单片机模拟交通灯控制器设计

模拟交通灯控制器

一、设计目的：

在完成“单片机原理及应用”课程的学习后，通过设计小型的单片机应用系统，加深对所学知识的理解和提高单片机系统的设计能力。

二、设计任务和要求：

1、设计任务：设计基于AT89C51单片机的十字路口交通灯控制电路。

2、具体要求：

（1）设计硬件电路，包括：单片机最小系统、2位LED数码管显示器、3个按钮的键盘（SET、UP、DOWN）、12个led指示灯（红黄绿三种颜色，东西并联、南北并联），等。（2）基本功能：

a.要求东西方向（A方向）车道和南北方向（B方向）车道

两条交叉道路上的车辆交替通行，每次通行时间为N秒(红灯、绿灯亮的时间为N秒，N≤60S) ，可以设置。

b. 在绿灯转为红灯时，要求黄灯先亮3秒（固定），才能交换运行车道。

c. 剩余秒数显示：2位LED数码管，倒计时方式：

（N+3）～1

可选的扩展功能：

a. 黄灯亮时，要求0.5s闪烁一次。

b. A方向、B方向的通行时间可以不同，如：A方向通行50s，B方向通行30s。

三、硬件设计原理

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1 交通状态

1、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。

2、下面我们可以用图表表示灯状态和行止状态的关系如下：

3、交通状态及红绿灯状态

状态1 状态3 状态4 状态6 东西向禁行等待变换通行等待变换南北向通行等待变换禁行等待变换东西红灯 1 1 0 0 东西黄灯0 0 0 1

东西绿灯 0 0 1 0 南北红灯 0 0 1 1 南北绿灯 1 0 0 0 南北黄灯

1

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。

四、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2系统的总体框图

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

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。

五、交通灯控制系统的硬件设计

1、AT89C51单片机简介

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O 口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写

“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O 口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

口管脚备选功能

P3.0 RXD（串行输入口）

P3.1 TXD（串行输出口）

P3.2 /INT0（外部中断0）

P3.3 /INT1（外部中断1）

P3.4 T0（记时器0外部输入）

P3.5 T1（记时器1外部输入）

P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）

P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST 脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE 只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端

保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：来自反向振荡器的输出。

AT98C51外形及主要接口图

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3.6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6 LED数码管

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，代码表如下表5所示。

表5 驱动代码表

显示数值dp,g,f,e,d,c,b,a 驱动代码

0 11010000 C0H

1 11111001 F9H

2 10100100 A4H

3 10110000 B0H

4 10011001 99H

5 10010010 92H

6 10000010 82H

7 11111000 F8H

8 10000000 80H

9 10010000 90H

相应在程序软件上，可以通过调用程序给定的秒值经过特定计算算出需要显示的个位和十位，然后有DPTR调取LEDMAP的代码。

六、软件程序设计流程图

1.有定时器产生0.05s定时，软件计数得到秒信号，设

30s计数器，30s计数器满，绿灯灭、黄灯闪烁5次，黄灯灭、红灯亮；同时，另两路口红灯灭、绿灯亮。

N

N

Y

N

南北绿灯亮 东西红灯亮

30s 计时器清0

30s 时间到？

南北黄灯闪 5次闪完？

30s 计时器清0 30s 时间到？ 南北红灯亮 东西绿灯亮

灯全灭

东西黄灯闪

开始

N

5次闪完？

SETCNT EQU 41H ;用于存放按下SET键次数

ORG 0000H ;主程序入口

LJMP MAIN

ORG 0003H ;外中断入口

LJMP INT1

ORG 000BH ;定时中断入口

LJMP INT0

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

;;;;;;;; 主程序;;;;;;;;;;

