课程设计复杂的十字路口交通信号灯控制系统设计.doc

复杂的十字路口交通信号灯控制系统设计摘要 自从1858年英国人，发明了原始的机械扳手交通灯之后，随后的一百多年里，交通灯改变了交通路况，也在人们日常生活中占据了重要地位，随着人们社会活动日益增加，经济发展，汽车数量急剧增加，城市道路日渐拥挤，交通灯更加显示出了它的功能，使得交通得到有效管制，对于交通疏导，提高道路导通能力，减少交通事故有显著的效果。近年来，随着科技的飞速发展，电子器件也随之广泛应用，其中单片机也不断深入人民的生活当中。本模拟交通灯系统利用单片机AT89C51作为核心元件，实现了通过信号灯对路面状况的智能控制。从一定程度上解决了交通路口堵塞、车辆停车等待时间不合理、急车强通等问题。系统具有结构简单、可靠性高、成本低、实时性好、安装维护方便等优点，有广泛的应用前景。本模拟系统由单片机硬/软件系统，两位8段数码管和LED灯显示系统。和复位电路控制电路等组成，较好的模拟了交通路面的控制。关键词：交通灯，单片机， 数码管目 录1 绪论11.1 单片机的结构11.2 单片机的分类21.3 单片机的应用22 系统总体方案及设计32.1 总体方案32.1.1 设计要求32.1.2 交通灯分析32.2 单片机选择及参数52.2.1 AT89C51单片机简介52.2.2 主要引脚功能62.2.3 交通灯中的中断处理流程72.3 系统设计72.3.1 系统工作原理82.3.2 系统硬件设计92.3.3 软件设计9总 结14致 谢15参考文献161 绪论当前，在世界范围内，一个以微电子技术，计算机和通信技术为先导的，以信息技术和信息产业为中心的信息革命方兴未艾。为使我国尽快实现经济信息化，赶上发达国家水平，必须加快发展我国的电子信息产业。而计算机技术怎样与实际应用更有效的结合并有效的发挥其作用是科学界最热门的话题，也是当今计算机应用中空前活跃的领域。本文主要介绍用单片机来实现复杂的十字路口的交通灯的管理，用以控制过往车辆的正常通行。1.1 单片机的结构单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SOC三大阶段。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SOC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。 单片机的发展 单片机作为微型计算机的一个重要分支，应用面很广，发展很快。自单片机诞生至今，已发展为上百种系列的近千个机种。 近年，由于CHMOS技术的进步，大大地促进了单片机的CMOS化。CMOS芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态。这也是今后以80C51取代8051为标准MCU芯片的原因。因为单片机芯片多数是采用CMOS（金属栅氧化物）半导体工艺生产。CMOS电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。图1是单片机的管脚封装图1。图1 单片机的管脚封装图1.2 单片机的分类 单片机作为计算机发展的一个重要领域，应用一个较科学的分类方法。根据目前发展情况，从不同角度单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。 1.3 单片机的应用 由于单片机具有显著的优点，它已成为科技领域的有力工具，人类生活的得力助手。它的应用遍及各个领域，主要表现在以下几个方面： 1、单片机在智能仪表中的应用 ：单片机广泛地用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，并可以提高测量的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。 2、单片机在机电一体化中的应用 ：机电一体化是械工业发展的方向。机电一体化产品是指集成机械技术、微电子技术、计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品，例如微机控制的车床、钻床等。单片机作为产品中的控制器，能充分发挥它的体积小、可靠性高、功能强等优点，可大大提高机器的自动化、智能化程度。 3、单片机在实时控制中的应用 :单片机广泛地用于各种实时控制系统中。例如，在工业测控、航空航天、尖端武器、机器人等各种实时控制系统中，都可以用单片机作为控制器。