基于51单片机的交通灯设计.docx
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基于51单片机的交通灯设计
电控学院
交通灯课程设计报告
院（系）：
电气与控制工程学院
专业班级：
10级测控1班
组员：
屈豆张坡坡
学号：
********15**********
指导老师：
王建刘晓荣
2013年7月18日
单片机课程设计
-----交通灯控制器的设计与实现
【摘要】随着世界范围内城市化和机动化进程的加快，城市交通越来越成为一个全球化的问题。
十字路口车辆穿梭，行人熙攘，车行车道，人行人道，有条不紊。
那么，靠什么来实现这井然有序呢？
靠的是交通灯的自动指挥系统。
随着科技的发展，单片机的应用正在不断深入，同时带动传动检测技术日益更新。
在实时监测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为一个核心部件来使用，还应根据具体的硬件结构，以及针对应用对象的点的软件结合，加以完善。
本文介绍了一种基于单片机的交通灯控制系统。
系统采用单片机和LED数码管作为交通灯的控制和显示核心，并通过控制按键对时间进行设置，最终实现对交通灯各状态持续时间的控制。
系统采用手动复位，利用两个数码管显示交通灯各状态的剩余时间，时间显示采用倒计时方式，四组红、黄、绿三色灯用发光二极管作为模拟交通信号灯，呈四种状态交替出现。
系统通过一个直流稳压电路为系统提供+5V的直流电源。
该交通系统控制方便，有一定实用价值。
【关键字】单片机；可调；LED；数码显示
1.绪论
1.1设计背景
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。
它由红绿两个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。
1914年，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，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。
1.2设计要求
1.2.1硬件设计：
根据任务要求，完成单片机最小系统及其扩展设计，焊接电路板，组成功能完整的样机。
1.2.2软件设计：
模拟实际交通灯控制系统功能，完成控制软件的编写与调试；
1.2.3功能要求：
利用2个数码管进行1秒倒计时显示，最大定时时间为90秒；利用红、绿、黄三种不同颜色的LED显示不同的通行情况，要求LED点亮时间和倒计时时间准确；
1.3设计意义
交通灯是城市交通的重要指挥系统，与人们的日常生活密切相关。
随着经济的快速发展，城市中的车辆逐渐增多，交通拥堵和堵塞现象日趋严重，引起交通事故频发，环境污染加剧等一系列问题，因此设计一个灵活、稳定、便捷的多功能交通灯控制系统具有必要性和现实性。
本次设计的意义在于通过对具体的控制系统的设计，掌握微机控制系统设计的一般方法和处理问题的思路，特别是一些常用的技术手段。
在实践设计过程中，积累设计经验，开拓思维空间，全面提高个人的综合能力。
2.单片机选择方案
我们选择STC89C52RC单片机为核心，结合单片机课程设计要求，在提高稳定性的前提下，设计并且制作交通灯，实现了能根据东西南北四个方向的指示灯来控制车辆的行进以及在紧急情况时的处理。
2.1电源选择方案
为使模块稳定工作，须有可靠电源。
我们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；缺点是各模块都采用独立电源，会使系统复杂，且可能影响电路电平。
方案二：
采用单片机控制模块提供电源。
改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。
由于我们所做的交通灯结构简单，由电源直接驱动的元件只有发光二极管，
电源的负载并不是很重。
综上所述我们选择第二种方案。
2.2选择界面方案
系统要求完成倒计时、状态灯等功能。
基于上述原因，我们考虑了三种方案：
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：
采用数码管与点阵LED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LED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，第三种方案可互补一二方案的优缺，我们决定采用方案三以实现系统的显示功
能。
3.硬件设计
3.1硬件功能设计
硬件部分由STC89C52RC单片机、红黄绿LED灯、电阻、按钮、数码管等部件组成。
（1）用二极管显示红绿黄等；
（2）用数码管显示十字路口两个方向的剩余时间；
（3）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；
（4）用六个按键分别设置复位、东西南北急停、东西方向急停、南北方向急停、和红灯时间的加减
3.2主要器件介绍
3.2.1单片机STC89C52RC
STC89C52RC单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。
主要特性如下：
1.增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051.
