十字路口智能交通灯的设计.docx

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十字路口智能交通灯的设计

题目

十字路口智能交通灯

系别

电气工程系

专业

电气自动化技术

班级

电气0802

姓名

学号

08040224

指导教师

日期

2010年12月

设计任务书

设计题目：

十字路口智能交通灯

设计要求：

1.在十字路口的两个方向上各设一组红绿黄灯,显示顺序为：

其中一个方向是绿灯、黄灯、红灯,另一个方向是红灯、绿灯、黄灯。

2.设置一组数码管,以倒计时的方式显示允许通过或禁止通行的时间,其中左转灯、绿灯、黄灯、红灯的持续时间分别是15S、30S、3S、48S。

3.当各条路上常意一条出现特殊情况,例如消防车、救护车或其他需要优先放行的车辆时,各方向上均是红灯亮,倒计时停止,且显示数字在闪烁,当特殊运行状态结束后,控制器恢复原来状态,继续正常运行。

设计进度要求：

第一周:

选定设计题目，查找、搜集相关资料。

第二周：

分析设计原理。

第三周：

项目硬件设计。

第四周:

项目软件设计。

第五周:

利用实验台进行模拟仿真。

第六周：

整理资料。

第七周：

撰写毕业论文。

第八周：

毕业答辩。

指导教师（签名）：

摘　　要

近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断深入。

在实时检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，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构软硬件结合，加以完善。

交通信号灯控制方式很多。

本系统采用MSC-51系列单片机ATSC51和可编程并行I/O接口芯片8255A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8051芯片的P1口设置红、绿灯燃亮时间的功能；红绿灯循环点亮，倒计时剩5秒时黄灯闪烁警示（交通灯信号通过PA口输出，显示时间直接通过8255的PC口输出至双位数码管）；车辆闯红灯报警；绿灯时间可检测车流量并可通过双位数码管显示。

本系统实用性强、操作简单、扩展功能强。

本设计是在熟练掌握单片机及其仿真系统使用方法基础上，综合应用单片机原理、微机原理等课程方面的知识，设计一个采用89S51单片机控制的交通灯控制电路。

该设计结合实际情况给出了一种简单低成本城市交通灯控制系统的硬件及软件设计方案、各个路口交通灯的状态循环显示，并对程序流程图进行详细讲解分析。

硬件的设计采用89S51单片机为核心器件。

并辅助复位电路，驱动电路，数码管及晶体管显示部分。

通过中断扩展实现交通灯系统特殊情况的转换。

利用74LS244作为断码驱动器，74LS07作为位码驱动，LED七断数码管作为计时显示用，用发光二极管指示交通的通行，用按键进行紧急事件的发生，使两个方向都亮红灯，绿灯亮通行，红灯亮停止通行。

本设计利用定时器进行定时，使定时器工作于方式一定时50ms，配合软件计数器，调用中断程序使定时器定时20次，达到定时1S的目的，同时调用显示程序，显示倒计时的时间，用单片机Intel89S51作为核心部件,8路74ls244总线驱动器作为字形驱动芯片和6路驱动74ls07位选码作为中心器件来设计交通灯控制器，实现了交通灯的控制，显示时间直接通过89S51的P0、P1口输出；交通灯信号通过P3口输出；按件通过p3口输入，本交通灯系统简单，实用性强，成本低，使用维护方便，软件功能强，运行稳定可靠等优点。

关键词：

单片机，交通灯，位码，段码，显示

1单片机的发展及应用

1.1单片机的发展

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有生命力的机种。

单片微型计算机简称单片机，特别适用于工业控制领域，因此又称为微控器。

1971年微处理器研制成功不久，就出现了单片微型计算机即单片机，但最早的单片机是1位的，处理能力有限。

单片机的发展分为4个阶段：

第一阶段（1974—76年）：

单片机初级阶段。

因为受工艺限制，单片机采用单片的形式而且功能比较简单。

例如美国仙童公司生产的F8单片机，实际上只包括了8位CPU，64个字节的RAM和2个并行接口

第二阶段（1976—78年）：

低性能单片机阶段。

以Intel公司生产的MCS——48系列单片机为代表，该系列单片机片内集成有8位CPU，8位定时器/计数器，并行I/O接口，RAM和ROM等，但是最大的缺点就是无串行接口，中断处理比较简单而且片内RAM和ROM容量较小，且寻址范围不大于4KB。

