基于单片机的交通信号灯控制系统设计毕业设计说明书.pdf

毕业设计论文1基于单片机的交通信号灯控制系统设计摘要随着微控技术的日益完善和发展，单片机的应用不断走向深入。它的应用必定导致传统的控制技术从根本上发生变革。它在工业控制、数据采集、智能仪表、机电一体化、家用电器等领域得到广泛的应用，极大地提高了这些领域的技术水平和自动化控制。同时，伴随着我国经济的高速发展，私家车、公交车的增加，无疑会给我国的道路交通系统带来沉重的压力，很多大城市都不同程度地受到交通堵塞问题的困扰。为解决交通堵塞问题，采用 AT89C52 单片机为核心,两位七段数码管及 LED 组成显示电路，设计出以人性化、智能化为目的的交通灯控制系统，如遇特殊情况可人为控制交通从而解决交通堵塞的实际问题，整个电路简单，易于实现。关键词关键词：单片机；交通信号灯；自动控制。基于单片机的交通信号灯控制系统设计2目录目录引言.3一 交通信号灯控制系统设计任务.41.1 设计任务.41.2 性能指标.4二 交通灯控制系统硬件设计.52.1 设计思路.52.2 功能设计.52.2.1 通行方案设计.52.2.2 输入方案选择.72.3 交通灯控制系统硬件设计.72.3.1 时钟电路模块.82.3.2 复位电路模块.92.3.3 数码管显示电路.92.3.4 交通灯输出控制电路.112.3.5 键盘控制模块.11三 交通信号灯控制系统程序设计.133.1 软件流程图.133.2 交通灯定时器模块.14四 仿真.154.1 加载目标代码文件.154.2 仿真运行调试.15五 结论.18六 致谢.19附件一 电路总原理总图.21附录二 电路仿真图.22附录三 元件清单.23附录四 实物图.24附录五 源程序.25毕业设计论文3引言引言随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。交通信号灯安装在各个道路口上，已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段，这一技术在10 世纪就已经实现了。信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏通交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。基于单片机构成的城市交通信号灯控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率，但利用单片机控制交通信号灯涉及到一些现实问题，诸如信号灯驱动，车辆到达的感知等。为此，我们才用模拟方式进行说明。所谓模拟，就是用绿、黄、红色三只共 4 组发光二极管代替交通信号灯。目前，城市交通信号灯控制系统应用广泛，因此，开发这种系统非常的实用。基于单片机的交通信号灯控制系统设计4一 交通信号灯控制系统设计任务一 交通信号灯控制系统设计任务1.1 设计任务1.1 设计任务利用单片机设计一个十字路口交通信号灯控制系统，该交通信号灯控制器有一条主干道和一条只干道汇合成十字路，在每个入口处设置红、绿，黄三色信号灯，红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停在禁行线外，并有倒计时系统显示信号灯转换时间。用红、绿、黄发光二极管作信号灯，两位七段数码管显示时间来控制交通信号灯的变化。交通信号灯示意图如图1-1 所示。图 1-1交通信号灯示意图1.2 性能指标1.2 性能指标1，设计硬件电路：包括主控制器单片机、时钟电路、键盘与显示等电路；2，南北方向为绿灯时及黄灯时，东西方向为红灯，反之亦然；3，南北方向绿灯时间为 30s，然后黄灯闪烁 3s，再红灯亮 33s；4，各路口各灯亮时，利用两位数码管显示倒计时时间；5，设计按键，能更改各方向绿灯、黄灯、红灯的时间；毕业设计论文5二 交通灯控制系统硬件设计二 交通灯控制系统硬件设计2.1 设计思路2.1 设计思路（1）认真阅读任务书，了解设计任务；（2）设计一个符合任务书要求的方案；（3）利用 Protues 软件进行硬件原理图的绘制；（4）进行程序流程图的绘制和软件的编写并进行仿真；（5）完成实物的制作与调试。