交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、湖北文理學(xué)院理工學(xué)院電子科學(xué)與信息工程系專業(yè)方向課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)學(xué)生姓名（學(xué)號(hào)）通信1311 馬佳瑩（ 13354107）學(xué)生姓名（學(xué)號(hào)）通信1311 楊夢(mèng)輝（ 13354112）學(xué)生姓名（學(xué)號(hào)）通信1311 粟益（ 13354108）指導(dǎo)教師黃巧巧日期 2016 年 5 月1 交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要：交通控制系統(tǒng)是近現(xiàn)代社會(huì)隨著物流、出行等交通發(fā)展產(chǎn)生的一套獨(dú)特的公共管理系統(tǒng)。 要保證高效安全的交通秩序，除了制定一系列的交通規(guī)則，還必須通過(guò)一定的科技手段加以實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)中交通燈控制系統(tǒng)由 stc89c51單片機(jī)、交通燈顯示、 led倒計(jì)時(shí)、緊急處理等模塊組成。 系統(tǒng)除基

2、本交通燈功能外， 還具有通行時(shí)間可倒計(jì)時(shí)顯示、急車強(qiáng)行通過(guò)等相關(guān)功能。該系統(tǒng)能夠簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、有效地疏導(dǎo)交通，提高交通路口的通行能力。關(guān)鍵詞： 交通控制； stc89c51 ；倒計(jì)時(shí)顯示2 目錄一 設(shè)計(jì)要求 .4 二 方案論證 .4 三 單片機(jī)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì).4 3.1通行方案設(shè)計(jì) .5 四 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) .6 4.1最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) .6 4.1.1單片機(jī)的概述 .6 4.1.2stc89c51 芯片最小系統(tǒng) .7 4.2外圍硬件構(gòu)成 .8 4.2.1數(shù)碼管顯示電路 .8 4.2.2顯示電路 .9 4.2.3按鍵控制 .9 4.3系統(tǒng)總電路 .10 五 系統(tǒng)軟件程序的設(shè)計(jì) .12 5.1程

3、序設(shè)計(jì)流程 .12 5.1.1主體流程圖 .12 5.2理論基礎(chǔ)知識(shí) .12 5.2.1定時(shí)器基本原理 .12 5.2.2定時(shí)器初值計(jì)算 .13 六 仿真與調(diào)試 .14 6.1軟件仿真 .14 6.1.1交通燈仿真電路 .14 6.2硬件調(diào)試 .15 6.2.1元件清單 .15 6.2.2實(shí)物圖.16 6.2.3調(diào)試運(yùn)行 .16 七 心得體會(huì) .17 參考文獻(xiàn)3 一、設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個(gè)模擬交通燈控制系統(tǒng): (1) 紅燈和綠燈停留的時(shí)間為一分鐘即60 秒鐘，黃燈停留的時(shí)間是5 秒鐘; (2) 系統(tǒng)包括人行道，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，以及基本的交通燈的功能; (3) 系統(tǒng)除基本的交通燈功能外，還具有倒計(jì)時(shí)，時(shí)間

4、設(shè)置，緊急情況處理，分時(shí)段調(diào)整信號(hào)燈的點(diǎn)亮?xí)r間以及根據(jù)具體情況手動(dòng)控制等功能。二、方案論證方案一： plc控制交通燈plc主要應(yīng)用于強(qiáng)電方面的工業(yè)控制，或者整條流水線的控制。雖然比較穩(wěn)定 , 但是功耗要大，成本也比較高。方案二：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制交通燈單片機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、編程方便、經(jīng)濟(jì)、易于連接等優(yōu)點(diǎn)，特別是其內(nèi)部定時(shí)器計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)資源豐富可對(duì)交通燈進(jìn)行精確的控制，有應(yīng)用價(jià)值， 可擴(kuò)展功能多，靈活性比較強(qiáng)，線路也非常簡(jiǎn)單，成本也是比較低的。由于此次課程設(shè)計(jì)是單片機(jī)設(shè)計(jì)， 還有結(jié)合從各方面優(yōu)缺點(diǎn)來(lái)看， 以及簡(jiǎn)便方面，成本方面，和結(jié)構(gòu)、控制方面來(lái)看。為了同時(shí)滿足課程設(shè)計(jì)要求，綜上所述，選擇了方案二，做