2.工作电压：
5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V单片机）
3.工作频率范围：
0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz
4.用户应用程序空间为8K字节
5.片上集成512字节RAM
6.通用I/O口（32个），复位后为：
P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。
7.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片
8.具有EEPROM功能
9.具有看门狗功能
10.共3个16位定时器/计数器。
即定时器T0、T1、T2
11.外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒
12.通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART
13.工作温度范围：
-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）
14.PDIP封装
STC89C52RC单片机的工作模式
●掉电模式：
典型功耗<0.1μA,可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序
●空闲模式：
典型功耗2mA
●正常工作模式：
典型功耗4MA～7mA
●掉电模式可由外部中断唤醒，适用于水表、气表等电池供电系统及便携设备
图1STC89C52RC引脚
STC89C52RC引脚功能说明
VCC（40引脚）：
电源电压
VSS（20引脚）：
接地
P0端口（P0.0～P0.7，39～32引脚）：
P0口是一个漏极开路的8位双向I/O口。
作为输出端口，每个引脚能驱动8个TTL负载，对端口P0写入“1”时，可以作为高阻抗输入。
在访问外部程序和数据存储器时，P0口也可以提供低8位地址和8位数据的复用总线。
此时，P0口内部上拉电阻有效。
在FlashROM编程时，P0端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节。
验证时，要求外接上拉电阻。
P1端口（P1.0～P1.7，1～8引脚）：
P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P1的输出缓冲器可驱动（吸收或者输出电流方式）4个TTL输入。
对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这是可用作输入口。
P1口作输入口使用时，因为有内部上拉电阻，那些被外部拉低的引脚会输出一个电流（
）。
此外，P1.0和P1.1还可以作为定时器/计数器2的外部技术输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体参见下表：
在对FlashROM编程和程序校验时，P1接收低8位地址。
表1P1.0和P1.1引脚复用功能
引脚号
功能特性
P1.0
T2（定时器/计数器2外部计数输入），时钟输出
P1.1
T2EX（定时器/计数器2捕获/重装触发和方向控制）
P2端口（P2.0～P2.7，21～28引脚）：
P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P2的输出缓冲器可以驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。
对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，这时可用作输入口。
P2作为输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（
）。
在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器（如执行“MOVX@DPTR”指令）时，P2送出高8位地址。
在访问8位地址的外部数据存储器（如执行“MOVX@R1”指令）时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中的P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。
在对FlashROM编程和程序校验期间，P2也接收高位地址和一些控制信号。
P3端口（P3.0～P3.7，10～17引脚）：
P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P3的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。
对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。
P3做输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输入一个电流（
）。
在对FlashROM编程或程序校验时，P3还接收一些控制信号。
P3口除作为一般I/O口外，还有其他一些复用功能，如下表所示：
表2P3口引脚复用功能
引脚号
复用功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
（外部中断0）
P3.3
（外部中断1）
P3.4
T0（定时器0的外部输入）
P3.5
T1（定时器1的外部输入）
P3.6
（外部数据存储器写选通）
P3.7
（外部数据存储器读选通）
RST（9引脚）：
复位输入。
当输入连续两个机器周期以上高电平时为有效，用来完成单片机单片机的复位初始化操作。
看门狗计时完成后，RST引脚输出96个晶振周期的高电平。
特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。
DISRTO默认状态下，复位高电平有效。
ALE/
（30引脚）：
地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。
在Flash编程时，此引脚（
）也用作编程输入脉冲。
在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。
然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。
如果需要，通过将地址位8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。
这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX或MOV指令时有效。
否则，ALE将被微弱拉高。
这个ALE使能标志位（地址位8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。
（29引脚）：
外部程序存储器选通信号（
）是外部程序存储器选通信号。
当AT89C51RC从外部程序存储器执行外部代码时，
在每个机器周期被激活两次，而访问外部数据存储器时，
将不被激活。
/VPP（31引脚）：
访问外部程序存储器控制信号。
为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，
必须接GND。
注意加密方式1时，
将内部锁定位RESET。
为了执行内部程序指令，
应该接VCC。
在Flash编程期间，
也接收12伏VPP电压。
XTAL1（19引脚）：
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTAL2（18引脚）：
振荡器反相放大器的输入端。
3.2.2LED数码管
我们最常用的是七段式和八段式LED数码管，八段比七段多了一个小数点，其他的基本相同。
所谓的八段就是指数码管里有八个小LED发光二极管，通过控制不同的LED的亮灭来显示出不同的字形。
数码管分为供阴极和共阳极两种类型，其实共阴极就是将八个LED的阴极连在一起，让其接地，这样给任何一个LED的另一端高电平，他便能点亮，而共阳极就是将八个LED的阳极连在一起。
我们组使用的是共阴极。
数码管有静态显示和动态显示两种形。
动态是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。
通过分时轮流控制各个数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。
在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低，当显示器位数较多时，一般采用动态显示方法。
3.3复位电路
复位方式有多种，本设计采用按键复位。
接线图如图程序3.1复位电路，在设定的定时时间内，89C52必须在RST引脚产生一个由高到低的电平变化，以清内部定时器.
