基于单片机的交通信号灯设计

-1-毕业设计（论文）题目基于单片机的交通信号灯设计-2-基于MSC-51单片机的交通信号灯的设计摘要：根据MSC-51单片机的特点及交通灯在实际控制中的特点，本文提出一种用单片机自动控制交通灯及时间显示的方法。同时给出了软硬件设计方法设计过程包括硬件电路设计和程序设计两大步骤，对在单片机应用中可能遇到的重要技术问题都有涉足。本文对十字路口状态预设为两种，一种是正常状态，另一种是故障或紧急状态，并分别用黄、红、绿色灯的不同组合来表示。本文介绍了控制基本原理以及控制的表现，同时也介绍了城市交通信息系统的设计目标,开发途径及其系统结构与功能和数据地理编码、建库,同时论述了系统中交通现状、交通管理、交通规划及背景信息查询模块的建造及应用。介绍了用于城市交叉路口的三色程控交通信号时间显示器的研制方案，对其电源供电、发光二极管构成的负载结构、灯色时间检测都给出了精巧合理的优化结构，大幅度地提高了产品可靠性并降低了制造成本关键词：MSC-51单片机；交通灯；自动控制；时间显示器；软件；硬件；定时器；延时；外部中断1绪论单片微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是一种非常活跃和颇具生命力的机种。单片微型计算机简称单片机，特别适合应用于控制领域。通常单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含计算机的基本功能部件：CPU、存储器、I/O接口电路、定时/计数器、串行口等。因此，单片机只需要在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。MSC-51系列单片机是英特尔公司于1980年起推出的第二代产品。与8084相比，8051的硬件结构和指令系统均有很大改进，可支持更大的存贮空间，扩充了更多的硬件功能I/O功能，速度提高了2-5倍，可完成逻辑运算等。近年来推出的一些增强的MSC-51系统单片机，片内还集成了许多特殊功能单元，只需要加一些扩展电路及必要的通道接口即可构成各种计算机应用系统。因此，MSC-51系统单片机在智能仪表、智能接口、功能模块等领域得到了非常广泛的应用。主要技术特性：1.适于控制应用的8位CPU。-3-2.扩展的逻辑处理能力。3.64KB程序存贮器空间和64KB数据存贮器空间。4.4KB片内程序存贮器。5.128B片内数据RAM。6.32根双向和可单独寻址的输入输出线。7.2个16位定时/计数器，片内时钟发生器。8.全双工异步发送/接收器。9.6源5向量中断结构，具有两个优先级。图1.18051引脚图单片微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是一种非常活跃和颇具生命力的机种。单片微型计算机简称单片机，特别适合应用于控制领域。通常单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含计算机的基本功能部件：中央处理器CPU，存储器I/O接口电路等。因此，单片机只需要在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。由于单片机是把微型计算机主要部件都集成在一块芯片上，即一块芯片就是一个微型计算机。因此，单片机具有以下特点：1.控制功能强。为了满足工业控制要求，单片机系统的指令系统中均有极其丰富条件分支转移指令，较强的I/O逻辑操作及位处理功能，因而其控制灵活，方-4-便，容易满足工业控制的要求。2.抗干扰能力强，可靠性好。单片机集成度高，体积小，内部采用总线结构，减少了芯片间内部之间的连线，大大提高了单片机可靠性和抗干扰能力，适宜于恶劣环境下工作。3.性能价格比高。单片机功能丰富，价格仅为5～30元。4.易扩展。片内具有计算机正常运行所必须的部件，片外有许多供扩展使用的三总线并行，串行输入输出管脚，很容易构成各种规模的应用系统。5.低功耗，低电压。一般单片机的功耗仅为20～100mW，电压为2～6V，便于生产便携式产品。