单片机的实时数据处理能力和控制功能，可使系统保持在最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品质量。 4、 单片机在分布式多机系统中的应用 ：在比较复杂的系统中，常采用分布式多机系统。多机系统一般由若干台功能各异的单 片机组成，各自完成特定的任务，它们通过串行通信相互联系、协调工作。单片机在这种系统中往往作为一个终端机，安装在系统的某些节点上，对现场信息进行实时的测量和控制。单片机的高可靠性和强抗干扰能力，使它可以置于恶劣环境的前端工作。 5、 单片机在人类生活中的应用 自从单片机诞生以后，它就步入了人类生活，如洗衣机、电冰箱、电子玩具、收录机 等家用电器配上单片机后，提高了智能化程度，增加了功能，倍受人们喜爱。单片机将使人类生活更加方便、舒适、丰富多彩。 综合所述，单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。另一方面，单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。 6、 由单片机控制的交通灯：随着现代社会的发展，和交通设施的日益健全，对交通的维持交通秩序的功能有了越来越高的要求，要求交通灯必须有一定的反馈功能，和计时功能2。2 系统总体方案及设计2.1 总体方案本次课程设计的主要任务是设计复杂的十字路口交通信号灯控制系统，。本模拟交通信号灯系统利用AT89C51单片机作为核心元件，实现信号灯对路面交通的智能控制。从一定程度上解决了交通路口堵塞、车辆停车等待时间不合理、紧急车辆通行等问题。系统具有结构简单、可靠性高、成本低、实时性好、安装维护方便等优点，有广泛的应用前景。2.1.1 设计要求系统设计功能：复杂的十字路口交通信号灯控制系统，分东西道和南北道，设东西道为A道，南北道为B道。 系统设计规定：A道放行时间为2min，B道放行时间为1.5min；绿灯放行，红灯停止；绿灯转红灯时，黄灯亮2s。 当一道有车而另一道无车时，交通灯控制系统能立即让有车的车道放行。 当有紧急车辆（如110、112、119等急救车）要求通过时，此系统应能禁止普通车辆通行，路口的信号灯全部变红，以便让紧急车辆通过。假定紧急车辆通过时间为2s，紧急车辆通过后，交通灯恢复先前状态。 2.1.2 交通灯分析首先，了解实际交通灯的变化情况和规律。假设一个十字路口如图2所以，为东西南北走向。初始状态0时东西南北四个方向都是红灯亮。然后转状态1东西绿灯亮，南北红灯亮。一段时间后，转状态2，东西绿灯灭，黄灯闪，南北还是红灯。再转状态3，南北绿灯亮，东西红灯亮。过一段时间后转状态4，南北绿灯灭，黄灯闪，东西还是红灯。再一段时间后，又循环至状态1。正常情况下从状态1到状态4按照设定的时间循环。当有紧急车辆（如110、112、119等急救车）要求通过时，此系统能够设定为状态0，禁止普通车辆通行，路口的信号灯全部变红，以便让紧急车辆通过。列出交通信号灯的状态表如表1所示（其中，1代表灯亮，0代表灯灭）。图2 十字路口示意图表1 交通信号灯的状态表状态东西南北绿黄红绿黄红绿黄红绿黄红00010010010011100100001001201001000100130010011001004001001010010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，采用单片机内部的I/O口上的P1口中的6个引脚即可来控制6个信号灯。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。通过延时时间送显，可以在原有的交通信号灯系统的基础上，增加倒计时显示功能，实现其功能的扩展。当有紧急车辆（如110、112、119等急救车）要求通过时，此系统能够设定为状态0，禁止普通车辆通行，路口的信号灯全部变红，以便让紧急车辆通过。2.2 单片机选择及参数这次设计用到了AT89C51单片机。采用这款芯片及克服了采用8031需要添加外部外部程序存储器导致电路复杂的缺点，又克服了采用8751导致电路制作成本高的缺点。2.2.1 AT89C51单片机简介AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案，AT89C51系列单片机的内部结构如图3所示3。