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09，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AT89S511电阻1K8电阻4708晶振12MHz1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2K1按键1电解电容22uF1电容30pF2电源+5V译码器74hc5732（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I0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IO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IO 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I0 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：P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外中断0）P3.3/ INT1（外中断1）P3.4T0（定时计数器0外部输入）P3.5T1（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。ALEPROG()：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16 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0000HFFFFH），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00003H定时器T0000BH外部中断10013H定时器T1001BH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DpGFEDCBA编码0001111110x3F1000001100x062010110110x5B3010011110x4F4011001100x665011011010x6D6011111010x7D7000001110x078011111110x7F9011011110x6F（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(num0)P0=tablenum/10;P1=tablenum%10; num-;elseP0=table0; P1=table0; 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，若采用方式最大延时只有8.129毫秒，采用方式最大延时也只有65.536毫秒。这就是为什么扫描周期为50ms的原因，YN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=03CB0Hvoid 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() interrupt0 EA=0; delay(200); flag1=flag1; EA=1; if(flag1=1) TR1=0; P0=table0;P1=table0;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;x0;x-) for(y=110;y0;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 2011.122.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 2009.13.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#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuint num;uchar tt,flag,i;uchar code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;sbit led1=P30;sbit led2=P31;sbit led3=P34;sbit led4=P35;sbit key=P32;sbit led_yellow1=P21;sbit led_yellow2=P27;sbit led_yellow3=P24 ;sbit flag1=P36;/* 延时子程序 */ void delay(uint z)uint x,y;for(x=z;x0;x-) for(y=110;y0;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() interrupt0 EA=0; delay(200); flag1=flag1; EA=1; if(flag1=1) TR1=0; P0=table0; P1=table0; 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(num0) P0=tablenum/10; P1=tablenum%10; P2=0xb6; led2=0; num-; else P0=table0; P1=table0; num=30; flag=1; break; case 1: state1();if(tt=20) tt=0; if(num0) P0=tablenum/10; P1=tablenum%10; num-; else P0=table0; P1=table0; 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(num0) P0=tablenum/10; P1=tablenum%10; num-; else P0=table0; P1=table0; num=30; flag=3; i=0; break;case 3: state3(); if(tt=20) tt=0; if(num0) P0=tablenum/10; P1=tablenum%10; num-; else P0=table0; P1=table0; 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(num0) P0=tablenum/10; P1=tablenum%10; num-; else P0=table0; P1=table0; 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：