交通灯控制器的单片机设计正文.docx
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交通灯控制器的单片机设计正文
目录
引言1
1概述2
1.1设计背景2
1.2设计意义2
1.3设计要求3
1.4设计思想3
2单片机交通控制系统总体设计4
2.1单片机交通控制系统的通行方案设计4
2.2单片机交通控制系统的基本构成及原理4
3系统软件程序的设计6
3.1单片机的概述6
3.2八段LED数码管6
3.3其它器件7
4系统软件程序的设计8
4.1程序主体设计流程8
4.1.1定时器原理9
4.1.2软件延时原理9
4.1.3中断原理10
4.1.4状态灯显示及判断10
4.1.5LED倒计时显示11
4.1.6程序源代码11
总结17
致谢18
参考文献19
附录20
引言
交通控制系统是近现代社会随着物流、出行等交通发展产生的一套独特的公共管理系统。
要保证高效安全的交通秩序，除了制定一系列的交通规则，还必须通过一定的科技手段加以实现。
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。
它由红绿两以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。
1概述
1.1设计背景
随着人口快速的增多，交通工具的爆炸性的发展，以及道路资源的有限性，交通控制就应运而生，在人类的生活、工作环境中，交通扮演着极其重要的角色，人们的出行都无时不刻与交通打着交道。
自18世纪工业革命以来，工业发展带动整个交通运输的发展，从而催生了单独的交通控制学问与管理机构。
交通控制系统是近现代社会随着物流、出行等交通发展产生的一套独特的公共管理系统。
要保证高效安全的交通秩序，除了制定一系列的交通规则，还必须通过一定的技术手段加以实现。
现代人类科学技术，特别是电子科学技术的发展和成熟能比较好的解决系统建立中硬软件方面要求的技术难题。
目前，交通控制方面的研究能完全实现自动智能化，甚至将整个区域整合成一个统一的系统范围，还能根据正常时段以及特定突发时段的情况进行科学的自动调整。
交通对于社会的工业经济和人们的生活生产中有着十分重要的意义。
随着单片机和传感技术的迅速发展，自动检测领域发生了巨大变化，交通自动监测控制方面的研究有了明显的进展，并且必将以其优异的性能价格比，逐步取代传统的交通控制措施。
1.2设计意义
交通控制系统是近现代社会随着物流、出行等交通发展产生的一套独特的公共管理系统。
要保证高效安全的交通秩序，除了制定一系列的交通规则，还必须通过一定的技术手段加以实现。
现代电子科学技术的发展和成熟能比较好的解决系统建立中硬软件方面要求的技术难题。
目前，交通控制方面的研究能完全实现自动智能化，甚至将整个区域整合成一个统一的系统范围，还能根据正常时段以及特定突发时段的情况进行科学的自动调整。
交通控制研究的发展，旨在解决人类交通因需求的增多而日益繁重带来的问题，局限于道路建设的暂时不足和交通工具的快速增长，就要使更多的车辆安全高效的利用有限的道路资源，避免因无序和抢行等无控制原因造成的不必要阻塞甚至瘫痪，另外，针对整个交通线路车辆的多少实时调整和转移多条线路的分流也十分必要。
交通网络是城市的动脉，象征着一个城市的工业文明水平。
现在各大中城市交通建设已初具规模，而部分小城市建设日益加快，交通控制的提高势在必行，研发交通控制技术是十分有潜力的。
具有优良科学的交通控制技术对资源物流和人们出行都是十分有价值的，保证交通线路的畅通安全，才能保证出行舒畅，物流准时到位，甚至是生命通道的延伸。
本设计尝试模拟单个路口的交通控制，目前可以采用以单片机为核心来设计，也可以采用EDA技术、数字集成电路等多种方案来实现。
将各种方案进行比较，本课题采用以单片机为核心的电子设计方法。
充分了解控制方法以及运用相关知识加以实现。
我们将加深对交通控制控制电路的理解，为今后设计出更加精良的交通控制电路打好基础。
1.3设计要求
设A道为东西道，B道为南北道，A道放行时间10s，B道放行时间为15s，绿灯放行，红灯停止，放行的最后三秒绿灯闪烁，绿灯转红灯时黄灯亮3s。
同时该交通信号灯控制器附加功能：
当一道一直有车另一道无车时，交通控制系统能立即让有车的车道放行，当有紧急车辆（如110，120，119等急救车）要求通过时，此系统应能禁止普通车辆通行，路口的信号灯全部变红，以便让紧急车辆通过，紧急车辆通过后，交通灯恢复先前状态。
1.4设计思想
（1）分析目前交通路口的基本控制技术以及各种通行方案，并以此为基础提出自己的交通控制的初步方案。
（2）确定系统交通控制的总体设计，包括，十字路口具体的通行禁行方案设计以及系统应拥有的各项功能，在这里，本设计除了有信号灯状态控制能实现基本的交通功能，还增加了倒计时显示提示.
