基于單片機(jī)的交通燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-2"\h\u4532基于單片機(jī)的交通燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 111428摘要 128919緒論 2231141系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 4231361.1單片機(jī)的交通燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 4187191.2設(shè)計(jì)方案介紹 516112系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 5284812.1STC89C52單片機(jī)功能介紹 6237782.2控制模塊電路 7155252.3晶振電路 8319572.4復(fù)位電路模塊 9208752.5交通燈模塊電路 10144732.6數(shù)碼管顯示電路模塊 1095602.7系統(tǒng)電源模塊電路 11179223系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 1124173.1程序主體設(shè)計(jì)流程 11324673.2定時(shí)中斷子程序 1240493.3子程序模塊設(shè)計(jì) 13145524系統(tǒng)調(diào)試分析及結(jié)果 15234084.1實(shí)物調(diào)試 15178054.2系統(tǒng)電路仿真 15206604.3系統(tǒng)軟件調(diào)試 1521815結(jié)論 16摘要本次設(shè)計(jì)的紅綠燈系統(tǒng)主要采用STC89C52型單片機(jī)的控制模塊電路，以及LED顯示屏等關(guān)鍵部件。設(shè)計(jì)過(guò)程可以用一個(gè)共陰極兩位數(shù)碼管來(lái)顯示數(shù)字。它通過(guò)手動(dòng)按鍵對(duì)定時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)設(shè)置。可以用單片機(jī)STC89C52的P1端口和P2端口控制四個(gè)方向的紅綠燈信號(hào)：東、西、南、北。RXD的接收端和TXD的發(fā)送端可以同時(shí)控制著數(shù)碼管的顯示時(shí)間。本設(shè)計(jì)硬件部分主要由六部分構(gòu)成：系統(tǒng)硬件總電路、控制模塊電路、晶振電路、復(fù)位模塊電路、數(shù)碼管顯示、系統(tǒng)電源模塊電路。用數(shù)碼管顯示紅綠燈通行時(shí)間和黃燈來(lái)提醒司機(jī)注意周?chē)煌顩r。按鍵模塊有兩個(gè)，緊急模式按鍵和復(fù)位按鍵。緊急模式情況下，可以讓特種車(chē)輛優(yōu)先通過(guò)，提高其通行效率。該系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是實(shí)用性強(qiáng),操作簡(jiǎn)單,具有較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展和應(yīng)用功能。關(guān)鍵詞：STC89C52單片機(jī)；控制模塊電路；LED顯示屏；兩位數(shù)碼管緒論交通信號(hào)燈近年來(lái)的實(shí)際應(yīng)用得到了深化改革。同時(shí)它也推動(dòng)我們傳統(tǒng)的單片機(jī)和檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)不斷更新。在實(shí)時(shí)自動(dòng)進(jìn)行的性能檢測(cè)和自動(dòng)控制的工業(yè)單片機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)中，企業(yè)信息系統(tǒng)中都得到了廣泛應(yīng)用。單片機(jī)甚至可以將其作為一個(gè)大型企業(yè)中核心部件產(chǎn)品來(lái)使用。然而，我們?cè)趩纹瑱C(jī)設(shè)計(jì)方面培養(yǎng)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)僅僅是不夠的,我們更應(yīng)適當(dāng)根據(jù)國(guó)內(nèi)具體要求將軟硬件相結(jié)合,加以不斷完善?，F(xiàn)如今的交通系統(tǒng)已從原來(lái)的單一化轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄻踊l(fā)展。同時(shí)也隨著人們生活的日益更新?？