1、最新版基于单片机交通灯的毕业设计论文济南铁道职业技术学院 毕业论文题 目：单片机交通灯自动控制系统的设计 系 别：电气工程系 专 业：应用电子技术 班 级：0831班 学生姓名：司元芳 指导教师：郑老师 完成日期：2010年12月30日 济南铁道职业技术学院毕业设计（论文）任务书班 级应用电子0831班学生姓名司元芳指导教师郑淑军设计（论文）题目单片机交通灯自动控制系统的设计主要研究内容通过运用所学的专业知识，设计出交通灯的原理电路。熟悉电子产品的设计方法和步骤。主要技术指标或研究目标1、 设计出交通灯的电路结构组成框图和完整、规范的电路图。2、 电路图上标出各元器件的名称、编号和主要参数。3
2、、 电路设计中要有系统电源部分，充分考虑系统对电流和电压的需求。4、 系统中介绍交通灯发光器件的选择。5、 系统中分析倒计时电路的设计。6、 列出主要的元件清单。7、 定时准确，精确到秒。基本要求1、明确设计任务。2、根据设计要求要求，确定设计步骤。3、查阅有关参考资料。4、绘制电路图。5、确定元件的型号、参数。8、 有条件的同学可制作出实物。7、要求论文有3000字左右，包含论证方案、理论分析、实际测试数据、原理图等。主要参考资料及文献1智能化仪器原理及应用曹建平主编 西安电子科技大学出版社2MCS-51单片机原理及应用教程刘迎春主编 清华大学出版社3、模拟电子技术胡宴如主编 高等教育出版社
3、4、数字电子技术杨志忠主编 高等教育出版社 摘 要本设计以单片机AT89S52为控制核心，以红、绿、黄三种LED发光管作为直行和左右拐弯以及行人通行的指示，以LED数码管作为倒计时指示，完成了题目要求的所有功能。在此基础上增设了LED灯和数码管实时显示系统各种状态，还可根据交通拥挤情况分别设置主干道和次干道的通行时间以及紧急情况时可根据需要手动设置某干道车辆通行状态，紧急情况结束后再转成自动状态，并对系统机械结构进行了优化设计，整体性好，人性化强、可靠性高。关键字：单片机AT89S52；LED数码管；倒计时显示 目 录1 引 言 12方案设计与论证 12.1总体方案设计思想 12.2系统方案选
4、择与比较 22.2.1 控制模块选择方案 22.2.2 显示模块选择方案 22.2.3 输入模块方案选择 32.2.4 电源模块方案选择 32.3系统总体方案论证 43系统硬件设计 53.1总体设计及功能描述 63.1.1交通等四种功能模式及行车方向指示 73.1.2行人通指示及其实现 93.1.3 主干道单独时间设置功能 93.1.4紧急情况处理功能及其实现 93.1.5倒计时计数功能及其实现 93.2各功能模块硬件设计及其实现 103.2.1单片机控制模块的设计 103.2.2倒计时显示及状态指示模块的设计 123.2.3键盘及状态显示模块的设计 143.2.4电源电路设计 143.2.5
5、车流量检测电路及模拟 143.2.6违规检测电路及模拟 154系统软件设计 164.1系统软件流程图 164.1.1按键子程序流程图 184.1.2按键扫描程序 194.1.3状态灯显示及判断 204.1.4 LED倒计时显示 214.1.5车流量检测中断服务子程序 214.1.6紧停及违规中断服务子程序 21总结 23致谢 24参考文献 251 引 言随着社会和城市交通的快速发展, 近几年机动车辆数字急剧增加，道路超负荷承载道路现象严重，致使交通事故逐年增加。交通灯是城市交通有序、安全、快速运行的重要保障，因此解决好公路交通信号灯控制问题也成了保障交通有序、安全、快速运行的重要环节。本设计是