（3）进行智能传感器的硬件电路、显示电路等的设计和对各器件的选择及连接，大体分配各个器件及模块的基本功能要求。
（4）进行软件系统的设计，对于本系统，本人采用单片机汇编语言编写，对单片机内部结构和工作情况做了充足的研究，了解定时器，中断以及延时原理，总体上完成了软件的编写。
2单片机交通控制系统总体设计
2.1单片机交通控制系统的通行方案设计
设在十字路口，分为东西向和南北向，在任一时刻只有一个方向通行，另一方向禁行，持续一定时间，经过短暂的过渡时间，将通行禁行方向对换。
其具体状态如下图所示。
东西路口红灯亮，南北路口绿灯亮，同时开始18s倒计时，以7段数码管显示时间。
18s倒计时结束后开始6s倒计时，南北路口的绿灯闪烁，计时到最后3s时，南北路口黄灯闪烁，完成一次这样的循环需要18s。
18s结束后，南北路口红灯亮，东西路口绿灯亮，并重新13s倒计时，依次循环。
图2.1交通状态
2.2单片机交通控制系统的基本构成及原理
单片机设计交通灯控制系统，可用单片机直接控制信号灯的状态变化，基本上可以指挥交通的具体通行，当然，接入LED数码管就可以显示倒计时以提醒行使者，更具人性化。
图2.2系统的总体框图
3系统软件程序的设计
3.1单片机的概述
单片微型计算机简称单片机，又称微控制器，嵌入式微控制器等，属于第四代电子计算机。
它把中央处理器、存储器、输入/输出接口电路以及定时器/计数器集成在一块芯片上，从而具有体积小、功耗低、价格低廉、抗干扰能力强且可靠性高等特点，因此，适合应用于工业过程控制、智能仪器仪表和测控系统的前端装置。
正是由于这一原因，国际上逐渐采用微控制器（MCU）代替单片微型计算机（SCM）这一名称。
“微控制器”更能反映单片机的本质，但是由于单片机这个名称已经为国内大多数人所接受，所以仍沿用“单片机”这一名称。
单片机的主要特点有：
1）具有优异的性能价格比。
2）集成度高、体积小、可靠性高。
3）控制功能强。
4）低电压，低功耗。
3.2八段LED数码管
LED显示屏作为大型显示设备的一种，具有亮度高、价格低、寿命长、维护简便等优点。
LED数码管的结构简单，分为七段和八段两种形式，也有共阳和共阴之分。
以八段共阳管为例，它有8个发光二极管（比七段多一个发光二极管，用来显示dp，即点），每个发光二极管的阳极连在一起，如下图所示。
这样，一个LED数码管就有I根位选线和8根段选线，要想显示一个数值，就要分别对它们的高低电平来加以控制。
为方便起见，本文主要讨论共阳八段LED数码显示管，其他类形的显示管与其类似。
图3.1LED数码管
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亮而显示不同的字形，如dp，g,f,e,d,c,b,a全亮显示为8.，采用共阴极连接驱动代码，代码表如下表3.1所示。
表3.1驱动代码表
显示数值
dp,g,f,e,d,c,b,a
驱动代码
0
00111111
3FH
1
00000110
06H
2
01011011
5BH
3
01001111
4FH
4
01100110
66H
5
01101101
6DH
6
01111101
7DH
7
00000111
07H
8
01111111
7FH
9
01101111
6FH
相应在程序软件上，可以通过调用程序给定的秒值经过特定计算算出需要显示的个位和十位，然后有DPTR调取LEDMAP的代码。
3.3其它器件
（1）发光二极管
根据本设计的特点，红绿灯的显示不可少，红绿灯的显示采用普通的发光二极管。
每个方向上设置红绿黄灯，总共4组。
如果东西红灯亮，那南北方向就是绿灯亮，反之亦然，所以在硬件上连接图上也是对称分布的，如下图3.2所示。
图3.2信号灯的连接
4系统软件程序的设计
4.1程序主体设计流程
图4.1流程图
4.1.1定时器原理
