单片机智能交通灯设计仿真.doc

Xinjiang Institute of Engineering
毕 业 设 计
设计题目 单片机智能交通控制系统
系（部） 电气与信息工程系
学科专业 电气自动化
班 级 电气自动化09-3+2
姓 名 肇宇蒙
学 号 W090054
指导教师 杨燕妮

二〇一四年 月 日

新疆工程学院毕业设计成绩表
学 生 姓 名
肇宇蒙
专 业 班 级
电气自动化09-3+2
设 计 题 目
单片机智能交通控制系统
考 核 项 目
考 核 内 容
满
分
评
分
一、
指导教师评分
1、工作态度与纪律
10

2、基本理论、基本知识、基本技能和外文水平
10

3、独立工作能力、分析和解决问题能力
10

4、完成任务的情况与水平（论文与实物硬件质量）
10

指导教师签字： 年 月 日
二、
评阅教师评分
1、论文质量（正确性、条理性、创造性和实用性）
15

2、成果技术水平（理论分析、计算、实验和实物性能）
15

评阅教师签字： 年 月 日
三、
答辩小组评分
1、完成任务书所规定的内容和要求
5

2、论文与实物的质量
5

3、课题设计内容的讲述
10

4、回答问题的正确性
10

答辩组长签字： 年 月 日
四、答辩小组成绩评定：

负责人签字： 年 月 日
五、答辩委员会意见：

答辩委员会主任签字： 年 月 日

目 录
摘要： 1
Abstract： 1
智能交通灯控制系统设计 1
第一章 绪论 2
1.1交通灯控制系统的研究现状及设计意义 2
1.2本论文主要工作 3
1.3课程设计的目的与意义 3
第二章 智能交通灯控制系统硬件设计 4
2.1 单片机概述 4
2.1.1 系统构成 4
2.1.3 主要引脚功能 5
2.1.4 系统硬件设计 5
2.1.5 系统硬件实现 5
第三章 智能交通灯控制系统的软件设计 6
3.1 软件介绍 6
3.2交通灯的软件设计流程图 8
3.3 控制器的软件设计 11
3.1.1 显示一秒钟的设定 11
3.1.2 紧急情况中断方式设计 12
3.1.3 软件延时 13
第四章 智能交通灯方案的仿真 14
4.1仿真主要功能模块 14
4.2 proteus仿真 19
第五章 系统分析及改进措施 20
附录 21
心得体会 21
参考文献 22
致谢 23

摘 要
近年来随着科技的飞速发展，一个以微电子技术、计算机技术和通信技术为先导的信息革命正在蓬勃发展。计算机技术作为三者之一，怎样与实际应用更有效的结合并发挥其作用。单片机作为计算机技术的一个分支，正在不断的应用到实际生活中，同时带动传统控制检测的更新。在实时检测和自动控制的应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件使用，针对具体应用对象的特点,配以其它器件来加以完善。
十字路口车辆穿梭，行人熙攘，车行车道，人行人道，有条不紊。那么靠什么来实现交通的井然秩序呢？靠的是交通信号灯的自动指挥系统，来实现交通的井然有序。交通信号灯控制方式很多。本系统采用美国ATMEL公司生产的单片机AT89S51，以及其它芯片来设计交通灯控制。实现了通过AT89S51芯片的P1口设置红、绿灯点亮的功能，通过AT89S51芯片的RXD、TXD输入、输出设置显示时间。交通灯的点亮采用发光二极管实现，时间的显示采用七段数码管实现。单片机系统采用的直流供电。为了系统稳定可靠，系统内集成了“看门狗”芯片，避免了系统因为死机而停止工作的情况发生。系统实用性强、操作简单、扩展性好。

