基于51單片機交通燈控制系統的設計畢業(yè)設計論文

1、安徽農業(yè)大學畢 業(yè) 論 文（設計）論文題目 基于51單片機的十字路口交通燈設計 姓 名 學 號 院 系 專 業(yè) 指導教師 職 稱 中國合肥二o一二 年六月摘要近年來，隨著科技的飛速發(fā)展，單片機的應用正在不斷深入，同時帶動傳統控制檢測技術日益更新。在實時檢測和自動控制的單片機應用系統中，單片機往往作為一個核心部件來使用，正在不斷的應用到實際生活中，并且根據具體硬件結構軟硬件結合，加以完善。十字路口車輛穿梭，行人熙攘，車行車道，人行人道，有條不紊。那么靠什么來實現這井然秩序呢？靠的就是交通信號燈的自動指揮系統。交通信號燈控制方式很多。本系統采用MCS-51系列單片機STC89C52為中心器件來設計

2、交通燈控制器，實現了通過信號燈對路面狀況的智能控制。從一定程度上解決了交通路口堵塞、車輛停車等待時間不合理、急車強通等問題。系統具有結構簡單、可靠性高、成本低、實時性好、安裝維護方便等優(yōu)點，有廣泛的應用前景。關鍵詞：交通燈 單片機 數碼管AbstractIn recent years, with the rapid development of science and technology, the application of SCM is going deep, driving the traditional detection techniques to renew day by day

3、. In the real-time examination and in the automatic control monolithic integrated circuit application system, the monolithic integrated circuit often took a core part uses., but should also act according to the concrete hardware architecture software and hardware union, to be improved.The intersecti

4、on vehicles shuttle, the pedestrian is bustling, car dealership traffic lane, person sidewalk. Then depending on what to realizes this orderly order? The traffic lights depends on the automatic control system. There are great number kinds of modes to control the traffic lights. The system uses a ser

5、ies of MCS-51 as the center STC89C52 single-chip device designed to control the traffic lights. Short of the design cycle, high reliability, practical, simple operation, easy maintenance, the expansion of this system is powerful.Key words: traffic light；SCM; Digital tube摘要2（一）總體設計思路41.1設計背景41.2 設計目的

6、及思路51.2.1 設計目的51.2.2 設計思路51.3 交通燈顯示時序及狀態(tài)轉換的理論分析6（二）方案比較、設計與論證821 總體設計方案822 控制模塊選擇方案823 電源模塊方案924顯示界面方案92.4.1 倒計時顯示界面方案92.4.2 狀態(tài)燈顯示9（三）硬件設計103.1系統總體硬件方案論證103.2 STC89C52RC單片機簡介103.3單片機最小系統133.3.1 時鐘電路133.3.2.復位電路143.4 顯示電路143.5 電路圖15（四）軟件設計164.1 程序流程圖164.2具體程序164.3 程序燒至單片機過程22參考文獻23（一）總體設計思路1.1 設計背景自從

7、1858年英國人，發(fā)明了原始的機械扳手交通燈之后，隨后的一百多年里，交通燈改變了交通路況，也在人們日常生活中占據了重要地位，隨著人們社會活動日益增加，經濟發(fā)展，汽車數量急劇增加，城市道路日漸擁擠，交通燈更加顯示出了它的功能，使得交通得到有效管制，對于交通疏導，提高道路導通能力，減少交通事故有顯著的效果。今天，紅綠燈安裝在各個道口上，已經成為疏導交通車輛最常見和最有效的手段。1858年，在英國倫敦主要街頭安裝了以燃煤氣為光源的紅，藍兩色的機械扳手式信號燈，用以指揮馬車通行。這是世界上最早的交通信號燈。1868年，英國機械工程師納伊特在倫敦威斯敏斯特區(qū)的議會大廈前的廣場上，安裝了世界上最早的煤氣紅

8、綠燈。它由紅綠兩塊以旋轉式方形玻璃提燈組成，紅色表示“停止”，綠色表示“注意”。1869年1月2日，煤氣燈爆炸，使警察受傷，遂被取消。1914年，電氣啟動的紅綠燈出現在美國。這種紅綠燈由紅綠黃三色圓形的投光器組成，安裝在紐約市5號大街的一座高塔上。紅燈亮表示“停止”，綠燈亮表示“通行”。1918年，又出現了帶控制的紅綠燈和紅外線紅綠燈。帶控制的紅綠燈，一種是把壓力探測器安在地下，當車輛接近時,紅燈便變?yōu)榫G燈；另一種是用擴音器來啟動紅綠燈，司機遇紅燈時按一下喇叭，就使紅燈變?yōu)榫G燈。紅外線紅綠燈當行人踏上對壓力敏感的路面時，它就能察覺到有人要過馬路。紅外光束能把信號燈的紅燈延長一段時間，推遲汽車放

