基于单片机技术的交通灯控制装置设计及制作毕业设计.docx

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基于单片机技术的交通灯控制装置设计及制作毕业设计

*******学院

电子信息工程系

毕业设计说明书

题目基于单片机技术的交通灯控制装置设计及制作

姓名

学号

专业

指导教师

2017年05月2日

摘要

交通在人们的日常生活中占有重要的地位，随着人们社会活动的日益频繁，这点更是体现的淋漓尽致。

交通信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。

本系统采用单片机AT89C51为中心器件来设计交通灯控制器，系统实用性强、操作简单、扩展性强。

本设计就是采用单片机模拟十字路口交通灯的各种状态显示以及倒计时时间。

软件上采用C51编程，主要编写了主程序，LED数码管显示程序，中断程序延时程序等。

经过整机调试，实现了对十字路口交通灯的模拟。

8051单片机的交通灯控制系统由8051单片机、交通灯显示、LED倒计时、车流量检测及调整、违规检测、紧急处理、时间模式手动设置等模块组成。

系统除基本交通灯功能外，还具有通行时间手动设置、可倒计时显示、急车强行通过、车流量检测及调整、交通异常状况判别及处理等相关功能。

理论证明该系统能够简单、经济、有效地疏导交通，提高交通路口的通行能力。

本设计主要做了如下几方面的工作：

一是确定系统交通控制的总体设计，包括，十字路口具体的通行禁行方案设计以及系统应拥有的各项功能，二是进行传感器的硬件电路、显示电路等的设计和基本功能要求。

关键词：

显示器，单片机，交通灯 ,74LS244，LED。

。

第一章单片机概述……………………………………………1

1.1单片机的发展…………………………………….1

1.2单片机的应用…………………………………….1

第二章方案设计论证与可行性分析……………………………………3

第三章系统硬件设计…………………………………………….

3.1MSC-51芯片简介…………………………………….

3.28255芯片简介…………………………………….

3.374LS244的功能…………………………………….

3.4LED显示工作原理…………………………………….

3.5系统工作原理…………………………………………….

3.6交通灯控制线路图…………………………………….

第四章系统软件设计…………………………………………….

4.1计数器延时初值计算…………………………………….

4.2１秒的设定方法…………………………………….

4.3软件延时…………………………………………….

4.4程序设计…………………………………………….

第五章看门狗电路…………………………………………….

5.1硬件看门狗…………………………………………….

5.2软件看门狗…………………………………………….

第六章安装与调试………………………………………………….

6.1单片机开发系统………………………………………….

6.2调试步骤………………………………………………….

结   论……………………………………………………….

致   谢…………………………………………………….

参考文献…………………………………………………….

附   录：

系统原理图程序清单

第一章单片机概述

1.1单片机的发展

单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。

从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的300M的高速单片机。

单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit）单片机芯片常用英文字母的缩写MCU表示单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。

单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成，相当于一个微型的计算机（最小系统），和计算机相比，单片机缺少了外围设备等。

概括的讲：

一块芯片就成了一台计算机。

它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。

同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。

它最早是被用在工业控制领域。

由于单片机在工业控制领域的广泛应用，单片机由仅有CPU的专用处理器芯片发展而来。

最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。

INTEL的8080是最早按照这种思想设计出的处理器，当时的单片机都是8位或4位的。

其中最成功的是INTEL的8051，此后在8051上发展出了MCS51系列单片机系统。

因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。

尽管2000年以后ARM已经发展出了32位的主频超过300M的高端单片机，直到现在，基于8051的单片机还在广泛的使用。

在很多方面单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了广泛的应用。

事实上单片机是世界上数量最多处理器，随着单片机家族的发展壮大，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。

