怎么設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的交通燈控制系統(tǒng)？

1 概述

1.1設(shè)計(jì)背景

如今隨著人們生活水平的提高，車輛越來越多，交通事故頻繁發(fā)生。交通信號(hào)燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制，對(duì)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。交通燈在城市交通中起著重要的作用，它與人們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)，是人們出行的安全保障。因此提供一個(gè)可靠、安全、便捷的多功能交通燈控制系統(tǒng)有著現(xiàn)實(shí)的必要性。為了解決這些問題，我們更應(yīng)該提高交通控制和管理水平，合理使用現(xiàn)有交通設(shè)施，充分發(fā)揮其能力，提高交通效率，促進(jìn)和諧交通的建立。,

近年來隨著科技的飛速發(fā)展，單片機(jī)的應(yīng)用正在不斷地走向深入，同時(shí)帶動(dòng)傳統(tǒng)控制檢測(cè)日新月益更新。在實(shí)時(shí)檢測(cè)和自動(dòng)控制的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機(jī)往往是作為一個(gè)核心部件來使用，僅單片機(jī)方面知識(shí)是不夠的，還應(yīng)根據(jù)具體硬件結(jié)構(gòu)，以及針對(duì)具體應(yīng)用對(duì)象特點(diǎn)的軟件結(jié)合，加以完善。

而本系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的交通燈控制系統(tǒng)。能方便的對(duì)交通燈進(jìn)行控制，使交通更和諧。

1.2設(shè)計(jì)目的

通過自主設(shè)計(jì)和調(diào)試交通紅綠燈系統(tǒng)，綜合應(yīng)用單片機(jī)原理、微機(jī)原理、微機(jī)接口技術(shù)等課程方面的知識(shí)，熟練掌握單片機(jī)仿真系統(tǒng)的使用方法，達(dá)到提高綜合應(yīng)用相關(guān)知識(shí)的能力，掌握單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)全部設(shè)計(jì)過程的目的。

1.3設(shè)計(jì)思路

此系統(tǒng)核心元件為單片機(jī)AT89C51，對(duì)其編寫相關(guān)程序來控制交通信號(hào)燈和數(shù)碼管的時(shí)間顯示。系統(tǒng)共采用8個(gè)發(fā)光二極管來模擬各路交通信號(hào)燈，4個(gè)顯示倒計(jì)時(shí)的顯示器，通過倒計(jì)時(shí)的顯示這種方式顯示各個(gè)方向上允許通行或禁止通行的信號(hào)燈剩余的時(shí)間。在東西和南北兩個(gè)方向上這兩種狀態(tài)不斷循環(huán)。源程序采用C語言編寫，并通過kei1軟件進(jìn)行編譯，最后倒入AT89C51單片機(jī)中，運(yùn)行系統(tǒng)。設(shè)計(jì)好后通過proteus軟件仿真，并調(diào)試。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1keil簡介

Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、鏈接器、庫管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境(μVision)將這些部分組合在一起。運(yùn)行Keil軟件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系統(tǒng)。如果你使用C語言編程，那么Keil幾乎就是你的不二之選，即使不使用C語言而僅用匯編語言編程，其方便易用的集成環(huán)境、強(qiáng)大的軟件仿真調(diào)試工具也會(huì)令你事半功倍。

2.2proteus簡介

Proteus軟件是英國Lab Center Electronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是比較好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。雖然國內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機(jī)愛好者、從事單片機(jī)教學(xué)的教師、致力于單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。

Proteus是英國著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DSPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MATLAB等多種編譯器。

3 系統(tǒng)總體方案與硬件設(shè)計(jì)

3.1硬件電路各元件介紹

3.1.1核心芯片AT89C51單片機(jī)的說明

1.主要特性

（1）與MCS-51兼容

（2）4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器

（3）壽命：1000寫／擦循環(huán)

（4）數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年

（5）全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz

（6）三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定

（7）128*8位內(nèi)部RAM

（8）32可編程I/O線

（9）兩個(gè)16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器

（10）5個(gè)中斷源

（11）可編程串行通道

（12）低功耗的閑置和掉電模式

（13）片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路

圖3-1 AT89C51

2.管腳說明

VCC：供電電壓。

GND：接地。

P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)或地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。

P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。

P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。

P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收，輸出4個(gè)

TTL門電流。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口

RST ：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。

ALE/PR0G：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。

/PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次／PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的／PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。

/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH)，不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)／EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP)。

3.1.2兩位共陰七段數(shù)碼管

兩位共陰七段式數(shù)碼管其實(shí)就是將兩個(gè)一位八段式數(shù)碼接相應(yīng)的電路組合在一起。并引出兩控制端1和2，同過其電平的高低來控制兩個(gè)數(shù)碼管的高低位