定时器工作的基本原理其实就是给初值，让它不断加1直至减完为模值，这个初值是送到TH和TL中的。
它是以加法记数的，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，即所要求的计数值设定为C，把计数初值设定为N可得到如下计算通式：
N=M-C
式中，M为计数器模值。
计数值并不是目的，目的是时间值，设计1次的时间，即定时器计数脉冲的周期为T0，它是单片机系统主频周期的12倍，设要求的时间值为T，则有C=T／T0。
计算通式变为：
T=（M－N）T0
模值和计数器工作方式有关。
在方式0时M为8192；在方式1时M的值为65536；在方式2和3为256。
就此可以算出各种方式的最大延时。
如单片机的主脉冲频率为12MHZ，经过12分频后，若采用方式０最大延时只有8.129毫秒，采用方式１最大延时也只有65.536毫秒。
这就是为什么扫描周期为50ms的原因，
4.1.2软件延时原理
MCS-51的工作频率为2-12MHZ，我们选用的8051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1s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这条指令的字节数为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。
4.1.3中断原理
本系统主要使用了外部中断，中断信号有引脚INT0和INT1输入，低电平有效，CPU每个时钟周期都会检测INT0和INT1上的信号，8051允许外部中断以电平方式或负边沿方式两种中断方式输入中断请求信号，可由用户通过设置TCON中IT0和IT1位的状态来实现。
以IT0为例，IT0=0，为电平触发方式，IT0=1，为负边沿触发方式，本设计采用电平方式，IE0为其中断标志位，有中断信号则置位，中断服务子程序响应后，IE0自动清零。
IE中的EA为允许中断的总控制位，为1开启，EX0为外部中断允许控制位，为1开启。
在优先级的允许下，一旦有外部中断信号产生，单片机CPU首先保护断点，PC值进栈，然后执行相应的中断服务子程序，执行完后，用RETI指令返回，此时CPU会从堆栈中取保存的断点地址，送回PC，程序再正常执行。
4.1.4状态灯显示及判断
在本设计中，实际控制的灯只有6个，即：
东西红灯，东西绿灯，东西黄灯，南北红灯，南北绿灯，南北黄灯。
共有4钟状态：
东西红灯亮，南北绿灯亮（00100001/21H）；东西红灯亮，南北黄灯亮（00010001/11H）；东西绿灯亮，南北红灯亮（00001100/0CH）；东西黄灯亮，南北红灯亮（00001010/0AH）。
括号中是P1端口8个引脚值P1.7,P1.6,P1.5,P1.4,P1.3,P1.2,P1.1,P1.0以及对应的十六进制码。
在用于显示发光二极管时，直接由MOV指令将十六进制码送入P1口。
刚才的4个状态是依次变换的，这就要涉及到状态的判断和衔接了。
先把状态值送到P1端口，再赋时间值，若相同则判断成功当前状态，再把下一状态的状态码送显P1即可。
程序如下：
MAIN:
MOVP1,#0CH
MOVR6,#0DH
MOVR7,#0AH
MAIN1：
CJNER7,#00H,MAIN1
MOVP1,#0AH
MAIN2:
MOVR7,#00H
CJNER6,#00H,MAIN2
MOVP1,#21H
MOVR7,#0FH
MOVR6,#12H
MAIN3:
CJNER6,#00H,MAIN3
MOVP1,#11H
MAIN4:
MOVR6,#00H
CJNER7,#00H,MAIN4
4.1.5LED倒计时显示
LED计时每1秒都要刷新1次，那么计时满1秒时就要将存储时间的工作寄存器R4减1，然后送入LED显示程序中显示。