现代人类生活中所用的几乎每件有电子器件的产品中都会集成有单片机。

手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电子产品中都含有单片机。

汽车上一般配备40多片单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百片单片机在同时工作！

单片机的数量远远超过PC机和其他计算机的总和。

1.2单片机的应用

1、在家用电器领域的应用

现在在家用电器的更新、市场开拓等方面，单片机的应用越来越广泛，比如电子玩具或者高级的电视游戏机中，会应用单片机实现其控制功能;而洗衣机可以利用单片机识别衣服的种类与脏污程度，从而自动选择洗涤强度与洗涤时间;在冰箱冷柜中采用单片机控制可以识别食物的种类与保鲜程度，实现冷藏温度与冷藏时间的自动选择;微波炉也可以通过单片机识别食物种类从而自动确定加热温度与加热时间等等，这些家用电器在应用单片机技术后，无论是性能还是功能，与传统技术相比均有长足的进步。

2、在医用设备领域的应用

现代医疗条件越来越发达，人们对医疗灭菌消毒技术也越来越重视，但是一些偏远地区的小医院、小诊所其消毒灭菌设备还十分简陋，无法有效的控制消毒质量。

随着单片机技术的发展，其体积较小、功能强大、具有灵活的扩展性、应用方便的特点也越来越突出，因此在医用呼吸机、分析仪与监护仪、超声诊断设备、病床呼叫系统等设备中得到了广泛的应用。

3、在工业控制领域的应用

其实最早的单片机正是从工业领域开始兴起的，至今其在工业控制领域的应用仍然十分广泛，利用单片机技术构成多种多样的数据采集系统与智能控制系统，比如工厂流水线的智能化管理、智能化电梯、报警系统等等，均是通过单片机技术与计算机联网构成二级控制系统。

4、在仪器仪表领域的应用

上文中也谈到单片机具备集成度高、体积小、较强的控制功能与扩展的灵活性等特点，并且处理速度快，具有较高的可靠性，所以在智能仪器仪表领域其应用也十分广泛。

从某种程度而言，单片机带动了传统测量、控制仪器仪表技术的一项革命，通过单片机技术实现了仪器仪表技术的数字化、智能化、综合化以及多功能化，与传统的电子电路或者数字电路相比，其功能更强大，综合性更突出。