刂频缆芳t綠燈的操作方法也變得種類(lèi)繁多。當(dāng)今，每個(gè)路口都已經(jīng)設(shè)置了交通信號(hào)燈。早在十八世紀(jì)中葉，簡(jiǎn)易的交通燈就已經(jīng)問(wèn)世了。隨后的一年，燃?xì)鉄舭l(fā)生了爆炸，警察負(fù)傷而被中止研究。雖然更新?lián)Q代中總會(huì)歷經(jīng)坎坷，但是他們并沒(méi)有放棄對(duì)交通燈的探尋。由于第二次工業(yè)革命的推動(dòng)，美國(guó)的電信號(hào)交通燈首先安裝在紐約的高塔之上。發(fā)出紅色的光意味著“停止”，綠光則意味著“通行”。之后又出現(xiàn)了新型檢測(cè)燈裝置——壓力檢測(cè)交通燈。它被安裝到地下，系統(tǒng)就會(huì)提前感應(yīng)到車(chē)輛。也就是所謂現(xiàn)在的智能感應(yīng)交通燈。它的優(yōu)點(diǎn)是可以在人煙稀少的地方，減少司機(jī)等待紅燈的時(shí)間，從而大大提高交通效率。紅燈是一種道路禁行交通警示標(biāo)志信號(hào)。而黃燈是一個(gè)非常具有高度警告性的燈光信號(hào)，當(dāng)車(chē)輛離停車(chē)線(xiàn)太近而又有可能導(dǎo)致車(chē)輛無(wú)法安全迅速停車(chē)時(shí)。他們可以在確認(rèn)道路安全的前提下，迅速進(jìn)入十字路口。交通燈的出現(xiàn)改善了道路復(fù)雜情況，隨之而來(lái)的交通規(guī)定也順理成章的實(shí)施起來(lái)。正是因?yàn)檫@些特點(diǎn)，單片機(jī)能被廣泛用于人的生活。21世紀(jì)的交通早已離不開(kāi)交通燈系統(tǒng)，道路上行人和司機(jī)的安全與它緊密相連。它既管控著車(chē)輛行駛秩序又能警醒路人注意來(lái)回穿梭的車(chē)輛。交通燈的重要性不言而喻，當(dāng)下的交通燈正朝著智能化、人性化、多樣化的形式發(fā)展。未來(lái)的交通燈也將日新月異，逐漸融入到我們的生活中。目前,大量城市信號(hào)燈的集成電路正朝著實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、低成本功耗、多樣化、方便化和人、車(chē)、路的多元化價(jià)值協(xié)同發(fā)展的戰(zhàn)略方向靠攏。城市交通安全問(wèn)題也越來(lái)越多受到人們高度的重視。大部分城市紛紛開(kāi)始規(guī)劃和修建多條城市交通經(jīng)濟(jì)快速路,致力有效地對(duì)交通燈進(jìn)行改造升級(jí)，改善城市交通管理運(yùn)行狀況。然而,隨著我國(guó)交通量的持續(xù)快速增長(zhǎng)，公路并沒(méi)有能夠充分發(fā)揮其可以預(yù)期的主導(dǎo)作用。目前，城市區(qū)域經(jīng)濟(jì)高速建設(shè)發(fā)展路段道路在交通構(gòu)造上的基本特點(diǎn),也直接決定了未來(lái)城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)高速發(fā)展道路的日常交通管理運(yùn)行狀況以及會(huì)受高速發(fā)展道路與普通高速道路之間耦合問(wèn)題的處理。交通安全管理狀況受到了嚴(yán)重制約。所以智能化的交通燈的應(yīng)運(yùn)而生。人、車(chē)、路交通關(guān)系的管理協(xié)調(diào)已逐漸成為道路交通管理中各部門(mén)日常需要研究解決的重要問(wèn)題之一。所以，交通燈系統(tǒng)必須與時(shí)俱進(jìn)，跟上發(fā)展的潮流。基于單片機(jī)的交通燈系統(tǒng)是一種用于實(shí)現(xiàn)城市交通運(yùn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)檢測(cè)、交通運(yùn)行信號(hào)燈自動(dòng)控制和城市交通信號(hào)引導(dǎo)的大型計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)綜合的交通管理控制系統(tǒng)。它也是構(gòu)成現(xiàn)代道路城市交通安全監(jiān)控管理指揮系統(tǒng)的重要組成部分。基于單片機(jī)的交通燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案1.1單片機(jī)的交通燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案交通燈系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)在十字路口，分別為東西、南北兩個(gè)走向。在規(guī)定25S通行時(shí)間內(nèi)，只有一方可以通行，另一方則禁止通行。