第一章 绪论
1.1交通灯控制系统的研究现状及设计意义
在今天，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随着我国经济的高速发展，人们对各种交通车辆的需求量不断增大，城市的交通拥护问题日益严重，目前，大部分城市的十字路口的交通控制灯，通常的做法是：事先经过车辆流量的调查，利用传统的方法设计好红绿灯的延时，然而，实际上的车流量是不断变化的，有的路口在不同的时间段车流量的大小甚至有很大的差异，所以说，统计的方法己不能适应迅速发展的交通现状，基于传统交通灯控制系统设计过于死板，红绿灯交替是间过于程式化的缺点，智能交通灯控制系统的设计就更显示出了它的研究意义，它能根据道路交通拥护，交叉路口经常出现拥堵的情况。利用单片机控制技术．提出了软件和硬件设计方案，能够实现道路的最大通行效率。
1.2本论文主要工作
用发光二极管模拟交通信号灯，用按键开关模拟车辆检测信号。A、B两车道交叉组成十字路口，A是主车道，B是支道。正常情况下，A、B两车道轮流放行，A放行50s，B放行30s，各含5s警告时间。交通繁忙时，该系统应有手受控K1开关缓解交通拥挤状况，其中一车道放行期间，另一车道繁忙，可通过开关获得15s放行时间。有紧急车辆通过时，另K2开关设置两车道均禁止通行20s。
1.3课程设计的目的与意义
通过本课程设计，学习与巩固80C51传输数据的方法，以控制发光二极管的亮与灭以及数码管的显示；并自学89C52的使用方法，学习使用proteus及各其他软件，用其进行单片机各功能模块元器件的放置与仿真；巩固单片机汇编和C语言混合使用的编程方法，会写出各控制模块的编程，如：延时程序，按键控制程序，显示程序，主程序；通过单片机课程设计，提高学生自己学习查找资料，以及动脑动手的能力；完成控制系统软件
第二章 智能交通灯控制系统硬件设计
2.1.单片机概述
单片机是由运算器、控制器、存储器、输入设备以及输出设备共五个基本部分组成的。单片机是把包括运算器、控制器、少量的存储器、最基本的输入输出口电路、串行口电路、中断和定时电路等都集成在一个尺寸有限的芯片上。
通常，单片机由单个集成电路芯片构成，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，引脚的多功能化，以及低电压、低功耗。
可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词——“智能型”，如智能型洗衣机等。现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。
目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。它主要是作为控制部分的核心部件。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。
2.1.1系统构成
电路板一块，AT89S51单片机一片，74HC164芯片八片，七段数码管八个。74LS04反向器一片，发光二极管13个（8个绿的，4个红的用于交通控制，1个用于标识电源），7805三端稳压电源一个，一个按键，一条数据下载线。
系统结构框图如：图1
键盘控制返回
AT89S51
单
片
机
系
统

LCD显示与

LED倒计时

模块
接
口
电
路

74HC
164

图1 系统结构框图

系统各部分工作：
(1)程序设置初始时间，通过AT89S51单片机内部相应寄存器来实现。
(2) 由AT89S51单片机的定时器每秒钟通过P3.0口向74HC164的数据端口送信息，由74HC164的输出口显示红、绿、黄灯的点亮时间情况；由AT89S51的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口显示每个灯的点亮情况。
(3) AT89S51通过程序设置各个信号灯的点亮时间，通过程序设置左转绿、绿、红时间依次为20秒、20秒、40秒循环，由AT89S51的 P3口向74HC164的数据口输出。
(4)通过AT89S51单片机的P3口来控制系统是工作。
(5)74HC164的A、B口用于串行输出时间位，经过串并转换送到七段数码管的八的引脚。而P1口用于输出控制信号．而通过74LS04反向器实现控制各个灯的情况．它采用5V的直流电来驱动二极管。
(6) AT89S51本身集成了看门狗指令，当系统出现异常看门狗将发出溢出中断。通过专用端口输出，引起RESET复位信号复位系统。
(7) 引脚功能
XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。
RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。
VCC（40 脚）和VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。
P0~P3 为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件定义。本课程设计用到了AT89C52的定时器T0，P0，P1，P2口。定时器T0用于1S钟显示数据时间控制，实现了数据1S的显示时间。
AT89C52芯片结构图如图2

图 2
2.1.4系统硬件设计
(1)硬件
本系统主要由单片机控制系统、按键模块、串口通信模块、LED显示模块、交通灯显示模块等组成，如图3所示。其中，单片机系统为系统的主控制器，用以控制其他模块协调工作；按键模块采用外部中断INT0的方式；串口通信模块采用RS—485接口；LED显示模块用以显示交通灯控制参数；交通灯显示模块用以显示各车道的通行情况。