第二章方案设计论证与可行性分析

2.1交通灯设计方案的选择与论证 

2.1.1 设计任务及要求论证 

1、任务：

本设计系统是基于单片机的模拟交通灯控制系统，具有一定的实际意义。

本课题的目的是以单片机为核心，通过LED数码管显示和LED灯完成了十字路口的工作状态的模拟，并且通过按键有效的控制等待时间的长短。

其运行可靠，操作方便，适用性强，可以广泛应用于城市路口，具有较大的推广价值。

设计好后通过PROTUES软件仿真，并调试。

2、单片机交通控制系统的通行方案设计

设在十字路口，分为东西向和南北向，在任一时刻只有一个方向通行，另一方向禁行，持续一定时间，经过短暂的过渡时间，将通行禁行方向对换。

其具体状态如下图所示。

说明：

黑色表示亮，白色表示灭。

交通状态从状态1开始变换，直至状态4然后循环至状态1，周而复始，即如图所示：

交通状态图。

过具体的路口交通灯状态的演示分析我们可以把这四个状态归纳如下：

◆东西方向红灯灭，同时绿灯亮，南北方向黄灯灭，同时红灯亮，倒计时20秒。

此状态下，东西向禁止通行，南北向允许通行。

◆东西方向绿灯灭，同时黄灯亮，南北方向红灯亮，倒计时2秒。

此状态下除了已经正在通行中的其他所以车辆都需等待状态转换。

◆南北方向红灯灭，同时绿灯亮，东西方向黄灯灭，同时红灯亮，倒计时20秒。

此状态下，东西向允许通行，南北向禁止通行。

◆南北方向绿灯灭，同时黄灯亮，东西方向红灯亮，倒计时2秒。

此状态下，除了已经正在通行中的其他所以车辆都需等待状态转换。

状态1

状态2

状态3

状态4

东西向

禁行

等待变换

通行

等待变换

南北向

通行

等待变换

禁行

等待变换

东西红灯

1

1

0

0

东西黄灯

0

0

0

1

东西绿灯

0

0

1

0

南北红灯

0

0

1

1

南北绿灯

1

0

0

0

南北黄灯

0

1

0

0

上图表表示灯状态和行止状态的关系

东西南北四个路口均有红绿黄3灯和数码显示管2个，在任一个路口，遇红灯禁止通行，转绿灯允许通行，之后黄灯亮警告行止状态将变换。

状态及红绿灯状态如表2.1所示。

说明：

0表示灭，1表示亮

3、可行性分析

交通灯控制系统，可由多种电路来构成，在本设计中采用单片机编程控制的方式。

随着大规模集成电路技术的发展，微型计算机也在不断的进步，而其中就包含单片机技术。

单片机主要应用于控制领域，用以实现各种测试和控制功能。

单片机的特点：

1） 控制系统在线作用。

单片机的控制作用可分为两个方面：

一是离线控制，二是在线控制。

2） 软硬件结合。

单片机的引入使控制系统大大“软化”，相比其他计算机应

用问题，单片机控制应用中的硬件内容较多，所以单片机控制应用有软硬结合的特点。

3） 应用现场环境恶劣。

通常单片机应用现场的环境比较恶劣，电磁干扰、电

源波动、冲击振动、高低温等因素都会影响系统的工作的稳定。

此外，无人值守的环境也会对单片机系统的稳定性和可靠性提出更高的要求。

所以稳定和可靠在单片机的应用中具有格外重要的意义。

4） 应用的广泛性。

在生活和生产的各个领域中，凡是有自动控制要求的地方

都会有单片机的身影出现。

其应用领域包括工业自动化方面、仪器仪表方面、家用电器方面、信息和通信产品方面以及军事装备方面。

5） 综上所述，单片机的稳定性，可靠性都有着很好的保证，它也具有一定的

精度，且低电压、低功耗。

从经济方面考虑，也最为合适。

所以此次设计选用单片机为核心控制器。

在本系统的开发和设计中，选择ATMEL 公司的AT89C52单片机最合适

第三章系统硬件设计

3.1MSC-51芯片简介

8051是MSC-51系列单片机的典型产品，8051单片机包含中央处理器、程序处理器（ROM）

、数据处理器（RAM）、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元以及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线。

现在我们分别加以说明：

3.1.1中央处理器

中央处理器（CPU）是整个单片机的核心部件，是8位数宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。

3.1.2存储器

8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编制的，专用存储器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字形表。

左图为8051内部结构图

8051共有4096个8位掩膜RAM，用于存放用户程序，原始数据或表格。

定时/计数器（ROM），8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时/计数器产生中断用于控制程序专向。

3.1.3并行输入输出口

8051共有4组8位I/O口（P0、P1、P2、P3）,用于对外部数据的传输。

全双工串行口，8051内置一个全双工串行通信口，用于与其他设备的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器也可以当同步移位器使用。

3.1.4中断系统

8051具备较完善的中断功能，有两个外中断，两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。

3.1.58051

8051内置最高频率达12MHZ的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，8051单片机需外置振荡电容。

3.1.6复位电路

在单片机应用系统中，外部扩张I\O接口有电路需要恢复，需要一个上电位在内的系统同步复位电路，RST管脚上的信号可以使8051处于复位状态，8051的复位有自动上电复位和人工按钮复位两种，如下图所示。

MCS-51的复位电路

MCS-51系列单片机的内部结构示意图

3.28255芯片简介

8255是Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片，有3个8位并行I/O口。

具有3个通道3种工作方式的可编程并行接口芯片（40引脚）。

 其各口功能可由软件选择，使用灵活，通用性强。

8255可作为单片机与多种外设连接时的中间接口电路。

8255作为主机与外设的连接芯片，必须提供与主机相连的3个总线接口，即数据线、地址线、控制线接口。

同时必须具有与外设连接的接口A、B、C口。

由于8255可编程,所以必须具有逻辑控制部分，因而8255内部结构分为3个部分：

与CPU连接部分、与外设连接部分、控制部分。

特性 

1.一个并行输入/输出的LSI芯片,多功能的I/O器件,可作为CPU总线与外围的接口。

2.具有24个可编程设置的I/O口,即3组8位的I/O口，分别为PA口、PB口和PC口。

它们又可分为两组12位的I/O口：

A组包括A口及C口（高4位,PC4~PC7）,B组包括B口及C口（低4位,PC0~PC3）。

A组可设置为基本的I/O口,闪控（STROBE）的I/O闪控式,双向I/O三种模式;B组只能设置为基本I/O或闪控式I/O两种模式,而这些操作模式完全由控制寄存器的控制字决定. 