然后經(jīng)過(guò)三秒黃燈提醒，上述通行和禁止指示燈顯示開(kāi)始調(diào)換。需要注意的是，黑色的圓圈表示交通燈開(kāi)啟，白色的圓圈表示交通燈關(guān)閉。如圖1所示通過(guò)對(duì)具體路口紅綠燈狀態(tài)的論證和分析,交通狀態(tài)圖可以從狀態(tài)1依次變換到狀態(tài)2，3，4。然后再通過(guò)循環(huán)，返回到狀態(tài)1。這樣就能模擬一次交通信號(hào)燈的轉(zhuǎn)換過(guò)程。狀態(tài)1狀態(tài)2狀態(tài)3狀態(tài)4圖1交通狀態(tài)圖1.2設(shè)計(jì)方案介紹由12個(gè)指示燈表示交通狀態(tài)。狀態(tài)1和狀態(tài)2為南北車(chē)輛依次通行，東西車(chē)輛禁止通行。在25秒倒計(jì)時(shí)后，黃燈亮起，3秒黃燈即警醒駕駛員要注意周?chē)ㄐ星闆r。隨后切換到狀態(tài)3和狀態(tài)4。為了方便表示，用數(shù)字1和0分別表示交通燈亮與燈滅。如表2所示表2紅綠燈狀態(tài)和交通狀態(tài)狀態(tài)1狀態(tài)2狀態(tài)3狀態(tài)4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01002系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1STC89C52單片機(jī)功能介紹STC89C52單片機(jī)處理是一種雖然小巧但又比較完善的微型數(shù)字計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)。它主要采用了一種設(shè)計(jì)規(guī)模較簡(jiǎn)單的集成電路芯片。該集成芯片主要部件包括CPU，RAM，ROM，I/O接口以及中斷,定時(shí)/自動(dòng)計(jì)數(shù)器等部件組成。本產(chǎn)品設(shè)計(jì)采用的是STC89C52型號(hào)的單片機(jī)，它在6個(gè)CPU周期與12個(gè)CPU周期的一般執(zhí)行條件下，可以任意切換選擇取指和譯碼。它的主要功能如下。引腳構(gòu)成如圖3所示(1)工作額定電壓:3.3V-5.5V，2.0-3.8V。(2)傳輸信號(hào)頻率的使用范圍:相當(dāng)于普通STC89C52單片機(jī)的0-90MHz,但其實(shí)際工作頻率最高也只能達(dá)到68MHz。(3)用戶(hù)應(yīng)用程序存儲(chǔ)空間為8KB。(4)片上RAM集成512KB。(5)I／O輸入輸出接口一般情況下有32個(gè)，P1-P3都要有外部電路的固定上拉電阻、準(zhǔn)雙向口數(shù)字輸入輸出的引腳。當(dāng)單片機(jī)擴(kuò)展總線(xiàn)時(shí)，它不需要再加固定的上拉電阻。但當(dāng)它為I/O端口時(shí)，需要有固定的上拉電阻的存在。(6)ISP(可在系統(tǒng)中進(jìn)行在線(xiàn)燒寫(xiě)和更新)/IAP(可在應(yīng)用程序中進(jìn)行燒寫(xiě)和升級(jí))。由于不用對(duì)編程和仿真進(jìn)行操作。用戶(hù)就理所當(dāng)然可以在幾秒鐘內(nèi)通過(guò)串口的接收和發(fā)送端（RXD/P3.0，TXD/P3.1）直接下載用戶(hù)程序。(7)具有EEPROM電可擦可編程功能。(8)具有看門(mén)狗功能（防止程序跑飛）。(9)共3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。即定時(shí)器T0、T1、T2。(10)外部中斷共有4個(gè)路徑進(jìn)行觸發(fā)。下降沿觸發(fā)中斷模式（即數(shù)字1變?yōu)?的瞬間），低電平觸發(fā)電路模式（即邏輯門(mén)所允許的最大輸入）,PowerDown控制模式（即為電源斷電）都可以被外部中斷暫停CPU和允許邏輯門(mén)的低電平觸發(fā)的方式喚醒。(11)可用簡(jiǎn)單通用的異步軟件串行口(UART),還可用定時(shí)器軟件來(lái)同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)UART。(12)工作環(huán)境的溫度適用范圍:工業(yè)等級(jí)在-40~+85℃，商業(yè)級(jí)在0~75℃。圖3STC89C52單片機(jī)引腳圖2.2控制模塊電路STC89C52系列單片機(jī)的主要功能模塊由最小系統(tǒng)和一些模塊電路構(gòu)成。單片機(jī)最小電路系統(tǒng)由單片機(jī)的晶振電路、復(fù)位電路、芯片和電源組成。它采用單片機(jī)的I/O輸入輸出端的P0口，通過(guò)固定的上拉電阻與交通燈系統(tǒng)相連接起到限流作用。LED數(shù)碼管控制位接到串口引腳的P3.0口與P3.1口。