工作。

圖3-2 兩段共陰七段數(shù)碼管

3.1.3其他元件說明

交通信號(hào)燈：采用紅、黃、綠三種顏色的二極管組成三色交通信號(hào)。

圖3-3 三色二極管

3.2總體電路工作原理

十字路口要有數(shù)字顯示裝置，作為時(shí)間提示，以便人們更直觀地把握時(shí)間。具體要求為：當(dāng)某方向綠燈亮?xí)r，置定時(shí)器為某一個(gè)數(shù)值，然后以每秒減1的計(jì)數(shù)方式工作，直至減到數(shù)為0，十字路口紅、綠燈交換，一次工作循環(huán)結(jié)束，進(jìn)入另一個(gè)方向的工作循環(huán)。數(shù)碼顯示管就是用來顯示東西和南北兩個(gè)道口的紅黃綠三種顏色的燈的倒計(jì)時(shí)時(shí)間。

南北路處于禁止通行的狀態(tài)，東西路處于允許通行的狀態(tài)。南北路亮紅燈時(shí)，東西路亮綠燈；南北路亮綠燈時(shí)，東西路亮紅燈。南北路亮紅燈時(shí)，東西路亮綠燈；當(dāng)綠燈時(shí)間減完之后，東西路換為黃燈，南北路仍為紅燈．這樣?xùn)|西路與南北路的時(shí)間同時(shí)減完。減完之后，東西路換為紅燈，南北路換為綠燈，再經(jīng)過一個(gè)綠燈時(shí)間，南北路換為黃燈，東西路仍為紅燈。這時(shí)東西路與南北路時(shí)間相同，同時(shí)減完。減完后，南北路為紅燈，東西路為綠燈。如此隔環(huán)下去。

整個(gè)設(shè)計(jì)滿足了任務(wù)的要求，即完成了四個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，完成了倒計(jì)時(shí)數(shù)碼管的顯示，所以這個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)足以控制十字路口的交通燈正常變換，保證各道車輛的暢通運(yùn)行。

4 程序設(shè)計(jì)

4.1系統(tǒng)流程圖

此系統(tǒng)主要以東西南北紅、綠、黃三種顏色的LED燈來表示交通燈組成交通紅綠燈管理系統(tǒng)，紅燈等待時(shí)間為25秒，綠燈通行時(shí)間是20秒，相差的5秒時(shí)間為黃燈閃爍時(shí)間，用來提示行人和車輛，具體流程圖如下：

圖4-1 系統(tǒng)總流程圖

4.2源程序代碼

#include

#include

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

#define DIG0 0x01

#define DIG1 0x02

#define DIG2 0x03

#define DIG3 0x04

void delay(uint i);

void T0_init();

void MAX7219(uchar addr,uchar num);

void MAX7219_init();

void display();

sbit DIN=P3^0;

sbit LOAD=P3^1;

sbit CLK=P3^2;

sbit G1=P0^0;

sbit Y1=P0^1;

sbit R1=P0^2;

sbit G2=P1^0;

sbit Y2=P1^1;

sbit R2=P1^2;

uchar NS_S,NS_G,EW_S,EW_G;

uchar NS,EW;

uchar temp=0,i;

uchar code table[10]= {0x7e,0x30,0x6d,0x79,0x33,0x5b,0x5f,0x70,0x7f,0x7b}; //12ò???êy??1üêy×é

void delay(uint i)

{

uint j;

for(j=0;j

}

void T0_init()

{

TMOD=0X01;

TH0=0XD8;

TL0=0XF0;

ET0=1;

TR0=1;

}

void MAX_write(uchar ch)

{

uchar j,ads;

for(j=0;j<8;j++)

{

ads=ch&0x80;

CLK = 0;

if(ads)

DIN = 1;

else

DIN = 0;

ch=ch<<1;

CLK=1; //é?éy??￡?DINμ?êy?YD′è?μ?7219

}

}

void MAX7219(uchar addr, uchar num)

{

LOAD = 0;

nop ();

MAX_write(addr);

nop ();

MAX_write(num);

nop ();

LOAD = 1;

}

void MAX7219_init()

{

MAX7219(0x0c,0x01);

MAX7219(0x0b,0x03); //éè??é¨?è·??§DIG0-3

MAX7219(0x0a,0x05);

MAX7219(0x09,0x00); //2éó?ò???·?ê? ,2?ò???