3.374LS244的功能

74LS244为3态8位缓冲器，一般用作总线驱动器。

74LS244没有锁存的

功能。

地扯锁存器就是一个暂存器，它根据控制信号的状态，将总线上的地扯代码暂存起来。

74LS244芯片引脚图

74LS244引脚功能 

/1G，/2G：

控制端，控制4个三态门 1A1-1A4,2A1-2A4：

输入端 1Y1-1Y4,2Y1-2Y4：

输出端

74LS244真值表

3.4LED显示工作原理

（一）LED概述

LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。

LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。

半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。

但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。

当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。

而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。

（二）系统组成   

本系统由计算机专用设备、显示屏幕、视频输入端口和系统软件等组成。

计算机及专用设备：

计算机及专用设备直接决定了系统的功能，可根据用户对系统的不同要求选择不同的类型。

显示屏幕：

显示屏的控制电路接收来自计算机的显示信号，驱动LED发光产生画面，并通过增加功放、音箱输出声音。

视频输入端口：

提供视频输入端口，信号源可以是录像机、影碟机、摄像机等，支持NTSC、PAL、S_Video等多种制式。

系统软件：

提供LED播放专用软件，powerpoint或ES98视频播放软件

（三）系统功能

以计算机为处理控制中心，电子屏幕与电脑显示器（VGA）窗口某一区域逐点对应，显示 内容实时同步，屏幕映射位置可调，可方便随意地选择显示画面的大小。

显示点阵采用超高亮度 LED发光管（红、绿双基色），256级灰度，颜色变化组合65536种，色彩丰富逼真，并支持VGA 24位真彩色显示模式。

配备图文信息 及三维动画播放软件，可播放高质量的图文信息及三维动画。

播放软件显示信息的方式有覆盖、合拢、开帘、色彩交替、放大缩小等十多种形式。

使 用专用节目编辑播放软件可通过键盘鼠标、扫描仪等不同的输入手段编辑、增加、删除和修改文字、图形、图像等信息。

编排存于控制主机或服务器硬盘节目 播放顺序与时间实现一体化交替播放并可相互叠加。

可以接收显示录像机、影碟机等视频信号。

3.5系统工作原理

总开关闭合，交通灯开始工作。

 南北黄灯亮，东西红灯亮，延迟20秒； 然后，南北绿灯亮，东西红灯亮，延迟4分钟； 南北绿灯闪，亮十秒，灭十秒，循环3次，再南北绿灯灭，红灯亮； 

南北通行结束，东西开始运行。

 东西黄灯亮，南北红灯亮，延迟20秒； 东西绿灯亮，南北黄灯亮，延迟4分钟； 

东西绿灯闪，亮十秒，灭十秒，循环3次，东西绿灯灭，红灯亮； 

按上述状态从开始依次循环。

3.6交通灯控制线路图

第四章系统软件设计

4.1计数器延时初值计算

定时器工作时必须给计数器送计数器初值，这个值是送到TH和TL中的。

他是以加法记数的，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设定为C和计数初值设定为TC 可得到如下计算通式：

TC=M-C 

式中，M为计数器模值，该值和计数器工作方式有关。

在方式0时M为213 ；在方式1时M的值为216；在方式2和3为28 .

 计算公式T=（M－TC）T计数或TC＝M-C／T计数 

T计数是单片机时钟周期ＴＣＬＫ的12倍；TC为定时初值 如单片机的主脉冲频率为ＴＣＬＫ12MHZ ，经过12分频 

方式0   TMAX＝213 ＊１微秒＝8.912毫秒

方式1    TMAX＝216 ＊１微秒＝65.536毫秒 

 显然１秒钟已经超过了计数器的最大定时间，所以我们只有采用定时器和软件相结合的办法才能解决这个问题。

4.2１秒的设定方法

我们采用在主程序中设定一个初值为20的软件计数器和使T0定时50毫秒．这样每当T0到50毫秒时CPU就响应它的溢出中断请求，进入他的中断服务子程序。

在中断服务子程序中，CPU先使软件计数器减１，然后判断它是否为零。

为零表示1秒已到可以返回到输出时间显示程序。

相应程序代码 

（１）主程序  

   定时器需定时50毫秒，故T0工作于方式1。

初值：

TC＝M-T／T计数=２１６－50ms/1us=15536=3CBOH 

ORG 1000H 

START:

