毕业设计（论文）基于单片机的交通信号灯控制系统设计.doc

编号：河南大学2011届本科毕业论文基于单片机的交通灯控制系统设计论文作者姓名：_ 作 者 学 号：_ 所 在 学 院： 物理与电子学院 所 学 专 业：_测控技术与仪器_导师姓名职称：_ 论文完成时间： 2015年03月28日 _ 目 录基于单片机的交通信号灯控制系统设计1摘 要：1关键词：1Traffic Light Control System Based On Single Chip1Abstract:1Key words:10 前言11 交通信号灯设计概述21.1 课题研究背景与意义21.2 课题设计要求21.3 课题设计内容32 系统硬件设计32.1 主控制系统32.2 复位电路32.3 时钟电路42.4 LED灯电路52.5 八段式LED数码管显示电路62.6 串口通信电路63 系统软件设计73.1 软件整体思路73.2 交通信号灯的控制83.3 利用定时器中断实现精确延时93.4 八段数码管显示倒计时103.5 通过串口与上位机通信114 上位机软件设计125 交通灯控制系统调试与运行125.1 软件系统调试126 结论13参考文献14致 谢15附录16附录A 实物运行图16附录B 上位机串口助手16附录C 单片机源代码16基于单片机的交通信号灯控制系统设计金鹏举（河南大学物理与电子学院，河南 开封，475004）摘 要： 随着社会的发展，交通信号灯在城市道路管理中扮演着越来越重要的角色；随着科技的发展，单片机在日常生活中的应用越来越广泛。本文将介绍一种使用单片机作为系统的控制芯片，通过单片机软件程序实现自动控制，通过与上位机的交互实现手动调节的交通信号灯控制系统的设计方式。整个系统以STC89C52RC单片机为核心，通过定时器中断实现精确延时，采用八段LED数码管显示倒计时，使用红、黄、绿三色LED灯作为信号指示，通过串口与上位机通信实现交通信号灯倒计时时间更改，模拟演示了交通信号灯的控制运行。本交通信号灯控制系统性能稳定，结构简单，操作方便，实用性强。关键词： 交通灯；单片机；定时器；数码管；串口Traffic Light Control System Based On Single ChipJin Peng-ju(School of Physics and Electronics, Henan University, Henan Kaifeng 475004, China)Abstract: With the development of society, the traffic lights in the city road management plays an increasingly important role; With the development of science and technology, SCM applications in daily life more widely. This article describes a system using SCM as the master unit, and automatic control through the MCU software program, through interaction with the host computer to achieve manually adjust the traffic signal control system design. The whole system STC89C52RC microcontroller core, accurate timer interrupt latency by using eight LED digital display countdown, the use of red, yellow, and green LED lights as a signal indication, communicate with the host via the serial port to achieve traffic lights countdown time Change, simulation demonstrates the control operation of traffic lights. The traffic signal control system, stable performance, simple structure, easy operation, practical.Key words: Traffic lights; Single chip; Timer; Digital control; Serial0 前言随着社会经济的快速发展，我国汽车保有量快速增长，已居世界第二位。