图2复位电路
3.4晶振电路
晶振电路原理图如图3：
图3晶振模块原理图
选取原则：
传统做法，但能够实现所需，即最简单也最是实用。
电容选取30pF，晶振为12MHz。
4.软件设计
4.1软件功能模块
键盘扫描模块、键盘处理模块、主程序、数码管显示模块、
计数器计数红绿灯切换模块、紧急车模块
4.2系统工作流程设计
4.2.1红绿灯工作模式
系统启动后，系统按程序给定的时间工作，即东西向通行30秒，南北向通行25秒，黄灯亮5秒，工作模式如表所示。
首先东西向通行，然后南北向通行，如此循环。
红绿灯工作模式如表3所示：
表3红绿灯工作模式
红绿灯工作模式
东西方向
绿灯亮25s后黄灯闪烁5s
红灯亮30s
南北方向
红灯亮30s
绿灯亮25s后黄灯闪烁5s
4.2.2系统流程图
图4系统流程图
5.测试、数据及结果分析
5.1状态灯显示测试
当电路连接完毕后，将写好的测试程序在电脑上的KEIL软件生成HEX文件。
5.2数码管的测试
将串口的和电路板上的接口连接，将写好的测试程序通过串口连接线刷写到单片机的ROM中，然后给单片机上电即可。
5.3整体电路测试
系统上电，刷写好程序即可开始测试，观测数码管和发光二极管的显示是否按所编程序的要求进行，灯的显示亮度和数码管的亮度是否正常，同时观察倒计的计数是否正常。
设计心得体会
【软件】屈豆：
此次设计我负责的主要是软件方案的设计以及仿真部分，从考试前知道有课程设计这件事我就开始准备了，所以我并没有感觉到时间紧迫。
首先是编程，虽然我们设计的交通灯功能结构都比较简单，但这是我第一次编这么长的程序，心理很没底。
先找了一个类似的程序根据我门的实际情况进行反复的修改，同时和实际情况相对比设置参数，终于在电脑上把源程序没有错误的生成了。
此时心里就有一股成功的喜悦。
经过查阅资料，我把交通灯的系统电路图设计出来，用Keil和Proteus软件成功的仿真出来，此时我想我们已经成功了一半。
剩下的环节就是这一周做实物了。
实物焊完之后，调试的是时候出现了一些问题，主要是驱动管没连好，经过检查发现驱动管的输入控制引脚没有接。
通过这次课设，让我明白了凡事不能眼高手低，理论上的东西只有通过实际的操作，在实际的操作中才能进一步深刻的领悟，同时也加深了对课本的理解，激发了我们对单片机的学习兴趣。
我想这是这次课设的最重要的目的。
此外，这次课设让我明白了团队合作的重要性，两人一组，各有分工，相互合作，发挥每个人的特长为团队做贡献，这是我们设计成功的最重要的原因。
【硬件】张坡坡：
这次的课程设计已接近尾声，此刻我是怀着无比激动的心情写下我的心得体会的，因为在今天就在刚才，经过我和屈豆同学三天的努力，我们的设计终于能够正常运行了，这次我们是用52单片机控制模仿的一个十字路口交通灯的变化情况，我主要负责硬件设计及焊接和部分连线方面的问题，在此过程中我们遇到了好多问题，其中有知识方面欠缺造成的，也有粗心造成的，但经过我们的努力一切问题都解决了。
第一个问题就是对元器件的不熟悉，如在焊接时不清楚2位制八段式LED数码管引脚的分布情况，导致无法接线，最后是通过请教研究生学长才弄清楚的，又比如我们不知道复位开关的接法，后来是看一个同学焊接好的电路板才知道只需要接两个对角就行了。
第二个问题就是在我们连接好线路后发现表示红绿等的二极管亮度非常弱，我们以为是电池电量不足，但我们不管是换新电池还是换稳压电源，它亮度依旧很小，最后是二班一个同学说可能是我们二极管接的电阻过大（当时接的是1K的），我们换成0.2K的电阻亮度有所增加，但依旧很弱，最后我拆了一路的电阻，再演示时那一路亮度比别的都亮，所以我就拆了所有二极管的电阻。
第三个问题，也是我们遇到的最大的问题，这个问题一直困扰了我们两天才终于解决，就是在我们焊接好所有元器件，连接好线路通电后LED是上半部分有显示，下半部分没有显示，我们检查了好多遍程序和接线，都没有问题，正在一筹莫展之际，忽然发现我们用的电路板的最外围两圈孔是串接到一起的，刚好我们的LED的下5个管脚是焊接在次外层的孔上，导致下5个脚短路（由于下5脚包括Dp脚，在本设计中Dp脚是接高电平，也就是说Dp脚所控制的“点”一直处于截止状态，所以与它串接的其他四个脚也截止，导致LED的下半部分没有显示），我们将那5个管脚挪了位置。