 MOV TMOD, #01H 令T0为定时器方式1

MOV TH0, #3CH   装入定时器初值

MOVTL0, #BOH;              

MOV IE,  #82H;   开T0中断

SEBT  TRO;     启动T0计数器

MOV RO,  #14H;  软件计数器赋初值 

LOOP:

 SJMP   $;     等待中断 

（２）中断服务子程序 

        ORG   00BH        

AJMP BRT0 

        ORG  00BH 

BRT0：

DJNZ R0，NEXT 

      AJMP   TIME  跳转到时间及信号灯显示子程序  

DJNZ：

MOV R0，＃14H ;恢复R0值 

       MOV TH0,    #3CH            

MOV  TL0,   #BOH  ;重装入定时器初值

MOV  IE,   #82H        

 RET1

End

4.3软件延时

MCS-51的工作频率为2-12MHZ，我们选用的8031单片机的工作频率为6MHZ。

机器周期与主频有关，机器周期是主频的12倍，所以一个机器周期的时间为12*（1/6M）=2us。

我们可以知道具体每条指令的周期数，这样我们就可以通过指令的执行条数来确定1秒的时间。

具体的延时程序分析：

DELAY:

MOVR4,#08H延时1秒子程序

DE2:

LCALLDELAY1

DJNZR4,DE2

RETDELAY1:

MOVR6,#0延时125ms子程序

MOVR5,#0

DE1:

DJNZR5,$

DJNZR6,DE1

RET

MOVRN，#DATA字节数数为2机器周期数为1

所以此指令的执行时间为2msDELAY1为一个双重循坏

循环次数为256*256=65536所以延时时间=65536*2=1310约为125us

DELAYR4设置的初值为8主延时程序循环8次，所以125us*8=1秒

由于单片机的运行速度很快其他的指令执行时间可以忽略不计。

4.3.1延时原理

MCS-51的工作频率为12MHZ，机器周期与主频有关，机器周期是主频的12倍，所以一个机器周期的时间为12*（1/12MHZ）=1us。

我们可以知道具体每条指令的周期数，这样我们就可以通过指令的执行条数来确定1秒的时间，但同时由于单片机的运行速度很快其他的指令执行时间可以忽略不计。

我们设定一个初值为20的软件计数器和使T0定时50毫秒。

这样每当T0到50毫秒时CPU就响应它的溢出中断请求，进入他的中断服务子程序。

在中断服务子程序中，CPU先使软件计数器减１，然后判断它是否为零。

为零表示１秒

已到。

设定定时器需要定时50毫秒，故T0必须工作于方式１。

要求初值：

TC=M-T*T0=216-50ms/1us=15536=3CBOH.

4.3.2中断原理 

本系统主要使用了外部中断，中断信号有引脚INT0和INT1输入，低电平有效，CPU每个时钟周期都会检测INT0和INT1上的信号，8051允许外部中断以电平方式或负边沿方式两种中断方式输入中断请求信号，可由用户通过设置TCON中IT0和IT1位的状态来实现。

以IT0为例，IT0=0，为电平触发方式，IT0=1，为负边沿触发方式，本设计采用电平方式，IE0为其中断标志位，有中断信号则置位，中断服务子程序响应后，IE0自动清零。

IE中的EA为允许中断的总控制位，为1开启，EX0为外部中断允许控制位，为1开启。

在优先级的允许下，一旦有外部中断信号产生，单片机CPU首先保护断点，PC值进栈，然后执行相应的中断服务子程序，执行完后，用RETI指令返回，此时CPU会从堆栈中取保存的断点地址，送回PC，程序再正常执行。

4.4程序设计

4.