9、行，以免發(fā)生交通事故。信號燈的出現，使交通得以有效管制，對于疏導交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。1968年，聯合國道路交通和道路標志信號協定對各種信號燈的含義作了規(guī)定。綠燈是通行信號，面對綠燈的車輛可以直行，左轉彎和右轉彎，除非另一種標志禁止某一種轉向。左右轉彎車輛都必須讓合法地正在路口內行駛的車輛和過人行橫道的行人優(yōu)先通行。紅燈是禁行信號，面對紅燈的車輛必須在交叉路口的停車線后停車。黃燈是警告信號，面對黃燈的車輛不能越過停車線，但車輛已十分接近停車線而不能安全停車時可以進入交叉路口。隨著經濟的發(fā)展，交通運輸中出現了一些傳統方法難以解決的問題。道路擁擠現象日趨嚴重，造成的經

10、濟損失越來越大，并一直保持大比例的增長?，F在交通系統已不能滿足經濟發(fā)展的需求。由于生活水平的提高，人們對交通運輸的安全性及服務水平提出了更高的要求。在交通中管理引入單片機交通燈控制代替交管人員在交叉路口服務，有助于提高交通運輸的安全性、提高交通管理的服務質量。并在一定程度上盡可能的降低由道路擁擠造成的經濟損失，同時也減小了工作人員的勞動強度。 中國車輛數量不斷增加，交通控制在未來的交通管理中起著越來越重要的作用。智能交通燈的管理比重修一條馬路無論在經濟、交通運行速率上都有很好的效益、更加節(jié)約資源。使交管人員有更多的精力投入到管理整個城市交通控制，帶來更大的經濟和社會效益,為創(chuàng)造美好的城市交通形

11、象發(fā)揮更多的作用。1.2 設計目的及思路1.2.1 設計目的了解交通燈管理的基本工作原理，熟練掌握STC89C51的工作原理和應用編程，熟悉STC89C51單片機并行接口的各種工作方式和應用，并了解計數器/定時器的工作方式和應用編程外部中斷的方法，掌握多位LED顯示問題的解決。1.2.2 設計思路（1）分析目前交通路口的基本控制技術以及各種通行方案，并以此為基礎提出自己的交通控制的初步方案。（2）確定系統交通控制的總體設計，包括，十字路口具體的通行方案設計以及系統應擁有的各項功能，在這里，本設計除了有信號燈狀態(tài)控制能實現基本的交通功能，還增加了倒計時顯示提示。（3）進行顯示電路，燈狀態(tài)電路的設

12、計和對各器件的選擇及連接，大體分配各個器件及模塊的基本功能要求。（4）進行軟件系統的設計，對于本系統，本人采用語言編寫程序，對單片機內部結構和工作情況做了充足的研究，了解定時器，中斷以及延時原理，總體上完成了軟件的編寫。1.3 交通燈顯示時序及狀態(tài)轉換的理論分析圖1所示為紅綠燈轉換的狀態(tài)圖。S2S1S4S3圖1 紅綠燈狀態(tài)轉換圖東西、南北兩干道交于一個十字路口，各干道有一組紅、黃、綠三色的指示燈，指揮車輛和行人安全通行。紅燈亮禁止通行，綠燈亮允許通行。黃燈亮提示人們注意紅、綠燈的狀態(tài)即將切換，且黃燈燃亮時間為東西、南北兩干道的公共停車時間、指示燈燃亮的方案如表1。狀態(tài)S1S2S3S4時間30s

13、5s30s5s東西道紅燈亮紅燈亮綠燈亮黃燈亮南北道綠燈亮黃燈亮紅燈亮紅燈亮表1 十字路口指示燈燃亮方案表1說明：（1）當東西方向為紅燈，此道車輛禁止通行，東西道行人可通過；南北道為綠燈，此道車輛通過，行人禁止通行。時間為60秒。 （2）黃燈閃爍5秒，警示車輛和行人紅、綠燈的狀態(tài)即將切換。 （3）當東西方向為綠燈，此道車輛通行；南北方向為紅燈，南北道車輛禁止通過，行人通行。時間為80秒。 東西方向車流大 通行時間長。 （4）這樣如上表的時間和紅、綠、黃出現的順序依次出現這樣行人和車輛就能安全暢通的通行。 （5）此表可根據車流量動態(tài)設定紅綠燈初始值。共四種狀態(tài)，分別設定為S1、S2、S3、S4，交

