2022年单片机的交通灯设计方案与实现.docx

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1、精品学习资源摘要如今随着人们生活水平的提高，车辆越来越多，交通事故频繁发生；交通信号灯的显现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量，提高道路通行才能，削减交通事故有明显成效；因此供应一个牢靠、安全、便利的多功能交通灯掌握系统有着现实的必要性；本系统由单片机系统、 按键、数码管显示、交通灯演示系统组成；设计一个用于东西、南北走向的交通治理；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，通行时间均为25 秒；本设计选用 AT89C51 主要也就是基于上述的两个缘由；本交通灯系统选用了 LED 灯和一位数码管来模拟显示的交通灯切换状态；LED 灯选用红绿黄三种颜色，模拟现实生活中的交通信号

2、灯运行情形；倒计时灯由四个一位数码管组成，两个为一组，分别代表东西路口和南北路口的通行时间；电源方面本系统采纳 USB 电脑供电方式；关键词： 单片机； AT89C51；交通灯； LED ； USB 电脑供电欢迎下载精品学习资源AbstractToday, as peoples living standards improve, more and more vehicles, traffic accidents are frequent. Traffic lights have enabled the efficient traffic control, for ease traffic fl

3、ow and improve road capacity and reduce traffic accidents have a significant effect. Thus providing a reliable, safe and convenient multifunction traffic light control system has practical necessity.The system consists of single-chip systems, keys, digital display, traffic lights demo system. Design

4、 one for the east and west bound traffic management. North-south and east- west direction lane road crossing two lanes of vehicles run alternately, travel time is 25 seconds.This design is the selection of AT89C51 mainly based on the above two reasons.The trafficlight system has selected LED lights

5、and a digital to analog display trafficlight switching state. LED lights use three colors red, green and yellow to simulate real-life traffic signal operation； countdown lamp consists of four one digital tubes, two as a group, represent something intersections and junctions north and south travel ti

6、me. The system uses USB power in the computer power supply.Keywords：MCU ；AT89C51；Traffic lights ； LED ；USB computer power supply目 录欢迎下载精品学习资源1绪论 .4441.1交通灯的进展史 .4441.2课题的背景 .5551.3讨论的意义 .6661.4讨论的主要内容 .6661.5国内外讨论现状 .6662总体设计 .7772.1设计要求 .7772.2方案介绍 .8882.2.1供电方案 .9992.2.2显示界面方案 .9993硬件设计 .1010103.1

7、掌握模块 .1010103.1.1单片机的挑选 .1010103.1.2单片机最小系统 .131313移位寄存器3.1.374LS164.1515153.2显示模块 .1616163.2.1反向器 74LS04.1717173.2.2数码管 .1717173.2.3发光二极管 .2021203.3电源模块 .2021204软件设计及仿真 .212121欢迎下载精品学习资源4.1交通灯的设计程序流程图.2121214.2寄存器及变量的设定程序.2222224.3初始化程序 .2222224.4各状态相关程序 .2323234.4.1S1 状态程序 .2323234.4.2S2 状态程序 .232

8、3234.4.3S3 状态程序 .2424244.4.4S4 状态程序 .2424244.4.5S5 状态程序 .2525254.4.6S6 状态程序 .2525254.5Keil及 Proteus 简介 .2626264.6仿真与调试 .2727274.6.1仿真操作过程 .2727274.6.2 Proteus仿真图 .2727274.6.3 Proteus仿真流程 .2828284.6.4实物调试结果 错误！未定义书签；错误！未定义书签；错误！未定义书签；欢迎下载精品学习资源结 论 .错误！未定义书签； 错误！未定义书签；错误！未定义书签；致 谢 .错误！未定义书签； 错误！未定义书签；

