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1 黄 河 科 技 学 院课 程 设 计 报 告 书题目: 交通灯 课 程：单片机课程设计专 业：数控技术班 级：学 号：学生姓名：指导教师： 何春霞2013 年 01 月 6 日 2 摘 要近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断深入，同时带动传统控制检测技术日益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构软硬件结合，加以完善。十字路口车辆穿梭，行人熙攘，车行车道，人行人道，有条不紊。那么靠什么来实现这井然秩序呢？靠的就是交通信号灯的自动指挥系统。交通信号灯控制方式很多。本系统采用 MCS-51 系列单片机 AT89C51 为中心器件来设计交通灯控制器，实现了能根据实际车流量通过 8051 芯片的 P3 口设置红、绿灯燃亮时间的功能；红绿灯循环点亮，倒计时剩 5 秒时黄灯闪烁警示（交通灯信号通过 P1 口输出，显示时间通过 P0 口输出至双位数码管） 。本系统设计周期短、可靠性高、实用性强、操作简单、维护方便、扩展功能强。 关键词：单片机；交通灯 3 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. 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. The monolithic integrated circuit aspect knowledge is only insufficient, but should also act according to the concrete hardware architecture software and hardware union, to be improved.The intersection vehicles shuttle, the pedestrian is bustling, car dealership traffic lane, person sidewalk, methodical. Then depending on what to realizes this orderly order? the traffic lights on the automatic control system. There are great number kinds of modes to control the traffic lights. The system uses a series of MCS-51 as the center AT89C51 single-chip device designed to control the traffic lights, so as to realize the function of setting red, green light time by 8051 chips P3 port according to the actual traffic flows, lighting the red-light and green-light by turn and lighting the yellow-light to warm while 5 seconds left(outputting the traffic light signal by P1,outpuing the time by P0 and showing the time on double-digits nixie tube). Short of the design cycle, high reliability, practical, simple operation, easy maintenance, the expansion of powerful is this system.Key words: SCM; MCU; traffic light4 目 录中 英 文 摘 要 21 设计要求 4 设计目的 43 方案比较、设计与论证 44 原理分析 54.1 交通灯显示时序的理论分析 54.2 交通灯显示的理论分析 75 程序设计流程图 76 总体设计与电路图 96.1 芯片选择 96.2 设计电路图 106.3 PROTEUS 仿真图： 116.4 交通灯程序 127 仿真测试、数据及结果分析 188 总结与展望 18致谢 20参考文献： 21附 录 225 1 设计要求1.1 程序开始运行先南北段通行、东西段禁止 60s，后东西段通行、南北段禁止60s，依此循环。 1.2 系统分三种工作模式：正常模式、繁忙模式、特殊模式，并且通过三个按钮“正常” 、 “繁忙” 、 “特殊”可相互转化。1.3 正常模式： 直行时间显示数码管显示 60。