交通信号灯模拟控制系统课程设计报告书.docx

课程设计报告书

课程名称： 交通信号灯模拟控制系统

目录
一、 设计概述..................................................1
（一）交通灯的应用前景及现状......................................1
（二）课程设计的性质和目的........................................1
二、设计任务..................................................1
三、方案简介..................................................2四、设计详解..................................................4
（一）显示子程序....................................................4
（二）定时子程序.....................................................4
（三）总体程序流程...................................................4
五、 元件清单及主要元件说明...................................5
（一）AT89S51单片机.................................................6
（二）共阴极数码管...................................................8
（三）发光二极管（红绿黄三色）.........................................8
六、系统硬件设计..............................................8
（一）单片机主电路...................................................8
（二）交通灯接口电路.................................................9
（三）LED数码管显示电路............................................10
（四）键盘口电路....................................................10

七、 系统软件设计............................................11
（一）初始化程序....................................................11
（二）显示子程序....................................................11
（三）定时中断处理程序..............................................12
（四）紧急中断处理程序..............................................13
（五）延迟程序......................................................14

八、设计心得.................................................14
九、参考文献.................................................15
十、附录.....................................................15

交通信号灯模拟控制系统
一、 设计概述
（一）交通灯的应用前景及现状
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。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。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城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。
在大、中城市，十字道口的红绿灯是交通法规的无声命令，是司机和行人的行为准则。十字道口的交通红绿灯控制是保证交通安全和道路畅通的关键。当前，国内大多数城市正在采用“自动”红绿交通灯，它具有固定的“红灯—绿灯”转换间隔，并自动切换。它们一般由“通行与禁止时间控制显示、红黄绿三色信号灯和方向指示灯”三部分组成。在交通灯的通行与禁止时间控制显示中，通常根据交通规律设置红绿黄三色信号的时间，时间控制都是固定的。交通灯的时间控制显示，以固定时间值预先设置在单片机中，每次以一定周期交替变化。
（二）课程设计的性质和目的
本课程设计的主要目的是通过对电子技术及单片机原理的学习，综合掌握电子电路综合设计的过程，设计要求和具体的设计方法。通过设计更好的复习、理解模拟电子、数字电子和单片机等课程内容，使理论和实际相结合，加强学生的动手能力以及查阅相关资料解决实际问题的能力，培养学生从事设计工作的整体观念。
二、 设计任务
1、完成交通灯的变化规律，即一个十字路口为东西方向和南北方向，四个路口均有红黄绿三灯和两个LED数码管。交通灯上电后进入初始状态即东西南北均为红灯亮。5秒后转状态1：南北绿灯亮通车，东西红灯亮，禁止通行，持续30秒；30秒后转状态2：南北绿灯灭转黄灯闪亮，延时5秒，东西仍红灯亮；5秒后转状态3：东西绿灯亮通车，南北转红灯，持续30秒；30秒后转状态4：东西绿灯灭转黄灯闪，延时5秒，南北仍红灯。最后循环至状态1 。
2、用8个LED数码管（各方向均两个，分别表示个位和十位），显示倒计时。倒计时用于提醒驾驶员或行人信号灯发生改变的时间，以便他们在“停止”和“通行”两者作出合适的选择。
3、在紧急状态下，通过K1键手动设置，将所有路口的灯变为红灯；再次按下此键后进入状态1，然后依次循环。

状态3：南北红灯，东西绿灯
状态4：南北红灯，东西黄灯
状态2：南北黄灯，东西红灯
状态1：南北绿灯，东西红灯
图1 状态示意图

三、 方案简介
通过网上查阅资料,最终确定以下几种方案：
（一）方案一
采用74HC573锁存器控制数码管显示，使用动态扫描方法，控制数码管位选和段选的通断来使数码管依次显示相应数值；交通灯则可通过单片机的I/O口来直接控制其关断；按键可通过对外部中断标志位的查询来控制紧急情况的相应动作。此方案框图如下：
图2 方案一框图
单
片
机
锁
存
器
数
码
管
交通灯
（发光二极管）
键盘