2.2 功能设计2.2 功能设计本设计能模拟基本的交通控制系统，用红绿黄等表示禁行，通行和等待的信号发生，还能进行倒计时显示，通行时间调整等功能。（1）基本功能采用红绿黄三种颜色的 LED 灯的亮灭来模拟信号灯，从而达到控制车辆的通行。（2）倒计时显示功能采用两位七段数码管来显示时间，来告知行人和车辆通行时间和等待时间。（3）时间可调功能通过按键对时间进行手动设置，增加了人为的可控性，避免车少长等和减缓车多交通堵塞的麻烦。2.2.1 通行方案设计2.2.1 通行方案设计十字路口分为东西向和南北向，在任意时刻只有一个方向通行，另一方向禁行，并持续一段时间，进过短暂的过渡时间，将通行禁止方向对换。其具体状态如图 2-1 所示。说明：黑色表示亮，白色表示灭。交通状态从状态 1 开始变换，直至状态 4然后循环至状态 1，周而复始。基于单片机的交通信号灯控制系统设计6图 2-1交通信号灯状态通过对具体的十字路口交通灯状态的演示分析如表 2-1 所示，可以把这四个状态归纳如下：状态 S1：东西方向绿灯亮，允许通行，南北方向红灯亮，禁止通行；状态 S2：东西方向绿灯转黄灯闪烁，允许通行，南北方向红灯亮，禁止通行；状态 S3：东西方向红灯亮，禁止通行，南北方向绿灯亮，允许通行；状态 S4：东西方向红灯亮，禁止通行，南北方向绿灯转黄灯闪烁，允许通行；依上述分析，东西的通行时间为状态 S1 和状态 S2 的时间之和，南北的通行时间为状态 S3 和状态 S4 的时间之和，因此可以列出各个路口等的状态转换如表 1所示（其中逻辑值“1”代表执行通行，逻辑值“0”代表禁止通行，逻辑值“L”代表绿灯转黄灯）：毕业设计论文7表 2-1 交通状态转换表2.2.2 输入方案选择2.2.2 输入方案选择方案一：采用 8155 扩展 I/O 口、键盘及显示等。该方案的优点是使用灵活可编程，并且有 RAM 及计数器。方案二：直接在 I/O 口线上接上按键开关。由于该系统是对交通灯及数码管的控制，只需用单片机本身的 I/O 口就可实现，故选择方案二。2.3 交通灯控制系统硬件设计2.3 交通灯控制系统硬件设计硬件设计是整个系统的基础，除了实现交通灯基本功能以外，要考虑的方面很多，主要考虑如下几个因素：系统稳定度；器件的通用性或易选购性；软件编程的易实现性；系统其它功能及性能指标；因此硬件设计至关重要。现从各功能模块的实现逐个进行分析探讨。根据设计的要求，单片机选用 AT89C52，其内部带有 8KB 的 Flash ROM，设计时无需外接程序存储器，为设计和调试带来极大的方便。四个方向个采用三个红、状态时间东西南北绿灯黄灯红灯绿灯黄灯红灯S130100001S230L0001S330001100S430010L0基于单片机的交通信号灯控制系统设计8黄、绿 LED 灯和 1 个两位的数码管，来实现改方向的指示灯的点亮时间倒计时。按键可以根据系统的需要来进行操作。系统硬件框图如图 2-2 所示：AT89C52单片机复位电路晶振电路按键电路数码管显示电路交通灯输出控制电路电源图 2-2 系统硬件框图2.3.1 时钟电路模块2.3.1 时钟电路模块AT89C52 片内有一个由高增益反相放大器构成的振荡电路。XTAL1 和 XTAL2 分别为振荡电路的输入、输出端。其振荡电路有两种组成方式：片内振荡和片外振荡。片内振荡器如图 2-3 所示，在 XTAL1 和 XTAL2 引脚 2 端跨接石英晶体振荡器和两个微调电容构成的振荡电路，通常 C1 和 C2 一般取 30pF,晶振的频率取值在1.2MHz-12MHz 之间。图 2-3 时钟电路模块毕业设计论文92.3.2 复位电路模块2.3.2 复位电路模块在 RST 输入端出现高电平时实现复位和初始化。