基于單片機(jī)的交通燈設(shè)計

1、渤海理工職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系畢 業(yè) 論 文題目 基于單片機(jī)的交通燈設(shè)計 系 別 機(jī)電工程 專 業(yè) 電子信息工程 學(xué)生姓名 曹森 學(xué) 號 1408118 指導(dǎo)教師 韓偉楠 2016 年 12 月 15 日摘 要近年來隨著科技的飛速發(fā)展，一個以微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)為先導(dǎo)的信息革命正在蓬勃發(fā)展。計算機(jī)技術(shù)作為三者之一，怎樣與實際應(yīng)用更有效的結(jié)合并發(fā)揮其作用。單片機(jī)作為計算機(jī)技術(shù)的一個分支，正在不斷的應(yīng)用到實際生活中，同時帶動傳統(tǒng)控制檢測的更新。在實時檢測和自動控制的應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機(jī)往往是作為一個核心部件使用，針對具體應(yīng)用對象的特點,配以其它器件來加以完善。十字路口車輛穿梭，行人熙攘，車行

2、車道，人行人道，有條不紊。那么靠什么來實現(xiàn)交通的井然秩序呢？靠的是交通信號燈的自動指揮系統(tǒng)，來實現(xiàn)交通的井然有序。所以一個完善、安全、便捷的交通控制系統(tǒng)是至關(guān)重要的，在本文將對解決城市交通擁堵這一問題而作為研究對象，設(shè)計出一套完善的的交通控制系統(tǒng)。其中，起到核心作用的時單片機(jī)進(jìn)行詳細(xì)介紹。該系統(tǒng)實用性強(qiáng)、操作簡單、擴(kuò)展性好。關(guān)鍵詞：單片機(jī)；交通信號燈；控制器目 錄1前言12方案介紹與要求22.1方案介紹22.2方案要求43系統(tǒng)硬件的設(shè)計43.1單片機(jī)的選擇43.2單片機(jī)的特點43.3 AT89C51單片機(jī)簡介43.4 單片機(jī)最小系統(tǒng)54 交通燈軟件設(shè)計64.1要求及分析64.2交通燈設(shè)計74.

3、3 定時/計數(shù)器工作原理74.3.1定時的工作方式74.3.2 計數(shù)的工作方式84.4中斷系統(tǒng)85 Proteus仿真9結(jié) 論10心得體會11參考文獻(xiàn)12致 謝13附 錄14渤海理工職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系2017屆畢業(yè)論文1前言今天，紅綠燈安裝在各個道口上，已經(jīng)成為疏導(dǎo)交通車輛最常見和最有效的手段。但這一技術(shù)在19世紀(jì)就已出現(xiàn)了。1858年，在英國倫敦主要街頭安裝了以燃煤氣為光源的紅，藍(lán)兩色的機(jī)械扳手式信號燈，用以指揮馬車通行。這是世界上最早的交通信號燈。1868年，英國機(jī)械工程師納伊特在倫敦威斯敏斯特區(qū)的議會大廈前的廣場上，安裝了世界上最早的煤氣紅綠燈。它由紅綠兩塊以旋轉(zhuǎn)式方形玻璃提燈組成，紅色

4、表示“停止”，綠色表示“注意”。1869年1月2日，煤氣燈爆炸，使警察受傷，遂被取消。1914年，電氣啟動的紅綠燈出現(xiàn)在美國。這種紅綠燈由紅綠黃三色圓形的投光器組成，安裝在紐約市5號大街的一座高塔上。紅燈亮表示“停止”，綠燈亮表示“通行”。1918年，又出現(xiàn)了帶控制的紅綠燈和紅外線紅綠燈。帶控制的紅綠燈，一種是把壓力探測器安在地下，當(dāng)車輛接近時,紅燈便變?yōu)榫G燈；另一種是用擴(kuò)音器來啟動紅綠燈，司機(jī)遇紅燈時按一下喇叭，就使紅燈變?yōu)榫G燈。紅外線紅綠燈當(dāng)行人踏上對壓力敏感的路面時，它就能察覺到有人要過馬路。紅外光束能把信號燈的紅燈延長一段時間，推遲汽車放行，以免發(fā)生交通事故。信號燈的出現(xiàn)，使交通得以有

