基于单片机的交通灯设计说明书

目录

摘要 (2)

第一章绪论 (4)

1.1单片机交通灯电路概述 (4)

1.2方案介绍 (4)

1.2.1方案1设计思想 (4)

1.2.2方案2 设计思想 (6)

1.2.3方案比较 (7)

第二章交通灯系统硬件设计 (8)

2.1 单片机概述 (8)

2.2 系统构成 (9)

2.3 单元电路的分析与介绍 (10)

2.3.1 MSC-51芯片简介 (10)

2.3.2 晶体振荡器 (14)

2.4 工作原理 (15)

第三章交通灯系统软件设计 (15)

3.1 程序设计流程图 (15)

3.2 控制器的软件设计 (16)

3.2.1定时器中断 (16)

3.3 延时程序 (17)

3.3.1 中断程序及P1口控制灯循环程序 (17)

第四章整机工作原理 (18)

结论 (20)

致谢 (22)

参考文献 (23)

附录 (24)

附录1：整机电路图 (24)

附录2：程序源代码 (25)

摘要

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。它由红绿两以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。

随着经济的发展，交通运输中出现了一些传统方法难以解决的问题。道路拥挤现象日趋严重，造成的经济损失越来越大，并一直保持大比例的增长。现在交

通系统已不能满足经济发展的需求。由于生活水平的提高，人们对交通运输的安全性及服务水平提出了更高的要求。在交通中管理引入单片机交通灯控制代替交管人员在交叉路口服务，有助于提高交通运输的安全性、提高交通管理的服务质量。并在一定程度上尽可能的降低由道路拥挤造成的经济损失，同时也减小了工作人员的劳动强度。

中国车辆数量不断增加，交通控制在未来的交通管理中起着越来越重要的作用。智能交通灯的管理比重修一条马路无论在经济、交通运行速率上都有很好的效益、更加节约资源。使交管人员有更多的精力投入到管理整个城市交通控制，带来更大的经济和社会效益,为创造美好的城市交通形象发挥更多的作用。

关键词：单片机闯红灯检测车流量

第一章绪论

1.1单片机交通灯电路概述

近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断深入，同时带动传统控制检测技术日益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构软硬件结合，加以完善。

十字路口车辆穿梭，行人熙攘，车行车道，人行人道，有条不紊。那么靠什么来实现这井然秩序呢？靠的就是交通信号灯的自动指挥系统。交通信号灯控制方式很多。本系统采用MSC-51系列单片机AT89C51为中心器件来设计交通灯控制器，实现了能根据实际车流量通过8051芯片的P2口设置红、绿灯燃亮时间的功能，红绿灯循环点亮，倒计时为5秒时黄灯闪烁警示（交通灯信号通过P3口输出，显示时间直接通过P0和P2口输出至双位数码管）；外加紧急事件中断处理。本系统实用性强、操作简单、扩展功能强。

1.2方案介绍

1.2.1方案1设计思想

采用分模块设计的思想，程序设计实现的基本思想是一个计数器，选

择一个单片机，其内部为一个计数，是十六进制计数器，模块化后，通过设

置或程序清除来实现状态的转换，由于每一个模块的计数多不是相同，这

里的各模块是以预置数和计数器计数共同来实现的，所以要考虑增加一个置

数模块，其主要功能细分为，对不同的状态输入要产生相应状态的下一个状

态的预置数，如图中A道和B道,分别为次干道的置数选择和主干道的置数

选择。以主干道为例，简述其设计思想。如前分析，已经确定该系统有四个

状态，而置数子模块可定要将下一状态的预置数准备好，所以很容易得到主

干道的置数表：

由该表，就可以通过程序循环的方法设计该模块，主要思想是通过数据判断指令、跳转指令实现，由主控制器计时和中断产生的四个状态去译码，从而得到不同的输出，即预置数，由上分析可用一个计数器和跳转指令去完成的预置数。

而红绿灯的显示也是一样，由状态分析可以得出红绿灯的变化表

通过这张表就可以用组合电路实现该功能了，可以用数据选择器的思想，在本系统中，直接通过门电路的译码，接下来就是计数模块了，其主要的功能细分为，要从预置数开始递减计数，一个状态结束，通过判断，通知主控制模块，使之进入下一模块。还有一个必须考虑到的就是，预置数必须在下一个状态来之前准备好，而红绿灯的状态变化，必须和计数状态同步，于是引起预置数变化的程序要超前于系统本身的状态变化，所以，系统中的两个状态转换时，在上一状态结束时设置预置数，而控制红绿灯的是随着系统本

身状态的变化而变化，体现在本子电路中就是有两组电路去判断符合的状态。

1.2.2方案2 设计思想

东西、南北两干道交于一个十字路口，各干道有一组红、黄、绿三色的指示灯，指挥车辆和行人安全通行。红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行。黄灯亮提示人们注意红、绿灯的状态即将切换，且黄灯燃亮时间为东西、南北两干道的公共停车时间。设东西道比南北道的车流量大，指示灯燃亮的方案如表1。

