模拟交通灯 毕业设计

毕业设计

题目模拟交通灯

系别电气工程系

专业电气自动化技术

班级电气0801班

姓名

学号

指导教师

日期 2010年12月

设计任务书

设计题目：

模拟交通灯

设计要求：

1.用单片机组成模拟交通灯系统，设计硬件电路及相应软件。

2.在十字路口的两个方向上各设一组红绿黄灯,显示顺序为：其中一个方向是绿灯、黄灯、红灯,另一个方向是红灯、绿灯、黄灯。

3.设置一组数码管,以倒计时的方式显示允许通过或禁止通行的时间,其中左转灯、绿灯、黄灯、红灯的持续时间分别是15S、30S、3S、48S。

4.当各条路上任意一条出现特殊情况,例如消防车、救护车或其他需要优先放行的车辆时,各方向上均是红灯亮,倒计时停止,且显示数字在闪烁,当特殊运行状态结束后,控制器恢复原来状态,继续正常运行。

设计进度要求：

第一周：确定题目，查阅有关资料；

第二周：查阅资料，收集资料；

第三周：列出设计思路；

第四周：硬件电路的设计；

第五周：软件程序的设计；

第六周：软件程序的仿真与调试；

第七周：打印毕业论文；

第八周：毕业答辩

指导教师（签名）：

摘要

设计以单片机为核心部件的模拟交通灯，利用74LS244作为断码驱动器，74LS07作为位码驱动，LED七段数码管作为计时显示用，用发光二极管指示交通的通行，用按键进行紧急事件的发生，使两个方向都亮红灯，绿灯亮通行，红灯亮停止通行。

本设计利用定时器进行定时，使定时器工作于方式一定时50ms，配合软件计数器，调用中断程序使定时器定时20次，达到定时1S的目的，同时调用显示程序，显示到计时的时间，用单片机Intel89S51作为核心部件,8路74LS244总线驱动器作为字形驱动芯片和6路驱动74LS07位选码作为中心器件来设计交通灯控制器，实现了交通灯的控制，显示时间直接通过89S51的P0、P1口输出；交通灯信号通过P3口输出；本交通灯系统简单，实用性强，成本低，使用维护方便，软件功能强，运行稳定可靠等优点。

关键词：单片机，交通灯，位码，段码，显示

目录

摘要 ................................................................... I I 1 单片机的发展及应用 .. (1)

1.1单片机的发展 (1)

1.2单片机的应用 (1)

2 总体方案设计 (3)

2.1系统框图 (3)

2.2计时控制方案 (3)

2.3显示控制方案 (3)

2.4键盘控制方案 (3)

2.5电路原理 (4)

3 硬件设计 (6)

3.189S51单片机的简介 (6)

3.289S51单片机的引脚 (7)

3.389S51单片机复位方式 (8)

3.474LS244的功能 (9)

3.574LS07的功能 (9)

3.6键盘接口工作原理 (10)

3.7七段LED显示工作原理 (11)

4 软件设计 (13)

4.1总体思路 (13)

4.2定时１秒的方法 (14)

4.3定时器初值计算 (14)

4.4主程序模块 (15)

4.5中断服务程序模块 (16)

4.6显示程序模块 (16)

5 系统调试 (19)

6 结论 (21)

致谢 (22)

参考文献 (23)

1 单片机的发展及应用

1.1 单片机的发展

单片微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是一种非常活跃和颇具有生命力的机种。单片微型计算机简称单片机，特别适用于工业控制领域，因此又称为微控器。

1971年微处理器研制成功不久，就出现了单片微型计算机即单片机，但最早的单片机是1位的，处理能力有限。

单片机的发展分为4个阶段：

第一阶段（1974—76年）：单片机初级阶段。因为受工艺限制，单片机采用单片的形式而且功能比较简单。例如美国仙童公司生产的F8单片机，实际上只包括了8位CPU，64个字节的RAM和2个并行接口。

第二阶段（1976—78年）：低性能单片机阶段。以Intel公司生产的MCS——48系列单片机为代表，该系列单片机片内集成有8位CPU，8位定时器/计数器，并行I/O接口，RAM和ROM等，但是最大的缺点就是无串行接口，中断处理比较简单而且片内RAM和ROM容量较小，且寻址范围不大与4KB。

第三阶段（1978—83）高性能单片阶段这个阶段推出的单片机普遍带有串行接口。多级中断系统，16位定时器/计数器，片内ROM，RAM容量加大，且寻址范围可达64KB，有的片内还带有A/D转换器。