车辆的增多导致交通拥挤和堵塞时常发生，交通堵塞问题已经成为城市交通中亟需解决的问题。交通信号灯作为交通管理一部分，一直在交通管理中发挥着巨大的作用。交通信号灯的控制方式有许多种，本文基于STC89C52系列单片机，构建交通信号灯的控制系统，具有可靠性高、实用性强、成本低廉的特点，对于道路交通管理，缓解交通堵塞等具有十分现实的意义。1 交通信号灯设计概述1.1 课题研究背景与意义交通是城市经济活动的命脉，对城市经济发展、人民生活水平的提高起着十分重要的作用1。我国是一个历史文化悠久、人口基数庞大的国家，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，城市交通问题是困扰城市发展、制约城市经济建设的重要因素。本文提出一种利用单片机对交通信号灯进行自动控制以及红绿灯倒计时显示的方法，整个系统被浓缩在一块微小的单片机上，并能利用串口与上位机进行交互，实时更改交通信号灯的倒数时间，大大提高了产品的经济性和轻便性。1.2 课题设计要求以生活中最常见的十字路口（如图1）为例，交通信号灯控制东西和南北的来往车辆有次序的行进，并可根据两个方向的实际车流量，手动调节东西和南北方向的通行时间。图1 十字路口模型图交通信号灯控制过程如下：东西方向绿灯亮，南北方向红灯同时亮；东西方向绿灯亮20秒后，闪烁10秒（亮0.5秒，灭0.5秒），然后东西方向黄灯亮，闪烁3秒后，东西方向红灯亮，33秒后东西方向绿灯亮周而复始；南北方向红灯亮33秒后，南北方向绿灯亮20秒，再闪烁10秒，然后南北方向黄灯亮，闪烁3秒后，南北方向红灯亮2周而复始。1.3 课题设计内容本课题以STC89C52系列单片机为控制核心，研究并设计制作了基于单片机的交通信号灯控制系统，用于十字路口的车辆及行人的交通管理。东西南北四个路口具有红、黄、绿三种交通信号灯，并分别用定时器显示路口通行转换剩余时间，通过串口可以与上位机通信，修改交通信号灯倒计时时间。2 系统硬件设计利用单片机设计应用系统应考虑在满足设计要求的前提下，硬件电路要尽可能地简单，最大限度的用程序设计完成系统的各项功能3。本交通信号灯控制系统基于STC89C52系列单片机开发板设计，根据系统要实现的功能，硬件要包含复位电路、时钟电路、LED交通灯显示模块、八段LED数码管显示时间模块和串口通信模块。2.1 主控制系统主控制器采用STC89C52单片机。STC89C52是标准的40引脚双列直插式集成芯片，功能强大并且功耗低。STC89C52的引脚及其功能如图2所示。STC89C52单片机具有8K字节程序存储空间和512字节数据存储空间，并且支持串口下载，因此编程和修改十分方便4；具有32个通用I/O口，分为四组八个，分别由P0、P1、P2和P3控制；具有3个16位定时/计数器，可以实现精确的时间控制；具有一个通用异步串行接口，通过RS232协议与其他主机通信。2.2 复位电路STC89C52的复位电路如图3所示，包含两种复位方式，低电平复位与高电平复位。一般都采用高电平复位，即正常工作时复位引脚为高电平，按下复位按键是，复位脚为高电平。阻容复位的特点是成本低，连接方便。图2 STC89C52单片机引脚图图3 STC89C52单片机复位电路 2.3 时钟电路时钟电路由一个晶体振荡器和两个30pF的瓷片电容组成。时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各信号之间的相互关系。单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地工作。本系统使用11.0592MHz的晶振为单片机提供时钟信号，其时钟电路的电路图如图4所示。图4 STC89C52单片机晶振电路2.4 LED灯电路交通信号灯采用红、黄、绿三种颜色的发光二极管设计。STC89C52单片机通过P1口对LED交通信号灯进行控制，在不同的状态时控制LED交通信号灯的状态。交通信号灯原理图如图5所示。当R=1000欧时，按公式A=(5-1.8)/R计算，电路中的电流大小应为A=3.2mA。由于每个路口的通行双向指示处理相同，因此每个端口应具有6.4mA的吸收电流能力。图5 LED交通信号灯控制电路2.5 八段式LED数码管显示电路数码管是现在常用的显示器件，价格低廉，随着技术的发展，这种高亮度低功耗的显示器件受到广大用户的青睐。数码管分为共阴极和共阳极两种。这里我们使用八位八段式共阴极数码管，显示东西南北四个方向上交通信号灯的倒计时时间。