交通灯应用程序设计毕业设计.doc

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1、毕 业 设 计（论文）（说 明 书）题 目： 交通灯应用系统设计 姓 名： 小明 编 号： 平顶山工业职业技术学院2011年12月9日平顶山工业职业技术学院毕 业 设 计 （论文） 任 务 书姓名 小明 专业 电子设备与运行管理 任 务 下 达 日 期 2011 年 9 月 15 日设计（论文）开始日期 2011 年 9 月 20 日设计（论文）完成日期 2011 年 12 月 9 日设计（论文）题目： 基于单片机的交通灯应用系统设计 A编制设计 B设计专题（毕业论文） 指 导 教 师 王 键 系（部）主 任 韩 莉 郭宗耀 2011年12月9日平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）答辩委员会

2、记录 自动化与信息工程 系 电子设备与运行管理 专业，学生 小明 于 2011 年 12 月 15 日进行了毕业设计（论文）答辩。设计题目： 交通灯应用系统设计 专题（论文）题目： 交通灯应用系统设计 指导老师： 王 键 答辩委员会根据学生提交的毕业设计（论文）材料，根据学生答辩情况，经答辩委员会讨论评定，给予学生 毕业设计（论文）成绩为 。答辩委员会 人，出席 人答辩委员会主任（签字）： 答辩委员会副主任（签字）： 答辩委员会委员： ， ， ， ， ， 。平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）评语第 页共 页学生姓名： 小明 专业 电子设备与运行管理 年级 09级 毕业设计（论文）题目： 交

3、通灯应用系统设计 评 阅 人： 指导教师： （签字） 年 月 日成 绩： 系（科）主任： （签字） 年 月 日毕业设计（论文）及答辩评语： 目录摘 要- 1 -前 言- 2 -第1章 设计目标及方案分析- 4 -1.1 设计目标- 4 -1.2 设计环境- 4 -1.3 设计目的- 4 -1.4 方案分析与论证- 4 -第2章 系统硬件设计- 6 -2.1 硬件选择- 6 -2.2 总体框图- 8 -2.3 硬件简介- 8 -第3章 系统软件设计- 13 -3.1 设计流程图- 13 -3.2 程序设计思路- 14 -3.3 Proteus仿真图- 16 -3.4 程序设计- 17 -第4章

4、调试与仿真- 21 -4.1 软件调试方案- 21 -4.2 软件仿真效果- 21 -总 结- 24 -致 谢- 25 -参考文献- 26 -摘 要本课程设计题目的主要内容是模拟十字路口交通灯（红、黄、绿三色）的显示控制。系统功能为：以MCS-51系列单片机作为控制核心，设计并制作交通灯控制系统，用计时器显示路口通行转换剩余时间。东西方向主干道计时35秒，南北方向次干道计时30秒，时间到则切换红绿灯；红绿灯不变期间，在七段数码管上显示每秒倒计时；计时到最后5秒时，两个方向的黄灯同时闪烁直至计时到0。在对系统功能分析的基础上，提出了三种设计方案，经比较，选择性能较优的LED动态循环显示方案进行了

5、设计。设计包括硬件和软件两大部分。硬件部分包括单片机最小系统、时间显示、交通灯显示三部分。选用Atmel公司的AT89S52单片机作为控制核心，东西南北四个方向设置了LED时间显示和交通灯显示，时间显示采用LED显示器，交通灯显示则采用红绿高亮发光二极管来模拟。软件采用了模块化的设计方法，主要分为主程序、定时器中断服务子程序、倒计时显示子程序、交通灯模拟显示子程序四部分。本文给出了利用MCS-51系列单片机Keil C 51编程软件和Proteus7.5仿真软件模拟实现一个十字路口交通灯控制交通的详细过程，可圆满地完成毕业设计任务书所要求的功能。关键词:交通灯、单片机、AT89S52、Prot

6、eus7.5前 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，如图1。图1交通灯实际中的应用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。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

7、，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

8、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。随着微控技术的日益完善和发展，单片机的应用在不断走向深入。它的应用比定导致传统的控制技术从根本上发生变革。也就是说单片机应用的出现是对传统控制技术的革命。它在工业控制、数据采集、智能化仪表、机电一体化、家用电器等领路得到了广泛应用，极大的提高了这些领域的技术水平和自动化控制。因此单片机的开发应用已成为高技术工程领域的一项重大课题。因此了解单片机知识，掌握单片机的应用技术具有重大的意义。本文