14、通燈以這四種狀態(tài)為一個周期，循環(huán)執(zhí)行如下圖所示：圖2 交通燈狀態(tài)循環(huán)圖程序就是在上述四種狀態(tài)下循環(huán)轉化的。一個周期四個狀態(tài)，在正常模式下共花費1分10秒。（二）方案比較、設計與論證2.1 總體設計方案 根據十字路口交通燈的要求，可將本系統分為三個模塊，第一模塊是控制模塊，主要負責整個系統的控制和運算，從而使各模塊正常工作，第二個模塊式顯示模塊包括LED燈和數碼管；第三是電源模塊，給各模塊提供電源，讓各模塊工作。其系統設計結構如圖：圖3.系統設計結構圖2.2 控制模塊選擇方案方案一：由計數器74LS161級聯組成，配合譯碼器和秒脈沖信號發(fā)生器等器件組成交通燈系統，整個系統簡單，控制簡單，調試容易

15、等優(yōu)點。 方案二：采用單片機STC89C52作為控制器。單片機運算能力強，軟件編程靈活，自由度大。在指令系統、硬件結構和片內資源上與標準8052單片機完全兼容，使用時容易掌握；采用STC89C52單片機穩(wěn)定可靠、應用廣泛、通用性強。方案比較：采用方案一來實現十字路口交通燈控制系統非常方便，電路結構簡單，控制單一，但整個系統性能不是很高，倒計時不是非常精確，如果要求系統能設置不同工作時間不容易，因而對于完成題目較困難，而方案二完全能實現設計要求，容易掌握，利于編程，易控制，I/O接口很多，易于擴展外圍電路，價格便宜，故選擇方案二。23 電源模塊方案為使模塊穩(wěn)定工作，須有可靠電源。因此考慮了兩種電

16、源方案：方案一：采用獨立的穩(wěn)壓電源。此方案的優(yōu)點是穩(wěn)定可靠，且有各種成熟電路可供選用；缺點是各模塊都采用獨立電源，會使系統復雜，且可能影響電路電平。方案二：采用單片機控制模塊提供電源，使用電池盒供電。該方案的優(yōu)點是系統簡明扼要，節(jié)約成本；缺點是輸出功率不高。綜上所述，我選擇第二種方案。24顯示界面方案2.4.1 倒計時顯示界面方案該系統要求完成倒計時功能。只需顯示數字，基于上述原因，我考慮了二種方案：方案一：采用全數碼管顯示。這種方案只顯示有限的符號和數碼字符，簡單，方便。方案二：采用點陣式LED 顯示。這種方案雖然功能強大，并可方便的顯示各種英文字符，漢字，圖形等，但實現復雜，且須完成大量的

17、軟件工作。綜上所述，我選擇第一種方案，四個路口采用兩個二位共陰極數碼管。2.4.2 狀態(tài)燈顯示該系統要求完成狀態(tài)燈顯示的功能。求于要求簡單，我們把各個路口的紅燈、綠燈和黃燈設成直行和左拐兩個通行方式所共有，也就是說，一個路口只需三個狀態(tài)燈，一個共有的綠燈，一個共有的紅燈，一個共有的黃燈。（三）硬件設計3.1系統總體硬件方案論證本設計以單片機為控制核心，采用模塊化設計，共分以下幾個功能模塊：單片機控制系統、狀態(tài)顯示模塊、倒計時模塊、電源模塊。經上述各模塊的方案選擇與論證，十字路口交通燈控制系統的控制芯片選用單片機STC89C52作為整個系統的核心控制器件，主要負責整個系統工作的控制和運算，從而使

18、各模塊正常工作；采用七段LED數碼管和LED燈作為顯示器件，用七段LED數碼管完成倒計時顯示，用LED燈作為狀態(tài)燈指示功能；以電池供電作為系統電源部分，可對各個模塊供電并便于演示。單片機作為整個硬件系統的核心，它既是協調整機工作的控制器，又是數據處理器。它由單片機振蕩電路、復位電路等組成。3.2 STC89C52RC單片機簡介STC89C52RC是STC89系列單片機中應用較為廣泛的一種型號，芯片內部有8KB的閃速存儲器Flash ROM。內部的8KB存儲器用于存放可編程控制器監(jiān)控程序。 STC89C52RC單片機的40條引腳按功能來分，可以分為3部分，電源及時鐘引腳、控制引腳和輸入/輸出引腳