八段式共阴极数码管如图6所示，通过P0口输出位码和段码进行选择和显示。图6 八段式共阴极数码管2.6 串口通信电路串口通信的本质就是两个CPU以规定的通信协议进行数据交换。STC89C52单片机的串口使用Max3232实现串口通信协议的电平转换，串口通讯的原理图如图7所示。串口端口中，我们只需要用到2、3、5三个引脚，其中2号引脚是接收数据端，3号引脚是发送数据端，5号引脚是接地端。这里我们采用RS232通信协议实现单片机与上位机之间的串口通讯。串行异步通信协议中有两个比较重要的指标：数据帧格式和波特率。RS232通信协议规定的数据帧格式为：一位起始位、五到八位的数据位、可选的奇偶校验位和一到二位的停止位。波特率可以根据现场实际情况进行选择。在工业控制领域我们通常选择9600bps的波特率，使用过程中较稳定且速度足够。图7 串口通讯3 系统软件设计本设计使用keil软件完成系统的软件设计,采用C51高级语言编程，最后生成单片机烧录需要使用的Hex文件。Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案。3.1 软件整体思路软件共可以分为主程序、定时器中断、串口中断三大部分。主程序用来硬件初始化、交通信号灯控制和八段数码管显示倒计时；定时器中断用来产生精确的延时，控制交通信号灯的周期；串口中断用来与上位机实时交互，获取当前交通信号灯的周期以及设置交通信号灯的周期。主程序流程图如图8所示。 开始 设置定时器东西方向通行倒计时显示延时时间到?南北方向通行倒计时显示延时时间到?图8 主程序流程控制图3.2 交通信号灯的控制单片机的P1口外接LED灯，P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5分别代表东西向红灯、黄灯、绿灯和南北向红灯、黄灯、绿灯。当P1口输出低电平时，LED灯亮，当P1口输出高电平时，LED灯灭。可以通过P1口某位输出0或者1来控制信号灯的明暗。交通信号灯的状态输出如表1所示。表1 交通信号灯状态表 状态 持续时间 东西红灯 东西黄灯 东西绿灯 南北红灯 南北黄灯 南北绿灯东西通行 20s 灭 灭 亮 亮 灭 灭东西通行 10s 灭 灭 闪 亮 灭 灭东西通行 3s 灭 闪 灭 亮 灭 灭南北通行 20s 亮 灭 灭 灭 灭 亮南北通行 10s 亮 灭 灭 灭 灭 闪南北通行 3s 亮 灭 灭 灭 闪 灭3.3 利用定时器中断实现精确延时定时器是单片机的特殊功能模块。STC89C52系列单片机具有T0和T1两个定时/计数器，并且有四种工作模式可供选择。这里我们使用定时器T0工作于模式1，TH和TL组成16位定时器5。模式1的工作原理如图9所示。图9 定时器T0工作于模式1单片机使用的是11.0592MHz的晶振，16位加1计数器最大的延时时间为：所以要想实现1秒的延时，我们采用定时器中断与软件相结合的方法：首先设置定时器T0定时50毫秒6：然后在程序中设定一个初值为0的软件计数器Interrupt_Num。每当定时器T0到50毫秒时，计数器溢出产生中断请求，CPU就响应它的请求，进入中断服务函数。在中断服务函数中，令Interrupt_Num自加1，这样通过判断Interrupt_Num的值的大小就可以控制精确的控制延时时间。3.4 八段数码管显示倒计时STC89C52系列单片机有8位八段式共阴极数码管，八段式共阴极数码管显示数字的编码格式如表2所示。表2 八段共阴极数码管编码显示字形 dp g f e d c b a 字符码 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 0 1 1 1 1 1 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首先通过P0口输出位码，选择所用的数码管，然后通过P0口输出段码，显示需要的数字。本系统需要使用四个数码管两两组合构成两个两位数的倒计时显示器。显然，数码管静态显示已经不能满足系统的要求，所以采用动态扫描的方式。数码管动态扫描的程序流程图如图10所示。动态扫描数码管的过程中，要取一个两位数Num的十位和各位分别显示，并且在每次显示数据之前要清空数据，防止有交替重影。unsigned int Shiwei = Num / 10;unsigned int Gewei = Num % 10;开始东西方向倒计时十位显示延时东西方向倒计时各位显示 延时南北方向倒计时十位显示延时南北方向倒计时各位显示延时图10 八段数码管动态扫描流程图3.5 通过串口与上位机通信本系统使用定时器T1工作在模式2（八位自动重装载模式）。