此时南北段直行通行（绿灯） 、东西段禁止（红灯）40s，南北段人行道通行（绿灯） ，东西段人行道禁止（红灯） ，同时南北段和东西段方向的数码管分别从 40s 和 60s 开始倒计时，至最后 5s 时南北段绿灯变成黄灯闪烁；此后南北段左拐（左拐灯亮）通行、东西段禁止（红灯）20s，南北段、东西段人行道都禁止（红灯） ，同时南北段和东西段方向的数码管都从 20s 开始倒计时，至最后 5s 时南北段左拐灯变成黄灯闪烁；再后东西段直行通行（绿灯） 、南北段禁止（红灯）40s，东西段人行道通行（绿灯） ，南北段人行道禁止（红灯） ，同时东西段和南北段方向的数码管分别从 40s 和 60s 开始倒计时，至最后 5s 时东西段绿灯变成黄灯闪烁；最后东西段左拐（左拐灯亮）通行、南北段禁止（红灯）20s，东西段、南北段人行道都禁止（红灯） ，同时东西段和南北段方向的数码管都从 20s 开始倒计时，至最后 5s 时东西段左拐灯变成黄灯闪烁。1.4 繁忙模式：繁忙指示灯亮，南北段、东西段的通行时间改为 45s，其中左拐的时间改为 15s，其它与正常模式类似。1.5 特殊模式：特殊模式灯亮，南北段、东西段的通行时间改为 75s，其中左拐的时间改为 20s，其它与正常模式类似。6 设计目的2.1 了解交通灯管理的基本工作原理2.2 熟悉 AT89C51 的工作原理和应用编程2.3 熟悉 AT89C51 并行接口的各种工作方式和应用2.4 熟悉 AT89C51 计数器/定时器的工作方式和应用编程外部中断的方法2.5 掌握多位 LED 显示问题的解决 7 3 方案比较、设计与论证3.1 显示界面方案3.1.1 倒计时显示该系统要求完成倒计时的功能。因只需显示数字，基于上述原因，我们考虑完全采用数码管显示，四个路口分别采用一个二位阴极数码管即可。3.1.2 状态灯显示该系统要求完成状态灯显示的功能。求于简单，我们把各个路口的红灯和黄灯设成直行和左拐两个通行方式所共有，也就是说，一个路口只需四个状态灯，一个直行通行的绿灯，一个左拐通行的绿灯，一个共有的红灯，一个共有的黄灯。3.2 输入方案该系统要求能手动改变东西与南北的通行时间、紧急情况处理，我们采用扩展 I/O口方法，在外部中断 P32 口上扩展三个中断口，分别连接三个按钮。该方案的优点是：使用灵活，并且可提供较多 I/O 口,节省了 AT89C51 的中断口资源。8 4 原理分析4.1 交通灯显示时序的理论分析下图所示为一种红绿灯规则的状态图。共四种状态，分别设定为 S1、S2、S3、S4，交通灯以这四种状态为一个周期，循环执行如下图所示：图 4.1 状态 S1 南北直行通行图 4.2 状态 S2 南北左拐通行图 4.3 状态 S3 东西直行通行图 4.4 状态 S4 东 西左拐通行9 依据上述车辆行驶的状态图，可以列出各个路口灯的逻辑表如下表所示(其中逻辑值“1”代表直行通行，逻辑值“0”代表禁止通行，逻辑值“L”代表左拐通行)：S1 的状态 E S W N逻辑值 0 1 0 1显示时间 正常模式下为 40SS2 的状态 E S W N逻辑值 0 L 0 L显示时间 正常模式下为 20SS3 的状态 E S W N逻辑值 1 0 1 0显示时间 正常模式下为 40SS4 的状态 E S W N逻辑值 L 0 L 0显示时间 正常模式下为 20S程序就是在上述四种状态下循环转化的。一个周期四个状态，在正常模式下共花费 2 分钟。图 4.5 交通灯状态循环图10 4.2 交通灯显示的理论分析4.2.1 倒计时显示的理论分析利用定时器中断，设置 TH0=TH1(65536-50000)/256，即每 0.05 秒中断一次。每到第 20 次中断即过了 20*0.05 秒1 秒时，使时间的计数值减 1，便实现了倒计时的功能。4.2.2 状态灯显示的理论分析黄灯闪烁同样可以利用定时器中断。每到第 10 次中断即过了 10*0.05 秒0.5 秒时，使黄灯标志位反置，即可让黄灯 1 秒闪烁一次。11 5 程序设计流程图图 5.1 定时器 0 中断流程图T0 响应N南北黄灯标志位为 1N东西黄灯标志位为 1Y0.5s 到Y1s 到南北黄灯位置反团里Y东西黄灯位置反团里Y返回倒计时减 1,计数值置 0NN12 图 5.2 主程序流程图开始南北直行通行东西禁止南北左拐通行东西禁止AT89C51 初始化南北黄灯闪烁南北黄灯闪烁通行 35 秒YN闪烁 5 秒YN通行 15 秒YN闪烁 5 秒YN东西黄灯闪烁东西直行通行南北禁止东西左拐通行南北禁止东西黄灯闪烁通行 35 秒YN闪烁 5 秒YN通行 15 秒YN闪烁 5 秒YN13 图 5.3 外部中断 0 中断流程图INT0 响应N“繁忙”键按下N“特殊”键按下N“正常”键按下返回关中断开中断正常模式设置Y繁忙模式设置Y特殊模式设置Y14 6 总体设计与电路图6.1 芯片选择 6.2 设计电路图 AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，有40 个引脚，32 个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含 2 个外中断口，3 个 16 位可编程定时计数器,2 个全双工串行通信口，2 个读写口线，片内含8k bytes 的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 256 bytes 的随机存取数据存储器（RAM） ，器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准 MCS-51 指令系统及 8051产品引脚兼容，片内置通用 8 位中央处理器（CPU）和 Flash 存储单元，可以按照常规方法对其进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash 存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash 存储器可有效地降低开发成本。 