智能交通灯系统课程设计报告

江苏师范大学物电学院课程设计报告

课程名称：单片机课程实训

题目：智能交通灯系统

专业班级：

学生姓名：

学生学号：

日期：

指导教师：

说明：

1、报告中的第一、二、三项由学生在课程设计开始前填写，由指导教师指

导并确认签字。

2、学生成绩由指导教师根据学生的设计情况给出各项分值及总评成绩，并

填写成绩评定表。

3、所有学生必须参加课程设计的答辩环节，凡不参加答辩者，其成绩一律

按不及格处理。答辩小组成员应由2人及以上教师组成。答辩后学生根据答辩情况填写答辩记录表。

4、报告正文字数一般应不少于3000字，也可由指导教师根据本门课程设

计的情况另行规定。

5、平时表现成绩低于6分的学生，取消答辩资格，其该课程设计成绩按不

及格处理。

6、课程设计完成后，由指导教师根据完成情况写出总结。

7、此表格式为江苏师范大学物理与电子工程学院提供的基本格式，指导教

师可根据本门课程设计的特点及内容做适当的调整。

一、课程设计目的、任务和内容要求：

通过该课程设计使学生进一步了解和加深智能化仪器设计的一般原则；熟练掌握智能化仪器与装置的软、硬件设计方法；掌握仪器的软件调试及软硬件联合统调方法与技能。掌握仪器的接口技术和程控方法；熟练掌握仪表总线的工作原理、设计步骤、编程及调试；掌握C设计软件的编程与调试方法；掌握网络化仪器设计编程与调试方法。

本课程设计的任务就是设计一个智能交通灯系统。鼓励学生在熟悉基本原理的前提下，与实际应用相联系，提出自己的方案，完善设计。

具体设计任务如下：

1．熟悉QG8芯片与ISD语音模块的工作原理；

2．写出智能交通灯系统的设计方案；

3．用硬件加以实现；

4．写课程设计报告。

设计要求：

1.数码管显示倒计时，且时间可调；

2.红绿灯亮时间与数码管一致；

3.红灯亮时对应语音模块提示；

4.绿灯亮时对应语音模块提示。

二、进度安排：

第1~3天：查找资料，熟悉QG8单片机与ISD语音模块的工作原理，给出总体设计方案；

第4~6天：各模块的详细设计；

第7~12天：硬件连线，调试；

第13~14天：写课程设计报告。

三、主要参考文献：

1.丁元杰.单片微机的原理与应用[M].机械工业出版社

2.王宜怀.嵌入式技术基础与实践[M].清华大学出版社,2010

3.张齐，朱宁西.单片机应用系统设计技术[M].北京：电子工业出版社，2010

4.周新华.手把手叫你学单片机C程序设计[M].北京：北京航天航空大学出版社，2009

5.李刚，陈世利等.飞思卡尔8位单片机实用教程[M]. 北京：电子工业出版社，2009

6.王威.嵌入式微控制器S08AW原理与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009

指导教师签字：

年月日

目录

摘要 (1)

Abstract (2)

1 系统概要 (3)

1.1 系统背景 (3)

1.2 系统功能 (3)

2 设计思路图 (4)

2.1 设计思路……………….……………………………….………………………... ..4

2.2 总体框图 (4)

2.3 显示界面方案 (5)

2.4 输入方案 (5)

3 各元器件介绍 (6)

3.1 MCS08QG8芯片简介 (6)

3.1.1 Freescale08系列发展简史及S08系列MCU命名规则 (6)

3.2 八段LED数码管 (7)

3.3 发光二极管 (7)

4 各模块电路设计及分析 (8)

4.1 单片机交通控制系统的通行方案设计 (8)

4.2 单片机交通控制系统的功能要求 (9)

4.2.1 倒计时显示 (9)

4.2.2 时间的设置..................................................................................... .9

4.2.3 紧急处理 (9)

4.3 单片机交通控制系统的基本构成及原理................................................ (9)

5 系统软件程序的设计 ............... (11)

5.1 BDM写入器电路 (11)

5.2 主程序流程图 (12)

5.3 主程序代码 (12)

5.3.1主程序显示 (12)