5、效管制，對于疏導(dǎo)交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。1968年，聯(lián)合國道路交通和道路標(biāo)志信號協(xié)定對各種信號燈的含義作了規(guī)定。綠燈是通行信號，面對綠燈的車輛可以直行，左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎，除非另一種標(biāo)志禁止某一種轉(zhuǎn)向。左右轉(zhuǎn)彎車輛都必須讓合法地正在路口內(nèi)行駛的車輛和過人行橫道的行人優(yōu)先通行。紅燈是禁行信號，面對紅燈的車輛必須在交叉路口的停車線后停車。黃燈是警告信號，面對黃燈的車輛不能越過停車線，但車輛已十分接近停車線而不能安全停車時可以進(jìn)入交叉路口。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通運(yùn)輸中出現(xiàn)了一些傳統(tǒng)方法難以解決的問題。道路擁擠現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，造成的經(jīng)濟(jì)損失越來越大，并一直保持大比例的增長?，F(xiàn)在交通

6、系統(tǒng)已不能滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。由于生活水平的提高，人們對交通運(yùn)輸?shù)陌踩约胺?wù)水平提出了更高的要求。在交通中管理引入單片機(jī)交通燈控制代替交管人員在交叉路口服務(wù)，有助于提高交通運(yùn)輸?shù)陌踩?、提高交通管理的服?wù)質(zhì)量。并在一定程度上盡可能的降低由道路擁擠造成的經(jīng)濟(jì)損失，同時也減小了工作人員的勞動強(qiáng)度。中國車輛數(shù)量不斷增加，交通控制在未來的交通管理中起著越來越重要的作用。智能交通燈的管理比重修一條馬路無論在經(jīng)濟(jì)、交通運(yùn)行速率上都有很好的效益、更加節(jié)約資源。使交管人員有更多的精力投入到管理整個城市交通控制，帶來更大的經(jīng)濟(jì)和社會效益,為創(chuàng)造美好的城市交通形象發(fā)揮更多的作用。2方案介紹與要求2.1方案介紹在

7、交通道路上的十字路口的東西和南北方向分別設(shè)置一個紅綠燈，在這種情況下，只能有一方向的車輛通過，而另一個方向的車輛等待紅燈，經(jīng)過一段時間后，將禁行的方向轉(zhuǎn)換到另一個方向1。具體的顯示顯示狀態(tài)如下圖。說明 ：黑色代表指示燈亮，白色代表指示燈滅。交通燈的指示狀態(tài)從下圖的狀態(tài)1開始轉(zhuǎn)變，直至狀態(tài)4然后恢復(fù)至狀態(tài)1，不斷的重復(fù)這四種指示燈的狀態(tài)，即如圖（圖2.1）所示： 具體的城市交通路口的交通指示燈狀態(tài)的分析歸納如下：圖2.1交通狀態(tài)東西方向紅色指示燈滅，同時綠色指示燈亮，南北方向黃色指示燈滅，同時紅色指示燈亮，倒計時5秒。此交通指示燈狀態(tài)下，東西方向的車輛不能通行，但是南北方向車輛可以通行。東西方向

8、綠色指示燈滅，同時黃色指示燈亮，南北方向紅色指示燈亮，并有5秒倒計時。此交通指示燈狀態(tài)下，除了已經(jīng)正在通行中的車輛外所有車輛都需等待指示燈轉(zhuǎn)換到綠燈狀態(tài)才能通行。南北方向紅色指示燈滅，同時綠色指示燈亮，東西方向黃色指示燈滅，同時紅色指示燈亮，倒計時5秒。此交通指示燈狀態(tài)下，東西方向的車輛可以通行，但是對南北方向車輛禁行。南北方向綠色指示燈滅，同時黃色指示燈亮，東西方向紅色指示燈亮，并有5秒倒計時。此交通指示燈狀態(tài)下，除了已經(jīng)正在通行中的車輛外所有車輛都需等待指示燈到綠燈狀態(tài)才能通行。交通指示燈狀態(tài)和對應(yīng)的通行狀態(tài)關(guān)系如表2.2：表2.2交通指示燈狀態(tài)和對應(yīng)的通行狀態(tài)關(guān)系狀態(tài)1狀態(tài)3狀態(tài)4狀態(tài)6

9、東西向禁行等待變換通行等待變換南北向通行等待變換禁行等待變換東西紅燈1100東西黃燈0001東西綠燈0010南北紅燈0011南北綠燈1000南北黃燈0100十字路口的兩個方向均有3個紅綠黃LED顯示燈，無論在任何通行路口，遇紅燈代表禁止車輛通行，變?yōu)榫G燈可以通過，黃色指示燈亮則表示通行狀態(tài)即將改變。交通指示燈狀態(tài)及車輛通行狀態(tài)如表2-1所示。說明：0表示指示燈滅，1表示指示燈亮。在這些基本功能的基礎(chǔ)上，本設(shè)計還采用按鍵來實現(xiàn)一系列擴(kuò)展功能，如單方向通行模式的切換，復(fù)位，夜間模式以及緊急情況下對交通燈的控制，為了合理的管理和調(diào)度，本設(shè)計還增加了一個紅外接近傳感器來檢測車流量，并對下一個時間段內(nèi)車