}

void display()

{

NS_S=NS/10;

NS_G=NS%10;

EW_S=EW/10;

EW_G=EW%10;

MAX7219(DIG0,table[NS_S]);

MAX7219(DIG1,table[NS_G]);

MAX7219(DIG2,table[EW_S]);

MAX7219(DIG3,table[EW_G]);

}

void T0_(void)interrupt 1

{

temp++;

TH0=0xD8;

TL0=0xF0;

if(temp==100)

{

temp=0;

NS--;

EW--;

if((NS==0)&&(EW==5)&&(i==0))

{

NS=5;

EW=5;

i=1;

}

if((NS==0)&&(EW==0)&&(i==1))

{

NS=25;

EW=20;

i=2;

}

if((NS==5)&&(EW==0)&&(i==2))

{

NS=5;

EW=5;

i=3;

}

if((NS==0)&&(EW==0)&&(i==3))

{

NS=20;

EW=25;

i=4;

}

}

display();

}

void main()

{

T0_init();

MAX7219_init();

EA=1;

NS=20;

EW=25;

while (1)

{

uint k;

display();

switch(i)

{

case 0:

R2=0;

G1=0;

break;

case 1:

G1=1;

Y1=0;

for(k=0;k<3;k++)

{

Y1=~Y1;

delay(10000);

}

break;

case 2:

G2=0;

R2=1;

R1=0;

Y1=1;

break;

case 3:

G2=1;

Y2=0;

for(k=0;k<3;k++)

{

Y2=~Y2;

delay(10000);

}

break;

case 4:

i=0;

R1=1;

break;

}

}

}

5 仿真測(cè)試

5.1軟件調(diào)試

整個(gè)程序是一個(gè)主程序調(diào)用各個(gè)子程序?qū)崿F(xiàn)功能的過程，要使主程序和整個(gè)程序都能平穩(wěn)運(yùn)行，各個(gè)模塊的子程序的正確與平穩(wěn)運(yùn)行必不可少，所以在軟件調(diào)試的最初階段就是把各個(gè)子程序進(jìn)行分別調(diào)試。

（1）keil軟件中生成hex文件如圖所示：:

圖5-1生成相應(yīng)程序hex的圖

（2）將keil程序下生成的文件導(dǎo)入AT89C51中，如圖所示：

圖5-2導(dǎo)入文件圖

5.2仿真調(diào)試

在keil中調(diào)試完成后，生成文件，再到proteus中進(jìn)行仿真。首先在proteus中需要的元件依次找出來，根據(jù)電路所需要實(shí)現(xiàn)的功能畫好電路原理圖，當(dāng)檢查電路完全沒有錯(cuò)誤后，雙擊芯片，再將在keil中生成的hex文件導(dǎo)入芯片，接著點(diǎn)擊play鍵開始進(jìn)行電路仿真。其中，此次的交通燈整個(gè)中循環(huán)共有四個(gè)工作狀態(tài)。

5.1.1

5.2.1所需軟件查詢展示

圖5-3所需元件展示圖

5.2.2四種狀態(tài)展示

（1）狀態(tài)一：點(diǎn)擊play鍵，電路開始進(jìn)行仿真，此時(shí)紅綠燈顯示的情況為：東西方向?yàn)榫G燈亮，南北方向?yàn)榧t燈亮，即東西方向通行，南北方向禁止通行，大東西方向通行時(shí)間為20秒，南北禁止通行時(shí)間為25秒，交通燈顯示狀態(tài)如圖所示。

圖5-4狀態(tài)一

（2）狀態(tài)二：在開始仿真經(jīng)過20秒后，黃燈開始閃爍，閃爍時(shí)間為5秒，紅綠燈的狀態(tài)將發(fā)生變化，即東西方向黃燈閃爍，顯示情況如圖所示。

圖5-5狀態(tài)二

（3）狀態(tài)三：此時(shí)紅綠燈顯示的情況為：東西方向?yàn)榧t燈亮，南北方向?yàn)榫G燈亮，即東西方向禁止通行，南北方向通行，東西方向禁止通行時(shí)間為25秒，南北通行時(shí)間為20秒，交通燈顯示狀態(tài)如圖所示。

圖5-6狀態(tài)三

（4）狀態(tài)四：經(jīng)過20秒后，黃燈開始閃爍，閃爍時(shí)間為5秒，紅綠燈的狀態(tài)將發(fā)生變化，即南北方向黃燈閃爍，顯示情況如圖所示。

圖5-7狀態(tài)四

5.3結(jié)果分析

本次交通信號(hào)燈設(shè)計(jì)基本滿足了所需要的要求，保證了行人和車輛可以順利通過，避免出現(xiàn)擁擠、堵車等現(xiàn)象，但設(shè)計(jì)也有不足，由于程序設(shè)計(jì)較為簡便，無法對(duì)具體的的路況進(jìn)行適時(shí)地調(diào)整，無法通過對(duì)當(dāng)前道路的狀況進(jìn)行智能化調(diào)節(jié)，比如；早高峰和晚高峰期間的人流和車輛較多，可以適當(dāng)增加綠燈時(shí)間，減少紅燈時(shí)間，以此來減少道路擁擠。而中午和夜間人流量相對(duì)較少，可以僅閃爍黃燈來進(jìn)行提示。