19、。 圖4. STC89C52單片機原理圖89C52單片機引腳功能： 主電源及時鐘引腳 此類引腳包括電源引腳Vcc、Vss、時鐘引腳XTAL1、XTAL2。 （1）Vcc（40腳）：接+5V電源，為單片機芯片提供電能。 （2）Vss（20腳）接地。 （3）XTAL1（18腳）在單片機內部，它是一個反向放大器的輸入端，該放大 器構成了片內的振蕩器，可提供單片機的時鐘控制信號。 （4）XTAL2（19腳）在單片機內部，接至上述振蕩器的反向輸出端?？刂埔_ 此類引腳包括RESET（即RSR/VPD）、ALE、PSEN、EA，可以提供控制信號，有些具有復用功能。 （1）RSR/ VPD（9腳）：復位信號

20、輸入端，高電平有效，當振蕩器運行時，在此引腳加上兩個機器周期的高電平將使單片機復位（REST）。復位后應使此引腳電平保持為不高于0.5V的低電平，以保證單片機正常工作。 掉電期間，此引腳可接上備用電源（VPD），以保持內部RAM中的數據不丟失。當Vcc下降到低于規(guī)定值，而VPD在其規(guī)定的電壓范圍內（50.5V）時，VPD就向內部RAM提供備用電源。 （2）ALE/PROG（30腳）：ALE為地址鎖存允許信號。當單片機訪問外部存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖的下降沿用于鎖存16位地址的低8位。即使不訪問外部存儲器，ALE端仍有周期性正脈沖輸出，其頻率為振蕩器頻率的1/6。但是每當訪問外部

21、數據存儲器時，在兩個機器周期中ALE只出現一次，即丟失一個ALE脈沖。ALE端可以驅動8個LSTTL負載。 （3）PSEN（29腳）：程序存儲器允許輸出控制端。此輸出為單片內訪問外部程序存儲器的讀選通信號。在從外部程序存儲器取指令（或取常數）期間，每個機器周期均PSEN兩次有效。但在此期間，每當訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的PSEN信號將不會出現。PSEN同樣可以驅動8個LSTTL負載。 （4）EA（31腳）：EA功能為內外程序存儲器選擇控制端。當EA端保持高電平時，單片機訪問內部程序存儲器，但在PC（程序計數器）值超過0FFFH時將自動轉向執(zhí)行外部程序存儲器內的程序。 輸入/輸出引腳 此

22、類引腳包括P0口、P1口、P2口和P3口。 （1）P0（P0.0P0.7）是一個8位三態(tài)雙向I/O口，在不訪積壓處部存儲器時，做通用I/O口使用，用于傳送CPU的輸入/輸出數據，當訪問外部存儲器時，此口為地址總路線低8位及數據總路線分時復用口，可帶8個LSTTL負載。 （2）P1（P1.0P2.7）是一個8位準雙向I/O口（作為輸入時，口鎖存器置1），帶有內部上拉電阻，可帶4個LSTTL負載。 （3）P2（P2.0P2.7）是一個8位準雙向I/O口，與地址總路線高8位復用，可驅動4個LSTTL負載。 （4）P3（P3.0P3.7）是一個8位準雙向I/O口，除此之外每位還具有第二功能。P3口功能

23、表：P3口各個位的第二功能P3口的位第二功能說明P3.0RXD串行數據接收口P3.1TXD串行數據發(fā)射口P3.2INT0外部中斷0輸入P3.3INT1外部中斷1輸入P3.4T0計數器0計數輸入P3.5T1計數器1計數輸入P3.6WR外部RAM寫信號P3.7RD外部RAM讀信號STC89C52內部結構圖：圖5. STC89C52內部結構圖圖6. 單片機8051的內部結構3.3單片機最小系統3.3.1 時鐘電路圖7. 時鐘電路 XTAL1是片內振蕩器的反相放大器輸入端，XTAL2則是輸出端，使用外部振蕩器時，外部振蕩信號應直接加到XTAL1，而XTAL2懸空。內部方式時，時鐘發(fā)生器對振蕩脈沖二分頻

24、，如晶振為12MHz，時鐘頻率就為6MHz。晶振的頻率可以在1MHz-24MHz內選擇。電容取30PF左右。系統的時鐘電路設計是采用的內部方式，即利用芯片內部的振蕩電路。AT89單片機內部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器。引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構成一個自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容C1和C2構成并聯諧振電路，接在放大器的反饋回路中。對外接電容的值雖然沒有嚴格的要求，但電容的大小會影響震蕩器頻率的高低、震蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。因此，此系統電路的晶體振蕩器的值為12MHz，電容應盡可能的選