5.3.2数码管倒计时显示 (13)

5.3.3交通灯切换显示 (14)

5.3.4总体程序完整显示 (15)

6 设计总结 ............ (16)

参考文献............ . (17)

附：电路效果图 (18)

摘要

随着人们社会活动日益增加，经济发展，汽车数量急剧增加，城市道路日渐拥挤，交通灯改变了交通路况，也在人们日常生活中占据了重要地位，使得交通得到有效管制，对于交通疏导，提高道路导通能力，减少交通事故有显著的效果。

近年来，科技的飞速发展，使得电子器件也随之广泛应用，其中单片机也不断深入人民的生活当中。本模拟交通灯系统利用单片机飞思卡尔QG8作为核心元件，由单片机硬/软件系统，两位8段数码管和LED灯显示系统和复位电路控制电路等组成，较好的模拟了交通路面的控制，实现了通过信号灯对路面状况的智能控制。从一定程度上解决了交通路口堵塞、车辆停车等待时间不合理、急车强通等问题。系统具有结构简单、可靠性高、成本低、实时性好、安装维护方便等优点，有广泛的应用前景。

关键词：交通灯；单片机；数码管

Abstract

With increasingly social activity and economic development, the number of cars increased dramatically, increasingly congested city roads,the traffic lights changed traffic conditions, but also play an important role in people's daily lives，traffic lights show more of its functions, making effective traffic control for traffic control, improve road conduction capacity and have a significant effect on reducing traffic accidents .

In recent years, with the rapid development of technology, electronic devices also will be widely used, the microcontroller is also among the people living deepening. The simulated traffic light system using microcontroller Freescale QG8 as a core component The simulation system consists of microcontroller hardware / software systems, two 8-segment LED display systems and LED lights and resets circuit control circuit and other components, better control of simulated road traffic,achieving the lights on road conditions through intelligent control. To some extent, solve the traffic intersection congestion, vehicle parking unreasonable wait times, emergency vehicle pass other issues. System has a simple structure, high reliability, low cost, real-time, easy installation and maintenance, etc., there is a wide range of applications.

Keywords: traffic light; microcontroller; digital

1 系统概要

1.1 系统背景

单片机（MCU）的基本定义是：在一块芯片上集成了中央处理器（CPU）、存储器（RAM/ROM等）、定时器/计数器及多种输入输出（I/O）接口的比较完整的数字处理系统。单片机自1976年由Intel公司推出MCS-48开始，迄今已有二十多年了。由于单片机集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗地、使用方便、价格低廉等一系列优点，目前已经渗入到人们工作和生活的方方面面，几乎“无处不在，无所不为”。单片机的应用领域已从面向工业控制、通讯、交通、智能仪表等迅速发展到家用消费产品、办公自动化、汽车电子、PC机外围以及网络通讯等广大领域。

Freescale的S08系列8位MCU由于稳定性高、开发周期短、成本低、型号多样、兼容性好被广泛应用。HC08是Freescale的08系列之一S08表示增强型HC08，它是在HC08基础上发展起来的，兼容HC08系列。S08是2004年左右推出8位MCU，资源丰富，功耗低，性价比很高，是08系列MCU发展趋势，其性能与许多16位MCU相当。MC9S08AW60是低成本、高性能8位微处理器S08家族中的成员，本次课程设计就是以该芯片为基础，来进行嵌入式的设计。

1.2 系统功能

当程序写入单片机，接通电源，数码管从当前设定值开始倒计时。按秒刷新，,当计时器停止时就开始进行红绿灯的转换。

时间格式是00。通过向通用I/O端口的引脚输入高或低（1或0）电平，作为启动键，对数码管开始运行。显示数据时，按秒刷新，当显示到00是灯就开始自动转换，同时语音系统开始工作。语音系统开始读出它事先录好的语音。

2 设计思路及框图

2.1设计思路

（1）分析目前交通路口的基本控制技术以及各种通行方案，并以此为基础提出自己的交通控制的初步方案。

（2）确定系统交通控制的总体设计，包括，十字路口具体的通行禁行方案设计以及系统应拥有的各项功能，在这里，本设计除了有信号灯状态控制能实现基本的交通功能，还增加了倒计时显示提示，基于实际情况，又增加了紧急状况处理和通行时间可调这两项特特殊功能。