5、為本設(shè)計(jì)的方案選擇。三、單片機(jī)交通控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)單片機(jī)設(shè)計(jì)交通燈控制系統(tǒng)， 可用單片機(jī)直接控制信號(hào)燈的狀態(tài)變化，指揮4 交通的具體通行。當(dāng)然，接入 led 數(shù)碼管就可以顯示倒計(jì)時(shí)，以提醒行使者，更具人性化。據(jù)此，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，連接成最小系統(tǒng)， 由按鍵設(shè)置模塊等產(chǎn)生輸入，信號(hào)燈狀態(tài)模塊、led倒計(jì)時(shí)模塊接受輸出。系統(tǒng)的總體框圖如上圖所示。系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)， 執(zhí)行交通燈狀態(tài)顯示控制， 同時(shí)將倒計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)輸入到 led 數(shù)碼管上實(shí)時(shí)顯示。在此過(guò)程中還要實(shí)時(shí)檢測(cè)按鍵信號(hào)，以達(dá)到對(duì)異常狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的目的。3.1 通行方案設(shè)計(jì)設(shè)在十字路口， 分為東西向和南北向， 在任一時(shí)刻只有一個(gè)

6、方向通行，另一方向禁行，持續(xù)一定時(shí)間，經(jīng)過(guò)短暫的過(guò)渡時(shí)間，將通行禁行方向?qū)Q。其具體狀態(tài)如下圖所示。 說(shuō)明：黑色表示亮， 白色表示滅。交通狀態(tài)從狀態(tài) 1 開(kāi)始變換，直至狀態(tài) 4 然后循環(huán)至狀態(tài) 1 ，周而復(fù)始，即如圖所示：通過(guò)具體的路口交通燈狀態(tài)的演示分析我們可以把這四個(gè)狀態(tài)歸納如下：5 （1）南北方向紅燈滅，同時(shí)綠燈亮，東西方向黃燈滅，同時(shí)紅燈亮，倒計(jì)時(shí) 60 秒。此狀態(tài)下，東西向禁止通行，南北向允許通行。（2）南北方向綠燈滅，同時(shí)黃燈亮，東西方向紅燈亮，倒計(jì)時(shí) 5 秒。此狀下，除了已經(jīng)正在通行中的其他所以車輛都需等待狀態(tài)轉(zhuǎn)換。（3）東西方向紅燈滅，同時(shí)綠燈亮，南北方向黃燈滅，同時(shí)紅燈亮，倒

7、計(jì)時(shí) 60 秒。此狀態(tài)下，東西向允許通行，南北向禁止通行。（4）東西方向綠燈滅，同時(shí)黃燈亮，南北方向紅燈亮，倒計(jì)時(shí) 5 秒。此狀態(tài)下，除了已經(jīng)正在通行中的其他所以車輛都需等待狀態(tài)轉(zhuǎn)換。四、系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)要求的具體功能， 可以選用 stc89s51單片機(jī)及外圍器件構(gòu)成最小控制系統(tǒng)，12 個(gè)發(fā)光二極管分成 4 組紅綠黃三色燈構(gòu)成信號(hào)燈指示模塊， 8 個(gè)數(shù)碼管東西南北各兩個(gè)構(gòu)成倒計(jì)時(shí)顯示模塊，以及四個(gè)按鍵。4.1 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1.1 單片機(jī)的概述單片微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱單片機(jī)， 又稱微控制器， 嵌入式微控制器等， 屬于第四代電子計(jì)算機(jī)。 它把中央處理器、 存儲(chǔ)器、輸入/ 輸出接口電路以及