6、一款基于单片机AT89C52为控制核心的交通控制系统，它可以实现对车辆、行人的有效导引。设计中我们选用红、绿、黄三种不同LED发光管作为车辆和行人的指示，简化了设计，形象直观；采用LED数码管作为倒计时显示，可靠性高、抗干扰能力强。该系统还可根据交通拥挤情况分别设置主干道和次干道的通行时间，以提高效率，缓减交通拥挤；当出现紧急情况时，交警可将系统设置成手动：全路口车辆、行人禁行，紧急情况结束后再转成自动状态。本设计并对系统物理结构进行了优化，很有城市交通道口的“模型”味。2方案设计与论证2.1总体方案设计思想根据传统十字路口交通灯的设计，可将本系统分为四个模块，第一个模块是控制模块，主要负责整
7、个系统工作的控制和运算，从而使各模块正常工作；第二个模块为显示模块，主要是对车辆和行人应该遵守交通规则的指导性的直观显示，它主要包括倒计时显示和红、绿、黄灯两大部分；第三个模块是输入模块，它的主要作用是辅助控制模块，相当于输入装置，利用它可以对交通灯各路口通行时间的设置以及出现紧急情况时，进行不同工作方式的切换设置；第四个模块是电源模块，它是整个系统的“心脏”，负责给各模块提供合适的电压，让各模块能稳定工作。其系统设计结构如图1所示：图1系统设计结构图2.2系统方案选择与比较2.2.1 控制模块选择方案方案一：由计数器74LS161级联组成，配合译码器和秒脉冲信号发生器等器件组成交通灯系统，整
8、个系统简单，控制简单，调试容易等优点。 方案二：采用ATC公司的单片机ATC89C52作为控制器。单片机运算能力强，软件编程灵活，自由度大。它是MCS-51系列单片机的派生产品，在指令系统、硬件结构和片内资源上与标准8052单片机完全兼容，使用时容易掌握；采用ATC89C52单片机稳定可靠、应用广泛、通用性强，在系统在应用可编程。方案选择：采用方案一来实现十字路口交通灯控制系统非常方便，电路结构简单，控制单一，但整个系统性能不是很高，倒计时不是非常精确，如果要求系统能设置不同工作时间不容易，因而对于完成题目较困难，而方案二完全能实现设计要求，容易掌握，利用编程，易控制，IO接口很多，易于扩展外
9、围电路，价格便宜，故选择方案二。2.2.2 显示模块选择方案该系统要求完成倒计时、状态灯等功能。基于上述原因，考虑了三种方案。 方案一：完全采用数码管显示。这种方案只显示有限的符号和数码字符，无法胜任题目要求。 方案二：完全采用点阵式LED 显示。这种方案实现复杂，且须完成大量的软件工作；但功能强大，可方便的显示各种英文字符，汉字，图形等。方案三：用七段LED数码管完成倒计时显示，用LED灯作为状态灯指示功能。方案选择：方案一和方案二都不符合设计要求，实现较复杂，而方案三采用数码管与LED灯相结合的方法因为设计既要求倒计时数字输出，又要求有状态灯输出等，为方便观看并考虑到现实情况，用数码管与L
10、ED灯分别显示时间与提示信息。这种方案既满足系统功能要求，又减少了系统实现的复杂度。权衡利弊，选择方案三。2.2.3 输入模块方案选择方案一：采用8155扩展IO 口及键盘，显示等。该方案的优点是：使用灵活可编程，并且有RAM,及计数器。若用该方案，可提供较多IO 口,但操作起来稍显复杂。方案二： 直接在IO口线上接上按键开关。因为设计时精简和优化了电路，所以剩余的口资源还比较多，我们使用四个按键，分别是K1、K2、K3、K4。由于该系统对于交通灯及数码管的控制，只用单片机本身的IO 口就可实现，且本身的计数器及RAM已经够用，故选择方案二。2.2.4 电源模块方案选择电源是整个系统的“心脏”