（二）方案二
为使数码管的控制简单、显示稳定，可以采用静态显示方法，使用CD4511译码器来控制数码管显示；根据要求，显示部分为两位数，因此可将数码管分为四组：南北个位，南北十位，东西个位，东西十位； CD4511输入四位，输出七位，因此需16个I/O口便可控制四组数码管，再用4个I/O口控制数码管的公共极，其余I/O口足够交通灯和按键使用。此方案的整体框图如下：
单
片
机
CD451
译码器
数码管
交通灯
（发光二极管）
按键
图3 方案二框图

（三）方案三
在方案一、二的基础上，进一步简化电路，数码管采用静态显示方法，且将其分组减少到两组，十位为一组，个位为一组，使用共阴极数码管，将所有数码管位选通端接地，我们只需给十位组和个位组送不同的段选信号就行了，I/O口控制采用低电平灌电流方式，这样便会有足够电流驱动数码管显示；此种方案既不需要再扩展I/O口，直接用单片机控制数码管显示和交通灯的亮灭，电路较为简单。方案框图如下：

单
片
机
锁
存
器
锁
存
器
数
码
管
数
码
管
按键
交通灯
（发光二级管）

方案比较
以上三种方案各有利弊，但综合考虑，方案三的电路较为简单，使用器件少，成本低，且能完成设计要求的全部功能，因此其性价比较高，所以最终选择方案三进行设计。
四、 设计详解
本方案使用AT89S51单片机，P0口和P1口控制数码管的段选，采用静态显示方法；P2口和P3口的个别位用来控制交通灯（发光二极管）的亮灭；定时采用定时器0的方式一，外接12MHz的晶振；按键接INT0/P3.2(外部中断0)，并设为高优先级中断，中断方式为电平中断，一旦有紧急情况发生，便按下按键进行中断，中断子程序便是使所有路口红灯亮，断开按键进入状态1。
（一）显示子程序
数码管显示数字为0—9，可以利用查表方式显示相应数字，将编辑好的数字显示代码存入表中，代码显示内容与其在表中位置相对应（{0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f}），将表中相应位置的代码送进数码管段选控制I/O口（P0，P1）便可使数码管显示相应数字。
（二）定时子程序
定时采用定时器0的方式一，外接12MHz的晶振，通过计算给定时器装入合适初值，为方便计算，可设定时器一次中断为50ms，这样中断20次即为1s，然后每个5s或30s便执行相应动作。
（三）总体程序流程
(分块流程图见“七、软件原理”)
图4 总体程序流程图
开始
初始化程序
状态0：东西南北红灯亮
5S
状态1：东西绿灯亮，南北红灯亮
30S
状态2：东西黄灯闪烁，南北红灯亮
5S
状态3：南北绿灯亮，东西红灯亮
30S
状态4：南北黄灯闪烁，东西红灯亮
5S

五、 元件清单及主要元件说明
表1 元器件清单
名 称
规 格
数 量
单片机
AT89S51
1
电阻
1KΩ
8
电阻
470Ω
8
晶振
12MHz
1
发光二极管
GREEN（触发电流10mA）
4
发光二极管
RED（触发电流10mA）
4
发光二极管
YELLOW（触发电流10mA）
4
数码管
共阴极
8
电阻
2K
1
按键