8、定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器集成在一塊芯片上，從而具有體積小、功耗低、價(jià)格低廉、抗干擾能力強(qiáng)且可靠性高等特點(diǎn)， 因此，適合應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制、 智能儀器儀表和測(cè)控系統(tǒng)的前端裝置。正是由于這一原因，國(guó)際上逐漸采用微控制器(mcu) 代替單片微型計(jì)算機(jī)(scm) 這一名稱?！拔⒖刂破鳌备芊从硢纹瑱C(jī)的本質(zhì)，但是由于單片機(jī)這個(gè)名稱已經(jīng)為國(guó)內(nèi)大多數(shù)人所接受，所以仍沿用“單片機(jī)”這一名稱。單片機(jī)的主要特點(diǎn)有：（1）具有優(yōu)異的性能價(jià)格比。（2）集成度高、體積小、可靠性高。（3）控制功能強(qiáng)。（4）低電壓，低功耗。6 stc89c51 是宏晶科技的 stc89系列單片機(jī)。 stc89系列單片機(jī)也是mcs-51系列單片機(jī)

9、的派生產(chǎn)品， 近幾年受到市場(chǎng)的追捧。 dip40 封裝系列與標(biāo)準(zhǔn) 80c51完全兼容。 stc89系列的 isp 功能可通過(guò) 232 接口和 pc的串口連接，在線下載程序。它的開(kāi)發(fā)手段簡(jiǎn)單， 無(wú)需仿真器。 這一特性避開(kāi)了以往學(xué)習(xí)單片機(jī)時(shí)對(duì)仿真器的依賴，極大的簡(jiǎn)化了學(xué)習(xí)和開(kāi)發(fā)手段。故本設(shè)計(jì)采用stc89c51 單片機(jī)。4.1.2 stc89c51 芯片最小系統(tǒng)一個(gè)最簡(jiǎn)單的單片機(jī)系統(tǒng)包括晶振電路、復(fù)位電路。（1）晶振電路首先介紹一下單片機(jī)的晶振電路，即時(shí)鐘電路。 單片機(jī)的工作流程， 就是在系統(tǒng)時(shí)鐘的作用下， 一條一條地執(zhí)行存儲(chǔ)器中的程序。單片機(jī)的時(shí)鐘電路由外接的一只晶振和兩只起振電容， 以及單片機(jī)

10、內(nèi)部的時(shí)鐘電路組成， 晶振的頻率越高，單片機(jī)處理數(shù)據(jù)的速度越快， 系統(tǒng)功耗也會(huì)相應(yīng)增加， 穩(wěn)定性也會(huì)下降。 單片機(jī)系統(tǒng)常用的晶振頻率有 6mhz、110592mhz 、12mhz 、本系統(tǒng)采用 12mhz 振，電容選 30pf。7 （2）復(fù)位電路系統(tǒng)剛上電時(shí)， 單片機(jī)內(nèi)部的程序還沒(méi)有開(kāi)始執(zhí)行，需要一段準(zhǔn)備時(shí)間， 也就是復(fù)位時(shí)間。一個(gè)穩(wěn)定的單片機(jī)系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)復(fù)位電路。當(dāng)程序跑飛或死機(jī)時(shí)，也需要進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位。復(fù)位電路有很多種，有上電復(fù)位，手動(dòng)復(fù)位等。4.2 外圍硬件構(gòu)成4.2.1 數(shù)碼管顯示電路本系統(tǒng)使用數(shù)碼管完成倒計(jì)時(shí)顯示功能。以南北方向?yàn)槔?數(shù)碼管顯示的數(shù)值從綠燈的設(shè)置時(shí)間最大值開(kāi)始往下減，

