基于单片机的交通信号灯控制系统的设计

基于单片机的交通信号灯控制系统的设计内容摘要：

，如果同时亮应关闭信号灯系统，并立即报警。 （ 3）南北红灯维持 25S，在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持 20S，到 20S时，东西绿灯闪亮，闪亮 3S后熄灭，此时，东西黄灯亮并维持 2S后东西黄灯熄灭，东西红灯亮。 同时，南北红灯熄灭，南北绿灯亮。 （ 4）东西红灯亮维持 30S，南北绿灯亮维持 25S，然后闪亮 3S后熄灭，同时南北黄灯亮，维持 2S 后熄灭，这时南北红灯亮，东西绿灯亮。 设计完成的主要内容： 用西门子 S7 系列 PLC 进行交通灯控制，并通过 PLC 与上位计算机工控组态软件MCGS 间的通信，经过实际运行，实现基于 PLC 的交通 MCGS 中的监控。 交通信号灯控制系统工作时 ，对交通信号灯的时序状态示意图如下： 2 5 s 3 0 s2 5 s南 北 红 灯启 动 / 停 止东 西 绿 灯东 西 黄 灯东 西 红 灯南 北 绿 灯南 北 黄 灯计 时 时 间 图 交通信号灯的时序状态示意图 湖南工业大学专科生毕业设计（论文） 5 基于单片机的交通信号灯系统控制 系统方框图设计 图 基于单片机的交通信号系统总体方框图 工作原理 利用 4*4 键盘预置显示时间， 通过 AT89S51 单片机 P1 口 输入到系统 ；通过单片机的两个外部中断端口（ INT0/INT1）实现对系统的紧急控制；通过单片机的 RESET端口设计复位电路实 现复位控制； 由 AT89S51 单片机的定时器每秒钟通过 P2 口 经锁存器 74HC373 对数据进行锁存后 向 8255A 与 的数据口送信息，由 8255 的 PB 口显示红、绿、黄灯的燃亮情况；由 8255A 的 PA 口显示每个灯的燃亮时间。 本系统采用 基于单片机的交通信号灯系统控制。 系统设计 东西、南北两干道交于一个十字路口，各干道有一组红、黄、绿三色的指示灯，指挥车辆和行人安全通行。 红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行。 黄灯亮提示人们注意红、绿灯的状态即将切换，且黄灯燃亮时间为东西、南北两干道的公共停车时间。 设东西道比南北道的 车流量大，指示灯燃亮的方案如表。 表 指示灯显示方案 60S 5S 80S 5S …… 东西方向 红灯亮 黄灯亮 绿灯亮 黄灯亮 …… 南北方向 绿灯亮 黄灯亮 红灯亮 黄灯亮 …… 键盘设置时间参数 交通灯 显示 紧急控制 AT89S51 系 统 处 理 74HC373锁存器 8255A拓展 CPU 的并行接口 复位控制 时间显示 湖南工业大学专科生毕业设计（论文） 6 表 1说明： （ 1）当东西方向为红灯，此道车辆禁止通行，东西道行人可通过；南北道为绿灯，此道车辆通过，行人禁止通行。 时间为 60 秒。 （ 2）黄灯闪烁 5 秒，警示车辆和行人 红、绿灯的状态即将切换。 （ 3）当东西方向为绿灯，此道车辆通行；南北方向为红灯，南北道车辆禁止通过，行人通行。 时间 为 80 秒。 东西方向车流大 ， 通行时间长。 （ 4）这样如上表的时间和红、绿、黄出现的顺序依次出现这样行人和车辆就能安全畅通的通行。 （ 5） 可根据各路口实际的车流量 通过 4*4 键盘 预置红绿灯初始值，黄灯皆闪烁 5秒。 系统优势 本系统具有以下优点： （ 1）操作简单，可通过简单的按键和对程序数据的改变实现对交通灯系统的控制和改善； （ 2）实用性强，交通灯系统在我们生活环境中常见，是维持交通秩序必不可少的，因此对交通灯系统的应用极为广泛； （ 3）扩展功能强，通过紧急状态和复位状态的设置可以扩展交通灯更多的功能，使交通灯发挥更大的作用。 （ 4）本系统采用了 4*4键盘预置功能。 由于每个城市交通发展情况不一，各个十字路口车流量也不相同。 本系统可根据车流量与交通信号灯显示时间的经验公式，得出相应的显示时间并通过 4*4键盘灵活的预置相应的交通信号灯显示时间，达到了更好的根据车流量控制交通信号灯的效果。 