1
电解电容
22uF
1
电容
30pF
2
电源
+5V

译码器
74hc573
2

（一）AT89S51单片机
1）本次设计主要用到I/O口P0口、P1口、P2口和P3口，P3口的P3.2即外部中断0引脚，XTAL1和XTAL2两端口接12MHz晶振，选用定时器0的方式一进行定时，若有紧急情况，可通过按键(接P3.2)进行中断处理。
·VCC：电源电压
·GND：接地
·P0口：P0口是一组8位双向I／0口。P0口即可作 地址／数据总线使用，又可以作为通用的I/O口使用。当CPU访问片外存储器时，P0口分时低8位地址总线，后作双向数据总线，此时，P0口就不能再作I/O 口使用了。在访问期间激活要使用上拉电阻。 单片机
·P1口：Pl 是一个带内部上拉电阻的8准位双向I／O口，P1作为通用的I/O口使用。
·P2 口：P2 是一个带有内部上拉电阻的8 位准双向I／O 口，P2即可作为通用的I/O口使用，
也可以作为片外存储器的高8位地址总线，与P0
口配合，组成16位片外存储器单元地址。
· P3 口：P3 口是一组带有内部上拉电阻的8 位准双向I／0 口。P3 口除了作为通用的I/O口使用之外，每个引脚还具有第二功能，具体分配如表2
表2 具有第二功能的P3口引脚
端口引脚
第二功能：
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
/INT0（外中断0）
P3.3
/ INT1（外中断1）
P3.4
T0（定时／计数器0外部输入）
P3.5
T1（定时／计数器1外部输入）
P3.6
/ WR（外部数据存储器写选通）
P3.7
/ RD外部数据存储器读选通）
·RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。WDT 溢出将使该引脚输出高电平，设置SFR AUXR的DISRT0 位（地址8EH）可打开或关闭该功能。DISRT0位缺省为RESET输出高电平打开状态。
·ALE／PROG(————)：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE 仍以时钟振荡频率的1／6 输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对F1ash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH 单元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。该位置位后，只有一条M0VX和M0VC指令ALE才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。
·PSEN(————)程序储存允许（PSEN(————)）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S51 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN(————)有效，即输出两个脉冲。当访问外部数据存储器，没有两次有效的PSEN(————)信号。
·EA(——)／VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H－FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。F1ash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程电压Vcc。
·XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。
·5个中断源，它们是两个外中断INT0（P3.2）和INT1（P3.3）、两个片内定时/计数器溢出中断TF0和TF1，一个是片内串行口中断TI或RI，程序入口地址如表3：

表3 中断源程序入口
中断源
入口地址
外部中断0
0003H
定时器T0
000BH
外部中断1
0013H
定时器T1
001BH
串行口
0023H

（二）共阴极数码管
表2 数字对应数码管显示控制转换字节（共阴编码）

显示
Dp
G
F
E
D
C
B
A
编码

0
0
0
1
1
1
1
1
1
0x3F
1
0
0
0
0
0
1
1
0
0x06
2
0
1
0
1
1
0
1
1
0x5B
3
0
1
0
0
1
1
1
1
0x4F
4
0
1
1
0
0
1
1
0
0x66
5
0
1
1
0
1
1
0
1
0x6D
6
0
1
1
1
1
1
0
1
0x7D
7
0
0
0
0
0
1
1
1
0x07
8
0
1
1
1
1
1
1
1
0x7F
9
0
1
1
0
1
1
1
1
0x6F
（三）发光二极管（红绿黄三色）
发光二极管是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能，常简写为LED。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。发光二极管和数码二极管一样分为共阴极和共阳极两种。
六、 系统硬件设计
（一）单片机主电路
1、单片机系统的时钟电路
时钟振荡电路采用内部时钟产生方式，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定的自击震荡。其发出的时钟脉冲直接送入片内定时控制部件。此设计中时钟电路晶振使用12MHz。

图5 单片机系统的时钟电路
2、单片机系统的复位电路
复位电路采用上电+按钮电平复位方式，当按下按钮时，RST管脚高电平触发。为保证复位可靠，RC时间常数应大于两个机器周期，电容取22uf，电阻取1000欧。

图6 单片机系统的复位电路
3、单片机系统的电源电路
电源用5V直流变压器直接供电
（二）交通灯接口电路
南北和东西的交通灯显示相同，本系统较为简单，I/O口数量充分，使用了十二个I/O口来进行交通灯的控制，这样可以使用较小的限流电阻来提高交通灯亮度。
图7 交通灯接口电路
（三）LED数码管显示电路
显示电路采用8个共阴数码管，P0，P1口作为数码管的段选输入，由于八个数码管位选端均接地，即八个数码管均被选通，因此我们只需给十位组和个位组送入不同段选信号即可。

