交通信号灯模拟控制系统报告书本科学位论文.docx

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交通信号灯模拟控制系统报告书本科学位论文

河北建筑工程学院

课程设计报告书

课程名称：

交通信号灯模拟控制系统

学院：

电气工程学院

专业：

电气工程及其自动化

班级：

电控131

学号：

2013308120

学生姓名：

吴赛

指导教师：

杜春晖

职称：

讲师

2016年06月15日

目录

1、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

5、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

7、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。

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：

（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：

（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：

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0—9，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”）

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

AT89S51

1

电阻

1KΩ

8

电阻

470Ω

8

晶振

12MHz

1

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

2K

1

按键

1

电解电容

22uF

1

电容

30pF

2

电源

+5V

译码器

74hc573

2

（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。

2）主要引脚功能

·VCC：

电源电压

·GND：

接地

·P0口：

P0口是一组8位双向I／0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I／O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I／O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I／0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：

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

/INT0（外中断0）

P3.3

/INT1（外中断1）

P3.4

T0（定时／计数器0外部输入）

P3.5

T1（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SFRAUXR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。

·ALE／

：

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1／6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。

·

程序储存允许（

）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

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

信号。

·

／VPP：

外部访问允许。

欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H－FFFFH），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0

0003H

定时器T0

000BH

外部中断1

0013H

定时器T1

001BH

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

Dp

G

F

E

D

C

B

A

编码

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

1

1

1

1

1

0

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

（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8LED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。

voidinit（）

{

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（num>0）

{

P0=table[num/10];

P1=table[num%10];

num--;

}

else

{

P0=table[0];

P1=table[0];

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０最大延时只有8.129毫秒，采用方式１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，

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=03CB0H

voidexter0（）interrupt3

{

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。

voidinterrupt0_handler（）interrupt0

{

EA=0;

delay（200）;

flag1=~flag1;

EA=1;

if（flag1==1）

{

TR1=0;

P0=table[0];

P1=table[0];

P2=0xb6;

led2=0;

flag=7;

}

else

{

flag=1;

num=30;

TR1=1;

}

}

（五）延迟程序

voiddelay（uintz）

{

uintx,y;

for（x=z;x>0;x--）

for（y=110;y>0;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2011.12

2.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2009.1

3.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

#defineucharunsignedchar

#defineuintunsignedint

uintnum;

uchartt,flag,i;

ucharcodetable[]={

0x3f,0x06,0x5b,0x4f,

0x66,0x6d,0x7d,0x07,

0x7f,0x6f};

sbitled1=P3^0;

sbitled2=P3^1;

sbitled3=P3^4;

sbitled4=P3^5;

sbitkey=P3^2;

sbitled_yellow1=P2^1;

sbitled_yellow2=P2^7;

sbitled_yellow3=P2^4;

sbitflag1=P3^6;

/*延时子程序*/

voiddelay（uintz）

{

uintx,y;

for（x=z;x>0;x--）

for（y=110;y>0;y--）;

}

/*状态1*/

voidstate1（void）

{

led1=0;

led2=0;

led3=1;

led4=1;

P2=0xf3;

}

/*状态2*/

voidstate2（void）

{

led1=1;

led2=0;

led3=1;

led4=1;

P2=0x75;

}

/*状态3*/

voidstate3（void）

{

led1=1;

led2=1;

led3=1;

led4=0;

P2=0x9e;

}

/*状态4*/

voidstate4（void）

{

led1=1;

led2=1;

led3=0;

led4=1;

P2=0xae;

}

/*程序初始化*/

voidinit（）

{

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*/

voidmai