11、每秒鐘減 1，最后減到 0. 然后又從紅燈的設(shè)置時(shí)間最大值往下減， 一直見(jiàn)到 0，接著顯示黃燈的設(shè)置時(shí)間， 一直減到 0，然后一直循環(huán)下去。系統(tǒng)共有8 個(gè)數(shù)碼管，每 2 個(gè)分別放置在模擬交通燈上方，8 道路口剩余通行時(shí)間采用紅色七段共陰數(shù)碼管顯示。本系統(tǒng)中，51單片機(jī)的p1.4;p1.5;p1.6;p1.7控制位選，本系統(tǒng)中，p2口控制數(shù)碼管的段選。4.2.2 led 顯示電路根據(jù)本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)， 紅綠黃燈的顯示不可少， 紅綠黃燈的顯示采用普通的發(fā)光二極管。每個(gè)方向上設(shè)置紅綠黃燈，總共 4 組。如果東西紅燈亮，那南北方向就是綠燈亮，反之亦然，所以在硬件上連接圖上也是對(duì)稱分布的，在本設(shè)計(jì)中，實(shí)際控

12、制的燈有 12 個(gè)，即：東西紅燈，東西綠燈，東西黃燈，南北紅燈，南北綠燈，南北黃燈 , 均是高電平有效，如圖所示。4.2.3 按鍵控制本設(shè)計(jì)設(shè)置了有 4 個(gè)鍵：（1）、s1鍵設(shè)置按鍵 。（2）、s2鍵為增加時(shí)間按鍵。（3）、s3鍵為減少時(shí)間按鍵。（4）、s4鍵為模式切換按鍵。9 南北每次通行時(shí)間設(shè)為60 秒、東西每次通行間為60 秒，時(shí)間按 k1可設(shè)置修改。按 s1一次進(jìn)入調(diào)東西通行時(shí)間， 再按一次 s1進(jìn)入調(diào)南北通行時(shí)間。 再按一次 s1退出設(shè)定 ; 通行時(shí)間模式，進(jìn)入設(shè)定通行時(shí)間模式后按s2加 1，按 s3減1。再正常模式下按s4進(jìn)入南北優(yōu)先通行模式，再按一下s4進(jìn)入東西南北禁止通行模式，

13、 再按一下 s4進(jìn)入夜間模式。 再按一下 s4進(jìn)入東西優(yōu)先通行模式。 在正常模式下 按下復(fù)位按鍵，恢復(fù)為正常狀態(tài)。4.3 系統(tǒng)總電路本系統(tǒng)以單片機(jī)為核心 , 系統(tǒng)硬件電路由單片機(jī)、 狀態(tài)燈、led顯、 按鍵組成。其具體的硬件電路如圖所示：（1）開(kāi)關(guān)鍵輸入交通燈初始時(shí)間，通過(guò)89c51單片機(jī) p1輸入到系統(tǒng)(2) 由 89c51單片機(jī)的定時(shí)器每秒鐘通過(guò)p0口向數(shù)據(jù)口送信息，由單片機(jī)的 p0口顯示紅、綠、黃燈的燃亮情況；由p2口顯示每個(gè)燈的燃亮?xí)r間。10 (3)89c51 通過(guò)設(shè)置各個(gè)信號(hào)等的燃亮?xí)r間，綠、紅時(shí)間為60 秒、黃燈為 5秒循環(huán)由 p0 口向數(shù)碼管輸出。（4） 通過(guò)單片機(jī)的 p3.0

14、位來(lái)控制系統(tǒng)是工作或設(shè)置初值，當(dāng)為0 就對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，為1 系統(tǒng)就開(kāi)始工作。通過(guò)按鍵可進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換：南北優(yōu)先通行模式：南北綠燈亮，東西紅燈亮；東西優(yōu)先通行模式：南北紅燈亮，東西綠燈亮；緊急模式：南北紅燈亮，東西紅燈亮；夜間模式：南北黃燈亮，東西黃燈亮。五、系統(tǒng)軟件程序的設(shè)計(jì)5.1 程序設(shè)計(jì)流程5.1.1 主體流程圖11 5.2 理論基礎(chǔ)知識(shí)5.2.1 定時(shí)器基本原理定時(shí)器工作的基本原理其實(shí)就是給初值，讓它不斷加 1 直至達(dá)到設(shè)定值，這個(gè)初值是送到 th 和 tl 中的。計(jì)數(shù)器以此為基數(shù)做加1 操作。因此，我們可以把所要求的計(jì)數(shù)值設(shè)定為 c，把計(jì)數(shù)初值設(shè)定為 tc，可得到如下計(jì)算通式：tc=