图3
(2)单片机控制系统及基本电路
本系统采用AT89C52芯片作为核心控制器件。它的P0、P2口用于数码管显示控制，P1口用于交通灯显示控制，按键处理主要用中断的方式进行，特别加入了“看门狗”电路以保证该系统的稳定性。单片机基本外围电路如图5所示。
(3)按键控制模块
按键控制模块由AT89C52芯片的P3口控制，电路如图4所示。当某个键按下时，产生的负脉冲通过编码器74LS148的GS致使INT0中断，单片机响应这个中断，并读入74LS148的编码信息，从而根据按下不同键进行相应处理。
(4) LED显示模块LED显示模块包括控制参数调整显示模块和交叉口倒计时显示模块2部分，此2部分的8位LED均采用动态显示方式，即将所有数码管的段码线相应段并联在一起，接到P0口，用P2口的各位对各个LED进行控制，从而实现对LED的定时选通。
(5)交通灯显示模块
交通灯显示模块由单片机的P1口进行控制，用32个发光二极管模拟此交叉口的车道交通灯（交叉口4个方向的直行绿灯、左转绿灯、红灯和黄灯），以及各路口人行道的交通灯。
(6)串口通信模块在该模块中，采用RS—485接口完成上位机或相邻交通灯控制系统与单片机的通信，从而实现该系统的控制、调试与报警。RS—485接口具有良好的抗噪声干扰性，较长的传输距离和多站能力，其串行口电路图如图5所示。

图4单片机基本电路及按键控制电路

图5串行口电路
第三章 智能交通灯控制系统的软件设计
3.1 软件介绍
Proteus ISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：①实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。②支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。③提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 uVision2等软件。④具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。

3.2交通灯的软件设计流程图

图6

图7

图8 图9

3.3 控制器的软件设计
3.1.1 显示一秒钟的设定
mov th0,#3ch ;设置中断初始值
mov tl0,#0b0h
mov time_t0,#14h ;中断循环次数初始为20
计数初值计算方法：先设为X，由于我们选择定时工作方式1，为十六位计数方式，总长度为65535，并且采用12MHZ的晶振频率，所以一个周期为1us.计算公式如下：
[(65535-X）*1*20]us=1s

X=65535-

化成十六进制即为3cb0h.
一秒钟显示程序如下：
tint0: ;定时0中断数码管显示
push acc
mov th0,#3ch ;重赋中断初始值
mov tl0,#0b0h
dec time_t0
mov a,time_t0
cjne a,01h,dect
mov time_t0,#14h ;重赋中断循环次数初值
DEC ledbuf
dect: call disp
pop acc
Reti
3.1.2 紧急情况中断方式设计
为了更好的处理紧急情况，另外设定两个手控按键K1、K2。K1（采用芯片的外部中断1）用于控制交通繁忙时，给繁忙的车道增加15S的通行时间，即判断东西方向为红灯，但是此时东西方向积累了很多行人，这时就按下K1键，让东西方向通行15S，南北禁行。南北方向同样的道理。中断子程序如下：
exin1:
push acc
push ledbuf
mov ledbuf,#0fh ;显示缓冲赋值15
anl p1,#0f0h ;提取出p1高位值
mov a,p1

cjne a,#80h,other ;判断p1高位是否为8，即东西是否为红灯
mov p1,#28h ;东西绿灯，南北红灯
sjmp wait
other:
mov p1,#82h ;东西红，南北绿
wait:mov a,ledbuf ;等待15s倒计时完成
cjne a,#00h,wait
pop ledbuf
pop acc
reti
K2（采用外部中断0）用于控制出现事故或者有救护车及其他需要让道时，东西南北方向都禁行20S。为了与其他显示不同，更能体现它的重要性，采用20S闪烁。不显示剩余时间，显示为全0闪烁.由于T0在之前设置的最高优先级中断，由于此时不需要显示，所以应该关闭中断。程序如下：
exin0: ;外部中断0，禁止通行20秒
push acc
push p0
mov IE,#00h ;关闭中断
mov p0,#3fh ;p0输出00段码
mov p2,#0ffh ;共阴极给低电平，显示出00
mov p1,#88h ;东西南北指示灯置位为红灯
mov r2,#14h ;设置禁行时间20s