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

MAIN: MOV TMOD,#01H ;主程序

MOV TL0,#0E0H ;20ms初值

MOV TH0,#0B1H

MOV IE,#83H ;赋初值

SETB PX0

SETB IT0 ;外中断下降沿有效

MOV R0,#20 ;A方向绿灯时间45s

MOV 30H,R0 ;将绿灯时间送到30H单元

MOV R1,#03H ;黄灯时间黄灯闪烁时间3s

MOV R2,#25 ;B方向绿灯时间；

MOV 31H,R2 ;将B方向绿灯时间送到31H单元

MOV R3,#50 ;定时中断50次,用于定时一秒

MOV R7,#25 ;定时中断25次,用于定时半秒

MOV R6,#10 ;

MOV SETCNT,#00H ;按键次数初始为0

MOV 1AH,#02H ;将2送到1AH单元

MOV 2AH,#09 ;将3送到2AH单元

MOV P1,#0FFH ;

MOV P3,#0FFH ;

MOV P2,#00H ;

CLR P1.2 ;

CLR P1.3 ;

SETB TR0 ; ;开启定时器

MOV A,R0 ;

LCALL DISPLAY ;

SJMP $ ;

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

;;;;;; 显示程序;;;;;

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

DISPLAY: MOV B,#10 ;

MOV DPTR,#TAB ;

MOV R4,#0FDH ;

DIV AB ;

MOVC A,@A+DPTR ;查表，输出十位的七段码

MOV P3,R4 ;输出十位的数位代码

MOV P2,A ;将十位数送到数码管的段选十位

LCALL DELAY ;延时

MOV R4,#0FEH ;

MOV A,B ;

MOVC A,@A+DPTR ;输出个位的七段码

MOV P3,R4 ;输出个位的数位代码

MOV P2,A ;将各位数字送到数码管的段选个位

RET ;结束

INT1: CLR TR0 ;外中断程序

CLR ET0 ;

MOV 2AH,#50 ;

MOV P1,#0FFH ;初始P1，P0输入方式

WAIT: MOV P0,#0FFH ;

MOV A,P0 ;读取键盘状态

ANL A,#07H ;屏蔽P0口的高五位

CJNE A,#07H,KEY_PRG ;有键按下时，跳到键盘输入程序

LJMP WAIT ;无键按下时，退出

;键盘程序;

KEY_PRG: ;

LCALL DELAY ;调用延时程序

MOV P0,#0FFH ;设置P0口工作方式

MOV A,P0 ;读取P0键盘端口

ANL A,#07H ;屏蔽P0口的高五位

JNB ACC.0,K_SET ;按下SET键转K_SET

JNB ACC.1,K_UP ;按下UP键转K_UP

JNB ACC.2,K_DOWN ;按下DOWN键，转K_DOWN

LJMP KEY_PRG ;无键按下时退出

K_SET: INC SETCNT ;按下SET键，SET次数加1 MOV A,SETCNT ;

CJNE A,#03H,K_SET2 ;SET次数未到3次，转移到K_SET2

LJMP DON1 ;处理完，返回

K_SET2: MOV A,SETCNT ;将SET次数送到寄存器A CJNE A,#01H,DX ;按键次数与1比较，不为1的跳到NB

MOV P1,#0FFH ;p1口工作方式

CLR P1.2 ;打开A方向红灯

LJMP NB ;完成后，跳到DX1

DX: MOV P1,0FFH ;

CLR P1.5 ;打开B方向的绿灯

NB: MOV A,SETCNT ;

LCALL DISPLAY ;

LCALL DELAY ;

DJNZ 2AH,K_SET2 ;

MOV 2AH,#09 ;

MOV P0,#0FH ;

MOV A,P0 ;

ANL A,#07H ;

JNB ACC.0,K1 ;

JNB ACC.1,K2 ;

JNB ACC.2,K3 ;

LJMP K_SET2 ;

