交通灯单片机课程设计

11序言1.1交通灯的形成当今，红绿灯安装在各个道口上，已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段。但这一技术在19世纪就已出现了。1858年，在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红，蓝两色的机械扳手式信号灯，用以指挥马车通行。这是世界上最早的交通信号灯。1868年，英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上，安装了世界上最早的煤气红绿灯。它由红绿两色旋转式方形玻璃提灯组成，红色表示“停止”，绿色表示“注意”。1869年1月2日，煤气灯爆炸，使警察受伤，遂被取消。电气启动的红绿灯出现在美国，这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成，1914年始安装于纽约市5号大街的一座高塔上。红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通行”。1918年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。带控制的红绿灯，一种是把压力探测器安在地下，车辆一接近红灯便变为绿灯；另一种是用扩音器来启动红绿灯，司机遇红灯时按一下嗽叭，就使红灯变为绿灯。红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时，它就能察觉到有人要过马路。红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间，推迟汽车放行，以免发生交通事故。信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。1968年，联合国《道路交通和道路标志信号协定》对各种信号灯的含义作了规定。绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以直行，左转弯和右转弯，除非另一种标志禁止某一种转向。左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。红灯是禁行信号，面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车。黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线，但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。我们设计的单片机控制交通灯就是基于信号灯。1.2技术指示设计一个十字路口（方向为东西南北四个方向）的交通灯控制电路，每条道路上各配有一组红、黄、绿交通信号灯，其中红灯亮，表示该道路禁止通行；黄灯亮表示2该道路上未过停车线的车辆禁止通行，已过停车线的车辆继续通行；绿灯表示该道路允许通行。该电路自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换，实现十字路口自动化。图1.2为一十字路口交通灯控制图的简化图。图1.2十字路口交通灯控制图简化图1.3任务和要求设计一个交通灯系统，通过单片机如AT89C51并接数码管及发光二极管来模拟交通灯的变化规律，8个数码管用来显示秒值，东西南北各两个，12个发光二极管，东西南北各三个，分为红绿黄三种颜色。设计思路，首先东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮，同时开始计时20s，在7段数码管上显示时间。当20s倒计时结束后，开始3s倒计时，并且东西方向绿灯开始闪烁，南北方向红灯亮。当3s倒计时结束后再开始2s倒计时，并且东西方向黄灯亮，南北方向还是红灯亮。当2s倒计时结束后开始20s的倒计时，此时是南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮。接下来就是南北方向绿灯闪烁3s，再南北方向黄灯闪烁2s，接着又开始循环。要求设计出电气原理图、要求设计出程序流程图、要求设计出程序。32硬件电路的描述和设计2.1单片机的简述单片机是由运算器、控制器、存储器、输入设备以及输出设备共五个基本部分组成的。单片机是把包括运算器、控制器、少量的存储器、最基本的输入输出口电路、串行口电路、中断和定时电路等都集成在一个尺寸有限的芯片上。通常，单片机由单个集成电路芯片构成，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1、2、3、4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。单片机体积小、功能全、性价比等诸多优点而独具特色，在工业控制、尖端武器、通信设备、家用电器等嵌入式应用领域中独占鳌头。如果说C语言程序设计课程设计的基础课，那么单片机以其系统硬件构架完整、价格低廉、学生能动手等特点，成为工科学生硬件设计基础课。2.2电源电路稳压的稳压电源电路图如图2.2所示。220V电压经过降压后得到12V交流电，经二极管整流成脉动直流电，经过电容滤波后再又经过LM7805稳压得到5V的直流电供系统工作，后面的发光二极管是起一个电源指示的作用，470UF的电容是起一个再次滤波的作用。IN4007VI1VO3GND27805FU11AC11000nFR150047UFinout+_图2.2电源电路42.3芯片的选择与简单介绍此设计主控芯片采用AT89C51（如图2.3）芯片。AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机，亦称单片微电脑或单片微型计算机。它是把中央处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM）、输入/输出端口（I/O）等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。2.4单片机的最小系统图2.3AT89C51芯片单片机最小系统如图2.4所示是以89C51为核心，电路结构简单，抗干扰能力强，成本相对较低，非常符合本设计的所有要求。