图3 AT89C51系列单片机的内部结构示意图AT89C51单片机芯片具有以下特性：l 指令集合芯片引脚与Intel公司的8051兼容；l 4KB片内在系统可编程FLASH程序存储器；l 时钟频率为033MHZ；l 128字节片内随机读写存储器（RAM）；l 6个中断源，2级优先级；l 2个16位定时/记数器；l 全双工串行通信接口；l 监视定时器；l 两个数据指针；2.2.2 主要引脚功能AT89C51引脚图如图4所示，其主要芯片功能如下所示图4 AT89C51引脚图l VCC：电源电压l GND：接地l P0口：P0口是一组8位双向I/O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。l P1口：P1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。l P2 口：P2 是一个带有内部上拉电阻的8 位准双向I/O 口l P3 口：P3 口是一组带有内部上拉电阻的8 位准双向I/0 口l RST：复位输入l PSEN()程序储存允许（PSEN()）输出是外部程序存储器的读选通信号l EA() / VPP：外部访问允许l XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端MCS51的中断源8051有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，这几个中断源由TCON和SCON两个特殊功能寄存器进行控制4。2.2.3 交通灯中的中断处理流程1、现场保护和现场恢复有特殊车辆要通过时就要进行中断，在中断之前，先将交通灯中断前情况保护好，当中断执行后再恢复现场，包括信号灯和时间显示电路。2、中断打开和中断关闭为使特殊车辆通行按一下打开中断开关可以打开中断，关闭中断开关就关闭中断。3、中断服务程序有中断产生，就必然有其具体的需执行的任务，中断服务程序就是执行中断处理的具体内容：即如果南北方向有特殊车辆要求通过，南北方向转换为绿灯，东西方向为红灯；如果东西方向有特殊车辆要求通过，东西方向转换为绿灯，南北方向为红灯。4、中断返回执行完中断服务程序后，必然要返回，即回交通灯信号回到中断前状态，显示时间也和中断前一样5。2.3 系统设计本系统以单片机为核心，系统硬件电路由状态灯、LED显示、按键等组成。其具体的硬件电路总图如图5所示。图5 交通灯控制系统原理图其中P0用于送显两片LED数码管，P1用于控制红绿黄发光二极管，XTAL1和XTAL2接入晶振时钟电路，REST引脚接上复位电路，P2.6与P2.7对数码管进行片选，P3.2即INT0紧急情况处理按键，P3.3即INT1接时间调整中断按键6。2.3.1 系统工作原理系统上电或手动复位之后，系统先显示状态灯及LED数码管，将状态码值送显P1口，将要显示的时间值的个位和十位分别送显P0口，在此同时用软件方法计时1秒，到达1秒就要将时间值减1，刷新LED数码管。时间到达一个状态所要全部时间，则要进行下一状态判断及衔接，并装入次状态的相应状态码值以及时间值。另外，还要开启两个外部中断，其一为紧急情况处理中断，一旦信号有效，即K3键为低电平时进入中断服务子程序，东西南北路口的红灯全亮禁止全部通行，再按一下K3键，中断结束返回。其二为通行时间调整中断，若K4按键有效，进入相应的中断子程序，对时间进行调整，此后再按K4键则中断结束返回。2.3.2 系统硬件设计将A道上的两个同色灯连在一起，B道上的同色灯也彼此相连(此处用发光二极管模拟实际的交通灯，各发光二极管的阳极通过保护电阻接到+5v的电源上，发光二极管的阴极接到单片机的P1口)用89C51单片机的P1.0P1.5共六根输出线控制各色交通灯的点亮与熄灭；A、B道上有无车辆的信号输入给P1.6、P1.7口，紧急车辆通过时，采用外部触发按键实时中断方式进行处理。根据该系统的功能要求及所用元器件，设计硬件电路，电路原理图如图5所示7。2.3.3 软件设计根据硬件电路原理图，并按系统的功能画出程序流程图。由于此系统较为简单，故采用自上而下的设计方法，进行程序设计；对紧急车辆通过的处理，采用中断的方法，由中断处理程序处理。程序流程如图6 、图7所示。程序实现的功能：A道放行时间为2min，B道放行时间为1.5min；绿灯放行，红灯停止；绿灯转红灯时，黄灯亮2s。在本程序中设定为四种状态，依次循环出现，从而实现红灯绿灯的显示，指挥道路车辆依次通过的功能。当一道有车而另一道无车时，交通灯控制系统能立即让有车的车道放行。在程序中由外部中断1实现，当P1.6处于高电平时进入状态1即南北红灯，东西绿灯；当P1.7处于高电平时进入状态3即南北绿灯，东西红灯。