第三阶段（1978—83）高性能单片阶段这个阶段推出的单片机普遍带有串行接口。

多级中断系统，16位定时器/计数器，片内ROM，RAM容量加大，且寻址范围可达64KB，有的片内还带有A/D转换器。

第四阶段（1983年至今）8位单片机巩固发展以及16位单片机，32位单片机推出阶段。

此阶段的主要特征是：

一方面发展16位单片机，32位单片机及专用型单片机；另一方面不断完善高档8位单片机，改善其结构，增加片内器件，以满足不同的客户要求。

1.2单片机的应用

单片机的应用很广，分别在以下领域中得到了广泛的应用。

工业自动化：

在自动化技术中，无论是过程控制技术、数据采集技术还是测控技术，都离不开单片机。

在工业自动化的领域中，机电一体化技术将发挥愈来愈重要的作用，在这种机械、微电子和计算机技术为一体的综合技术（例如机器人技术、数控技术）中，单片机将发挥非常重要的作用特别是近些年来，随着计算机技术的发展，工业自动化也发展到了一个新的高度，出现了无人工厂、机器人作业、网络化工厂等，不仅将人从繁重、重复和危险的工业现场解放出来，还大大提高了生产效率，降低了生产成本。

仪器仪表：

目前对仪器仪表的自动化和智能化要求越来越高。

在自动化测量仪器中，单片机应用十分普及。

单片机的使用有助于提高仪器仪表的精度和准确度，简化结构，减小体积，易于携带和使用，加速仪器仪表向数字化、智能化和多功能化方向发展。

消费类电子产品：

该应用主要反映在家电领域。

目前家电产品的一个重要发展趋势是不断提高其智能化程度。

例如，电子游戏、照相机、洗衣机、电冰箱、空调、电视机、微波炉、手机、IC卡、汽车电子设备等。

在这些设备中使用了单片机后，其功能和性能大大提高，并实现了智能化、最优化控制

信方面：

较高档的单片机都具有通信接口，因而为单片机在通信设备中的应用创造了很好的条件。

例如，在微波通信、短波通信、载波通信、光纤通信、程控交换等通信设备和仪器中都能找到单片机的应用。

武器装备：

在现代化的武器装备中，如飞机、军舰、坦克、导单、鱼雷制导、智能武器设备、航天飞机导航系统，都有单片机在其中发挥重要作用。

终端及外部设备控制：

计算机网络终端设备，如银行终端，以及计算机外部设备如打印机、硬盘驱动器、绘图机、传真机、复印机等，在这些设备中都使用了单片机。

近年来随着科技的飞速发展，同时带动自动控制系统日新月异更新，单片机的应用正在不断地走向深入。

2芯片简介

2.1MSC-51芯片简介

MCS-51单片机内部结构

8051是MCS-51系列单片机的典型产品，我们以这一代表性的机型进行系统的讲解。

8051单片机包含中央处理器、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，现在我们分别加以说明：

1、中央处理器：

中央处理器（CPU）是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。

2、数据存储器（RAM）

8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。

图2.18051结构图

3、程序存储器（ROM）：

8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。

4、定时/计数器（ROM）：

8051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。

5、并行输入输出（I/O）口：

8051共有4组8位I/O口（P0、P1、P2或P3），用于对外部数据的传输。

6、全双工串行口：

8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。

7、中断系统

8051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。

8、时钟电路

8051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8051单片机需外置振荡电容。

MCS-51系列单片机的内部结构如图2.2所示。

图2.2MCS-51内部结构示意图

MCS-51的引脚说明：

MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，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2.3所示：

图2.3管脚排列

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，P0-P3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R0-R7）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2.4。

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2.48051的复位方式

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/Vpp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。

2.28255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：

D7：

设定工作方式标志，1有效。

D6、D5：

A口方式选择

00—方式0

01—方式1

1×—方式2

D4：

A口功能（1=输入，0=输出）

D3：

C口高4位功能（1=输入，0=输出）

D2：

B口方式选择（0=方式0，1=方式1）

D1：

B口功能（1=输入，0=输出）

D0：

C口低4位功能（1=输入，0=输出）

8255可编程并行接口芯片工作方式说明:

