART。13.工作时温度的范围：-40+85（工业级）/075（商业级）。14.DIP 封装。单片机交通信号灯控制系统 机电与信息工程系 贾西玉 21 图 3.3 主控置系统模块电路 3.2.43.2.4 时间显示电路模块时间显示电路模块 考虑设计需要，我们在各个方向分别用二位数码管用来显示倒计时时间，构成交通提示信息，形象逼真。本系统的倒计时显示功能是用数码管来实现的。以方向东西为为例，数码管上面所显示的数值从绿灯所设置的时间最大值不停往下递减，每秒钟减 1，一直减到 0，然后相同原理的红灯、绿灯如此循环。系统共有 1个二位 LED数码管，在模拟的交通灯控制板上面的四组交通灯间分别放置着。基本上四个方向所显示的内容上都应该是相同的，因此这四组我们可以同样看待，只用了一组数码管来模拟。所以把四组的数码管个位用一根信号线控制，十位用另一根信号线控制。道口通行剩余时间采用红色 7段数码管显示，采用共阴数码管，如用单片机 P0口加上拉电阻驱动，P3.0/P3.1 来控制数码管的位。单片机交通信号灯控制系统 机电与信息工程系 贾西玉 22 图 3.4 数码管显示模块电路 3.2.53.2.5 系统电源模块电路系统电源模块电路 由于该系统中 51单片机及三极管工作电压均为 5V电压，所以要保证系统稳定可靠的工作，需要设计一个可以稳定提供5V电压的供电系统。本设计采用外置 5V稳压开关电源作为系统的供电电源，系统电源输入接口要加滤波电容以确保工作电压稳定。电源输出接口加上 LED 电源指示灯，用来判定电源是否正常工作。该系统电源电路设计如图 3.2 图 3.2 系统电源电路设计 3.33.3 系统硬件设计系统硬件设计 单片机交通信号灯控制系统 机电与信息工程系 贾西玉 23 3.3.13.3.1 交通信号灯硬件设计说明交通信号灯硬件设计说明 系统选用 MSC-51系列的 AT89C51单片机作为控制器，选择两个四联的共阴极数码管组成8位显示模块，由于 AT89C51单片机的驱动能力有限，所以信号灯控制器由两片74HC244实现总线的驱动，一个74HC244完成位控的控制和驱动，另一个74HC244完成数码管的7段输出，在输出口上个串联一个100欧姆的电阻和7段数码管限流。通过 P2用做输出显示控制口。P0口通过电阻和数码管控制 LED数码管实现交通倒计时的记录，P3.0P3.5则实地点亮红绿黄灯的控制，P1口当做普通输入口直接控制人行道红绿灯规律变化。当单片机复位之后，默认处于倒计时模式，启动定时器，定时器每隔150us 溢出一次，根据定时器溢出次数来计时，到1秒时将时间的计数器减一，当“设置键”按下，存放倒计时初值的空间由0变为1，切换到设置模式。可以使用“递增键”“递减键”对计时初值进行修改。按下“确认键”时，回到计时模式开始以新的初始值进行倒计时，当倒计时为0时，存放时间的空间里的内容由1变为2，处于闪烁状态，在这种状态下，根据按键的情况有分别切换到计时和设置状态。3.3.23.3.2 系统工作原理系统工作原理 （1）根据交通流量的不同，交通信号灯的控制分为自动控制和手动控制两种。平时使用自动控制，高峰期或特殊情况下使用手动控制。（2）交通灯初始时间通过开关键盘输入，由 8051单片机 P1接口输入到系面。（3）由 8051单片机的定时器每秒钟通过 P0口向 8255的数据口送信息，由 82553 的 PA 口显示红、绿、黄灯的亮灭情况；单片机交通信号灯控制系统 机电与信息工程系 贾西玉 24 由 8255 的 PC口显示每个灯的亮灭时间。（4）8051 通过设置 各个信号灯的亮灭时间、通过 8031 设置，绿、红、黄时间分别为 25秒、25 秒循环。（5）系统的工作或初值设置通过 8051 单片机的 P3.0位来控制，当 P3.0位 为 0 就对系统进行初始化，为 1 系统就开始工作。（6）红灯倒计时时间，当有车辆闯红灯时，启动蜂鸣器进行报警，3S后然 后恢复正常。（7）当有特殊情况发生时，通过手动开关控制。如开辟绿色通道时，此时，所有的路口亮红灯。（8）增加每次绿灯时间车流量检测的功能，并且通过查询P2.0 端口的电平是否为低，开关按下为低电平，双位数码管显示车流量，直到下一次绿灯时间重新记入。（9）绿灯时间倒计时完毕，重新循环。3.3.3 3.3.3 八段八段 LEDLED 数码管数码管 配置简易形式的 CRT接口，可以较方使池进行图形显示。数码管在该电路中主要是显示单片机的输出数据、状态等，因而，作为外围典型器件，数码管显示是反映系统输出和操纵输入的有效器件。数码管具备数字接口，可以很方便地和单片机系统连接；数码管的体积小，重量轻，并且共好低，是一种理想的显示单片机数据输出内容的期间，在单片机系统中有着重要的作用。LED显示器结构与原理 单片机交通信号灯控制系统 机电与信息工程系 贾西玉 25 图 3.3七段 LEDM 码的显示码 LED显示块是由发光二极管显示字段的显示器件，在单片机应用系统中通使用的是七段 LED。通常的七段显示器（也有人称为七节显示屏）是由八个发光二极管所组成的，因此也被叫做八段显示器。其中包括七个细长条形的 LED及小数 点行的 LED，显示器的每一段或没一划都有其名称，分别是英文小写的 a 到 f，以及小数点 dp（DECIMAL POINT）。