在振荡运行的情况下，要实现复位操作，必须使 RST 引脚至少保持两个机器周期（24 个振荡周期）的高电平。CPU 在第二个机器周期内执行内部复位操作，以后每一个机器周期重复一次，直至RST 端电平变低。如图 2-4 所示：图 2-4复位电路2.3.3 数码管显示电路2.3.3 数码管显示电路（1）数码管介绍两位数码管的引脚结构如图 2-5 所示：数码管内部由 16 个发光二极管（简称位段）组成，其中有 14 个条形发光二极管和 2 个小圆点发光二极管，当发光二极管导通时，相应的线段或点发光。图 2-5 数码管的引脚排列基于单片机的交通信号灯控制系统设计10（2）数码管的字形编码要使数码管显示某个字符，必须使他的 8 个位段上加上相应的电平组合，即一个 8 位数据，通常用的位段编码规则如表 2-2 所示：表 2-2 数码管编码规则D7D6D5D4D3D2D1D0dpgfedcba（3）数码管的显示方法在本次设计中，我采用动态显示来完成倒计时显示，动态显示是一种一位一位地轮流点亮各位数码管的显示方式，即在某一时段，只选用以为数码管的“位选端”，并送出相应的字形编码，依此规律循环下去，即可使各位数码管分别间断地显示出相应的字符。(4）数码管显示的工作原理在十字路口交通灯控制中，每个路口显示时间是两位的，共需要 4 个两位数码管。在这里采用动态显示方式，使用 AT89C52 芯片来实现。P0 口接在数码管的位段以及在 P0 口与数码管位段之间外加 1 个排阻，PR1 排阻是上拉电阻，其功能是在这个引脚没有信号的时候，起到电位上拉的作用。数码管驱动电路使用 4 个PNP 型三极管，分别驱动 4 个数码管，实现每个路口时间显示。数码管的 1、2 引脚分别接在三极管的集电极，数码管显示电路如图 2-6 所示：图 2-6 数码管显示电路毕业设计论文112.3.4 交通灯输出控制电路2.3.4 交通灯输出控制电路交通灯分别有红、黄、绿三种，用发光二极管代替，每个车道有红、黄、绿三种信号灯，有 4 个路口，东、北方向的发光二极管阳极依次相连并在末端外接一个高电平，发光二极管阴极依次接到 P2 口 P2.7P2.2 引脚，西、南方向同理，当单片机输出口为低电平时，LED 亮，为高电平时，LED 不亮，这样只要编程控制单片机该输出口，就可以控制信号灯的亮灭。在本电路中，P2 口的 P1、P2 引脚分别接一个电阻，起到限流的作用。P2 口引脚接到 LED 的阴极，P2 口引脚输出低电平时对应的 LED 点亮，输出高电平时对应的 LED 熄灭。交通灯控制电路如图 2-7所示：图 2-7 交通灯控制电路2.3.5 键盘控制模块2.3.5 键盘控制模块（1）交通灯控制的键盘模块设计采用独立键盘，有设置按键、加键、减键、和模式切换键 4 个按键。当有设置键按下时，才能按下加键或减键调节通行时间的增加或减少，当没有设置键按下时，按下加键、减键无效，模式键是用来切换交通信号灯的显示状态。这 4 个按键分别接到单片机 P1 口的 P1.0、P1.1、P1.2和 P1.3 引脚，按键及状态显示如图 2-8 所示：基于单片机的交通信号灯控制系统设计12图 2-8 按键及状态显示（2）按键功能如表 2-2 所示：表 2-2 按键功能按键正常状态设置状态紧急状态设置键切换到设置模式切换到正常运行状态无效加键无效对应设置项的设置值加 1无效减键无效对应设置项的设置值减一无效模式键切换到模式转换状态切换设置项；东西南北方向的红黄绿三色灯的状态切换。切换到正常状态毕业设计论文13三 交通信号灯控制系统程序设计三 交通信号灯控制系统程序设计3.1 软件流程图3.1 软件流程图全部控制程序实际分为若干模块：按键设置处理程序，状态灯控制程序，LED显示程序，中断程序，红绿灯时间调整程序等。设计说明：该交通信号灯控制系统的软件设计采用的是顺序执行并反复循环的方法。在正常工作的情况下，每 30s 循环变化一次。每个循环周期还剩 3s 时，路口的黄灯开始点亮并闪烁，以提醒路人及车辆，交通灯即将发生变化。