FLh: ;数码管闪烁20s
mov p2,#0h ;共阴极高电灭掉数码管
lcall delayhs ;延时半秒
mov p2,#0ffh ;共阴极低电打开数码管
lcall delayhs ;延时半秒
djnz r2,Flh
mov Ie,#87h ;打开中断
pop p0
pop acc
reti
3.1.3 软件延时
org 0100h
d1ms: ;1ms延时,计算方法：（2+2） *250*12/12us=1000us=1ms

mov r7,#250
D1: nop
nop
djnz r7,d1
Ret
delayhs: ;半秒延时,计算方法：125*4=500ms=0.5s
mov r3,#4
D2:
lcall delay1
djnz r3,D2
ret
DELAY:
MOV R4,#08H ;延时1秒子程序，计算方法125*8=1000ms=1s
DE2:
LCALL DELAY1
DJNZ R4,DE2
RET
DELAY1: ;延时125ms 子程序,计算方法（256*2+1+2）*256≈125000us=125ms
MOV R6,#0
MOV R5,#0
DE1:DJNZ R5,$
DJNZ R6,DE1
RET
第四章 智能交通灯方案的仿真
4、1仿真主要功能模块
智能交通灯控制系统主要功能模块包括电源电路、单片机主控电路、按键控制电路（按键控制用中断实现，在第三章紧急情况中断方式设计已有讲解，这里不再赘述）和道路显示电路组成。根据具体情况选择合适型号的单片机，发光二极管，开关等硬件设备进行设计。
本课程设计采用的主要元器件：
AT89C52单片机芯片，一个；
7SEG-MPX2-CC型号的LED双八段数码管 四个；
按键 两个；RESPACK-8型号的8排阻一个；LED灯 若干；
·LED显示时间控制模块：P1口用于红黄绿LED灯的控制，四组LED灯，每组三个，东西方向六个，两两相连，南北方向两两相连，因此只需要六个控制口，剩余两个口分给东西，南北方向人行道。这样就将P1口的八个端口全部利用。如图：

图10
P1口利用分布表
东西方向
南北方向
P1.7
P1.6
P1.5
P1.4
P1.3
P1.2
P1.1
P1.0
红灯
黄灯
绿灯
（人行道）绿灯
红灯
黄灯
绿灯
（人行道）绿灯
表 1
控制LED灯闪烁的程序（即主程序）如下:
start: ;主程序
mov sp,#60h
mov ie,#00h ;关中断
mov tmod,#01h ;设置定时工作方式1
mov th0,#3ch ;设置中断初始值
mov tl0,#0b0h
mov ledbuf,#32h ;显示缓冲初始化
mov ew_max,#32h ;东西通行时间50s
mov sn_max,#1eh ;南北通行时间30s
mov max_buf,#01h ;转换倒计时缓冲初始化
mov IP,#02h ;设置中断优先级IT0为高
mov ie,#87h ;打开定时0和外部中断
mov time_t0,#14h ;中断循环次数初始为20
setb tr0
loop:
l1: mov p1,#38h ;东西绿，南北红
mov a,ledbuf
cjne a,#05h,l1
mov p1,#18h ;倒计时到5秒后，灭东西绿
l2: setb p1.6 ;亮东西黄灯
lcall delayhs ;延时半秒
clr p1.6 ;灭东西黄灯
lcall delayhs ;再延时半秒，以达到黄灯闪烁
mov a,ledbuf
cjne a,#01h,l2
l3: mov p1,#83h ;东西红，南北绿
mov a,ledbuf
cjne a,#05h,l3
mov p1,#03h ;显示缓冲为5时灭南北绿灯
l4: setb p1.2 ;显示南北黄灯
lcall delayhs ;延时半秒
clr p1.2 ;灭南北黄灯
lcall delayhs ;延时半秒
mov a,ledbuf
cjne a,#01h,l4

sjmp loop ;倒计时结束时，跳转到loop
图11

·数码管显示控制模块：P0和P2用于数码管显示数据的控制。P0口用于十位数字的传送和暂存，P2口用于个位数字的传送和暂存。数码管采用共阴极，即低电平点亮，采用反相器后，仍为高电平点亮。
连接图12如下：

图12
显示数字程序如下：
disp: ;显示程序
MOV A,ledbuf
CJNE a,#00H,dir1
djnz max_buf,convert

mov ledbuf,sn_max ;显示缓冲赋值30s
sjmp DIR1
convert:
MOV ledbuf,ew_max ;显示缓冲赋初值50s
mov max_buf,#01h
DIR1:
mov a,ledbuf
MOV B,#0AH
DIV AB ;提取出倒计时数值的十位数和个位数
MOV DPTR,#TAB ;字形表的入口地址
MOVC A, @A+DPTR ;查表获取十位数的字型码
MOV 30h,A
MOV A,B
MOVC A, @A+DPTR ;查表获取个位数的字型码
MOV 31H,A
MOV A,30h
mov p2,00h
MOV P0,A ;将十位数字型码送到P0口
setb P2.0 ;第一位显示
ACALL D1MS ;延时1MS
clr P2.0 ;灭第一位
MOV A,31H
MOV P0, A ;将个位数字型码送到P2口
setb P2.1 ;第二位显示
ACALL D1MS ;延时1MS
clr P2.1 ;灭第二位