湖南工业大学专科生毕业设计（论文） 7 第 3 章 系统 硬件设计 整体思路 本系统目的 是 通过 4*4 键盘预置 8051 P1 口 红、黄、绿灯循环点亮 的 时间，经锁存器 74HC373 与可编程并行 I/O 接口芯片 8255A，交通信号灯 通过 PB 口输出，显示时间由 PA 口输出至四位共阴数码管。 把一个循环周期分为四个状态，在状态一实现 A（东西方向） 红灯亮 60秒 ， B（南北方向） 只有绿灯亮 60 秒； 状态二 A、 B黄灯闪 5秒；状态三 A绿灯亮 80秒， B红灯亮 80 秒； 状态四 A、 B黄灯闪 5秒。 在每个状态中调用数码管显示 子程序 ，数码管前两位为 A红绿灯倒计时，后两位为 B红绿灯倒计时。 利用 51 单片机上的两个外部中断引脚 INT0、 INT1 实现紧急状态红灯亮、数码管不显示和复位状态灯全灭数码管显示 0。 至此完成了利用 51单片机实现交通灯控制系统。 所用元器件介绍 所用器材有芯片 AT89S51 一片；芯片 74HC373 一片。 可编程并行 I/O 接口芯片8255A一个；发光二极管 6个；四位七段共阴数码管一个；弹性小按键 3个；晶振（ 12MHZ）一个；色环电阻 8个；电容 3个、 4 乘 4 键盘一个。 芯片简介 本系统总共使用了 AT89S5四位七段共阴数码管、 74HC373 锁存器 和可编程并行 I/O 接口芯片 8255A 四 款主要元器件。 MCS51 芯片 简介 MCS51 单片机内部结构： AT89S51（见图 ）是 MCS51 系列单片机 的典型产品，包含中央处理器、程序存储器 (ROM)、数据存储器 (RAM)、定时 /计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线。 图 8051内部结构 湖南工业大学专科生毕业设计（论文） 8 交通灯系统中主要应用芯片 AT89S51 有以下功能： 定时 /计数器 (ROM)： AT89S51 有两个 16 位的可编程定时 /计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。 数码管上交通灯持续时间就是通过计数器的设计来显示的。 紧急状态和复位状态时计数中断程序转向也由计数器实现。 并行输入输出 (I/O)口： AT89S51 共有 4 组 8 位 I/O 口 (P0、 P P2 或 P3)，用于对外部数据的传输，实现对交通灯和数码管显示的控制。 中断系统： AT89S51 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。 紧急状态和复位状态时计数中断即由此功能产生，紧急状态为外部中断，优先于内部中断。 时钟电路： AT89S51 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，但 AT89S51 单片机需外置振荡电容。 单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛(Harvard)结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿 (Princeton)结构。 INTEL 的 MCS51 系列单片机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品 16位的 MCS96 系列单片机则采用普林斯顿结构。 下图是 MCS51系列单片机的内部结构示意 图如图 [1]。 图 MCS51结构框图 湖南工业大学专科生毕业设计（论文） 9 MCS51 的引脚说明： MCS51 系列单片机中的 803 8051 及 8751 均采用 40 Pin 封装的双列直接 DIP结构，右图是它们的引脚配置， 40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根， 4 组 8 位共 32 个 I/O 口，中断口线与 P3 口线复用。 现在我们对这些引脚的功能加以说明： 如图。 