在STC89C52單片機(jī)的只讀存儲(chǔ)器中，可以存放控制七段發(fā)光二極管的顯示的程序。晶振電路要連接到XTAL1的輸入端和XTAL2的輸出端引腳。RST引腳要連接到復(fù)位電路當(dāng)中。在紅綠燈路口的四組交通燈中分別控制單片機(jī)的P1.0-P1.2口、P1.5-P1.7口、P2.0-P2.2口、P2.5-P2.7口。交通燈中的數(shù)碼管的陽(yáng)極部分，通過(guò)限流電阻的限流和分壓與電源正極相連接。因此當(dāng)I/O輸入輸出端為邏輯門(mén)的低電平時(shí),與它相連接的交通指示燈會(huì)亮起。并通過(guò)數(shù)碼管的顯示屏來(lái)顯示出倒計(jì)時(shí)間。反之，當(dāng)高電平從I/O端口輸出時(shí),交通指示燈會(huì)熄滅。如圖4所示圖4主控電路2.3晶振電路STC89C52型單片機(jī)的晶振電路主要元器件包括一個(gè)工作頻率為12兆赫茲的晶體振蕩器和容量為50pF的兩個(gè)陶瓷材料電容。時(shí)鐘振蕩電路主要用于控制STC89C52單片機(jī)輸出，和它在正常工作時(shí)所需要的時(shí)間順序。然而STC89C52型單片機(jī)本身就是一個(gè)十分龐大的時(shí)序門(mén)電路。為了能夠精確完成時(shí)序模式的工作,該時(shí)序電路必須在唯一的時(shí)鐘邏輯電路的驅(qū)動(dòng)下，才能正常開(kāi)始工作。其中的晶振電路基本結(jié)構(gòu)如圖5所示:圖5晶振電路2.4復(fù)位電路模塊高電平輸入在電容的穩(wěn)壓電流的上方,電阻的穩(wěn)壓電流在下部必須要接地,中間部件是RST復(fù)位。實(shí)現(xiàn)在瞬時(shí)高電平下的自動(dòng)復(fù)位就是它的自動(dòng)復(fù)位控制電路的主要功能之一。其正常工作的基本原理是:當(dāng)兩個(gè)電容兩端通上穩(wěn)壓電源時(shí),就等于電路的兩相短路。之后在RST復(fù)位引腳上的邏輯電平變成為一個(gè)高電平輸入,電源開(kāi)始對(duì)電容兩端進(jìn)行充電來(lái)補(bǔ)充所消耗的電能。最后RST引腳端的電壓大小開(kāi)始緩慢地下降,降至一定的電壓符合程度,即為一個(gè)低電平輸入端。單片機(jī)就會(huì)重新開(kāi)始正常工作運(yùn)行。其中的復(fù)位電路基本結(jié)構(gòu)如圖6所示:圖6復(fù)位電路2.5交通燈模塊電路路口的交通燈信號(hào)指示器是采用了紅、黃、綠三種發(fā)光二極管來(lái)進(jìn)行提示。其結(jié)構(gòu)如圖7所示:圖7LED顯示模塊電路當(dāng)測(cè)量電阻R=2000歐時(shí),按照電流公式計(jì)算A=(5-1)/2000。對(duì)電流A的大小進(jìn)行測(cè)量計(jì)算,結(jié)果應(yīng)為A=2mA。由于每個(gè)路口的信號(hào)燈均為對(duì)向設(shè)置,因此每個(gè)輸入端口都必須等于原電流計(jì)算值的兩倍（4mA）。2.6數(shù)碼管顯示電路模塊鑒于本設(shè)計(jì)的實(shí)際需要,分別在各種交通方向上分別采用二位LED數(shù)碼管來(lái)顯示車(chē)輛倒計(jì)時(shí)。構(gòu)成的實(shí)時(shí)交通路況提示的重要信息,形象逼真。以行車(chē)方向東西舉例,數(shù)碼管上所實(shí)時(shí)顯示的時(shí)間數(shù)值從最高值開(kāi)始往向下遞減,每秒鐘只減1,一直降低至達(dá)到0。接下來(lái)又可以顯示綠燈時(shí)間,這樣又是一個(gè)新的循環(huán)。該交通燈系統(tǒng)中有4個(gè)兩位的LED型數(shù)碼管。采用共陰極帶有七段發(fā)光的數(shù)碼管，可以及時(shí)顯示道路通行和剩余時(shí)間。如果用一個(gè)單片機(jī)P0端口上加一個(gè)上拉電阻進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的話(huà),則P3.0、P3.1端口可以控制每個(gè)LED數(shù)碼管的位與字形。數(shù)字顯示控制電路如圖8所示:圖8數(shù)碼管顯示模塊電路2.7系統(tǒng)電源模塊電路在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)STC89C52型單片機(jī)中，二極管的直流工作電源電壓都是5V,所以要想真正能夠有效保證整個(gè)控制系統(tǒng)，電源必須要穩(wěn)定可靠，才能正常工作。就必需要設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)，能夠穩(wěn)定地為其提供+5V直流工作電壓的電源。