七段显示器可以显示包括小数点的 0 到 9 数字与部分的英文字母。在近年来，由于生产器件的工艺的进步，也出现了十六段码 LED显示器和点阵式单色和双色显示器，这些 LED显木器被广泛应显 示 字符 共阴极段选码 共 阳 极段选码 显 示 字符 共 阴 极段选码 共 阳 极段选码 0 3FH C0H C 39H C6H 1 06H F9H D 5EH A1H 2 5BH A4H E 79H 86H 3 4FH B0H F 71H 8EH 4 06H F9H P 73H 8CH 5 6DH 92H U 3EH C1H 6 7DH 82H H 76H 89H 7 07H F8H I 31H CEH 8 7FH 80H Y 6EH 91H 9 6FH 90H 8.FFH 00H A 77H 88H“灭”00H FFH B 7CH 83H 单片机交通信号灯控制系统 机电与信息工程系 贾西玉 26 用于电梯、大屏幕 LED显示器、公共汽车报站器、车站车次显示等领域，特别是点阵式双色显示器的出现，极大的方便了汉字的显示和图形显示，为其在网民经济的领域的 应用拓宽了道路.以共阳极的七段显示器为例，若想要显示数字 1时，就要使 b 划与 c 划点亮，在电路上我们会把共同点接到正电源端（+5V），标示 b与 c 的地方经过限流电阻到地，就可以显示数字 1。如果是单个的数码管，七段显示器是直接点亮的，亦即用 8 位去推动一个七段显示器。如果有多位数字要显示时，可以用扫描的方式显示，以节省控制脚位。七段显示块与单片机接口非常容易。只要将一个 8 位并行输出门与显示块的发光二极管引脚相连即可。8 位并行输出门输出不同的字节数据即可获得不同的数字或字符，其段码如表所示。通常将控制发光二极管的 8 位字节数据称为段选码。共阳极与共阴极的段选码义为补数。单片机交通信号灯控制系统 机电与信息工程系 贾西玉 27 第四章软件设计第四章软件设计 4.1 4.1 软件总体流程图软件总体流程图 根据实际交通灯的变化情况和规律。假设一个十字路口为东南西北走向。初始状态 1 东西绿灯通车，南北红灯亮。过 30s，转状态 2，东西绿灯灭黄灯亮，南北红灯灭黄灯亮，过 5s，再转状态 3，南北绿灯通车，东西红灯亮。过 30s，转状态 4，南北绿灯灭黄灯亮，东西红灯灭黄灯亮，过 5s，又循环至状态 1。对于交通信号灯来说东西南北共四组灯，由于同一道上的两组的信号灯的显示情况是相同的，因此，采用单片机内部的 I/O口来控制 12个信号灯。通过编写程序，实现对发光二极管的控制，来模拟交通信号灯的管理。总体流程图 4.1 a 紧急情况时的中断服务程序 中 断 响 保护现场 A红灯、B 红灯 延时 20s 恢复现场 返回 单片机交通信号灯控制系统 机电与信息工程系 贾西玉 28 b 总体流程图 c 正常情况下交通灯控制流程图 4.24.2 软件主要子程序流程软件主要子程序流程 4.2.4.2.1 1 复位状态子程序复位状态子程序 现今社会经济发展状况下，我们身边的交通状况显得越来越拥挤。在道路交通突然状况也越来越多，特别是在车禁行、行人通行。紧急情况结束后按下复位按钮再转成自动状态，如图 4.2 所示：单片机交通信号灯控制系统 机电与信息工程系 贾西玉 29 图 4.2 复位状态子程序 4.2.24.2.2 显示状态子程序显示状态子程序 图 4.3 显示状态子程序 单片机交通信号灯控制系统 机电与信息工程系 贾西玉 30 本设计各路口灯比较多，各通行状态前文已有描述在此不一一赘述。虽然整个系统 LED 灯的数量比较多，但各个方向的灯各司其职使交通指挥更加显而明了。在人为手动复位和初始化的情况下，各路口所有交通灯均点亮。此时若有 LED 灯出现故障，一目了然，可以及时检修。若有紧急中断信号出现，显示子程序优先处理中断程序，将所有路口的信号灯置为红色禁止通行。紧急状态解除各信号灯再进入正常状态显示。单片机交通信号灯控制系统 机电与信息工程系 贾西玉 31 第五章第五章系统调试分析系统调试分析及结果及结果 5.15.1 系统硬件调试系统硬件调试 在设计过程中，交通灯控制系统的 PCB电路板所需要的焊接工作量是非常大的，在电路的安装完成以后，首先需要对它进行检查，即确保电路没有虚焊，没有短路和断路，集成元件安装没有错误后，电路调试后功能模块分类，根据电路的功能进行了一步一步：对通行方式功能（包括两种通行方式）、指示灯的亮度和驱动电路、倒计时功能、数码管的亮度、复位功能等的调试。5.25.2 系统软件调试系统软件调试 本系统的软件系统很大，选用一般的单片机通信 C语言程序进行编写和调试。除了语法差错外，当确认程序没问题时，通过直接下载到单片机来调试。采取的是自下到上的调试方法，即单独调试好每一个模块，然后再连接成一个完整的系统，最后完成一个完整的系统调试。5.35.3 系统总体调试系统总体调试 系统做好后，进行系统的完整调试。主要任务是检验实现的功能及其效果并校正误差。测试一开始，我们就发现了系统出现了 个问题：一是有一部分交通灯亮度不够，所发出来的光非常的微弱以致于几乎感觉不到它的亮度。这与设计的要求完全不符。为了找出这个问题和解决方法，查找了电路的输出各部分的输出电平。发现了一个现象，我们采用的数码管是共阴极数码管。而控制数码段显示的