第四阶段（1983年至今）8位单片机巩固发展以及16位单片机，32 位单片机推出阶段。此阶段的主要特征是：一方面发展16位单片机，32位单片机及专用型单片机；另一方面不断完善高档8位单片机，改善其结构，增加片内器件，以满足不同的客户要求。

1.2 单片机的应用

单片机的应用很广，分别在以下领域中得到了广泛的应用：

工业自动化：在自动化技术中，无论是过程控制技术、数据采集技术还是测控技术，都离不开单片机。在工业自动化的领域中，机电一体化技术将发挥愈来愈重

要的作用，在这种机械、微电子和计算机技术为一体的综合技术（例如机器人技术、数控技术）中，单片机将发挥非常重要的作用特别是近些年来，随着计算机技术的发展，工业自动化也发展到了一个新的高度，出现了无人工厂、机器人作业、网络化工厂等，不仅将人从繁重、重复和危险的工业现场解放出来，还大大提高了生产效率，降低了生产成本。

仪器仪表：目前对仪器仪表的自动化和智能化要求越来越高。在自动化测量仪器中，单片机应用十分普及。单片机的使用有助于提高仪器仪表的精度和准确度，简化结构，减小体积，易于携带和使用，加速仪器仪表向数字化、智能化和多功能化方向发展。

消费类电子产品：该应用主要反映在家电领域。目前家电产品的一个重要发展趋势是不断提高其智能化程度。例如，电子游戏、照相机、洗衣机、电冰箱、空调、电视机、微波炉、手机、IC卡、汽车电子设备等。在这些设备中使用了单片机后，其功能和性能大大提高，并实现了智能化、最优化控制。

通信方面：较高档的单片机都具有通信接口，因而为单片机在通信设备中的应用创造了很好的条件。例如，在微波通信、短波通信、载波通信、光纤通信、程控交换等通信设备和仪器中都能找到单片机的应用。

武器装备：在现代化的武器装备中，如飞机、军舰、坦克、导弹、鱼雷制导、智能武器设备、航天飞机导航系统，都有单片机在其中发挥重要作用。

终端及外部设备控制：计算机网络终端设备，如银行终端，以及计算机外部设备如打印机、硬盘驱动器、绘图机、传真机、复印机等，在这些设备中都使用了单片机。

2 总体方案设计

2.1 系统框图

交通灯控制的总体设计框图如图2.1所示：

图2.1 系统框图

2.2 计时控制方案

利用89S51内部的定时器/计数器进行定时，配合软件延时实现到计时。该方案节省硬件成本，切能够使读者在定时器/计数器的使用、中断及程序设计方面得到锻炼与提高。

2.3 显示控制方案

显示分为静态示和动态显示静态显示由于占用较多的接口，在单片机设计中常采用串行扩展来完成。该方案占用接口资源多，显示亮度有保证，但硬件开销大，电路复杂，信息刷新速度慢，实用于并行接口资源较少以及对显示没有要求的场合。LED动态显示硬件连接简单，但动态扫描的显示方式需占用CPU较多的时间，在该系统中由于单片机除了扫描89S51芯片外没有太多的实时测控任务，故选用动态扫描方式。

2.4 键盘控制方案

键盘分为独立式键盘和行列式键盘，独立式键盘接口电路配置灵活，硬件结构简单工作可靠但每个按键必须占用一跟I/O接口线，I/O接口线浪费较大，在单片

机应用系统中，有时只需要几个简单的按键向系统输入信息，可将按键直接在一根I/O接口线上，故只在按键数量不多时采用。而行列式键盘每条行线与列线在交叉处不直接相通，而是通过一个按键加以连接，当按键较多时可采用行列式的键盘。

2.5 电路原理

电路的核心是89S51单片机，其内部带有4KB的FlashROM,无须扩展程序存储器；电脑没有大量的运算和暂存数据，现有的128B片内RAM已能满足要求，也不必扩展片外RAM，系统配备4位LED显示和2个单接口键盘，采用P0接口外接8路反相三态缓冲器74LS244作LED动态扫描的段码控制驱动信号,用P1接口的P1.0-P1.3外接一片集电极开路反相门电路74LS07做为4位LED的位选信号驱动口，LED共阴极端与74LS07的输出端相连；按键接口，由P2.0,P2.1来完成。P3口接交通指示灯，整个系统采用查表的方法，将交通灯的显示情况和数码管的计时情况，分别以代码的形式送到指示灯和LED数码管，启动定时器，同时调用显示程序，和查询按键。利用软件计数器的方法计时一秒，利用中断的方法使计时时间循环，当按下应急按键时停止定时器，送一个代码使两个方向都亮红灯，按下一个按键时启动定时器，恢复循环。如下图2.2图所示：