图 6.1 AT89C51 芯片引脚图15 图 6.2 电路图图中大部分连线采用总线形式。共五个二位阴极数码管，其中四个分别用于四个路口的倒计时显示，另外一个用于总体的直行时间显示，五个数码管的阳极都接到AT89C51 的 P0 口，阴极接到 P2 口；共 32 个发光二极管，其中 16 个绿色发光二极管，14 个红色发光二极管，2 个黄色发光二极管，四个路口每个路口各有一个红（禁行） 、黄（警告）发光二极管，二个绿色发光二极管（通行） ，一个用于直行通行，一个用于左拐通行，四个人行道，每个人行道两边各有一红、绿发光二极管，另外两个红色发光二极管分别用于繁忙模式和特殊模式的指示，其中四个路口的二极管接到 P1 口，人行道的发光二极管接到 P3 口，繁忙模式和特殊模式的指示灯接 P2 口;外部中断 0 接上三个按钮，分别用于繁忙、特殊、正常模式的转化。6.3 PROTEUS 仿真图：16 6.4 交通灯程序/*十字路口交通灯控制 C 程序*/#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int/*定义控制位*/sbit Time_Show_LED2=P25; /Time_Show_LED2(直行时间显示)控制位sbit Time_Show_LED1=P24; /Time_Show_LED1(直行时间显示)控制位sbit EW_LED2=P23; /EW_LED2 控制位sbit EW_LED1=P22; /EW_LED1 控制位sbit SN_LED2=P21; /SN_LED2 控制位sbit SN_LED1=P20; /SN_LED1 控制位sbit SN_Yellow=P16; /SN 黄灯sbit EW_Yellow=P12; /EW 黄灯sbit EW_ManGreen=P30; /EW 人行道绿灯sbit SN_ManGreen=P31; /SN 人行道绿灯sbit Special_LED=P26; /交通特殊指示灯sbit Busy_LED=P27; /交通繁忙指示灯sbit Nomor_Button=P35; /交通正常按键sbit Busy_Btton=P36; /交通繁忙按键sbit Special_Btton=P37; /交通特殊按键 sbit EW_ManRed=P33; /EW 人行道红灯sbit SN_ManRed=P34; /SN 人行道红灯bit Flag_SN_Yellow; /SN 黄灯标志位bit Flag_EW_Yellow; /EW 黄灯标志位char Time_EW; /东西方向倒计时单元char Time_SN; /南北方向倒计时单元uchar EW=60,SN=40,EWL=19,SNL=19; /程序初始化赋值，正常模式uchar EW1=60,SN1=40,EWL1=19,SNL1=19; /用于存放修改值的变量uchar code table10=0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F; /0-9 段选码uchar code S8=0x28,0x48,0x18,0x48,0x82,0x84,0x81,0x84; 图 6.3 PROTEUS 仿真图17 /交通信号灯控制代码/*延时子程序*/void Delay(uchar a)uchar i;i=a;while(i-);/*显示子函数*/void Display(void)uchar h,l;h=Time_EW/10;l=Time_EW%10;P0=tablel; EW_LED2=1; /点亮 EW_LED2Delay(2);EW_LED2=0; /熄灭 EW_LED2P0=tableh;EW_LED1=1; /点亮 EW_LED1Delay(2);EW_LED1=0;h=Time_SN/10;l=Time_SN%10;P0=tablel;SN_LED2=1; /点亮 SN_LED2Delay(2);SN_LED2=0;P0=tableh;SN_LED1=1; /点亮 SN_LED1Delay(2);SN_LED1=0;h= EW1/10;l= EW1%10;P0=tablel;Time_Show_LED1=1; /点亮 Time_Show_LED1Delay(2);Time_Show_LED1=0;P0=tableh;Time_Show_LED2=1;/点亮 Time_Show_LED2Delay(2);18 Time_Show_LED2=0; /*外部 0 中断服务程序*/void INT0_srv(void)interrupt 0 using 1EX0=0; /关中断if(Nomor_Button=0) /测试按键是否按下，按下为正常状态EW1=60;SN1=40;EWL1=19;SNL1=19;Busy_LED=0; /关繁忙信号灯Special_LED =0; /关特殊信号灯if(Busy_Btton=0) /测试按键是否按下，按下为繁忙状态EW1=45;SN1=30;EWL1=14;SNL1=14;Special_LED=0; /关特殊信号灯Busy_LED=1; /开繁忙信号灯if(Special_Btton=0)/测试按键是否按下，按下为特殊状态EW1=75;SN1=55;EWL1=19;SNL1=19;Busy_LED=0; /关繁忙信号灯Special_LED =1;/开特殊信号灯EX0=1; /开中断/*T0 中断服务程序*/void timer0(void)interrupt 1 using 1static uchar count;TH0=(65536-50000)/256;TL0=(65536-50000)%256;19 count+;if(count=10)if(Flag_SN_Yellow=1) /测试南北黄灯标志位SN_Yellow=SN_Yellow;if(Flag_EW_Yellow=1) /测试东西黄灯标志位EW_Yellow=EW_Yellow; if(count=20)Time_EW-;Time_SN-;if(Flag_SN_Yellow=1) /测试南北黄灯标志位SN_Yellow=SN_Yellow;if(Flag_EW_Yellow=1) /测试东西黄灯标志位EW_Yellow=EW_Yellow;count=0;/*主程序开始*/void main(void) Busy_LED=0;Special_LED=0;IT0=1; /INT0 负跳变触发TMOD=0x01; /定时器工作于方式 1TH0=(65536-50000)/256; /定时器赋初值TL0=(65536-50000)%256;EA=1; /CPU 开中断总允许ET0=1; /开定时中断EX0=1; /开外部 INTO 中断TR0=1; /启动定时while(1)/*S0 状态*/SN_ManRed=0;SN_ManGreen=1; /SN 人行道通行EW_ManRed=1; /EW 人行道禁止EW_ManGreen=0;Flag_EW_Yellow=0; /EW 关黄灯显示信号Time_EW=EW;Time_SN=SN;20 while(Time_SN=5) P1=S0; /SN 绿灯，EW 红灯Display();/*S1 状态*/P1=0x00;while(Time_SN=0)Flag_SN_Yellow=1; /SN 开黄灯信号位P1=P1|0x08; /保持 EW 红灯Display();/*S2 状态*/SN_ManRed=1; /SN 人行道禁止SN_ManGreen=0;EW_ManRed=1; /EW 人行道禁止EW_ManGreen=0;Flag_SN_Yellow=0; /SN 关黄灯显示信号Time_SN=SNL;while(Time_SN=5)P1=S2; /SN 左拐绿灯亮，EW 红灯Display();/*S3 状态*/P1=0x00;while(Time_SN=0)Flag_SN_Yellow=1; /SN 开黄灯信号位P1=P1|0x08; /保持 EW 红灯Display();/*赋值*/EW=EW1;SN=SN1;EWL=EWL1;SNL=SNL1;/*S4 状态*/SN_ManRed=1; /SN 人行道禁止21 SN_ManGreen=0;EW_ManRed=0;EW_ManGreen=1; /EW 人行道通行Flag_SN_Yellow=0; /SN 关黄灯显示信号Time_EW=SN;Time_SN=EW;while(Time_EW=5)P1=S4; /EW 通行，SN 红灯Display();/*S5 状态*/P1=0X00;while(Time_EW=0)Flag_EW_Yellow=1;/EW 开黄灯信号位P1=P1|0x80; /保持 SN 红灯Display();/*S6 状态*/SN_ManRed=1; /SN 人行道禁止SN_ManGreen=0;EW_ManRed=1; /EW 人行道禁止EW_ManGreen=0;Flag_EW_Yellow=0;/EW 关黄灯显示信号Time_EW=EWL;while(Time_EW=5)P1=S6; /EW 左拐绿灯亮，SN 红灯Display();/*S7 状态*/P1=0X00;while(Time_EW=0)Flag_EW_Yellow=1; /EN 开黄灯信号位P1=P1|0x80; /保持 SN 红灯Display();/*赋值*/22 EW=EW1;SN=SN1;EWL=EWL1;SNL=SNL1;7 仿真测试、数据及结果分析程序运行结果如下：1 首先，直行时间显示数码管显示 60。此时南北段绿灯亮、东西段红灯亮 40s，南北段人行道绿灯亮，东西段人行道红灯亮，同时南北段和东西段方向的数码管分别从40s 和 60s 开始倒计时。2 35 秒后，南北方向的黄灯闪烁 5 秒钟，此时东西方向仍维持红灯亮，人行道灯不变。3 40 秒后，南北方向左拐灯亮，东西方向红灯亮，东西和南北人行道全部红灯亮，同时南北段和东西段方向的数码管分别从 19 秒开始倒计时。