当有紧急车辆（如110、112、119等急救车）要求通过时，触发单次脉冲并在下降沿触发状态0使路口的信号灯全部变红，以便让紧急车辆通过。2s后紧急车辆通过，交通灯恢复先前状态。在程序中由外部中断0实现。图6 主程序流程图图7 中断服务子程序流程图程序如下所示：-LEDEQUP1 ORG0000H LJMPSTART ORG0003H LJMP S0 ORG 0023 LJMP DNSTART:MOVSP,#70HLCALLS0 ;初始状态（都是红灯） LCALLS1 ;南北绿灯,东西红灯 LCALLS2 ;南北绿灯闪转黄灯,东西红灯 LCALLS3 ;南北红灯,东西绿灯 LCALLS4 ;南北红灯,东西绿灯闪转黄灯 LJMPSTARTDN: JNB P1.6,L1 LJMP S3L1: JNB P1.7,L2 LJMP S1L2: RETIS0: MOVA,#00100001B;南北红灯,东西红灯 MOVLED,A MOVR2,#10;延时1毫秒 LCALLDELAY S1: MOVA,#10000001B ;南北绿灯,东西红灯 MOVLED,A MOVR2,#900 ;延时90秒 LCALLDELAY RETS2: MOVR3,#02H ;南北黄灯闪2秒FLASH:MOVA,#00000001B ;南北绿灯灭,东西红灯亮 MOVLED,A MOVR2,#03H LCALLDELAY MOVA,#10000001B ;南北绿灯,东西红灯 MOVLED,A MOVR2,#03H LCALLDELAY DJNZR3,FLASH MOVA,#01000001B ;南北转黄灯，东西红灯 MOVLED,A MOVR2,#20 ; 延时2秒 LCALLDELAY RETS3: MOVA,#00100100B ;南北红灯,东西绿灯 MOVLED,A MOVR2,#1200 ;延时120秒 LCALLDELAY RETS4: MOVR3,#02H ;东西黄灯闪2秒FLASH1:MOVA,#00100000B;南北红灯亮,东西绿灯灭 MOVLED,A MOVR2,#03H LCALLDELAY MOVA,#00100100B ;南北红灯亮,东西绿灯亮 MOVLED,A MOVR2,#03H LCALLDELAY DJNZR3,FLASH1 MOVA,#00100010B ;南北红灯,东西黄灯 MOVLED,A MOVR2,#20 ;延时2秒 LCALLDELAY RETDELAY: PUSH，02H ;延时子程序 PUSH01H PUSH00HDELAY1:MOVR1,#00HDELAY2:MOVR0,#0C2H DJNZR0,$ DJNZR1,DELAY2 ;延时100ms DJNZR2,DELAY1 POP00H POP 01H POP02H RET END总 结通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。让我对单片机的理论有了更加深入的了解，同时在具体的制作过程中我们发现现在书本上的知识与实际的应用存在着不小的差距，书本上的知识很多都是理想化后的结论，忽略了很多实际的因素，或者涉及的不全面，可在实际的应用时这些是不能被忽略的，我们不得不考虑这方的问题，这让我们无法根据书上的理论就轻易得到预想中的结果，有时结果甚至很差别很大。这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固致 谢本文是在指导老师司小平的悉心指导和帮助下完成的，她对本论文的构思、框架和理论运用给予了许多深入的指导，使得此课程设计得以顺利完成。司老师严谨的治学态度，渊博的知识和循循善诱的教导，特别是丰富的经历和对本行业前沿性发展方向的把握和理解上很准确，使我受益终生，在此向司老师表示我最诚挚的谢意。感谢同组同学的真诚合作及同学们的热情帮助，他们提供了许多宝贵的思路和建议及相关文献资料，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。   最后，再次对关心、帮助我的老师和同学表示衷心地感谢！参考文献1 胡汉才. 单片机原理与接口技术M北京：清华大学出版社，1995.62 楼然苗等. 51系列单片机设计实例M北京：北京航空航天出版社，2003.3 3 何立民. 单片机高级教程M北京：北京航空航天大学出版社，20014 赵晓安. 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