下面要将时间数据R6或R7的十位，个位分开送入P0端口，首先将R6或R7除以10，整数即十位放在A中，余数即个位放在B中，设置7段LED显示数据的数据表，用数据指针寄存器DPTR指向数据表的首地址，再加上A中的偏移量，就可以指向十位数字，然后送显即可，个位显示同理。
具体程序如下：
MOVA,R6
MOVB,#10
DIVA,B
MOVDPTR,#TABLE
MOVCA,@A+DPTR
MOVP0,A
MOVA,B
MOVCA,@A+DPTR
MOVP0,A
TABLE:
DB3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH
DB7DH,07H,7FH,6FH
4.1.6程序源代码
ORG0000H
LJMPMAIN0
ORG0003H
LJMPINTT0
ORG0013H
LJMPINTT1
ORG0100H
MAIN0:
MOV30H,#08H
MOVR6,#00H
MOVR7,#00H
MOVDPTR,#TABLE
MOVTMOD,#01H
MOVTL0,#0DCH
MOVTH0,#0BH
SETBTR0
SETBEA
SETBEX0
SETBEX1
MAIN:
MOVP1,#0CH
MOVR6,#0DH
MOVR7,#0AH
MAIN1:
LCALLDELAY1
CJNER7,#00H,MAIN1
MOVP1,#0AH
MAIN2:
LCALLDELAY1
MOVR7,#00H
CPLP1.1
CJNER6,#00H,MAIN2
MOVP1,#21H
MOVR7,#0FH
MOVR6,#12H
MAIN3:
LCALLDELAY1
CJNER6,#00H,MAIN3
MOVP1,#11H
MAIN4:
LCALLDELAY1
MOVR6,#00H
CPLP1.4
CJNER7,#00H,MAIN4
LJMPMAIN
DELAY1:
MOVA,R6
MOVB,#10
DIVAB
MOVCA,@A+DPTR
MOVP2,#7FH
MOVP0,A
LCALLD1MS
MOVA,B
MOVCA,@A+DPTR
MOVP2,#0BFH
MOVP0,A
LCALLD1MS
MOVA,R7
MOVB,#10
DIVAB
MOVCA,@A+DPTR
MOVP2,#0DFH
MOVP0,A
LCALLD1MS
MOVA,B
MOVCA,@A+DPTR
MOVP2,#0EFH
MOVP0,A
LCALLD1MS
JBCTF0,LOOP
LJMPDELAY1
LOOP:
MOVTL0,#0DCH
MOVTH0,#0BH
MOVA,30H
DECA
MOV30H,A
JNZDELAY1
DECR6
DECR7
MOV30H,#08H
RET
INTT0:
PUSHP1
PUSHTH1
PUSHTL1
MOVP1,#09H
MOVR2,#40
DEY0:
ACALLDELAY
DJNZR2,DEY0
POPTL1
POPTH1
POPP1
RETI
INTT1:
CLREA
PUSHP1
PUSHTH1
PUSHTL1
SETBEA
JBP3.0,BOP
MOVP1,#0CH
SJMPDEL1
BOP:
JBP3.1,EXIT
MOVP1,#0DEH
DEL1:
MOVR5,#30
NEXT:
ACALLDELAY
DJNZR5,NEXT
EXIT:
CLREA
POPTL1
POPTH1
POPP1
SETBEA
RETI
DELAY:
MOVR3,#0AH
MOVTH1,#3CH
MOVTL1,#0B0H
SETBTR1
LP1:
JBCTF1,LP2
SJMPLP1
LP2:
MOVTH1,#3CH
MOVTL1,#0B0H
DJNZR3,LP1
RET
TABLE:
DB3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH
DB7DH,07H,7FH,6FH
D1MS:
MOVR4,#10