（3）进行显示电路，灯状态电路，按键电路的设计和对各器件的选择及连接，大体分配各个器件及模块的基本功能要求。

（4）进行软件系统的设计，对于本系统，本人采用单片机汇编语言编写，对单片机内部结构和工作情况做了充足的研究，了解定时器，中断以及延时原理，总体上完成了软件的编写。

2.2总体框图

倒计时器设计总体设计方框图如图2-1所示，控制器采用单片机MC9S08QG8，用数码管实现时间显示，等倒计时结束实现交通灯状态的转换。

图2-1 总体设计框图

单片机

最小系统 外围接口电路

LED 数码管显示

红黄绿信号灯

按键 控制电路

2.3显示界面方案

该系统要求完成倒计时功能。基于上述原因，我考虑了二种方案：

方案一：采用数码管显示。这种方案只显示有限的符号和数码字符，简单，方便。方案二：采用点阵式LED 显示。这种方案虽然功能强大，并可方便的显示各种英文字符，汉字，图形等，但实现复杂，且须完成大量的软件工作。

综上所述，我选择第一种方案。

2.4 输入方案

题目要求系统能调节灯亮时间，并可处理紧急情况，我研究了两种方案：方案一：采用8155扩展I/O 口及键盘，显示等。该方案的优点是：使用灵活可编程，并且有RAM,及计数器。若用该方案，可提供较多I/O 口,但操作起来稍显复杂。

方案二：直接在I/O口线上接上按键开关。

由于该系统对于交通灯及数码管的控制，只用单片机本身的I/O 口就可实现，且本身的计数器及RAM已经够用，故选择方案二。

3 各元器件介绍

3.1 MC9S08QG8芯片

系统主控芯片采用Freescale公司的MC9S08QG8单片机，其管脚排列如图3-1所示。

图3-1 MC9S08QG8的16管脚分配

目前，Freescale的08系列单片机主要有HC08、HCS08和RS08三种类型。

1999年，HC08面世--高性能8位单片机。2004年，HCS08诞生--资源丰富，功耗低，性价比很高。2006年，RS08涌现--内核体积比传统的内核小30%，带有精简指令集，满足用户对体积更小、更加经济高效的解决方案的需求。

Freescale S08系列MCU的型号庞大，但同一系列的CPU是相同的，也就是说具有相同的指令系统，多种型号只是为了适用于不同的场合。为了方便实际应用时选型，需要了解FreescaleMCU的命名方法，其基本命名规则如下：

хххххххххххх

①②③④⑤⑥⑦

①产品状态MC—Fully Qualified （合格）

PC—Product Engineering (测试品)

②存储器类型标志8—片内带EPPROM 9--片内带Flash EPPROM

③芯片内核08—HC08 S08 RS08

④子系列型号标志AW QG GB DZ JM

⑤存储器大小8—8KB 32—32KB 60—60KB

⑥工作温度范围标志“无”--0℃--70℃C-- -40℃--85℃

⑦封装标志P—DIP SD--SSOP

3.2 八段LED数码管

LED显示屏作为大型显示设备的一种，具有亮度高、价格低、寿命长、维护简便等优点。LED数码管的结构简单，分为七段和八段两种形式，也有共阳和共阴之分。以八段共阳管为例，它有8个发光二极管(比七段多一个发光二极管，

用来显示dP，即点)，每个发光二极管的阳极连在一起，如图3-2所示。这样，一个LED数码管就有I根位选线和8根段选线，要想显示一个数值，就要分别对它们的高低电平来加以控制。为方便起见，本文主要讨论共阳八段LED数码显示管，其他类形的显示管与其类似。

图3-2 MC9S08QG8的16管脚分配

LED 灯的显示原理:通过同名管脚上所加电平的高低来控制发光二极管是否点亮而显示不同的字形，如 dp，g,f,e,d,c,b,a全亮显示为８，采用共阳极连接驱动代码。