9、主要从计算机的应用上来实现十字路口交通灯智能化的管理,用以控制过往车辆的正常运作。我国是一个历史悠久、人口众多的国家，城市数量随着社会的发展不断增多。随着城市化进程的大大加快，诱发的交通需求急剧增长，供需矛盾不断激化，严重的交通问题也随之而来。人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。十字路口车辆穿梭，行人熙攘，车行车道，人行人道，有条不紊，这一切要归功于城市交通控制系统中的交通灯控制系统。交通灯控制系统对于疏导交通流量、提高道路通行能

10、力，减少交通事故有明显效果，使城市交通得以有效管理。交通灯可以采用PLC、单片机等控制方法。利用单片机实现对交通信号灯的实时控制，只要采用一块单片机，加上简单的接口与驱动放大电路，即可实现，具有成本低，可靠性高的特点。第1章 设计目标及方案分析1.1 设计目标（1）4个数码管来显示秒值，东南西北各两个；（2）12个发光二极管，东南西北各三个，分别为红绿黄三色；（3）开始，东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮，东西方向倒计时20S，南北方向同时开始倒计时25S，在七段数码管上显示时间；东西方向20S倒计时结束后，东西方向黄灯开始闪烁5秒；（4）5S倒计结束后，南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，东西方向倒

11、计时35S，南北方向同时开始倒计时30S，在七段数码管上显示时间，南北方向30S倒计时结束后，东南西北方向黄灯开始闪烁5秒；（5）5秒倒计结束后，从（3）开始重复循环。1.2 设计环境（1）装有windows系统的PC机一台；（2）在KeilC51开发软件中采用C语言编写源程序；（3）在Proteus7.5仿真软件中实现交通灯的模拟仿真。1.3 设计目的（1）加强对单片机和汇编语言的认识，充分掌握和理解设计各部分的工作原理、设计过程、选择芯片器件、模块化编程等多项知识。（2）用单片机模拟实现具体应用，使个人设计能够真正使用。（3）把理论知识与实践相结合，充分发挥个人能力，并在实践中锻炼。（4）

12、提高利用已学知识分析和解决问题的能力。（5）提高实践动手能力。1.4 方案分析与论证1.4.1 交通灯设计过程分析设计一个能够控制十二盏交通信号灯的模拟系统。通过交通信号灯控制系统的设计，掌握定时/计数哭的使用方法，和简单程序的编写，最终提高我们的逻辑抽象能力。设计控制方式如下表所示。表1-1控制过程分析东西方向南北方向序号状态状态0绿灯亮20秒；红、黄灯灭红灯亮25秒；绿，黄灯灭1黄灯闪亮5秒；红、绿灯灭红灯亮；倒计时5秒2红灯亮35秒；绿，黄灯灭绿灯亮30秒；红、黄灯灭3红灯亮；倒计时5秒黄灯闪亮5秒；红、绿灯灭回到状态0回到状态01.4.2闪亮状态图上表1-1的实现效果如图1-1图1-1

13、 颜色从深到浅次为 红、黄、绿。第2章 系统硬件设计2.1 硬件选择根据设计内容要求，系统需要完成显示倒计时、交通灯显示状态等功能。基于上述原因，我们提出了如下三种方案：方案一：采用AT89S52单片机作为控制核心，采用四组高亮红绿发光二极管作为东西南北四个路口的通行指示灯；采用四组2位LED数码管作为四个路口的通行倒计时显示器，LED显示采用动态扫描方式，以节省端口数。为方便观看并考虑到现实情况，用数码管与LED灯分别显示时间和提示信息，按以上系统构架设计，单片机端口资源刚好满足要求，同时又减少了系统实现的复杂程度。如图2-1。图2-1 采用LED动态扫描的交通灯控制系统方案二：采用AT89

14、C2051单片机作为控制器，通行倒计时显示采用1616点阵LED发光管，车辆通行指示灯也采用1616点阵双色LED发光管。LED点阵的列驱动采用74LS595，用串行端口扩展实现，行驱动采用1/16译码器74LS154动态扫描，译码器74LS154生成16条行选通信号线，再经过驱动器驱动对应的行线。每条行线上需要较大的驱动电流，应选用大功率三极管作为驱动管，所以电路复杂，应用的耗材量液比较大，对于本设计采用不当。如图2-2所示。图2-2 采用1616点阵LED发光管设计的交通灯控制系统方案三：采用AT89C2051单片机作为控制器，通行倒计时及车辆通行指示灯均采用单块LCD液晶点阵显示器。三种