K_UP: MOV A,SETCNT ;将次数送到累加器A

CJNE A,#01H,UP_NG ;判断次数是否为1，不为1跳到

MOV R0,30H ;将东西时间单元附到寄存器R0中

INC R0 ;时间加1

MOV 30H,R0 ;又送回到30H地址单元

MOV A,R0 ;将时间送到A

CJNE R0,#99,DXSJ ;时间是否为99

MOV R0,#00 ;为99的时候再次加1又从0开始

MOV 30H,R0 ;锁存寄存器R0中的时间

MOV A,R0 ;将时间送回累加器A中

LJMP DXSJ ;处理完后跳到东西时间

UP_NG :MOV A,SETCNT ;从新确定按键

CJNE A,#02H,DON1 ;按键不为2的时候跳到DON3，也就是结束了从新开始

MOV R2,31H ;将南北显示的时间的地址单元送到寄存器R2中

INC R2 ;再次按下up键时，时间加1

MOV 31H,R2 ;将时间又送回30H单元锁存

MOV A,R2 ;

CJNE R2,#99,NBSJ ;时间是否加到99

MOV R2,#00 ;为99又从新从0开始加

MOV 31H,R2 ;送回31H单元锁存

MOV A,R2 ;送到A中

LJMP NBSJ ;处理完后，返回到南北时间K_DOWN:MOV A,SETCNT ;

CJNE A,#01H,DOWN_NG ;

MOV R0,30H ;

DEC R0 ;

MOV 30H,R0 ;

MOV A,R0 ;

CJNE R0,#00,DXSJ ;

MOV R0,#99 ;

MOV 30H,R0 ;

MOV A,R0 ;

LJMP DXSJ ;

DOWN_NG: ;

MOV A,SETCNT ;

CJNE A,#02H,DON1 ;

MOV R2,31H ;

DEC R2 ;

MOV 31H,R2 ;

MOV A,R2 ;

CJNE R2,#00,NBSJ ;

MOV R2,#99 ;

MOV 31H,R2 ;

MOV A,R2 ;

LJMP NBSJ ;

K1: LJMP K_SET ;

K2: LJMP K_UP ;

K3: LJMP K_DOWN ;

DON1: MOV P1,#0FFH ; 设置P1口的工作方式MOV SETCNT,#00H ; 按键次数从0 开始

CLR P1.2 ; 打开A方向绿灯

CLR P1.3 ; 打开B方向红灯

MOV TL0,#0E0H ; 从新给定时器附初值

MOV TH0,#0B1H ;

MOV R0,30H ; 调时后，A方向显示的时间

MOV A,R0 ; 送达累加器A中

MOV R3,#50 ;中断次数50次，也就是1s

MOV R2,31H ; B方向显示的时间

SETB TR0 ; 允许中断

SETB ET0 ;

RETI ;

DXSJ: MOV A,R0 ;将时间附到累加器A中LCALL DISPLAY ;调用显示时间

LCALL DELAY ;调用延时

DJNZ 2AH,DXSJ ;直接地址为0，往下执行

MOV 2AH,#09 ;

MOV P0,#0FH ;

MOV A,P0 ;

ANL A,#07H ;

JNB ACC.0,K1 ;

JNB ACC.1,K2 ;

JNB ACC.2,K3 ;

LJMP DXSJ ;

NBSJ: MOV A,R2 ;

LCALL DISPLAY ;

LCALL DELAY ;

DJNZ 2AH,NBSJ ;

MOV 2AH,#09 ;

MOV P0,#0FH ;

MOV A,P0 ;

ANL A,#07H ;

JNB ACC.0,K1 ;

JNB ACC.1,k2 ;

JNB ACC.2,K3 ;

LJMP NBSJ ;

INT0: MOV TL0,#0E0H ;定时中断重装初值

MOV TH0,#0B1H ;

JNB P1.2,CY1 ;A方向绿灯亮

JNB P1.1,CY2 ;A方向黄灯亮

JNB P1.7,CY2 ;

JNB P1.5,CY3 ;B方向绿灯亮

JNB P1.4,CY4 ;B方向黄灯亮

JNB P1.6,CY4 ;