２方案论证随着人民的生活水平不断的提高，城市交通问题越来越引起人们的关注。人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。优越舒适的生活环境时刻吸引着收入不断增加的人群，导致城市机动车量的不断增加，而城市道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。为此，本文就城乡交通信号灯的电路原理、设计计算和实验调试等问题来进行具体分析讨论。2.1对控制系统的要求主支线路口的交通信号灯：主干道为南北两道，支干道为东西两道。正常情况下主干道绿灯亮18秒，支干道红灯亮20秒，主干道绿灯亮完后转为黄灯亮（闪烁亮）为2秒，黄灯亮完后转为红灯亮18秒，同时支干道有红灯转为绿灯亮16秒。支干道绿灯亮完后转为黄灯（闪烁亮）为2秒，黄灯亮完后转为红灯亮20秒，同时主干道转为绿灯亮18秒。有急救车到达时，两个方向交通信号灯全红，以便让急救车通过。设急救车通过路口时间可认为控制，急救车通过后，交通恢复正常。对主干道设置强制通行控制，视主干道交通拥挤状况，可临时安排主干道的通行，以保证交通的畅通。2.2方案选取方案一-5-运用电子电路设计。该方案主要用到了状态控制器，状态译码器，秒信号发生器，减法计数器等。状态控制器主要用于记录十字路口交通灯的工作状态，通过状态译码器分别点亮相应状态的信号灯。秒信号发生器产生整个定时系统的时基脉冲，通过减法计数器完成状态转换，同时，状态译码器根据系统下一个工作状态，决定计数器下一次减法计数的初始值。减法计数器的状态由BCD码译码器译码、数码管显示。在黄灯亮其间，状态译码器将秒脉冲引入黄灯控制电路，使黄灯闪烁。状态控制器主要采用二位二进制计数器。状态译码器的红黄绿灯的状态主要取决于状态控制器的输出状态，他们之间的关系见真值表，对于信号灯的状态，“1”表示灯亮，“0”表示灯灭。表2.1真值表状态控制器输出主干道信号灯支干道信号灯Q2Q1R(红）Y(黄）G(绿）r(红）y(黄）g(绿）00001100010101001010000111100010现选择半导体发光二极管模拟交通灯，由于门电路的带灌电流的能力一般比带拉电流的能力强，要求门电路输出低电平时点亮相应的发光二极管。当黄灯亮时，红灯按1HZ的频率闪烁。从状态译码器真值表中看出，黄灯亮时，Q1为高电平，而红灯亮信号与Q1无关。现利用Q1信号去控制一个三态门电路74LS245(或模拟开关)，当Q1为高电平时，将秒信号脉冲引到驱动红灯得与非门输入端，使红灯在其黄灯亮其闪烁；反之将其隔离，红灯信号不受黄灯信号得影响。产生秒信号的电路有多种形式，该设计是利用555定时器组成得秒信号发生器。对于该控制系统的调试，比较复杂，首先调试秒信号发生器，用示波器监视秒信号发生器的输出，调节电位器RW，使输出信号的周期为1S。直接将秒信号引入状态控制器脉冲输入端，在脉冲作用下，模拟三色信号灯。将秒信号引入定时系统电路脉冲输入端，在秒脉作用下，将三个74LS245的值数选通端以此接地，计数器三个不同的置数输出为进制体制完成减法计数，两位数码管应有相应的显示。把各个单元电-6-路互相连接起来，进行系统连调。方案二单片机控制系统。如用8位单片机AT89C51为控制器，组成交通信号灯系统。利用单片机的I/O口来完成信号的输入和转换，最终的显示结果通过LED数码管显示出来，另外设置两个按钮来进行交通路口的应急处理及主干道强制通行处理。硬件方面利用AT89C51的一个I/O口(P1口)驱动黄绿红灯，本装置用发光二极管来代替交通灯。考虑到简化驱动电路，6个LED发光管直接通过P1口灌电流的方式驱动。4个LED数码管采用共阳、动态显示的方式，字型口串联限流电阻510欧姆接到P0口，字位口通过4个PNP的三极管驱动并控制，用于动态扫描，分别通过P2.0～P2.3控制。计时方面以秒作为基本计时单位，可用AT89C51的定时、计数器来实现。交通路口应急处理及主干道强制通行处理，可利用中断方式响应。红绿灯亮灭时间的控制及闪烁方式的控制，完全可通过程序方式实现。本方案用单次脉冲申请中断，表示有急救车通过。