15、方案的特点比较如下：方案一具有电路简单，设计方便，显示亮度高，耗电较少，可靠性高等特点；方案二的图案显示逼真，单片机占用端口资源少，缺点是需要大量的硬件，电路复杂，耗电量大，不太适合于模型制作；方案三设计占用单片机的端口最少，硬件也少，耗电也最少；虽然显示图案也很精美，但由于亮度太暗，晚上还得开背光灯，不够实用。可见，方案一优于其他两种方案，因此本设计选用方案一：采用LED数码管动态扫描的方案进行设计，发光二极管当作红绿交通灯信号。2.2 总体框图系统由输入控制模块、通行灯显示模块、时间显示模块、芯片模块四部分组成，如图2-3。AT89S52各路口红绿灯灯数码管倒计时显示复位晶振源图2-3 基

16、本硬件结构图2.3 硬件简介2.3.1 单片机的特点（1）性价比高，开发周期短，易于产品化，（2）集成度高，可靠性好，抗干扰性强，（3）功能完善，接口多样，（4）低功耗、低电压一般电源供电电压在53V范围内单片机都能正常工作，供电的下限可达12V。（5）总线多样，易于扩展单片机外部的典型三总线结构,方便系统构扩展,构成各种规模的应用系统。外部总线增加了I2C及SPI等串行总线方式,可根据需要进行并行或者串行扩展。2.3.2 AT89S52单片机简介At89s52如图2-4是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制

17、造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统 可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式

18、下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。图2-4 AT89S52引脚图2.3.3 MCS-51单片机内部结构（1）一个8位的中央处理器 CPU（又称为微处理器）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。（2）有256字节的片内数据存储器RAMAT89S52是一款性能稳定的8位单片机，具有1个8KB的Flash程序存储器，1个512字节的RAM，3个16的定时/计数器，4个8位的双向可位寻址I/O端口，1个串行口，

19、6个中断源，两个中断优先级。（3）4KB片内程序存储器ROM或EPROM（4）片内21个特殊功能寄存器（SFR）按功能，引脚大致分为4部分：1）I/O口线：P0口：8位、漏级开路的双向I/O口。当使用片外存储器及外扩I/O口时，P0口作为低字节地址/数据复用线。在编程时，P0口用于接受指令代码字节；在程序校验时，P0口可输出指令字节（这时需要加外部上拉电阻）。P1口：8位、准双向I/O口，具有内部上拉电阻。P1口是为用户准备的I/O双向口。在编程和校验时，可用做输入低8位地址。用做输入时，应先将输出锁存器置1。P1口可驱动4个TTL负载。P2口：8位、准双向I/O口，具有内部上拉电阻。P2口也

20、可做普通I/O口使用。用做输入时，应先将输出锁存器置1。P2口可驱动4个TTL负载。P3口：8位、准双向I/O口，具有内部上拉电阻。P3口可作为普通I/O口，用做输入时，将输出锁存器置1。在编程/校验时，P3口接受某些控制信号。2）控制信号线：RST：复位输入信号，高电平有效。在振荡器稳定工作时，在RST脚施加两个机器周期（即24个晶振周期）以上的高电平，将器件复位。/VPP：外部程序存储器访问允许信号。当引脚接地时，仅使用64KB的片外程序存储器，CPU从外部0000HFFFFH的地址空间取指令；当引脚接VCC时，CPU从片内0000H地址开始取指令，当PC值超过1FFFH时，自动转到外存储

21、器2000HFFFFH地址空间执行程序。：片外程序存储器读选通信号，低电平有效。ALE/：低字节地址锁存信号。3）电源线：VCC为电源电压输入引脚，GND为地线。4）外部晶振引线：XTAL1：片内振荡器反相放大器和时钟发生线路的输入端。使用片内振荡器时，连接外部石英晶体和微调电容。XTAL2：片内振荡器反相放大器的输出端。当使用片内振荡器时，外接石英晶体和微调电容。2.3.4 LED数码管显示7段数码管是一种常用的显示器件，其外观与内部电路连接见图2-5。它使用7个笔画显示09共10个数字，加上一个小数点共8个显示段，每一个笔画都是由发光二级管组成的。LED数码管根据LED的接法不同分为共阴和