CY1: MOV A,R0 ;将A方向绿灯亮的时间赋给累加器A LCALL DISPLAY ;调用显示子程序

DJNZ R3,DON ;R3减1，不为0，则跳到DON 总共减50次，也就是1s

DEC R0 ;A方向时间减1，

MOV R3,#50 ;从新给R3赋初值，50，等待下一秒的开始

CJNE R0,#0FFH,DON ;A方向绿灯定时时间到,熄灭绿灯点亮黄灯

CLR P1.1 ;关P1.1口，因为是低电平有效，所以黄灯亮，

SETB P1.2 ;开P1.2口，绿灯灭

SJMP DON ;短转移到DON

CY2: MOV A,R1 ;将黄灯时间送到累加器A

LCALL DISPLAY ;调用显示程序

DJNZ R7,DON ;直接地址减1，不为0，则跳到中断结束DON，又回到CY2

MOV R7,#25 ;从新给R7赋值，闪烁的时间

CPL P1.1 ;A方向黄灯亮,到半秒熄灭黄灯,使黄灯延时半秒再亮（黄灯闪烁）

CPL P1.7 ;

DJNZ 1AH,DON ;直接地址减1

MOV 1AH,#02H ;又从新赋值

DEC R1 ;黄灯显示时间减1

CJNE R1,#0FFH,DON ;如果为0，则跳到DON，又回到CY2，等为0的时候向下执行

SETB P1.7 ;A方向黄灯定时时间到，点亮A方向的红灯，熄灭B方向红灯，点亮绿灯

SETB P1.1 ;黄灯灭，

SETB P1.3 ;B方向红灯灭，

CLR P1.0 ;点亮A方向红灯

CLR P1.5 ;点亮B方向绿灯

MOV R1,#03H ;从新给黄灯附初值三秒

SJMP DON ;短跳转结束

CY3: MOV A,R2 ;B方向的绿灯的时间=A方向的红灯时间

LCALL DISPLAY ;调用显示程序

DJNZ R3,DON ;定时中断没到50次，短跳到结束，又回到开始

MOV R3,#50 ;当中断50次后，又从新赋值，开始下一秒的开始，

DEC R2 ;绿灯显示时间减1，

CJNE R2,#0FFH,DON ;绿灯时间是否为0，不为0的话短跳到DON，又返回到显示时间开始下1s的开始

SETB P1.5 ;B方向的绿灯时间到，点亮B方向的黄灯,熄灭绿灯

CLR P1.4 ;B方向黄灯亮

SJMP DON ;短转移到结束

CY4: MOV A,R1 ;开始把黄灯显示的时间赋给累加器A LCALL DISPLAY ;调用显示程序，

DJNZ R7,DON ;把初始赋给黄灯闪烁的时间开始中断，为0.5s

MOV R7,#25 ;从新将闪烁时间赋给寄存器R7

CPL P1.4 ;黄灯闪烁

CPL P1.6 ;黄灯闪烁

DJNZ 1AH,DON ;把1s中闪烁的次数2有没有结束，没结束的话，短跳到结束，又从新开始

MOV 1AH,#02H ;从新附1s的闪烁次数

DEC R1 ;闪烁闪烁两次后，黄灯时间减1

CJNE R1,#0FFH,DON ;判断黄灯时间是否为0

SETB P1.4 ;B方向的黄灯时间到,点亮红灯,熄灭A方向红灯,点亮绿灯

SETB P1.6 ;

SETB P1.0 ;熄灭A方向绿灯

CLR P1.2 ;点亮A红灯

CLR P1.3 ;点亮B方向绿灯

MOV R0,30H ;还原A和B方向的绿灯以及黄灯定时时间

MOV R2,31H ;

MOV R1,#02H ;从新赋值黄灯闪烁时间

DON: RETI ;跳出中断

;显示子程序;

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

;;;;;;; 延时程序;;;;;;;

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

DELAY: MOV R5,#64H ;延时子程序

MDL: NOP ;延时

NOP ;

NOP ;

NOP ;

NOP ;

NOP ;延时

NOP ;

NOP ;

DJNZ R5,MDL ;

DJNZ R6,DELAY ;

MOV R6,#10 ;

RET ;

;;;段码表

TAB: DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH ;段码表

DB 7DH,07H,7FH,6FH ;