按理说，应该正常显示了，但是我们又发现了新的问题，就是LED的“g”脚无法显示，看了好多遍始终没找到问题所在，最后请教了老师，在老师的指导下，首先将LED的各个位段依次点亮，证明了LED是正常的，更换了电池问题依旧，最后老师提出了可能是单片机输出引脚有问题，我交换了P06和P07结果显示正常了，但是又不知道原因，我们依次拔掉该LED的8个脚的每根接线，发现在被拔掉的线所对应的LED位段常亮（其中P07引脚拔掉后LED的“点”常亮，P06拔掉后LED的“g”脚常亮，说明是当初接线时将P06与P07接反了，导致本应一直处于截止状态的“点”被“g”代替了），并且证明该LED是低电平驱动。
虽然这次的课程设计只有短短一周时间，但是它系统得检查了我在《单片机》这门课上的学习情况，并检查了我动手能力以及理论联系实际的能力，经过这次课程设计，我明显感觉到我动手能力的不足，比起科创实验室的其他同学明显差好多，所以以后我应当注重动手能力的培养。
还有就是心不够细，导致在此过程中犯了好多非智力问题，这方面也应当在以后的学习和工作生活中注意，细节决定成败，不细心何谈细节。
【参考文献】：
[1]张毅坤.单片微型计算机原理及应用[M].西安电子科技大学出版社.1998.
[2]柴钰.单片机原理应用[M].西安电子科技大学出版社.2009.
[3]谭浩强.单片机课程设计[M].北京：
清华大学出版社.1998.
附录
附录一
系统模拟图：
图5系统模拟图
附录二
实物图：
图6系统实物图
附录三
元件清单：
表4元件清单
单片机STC89C52RC板
1个
共阴数码管
2个
1K电阻
8个
发光二极管（红、黄、绿）
共12个（各3个）
开关
6个
杜邦线
45根
排针
两排
附录四
程序清单：
/*交通灯控制系统C语言源程序*
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
uchardatabuf[4];
uchardatasec_dx=20;//东西数默认
uchardatasec_nb=30;//南北默认值
uchardataset_timedx=20;
uchardataset_timenb=30;
intn;
uchardatab;//定时器中断次数
sbitk1=P1^6;//定义5组开关
sbitk2=P1^7;
sbitk3=P2^7;
sbitk4=P3^0;
sbitk5=P3^1;
sbitYellow_nb=P2^5;//南北黄灯标志
sbitYellow_dx=P2^2;//东西黄灯标志
sbitGreen_nb=P2^4;
sbitGreen_dx=P2^1;
sbitBuzz=P3^7;
bitBuzzer_Indicate;
bittime=0;//灯状态循环标志
bitset=1;//调时方向切换键标志
ucharcodetable[11]={//共阴极字型码
0x3f,//--0
0x06,//--1
0x5b,//--2
0x4f,//--3
0x66,//--4
0x6d,//--5
0x7d,//--6
0x07,//--7
0x7f,//--8
0x6f,//--9
0x00//--NULL
};
//函数的声明部分
voiddelay（intms）;//延时子程序
voidkey（）;//按键扫描子程序
voidkey_to1（）;//键处理子程序
voidkey_to2（）;
voidkey_to3（）;
voiddisplay（）;//显示子程序
voidlogo（）;//开机LOGO
voidBuzzer（）;
//主程序
voidmain（）
{
TMOD=0X01;
TH0=0XD8;
TL0=0XF0;
EA=1;
ET0=1;
TR0=1;
EX0=1;
EX1=1;
logo（）;
P2=0Xc3;//开始默认状态，东西绿灯，南北红灯
sec_nb=sec_dx+5;
while
（1）
{
key（）;//调用按键扫描程序
display（）;//调用显示程序
Buz
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