15、m-c 式中，m為計(jì)數(shù)器模值。計(jì)數(shù)值并不是目的，目的是時(shí)間值，設(shè)計(jì) 1 次的時(shí)間，即定時(shí)器計(jì)數(shù)脈沖的周期為 t0，它是單片機(jī)系統(tǒng)主頻周期的12 倍，設(shè)要求的時(shí)間值為 t，則有 c=t t0。計(jì)算通式變?yōu)椋簍=（m tc ）t0 模值和計(jì)數(shù)器工作方式有關(guān)。在方式 0 時(shí) m 為 8192；在方式 1 時(shí) m 的值為 65536；在方式 2 和 3 為 256。就此可以算出各種方式的最大延時(shí)。如單片機(jī)的主脈沖頻率為 12mhz ，經(jīng)過(guò) 12 分頻后，若采用方式0 最大延時(shí)只有 8.129 毫秒， 采用方式 1 最大延時(shí)也只有 65.536 毫秒。若使用軟件則會(huì)耽擱程序流程，顯然不可行。 相反，時(shí)間

16、計(jì)時(shí)方面卻不可能只用計(jì)數(shù)器，因?yàn)轱@然 1 秒鐘已經(jīng)超12 過(guò)了計(jì)數(shù)器的最大定時(shí)間， 所以我們還必須采用定時(shí)器和軟件相結(jié)合的辦法才能解決這個(gè)問(wèn)題。5.2.2 定時(shí)器初值計(jì)算stc89c51 的工作頻率為 12mhz ， 機(jī)器周期與主頻有關(guān)， 機(jī)器周期是主頻的 12倍，所以一個(gè)機(jī)器周期的時(shí)間為12*（1/12mhz ）=1us。我們可以知道具體每條指令的周期數(shù)， 這樣我們就可以通過(guò)指令的執(zhí)行條數(shù)來(lái)確定1 秒的時(shí)間，但同時(shí)由于單片機(jī)的運(yùn)行速度很快其他的指令執(zhí)行時(shí)間可以忽略不計(jì)。我們?cè)O(shè)定一個(gè)初值為 20 的軟件計(jì)數(shù)器和使t0定時(shí) 50 毫秒。這樣每當(dāng) t0=50毫秒時(shí) cpu就響應(yīng)它的溢出中斷請(qǐng)求，進(jìn)

17、入他的中斷服務(wù)子程序。在中斷服務(wù)子程序中，cpu 先使軟件計(jì)數(shù)器減 1，然后判斷它是否為零。為零表示1 秒 已到。設(shè)定定時(shí)器需要定時(shí) 50 毫秒，故 t0 必須工作于方式 1。要求初值：tc=m-t*t0=216-50ms/1us=15536=3cboh。即 th0=3ch,tl0=b0h; 相應(yīng)程序代碼：void inittimer0(void) /初始化定時(shí)器 0 tmod = 0 x01; /模式 1 th0 = 0 x3c; /定時(shí)器裝載值tl0 = 0 xb0; ea = 1; /使能總中斷et0 = 1; /使能定時(shí)器 0 中斷tr0 = 1; /啟動(dòng)定時(shí)器 0 void time