22、共阳两类，图2-5(b)是共阳极数码管的内部电路，将八只LED的阳极连在一起，其中ag为7个笔画的驱动端；dp为小数点驱动端；COM为公共引脚。(a)外观(b)内部电路连接图2-5 LED数码管表2-1七段LED的段选码字符P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0字符编码dpgfedcba共阳共阴011000000C0H3FH111111001F9H06H210100100A4H5BH310110000B0H4FH41001100199H66H51001001092H6DH61000001082H7DH711111000F8H07H81000000080H7FH9100

23、1000090H6FH（1）静态显示方式：静态显示方式是指当显示器显示某一字符时，发光二极管的位选始终被选中。在这种显示方式下，每一个LED数码管显示器都需要一个8位的输出口进行控制。由于单片机本身提供的I/O口有限，实际使用中，通常通过扩展I/O口的形式解决输出口数量不足的问题。静态显示主要的优点是显示稳定，在发光二极管导通电流一定的情况下显示器的亮度大，系统运行过程中，在需要更新显示内容时，CPU才去执行显示更新子程序，这样既节约了CPU的时间，又提高了CPU的工作效率。其不足之处是占用硬件资源较多，每个LED数码管需要独占8条输出线。随着显示器位数的增加，需要的I/O口线也将增加。（2）

24、动态显示方式：动态显示方式是指一位一位地轮流点亮每位显示器（称为扫描），即每个数码管的位选被轮流选中，多个数码管公用一组段选，段选数据仅对位选选中的数码管有效。对于每一位显示器来说，每隔一段时间点亮一次。显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。通过调整电流和时间参数，可以既保证亮度，又保证显示。若显示器的位数不大于8位，则显示器的公共端只需一个8位I/O口进行动态扫描（称为扫描口），控制每位显示器所显示的字形也需一个8位口（称为段码输出）。如图2-6，ABCDEFG DP端为数码管段扫描连接电路（段控制端），1234短口为数码管位扫描电路（位控制端）。图2-6 动态显示

25、段扫描和位扫描第3章 系统软件设计3.1 设计流程图延时30s南北黄灯5s；东西红灯5sRetEnd东西绿灯20s，南北红灯25s延时20s东西黄灯5s；南北红灯5s东西红灯35s，南北绿灯30s图3-1控制设计流程图3.2 程序设计思路3.2.1 定时1s设计在设计中，由于没有键盘功能，因此只涉及定时计数和动态扫描功能。主程序将变量初始化之后，设置单片机定时器和中断特殊功能寄存器的初始值，将定时器T1的工作方式1设置为16位模式，定时器每隔50ms产生一次溢出，循环20次，倒计时减1。在初始化变量与寄存器后，主程序进入一个循环结构，在循环中只做动态扫描的工作，根据东西、南北两向的剩余时时间进

26、行动态扫描显示。计时以及状态的切换通过定时器的中断服务程序来实现，在中断服务程序中，每计时到一秒时，则各方向当前状态的剩余时间减1，一直减到0时触发下一个状态的开始，改变交通灯的指示。3.2.2 算法分析（1）定时器/计数器在定时器模式使用时，输入脉冲是由内部振荡器的输出经12分频后送来的，所以定时器也可以看作是对机器周期的计数器。若晶振频率为12MHz，则机器周期为1s，定时器每接收一个输入脉冲的时间为1s；若晶振频率为6MHz，则一个机器周期是2s，定时器每接收一个输入脉冲的时间为2s。因此，要定时时间的长短，只需要计算一下脉冲个数即可。（2）定时时间初值与TMOD的设置T0、T1为16位

27、定时器，由于定时时间大于8192S，应选用工作方式一。由于晶振频率为12MHz，TCY=1S，故有 T=（65536-X）TCY=（65536-X）1s =50ms计算初值 X=15536=3CB0H即TH0=3CH ，TL0=0B0H。TMOD的格式如表3-1所示。表3-1 TMOD的格式D7D6D5D4D3D2D1D0GATEC/M1M0GATEC/M1M0TMOD各位的内容确定如下：由于定时器/计数器0设为定时器，选用工作方式一，所以C/(TMOD.2)=0，M1(TMOD.1)=0，M0 (TMOD.0)=1，GATE(TMOD.3)=0；定时器/计数器1没有使用，相应的D7D4为随意