3.3 发光二极管

根据本设计的特点，红绿灯的显示不可少，红绿灯的显示采用普通的发光二极管。每个方向上设置红绿黄灯，总共4组。如果东西红灯亮，那南北方向就是绿灯亮，反之亦然，所以在硬件上连接图上也是对称分布的，如下图3-3所示。

图3-3 模拟电路

4 单片机交通控制系统总体设计

4.1单片机交通控制系统的通行方案设计

设在十字路口，分为东西向和南北向，在任一时刻只有一个方向通行，另一方向禁行，持续一定时间，经过短暂的过渡时间，将通行禁行方向对换。其具体状态如下图所示。说明：黑色表示亮，白色表示灭。交通状态从状态1开始变换，直至状态6然后循环至状态1，周而复始，即如图2.1所示：

图4-1 交通灯

通过具体的路口交通灯状态的演示分析我们可以把这四个状态归纳如下：◆东西方向红灯灭，同时绿灯亮，南北方向黄灯灭，同时红灯亮，倒计时20秒。此状态下，东西向禁止通行，南北向允许通行。

◆东西方向绿灯灭，同时黄灯亮，南北方向红灯亮，倒计时5秒。此状态下，除了已经正在通行中的其他所以车辆都需等待状态转换。

◆南北方向红灯灭，同时绿灯亮，东西方向黄灯灭，同时红灯亮，倒计时20秒。此状态下，东西向允许通行，南北向禁止通行。

◆南北方向绿灯灭，同时黄灯亮，东西方向红灯亮，倒计时5秒。此状态下，除了已经正在通行中的其他所以车辆都需等待状态转换。

下面我们可以用图表表示灯状态和行止状态的关系如下：

表1交通状态及红绿灯状态

东西南北四个路口均有红绿黄3灯和数码显示管2个，在任一个路口，遇红

灯禁止通行，转绿灯允许通行，之后黄灯亮警告行止状态将变换。状态及红绿灯状态如表1所示。说明：0表示灭，1表示亮。

4.2 单片机交通控制系统的功能要求

本设计能模拟基本的交通控制系统，用红绿黄灯表示禁行，通行和等待的信号发生，还能进行倒计时显示，通行时间调整和紧急处理等功能。

4.2.1倒计时显示

倒计时显示可以提醒驾驶员在信号灯灯色发生改变的时间、在“停止”和“通过”两者间作出合适的选择。驾驶员和行人普遍都愿意选择有倒计时显示的信号控制方式，并且认为有倒计时显示的路口更安全。倒计时显示是用来减少驾驶员在信号灯色改变的关键时刻做出复杂判断的1种方法，它可以提醒驾驶员灯色发生改变的时间，帮助驾驶员在“停止”和“通过”两者间作出合适的选择。

4.2.2时间的设置

本设计中可通过键盘对时间进行手动设置，增加了人为的可控性，避免自动故障和意外发生，并再紧急状态下，可设置所有灯变为红灯。键盘是单片机系统中最常用的人机接口，一般情况下有独立式和行列式两种。前者软件编写简单，但在按键数量较多时特别浪费I／0口资源，一般用于按键数量少的系统。后者适用于按键数量较多的场合，但是在单片机I／0 口资源相对较少而需要较多按键时，此方法仍不能满足设计要求。本系统要求的按键控制不多，且I／0口足够，可直接采用独立式。

4.2.3紧急处理

交通路口出现紧急状况在所难免，如特大事件发生，救护车等急行车通过等，我们都必须尽量允许其畅通无阻，毕竟在这种情况下是分秒必争的，时时刻刻关系着公共财产安全，个人生死攸关等。由此在交通控制中增设禁停按键，就可达到想此目的。

4.3单片机交通控制系统的基本构成及原理

单片机设计交通灯控制系统，可用单片机直接控制信号灯的状态变化，基本上可以指挥交通的具体通行，当然，接入LED数码管就可以显示倒计时以提醒行使者，更具人性化。本系统在此基础上，加入了紧急情况处理与时间调整功能。