10、輛的通行時間做出合理的調(diào)節(jié)達(dá)到自動調(diào)節(jié)交通車輛流的目的。2.2方案要求通過模擬基本的道路交通燈控制系統(tǒng)，用紅綠黃指示燈實現(xiàn)禁行，通行和等待的功能，加入倒計時模塊顯示，能實現(xiàn)交通燈基本的通行功能。3系統(tǒng)硬件的設(shè)計3.1單片機(jī)的選擇單片機(jī)微型計算機(jī)是微型計算機(jī)的一個重要分支，也是頗具生命力的機(jī)種。單片機(jī)微型計算機(jī)簡稱單片機(jī)，特別適用于控制領(lǐng)域，故又稱為微控制器2。通常，單片機(jī)由單塊集成電路芯片構(gòu)成，內(nèi)部包含有計算機(jī)的基本功能部件：中央處理器、存儲器和I/O接口電路等。因此，單片機(jī)只需要和適當(dāng)?shù)能浖巴獠吭O(shè)備相結(jié)合，便可成為一個單片機(jī)控制系統(tǒng)。單片機(jī)經(jīng)過1、2、3、3代的發(fā)展，目前單片機(jī)正朝著高性能

11、和多品種方向發(fā)展，它們的CPU功能在增強(qiáng)，內(nèi)部資源在增多，引角的多功能化，以及低電壓底功耗。3.2單片機(jī)的特點（1）性價比高，開發(fā)周期短，易于產(chǎn)品化。（2）集成度高，可靠性好，抗干擾性強(qiáng)。（3）功能完善，接口多樣。（4）低功耗、低電壓。（5）總線多樣，易于擴(kuò)展。3.3AT89C51單片機(jī)簡介AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲 器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集

12、和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。主要特性：·與MCS-51兼容·4K字節(jié)可編程閃爍存儲器壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時間：10年全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz三級程序存儲器鎖定128×8位內(nèi)部RAM32可編程I/O線兩個16位定時器/計數(shù)器5個中斷源可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式3.4單片機(jī)最小系統(tǒng)(1)單片機(jī)最小系統(tǒng)3應(yīng)具備電源電路、時鐘電路和復(fù)位電路三部分(2)單

13、片機(jī)主控電路的主要元件是AT89C51，AT89C51是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技能生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，內(nèi)置功能強(qiáng)大的微型計算機(jī)的AT89C51提供了高性價比的處理方案。AT89C51是一個低功耗高性能單片機(jī)，40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，AT89C51可以按照常規(guī)要

14、領(lǐng)執(zhí)行 編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。(3)硬件電路如下圖4 交通燈軟件設(shè)計4.1要求及分析用單片機(jī)AT89C514的T0中斷控制十字路口的交通信號指示燈（紅、綠、黃）。交通燈的閃爍要求如下：(1)東西方向控制綠燈與南北方向的紅燈同時亮5s；(2)東西方向的綠燈熄滅，同時南北方向的黃燈閃爍5次，閃爍間隔400ms；(3)東西方向的紅燈與南北方向的綠燈同時亮5s；(4)南北方向的綠燈熄滅，同時南北方向的黃燈閃爍5次(1)-(4)操作按順序反復(fù)執(zhí)行分析：運(yùn)用單片機(jī)的定時/計數(shù)器來控制時間，采用中斷的方式

15、來執(zhí)行相應(yīng)的操作任務(wù)。選用高電平點亮紅、綠、黃信號燈，東西方向的信號燈用P0.0P0.2控制，南北方向的信號燈用P0.3P0.5控制，由于P0口要外接上拉電阻，可用排阻來實現(xiàn)。十字路口的信號燈通常都是按規(guī)定的時間交替變換的，我們的任務(wù)是要求紅、綠、黃燈按4種類型的操作反復(fù)循環(huán)執(zhí)行，可以就采用開關(guān)語句，分成4種情況來完成。點亮燈的時間和閃爍的時間由T0控制。我們把T0設(shè)置工作在方式1，最大計數(shù)值是65536，為了容易定時5s和400ms，我們將T0的初始值設(shè)為15536，AT89C51是12MHz，機(jī)器周期為1s，這樣計數(shù)一輪是50ms，每次計數(shù)滿TF0置1觸發(fā)中斷，經(jīng)過8次中斷正好為400ms