11、，它是系统稳定工作的保障，为使各个模块稳定工作，须有可靠电源。下面考虑了两种电源方案。方案一：采用单片机控制模块提供电源。该方案的优点是系统简明扼要，节约成本；缺点是输出功率不高，不能驱动数码管。方案二：采用独立的稳压电源，采用开关电源作为整个系统的供电，它具有多路电源输出，此方案的优点是稳定可靠，且有各种成熟电路可供选用；缺点是各模块都采用独立电源，方案选择：方案一只采用单片机自身的IO来驱动数码管显示是不行的，而方案二虽然要给各模块供电，但却能给各模块提供稳定可靠的电压从而达到显示明亮的程度。故选择第二种方案。2.3系统总体方案论证 经上述各模块的方案选择与论证，十字路口交通灯控制系统的控
12、制芯片选用单片机AT89S52作为整个系统的核心控制器件，主要负责整个系统工作的控制和运算，从而使各模块正常工作；采用七段LED数码管和LED灯作为显示器件，用七段LED数码管完成倒计时显示，用LED灯作为状态灯指示功能；用触发按键构成系统的输入部分，它可以对系统进行状态设置，结合数码管，可根据交通情况对整个系统进行直观的控制；以开关电源作为系统电源部分，它有+12V、-12V、+5V、-5V电压输出，可方便对各个模块供电。系统设计方框总图如图2所示： 图2 系统设计方框总图3系统硬件设计硬件设计是整个系统的基础，要考虑的方方面面很多，除了实现交通灯基本功能以外，主要还要考虑如下几个因素：系统
13、稳定度；器件的通用性或易选购性； 软件编程的易实现性；系统其它功能及性能指标；因此硬件设计至关重要。现从各功能模块的实现逐个进行分析探讨。图3基于单片机的交通灯控制系统原理3.1总体设计及功能描述本设计以单片机AT89S52为控制核心，采用模块化设计，共分以下几个功能模块：单片机控制系统、键盘及状态显示、行车方向指示、行人通行指示和倒计时模块等。 单片机作为整个硬件系统的核心，它既是协调整机工作的控制器，又是数据处理器。它由单片机、时钟电路、复位电路等组成。 行车方向指示采用红、绿、黄LED发光管，用三种颜色指示车辆放行、暂停、禁止，形象直观。 行人通行指示采用两支红、绿LED发光管，用两种颜
14、色指示放行与禁止，形象直观，简洁明了。 键盘及状态显示，键盘采用四只触发按键组成，电路简洁可靠；显示器采用七段LCD数码管，可实时显示系统运行状态，可供交警在室内实时监视交通状况。通过键盘可设置：紧急情况发生时的交通灯状态控制、主干道通行时间等，人机界面非常友好。 系统采用双数码管倒计时计数功能，最大显示数字99。其交通口模拟仿真结果如图4所示图 4交通口模拟仿真图友好的人机界面、灵活的控制方式、优化的物理结构以及丰富的功能是本设计的亮点。3.1.1交通等四种功能模式及行车方向指示按交通灯控制规则，每个街口有转弯、直行及行人三种指示灯。主要指示灯有红、绿、黄三种颜色。交道口模型如图5所示：图5
15、 交道口模型图4组LED数码管按照设置的通行时间（各路口默认的通行时间均为1分钟）进行倒计时，并各自进行红、绿、黄灯显示，共有四种通行状态，分别为： 图5-1 通行状态一示意图 图5-2 通行状态二示意图 图5-3 通行状态三示意图 图5-4 通行状态四示意图直行默认时间为40秒，转弯默认时间为20秒，系统设置了任意更改功能，可以根据实际情况进行倒计时调整，以提高车辆通过率，缓减交通压力。在直行状态变为转弯状态时结束前5秒钟，黄灯闪烁直至结束。本设计选用两只绿色LED发光管来指示转弯、直行等交通指示信息。绿灯1亮表示直行，绿灯2亮表示允许转弯行驶，红色则表示禁止通行。所有指示信息一目了然。3.
16、1.2行人通指示及其实现行人通行时间为1分钟，行人通行指示选用红、绿LED发光管，用两种颜色指示放行与禁止，形象直观。红色LED亮时禁止通行标志，绿色LED灯亮时表示此时禁止通行，提醒行人站在原地等候。3.1.3 主干道单独时间设置功能当主干道方向的车辆过多发生堵塞，正常的信号灯时序将会使交通状况更加恶化。本设计添加了主次干道单独时间设置功能，交警可按需求设置绿灯的点亮时间，该措施可在一定程度缓减短暂的交通压力。3.1.4紧急情况处理功能及其实现在十字交通路口常出现的紧急情况，若不及时处理将形成不良隐患。比如，交道口的行人有紧急情况发生，那么交警可以对信号灯进行手动控制，按下紧急情况处理键，通
17、过软件使所有红灯亮，路口车辆禁行，行人通行，直至紧急情况结束后再转成常规的自动状态。3.1.5倒计时计数功能及其实现 本系统使用数码管完成倒计时显示功能。以南北方向为例，数码管显示的数值从绿灯的设置时间最大值往下减，每秒钟减1，一直减到0。然后又从红灯的设置时间最大值往下减，一直减到0。接下来又显示绿灯时间，如此循环。系统共有4 个两位的LED 数码管，分别放置在模拟交通灯控制板上的四个路口。因为四个方向的数码管应该显示同样的内容，所以可以把它们同样对待。也就是说各个方向的数码管个位（把数码管第二位定义为个位，第一位定义为十位）用一根信号线控制，十位用另一根信号线控制。这里采用动态显示。3.2
18、各功能模块硬件设计及其实现3.2.1单片机控制模块的设计单片微机(Single-Chip Microcomputer)简称为单片机。它在一块芯片上集中成了中央处理单元CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、定时计数和多功能输入输出IO口,如并行口IO、串行口IO和转换AD等。MCS-51系列单片机在我国得到了广泛的应用，是单片机的主流系列，软硬件应用设计资料丰富齐全。为了提高指令的执行速度和效率，采用了面向控制的结构和指令系统的独立CPU。因此本设计采用AT89S52单片机作为系统的控制器件，这是因为AT89S52是目前应用比较广泛的MCS-51系列兼容单片机作为主控制器。AT89S52单
19、片机的主要性能特点： 与MCS-51系列单片机产品兼容。 8K字节在系统可编程Flash存储器，1000次擦写周期。 全静态操作：033Hz。 三级加密程序存储器。 32个可编程IO口线，3个16位定时器定时器，8个中断源。 全双工UART串行通道，低功耗空闲和掉电模式。 掉电后中端可唤醒，看门狗定时器。 双数据指针和掉电标识符。电源、时钟信号以及复位电路时单片机工作的基本条件，缺一不可。AT89S52单片机系统的基本工作电路包括电源电路、时钟电路、复位电路。框图如图6：图6 单片机控制系统基本硬件组成方框图（1）、电源电路电源电路模块为系统板上的其他模块提供+5V电源。供电电源可由开关电源提
20、供，即能满足。（2）、时钟电路模块的设计单片机的时钟信号用来为单片机芯片内部的各种操作提供时间基准。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列，作为单片机工作的时间基准，典型的晶体振荡频率为12MHz。MCS-51系列单片的时钟信号可以由两种方式产生：一种是内部时钟方式，利用芯片内部的振荡电路；另一种方式为外部时钟方式。由于AT89S52单片机芯片内有时钟振荡电路，因此本系统单片机采用内部时钟方式，只要在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体和微调电容，就构成自激振荡器并在单片机内部产生时钟信号脉冲信号，具体电路设计如图7所示： 图中电容C1、C2的作用的是稳定频率和快速起振，其值为530pF,
21、在此选择30pF；晶振X1的振荡频率范围在1.212MHz之间选择，本设计中选择12MHz。（3）、复位电路模块设计 复位电路使单片机或系统中的其他部件处于某种确定的状态。当在MCS-51系列单片的RST引脚处引入高电平并保持2个机器周期，单片机内部就执行复位操作。复位操作有两种基本形式：一种是上电复位，另一位是按键复位。本设计采用按键复位方式。3.2.2倒计时显示及状态指示模块的设计A、七段数码显示器：七段发光线段分别用a、b、c、d、e、f、g七个小写字母表示。 七段显示组合与数字对照表（表中“L”表示低电位，“H”表示高电位）B、LED数码管：半导体数码管又称LED数码管，是一种广泛使用
22、的显示器件。LED有两种：共阳极型和共阴极型。LED优点：亮度高、字形清晰，工作电压低（1.53V）、体积小、可靠性高、寿命长，响应速度极快。C、液晶分段数码显示器：利用液态晶体的光学特性做成的显示器； 优点：工作电压低、耗电省和成本低廉等。图8液晶分段数码显示器3.2.3键盘及状态显示模块的设计图9键盘及状态显示3.2.4电源电路设计 电源用5V直流电压直接供电。图10电源电路3.2.5车流量检测电路及模拟为了达到对红绿灯的时间控制，需要对道路上的车流量进行检测。当前比较流行的车流量检测器件，是一种自感式的车辆传感器。其工作原理是当车辆经过传感器时，引起其自感的变化，考虑到单片机系统的便利性
23、，本次设计用一种手动的操作方式，即车流量的检测电路用拨断开关代替。其基本思路为：当车流量大时，有拨断开关送出一个高电平。另外，再单片机和坡度按开关之间加了光电隔离。下面叫简绍光电隔离，以TLP550为例。TLP550是日本东芝公司生产的一款光耦，该光耦没有和基极连接，适合与再噪声比较大的环境中应用。TLP550的工作原理如下：当2.3叫的电压为正，且能时发光二极管正常发光时，控制的发光二极管发光，使得输出端的光敏二极管导通。这样输出端的基极相当于与8引脚连接，其电平为高，使得三极管导通，及5.6两个引脚导通。由于5引脚接地，这样输出端6叫就为低电平。再实际使用中，6.8引脚通常会连接一个电阻。
24、这样当2.3引脚的电压不足使发光二级光发光时，输出端三极管就不到同，就相当于输出端6引脚通过一个电阻接到了8脚上。相对于后面的连接电路来书，其为高电平。这样就可以通过控制2.3引脚之间的电压，来控制输出6引脚的电平，达到电压耦合的隔离的作用。车流量检测电路如下图11所示。图11 车流量检测电路基于光电隔离的作用，再加上拨断开关和LED，为了避免干扰信号，可以加入光电耦合器。如图所示，当开关状态如图所示时，LED点亮，同时低电平被单片机捕获。当开关拨下时LED熄灭，同时高点平被单片机捕获，这样单片机通过捕获的电平状态做出相应的控制，与LED的状态即车流量的状态互相配合协调。3.2.6违规检测电路
25、及模拟在红灯和黄灯期间，车辆是禁行的，为了对那些违反规则的车辆进行检测，可使用超声波车辆传感器。但是，用于受到条件的限制，本系统设计中只是使用了普通光敏二极管。图12 违规检测电路其基本设计思想是：将光敏二极管放在停车线上，当车辆行驶过将光敏二极管遮住，这样，光敏二极管就不导通，单片机检测到这一信号执行警报操作。违规检测电路如下图12所示。但是除了使用光敏二极管，还需使用三极管，三极管的型号是9031.由于普通光敏二极管的开关特性不太好，所以设计在电路中加入了三极管作为开关。由于普通光敏二极管在导通的情况下的电阻都能达到0.5-1K，所以在设计中将光敏二极管直接连到了电源上。同时三极管还可以起
26、到一定的隔直作用。当光敏二极管关闭时，三极管的基极为低电平，基极与发射基之间的电压为零，三极管关断，检测口的电压为高电平。同理，当光敏二极管导通时，三极管的基极电压为高，基极与发射极之间的电平为高，三极管导通，检测口的电压为低电平。基于此就可以检测是否有违规车辆了。4系统软件设计4.1系统软件流程图 全部控制程序实际上分为若干模块：键盘设置处理程序，状态灯控制程序，LED显示程序，消抖动延时程序，次状态判断及处理程序，紧停或违规判断程序，中断服务子程序，车流量计数程序，红绿灯时间调整程序等。整个软件程序方面主要分两大部分：按键处理程序和50ms扫描程序。流程图如图13所示。首先是按键处理程序，