图8 LED数码管显示电路
（四）键盘口电路
该电路比较简单，紧急情况的处理我们采用的为外部中断的方式，P3.2随时处于被检测状态。当按键按下后，进入外部中断程序，处理紧急情况代码。在独立键盘检测中，要进行延时消抖和松手检测，防止因为键盘抖动而不断提起中断。

图9 键盘接口电路
七、 系统软件设计
（一）初始化程序
初始化，设定标志位初值，选择定时器及工作方式，装入定时器初值，开总中断，开定时器中断和外部中断0。
void init()
{
flag=0;
flag1=0;
num=5;
tt=0;
P0=0x00;
P1=0x00;
TMOD=0x10;
TH1=(65536-50000)/256;
TL1=(65536-50000)%256;
EA=1;
ET1=1;
TR1=1;
EX0=1;
IT0=1;
}
（二）显示子程序
LED计时每1秒都要刷新1次，采用的是静态显示，首先将时间（num）除以10，将整数对应的十位组显示转换为字节赋值给P0口，余数对应的个位组显示转换为字节赋值给P1口。
if(num>0)
{
P0=table[num/10];
P1=table[num%10];
num--;
}
else
{
P0=table[0];
P1=table[0];
num=5;
flag=2;
}
（三）定时中断处理程序
定时器工作的基本原理其实就是给初值，让它不断加1直至减完为模值，这个初值是送到TH和TL中的。它是以加法记数的，并能从全1到全0时自动产生溢出中断请求。因此，我们可以把计数器记满为零所需的计数值，即所要求的计数值设定为C。
模值和计数器工作方式有关。在方式0时M为8192；在方式1时M的值为65536；在方式2和3为256。就此可以算出各种方式的最大延时。如单片机的主脉冲频率为12MHZ，经过12分频后，若采用方式０最大延时只有8.129毫秒，采用方式１最大延时也只有65.536毫秒。这就是为什么扫描周期为50ms的原因，
Y
N
开始
初始化定时器，设定初值
重新计时
查询是否够20次?

图10 定时中断流程图
在此次设计中，我选用定时器0的方式1进行定时，根据计算，设定初值X=15536D=03CB0H
void exter0() interrupt 3
{
TH1=(65536-50000)/256;
TL1=(65536-50000)%256;
tt++;
if(tt=20)
{
tt=0;
………………
}
}
（四）紧急中断处理程序
根据设计要求，系统在遇到特殊情况时，可以按下紧急开关K1使各个交通灯均发出红光，再次按下紧急开关K1后进入状态1，然后依次循环。为了实现这一功能，可以采用外部中断方式使系统及时响应。当应急开关被接到低电位时，产生的负跳变引起INT0中断。进入中断程序后，执行相应的紧急状态代码。
void interrupt0_handler() interrupt 0
{
EA=0;
delay(200);
flag1=~flag1;
EA=1;
if(flag1==1)
{
TR1=0;
P0=table[0];
P1=table[0];
P2=0xb6;
led2=0;
flag=7;
}
else
{
flag=1;
num=30;
TR1=1;
}
}
（五）延迟程序
void delay(uint z)
{
uint x,y;
for(x=z;x>0;x--)
for(y=110;y>0;y--);
}

八、设计心得
这学期我们学习了单片机这门课程，在过去的两周我们进行了单片机课程设计，此次课程设计的课题是“交通信号灯模拟控制系统”。
此次设计的任务并不太难，硬件电路的设计主要在于绘图软件的使用，我以前自学过protel,虽然不太熟练，但硬件设计比较容易上手，软件方面，我之前也学习了keil的使用，具有基本的c语言编程能力，但是这次调程序还是花费了大部分的时间，各个部分的程序容易编写但是融合在一起就有些困难。其实学习也是这样，想要把所学的各科知识结合起来是需要下一番功夫的。同时这次设计再次印证了学习好单片机的重要性，要想学好智能化单片机一定要熟练。
总而言之，这次课程设计虽然时间很短，但对我来说，还是获得了很大的收获。感谢老师为我们提供了这次机会，让我们认识自己，加强学习，培养了我们的动手实践能力。