图2.2 电路原理图

3 硬件设计

3.1 89S51单片机的简介

89S51是MCS-51系列单片机的典型产品，我们就这一代表性的机型进行系统的讲解。89S51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。单片机内部结构如图3.1所示：

图3.1单片机内部结构示意图

1、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。

2、数据存储器(RAM)

89S51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。

3、程序存储器(ROM)

89S51共有4KB掩膜ROM，最大可扩展64K字节，用于存放用户程序，原始数

据或表格。

4、定时/计数器：

89S51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。

5、并行输入输出(I/O)口：

89S51共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。

6、中断系统：

89S51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。

3.2 89S51单片机的引脚

89S51单片机内部总线是单总线结构,即数据总线和地址总线是公用的， 89S51有40条引脚, 与其他51系列单片机引脚是兼容的，这40条引脚可分为I/O接口线、电源线、控制线、外接晶体线4部分. 89S51单片机为双列直插式封装结构如图3.2所示：

图3.2 89S51引脚分配图

89S51单机的电源线有以下两种：

（1） VCC：+5V电源线。

（2） GND：接地线。

89S51单片机的外接晶体引脚有以下两种:

（1）XTAL1：片内振荡器反相放大器的输入端和内部时钟工作的输入端。采用内部振荡器时，它接外部石英晶体和微调电容的一个引脚。

（2） XTAL2：片内振荡器反相放大器的输出端，接外部石英晶体和微调电容的另一端。采用外部振荡器时，该引脚悬空。外接晶体引脚。

控制线 89S51单片机的控制线有以下几种：

（1） RST：复位输入端，高电平有效。

（2） ALE/PROG：地址锁存允许/编程线。

（3） PSEN：外部程序存储器的读选通线。

（4）EA：片外ROM允许访问端/编程电源端。

3.3 89S51单片机复位方式

单片机在开机时或在工作中因干扰而使程序失控，或工作中程序处于某种死循环状态，在这种情况下都需要复位，复位的作用是使中央处理器CPU以及其他功能部件都恢复到一个确定的初始状态,并从这个状态重新开始工作。

89S51单片机的复位靠外部电路实现,信号由RESET(RST)引脚输入,高电平有效,在振荡器工作时,只要保持RST引脚高电平两个机器周期,单片机即复位. 复位后,PC程序计数器的内容为0000H,片内RAM中内容不变，复位电路一般有上电复位、手动开关复位和自动复位电路3种如图3.3所示：

a.上电复位电路

b. 手动复位电路

c. 自动复位电路

图3.3 单片机复位电路

3.4 74LS244的功能

74LS244是原码三态输出的8缓冲数码驱动器，其管脚分布图如图3.4所示，G 为控制端，又称为使能端其工作原理如下：

当G=0时，A输入为低电平时，Y输出也为低电平。

当G=0时，A输入为高电平时，Y输出为高电平。

当G=1时，A不论输入高电平还是低电功能如表3.1所示：

表3.1 74LS244的功能表

图3.4 74LS244管脚图

3.5 74LS07的功能

74LS07是六缓冲的数码驱动器，它是有6个集电极开路的非门所组成，管脚分布如图3.5所示，其工作原理如下，当使能端为低电平时，输入为高电平时输出也为高电平，当输入为低电平时输出也为低电平，其逻辑表达式为：Y=A。

图3.5 74LS07管脚图

3.6 键盘接口工作原理

在单片机应用系统中，常用键盘作为输入设备，通过它将数据、内存地址、命令及指令等输入到系统中，来实现简单的人机通信。

3.6.1 按键开关的去除抖动功能

目前,MCS—51单片机应用系统上的按键常采用机械触点式按键,它在断开、闭合时输入电压波形如图3.6所示.可以看出机械触点在闭合及断开瞬间均有抖动过程,时间长短与开关的机械特性有关,一般为5ms到10ms。由于抖动，会造成被查询的开关状态无法准确读出。例如，一次按键产生的正确开关状态，由于键的抖动，CPU多次采集到底电平信号，会被误认为按键被多次按下，就会多次进行键输入操作，这是不允许的。为了保证CPU对键的一次闭合仅在按键稳定时作一次键输入处理，必须消除产生的前沿（后沿）抖动影响。