图4-2 系统模块

据此，本设计系统以单片机为控制核心，连接成最小系统，由按键设置模块产生输入，信号灯状态模块，LED 倒计时模块模块接受输出。系统的总体框图如上所示。

单片机上电后，系统进入正常工作状态，执行交通灯状态显示控制，同时将时间数据倒计时输入到LED 数码管上实时显示。在此过程中随时调用急停按键和时间调节中断。

4.4系统总体设计电路

单片机

最小系统 外围接口电路

LED 数码管显示

红黄绿信号灯

按键 控制电路

图4-3 总电路

5 系统软件程序的设计

5.1 BDM写入器电路

芯片的最小系统包括电源及其滤波电路、晶振电路、及PLL铝箔电路，写入器接口（BDM）电路，QG8芯片内部带有晶振，所以本设计有复位和BDM模块部分，一下给出简单介绍：

图5-1 BDM写入器电路5.2主程序流程图BKGD

RESET

图5-2 主程序流程图

5.3主程序代码：

5.3.1 主程序显示

void main(void) {

EnableInterrupts;

PTADD=0xff;

PTAD=0xff;

PTBDD=0xff;

PTBD=0xff;

TPMMODL=0x24;

TPMMODH=0x0f4; /*定时1秒*/

TPMSC=0x4e; /*开中断，采用内部总线时钟，并64分频 */

for(;;) {

PTAD_PTAD3=0;

PTAD_PTAD2=1;

PTBD=aa[i];

delay(5);

PTAD_PTAD2=0;

PTAD_PTAD3=1;

PTBD=aa[j];

delay(5);

__RESET_WATCHDOG();

if(a%2!=0)

{

PTAD_PTAD0=0;

PTAD_PTAD1=1;

PTAD_PTAD5=1;

PTAD_PTAD4=0;

}else

{

PTAD_PTAD1=0;

PTAD_PTAD0=1;

PTAD_PTAD5=0;

PTAD_PTAD4=1;

}

}

}

5.3.2 数码管倒计时显示

void interrupt 7 TPM(){

j--;

if(j<0)

{

j=9;

i--;

}

if(i<0)

i=1;

if(i==0&&j==0)

a++;

TPMSC_TOF=0; /*清中断标志 */ }

void delay(unsigned int cnt){

unsigned int b,c;

for(b=0;b<=cnt;b++)

for(c=0;c<200;c++);

}

5.3.3交通灯切换显示

for(;;) {

PTAD_PTAD3=0;

PTAD_PTAD2=1;

PTBD=aa[i];

delay(5);

PTAD_PTAD2=0;

PTAD_PTAD3=1;

PTBD=aa[j];

delay(5);

__RESET_WATCHDOG();

if(a%2!=0)

{

PTAD_PTAD0=0;

PTAD_PTAD1=1;

PTAD_PTAD5=1;

PTAD_PTAD4=0;

}else

{

PTAD_PTAD1=0;

PTAD_PTAD0=1;

PTAD_PTAD5=0;

PTAD_PTAD4=1;

}

}

}

5.3.4总体程序完整显示

#include

#include "derivative.h"

int aa[10]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90} ; int i=1,j=9,a=1,b,c;

void delay(unsigned int cnt);

void main(void) {

EnableInterrupts;

PTADD=0xff;

PTAD=0xff;

PTBDD=0xff;

PTBD=0xff;

TPMMODL=0x24;

TPMMODH=0x0f4; /*定时1秒*/

TPMSC=0x4e; /*开中断，采用内部总线时钟，并64分频 */ for(;;) {

PTAD_PTAD3=0;

PTAD_PTAD2=1;

PTBD=aa[i];

delay(5);

PTAD_PTAD2=0;

PTAD_PTAD3=1;

PTBD=aa[j];

delay(5);

__RESET_WATCHDOG();

if(a%2!=0)

{

PTAD_PTAD0=0;

PTAD_PTAD1=1;

PTAD_PTAD5=1;

PTAD_PTAD4=0;

}else

{

PTAD_PTAD1=0;

PTAD_PTAD0=1;

PTAD_PTAD5=0;

PTAD_PTAD4=1;

}

}

}

void interrupt 7 TPM(){

j--;

if(j<0)

{

j=9;

i--;

}

if(i<0)

i=1;

if(i==0&&j==0)

a++;

TPMSC_TOF=0; /*清中断标志 */