如图 3-1所示：图 3-1程序流程图开始设置定时，初始化南北直行绿灯亮，东西红灯亮，延时判断当前状态南北直行黄灯亮，东西红灯亮，延时东西直行绿灯亮，南北红灯亮，延时东西直行黄灯亮，南北红灯亮，延时基于单片机的交通信号灯控制系统设计143.2 交通灯定时器模块3.2 交通灯定时器模块AT89C52 单片机内部设有两个 16 位可编程定时器，简称定时器 0（T0）和定时器 1（T1)。16 位的定时器实质上是一个加 1 计数器，可实现定时和计数两种功能，其功能由软件控制和切换。定时器属硬件定时和计数，是单片机中效率高而且工作灵活的部件。本次设计中使用 T0 在工作方式 1 下，即 16 位定时器，定时 1ms，20 次中断产生秒信号，从而控制红绿灯的点亮时间。内部定时器/计数器用作定时器时，是对机器周期计数，因一个机器周期等于 12 个时钟周期，所以计数频率应为系统时钟频率的 1/12（即机器周期）。晶振频率为 12HZ 时，则机器周期为 12/12=1us。毕业设计论文15四 仿真四 仿真4.1 加载目标代码文件4.1 加载目标代码文件首先打开 proteus 中的“交通灯”电路，然后双击单片机 AT89C52，在弹出的“编辑元件”对话框中单机 Program File 栏的“打开”按钮，在弹出的“选择文件名”对话框找到“交通灯.hex”文件。点击“打开”按钮，完成“交通灯.hex”文件加载。点击确定。4.2 仿真运行调试4.2 仿真运行调试（1）单击仿真工具栏的“开始”按钮，其调试结果如图 4-1 所示：图 4-1 系统运行图基于单片机的交通信号灯控制系统设计16(2)按下设置键，在按下加键、减键，调节通行时间。如图 4-2 所示：（a）(b)图 4-2 时间调节图毕业设计论文17(3)按下模式键，对信号灯的状态进行切换，如图 4-3 所示：（a）(b)图 4-3 状态调整图基于单片机的交通信号灯控制系统设计18五 结论五 结论本论文介绍了一种基于 AT89C52 单片机的交通灯的设计方法，完成了系统的硬件设计与制作，详细介绍了系统硬件设计的过程，并结合软件系统完成了整个系统的软、硬件联调，系统工作良好，实现了基本功能。第一，在编写软件中，在此过程中我更为熟练得掌握汇编语言各种指令的使用方法，掌握了 keil 软件的使用。第二，在软件调试过程中，使我又一次复习了 keil 和 proteus 联合使用的方法。第三，在做原理图的过程中，使我进一步掌握了 proteus 软件的使用方法。再次熟悉了各种作图工具的应用，而且培养了我在设计原理图时的一些技巧和好的习惯。第四，在做实物的过程中，培养了我认真耐心的工作态度。总之，通过这次课程设计，我掌握了用单片机设计交通灯的基本方法，加强了我的思维能力，解决问题的能力。培养了我的设计思维，此次课程设计的成功不仅帮助我更好地掌握书本知识，尤其重要的是增强了我的自信，培养了我独立思考的能力。毕业设计论文19六 致谢六 致谢通过这次的毕业设计，对三年来学到的东西进行了一次系统的综合性的考试，为自己取得的成绩还是很满意的，收获还是颇丰的，锻炼了自己对思考的能力，学会了怎样去分析问题和解决问题。尤其在对单片机的学习和运用方面，使我深刻的认识到它的优越性。同时在设计中也发现了自己的不足。尽管毕业设计的时间有些短，缺乏相应的理论和实验基础，其次我们的能力也是一方面，在设计中难免有考虑不足的地方，还望在实际的调试中去完善。对此，我们表示由衷的歉意！本文是在肖晓刚老师的指导下完成的，导师针对设计的课题提出了许多指导性的意见，为论文的撰写、修改提供了许多具体的指导和帮助，使我少走了许多弯路。肖老师的对学生谆谆教诲，治学严谨，对工作孜孜不倦，有着敏锐的学术洞察力，给我留下了深刻的印象。在本文结束之际，特向我的导师致以崇高的敬礼和深深的感谢！导师在设计的过程中给予了我关键性的建议和帮助，再一次表示由衷的感谢！衷心的感谢给予建议和帮助的导师以及合作的各位同学！