方式0：

基本输入／输出方式。

适用于三个端口中的任何一个。

每一个端口都可以用作输入或输出。

输出可被锁存，输入不能锁存。

方式1：

选通输入／输出方式。

这时A口或B口的8位外设线用作输入或输出，C口的4条线中三条用作数据传输的联络信号和中断请求信号。

方式2：

双向总线方式。

只有A口具备双向总线方式，8位外设线用作输入或输出，此时C口的5条线用作通讯联络信号和中断请求信号。

2.374LS373简介

74LS373是一种带三态门的8D锁存器，其管脚如图2.5所示：

图2.574LS373管脚排列

其中：

1D-8D为8个输入端。

1Q-8Q为8个输出端。

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

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。

3系统硬件设计

3.1交通管理的方案论证

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3.1所示。

表3.1指示灯燃亮方案

60S

5S

80S

5S

……

东西道

红灯亮

黄灯亮

绿灯亮

黄灯亮

……

南北道

绿灯亮

黄灯亮

红灯亮

黄灯亮

……

表格说明：

（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）此表可根据车流量动态设定红绿灯初始值。

3.2系统硬件设计

选用设备8031单片机一片选用设备：

8031弹片机一片，8255并行通用接口芯片一片，74LS07两片，MAX692‘看门狗’一片，共阴极的七段数码管两个双向晶闸管若干，7805三端稳压电源一个，红、黄、绿交通灯各两个，开关键盘、连线若干。

3.3系统总框图

框图如图3.2所示：

图3.2系统总框图

3.4交通灯硬件线路图

图3.3交通灯硬件线路图

3.5系统工作原理

1、开关键盘输入交通灯初始时间，通过8051单片机P1输入到系统

2、由8051单片机的定时器每秒钟通过P0口向8255的数据口送信息，由8255的PA口显示红、绿、黄灯的燃亮情况；由8255的PC口显示每个灯的燃亮时间。

3、8051通过设置各个信号等的燃亮时间、通过8031设置，绿、红时间分别为60秒、80秒循环由8051的P0口向8255的数据口输出。

4、通过8051单片机的P3.0位来控制系统是工作或设置初值，当.牌位0就对系统进行初始化，为1系统就开始工作。

5、红灯倒计时时间，当有车辆闯红灯时，启动蜂鸣器进行报警，3S后然后恢复正常。

6、增加每次绿灯时间车流量检测的功能，并且通过查询P2.0端口的电平是否为低，开关按下为低电平，双位数码管显示车流量，直到下一次绿灯时间重新记入。

7、绿灯时间倒计时完毕，重新循环。

4控制器的软件设计

4.1每秒钟的设定

延时方法可以有两种一中是利用MCS-51内部定时器才生溢出中断来确定1秒的时间，另一种是采用软延时的方法。

4.2计数器初值计算

定时器工作时必须给计数器送计数器初值，这个值是送到TH和TL中的。

他是以加法记数的，并能从全1到全0时自动产生溢出中断请求。

因此，我们可以把计数器记满为零所需的计数值设定为C和计数初值设定为TC可得到如下计算通式：

TC=M-C

式中，M为计数器摸值，该值和计数器工作方式有关。

在方式0时M为213；在方式1时M的值为216；在方式2和3为28

4.3计算公式

T=（M－TC）T计数

或ＴＣ＝Ｍ－Ｔ／T计数

　T计数是单片机时钟周期ＴＣＬＫ的１２倍；ＴＣ为定时初值

如单片机的主脉冲频率为ＴＣＬＫ１２ＭＨＺ　，经过１２分频

方式０　　　　ＴＭＡＸ＝213　＊１微秒＝８．１９２毫秒

方式１　　　　ＴＭＡＸ＝216　＊１微秒＝６５．５３６毫秒

　显然１秒钟已经超过了计数器的最大定时间，所以我们只有采用定时器和软件相结合的办法才能解决这个问题．

4.4１秒的方法

　　我们采用在主程序中设定一个初值为２０的软件计数器和使Ｔ０定时５０毫秒．这样每当Ｔ０到５０毫秒时ＣＰＵ就响应它的溢出中断请求，进入他的中断服务子程序。

在中断服务子程序中，ＣＰＵ先使软件计数器减１，然后判断它是否为零。

为零表示１秒已到可以返回到输出时间显示程序。

4.5相应程序代码

（１）主程序　

　　　定时器需定时５０毫秒，故Ｔ０工作于方式１。

　初值：

　　　　ＴＣ＝Ｍ－Ｔ／T计数　＝２１６　－５０ms/1us=15536=3CBOH

ORG1000H

START:

MOVTMOD,#01H;令ＴＯ为定时器方式１

MOVTH0,#3CH;装入定时器初值

MOVTL0,#BOH　　;

MOVIE,　　　#82H;开Ｔ０中断

SEBT　TＲO　　　　　　　；启动Ｔ０计数器

MOV　RO,　　#14H　　　;软件计数器赋初值

LOOP:

　SJMP$　　　　　　　　　；等待中断

（２）中断服务子程序

　　　　　ＯＲＧ　　０００ＢＨ

　　　　　ＡＪＭＰ　　ＢＲＴ０

　　　　　ＯＲＧ　００ＢＨ

　ＢＲＴＯ：

DJNZＲ０，ＮＥＸＴ

　　　　　　AJMPTIME;跳转到时间及信号灯显示子程序

DJNZ：

ＭＯＶ　ＲＯ，＃１４Ｈ　；恢复Ｒ０值

　　MOVTH0,#3CH;重装入定时器初值

MOVTL0,#BOH　　;