為了方便供電，本方案設(shè)計(jì)主要采用了USB數(shù)據(jù)線(xiàn)連至電腦，將其作為整個(gè)系統(tǒng)的主要電源的供電系統(tǒng),該整個(gè)系統(tǒng)的電源電路電路框圖結(jié)構(gòu)如下圖9所示:圖9系統(tǒng)電源電路3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1程序主體設(shè)計(jì)流程整個(gè)自動(dòng)控制處理過(guò)程實(shí)際上可以詳細(xì)劃分幾個(gè)主要的控制模塊:鍵盤(pán)自動(dòng)順序設(shè)定控制處理程序、紅綠燈狀態(tài)顯示自動(dòng)控制處理程序、LED紅綠燈顯示器自動(dòng)控制處理程序、防抖動(dòng)和時(shí)間控制延遲自動(dòng)控制處理程序、自動(dòng)順序判斷控制處理程序、中斷自動(dòng)服務(wù)器控制子程序、車(chē)流自動(dòng)順序計(jì)數(shù)控制程序、紅綠燈計(jì)時(shí)和時(shí)間自動(dòng)順序調(diào)整控制程序等。如圖10所示設(shè)置字型碼和字位碼，完成顯示初始化外部中斷定義狀態(tài)數(shù)組宏定義設(shè)置字型碼和字位碼，完成顯示初始化外部中斷定義狀態(tài)數(shù)組宏定義返回while(1)函數(shù)進(jìn)入while(1)循環(huán)I/O初始化返回while(1)函數(shù)進(jìn)入while(1)循環(huán)I/O初始化定義字位碼函數(shù)定義字位碼函數(shù)定義共陰極字型編碼表定義共陰極字型編碼表調(diào)用顯示控制函數(shù)statusdis調(diào)用顯示控制函數(shù)statusdis（）進(jìn)入主函數(shù)main()定義函數(shù)變量并初始化定義函數(shù)變量并初始化定時(shí)器0初始化定時(shí)器0初始化調(diào)用dissmg()函數(shù)圖10軟件程序流程圖3.2定時(shí)中斷子程序定時(shí)狀態(tài)中斷軟件子程序處理是本次測(cè)試工作過(guò)程設(shè)計(jì)的一個(gè)工作核心,它負(fù)責(zé)及時(shí)自動(dòng)更改各數(shù)碼管的定時(shí)輸入輸出數(shù)據(jù)，調(diào)整各種定時(shí)狀態(tài)源和中斷處理。中斷更改主要由數(shù)碼管輸入的各種數(shù)據(jù)、中斷刷新處理程序和處于各種中斷狀態(tài)的數(shù)據(jù)管程序組成。它允許數(shù)碼管的輸出數(shù)據(jù)刷新，來(lái)回切換各種狀態(tài)。中斷包括數(shù)碼管倒計(jì)時(shí)顯示和各種狀態(tài)切換處理程序。如圖11所示定義1s定時(shí)中斷入口定義1s定時(shí)中斷入口設(shè)置字型碼和字位碼，完成數(shù)碼管倒計(jì)時(shí)顯示啟動(dòng)定時(shí)器中斷設(shè)置字型碼和字位碼，完成數(shù)碼管倒計(jì)時(shí)顯示啟動(dòng)定時(shí)器中斷 初始化定時(shí)器0初始化定時(shí)器0關(guān)閉定時(shí)器0關(guān)閉定時(shí)器0計(jì)數(shù)變量自加1計(jì)數(shù)變量自加1圖11定時(shí)中斷子程序3.3子程序模塊設(shè)計(jì)可以由在一個(gè)主程序中自己設(shè)定的最小初值問(wèn)題來(lái)了解。可知t0定時(shí)5毫秒，那么每當(dāng)t0到5毫秒時(shí)CPU就會(huì)對(duì)其溢出系統(tǒng)服務(wù)模式進(jìn)行響應(yīng)。然后再進(jìn)行中斷系統(tǒng)服務(wù)模式的請(qǐng)求,進(jìn)入其中斷系統(tǒng)服務(wù)模式。如圖12所示 調(diào)用中斷INT1INT0INT1INT0保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)紅燈全亮維持10S方程式控制顯示紅燈全亮維持10S方程式控制顯示恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)中斷返回中斷返回中斷返回中斷返回圖12定時(shí)中斷子程序4系統(tǒng)調(diào)試分析及結(jié)果設(shè)計(jì)本身要求系統(tǒng)需要實(shí)用性強(qiáng),操作簡(jiǎn)單,具有較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展和應(yīng)用功能。經(jīng)過(guò)調(diào)試后，單片機(jī)指令無(wú)誤，各模塊系統(tǒng)和要求都能按照計(jì)劃正常運(yùn)行。4.1實(shí)物調(diào)試用萬(wàn)用板將交通燈的各個(gè)元器