MOV A,30H
MOV P0,a ;送2的共阴极码
setb P2.2 ;第三位显示
ACALL D1MS ;延时1MS
clr P2.2 ;灭第三位
MOV A,31H
MOV P0,a ;送5的共阴极码
setb P2.3 ;第四位显示
ACALL D1MS ;延时1MS
clr P2.3 ;灭第四位
RET

4.2 proteus仿真

图13
仿真结果显示:从50秒开始倒计时，第二个图为倒计时到39秒时的图示

图14
下面的键为手控按键，K1键按下时，南北通行，东西禁行，从15秒始倒计时，图示为第14秒。K2按下时，禁止通行，东西南北同时红灯闪烁20秒

图15

第五章 系统分析及改进措施
系统整体实现了想要达到的效果，实现了正常情况，东西方向通行50s，南北方向通行30s，而且实现了K1在执行时不允许其他中断进入。这也是现实中应该考虑的。由于此设计需要人手控，就给人带来了麻烦，需要在交通路口，一直有人值班，如果在东西南北添加自动扫描人流量的装置，将其与K1，K2中断相连，让其实现自动控制K1，K2，就更加方便和快捷。
附录
ledbuf equ 33h ;显示缓冲
ew_max equ 35h ;东西倒计时值
sn_max equ 36h ;南北倒计时值
time_t0 equ 38h ;中断循环次数
max_buf equ 40h ;转换缓冲
org 0000h
ljmp start

org 0003h
ljmp exin0
org 000bh
ljmp tint0
org 0013h
ljmp exin1
tab: ; 八段管显示码
db 3fh, 06h, 5bh, 4fh, 66h, 6dh, 7dh, 07h
db 7fh, 6fh, 77h, 7ch, 39h, 5eh, 79h, 71h
end

心得体会
通过这次毕业设计提高了我们对所学知识的综合应用能力。并学习了AT89C52的使用。综合体现培养了小组团结的精神，在分析问题，解决问题的过程中大家积极思考，共同探讨，使我们体验到了团结的乐趣和集体的力量，增加了我们学习和应用的兴趣。
这次毕业设计提高了我们电路设计能力，即如何以简单的简单实现设计要求，是我们进一步了解了单片机中的中断、中断设置、定时器的应用、中断及其设置。虽然此次的程序还有不足，但总体还是体现了我们的编程能力和动手实践能力。在刚开始的时候我们无从下手，心中没一点思绪，但通过组员之间的相互学习、相互讨论、共同研究，不断地发现错误，改正错误，终于完成了这次设计，经过这次实践我们证实了团队的力量是伟大的。
致 谢
经过几个月的时间，经过查资料、整理材料，最终设计得以完成，要感谢的人实在太多了，首先要感谢我的指导老师杨燕妮，因为设计是在杨老师的悉心指导下完成的。本设计从选题到完成，每一步都在杨老师的指导之下，倾注了杨老师大量的心血。在此，谨向杨老师表示崇高的敬意和衷心的感谢！谢谢杨老师在我撰写论文的过程中给与我的极大地帮助。同时，论文的顺利完成，离不开其它各位老师、同学和朋友的关心和帮助。另外，要感谢在大学期间所有传授我知识的老师，是你们的悉心教导使我有了良好的专业课知识，这也是论文得以完成的基础。
通过此次的毕业设计，我学到了太多太多的知识，过去我们只是被动的学习，老师教什么我们学什么，而在做毕业设计的过程中我们变被动为主动，根据设计的需要自己去学习去解决问题，对于不懂之处积极寻求答案，在此获得很多老师的帮助；在设计过程中出现的任何问题都不要轻视，要通过正确的途径去解决，要有耐心和毅力，不要一遇到困难就打退堂鼓，只要坚持下去就可以找到思路去解决问题的；而且要学会与同学们一起合作，这样会事半功倍。这些都为我们走向社会打了一个很好的基础。
再次感谢我在大学传授给我知识以及给我帮助和鼓励的老师，同学和朋友，谢谢你们!

、、

参考文献
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