89C51单片机系列是MCS-51系列的基础上发展起来的，是当前8位单片机的典型代表，采用CHMOS工艺，即互补金属氧物的HMOS工艺。CHMOS是CMOS和HMOS的结合，具有HMOS高速度和高密度的特点，还具有CMOS低功耗的特点。时钟电路在单片机的外部通过XTAL1、XTAL2这两个引脚跨接晶体振荡器和微调电容，构成稳定的自激振荡器。本系统采用的为12MHz的晶振，一个机器周期为1us，C1、C2为30pF。2.5显示电路因为系统要求南北和东西方向的信号灯时间不一样，所以就利用单片机的P0口送出数据的段码，位选信号用P2口送出，用动态图2.4单片机最小系统5扫描的方法显示东西、南北的倒计时间。数码管使用共阴数码管，需要接上470欧上拉电阻以提供足够大的电流来驱动数码管，数码管的每段的电流是约10毫安。显示电路组件如图2.5所示：图2.5显示电路2.6信号灯电路本设计利用单片机的P2口来驱动和控制各种信号灯的燃亮和燃亮时间，在实际中，交通灯的信号灯需要用高电压控制，在这里我们只是模拟一下它的控制信号，所以我们就只用单片机的信号引脚直接来控制发光二极管,如图2.6所示。6D0D5D1D2D3D4D3D5D4D3D5D4D0D2D1D0D2D1XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U1AT89C51NET=D2D1LED-RED1LED-REDD3LED-REDD4LED-REDD5LED-YELLOW2LED-YELLOWD7LED-YELLOWD8LED-YELLOWD9LED-GREEND10LED-GREEND11LED-GREEND12LED-GREEN图2.6信号灯电路2.7电路原理图电路原理如图2.6，此图主要由一块主芯片AT89C51、四个7SEG-MPX2-CC、十二个发光二极管（分别为四个LEDRED、四个LEDYELLOW、四个LEDGREEN）、一块RESPACK-8组成。系统除具有基本交通灯功能外，还具有时间设置、LED信息显示功能，是交通实现有效控制。详图见下一页：7图2.7电路原理图83软件设计流程及描述3.1设计方案思想先了解交通灯的变化规律，假设这个十字路口为东西南北走向。转状态1东西绿灯通行，南北红灯禁行。过20s转状态2，南北仍然红灯，东西绿灯闪烁3s后转为黄灯亮2s。再转状态3，南北变为绿灯通行，东西变为红灯禁行。过20s转状态4，东西仍然红灯，南北绿灯闪烁3s转黄灯亮2s。最后回到状态1，不断循环。系统统采用MSC-51系列单片机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单片机芯片的P1口控制红、黄、绿灯的燃亮与熄灭；P0口外接数码管来显示各个信号灯的时间。3.2设计要求流程图设计流程图如图3.2：图3.2设计流程图以上设计流程图，在编制主程序流程图和编写程序源代码的时候，以此作为参考。程序开始时状态一为东西绿灯亮南北红灯亮，延时并倒计时；然后进入第二个状态东西绿灯闪南北红灯亮，延时倒计时结束后再改变状态，第三个状态为东西黄灯亮南北红灯亮，延时。第四个状态东西变为红灯，南北变为绿灯，这是东西禁行，南北通行。第五个状态东西依然红灯亮，南北绿灯闪烁，倒计时。第六状态东西不变还是红灯，东西绿灯亮南北红灯亮东西红灯亮南北黄灯亮东西红灯亮南北绿灯闪东西红灯亮南北绿灯亮东西黄灯亮南北红灯亮东西绿灯闪南北红灯亮9开始关闭T0设置时间初值初值送缓冲单元初值递减初值减到0？返回拆分程序调用显示子程序南北黄灯亮。依次按照设计流程图进行下去，一个周期结束后马上进入现已周期，依次循环。3.3主程序流程图主程序流程图如图3.3所示：NY图3.3主程序流程图104仿真效果4.1仿真软件利用wave软件进行编程，利用proteus软件设计原理图并接线。4.2系统仿真效果图图4.2（a）、（b）为用proteus软件模拟交通灯的部分状态仿真图。图4.2（a）是在仿真电源接通之前的效果图，此时处于初始状态。当接通电源的瞬间，东西方向从20s倒计时并且绿灯亮，南北方向从25s倒计时并且红灯亮。图4.2（a）仿真效果图11图4.2（b）为东西方向从20s倒计时至9秒时，南北方向从25s倒计时至14秒的状态图。并且在倒计时的同时东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮。图4.2（b）仿真效果图124.2仿真结果分析从仿真的过程来看，在接通电源时仿真能够正常运行。红灯、黄灯、绿灯状态能够符合要求转换。仿真开始东西方向为绿灯倒计时20s，南北方向红灯25s，当东西方向20s倒计时结束马上转变为绿灯倒计时3s，南北方向仍然是红灯倒计时，东西方向3s绿灯倒计时结束后转变为黄灯倒计时2s。在东西方向黄灯倒计时2s结束的同时，南北方向也刚好结束了红灯25s的倒计时，然后南北方向马上转变为20s的绿灯倒计时，东西方向转变为25s的红灯倒计时，循环下去。此程序仿真可以准确显示每个状态所剩余的时间，可以自主的实现设计要求的各状态的转换。完成一个周期后此系统都将会进入下一个周期的开始，实现循环控制交通灯的变换，符合课程设计的要求。13课程设计体会总结第一次做课程设计，刚拿到题目的时候很茫然，不知道从什么地方下手，也不知道该怎么做。通过对设计题目和要求的反复琢磨，咨询了指导老师，参考了很多资料后，了解了设计的大概，并且对此次课程设计也有了大体的思路。在做的过程中，我遇到了很多困难，比如对知识的不深入，让我不得不查阅很多资料，花费很多时间理解每一个难关。在不懈的努力下终于完成了此次课程设计。通过这次课程设计，加强了我思考、解决问题和动手的能力。电路原理和连接，和芯片上的选择,也懂得了一些。巩固数字逻辑电路的理论知识，并对芯片有了新的认识，懂得它的功能与其它芯片替换等。更重要的是如何将逻辑电路灵活运用于实际生活。协作的重要性。我懂得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，很多问题都解决了，而且还可以记住很多东西。比如一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，主要是因为没有动手实践。这次的实