因为：所以定时器T1的初值为：由于本系统使用的单片机晶振频率为11.0592MHz，若要设置波特率为9600，则初值TH1 = TL1 = 0xFD。常见的波特率设置初值表如图11所示。图11 常见波特率初值表本系统设置单片机的串口通信协议为波特率9600，无校验位，八位数据位，一位停止位，启用串口中断。规定所有的数据帧以#结束。当串口接收到上位机发送的“#”，将立即返回当前的交通信号灯倒计时时间数据，帧格式为“*XX XX XX XX XX XX#”；当串口接收到上位机发送的“*XX XX XX XX XX XX#”格式数据帧时，将在本次循环结束后，自动设置新的倒计时时间。4 上位机软件设计本次设计使用电脑作为上位机，通过串口USB转串口线与单片机进行通信。上位机的串口通信助手基于MFC使用MSComm控件编写完成，实现了完整的收发功能，并且可以设置串口的波特率、开始位、停止位、校验位等。按照既定的数据帧格式与单片机进行通信，可以实时获取交通信号灯的倒计时时间以及手动设置交通信号灯的倒计时时间。5 交通灯控制系统调试与运行交通信号灯的控制系统本身要求有稳定性高、操作方便、抗干扰能力强等功能，系统调试除了验证数据处理的精度，确保判断的准确性外，同时必须确认各项功能的正常运行。5.1 软件系统调试本系统的软件系统很大，选用单片机C51语言进行程序编写和调试。除了语法差错外，当确认程序没问题时，通过直接下载到单片机来调试。采取的是自下到上的调试方法，即单独调试好每一个模块，然后再连接成一个完整的系统，最后完成一个完整的系统调试。在软件的调试时，两个数码管组合显示两位数的过程中，由于使用动态扫描的方式使数码管显示，两个数码管显示之间应有合适的间隔延时时间，若时间太长则会造成闪烁，时间太短则会有重影。刚开始的时候，两个数码管总是有重影现象，后来本人经过查阅资料，在每次显示之前清空数据，这样就消除了交替重影的现象。6 结论 本次设计利用STC89C52单片机完成了城市道路交通信号灯控制系统的设计。使用单片机作为控制系统的核心元件，使得电路控制具有较高的可靠性，功能相对较完善，且具有较大的升级空间。本次设计可适用于十字路口的车辆和行人的交通管理，通过数码管显示红绿灯倒计时时间更加直观便捷，通过串口与上位机进行通信可以修改红绿灯的倒计时时间，从而适应不同的路况。在现在这个车辆不断增加，城市化进程不断加快的状况下，此交通信号灯控制系统对于交通管理、缓解和疏导交通堵塞具有十分现实且重要的意义。在本次设计，我发现很多的问题，有很多看似简单的问题其实并没有想象中那么简单，而这一切都需要用实践去检验。同时，通过本次毕业设计，巩固了我所学习过的专业知识，也使我们把理论与实践从真正意义上相结合了起来；考验了我们借助互联网络搜集、查阅相关文献资料和组织材料的综合能力；从中可以自我测验，认识到自己哪方面有欠缺、不足，以便于在日后的学习中得以改进、提高；通过使用电路CAD 软件Multisim , 也让我们了解到计算机辅助设计(CAD)的智能化,有利于提高工作效率。总之，此次设计的过程中，我收获了很多。此次设计的完成经验对我未来的人生之路有着非常重要的意义。参考文献1 侍金凤.基于51单片机的交通灯智能控制系统J.科技信息，2010(35):485.2 张绮曼，郑曙，李默燕，等.基于单片机的交通灯控制系统设计与实现J.佳木斯大学学报(自然科学版)，2010,12(14)：120-123.3 王怀平,王仁波,胡开明等.Proteus仿真设计基于单片机AT89C51的电子万年历J.科技广场，2008(10):197-1984 付家才.单片机控制工程实践技术M.北京：化学工业出版社，20045 赵佩华.单片机接口技术及应用M.北京:机械工业出版社，20036 李朝青.单片机原理及接口技术：修订版M.北京：北京航空航天大学出版社，19987 谢兆清.基于单片机控制的交通灯设计J.城市建设理论研究（电子版），2011(21)8 韩秀莉，姜学思.基于单片机控制的交通控制系统的研究与设计J.科技信息,2010(9).致 谢本设计是在导师闫战强副教授的亲切关怀和悉心指导下完成。在设计的整个过程中，闫老师不断给我指明方向，指导我抓住问题的关键。闫老师对我言传身教、关心备至，正是她孜孜不倦的教诲和细致入微的关怀激励着我完成了本次毕业设计，学生无限感激，将会永远铭记在心，在此，谨向闫老师表示衷心的感谢。导师敏锐的思维、开阔的视野、严谨的治学态度、丰富的科学经验、渊博的理论知识、一丝不苟的学术作风、正直宽厚的为人品格都给我留下了深刻的印象，使我终生受益。附录附录A 实物运行图附录B 上位机串口助手附录C 单片机源代码