基于单片机的交通信号灯控制系统设计20参考文献参考文献1 刘勇.数字电路M.电子工业出版社.2004.2 阮艳.电子 CADM.中国劳动社会保障出版社.2007.3 杨子文.单片机原理及应用M.西安电子科技大学出版社.2006.4 肖跃安.肖晓刚等.数字电子产品的分析与制作M.兵器工业出版社.2011.5 范风强.兰婵丽.单片机语言 C51 应用实战集锦M.电子工业出版社.2001.6 郭志勇.单片机应用技术项目教程（C 语言版）M.中国水利水电出版社.2011.毕业设计论文21附件一 电路总原理总图附件一 电路总原理总图图 1 电路总原理总图基于单片机的交通信号灯控制系统设计22附录二 电路仿真图附录二 电路仿真图图 2 电路仿真图毕业设计论文23附录三 元件清单附录三 元件清单表 1 元件清单原件名称注释对应编号数量电容10uFC11电容20pfC2,C32发光二极管黄D1,D4,D9,D124发光二极管绿D2,D6,D7,D114发光二极管红D3,D5,D8,D104三极管PNPQ1,Q2,Q3,Q44排阻10kRP12电阻2KR1,R2,R3，R41R5,R6,R7,R84按键SW-PBS1,S2,S3,S4,S55电源开关sw-灰色SW11数码管SMG_2U1,U3,U4,U54单片机STC89C52U21晶振12MY11基于单片机的交通信号灯控制系统设计24附录四 实物图附录四 实物图图三实物图毕业设计论文25附录五 源程序附录五 源程序#include/调用单片机头文件#define uchar unsigned char/宏定义uchar代替unsigned char。#define uintunsigned int/宏定义uint用来定义无符号整型数。#include eeprom52.h/数码管段选定义 0123456789uchar code smg_du=0 xc0,0 xf9,0 xa4,0 xb0,0 x99,0 x92,0 x82,0 xf8,0 x80,0 x90,/ABCDEF不显示0 x88,0 x83,0 xc6,0 xa1,0 x86,0 x8e,0 xff;/断码uchar dis_smg8=0 xc0,0 xf9,0 xa4,0 xb0,0 x99,0 x92,0 x82,0 xf8;uchar smg_i=4;/显示数码管的个位数/数码管位选定义sbit smg_we1=P20;/数码管位选定义sbit smg_we2=P21;sbit smg_we3=P36;sbit smg_we4=P37;char dx_s=0;/东西南北 倒计时变量sbit dx_red=P24;/东西红灯sbit dx_green=P23;/东西绿灯sbit dx_yellow=P22;/东西黄灯sbit nb_red=P27;/南北红灯sbit nb_green=P26;/南北绿灯sbit nb_yellow=P25;/南北黄灯uchar flag_jtd_mode;/交通灯的模式 根据时间bit flag_1s=0;bit flag_500ms;bit flag_dx_nb;/东西南北模式uchar flag_5m_value;uchar i;uchar flag_alarm;/模式uchar dx_time=30,nb_time=33;/东西、南北的时间基于单片机的交通信号灯控制系统设计26uchar flag_jdgz;/交通管制/*开机自检 eeprom 初始化*/void init_eeprom()/开机自检 eeprom 初始化read_eeprom();/先读if(a_a!