图3.6 按键过程

3.6.2 独立式键盘的接口电路

独立式键盘的接口电路：在单片机应用系统中，有时只需要几个简单的按键向系统输入信息。这时，可将每个按键直接接在一根I/O接口线上，这种连接方式的键盘称为独立式键盘。如图3.7所示，每个独立按键单独占有一根I/O接口线，每根I/O接口线的工作状态不会影响到其他I/O接口线。这种按键接口电路配置灵活，硬件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O线，I/O接口线浪费较大。故只在按键数量不多时采用这种按键电路。

在此电路中，按键输入都采用低电平有效。上拉电阻保证了按键断开时，I/O 接口线有确定的高电平。当I/O接口内部有上拉电阻时，外电路可以不配置上拉电阻。

图3.7 独立式键盘电路

3.7 七段LED显示工作原理

LED显示器是由发光二极管显示字段的MCS-51单片机输出设备。单片机应用系统常采用七段LED数码管作为显示器，这种显示器具有耗电低、配置灵活、线路简单、安装方便、耐转动、价格低廉且寿命长等优点。因此应用比较广泛。

LED数码管显示器可以分为共阴极和共阳极两种结构，本设计采用共阴极型。

(1)共阴极结构：如果所有的发光二极管的阴极接在一起，称为共阴极结构，则数码显示段输入高电平有效，当某段输入高电平该段便发光，如图3.8a所示。

(2)共阳极结构：如果所有的发光二极管的阳极接在一起，称为共阳极结构，则数码显示段输入低平有效，当某段输入低电平该段便发光，如图3.8b所示：

a .共阴极

b .共阳极

图3.8 七段LED显示器

LED动态显示接口：LED动态显示就是利用单片机依次输出每一位数码管的段选码和对应于该位数码管的位选控制信号，一位一位轮流点亮各七段数码管。对每位数码管来说，每隔一段时间点亮一次，如此循环。利用人眼的“视觉暂留”效应，只要每位显示间隔足够短就可以给人以同时显示的感觉。在动态显示方式中，同一时刻，只有一位LED数码管在显示，其他各位是关闭的。在段选码和位选码每送出一次后，应保持1ms左右，这个时间应根据实际情况而定。不能太小，因而发光二极管从导通到发光有一定的延时，导通时间太小，发光太弱人眼无法看清。但也不能太大，因为毕竟要受限于临界闪烁频率，而且此时间越长，占用CPU时间也越多。

采用动态显示方式比较节省I/O接口，硬件电路也较静态显示方式简单，但其亮度不如静态显示方式，而且在显示位数较多时，CPU要依次扫描，占用CPU较多的时间。

用MCS-51单片机构建七段数码管动态显示系统时，4位数码管均采用共阴极LED，P0接口作为段选码输出口，8路驱动采用74LS244总线驱动器作为字形驱动芯片，经过8路驱动电路后接至数码管的各段，字形驱动输出0时发光。P2接口作为位选码输出口，4路驱动采用74LS07（OC门驱动器），当C接口线输出1时，选通相应位的数码管工作。

４软件设计

4.1 总体思路

交通灯的控制主要是利用单片机，是单片机的一个典型应用，首先用八个二极管的亮与灭来模拟交通灯的各种状态。考虑交通灯的功能，一个十字路口至少需8组交通灯：东西南北各两组，一组指挥转弯，一组指挥直行而设计的关键是控制交通灯的亮与灭。考虑南北、东西方向灯的亮灭规律相同，故可以考虑用八个两组交通灯来模拟实际的八组交通灯：东西一组四个二极管，南北一组四个二极管，分别用红、绿、黄、橙用来指示直行和转弯。先南北直行红灯亮，而后黄灯亮3秒，再直行绿灯亮9秒，黄灯亮3秒；然后南北转弯绿灯亮，黄灯亮，南北交通灯都亮红灯；东西交通灯以同样规律变化。可用中断计数器控制，来显示不同的二极管来模拟交通灯不同的状态。同时使用数码管来显示时间提醒行人停止行走或准备行走。