9、错误！未定义书签；参考文献 .错误！未定义书签； 错误！未定义书签；错误！未定义书签；附 录 .错误！未定义书签； 错误！未定义书签；错误！未定义书签；附录 A英文附录 .错误！未定义书签；错误！未定义书签；错误！未定义书签；附录 B中文附录 .错误！未定义书签；错误！未定义书签；错误！未定义书签；附录 C相关程序 .错误！未定义书签；错误！未定义书签；错误！未定义书签；1绪论1.1 交通灯的进展史19 世纪初，在英国中部的约克城，红、绿装分别代表女性的不同身份；其中，着红装的女人表示我已结婚，而着绿装的女人就是未婚者；后来，英国伦敦议会大厦前常常发生马车轧人的事故，于是人们受到红绿装启示，1

10、868 年 12 月 10 日，信号灯家族的第一个成员就在伦敦议会大厦的广场上产生了，由当时英国机械师德哈特设计、制造的灯柱高 7M，身上挂着一盏红、绿两色的提灯 - 煤气交通信号灯这是城市街道的第一盏信号灯；在灯的脚下，一位手持长杆的警察随心所欲地牵动皮带转换提灯的颜色；后来在信号灯的中心装上煤气灯罩，它的前面有两块红、绿玻璃交替遮挡；不幸的是只面世 23 天的煤气灯突然爆炸自灭，使一位正在值勤的警察也因此断送了性命；从今，城市的交通信号灯被取缔了；直到1914 年，在美国的克利夫兰市才领先恢复了红绿灯，不过，这时已是“电气信号灯”；稍后又在纽约和芝加哥等城市，相继重新显现了交通信号灯；随着

11、各种交通工具的进展和交通指挥的需要，第一盏名副其实的三色灯 红、黄、绿三种标志 于 1918年产生；它是三色圆形四周投影器，被安装在纽约市五号街的一座高塔上，由于它的产生，使城市交通大为改善；欢迎下载精品学习资源黄色信号灯的创造者是我国的胡汝鼎，他怀着“科学救国”的理想到美国深造， 在大创造家爱迪生为董事长的美国通用电器公司任职员；一天，他站在繁华的十字路口等待绿灯信号，当他看到红灯而刚要过去时，一辆转弯的汽车呼地一声擦身而过， 吓了他一身冷汗；回到宿舍，他反复琢磨，最终想到在红、绿灯中间再加上一个黄色信号灯，提示人们留意危急；他的建议立刻得到有关方面的确定；于是红、黄、绿三色信号灯即以一个完

12、整的指挥信号家族，遍及全世界陆、海、空交通领域了；从最早的手牵皮带到20 世纪 50 岁月的电气掌握，从采纳运算机掌握到现代化的电子定时监控，在科学化、自动化上不断地更新、进展和完善；交通指挥灯是非裔美国人加莱特摩根在1923 年创造的；此前，铁路交通已经使用自动转换的灯光信号有一段时间了；但是由于火车是按固定的时刻表以单列方式运行的，而且火车要停下来不是很简洁，因此铁路上使用的信号只有一种命令：通行；大路交通的红绿灯就不一样，它的职责在很大程度上是要告知汽车司机把车辆停下来；开车的人谁也不情愿看到停车信号；高校心理学家詹姆斯指出，人有一种将刹车和油门与自尊相互联系的倾向；他说：驾车者看到黄灯

13、亮时，心里便暗暗作好加速的预备；假如此时红灯亮了，立刻就会产生一种扫兴的感觉；他把交叉路口称作“心理动力区”；假如他的理论成立的话，这个区域在佛罗伊德心理学理论中应当是属于超我supere go）而非本能 id）的范畴；新式的红绿灯能将闯红灯的人拍照下来；犯事的司机不久就会收到罚款单；有的红绿灯仍具备监测车辆行驶速度的功能；1.2 课题的背景如今随着人们生活水平的提高，车辆越来越多，交通事故频繁发生；交通信号灯的显现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量，提高道路通行才能，削减交通事故有明显成效；因此供应一个牢靠、安全、便利的多功能交通灯掌握系统有着现实的必要性；近年来随着科技的飞速进展，单片

14、机的应用正在不断地走向深化，同时带动传统掌握检测日新月益更新；在实时检测和自动掌握的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面学问是不够的，仍应依据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，加以完善；欢迎下载精品学习资源本系统设计一个基于单片机的交通灯掌握系统；能便利的对交通灯进行掌握，使交通更和谐；使用单片机作为本设计的掌握方案主要是考虑到其低廉的成本和易学易用的特性， 相较于类似 ARM这类性能更为强大的掌握方案，单片机的性能并非其优势所在；但是如何充分利用单片机已有的功能进行最大化的开发才是本设计的重点；1.3 讨论的意义对单片机这一成熟的解决方案在交通灯

15、领域的应用进行讨论和开发，在讨论和开发过程中重新熟悉明白单片机；同时，对所学的汇编语言进行重新学习，巩固所学学问；在制作实物的过程中，提高自身的动手才能和耐心，查找错误更是其中最重要的环节，会使我们更加明白我们所学学问在现实生活中的应用；通过以上这些方面，为我们以后的工作打下更坚实的基础；1.4 讨论的主要内容本课题是以单片机的汇编语言来进行软件编程；硬件是以51 系列单片机及其外部电路为主的系统；基于AT89C51 单片机，设计一个基于单片机的交通灯系统；本课题的主要内容包括设计交通灯状态的治理方案；设计单片机最小系统和周边电路；设计交通灯系统、供电系统的电路结构；设计整个系统的电路分布和接

16、线；使用汇编语言编写整个系统运行所需要的程序；1.5 国内外讨论现状我国应用和讨论城市交通掌握系统的工作起步较晚，国家一方面进行以改善城市中心交通为核心的技术讨论；另一方面实行引进与开发相结合的方针，建立了一些城市道路交通掌握系统；虽然取得了较好的成效，但我国实际情形打算了需要对这些系统进行改进，比如：需要完善信号掌握，现有的信号掌握系统仍存在肯定的局限性；欢迎下载精品学习资源需要合懂得决混合交通流问题；现有信号掌握系统对自行车流大多是与机动车同时开头，简洁造成交通流冲突；国外一些国家在这一领域的技术相对我国而言比较成熟，例如：澳大利亚的SCAT系统，实行分层递阶式掌握结构；其掌握中心备有一台

17、监控运算机和一台治理运算机， 通过串行数据通讯线路相连；地区级的运算机自动把各种数据送到治理运算机；监控 运算机连续地监视全部路 El 的信号运行、检测器的工作状况；地区主掌握器用于分析路段掌握器送来的车流数据，确定掌握策略，并对本区域各路口进行实时掌握；SCATS系统表达了运算机网络技术结构掌握易更换的优点；2总体设计本系统设计分为硬件设计、软件设计、仿真以及实物焊接和调试；具体的设计要求及内容将在各章节中具体表述；2.1 设计要求第一，南北路口红灯亮，东西路口绿灯亮，同时开头25 秒倒计时，以 7 段数码管显示时间； 25 秒倒计时至 5 秒时，东西路口的绿灯闪耀，计时到最终2 秒时，东西

18、路口黄灯亮；完成一次这样的循环需要25 秒；25 秒终止后，东西路口红灯亮，南北路口绿灯亮，并重新 25 秒倒计时，依次循环；如图 2.1 所示，这便是十字路口交通信号灯模拟图；欢迎下载精品学习资源图 2.1十字路口交通信号灯模拟图2.2 方案介绍把设计任务细化为六个状态，其对应状态S1-S6如图 2.2 所示；S1：南北路口红灯、东西路口绿灯亮20 秒S2：南北路口红灯亮 3 秒，东西路口绿灯闪耀 3 秒S3：南北路口红灯亮 2 秒，东西路口黄灯亮 2 秒S4：南北路口绿灯、东西路口红灯亮20 秒S5：东西路口红灯亮 3 秒，南北路口绿灯闪耀 3 秒S6：东西路口红灯亮 2 秒，南北路口黄灯

19、亮 2 秒欢迎下载精品学习资源图 2.2 交通灯状态转换图2.2.1 供电方案为使模块稳固工作，须有牢靠电源；本设计考虑了两种电源方案：方案一：电池盒供电；此方案优点是便利携带，缺点是成本较高，电池跟电池盒都需要特别购买；方案二：电脑 USB 接口供电；本系统采纳的是方案二电脑 USB 接口供电的方式，主要优点有三个；第一，USB供电稳固输出 5 伏，假如用干电池或者其他供电方式很难保证电源的稳固性；其次， 成本低，供电线路由废旧的鼠标线改成，几乎没用一分钱，做到了节约；第三，便利， 即插即用，不用为电池没电而苦恼；2.2.2 显示界面方案本设计涉及到倒计时、状态灯等功能；基于功能需求，本设计

20、考虑如下三个方案： 方案一：完全采纳数码管显示；这种方案只显示有限的符号和数码字符，无法胜任功能需求；方案二：完全采纳点阵式 LED 显示；这种方案实现复杂，且须完成大量的软件工作；但功能强大，可便利的显示各种英文字符，汉字，图形等；方案三：采纳数码管与点阵 LED 相结合的方法由于设计既要求倒计时数字输出， 又要求有状态灯输出等，为便利观看并考虑到现实情形，用数码管与LED 灯分别显示时间与提示信息；这种方案既满意系统功能要求，又削减了系统实现的复杂度；本系统采纳的是方案三红绿黄三色LED 灯和四个一位数码管， LED 灯显示路口的通断情形，数码管显示倒计时，经济实惠，节约成本，但是实物焊接

21、较为复杂；欢迎下载精品学习资源3硬件设计硬件设计部分主要包含掌握模块、显示模块以及电源模块；电源模块供电，掌握模块掌握显示模块依据设定程序显示信息，从而实现设计要求；3.1 掌握模块3.1.1 单片机的挑选本设计选用单片机为AT89C51，由于其有指令简洁，易学易懂，外围电路简洁， 硬件设计便利， IO 口操作简洁，无方向寄存器，资源丰富，价格廉价、简洁购买，资料丰富简洁查找，程序烧写简洁等一系列的有点；AT89C51 简介是一种带 4KFLASH 3:P1.238:P0.1/AD14:P1.337:P0.2/AD25:P1.46:P1.510 / 3036:P0.3/AD335:P0.4/A

22、D4欢迎下载精品学习资源图 3.1AT89C51 引脚排列AT89C51 单片机共包含 40 个引脚，每个引脚的功能如下： VCC：供电电压；GND：接地；欢迎下载精品学习资源P0 口： P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸取 8TTL 门电流；当 P0 口的管脚第一次写 1 时，被定义为输入； P0 能够用于外部程序数据，它可以被定义为数据/ 地址的低八位；在 FIASH 编程时， P0 口作为原码输入口，当FIASH 进行校验时， P0 输出原码，此时 P0 外部必需接上拉电阻；P1 口： P1 口是一个内部供应上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P1 口缓冲器能接收

23、输出4TTL 门电流； P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入， P1口被外部下拉为低电平常，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故；在FLASH 编程和校验时， P1 口作为低八位地址接收；P2 口： P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P2 口缓冲器可接收，输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写“ 1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入；并因此作为输入时， P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流；这是由于内部上拉的缘故； P2 口当用于外部或 16 位地址储备器进行存取时， P2 口输出地址的高八位；在给出地址“ 1”时，它利用内部上拉优势，当对外

24、部八位地址数据进行读写时，P2 口输出其的内容； P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和；P3 口： P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL 门电流；当 P3 口写入“ 1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入；作为输入，由于外部下拉为低电平， P3 口将输出电流 ILL ）这是由于上拉的缘故；P3 口也可作为 AT89C51 的一些特别功能口，如下所示： P3.0 RXD串行输入口）P3.1 TXD 串行输出口）P3.2 /INT0外部中断 0） P3.3 /INT1外部中断 1） P3.4 T0计时器 0 外部输入） P3.5

25、 T1计时器 1 外部输入） P3.6 /WR写选通）P3.7 /RD读选通）P3 口同时为闪耀编程和编程校验接收一些；RST：复位输入；当振荡器复位器件时，要保持RST 脚两个的高电平常间；ALE/PROG ：当拜访外部时，答应的用于锁存地址的低位字节；在FLASH 期间，此用于输入脉冲；在平常， ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡欢迎下载精品学习资源器频率的 1/6；因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的；然而要留意的是：每当用作外部数据时，将跳过一个ALE 脉冲；如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0；此时， ALE 只有在执行 MOVX ，MO

26、VC 指令是 ALE 才起作用；另外，该被略微拉高；假如在外部执行状态ALE 禁止，置位无效；/PSEN：外部的选通信号；在由外部程序取指期间，每个两次/PSEN 有效；但在拜访储备器时，这两次有效的 /PSEN 信号将不显现；/EA/VPP：当/EA 保持低电平常，就在此期间外部程序 0000H-FFFFH），不管是否有内部程序储备器；留意加密方式1 时， /EA 将内部锁定为 RESET；当/EA 端保持高电平常，此间内部程序储备器；在FLASH 编程期间，此引脚也用于施加12V 编程电源，这个时间只能大不能小，具体数值可以由rc 电路运算出时间常数；欢迎下载精品学习资源图 3.2 复位电

27、路单片机复位后各寄存器的状态 :A 00H，说明累加器已被清零；PSW00H，说明选寄存器 0 组为工作寄存器组； SP 07H，说明堆栈指针指向片内 RAM 07H 字节单元，依据堆栈操作的先加后压法就， 第一个被压入的内容写入到 08H 单元中； Po-P3FFH，说明已向各端口线写入 1，此时，各端口既可用于输入又可用于输出；IP 00000B，说明各个中断源处于低优先级； IE0 00000B，说明各个中断均被关断；时钟电路：时钟电路中最为重要的就是晶振，晶振的作用是为系统供应基本的时钟信号；晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以供应稳固，精确的单频振荡；在通常

28、工作条件下，一般的晶振频率确定精度可达百万分之五十；高级的精度更高；通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步；晶振结合单片机内部的电路， 产生单片机所必需的时钟频率，单片机的一切指令的执行都是建立在这个基础上的， 晶振的供应的时钟频率越高，那单片机的运行速度也就越快；如图 3.3 所示，采纳内部时钟产生方式，在XTAL1 和 XTAL2 两端跨接晶体或陶瓷振荡器，与内部反相器构成稳固的自击荡器；其发出的时钟脉冲直接送入片内定时掌握部件；欢迎下载精品学习资源图 3.3时钟电路3.1.3 移位寄存器 74LS16474LS164 是高速硅门器件，与低功耗肖特基型 LSTTL 器件的引脚兼容；

29、74LS164是 8 位边沿触发式移位寄存器，串行输入数据，然后并行输出；数据通过两个输入端每次由低变高时，数据右移一位，输入到Q0， Q0 是两个数据输入端输入端上的一个低电平将使其它全部输入端都无效，同时非同步地清除寄存器，强制全部的输出为低电平；74LS164 特性如下：门控串行数据输入；异步中心复位符合JEDEC 标准 no.7A； 静电放电 ESD 爱护； HBM EIA/JESD22-A114-B超过 2000 V ； MMEIA/JESD22-A115-A 超过 200 V ；多种封装形式；额定从 -40C 至 + 85 C 和 -40C 至 + 125 C ；本设计通过移位寄存

30、器 74LS164 来驱动显示模块的数码管， 74LS164 的 RXD 、TXD 都是当作 IO 口使用的，每个 74LS164 在收到一个时钟后， D0A/B ）、Q0Q6 顺次移到 Q0Q7 中，而前一个芯片的 Q7 分别接到后一个的 A/B 端，由于它们的时钟都是共用的，所以在时钟输入时，前一个芯片的Q7 就通过后一芯片的 A/B 端锁存到其欢迎下载精品学习资源Q0 了，而各芯片原先的 Q0Q6 移到 Q1Q7；这样只要连续发送 32 个时钟就可以把 32位数据分别移到 4 个芯片的 32 个输出脚上； 74LS164 的引脚排列如图 3.4 所示；114213312474LS1641

31、15106978图 3.4 74LS164引脚排列图74LS164 共 14 个引脚，每个引脚功能如下：引脚 1：符号 DSA ，数据输入引脚 2：符号 DSB，数据输入引脚 3-6：符号 Q0-Q3，输出引脚 7：符号 GND，地0 V）引脚 8：符号 CP，时钟输入 低电平到高电平边沿触发） 引脚 9：符号/M/R ，中心复位输入 低电平有效）引脚 10-13：符号 Q4-Q7，输出引脚 14：符号 VCC，正电源3.2 显示模块本系统显示模块由反向器、数码管、发光二极管组成，各部分的介绍及功能如下；欢迎下载精品学习资源3.2.1 反向器 74LS047404 为六组反向器，共有 7404

32、、74H04、74S04、74LS04 四种线路结构形式；要使行人能观察信号灯的情形，必需把P1 口输出的信号进行放大，这里我们用74LS04 反向器，当极性为高电平常晶闸管导通，该支路指示灯亮；当极性为低电平常关断，该支路指示灯灭； 74LS046 反向器）主要对信号起了反向作用；反向器74LS04 规律图如图 3.5 所示；14: V CC131211109874LS041234567: G ND图 3.5 74LS04规律图3.2.2数码管数码管也称，晶美、光电、不同行业人士对数码管的称呼不一样，其实都是同样的产品；按段数可分为和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个单元的数码管，共阳

33、数码管在应用时应将公共极 COM 接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平常，相应字段就点亮，当某一字段的阴极为高电平常，相应字段就不亮；共阴数码管是指将全部发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极 COM 的数码管，共阴数码管在应用时应将公共极 COM 接到地线 GND 上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平常，相应字段就点亮，当某一字段的阳极为低电平常，相应字段就不亮；LED Segment Displays）是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极；led 数码管常用段数一般为7 段有的另加一个小数点，仍有一种是类似于3 位“

34、+1”型；位数有半位， 1， 2， 3， 4，5， 6， 8， 10 位等等， LED 数码管依据 LED 的接法不同分为共阴和共阳两类，明白LED 的这些特性，对编程是很重要的，由于不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的；是共阴和共阳极数码管的内部电路，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已；颜色有红，绿，蓝，黄等几种；LED 数码管广泛用于外表，时钟，车站，家电等场合；选用时要留意产品尺寸颜色，功耗，亮度，波长等；数码管要正常显示，就要用来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的，因此依据数码管的的不同，可以分为静态式和动态式两类；静态显示驱动：驱动也

35、称直流驱动；静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个的I/O 端口进行驱动，或者使用如 BCD 码二- 十进制译码器译码进行驱动；静态驱动的优点是编程简洁，显示亮度高，缺点是占用 I/O 端口多，如驱动 5 个数码管静态显示就需要 58=40 根 I/O 端口来驱动，要知道一个 89S51单片机可用的 I/O 端口才 32 个呢：），实际应用时必需增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性；动态显示驱动：数码管动态显示接口是中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将全部数码管的8 个显示笔划“a,b,c,d,e,f,g,dp”的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM 增加位选通掌握电路，位选通由各自独立的 I/O 线掌握，当单片机输出字形码时，全部数码管都接收到相同的字形码，但到底是哪个数码