28、状态“X”。若取“X”为0，则（TMOD）=B=01H（3）中断系统实现中断功能的软件和硬件统称为“中断系统”。在计算机中，由于计算机内外部的原因、软硬件的原因，使CPU暂停当前的工作，转到需要处理的中断源的服务程序的入口（中断响应），一般在入口处执行一段跳转指令转去处理中断事件（中断服务）。执行完中断服务后，再回到原来程序被中断的地方继续处理执行程序（中断返回），这个过程称之为中断，如图3-2所示。能向CPU发出请求的事件称为“中断源”。中断源向CPU提出的处理请求称为“中断请求”。CPU暂停自身事物转去处理中断请求的过程称为“中断响应”。对时间的整个处理过程称为“中断处理”或“中断服务”。

29、处理完毕后回到原来被中断地方称为“中断返回”。断点主程序中断服务子程序主程序图3-2中断过程示意图（4）中断系统IE的取值IE的格式如表3-2所示。表3-2 IE的格式D7D6D5D4D3D2D1D0EA-ET2ESET1EX1ET0EX0IE每一位都由软件置1或清零。本设计中CPU允许中断即EA=1，定时器/计数器1中断允许位ET1及外部中断1中断允许位EX1可申请中断，即ET1=1，EX1=1，其余不允许中断，均设为0，所以IE=H=8CH。3.3 Proteus仿真图对于交通信号灯来说，应该有东西南北共四组灯，但由于同一道上的两组的信号灯的显示情况是相同的，所以只要用两组就行了，因此，采

30、用单片机内部的I/O口上的P0口中的6个引脚即可来控制6个信号灯，如图3-3所示。图3-3模拟仿真图3.4 程序设计通过编写程序，实现对发光二极管的控制，来模拟交通信号灯的管理。每延时一段时间，灯的显示情况都会按交通灯的显示规律进行状态转换。定时/计数器T1的工作方式1来产生1秒的定时。P0口的低6位I/O口来控制六个显示灯的亮灭。P1口的8位I/O口来控制LED数码管动态显示的段码控制。P2口的低4位I/O口来控制LED动态显示的十位个位控制。源程序：#include#define uchar unsigned charsbit NBG=P00; /南北绿灯sbit NBY=P01; /南北

31、黄灯sbit NBR=P02; /南北红灯sbit DXG=P03; /东西绿灯sbit DXY=P04; /东西黄灯sbit DXR=P05; /东西红灯uchar N1=25,D1=20,D2=25,N2=55,N3=60,D3=60; /赋变量初值uchar Count;/*=延时=*/void delay10ms( )uchar i,j;for(i=0;i2;i+) for(j=0;j=20)50ms/循环20次=1s定时 N1-;D1-;D2-;N2-;N3-;D3-;Count=0; 第4章 调试与仿真4.1 软件调试方案（1）打开Keil程序，执行菜单命令“Project”，然后

32、，“New Project”创建“trafficlight”项目，并选择单片机型号为Atmel系列中的AT89C51。（2）执行菜单命令“File”，然后，“New”创建文件，输入汇编源程序，保存为“trafficlight.asm”在“Project”栏的File项目管理窗口中右击文件组，选择“Add Files to Group Source Group1”,将源程序“trafficlight.asm”添加到项目中。（3）执行菜单命令“Project”，然后，“Options for Target Target 1”，在弹出的对话框中选择“Output”选项卡，选中“Create HEX

33、File”。在“Debug”选项卡中，选中“Use:Proteus VSM Simulator”。（4）执行菜单命令“Project”，然后，“Build Target”,编译源程序。如果编译成功，则在“Output Window”窗口中显示没有错误，并创建了“trafficlight.hex”文件。（5）在已绘制好原理图的Proteus ISIS菜单栏中，执行菜单命令“Debug”，然后，“Use Remote Debug Monitor”将该项选中，使“Debug”选中“Start/Stop Debug Session”，或直接单击图标。（6）在Keil代码编辑窗口中设置相应断点，断点的设置方法：在需在设置断点语名的空白处双击鼠标左键，可设置断点；再次双击，可取消该断点。（