（1）每次绿灯变红灯时，要求黄灯先亮3秒，黄灯亮时，绿灯灭。

（2）要求在绿灯亮（通行时间内）和红灯亮（禁止通行时间内）时均有倒计时显示。

依据上述可以列出各个路口灯的逻辑表，如表3.1所示

表中的“1”代表逻辑高电平，即为灯亮；“0”代表逻辑高电平，即为灯灭。依上表可以向相应的端口送逻辑值。

交通灯设计主要分以下几个模块：交通灯亮灭控制模块，交通灯显示模块，倒计时计数模块，倒计时显示模块。

（1）交通灯亮灭控制模块，是通过时间的变化来传输的。条件达到时即进行状态转换。用一个计数器，当时间从初值48、30、15、3开始倒计至0时发生相应的交通灯红，绿，黄，橙亮灭的转变。而时间为0时，重新置为同上初值。

（2）交通灯显示模块，将LED__COM端共阴点即送高电平“1”，就可以启动。由交通灯控制模块来控制交通灯的亮灭变换。

（3）倒计时计数模块及显示模块主要用于记录显示时间，以方便行人，可以用数码管显示，要注意的是需要将二进制数通过修正关系转化成BCD码。而当使能信号置0复位时，时间也要清零。

4.2 定时１秒的方法

定时方法我们采用软硬件结合的方法，在主程序中设定一个初值为20毫秒的软件计数器使定时器0工作于方式1定时50毫秒，这样每当T0到50毫秒时CPU 就响应它的溢出中断请求，进入他的中断服务子程序。在中断服务子程序中，CPU 先使软件计数器减1，然后判断它是否为零。为零表示1秒已到。

4.3 定时器初值计算

定时器工作时必须给计数器送初值，将这个值送到TH和TL中。他是以加法记数的，并能从全1到全0时自动产生溢出中断请求。因此工作于方式1,定时器为16位计数器其定时时间由下式计算：

定时时间=（216－X）×振荡周期×12（或）

X=216－定时时间／振荡周期×12

式中x为T0的初始值，该值和计数器工作方式有关。

如单片机的主脉冲频率为12MHZ ，经过12分频

方式0: 定时时间＝213× 1微秒＝8.192毫秒

方式1: 定时时间＝216× 1微秒＝65.536毫秒

秒钟已经超过了计数器的最大定时间，所以我们只有采用定时器和软件相结合的办法才能解决这个问题，定时器需定时50毫秒，故T0工作于方式1，定时20次，就可定时一秒。

4.4 主程序模块

主程序初始化和按键控制，首先将时间、中断、次数、和显示分别进行初始化，然后启动定时器对时间进行判断，将时间送数据缓冲区，调用显示程序，同时扫描按键程序，用无条件跳转指令返回, 再调用显示程序，如此周而复始的循环，如图4.1所示：

图4.1 主程序流程图

主程序：

初值：X=216－定时时间／振荡周期×12＝216－50ms/1us=15536=3CB0H，TH0=3CH ， TL0=0B0H。

ORG 0000H

AJMP START

ORG 0030H

START: MOV TMOD, #01H ；令T0为定时器方式1

MOV TH0, #3CH ；装入定时器初值

MOV TL0, #0B0H

SETB EA ；开T0中断

SETB TF0

SEBT TR0 ；启动T0计数器

MOV R0,#20H ；软件计数器赋初值

LJMP $ ；等待中断

4.5 中断服务程序模块

进入中断程序后，先保护现场，判断一秒钟到了吗？如果没有到将定时器重装初值恢复现场，返回主程序，如果一秒钟到了，将软件计数器重初值；判断指示灯循环显示完了吗？如果没完，将保地址重新送入程序计数器中，然后再查表下一地址，显示下一组指示灯状态和显示时间，保存下一组程序数据地址，将定时器重装初值，恢复现场，返回主程序，如果完了，查表首地址，查时间地址，保存下一地址，将定时器重装初值，恢复现场，返回主程序。同时一秒到了应先判断个位是否为0，如果个位是0，判断十位是不是0，如果十位也是0，判断交通灯是否安黄、绿、红的顺序循环完毕，如果没循环完应查下一组数据继续循环，如果循环完必，应查表首地址，周而复始的循环，如果十位不是0，应将十位先减1，个位送9，然后返回，再进行中断定时一秒，然后再判断，如果个位不是0，应将个位减1，将定时器重装初值，恢复现场。重新周而复始的循环，如图4.2所示：

4.6 显示程序模块

显示程序采用动态显示，由位码控制那一个数码管显示，由段码控制数码管显示什么数值，根据中断程序显示时间来查表显示数值，从第一位到第四位逐个点亮，同时每显示一位判断一次四位显示完了吗？没有显示完进行显示下一位，显示完了从头开始再循环。如图4.3所示: