基于单片机的智能交通信号灯控制系统设计

基于单片机的智能交通信号灯控制系统设计内容摘要：

制器来实现。 设计内容及要求 本设计应用单片机最小系统实现简易交通灯的设计，可利用单片机的定时器 产生秒信号，控制十字路口的红绿黄灯交替点亮和熄灭，并且用 5 只 2 位 8 段数码管显示十字路口两个方向的剩余时间和南北方向绿灯时间，消除司机的烦躁情绪。 并能用按键设置两个方向的交通灯的红 、绿灯亮灯时间，黄灯亮的时间不可改变，预定 3 秒钟， 通过按键使交通灯控制 有强制通行 功能。 系统的工作符合一般交通灯控制要求。 本设计综合应用单片机原理、微机原理、单片机接口技术、单片机仿真系统的使用、 C 语言的编程，中断系统和定时器的应用等知识。 使交通灯在控制中灵活而有效。 本设计将程序结构模块化处理，使程序的可读性、可维护性和可移植性都得到进一步的提高。 本系统结构简单，操作方便；可实现自动控制；对优化城市交通具有一定的意义。 [3] 开发 环境 以及软件 1） WINDOWS 7 系统 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 6 2） 电 子设计软件 3） KEIL4 软件 4） PROTEL 99SE 印制电子线路板软件 设计思路 1)设计一个十字路口交通灯控制电路，根据设定好的周期时间能够指挥车辆在十字路口完成直行运行。 往南和往北的信号一致，即红灯（绿灯或黄灯）同时亮或同时熄灭。 用 2 个 2 位 8 段数码管来显示被点亮的指示灯还将点亮多久。 往东和往西方向的信号一致，其工作方式与南北方向一样，也采用两个数码管来倒计时。 2)当南北方向为绿灯和黄灯时，东西向的红灯点亮禁止通行；而东西方向为绿灯和黄灯时，南北向的红灯点亮禁止通行。 程序开始运行先南北段通 行、东西段禁止 60 秒 ，后东西段通行、南北段禁止 40 秒 ，依此循环。 系统分三种工作模式：正常模式、特殊模式，并且通过按键使 ―正常 ‖―特殊 ‖可相互转化。 正常模式下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） 60 秒 ，同时南北段和东西段方向的数码管从 60 秒 开始倒计时，至最后 3 秒时南北段绿灯变成黄灯闪烁；而后东西段直行通行（绿灯）、南北段禁止（红灯）40 秒 ，同时东西段和 南北段方向的数码管从 40 秒 开始倒计时，至最后 3 秒 时东西段绿灯变成黄灯闪烁；依次循环。 3)特殊模式下特殊模式灯亮，南北段 、东西段的通行时间改为 99 秒 ，可以设置南北或东西方向强制通行。 按键可以设置红绿灯的持续时间，默认是南北60 秒 ，东西 40 秒 ，按键 ―+‖可以使东西南北各加 5 秒 ，按键 ―‖可以使东西南北各减 5 秒 ； 上限是南北绿灯 99 秒 ， 东西绿灯 79 秒， 下限是南北绿灯 30 秒 ，东西绿灯 10 秒。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 7 第 3 章 方案的比较、设计和论证 供电方案：为使模块稳定工作，须有可靠电源 本设计考虑了两种电源方案： 方案一：采用独立的稳压电源。 此方案的优点是稳定可靠，且有各种成熟电源可供选用； 方案二：采用单片机控制模块 提供电源。 本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。 考虑到实际情况和电路的简洁，本设计采用了第一套方案。 显示界面方案 本设计涉及到倒计时、状态灯等功能。 基于功能需求，本设计考虑如下二个方案： 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。 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。 考虑到实际情况和电路的简洁，本设计采用了第一套方案。 输入方案 方案一：采用 8155 扩展 I/O 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 I/O 口 ,但操作起来稍显复杂。 方案二： 直接在 I/O 口线上接上按键开关。 该方案优点是：编程更加简洁，使用更加简单，且成本更低， 缺点就是功能有限。 综合考虑本设计的实际需要，在使用输入的时候不需要过于复杂的功能，故采用方案二。 [4] 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 8 系统设计 硬件系统组成框图 图 341硬件系统 单片机介绍 单片机微型计算机是微 型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。 单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。 通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和 I/O 接口电路等。 因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。 单片机经过 3 代的发展，目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展，它们的 CPU 功能在增强，内部资源在增多，引脚的多功能化，以及低电压低功耗。 本设计选用了市面上较为常见的 AT89S52 单片机 （如右图） ， AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。 使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。 片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。 在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 AT89S52 在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。 AT89S52 具有以下标准功能： 8k字节 Flash，256 字节 RAM， 32 位 I/O 口线，看门狗定时器， 2 个数据指针，三个 16 位定 AT89S52 单片机 电源 复位电路 晶振电路 按键电路 A 道 LED显示电路 B 道 LED显示电路 74LS573 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 9 时器 /计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及时钟电路。 另外， AT89S52 可降至 0Hz 静态逻 辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。 空闲模式下， CPU停止工作，允许 RAM、定时器 /计数器、串口、中断继续工作。 掉电保护方式下， RAM 内容被保存，振荡器被冻结， 单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 图 342 单片机管脚 P0 口： P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 口。 作为输出口，每位能驱动8 个 TTL 逻 辑电平。 对 P0 端口写 ―1‖时，引脚用作高阻抗输入。 当访问外部程序和数据存储器时， P0 口也被作为低 8 位地址 /数据复用。 在这种模式下， P0不具有内部上拉电阻。 