图 MCS51引脚图 Pin9:RESET/Vpd复位信号复用脚，当 8051 通电，时钟电路开始工作，在 RESET 引脚上出现 24 个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。 初始化后，程序计数器 PC指向 0000H， P0P3 输出口全部为高电平，堆栈指 针 写入 07H，其它专用寄存器被清“0”。 RESET 由高电平下降为低电平后，系统即从 0000H 地址开始执行程序。 然而，初始 复位不改变 RAM（包括工作寄存器 R0R7）的状态， 8051 的初始态。 8051 的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，见下图。 此外， RESET/Vpd还是一复用脚， Vcc掉电其间，此脚可接上备用电源，以保证单片机内部 RAM 的数据不丢失。 图 复位电路与时钟方式 湖南工业大学专科生毕业设计（论文） 10 Pin30:ALE/ 当访问外部程序器时， ALE(地址锁存 )的输出用于锁存地址的低位字节。 而访问内部程序存储器时， ALE 端将有一个 1/6 时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。 更有一个特点，当访问外部程序存储器， ALE 会跳过一个脉冲。 如果单片机是 EPROM，在编程其间， 将用于输入编程脉冲。 Pin29: 当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号， PC 的 16位地址数据将出现在 P0 和 P2 口上，外部程序存储器则把指令数据放到 P0 口上，由 CPU读入并执行。 Pin31:EA/V pp程序存储器的 内外部选通线， 8051 和 8751 单片机，内置有 4kB 的程序存储器，当 EA 为高电平并且程序地址小于 4kB 时，读取内部程序存储器指令数据，而超过 4kB地址则读取外部指令数据。 如 EA 为低电平，则不管地址大小，一律读取外部程序存储器指令。 显然，对内部无程序存储器的 8031,EA 端必须接地。 在编程时， EA/Vpp脚还需加上 21V 的编程电压。 四位共阴 数码管 简介 本 论文 中使用的是四位七段共阴数码管，当公共端为低电平时数码管有效，显示数字。 通过芯片控制数码 管的电平高低，以控制哪个数码管被选中，显示相应的时 间，其结构如 图 [2]。 图 四位数码管结构图 74HC373 简介 74HC373 是“ D型透明锁存器”，有 20 脚， 其管脚示意图 如图。 其中： 1 脚 OE 为输出允许端：当 OE=0 时，三态门打开；当 OE=1 时，三态门关闭，输出高阻。 29 脚 D1D8，为 8 个输入端。 10 脚 GND。 11 脚 LE 为数据打入端：当 LE 为“ 1”时，锁存器输出状态同输入状态；当 LE 由“ 1”变“ 0”时，数据打入锁存器。 湖南工业大学专科生毕业设计（论文） 11 1219 脚 Q7Q0 为 8 个输出端。 20 脚 Vcc。 图 74HC373引脚图 8255 芯片简介 8255 可编程并行接口芯片简介 8255 可编程并行接口芯片有三个输入输出端口，即 A口、 B 口和 C口，对应于引脚 PA7～ PA0、 PB7～ PB0 和 PC7～ PC0。 其内部还有一个控制寄存器，即控制口。 通常 A口、 B口作为输入输出的数据端口。 C口作为控制或状态信息的端口，它在方式字的控制下，可以分成 4 位的端口，每个端口包含一个 4 位锁存器。 它们分别与端口 A／Ｂ配合使用，可以用作控制信号输出或作为状态信号输入。 8255 可编 程并行接口芯片方式控制字格式说明 : 8255 有两种控制命令字；一个是方式选择控制字；另一个是 C口按位置位／复位控制字。 其中 C 口按位置位／复位控制字方式使用较为繁难，说明也较冗长，故在此不作叙述，需要时用户可自行查找有关资料。 方式控制字格式说明如表。 表 8255方式控制字格式 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 D7：设定工作方式标志， 1 有效。