25、擇陶瓷電容，電容值約為22F。在焊接刷電路板時，晶體振蕩器和電容應盡可能安裝得與單片機芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證震蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。3.3.2.復位電路 在振蕩器運行時，有兩個機器周期（24個振蕩周期）以上的高電平出現在此引腿時，將使單片機復位，只要這個腳保持高電平，51芯片便循環(huán)復位。復位后P0P3口均置1引腳表現為高電平，程序計數器和特殊功能寄存器SFR全部清零。當復位腳由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，芯片為ROM的00H處開始運行程序。復位是由外部的復位電路來實現的。片內復位電路是復位引腳RST通過一個斯密特觸發(fā)器與復位電路相連，斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，它的輸出在每個機器周期的S5

26、P2，由復位電路采樣一次。復位電路通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式，此電路系統采用的是上電與按鈕復位電路。當時鐘頻率選用6MHz時，C取22F，Rs約為200，Rk約為1K。復位操作不會對內部RAM有所影響。常用的復位電路如下圖所示：圖8. 復位電路圖3.4 顯示電路顯示器普遍地用于直觀地顯示數字系統的運行狀態(tài)和工作數據，按照材料及產品工藝，單片機應用系統中常用的顯示器有： 發(fā)光二極管LED顯示器、液晶LCD顯示器、CRT顯示器等。LED數碼管是現在最常用的顯示器之一。發(fā)光二極管（LED）由特殊的半導體材料砷化鎵、磷砷化鎵等制成，可以單獨使用，也可以組裝成分段式或點陣式LED顯示器件（半

27、導體顯示器）。分段式顯示器（LED數碼管）由7條線段圍成8字型，每一段包含一個發(fā)光二極管。外加正向電壓時二極管導通，發(fā)出清晰的光。只要按規(guī)律控制各發(fā)光段亮、滅，就可以顯示各種字形或符號。LED數碼管有共陽、共陰之分。本系統采用的是兩位共陰極數碼管。圖9. 兩位共陰極數碼管引腳圖3.5 電路圖圖10. 交通燈電路圖（四）軟件設計4.1 程序流程圖圖10. 交通燈程序流程圖4.2具體程序#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int/sbit RED_E_W=P25;/東西向紅燈/sbit YELLOW_E_W=P26;/

28、東西向黃燈/sbit GREEN_E_W=P27;/東西綠燈/sbit RED_N_S=P22;/南北紅燈/sbit YELLOW_N_S=P23;/南北黃燈/sbit GREEN_N_S=P24;/南北綠燈sbit RED_E_W=P27;/東西向紅燈sbit YELLOW_E_W=P26;/東西向黃燈sbit GREEN_E_W=P25;/東西綠燈sbit RED_N_S=P22;/南北紅燈sbit YELLOW_N_S=P23;/南北黃燈sbit GREEN_N_S=P24;/南北綠燈code unsigned char tab=0X3F,0X06,0X5B,0X4F,0X66,0X6D

29、,0X7D,0X07,0X7F,0X6F; /共陰數碼管 0-9 sbit E0 = P10;/數碼管位選sbit E1 = P17;/sbit E2 = P15;sbit E3 = P16;/uchar kk=0;uchar Dis_H_1,Dis_L_1,Dis_H_2,Dis_L_2;/定義顯示高、低位void init()EA=0;/關總中斷TMOD |=0x01;/定時器，用于計時(方式1)TH0=0xD8;/賦入初值高位TL0=0xF0;/賦入初值低位ET0=1;/定時器9溢出中斷使能TR0=1;/開定時器0EA=1;/開總中斷RED_E_W = 1; /交通燈賦入初值（1為使能）

30、YELLOW_E_W = 0;GREEN_E_W = 0;RED_N_S = 0;YELLOW_N_S = 0;GREEN_N_S = 1;void delayMS(uchar i)/12M晶振延時1MSwhile(i-)uchar j;for(j=0;j125;j+);void main()init();while(1) E0 = 1;P0 = Dis_H_1;/橫向數碼管高位數據寫入E0 = 0;delayMS(5);E0 = 1;E1 = 1;P0 = Dis_L_1;E1 = 0;delayMS(5);E1 = 1;E2 = 1;P0 = Dis_H_2;E2 = 0;delayMS(5);E2 = 1;E3 = 1;P0 = Dis_L_2;E3 = 0;delayMS(5);E3 = 1;void dis_tim(void) interrupt 1static uchar count;static uchar second0 = 35;static uchar second1 =