27、89C52通过对IO扫描，确定是否有键按下，再判断具体是那个键按下，根据键值跳转到按键处理程序。按键处理结果可设置两种工作模式：红绿灯时间设置模式和红绿灯时间自动模式，次程序相当于系统的模式设置，若想重新设置则要按下复位键。设置过后进入50ms扫描程序。50ms扫描程序开始后，先刷新显示模块，若为自动模式则接下来要计数车流量，然后扫描紧停信号和违规信号，若捕获则调用中断，中断服务子程序主要启动蜂鸣器，直至恢复键按下。50ms已到则重新扫描。扫描20次之后计时到达1s则时间数据减1，在显示模块中修改显示缓冲区内容。在半个状态对换时，车流量计数程序在一个状态变换循环先后计数两个方向的车流量，然后调
28、用红绿灯时间调整程序，更新红绿灯时间。当前状态时间已到，则判断次状态装入相应数据，然后进入下一状态。4.1.1按键子程序流程图（1）它包含倒计时调整和紧急状态两个状态。主程序中放了一个按键的判断指令，当按键按下K1的时候，程序就自动的跳转到按键子程序处理。当检测到K2键按下的时候就自动返回到主程序。当出现紧急的情况的时候，按下K1就切换到紧急状态，当紧急事件处理完毕的时候，按下K2，就可以返回正常状态。图14 按键程序流程图（2）部分按键程序介绍AI: JB P3.0,N1 ； 判断P3.1按键是否按下 LCALL DEALY ； 软件去抖 JB P3.0,N1 ； 判断P3.1按键按下转至N
29、1MM:LCALL DISPLAY JNB P3.0,MM ；P3.0按下,顺序执行 MOV P2,#COH ；状态全为红灯亮 LJMP BACK2N1:JB P3.1,BACK2 ；P3.1按下，跳至BACK2 LCALL DEALY JB P3.1,BACK2MM1:LCALL DISPLAY JNB P3.1,MM1 ；P3.1按下,顺序执行 MOV P2,#0CH ；恢复初始状态BACK2:RET ；子程序返回4.1.2按键扫描程序首先程序不断扫描模式设置键，分别记为：S键，J键，F键对应端口的3.6,P3.2,P3.7,低电平有效，按键顺序是指定的，若直接按F键，则为自动调整模式，然
30、后进入下一程序；若先按S键，再按J键，F键则为设置时间模式，然后进入下一程序。程序的开始要判断是否有键按下，可以不断将S键值和F键值相与，与值为1则表示没有键按下，为0则表示有键按下，程序如下：K1: MOV C, P0.0 ANL C, P0.1JB C, K1 接下来要判断具体是那个键，若为F键，则将自动标志位置1，进入下一程序，否则为S键，则表示设置南北绿灯时间，用R0存值，按1下加1，同时还需判断此时J键是否按下，若按下，则表示南北绿灯时间设置完毕，开始设置东西绿灯时间，用R1存值，同样按1下加1 ，同时判断此时F键是否按下，若按下，则表示时间设置完毕，进入下一程序。在这个过程中，S，
31、J键的计数是循环的，从初值20开始，加到40则循环回到20。如判断S键程序如下：CJNZ R0, #40, V1MOV R0, #20V1: INC R0 4.1.3状态灯显示及判断在本设计中，实际控制的灯只有6个，即：东西红灯，东西绿灯，东西黄灯，南北红灯，南北绿灯，南北黄灯。定义IO端口如下，其中均是低电平有效。H_GREEN BIT P2.2H_YELLOW BIT P2.3L_RED BIT P2.4L_GREEN BIT P2.5L_YELLOW BIT P2.6共有4钟状态：东西红灯亮，南北绿灯亮（DDH）；东西红灯亮，南北黄灯亮（BDH）；东西绿灯亮，南北红灯亮（EDH）；东西黄灯亮，南北红灯亮（E7H）。括号中是P2端口8个引脚值P2.7,P2.6,P2.5,P2.4,P2.3,P2.2,P2.1,P2.0以及对应的十六进制码。在用于显示发光二极管时，直接由MOV指令