九、参考文献
1.张毅刚、彭喜元、彭宇 《单片机原理及应用》 高等教育出版社 2011.12
2.赵建领、薛园园 《51单片机开发与应用技术详解》 电子工业出版社 2009.1
3.周景润、张丽娜 《基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真》 北京航空航天大学出版社 2006.5

十、附录
附录1：程序清单
#include<reg51.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
uint num;
uchar tt,flag,i;
uchar code table[]={
0x3f,0x06,0x5b,0x4f,
0x66,0x6d,0x7d,0x07,
0x7f,0x6f};
sbit led1=P3^0;
sbit led2=P3^1;
sbit led3=P3^4;
sbit led4=P3^5;
sbit key=P3^2;
sbit led_yellow1=P2^1;
sbit led_yellow2=P2^7;
sbit led_yellow3=P2^4 ;
sbit flag1=P3^6;
/* 延时子程序 */
void delay(uint z)
{
uint x,y;
for(x=z;x>0;x--)
for(y=110;y>0;y--);
}
/*状态1 */
void state1(void)
{
led1=0;
led2=0;
led3=1;
led4=1;
P2=0xf3;
}
/*状态2 */
void state2(void)
{
led1=1;
led2=0;
led3=1;
led4=1;
P2=0x75;
}
/*状态3 */
void state3(void)
{
led1=1;
led2=1;
led3=1;
led4=0;
P2=0x9e;
}
/*状态4 */
void state4(void)
{
led1=1;
led2=1;
led3=0;
led4=1;
P2=0xae;
}
/* 程序初始化 */
void init()
{
flag=0;
flag1=0;
num=5;
tt=0;
P0=0x00;
P1=0x00;
TMOD=0x10;
TH1=(65536-50000)/256;
TL1=(65536-50000)%256;
EA=1;
ET1=1;
TR1=1;
EX0=1;
IT0=1;
}
/*主程序 */
void main()
{
init();
while(1) ;
}
/*利用独立键盘按键触发外部中断0，设置紧急状态 */
void interrupt0_handler() interrupt 0
{
EA=0;
delay(200);
flag1=~flag1;
EA=1;
if(flag1==1)
{
TR1=0;
P0=table[0];
P1=table[0];
P2=0xb6;
led2=0;
flag=7;
}
else
{
flag=1;
num=30;
TR1=1;
}
}
void exter0() interrupt 3
{
TH1=(65536-50000)/256;
TL1=(65536-50000)%256;
tt++;
switch(flag)
{
case 0:
{
if(tt==20)
{
tt=0;
if(num>0)
{
P0=table[num/10];
P1=table[num%10];
P2=0xb6;
led2=0;
num--;
}
else
{
P0=table[0];
P1=table[0];
num=30;
flag=1;
}
}
}break;
case 1:
{
state1();
if(tt==20)
{
tt=0;
if(num>0)
{
P0=table[num/10];
P1=table[num%10];
num--;
}
else
{
P0=table[0];
P1=table[0];
num=5;
flag=2;

}
}
}break;
case 2:
{
state2();
if(tt>=10)
{
tt=0;
led_yellow1=~led_yellow1;
led_yellow2=~led_yellow2;
i++;
if(i==2)
{
i=0;
if(num>0)
{
P0=table[num/10];
P1=table[num%10];
num--;
}
else
{
P0=table[0];
P1=table[0];
num=30;
flag=3;
i=0;
}
}
}
}break;
case 3:
{
state3();
if(tt==20)
{
tt=0;
if(num>0)
{
P0=table[num/10];
P1=table[num%10];
num--;
}
else
{
P0=table[0];
P1=table[0];
num=5;
flag=4;
}
}
}break;
case 4:
{
state4();
if(tt>=10)
{
tt=0;
led_yellow3=~led_yellow3;
led3=~led3;
i++;
if(i==2)
{
i=0;
if(num>0)
{
P0=table[num/10];
P1=table[num%10];
num--;
}
else
{
P0=table[0];
P1=table[0];
num=30;
flag=1;
i=0;
}
}
}
}break;
default : break; }
}

附录 2：整体电路图

附录3：仿真图
以下分别为各状态仿真图：