16、，經(jīng)過100次中斷正好為5s，按照這樣的方法去操作4種規(guī)定的時間信號燈就可以。4.2交通燈設(shè)計器件的選擇根據(jù)任務(wù)要求，交通信號燈的設(shè)計電路需要的器件清單如圖所示。器件名稱數(shù)量（只）器件名稱數(shù)量（只）AT89C51110k電阻112MHz晶體1200*8排阻122pF瓷片電容2紅、綠、黃信號燈410uF電解電容14.3定時/計數(shù)器工作原理16位的定時器/計數(shù)器實質(zhì)上是一個加一計數(shù)器，可實現(xiàn)定時和計數(shù)倆種功能，在工作開始之前，CPU必須將一些命令（稱為控制字）寫入定時器/計數(shù)器。將控制字寫入定時器/計數(shù)器的過程稱定時器/計數(shù)器的初始化。在初始化程序中，要將工作方式控制字寫入定時器方式寄存器（TMO

17、D），工作狀態(tài)控制字寫入定時器控制寄存器（TCON），賦定時/計數(shù)初值給TH0(TH1)和TL0（TL1）4.3.1定時的工作方式計數(shù)器5對內(nèi)部機(jī)器周期進(jìn)行計數(shù)，每過一個機(jī)器周期，計數(shù)器加一，直至記滿溢出。定時器的定時時間與系統(tǒng)的振蕩頻率緊密相關(guān)，單片機(jī)的一個機(jī)器周期由12個振蕩脈沖組成，所以計數(shù)頻率。如果單片機(jī)系統(tǒng)采用12MHz晶振，則計數(shù)周期為：，這是最短的定時周期。通過改變定時器的定時初值，并適當(dāng)選擇定時器的長度來調(diào)整定時時間。4.3.2 計數(shù)的工作方式計數(shù)器對來自引腳T0（P3.4）和T1（P3.5）的外部信號進(jìn)行計數(shù)，外部脈沖的下降沿將觸發(fā)計數(shù)。在每個機(jī)器周期的S5P2期間采樣引腳輸

18、入電平，若每一個機(jī)器周期的采樣值為1，后一個機(jī)器周期采樣值為0，則計數(shù)器加1.新的計數(shù)值是在檢測到輸入引腳電平發(fā)生由1到0的負(fù)跳變后，于下一個機(jī)器周期的S3P1期間裝入計數(shù)器中，可見，檢測一個由1到0的負(fù)跳變需要倆個機(jī)器周期。4.4中斷系統(tǒng)所謂的中斷就是指單片機(jī)在執(zhí)行程序過程中，由于某種外部或者內(nèi)部的事件的作用（如外部設(shè)備請求與單片機(jī)傳送數(shù)據(jù)或單片機(jī)在執(zhí)行程序的過程中出現(xiàn)了異常），強(qiáng)迫單片機(jī)停止當(dāng)前正在執(zhí)行的程序而轉(zhuǎn)去為該事件服務(wù)，待該事件服務(wù)結(jié)束后，又能自動返回到被中斷的程序中繼續(xù)執(zhí)行，這一過程就稱為中斷。51單片機(jī)中斷系統(tǒng)由中斷源、中斷寄存器和查詢硬件等組成。中斷系統(tǒng)提供了中斷源和4個中斷

19、寄存器。51單片機(jī)的中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。單片機(jī)中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖5Proteus仿真在Proteus軟件中，繪制好AT89C51的最小系統(tǒng)工作電路，將4只紅、綠、黃交通信號燈連接到P0控制。由于東西方方向的亮法一致，所以可以由同一個端口進(jìn)行控制。交通信號燈控制電路圖如下：結(jié) 論(1)通過完成本次交通燈的畢業(yè)設(shè)計，將我們以前所學(xué)到的硬件與軟件的專業(yè)知識與本次實際設(shè)計制作相聯(lián)系，將以前專業(yè)課和實驗課上所學(xué)到的知識充分運(yùn)用到本次設(shè)計中。同時，我也深刻地認(rèn)識到自己在某些專業(yè)知識上不足的地方，體會到了理論知識對于實踐操作的重要性，掌握的知識越多，設(shè)計的就更完善、產(chǎn)品實現(xiàn)的功能就更穩(wěn)定。(2)加強(qiáng)