=1)/新的单片机初始单片机内问 eeproma_a=1;dx_time=33;nb_time=30;/东西、南北的时间write_eeprom();/保存数据/*把 数 据 保 存 到 单 片 机 内 部eeprom中*/void write_eeprom()SectorErase(0 x2000);byte_write(0 x2000,dx_time);byte_write(0 x2001,nb_time);byte_write(0 x2058,a_a);/*把 数 据 从 单 片 机 内 部eeprom中 读 出 来*/void read_eeprom()dx_time=byte_read(0 x2000);nb_time=byte_read(0 x2001);a_a=byte_read(0 x2058);/*数码位选函数*/void smg_we_switch(uchar i)毕业设计论文27switch(i)case 0:smg_we1=0;smg_we2=1;smg_we3=1;smg_we4=1;break;case 1:smg_we1=1;smg_we2=0;smg_we3=1;smg_we4=1;break;case 2:smg_we1=1;smg_we2=1;smg_we3=0;smg_we4=1;break;case 3:smg_we1=1;smg_we2=1;smg_we3=1;smg_we4=0;break;/*名称:delay_1ms()*功能:延时 1ms 函数*输入:q*输出:无*/void delay_1ms(uint q)uint i,j;for(i=0;iq;i+)for(j=0;j110;j+);/*名称:display()*功能:数码管显示*输入:无*输出:无*/void display()uchar i;基于单片机的交通信号灯控制系统设计28for(i=0;i 5)dx_red=1;/灭dx_green=0;/亮dx_yellow=1;/灭nb_red=0;/亮nb_green=1;/灭nb_yellow=1;/灭flag_5m_value=0;else if(dx_s 5)dx_red=0;/亮dx_green=1;/灭dx_yellow=1;/灭nb_red=1;/灭nb_green=0;/亮nb_yellow=1;/灭flag_5m_value=0;else if(dx_s 5)基于单片机的交通信号灯控制系统设计32flag_jdgz=0;if(flag_jdgz=1)/全部亮红灯dx_red=0;/亮dx_green=1;/灭dx_yellow=1;/灭nb_red=0;/亮nb_green=1;/灭nb_yellow=1;/灭if(flag_jdgz=2)/东西红灯南北绿灯dx_red=0;/亮dx_green=1;/灭dx_yellow=1;/灭nb_red=1;/灭nb_green=0;/亮nb_yellow=1;/灭if(flag_jdgz=3)/南北红灯东西绿灯dx_red=1;/灭dx_green=0;/亮dx_yellow=1;/灭nb_red=0;/亮nb_green=1;/灭nb_yellow=1;/灭if(flag_jdgz=4)/南北绿灯东西绿灯dx_red=1;/灭dx_green=0;/亮dx_yellow=1;/灭毕业设计论文33nb_red=1;/灭nb_green=0;/亮nb_yellow=1;/灭if(flag_jdgz=5)/南北黄灯东西黄灯dx_red=1;/灭dx_green=1;/灭dx_yellow=0;/亮nb_red=1;/灭nb_green=1;/灭nb_yellow=0;/亮if(key_can=1)/设置键menu_1+;if(menu_1=3)menu_1=0;if(menu_1=1)/设置东西的时间if(key_can=2)dx_time+;/加 1if(dx_time 99)dx_time=99;if(key_can=3)dx_time-;/减 1基于单片机的交通信号灯控制系统设计34if(dx_time 99)nb_time=99;if(key_can=3)nb_time-;/减 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