单片机原理与接口技术

交通灯系统的设计

姓名：贺克瑞

学号：2008013010

系别：机电工程系

专业：矿山机电

指导教师：杨富强

日期：20##-6-3

  

摘  要

在日常生活中，交通信号灯的使用，使交通得以有效管理，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。交通灯控制系统由80C51单片机、键盘、LED显示、交通灯延时组成。系统除具有基本交通灯功能外，还具有时间设置、LED信息显示功能，市交通实现有效控制。

关键字：交通灯；单片机；自动控制；LED

Abstract

In daily life, the use of traffic lights, so traffic can be managed effectively in smoothing traffic flow, increase road capacity and reduce traffic accidents have remarkable results. Traffic light control system consists of 80C51 microcontroller, keypad, LED display, traffic light delay component. In addition to the traffic light system has the basic functions, but also with time settings, LED information display function, achieving effective control of city traffic

Key Words：Traffic lights; SCM; control; LED

目录

一 序言... 5

1.1交通灯的形成... 5

1.2 芯片简介... 6

1.3技术指标... 6

1.4设计要求... 7

二 硬件电路的设计及描述... 7

2.1MCS-51单片机内部结构... 7

2.2 MCS-51单片机芯片引脚位置及功能符号如下图所示。... 9

2.3 51系列单片机运行的硬件条件... 9

2.4单片机的特点与应用... 10

三 软件设计流程及描述... 10

3.1 软件设计... 10

3.2 电路连接分配... 11

3.3主程序流程图... 12

四 源程序代码... 12

体会总结... 14

鸣谢... 15

参 考 文 献... 16

一 序言

1.1交通灯的形成

  当今，红绿灯安装在各个道口上，已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段。但这一技术在19世纪就已出现了。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。它由红绿两色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。我们设计的单片机控制交通灯就是基于信号灯。

1.2 芯片简介

MSC-51芯片简介

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：

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛(Harvard)结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿(Princeton)结构。INTEL的MCS-51系列单片机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品16位的MCS-96系列单片机则采用普林斯顿结构。

1.3技术指标

设计一个十字路口的交通灯控制电路,每条道路上各配有一组红、黄、绿交通信号灯，其中红灯亮，表示该道路禁止通行；黄灯亮表示该道路上未过停车线的车辆禁止通行，已过停车线的车辆继续通行；绿灯表示该道路允许通行。该电路自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换，实现十字路口自动化。

1.4设计要求

实现红、绿、黄灯的循环控制。要实现此功能需要表示三种不同颜色的LED灯分别接在P1个管脚，用软件实现。

要求东西车道和南北车道上的车辆交替运行，每次通行时间为20s；

要求黄灯先亮5秒种，才能变换车道；

黄灯亮时要求每秒闪亮一次；

要求绘出原理图；

根据设计要求和技术指标设计好电路；

二 硬件电路的设计及描述  

2.1MCS-51单片机内部结构

        在MCS-51系列单片机中，有2个系列：子51系列和52子系列。每个系列有若干种型号。51系列有8051、8751、8031、87C51、和80C31。

       我们以MCS-51系列单片机的典型型号80C51为例来介绍其结构和功能。MCS-51的内部结构框图如下：

      

分析上图，并按其功能部件划分可以看出，MCS-51系列单片机是由8大部分组成的。这8大部分是：

1.一个8位中央处理器CPU（有成为微处理器）

CPU的内部结构是有运算器和控制器组成，是单片机的核心部件。其中包括算术逻辑运算单元、ALU、累加器ACC、程序状态字寄存器PSW、堆栈指针SP、寄存器SP、寄存器B、程序计数器（指令指针）PC、指令寄存器IR、暂存器等部件。

2.128个字节的片内数据存储器RAM

 片内数据存储器用于存放数据、运算结果。

3.4KB的片内程序存储器ROM或EPROM

 用于存放程序、原始数据和表格。现在的改进产品里一般都换成了Flash存储器。

4.18个特殊功能寄存器SFR。

 CPU内部包含了一些外围电路的控制寄存器、状态寄存器以及数据输入/输出寄存器，这些外围电路的寄存器构成了CPU内部的特殊功能寄存器。18个特殊功能寄存器SFR有3个是16位的，共占了21个字节。

5.4个8位并行输入输出I/O接口。

P0口、P1口、P2口、P3口（共32线），用于并行输入或输出数据。

6.1个串行I/O接口，完成单片机与其他微机之间的串行通信 。

7.2个16位定时器/计数器T0、T1。

8.一个具有5个（52子系列为6个或7个）中断源，2 个可编程优先级的中断系统。 它可以接收外部中断申请、定时器/计数器中断申请和串行口终端申请。

2.2 MCS-51单片机芯片引脚位置及功能符号如下图所示。

 

  MCS-51系统的引脚说明：

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，图二是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和底线两根，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。

8951的抚慰方式可以自动复位，也可以是手动复位，见下图。除此之外，RESET/Vpd还是一复用脚，Vcc掉电其间，此脚可以接上没用电源，以保证单片机内部RAM的数据不丢失。