在 Flash 编程时， P0 口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。 程序校验 时，需要外部上拉电阻。 P1 口： P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P1 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。 对 P1 端口写 ―1‖时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。 作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（ IIL）。 此外， 和 分别作定时器 /计数器 2 的外部计数输入（ ）和定时器 /计数器 2 的触发输入（ ）。 在 Flash 编程和校验时， P1 口接收低 8 位地址字节。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 10 引脚号第二功能： T2（定时器 /计数器 T2 的外部计数输入），时钟输出 T2EX（定时器 /计数器 T2 的捕捉 /重载触发信号和方向控制） MOSI（在系统编程用） MISO（在系统编程用） SCK（在系统编程用） P2 口： P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P2 输出缓冲器能驱动个 TTL 逻辑电 平。 对 P2 端口写 ―1‖时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。 作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（ IIL）。 在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储器（例如执行 MOVX @DPTR）时， P2 口送出高八位地址。 在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送 1。 在使用 8 位地址（如 MOVX @RI）访问外部数据存储器时， P2 口输出 P2 锁存器的内容。 在 Flash 编程和校验时， P2 口也接收高 8 位地址字节和一些控制信号。 P3 口： P3 口是一个具有内部上拉电阻 的 8 位双向 I/O 口， p3 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。 对 P3 端口写 ―1‖时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。 作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（ IIL）。 P3 口亦作为 AT89S52 特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。 在 Flash 编程和校验时， P3 口也接收一些控制信号。 端口引脚 第二功能： RXD(串行输入口 ) TXD(串行输出口 ) INTO(外中断 0) INT1(外中断 1) TO(定时 /计数器 0) T1(定时 /计数器 1) WR(外部数据存储器写选通 ) RD(外部数据存储器读选通 ) 此外， P3 口还接收一些用于 FLASH 闪存编程和程序校验的控制信号。 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是单片机复位。 ALE/PROG：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。 一般情况下， ALE 仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的脉冲信 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 FLASH 存储器编程期间，西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 11 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 MOVX和 MOVC 指令才能将 ALE 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 禁止位无效。 PSEN：程序储存允许（ PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个 机器周期两次 PSEN 有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次 PSEN 信号。 EA/VPP：外部访问允许，欲使 CPU 仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH）， 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的指令。 FLASH 存储器编程时，该引脚加上 +12V的编程允许电源 Vpp，当然这必须是该器件是使用 12V编程电压 Vpp。 XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电 路的输入端。 XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。 [5] 晶振电路介绍 单片机晶振两个电容的作用：这两个电容叫晶振的负载电容，分别接在晶振的两个脚上和对地的电容，一般在几十皮发。 它会影响到晶振的谐振频率和输出幅度，一般订购晶振时候供货方会问你负载电容是多少。 晶振的负载电容 =[(Cd*Cg)/(Cd+Cg)]+Cic+△ C （ 343） 式中 Cd,Cg为分别接在晶振的两个脚上和对地的电容 ,Cic（集成电路内部电容） +△ C（ PCB 上电容）经验值为 3 至 5pf。 图 343晶振电路 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 12 复位电路介绍 复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。 为可靠起见，电源稳定后还要经过一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分 合过程中引起的抖动而影响复位。 单片机复位电路参数的选定须在振荡稳定后保证复位高电平持续时间大于 2 个机器周期。 图 344复位电路 数码管显示电路介绍 led 数码管（ LED Segment Displays）是由多个发光二极管封装在一起组成 ―8‖字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。 led数码管常用段数一般为 7 段有的另加一个小数点，还有一种是类似于 3 位 ―+1‖型。 位数有半位， 1， 2， 3， 4， 5， 6， 8， 10 位等等 ....， led 数码管根据 LED 的接法不同分为共阴和共阳两类，了解 LED 的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。 颜色有红，绿，蓝，黄等几种， led 数码管广泛用 于仪表，时钟，车站，家电等场合。 数码管要正常显示，就要用驱。