4 55 秒钟后，南北方向的黄灯闪烁 5 秒，此时东西方向仍维持红灯亮，人行道灯不变。5 1 分钟后，东西段绿灯亮、南北段红灯亮 40s，东西段人行道绿灯亮，南北段人行道红灯亮，同时南北段和东西段方向的数码管分别从 60s 和 40s 开始倒计时。6. 1 分 35 秒后，东西方向的黄灯闪烁 5 秒钟，此时南北方向仍维持红灯亮，人行道灯不变。7 1 分 40 秒后，东西方向左拐灯亮，南北方向红灯亮，东西和南北人行道全部红灯亮，同时南北段和东西段方向的数码管分别从 19 秒开始倒计时。8 1 分 55 秒钟后，东西方向的黄灯闪烁 5 秒，此时南北方向仍维持红灯亮，人行道灯不变。9. 按下“繁忙”、“特殊”按钮时直行显示分别为 45 和 75。其它过程与正常模式下相同。23 8 总结与展望8.1 软件延时与定时器计时软件延时，设计简单，使用方便，但是无法进行精确计时，无法在实际应用中进行使用，本次设计采用了定时器 0 进行计时，每 50ms 产生一个脉冲信号，可以准确的计时并方便 8 段数码管进行显示。8.2 使用中断的好处使用中断可以进行多样化设计，强化程序功能与执行效率。在本设计中程序每 50ms 请求一次中断，实现精确定时与数码管显示刷新。8.3 关于本次设计本次课程设计的过程是艰辛的，不过收获却是很大的。在设计过程中，会出现了一些问题，但都是常见的小问题，如：代码中双引号的使用并不是在英语书写状态下，输入字母出错等，在调试时出现异常，不过这些都是经常性错误，经过调试修改都一一解决，程序顺利完成，并实现了其功能。综合课程设计让我把以前学习到的知识得到巩固和进一步的提高认识，对已有知识有了更进一步的理解和认识。在此，由于自身能力有限，在课程设计中碰到了很多的问题，但通过查阅相关书籍、资料以及和周围同学交流后都得以一一解决。由于使用的是单片机作为核心的控制元件，使得电路的可靠性比较高，功能也比较强大，而且可以随时的更新系统，进行不同状态的组合。但是在我们设计和调试的过程中，也发现了一些问题，譬如红灯和绿灯的切换还不够迅速，红绿灯规则效率还不是很高等等，这需要在实践中进一步完善。当然，通过这次课程设计，我也发现了自身的很多不足之处，在以后的学习中，我会不断的完善自我，不断进取，能使自己在单片机编程这方面有一个大的发展。24 参考文献：1 李朝青.单片机原理及接口技术（修订版）.北京：北京航空航天大学出版社，1998.2 李广弟.单片机基础.北京：北京航空航天大学出版社，1992.3 何立民.单片机应用技术大全.北京：北京航空航天大学出版社，1994.4 张毅刚. 单片机原理及接口技术.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1990.5 谭浩强.单片机课程设计. 北京：清华大学出版社，1989.6 徐爱均，彭秀华 单片机高级语言编程与应用实践【】 北京：电子工业出版社， 7 深圳市计算机行业协会年全国单片机与嵌入式系统学术交流会论文集【】 北京：北京航空航天大学出版社， 8 胡汉才 单片机原理及其接口技术【】 北京：清华大学出版社. 9 付家才单片机控制工程实践技术【】 北京：化学工业出版社. 10 朱勇单片机原理与应用技术【】 北京：清华大学出版社.11 马忠梅单片机的语言应用程序设计【】 北京：北京航空航天大学出版社.25 附 录单 片 机 历 史 ：单片机诞生于 20 世纪 70 年代末，经历了 SCM、MCU、SoC 三大阶段。 1.SCM 即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。 “创新模式”获得成功，奠定了 SCM 与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel 公司功不可没。 2.MCU 即微控制器（Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展 MCU 的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看，Intel 逐渐淡出 MCU 的发展也有其客观因素。在发展 MCU 方面，最著名的厂家当数 Philips 公司。 Philips 公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将 MCS-51 从单片微型计算机迅速发展到微控制器。因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记 Intel 和Philips 的历史功绩。 3.单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向 MCU 阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了 SoC 化趋势。随着微电子技术、IC 设计、EDA 工具的发展，基于 SoC 的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。26
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