18、r0interrupt(void) interrupt 1 /定時(shí)器 0 中斷處理函數(shù) static unsigned char timeoutnum = 0; th0 = 0 x3c; /重新裝載值tl0 = 0 xb0; /add your code here! timeoutnum+; /中斷次數(shù) +， 即 50ms的次數(shù)if(timeoutnum=20)/50ms*20 = 1s /達(dá)到 50ms * 20 = 1s條件 timeoutnum = 0; /中斷次數(shù)清 0 sn_displaytime-; /南北顯示時(shí)間 -1 ew_displaytime-; /東西顯示時(shí)間 -1 13

19、 六、仿真與調(diào)試6.1 軟件仿真6.1.1 交通燈仿真電路此仿真原理圖由 stc89s51 單片機(jī)及外圍器件構(gòu)成最小控制系統(tǒng)，12 個(gè)發(fā)光二極管分成 4 組紅綠黃三色燈構(gòu)成信號(hào)燈指示模塊，8 個(gè) led 東西南北各兩個(gè)構(gòu)成倒計(jì)時(shí)顯示模塊，以及4 個(gè)按鍵組成。6.2 硬件調(diào)試14 6.2.1 元件清單6.2.2 實(shí)物圖6.2.3 調(diào)試運(yùn)行程序通過(guò)串口下載線、 max232 和單片機(jī)的 p3.0、p3.1 接口連接。使用stc下載軟件，將 kile 生成的后綴為“ hex ”的文件下載到單片機(jī)內(nèi)部。下載程序之前要關(guān)閉電源，點(diǎn)擊“下載/ 編程”按鈕，然后接通電源。程序下載完畢后，單片機(jī)開(kāi)始工作，交通

20、燈硬件仿真開(kāi)始運(yùn)行。15 通電以后，對(duì) pcb 板進(jìn)行復(fù)位功能調(diào)試， 數(shù)碼管顯示調(diào)試， 倒計(jì)時(shí)功能調(diào)試等。七、心得體會(huì)剛剛開(kāi)始的時(shí)候， 下載程序到單片機(jī)中的時(shí)候， 交通燈是無(wú)法正常運(yùn)行的，倒計(jì)時(shí)和紅綠燈的不能協(xié)調(diào)工作的，要么是時(shí)間不對(duì)應(yīng)，要么就是紅綠燈出錯(cuò)。調(diào)試過(guò)程中要實(shí)現(xiàn)倒計(jì)時(shí)， 剛剛開(kāi)始的時(shí)候我把程序?qū)戇M(jìn)去的時(shí)候并不是倒計(jì)時(shí)而是亂的時(shí)間出現(xiàn)，后來(lái)我認(rèn)真查看了數(shù)碼顯示表，應(yīng)該把原來(lái)的0 到 9的數(shù)碼表順序做相應(yīng)的調(diào)整才能夠達(dá)到倒計(jì)時(shí)，或者我把程序做相應(yīng)修改就可以正常工作了。由于單片機(jī)板有限，實(shí)驗(yàn)調(diào)試時(shí)拷進(jìn)程序?qū)崿F(xiàn)了紅綠燈的顯示正常。進(jìn)行復(fù)位等的操作。之前沒(méi)注意，在試驗(yàn)箱的晶振是6m的，之后單片機(jī)是12m的，所以時(shí)間是有些不同，之后改的雙倍的。雖然在設(shè)計(jì)過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)了一些問(wèn)題，但都是常見(jiàn)的小問(wèn)題，如：代碼中雙引號(hào)的使用并不是在英語(yǔ)書寫狀態(tài)下，輸入字母出錯(cuò)等，在調(diào)試時(shí)出現(xiàn)異常，不過(guò)這些都是經(jīng)常性錯(cuò)誤， 經(jīng)過(guò)調(diào)試修改都一一解決， 程序順利完成， 并實(shí)現(xiàn)了其功能。通過(guò)此次單片機(jī)課程設(shè)計(jì)， 我仍感慨頗多， 從理論到實(shí)踐， 在接近一月的日子里，可以說(shuō)得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多的的東西，不僅是學(xué)習(xí)上的，而且是關(guān)于做