LOOP2:
MOVR3,#250
LOOP3:
DJNZR3,LOOP3
DJNZR4,LOOP2
RET
END
总结
在平时的学习中，我们所学的知识大都是课本上的，在机房的练习大家也都是分散的对各个章节的内容进行练习。
因此，缺乏一种系统的设计锻炼。
在课本所学结束以后，这样的课程设计十分有利于学生将知识系统的总结到一起。
通过定时，中断以及查表指令等组合成一个交通灯控制系统，使得我对系统的整个框架的设计有了一个很好的锻炼。
这不仅有助于大家找到自己感兴趣的题目，更可以锻炼大家单片机知识的应用，经过这两个星期的时间，我基本完成了老师所提出的课程设计的要求，由于我对中断不是很了解，因此开始的时候卡了很久，后来经过在网上不断的搜索找到了合适的资料，而这期间的搜索也让我知道了几个关于51单片机的论坛，里面有好些资料，都是一些小的程序，很适合初学者以及有一些基础的人学习，我感觉相对于在网上找到了这次课设的相关资料，这些论坛才是更值得我欣喜的，因为有了这些，我便能经常和像我一样的初学者进行探讨，彼此学习。
而本次课设中，我认为对我来说最大的收获是学习到了如何通过查表指令实现LED灯与数码管显示器的统一，这是很重要的，我也知道单片机可以有很多的变通，其实并不难，只需要寻找正确的方法，我知道自己在以往的学习中，对课本知识掌握的知识不够牢固，不够全面，理解得也不够深入，不会融会贯通，只会一些表面的知识
老师给了这么一个让每个人自我锻炼、自我学习的机会，我很庆幸，知道了学习与实践相结合的重要性，认识了自己的不足。
这会让自己以后的学习中少走不少的弯路，以后我会不断的充实、完善自我！
致谢
为期两周的单片机课程设计在田老师的合理安排和认真监督下，很快了就结束了。
在这两周的时间里，是田老师的耐心指导帮我明确了方向，是小组同学的相互帮助给我作了导航，让我增强了信心，鼓足干劲，开始着手设计。
每天，老师都会帮助我们解答一些我们想不明白的问题。
在老师的悉心指导下，我们的程序终于做出来了。
本来以为一切都快结束了，没想到在真正连接试验箱时，问题百出，让我们都失去了信心，这时候，老师给予我们无私的帮助，教育我们要有耐心，慢慢检查，并告诉我们，不是每个人都能一次就把程序仿真好，一个完整的程序总是在不断的修改过程中，一点一滴的完善的。
在我们的努力和老师的帮助下，我们终于把程序给完善了。
面对完善后的程序，写报告。
一直到最后一刻，我们终于成功的完成了。
真的很感谢田老师，是他们使我们尝到了成功的喜悦。
在这次课程设计中我们不仅完成了老师交给的各项任务，还增加了很多知识。
对单片机这门课程也有了更深的了解和更大的兴趣，使我们的知识更加巩固和完善了。
另外，我要感谢我亲爱的同学们。
是他们一直陪在我身边，和我并肩奋斗，使我有信心完成自己的工作。
虽然这两周遇到了很多的困难，但感觉仍然是快乐的，当我们的程序设计出来时，就觉得非常有成就感，可以说这次的成绩不只属于我自己，更多属于老师和同学的帮助。
程序属于大家共同合作的结果，没有你们就没有这样一个完整的课程设计，我也尝不到这份成功的喜悦。
最后，我要再次感谢田老师和那些给予我帮助的同学们，是你们让我顺利完成了课程设计，增长了许多实践的经验，更体验到了大家团结互助的温暖。
真的很感谢你们，希望在以后的生活中，大家能拿出面对这次设计的勇气去面对任何挑战，我相信，我们一定能不断地突破自我，实现更远大的理想！
参考文献
[1]《单片机实验与实践》周立功，北京：
北京航空航天大学出版社，2004.8
[2]《单片机应用实训教程》袁启昌，王宏宇，北京：
科学出版社，2006.2
[3]《51单片机应用实例详解》 杨欣，王玉凤，刘湘黔，张延强编著，北京:
清华大学出版社，2010.5
[4]《单片机实训教程》张迎辉，贡雪梅，北京：
北京大学出
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