20、了對單片機(jī)的知識的學(xué)習(xí)。通過本次設(shè)計，我對單片機(jī)發(fā)展歷史，以及其在生活中的廣泛應(yīng)用和能實現(xiàn)的功能都有了更深刻的認(rèn)識。并且，能夠利用單片機(jī)和其它功能模塊制作一個簡單的實物模型。(3)提高了自己查找資料的能力。在實物模型的設(shè)計過程中，我碰到了一些自己無法解決的問題，于是我通過上網(wǎng)查閱本專業(yè)的知識和圖書館借閱相關(guān)的圖書資料，或是通過向老師同學(xué)交流討論逐漸地解決了遇到的問題。從中我懂得了我們這個專業(yè)的需要學(xué)習(xí)和掌握的知識還需要很多努力，我們需要不斷給自己充電，及時更新自己的知識，不斷擴(kuò)充自己的知識面，同時要懂得與他人交流各自的想法和建議，積極聽取老師和同學(xué)的建議做出正確的修改。心得體會本次對交通燈的課

21、程設(shè)計，使我對單片機(jī)的設(shè)計有進(jìn)一步的了解，我發(fā)現(xiàn)單片機(jī)課程設(shè)計重點就在于軟件算法的設(shè)計，需要有很巧妙的程序算法，這些只有我們?nèi)ピ囍隽?，才能真正的掌握，只學(xué)習(xí)理論有些東西是很難理解的并且意識到要理論聯(lián)系實際，把我們所學(xué)的理論知識用到實際當(dāng)中，程序只有在經(jīng)常的寫與讀的過程中才能提高，這就是我在這次課程設(shè)計中的最大收獲。從本次實踐首先，鞏固了單片機(jī)基礎(chǔ)理論知識。這次課程設(shè)計主要是單片機(jī)設(shè)計的一些相關(guān)知識，在整個實習(xí)過程中，都離不開對單片機(jī)技術(shù)課程知識的再學(xué)習(xí)。我在最開始，就先將實習(xí)用到的知識通過翻閱數(shù)電書回顧了一遍，這樣的回顧讓我對知識的理解更加透徹，對后來的快速設(shè)計起了很好的鋪墊作用。而且還參考

22、了數(shù)字電路實驗指導(dǎo)書，關(guān)于芯片的管腳，里面有清晰的描述。其次，學(xué)會用LED、單片機(jī)、導(dǎo)線等組裝各種功能的電路。雖然這不是第一次用電路板，因為之前的課內(nèi)實驗也用過，但當(dāng)時的運(yùn)用也只是插些集成模塊和電阻電容之類的，用了電路板的很小部分。最后是理論聯(lián)系實際。據(jù)老師介紹，這是大學(xué)里一次比較大型的動手實踐機(jī)會。課程設(shè)計，通過選擇的題目，根據(jù)要求，運(yùn)用所學(xué)知識將其付諸實踐來完成。這并不是在課堂上的單純聽懂，或者課后看書過程中的深入理解，這需要的是一種理論聯(lián)系實踐的能力。理論知識往往都是在一些理想狀態(tài)下的假設(shè)論，而實際的動手操作則完全不同，需要考慮實際中的很多問題。有些知識在理論上可能完全沒錯但到了實際中則

23、不然?？偠灾诒敬握n程設(shè)計中收獲最大的就是-學(xué)會從不同角度思考同一個問題，提出不同的解決方案，從而提高解決實際問題的能力。 參考文獻(xiàn)1胡漢才,單片機(jī)原理及其接口技術(shù)M,清華大學(xué)出版，19962蔡美琴,MCS-51系列單片機(jī)系統(tǒng)及其應(yīng)用,高等教育出版社,2004.23付家才,單片機(jī)控制工程實踐技術(shù)M,化學(xué)工業(yè)出版社，2004.54雷麗文,等.微機(jī)原理與接口技術(shù)M,電子工業(yè)出版社，1997.25蔣萬君,在論循環(huán)時序電路的簡便設(shè)計J,機(jī)電一體化，2005 第5期6周立功,增強(qiáng)型80C51單片機(jī)速成與實戰(zhàn),北京航空航天大學(xué)出版社,2004.57何立民,單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)選編,北京航空航天大學(xué)出版社,2004.3 致 謝通過本次畢業(yè)設(shè)計，我在指導(dǎo)老師韓偉楠的精心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求下，獲得了豐富的理論知識，極大地提高了實