MOVIE,　　　#82H

　　　　　　ＲＥＴ１

ＥＮＤ

4.6软件延时

MCS-51的工作频率为2-12MHZ，我们选用的8031单片机的工作频率为6MHZ。

机器周期与主频有关，机器周期是主频的12倍，所以一个机器周期的时间为12*（1/6M）=2us。

我们可以知道具体每条指令的周期数，这样我们就可以通过指令的执行条数来确定1秒的时间。

具体的延时程序分析：

DELAY:

MOVR4,#08H延时1秒子程序

DE2:

LCALLDELAY1

DJNZR4,DE2

RET

DELAY1:

MOVR6,#0延时125ms子程序

MOVR5,#0

DE1:

DJNZR5,$

DJNZR6,DE1

RET

MOVRN，#DATA字节数数为2机器周期数为1，所以此指令的执行时间为2ms，DELAY1为一个双重循坏循环次数为256*256=65536所以延时时间=65536*2=131072us约为125us，DELAYR4设置的初值为8主延时程序循环8次，所以125us*8=1秒，由于单片机的运行速度很快其他的指令执行时间可以忽略不计。

4.78051并行口的扩展

8051虽然有4个8位I/O端口,但真正能提供借用的只有P1口,因为P2和P0口通常用于传送外部传送地址和数据,P3口也有它的第二功能。

因此，8031通常需要扩展。

由于我们用外部输入设定红绿灯倒计时初值、数码管的输出显示、红绿黄信号灯的显示都要用到一个I/O端口，显然8031的端口是不够，需要扩展。

扩展的方法有两种：

（1）借用外部RAM地址来扩展I/O端口；

（2）采用I/O接口新片来扩充。

我们用8255并行接口信片来扩展I/O端口。

4.8显示原理

当定时器定时为1秒，时程序跳转到时间显示及信号灯显示子程序，它将依次显示信号灯时间，同时一直显示信号灯的颜色，这时在返回定时子程序定时一秒，在显示黄灯的下一个时间，这样依次把所有的灯色的时间显示完后在重新给时间计数器赋初值，重新进入循环。

由于发光二极管为共阳极接法，输出端口为低电平，对应的二极管发光，所以可以用置位方法点亮红，绿，黄发光二极管。

4.98255输出信号与数码管的连接

LED灯的显示原理:

通过同名管脚上所加电平的高低来控制发光二极管是否点量而显示不同的字形如SP，g,f,e,d,c,b,a管角上加上７ＦＨ所以　ＳＰ上为０伏，不亮其余为ＴＴＬ高电平，全亮则显示为８

采用共阴级连接:

其中PC0\PB0-a,

PC1\PB1-b,

PC2\PB2-c,

PC3\PB3-d,

PC4\PB4-e,

PC5\PB5-f,

PC6\PB6-g

PC7\PB7-SP接地

表4.1驱动代码表

显示数值

dopgfedcba

驱动代码（16进制）

0

00111111

3FH

1

00000110

06H

2

01011011

5BH

3

01001111

4FH

4

01100110

66H

5

01101100

6DH

6

01111100

7DH

7

00000111

07H

8

01111111

7FH

4.108255与8051的连接

用8051的P0口的p0.7连接8255的片选信号cs我们用8031的地址采用全译码方式，当p0.7=0时片选有效，其他无效，p0.1p0.1用于选择8255端口

P0.7p0.6p0.5p0.4p0.3p0.2P0.1P0.0

A7A6A5A4A3A2A1A0

1XXXXX0000H为8255的PA口

1XXXXX0101H为8255的PB口

1XXXXX1002H为8255的PC口

1XXXXX1103H为8255的控制口

由于8051是分时对8255和储存器进行访问所以8051的P0口不会发生冲突。

5程序设计

5.1流程图如图5.1所示

图5.1程序流程图

5.2程序源代码

ORG0000H;主程序的入口地址

LJMPMAIN;跳转到主程序的开始处

ORG0003H;外部中断0的中断程序入口地址

ORG000BH;定时器0的中断程序入口地址

LJMPT0_INT;跳转到中断服务程序处

ORG0013H;外部中断1的中断程序入口地址

MAIN:

MOVSP,#50H

MOVIE,#8EH;CPU开中断，允许T0中断，T1中断和外部中断1中断

MOVTMOD,#51H;设置T1为计数方式,T0为定时方式，且都工作于模式1

MOVTH