 在编程时，EA/Vpp脚还需加上21V的编程电压。

2.3  51系列单片机运行的硬件条件

51系列单片机内部配有ROM和RAM，单片机能够运行的最基本配置是：

1.配有为单片机提供时钟信号的振荡电路，如下图所示。

2.配有上电复位或按键复位电路。

3.要对脚进行处理，选择外部或内部程序存储器。

4.要为单片机提供一个稳定的、满足单片机工作电压的工作电源。

2.4单片机的特点与应用

1.单片机的特点

（1）.控制功能强。

（2）.抗干扰性强，可靠性高，工作温度范围宽。

（3）.开发周期短，性价比高，易于产品化。

 2.单片机的应用领域

（1）.智能化仪表。

（2）.实时工业控制。

（3）.机电一体化产品。

（4）.智能接口。

（5）.办公自动化。

（6）.商业营销。

（7）.家用电器。

三 软件设计流程及描述

3.1 软件设计

  先了解实际交通灯的变化规律，假设一个十字路口为东西南北走向。初始状态0为东西红灯，南北红灯；然后转状态1南北绿灯通车，东西红灯。过一段时间转状态2，南北绿灯闪几次转黄灯，延时几秒，东西仍然红灯。再转状态3，东西绿灯通车，南北红灯。过一段时间转状态4，东西绿灯闪几次转亮黄灯，延时几秒，南北仍然红灯，最后回到状态1，不断循环。

3.2 电路连接分配

通过单片机的P1口控制实验仪上6个LED按照交通灯的变化规律循环发光，模拟十字路口L2、L1、L0模拟南北方向交通灯。通过一条SETB指令，可使某一灯亮，通过一条CLR指令，可使某一灯灭

3.3主程序流程图

四 源程序代码

参考程序清单如下：

LED  EQU P1

        ORG  0000H

        LJMP START

        ORG  0030H

START:    MOV SP,#60H

   LCALL  S0              ;初始状态（都是红灯）

   LCALL  S1              ;南北绿灯,东西红灯

   LCALL  S2              ;南北绿灯闪转黄灯,东西红灯

   LCALL  S3              ;南北红灯,东西绿灯

   LCALL  S4              ;南北红灯,东西绿灯闪转黄灯

   LJMP   START

S0:   MOV A,#00100001B     ;南北红灯,东西红灯

   MOV LED,A

   MOV R2,#10          ;延时1秒

   LCALL  DELAY

   RET

S1:   MOV A,#10000001B      ;南北绿灯,东西红灯

   MOV LED,A

   MOV R2,#200             ;延时20秒

   LCALL  DELAY

   RET

S2:   MOV A,#00000001B     ;南北绿灯灭，东西红灯亮

FLASH:    MOV A,#01000001B  ;南北黄灯，东西红灯

   MOV LED,A

   MOV R2,#03H

   LCALL  DELAY

   MOV A,#10000001B     ;南北绿灯,东西红灯

   MOV LED,A

   MOV R2,#03H

   LCALL  DELAY

   DJNZ   R3,FLASH

   RET

S3:   MOV A,#00100100B       ;南北红灯,东西绿灯

   MOV LED,A

   MOV R2,#200    ;延时20秒

   LCALL  DELAY

   RET

S4:   MOV  A,#00100010B

   MOV  LED,A

   MOV  R3,#03H

   LCALL DELAY

FLASH1:   MOV A,#00100010B  ;南北红灯亮,东西绿灯灭

   MOV LED,A

   MOV R2,#03H

   LCALL  DELAY

   MOV A,#01000000B

   MOV LED,A

   MOV R2,#03H

   LCALL  DELAY

   DJNZ   R3,FLASH1

   RET

DELAY:    PUSH   02H        ;延时子程序

   PUSH   01H  

   PUSH   00H

DELAY1:   MOV R1,#00H

DELAY2:   MOV R0,#0C2H

   DJNZ   R0,$

   DJNZ   R1,DELAY2         ;延时100ms

   DJNZ   R2,DELAY1

   POP    00H

   POP   01H

   POP   02H

   RET

   END

 体会总结

通过这次课程设计，加强了我动手、思考和解决问题的能力。电路原理和连接，和芯片上的选择,也略懂。巩固数字逻辑电路的理论知识，并对芯片有了新的认识，懂得它的功能与其它芯片替换等. 更重要的是如何将逻辑电路灵活运用于实际生活。协作的重要性。我沉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。比如一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，主要是因为没有动手实践过吧！认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。故一个小小的课程设计，对我们的作用是如此之大。

 鸣谢

本次关于简易交通灯的设计与制作是在杨富强老师以及其他辅导老师的精心指导下，和同组内其他成员的共同交流下才得以顺利完成。经过本次设计把我在大学所学的理论知识转化为实际应用，既锻炼了我们的实际操作能力，又使理论知识得以加强和升华，激发了创新意识。

特别感谢与我同组的两为组员，在工作中我们积极配合、勇于创新。通过本次设计使我们自身的动手能力得到了很大的提高，使我们走出了实践的盲区，为以后的毕业设计及工作后的动手打下了坚实的基础。最后感谢学院为我们提供了难得的机会。再次感谢各位老师和同学们的帮助!

 参 考 文 献

【1】 李 明，毕万新.单片机原理与接口技术.大连：大连理工大学出版社，2009

【2】 张靖武，周灵彬.单片机系统的Proteus设计与仿真.北京：电子工业出版社，2008.

【3】 周 坚.单片机项目教程.北京：北京航空航天大学出版社，2008.

【4】 胡 健.单片机原理与接口技术实践教程.北京：机械工业出版社，2004.

【5】 胡汉才.单片机原理及系统设计.北京：清华大学出版社，2002.

【6】 侯玉宝等.基于Proteus8051系列单片机设计与仿真.北京：电子工业出版2006.

【7】 周润景.PEOTEUS在MCS-51&ARM7系统中的应用百例[M].北京：电子工业出版社，2006.

【8】 朱承高.电工及电子技术手册[M].北京：高等教育出版社，1990.

【9】 姜武中.单片机原理与接口技术.大连：大连理工大学出版社，2002