编制中断处理程序要注意的问题是：保护进入中断时的状态（保护现场），并在退出中断之前恢复进入时的状态（恢复现场）。由以上两个方案相比较可以看出，利用单片机AT89C51所设计的交通灯比利用电子电路所设计的交通灯具有明显的优越性。利用AT89C51单片机控制的硬件电路比较简单，软件方面程序也不复杂。因此制作的原理简单，但功能作用并不低于电子电路设计的，方便小巧又通俗易懂。因此，我选择利用单片机来控制交通灯。３相关电子器件介绍3.1双极型晶体三极管半导体三极管也称晶体三极管，是电子电路中重要的部分。它最主要的功能是电流放大和开关作用。三极管顾名思义具有三个电极。二极管是由一个PN结构成的，而三极管由两个PN结构成，共用的一个电极成为三极管的基极。其他两个电极成为集电极和发射极。三极管最基本的作用是放大作用，它可以把微弱的电信号转换成一定的强度的信号。三极管有一种重要参数就是电流放大倍数。当三极管应用于开关状态时，必须保证导通时三极管处于饱和，其发射极、集电极正偏；断开时三极管处于截止，其发射极、集电极反偏。3.2LED七段数码管显示器发光二极管LED是一种通电后能发光的半导体器件，其导电性质与普通二极管类-7-似。LED数码显示管就是由发光二极管组合而成的一种新型显示器件，在单片机系统中应用非常普遍。它使用了8个LED发光二极管，其中7个显示字符，1个显示小数点，故通常称之为7段发光二极管数码显示器。为了显示字符，要为LED显示器提供段码（或称字形代码），组成一个“8”字形的7段，再加上1个小数点位，共计8段，因此提供给LED显示的段码为1个字节。各段码位的对应关系如下：表3.1各段码位的对应关系段码位D7D6D5D4D3D2D1D0显示段dpgfedcba用LED显示十六进制数和空白字符与P的显示段码表格3.2显示段码所示。表3.2显示段码字型共阳极段码字型共阳极段码0C0H990H1F9HA88H2A4Hb83H3B0HCC6H499HdA1H592HE86H682HF84H7F8H空白FFH880HP8CHLED数码显示器是1种由LED发光二极管组合显示字符的显示器件，它使用了8个LED发光二极管。LED数码显示器有两种连接方法：共阳极接法：把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极，使用时公共阳极接+5V,每个发光二极管的阴极通过电阻与输入端相连。当阳极端输入低电平时，段发-8-光二极管就导通点亮，而输入高电平时则不点亮。共阳极显示段码图3.1LED数码显示器的显示段码LED数码管显示电路：该显示电路由7段共阳数码管，限流电阻，三极管，基极电阻，P0口，P2口等组成。P0口通过与8个510Ω电阻与数码管的8个数据位相连，送显示数码。电阻即可起到限流作用，又可起到上拉电阻的作用。P2口的P2.0～P2.3通过4个4.7kΩ的电阻和4个三极管与4个7段数码管相连，起位选的作用。４控制器AT89C51的功能特征4.1引脚说明-9-图4.1引脚图VCC：供电电压。GND：接地。P0口：8位双向I/O口。在访问外部存储器时，P0口用于分时传送低8位地址（地址总线）和8位数据信号（数据总线）。P0口能驱动8个LSTTL门。在不接外ROM和外RAM时，P0口可做双向I/O口用。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位准双向I/O口，P1口负载能力为4个LSTTL门。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。P2口：8位准双向I/O口。在访问外部存储器时，P2口用于传送高8位地址。P2口负载能力为4个LSTTL门。P3口：8位准双向I/O口。可做一般I/O口用，同时P3口每一引脚还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。P3口第二功能如下。P3.0--RXD（串行输入口）P3.1--TXD（串行输出口）P3.2--/INT0（外部中断0）P3.3--/INT1（外部中断1）P3.4--