表1

由上图可以看出交通灯的点亮只有4种状态；

（1）东西绿灯亮，南北红灯亮，为10s。

（2）东西黄灯亮，南北红灯亮，为5s。

（3）南北绿灯亮，东西红灯亮，为10s。

（4）南北黄灯亮，东西红灯亮，为5s。

通过以上4种状态的循环，就可以用来控制十字路口上的车辆和行人的安全通过。

另外，还有一点，紧急通道的使用，也就是当有110，120，119等紧急事件发生时，需要使十字路口的红灯全部点亮，等紧急车辆通行过后，交通灯恢复到正常状态。

1.2.3方案比较

方案1（以下称1）用了模块设计，而方案2（以下称2）采用的是一般设计，相比之下1有较强的可读性和较强的可修改性，而2则在设计上显得较简单，设计纯朴，便于测试，它的优势则在于提供了一条较为便捷的解决方案。2首先将许多逻辑关系简化到极点，而后将其一起集成用较少的芯片去完成所需功能。

我们从中可以得出的是，方案1优先于方案2。对工程设计人员来说，将来的产品无论从修改还是升级考虑对有好处，但我们只是初学者，还达不到这种模块化设计，因此我觉得在设计初期尽可能的简单化设计，一旦自我有所成就后，在有可能的条件下将设计模块化，所以本设计以第二方案为主进行。

第二章交通灯系统硬件设计

2.1 单片机概述

单片机是由运算器、控制器、存储器、输入设备以及输出设备共五个基本部分组成的。单片机是把包括运算器、控制器、少量的存储器、最基本的输入输出口电路、串行口电路、中断和定时电路等都集成在一个尺寸有限的芯片上。

通常，单片机由单个集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和I/O接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。

单片机经过1、2、3、3代的发展，目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展，它们的CPU功能在增强，内部资源在增多，引脚的多功能化，以及低电压、低功耗。

可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到

使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词——“智能型”，如智能型洗衣机等。现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。

目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。它主要是作为控制部分的核心部件。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。

2.2 系统构成

电路板一块，AT89S52单片机一片，八段LED数码管四个。发光二极管

16个（4个绿的，4个红，8个黄的），12个电阻，2个电容，1个晶振，1

个电解电容，2个按键开关。（系统结构框图：图2.1）

图2.1 系统结构框图

2.3 单元电路的分析与介绍

2.3.1 MSC-51芯片简介

MCS-51单片机内部结构

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。

图2.2数据存储器

·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。下图是MCS-51系列单片机的内部结构示意图2.3。

图2.3单片机的内部结构示意图

MCS-51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，右图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，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。现在我们对这些引脚的功能加以说明：MCS-51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，右图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，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。现在我们对这些引脚的功能加以说明：如

图2.4

图2.4 引脚的功能图

引脚9:RESET/V

pd

复位信号复用脚，当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指针写入07H，其它专用寄存器被清“0”。RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态，8051的初始态。

8051的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，见下图2.5。此外，

RESET/V

pd 还是一复用脚，V

cc

掉电其间，此脚可接上备用电源，以保证单片机内

部RAM的数据不丢失。

图2.5 复位电路及时钟方式图

·引脚30:ALE/当访问外部程序器时，ALE(地址锁存)的输出用于锁存地址的低位字节。而访问内部程序存储器时，ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。更有一个特点，当访问外部程序存储器，ALE会跳过一个脉冲。

如果单片机是EPROM，在编程其间，将用于输入编程脉冲。

·引脚29:当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令数据放到P0口上，由CPU读入并执行。

程序存储器的内外部选通线，8051和8751单片机，内置·引脚31:EA/V

pp

有4kB的程序存储器，当EA为高电平并且程序地址小于4kB时，读取内部程序存储器指令数据，而超过4kB地址则读取外部指令数据。如EA为低电平，则不管地址大小，一律读取外部程序存储器指令。显然，对内部无程序存储器的8031,EA端必须接地。

2.3.2 晶体振荡器

石英晶体振荡器的特点是振荡频率准确、电路结构简单、频率易调整，作用是为系统提供基本的时钟信号。我们在晶体某一方向加一电场，从而在与此垂直的方向产生机械振动，有了机械振动，就会在相应的垂直面上产生电场，从而使机械振动和电场互为因果，这种循环过程一直持续到晶体的机械强度限制时，才达到最后稳定，这种压电谐振的频率即为晶体振荡器的固有频率。

振荡器特性，XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反晶体向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件就能构成自激振荡电路。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振电路。电容器C1和C2主要起频率微调作用。

2.4 工作原理

（1）打开开关进入交通灯初始化状态，由P0口输出，P0.0控制南北绿灯；P0.1控制南北黄灯；P0.2控制南北红灯；P0.3控制东西绿灯；P0.4控制东西黄灯；P0.4控制东西红灯。（2）按下接在P3^2引脚的按钮后（此引脚为外部中断INT0），P1口和P0口同时输出信号，P1口控制的等从右向左进行点亮位移;P0口交通灯红灯全亮。

（3）断开按钮，P1口结束输出信号，并且所接灯熄灭；P0口继续输出，恢复到正常工作状态下。

（4）9号引脚为复位电路，按下按钮，交通灯的显示回到初始状态

第三章 交通灯系统软件设计

3.1 程序设计流程图

3.1 程序流程图

3.2 控制器的软件设计

3.2.1定时器中断

定时器计数初值

若定时器为计数方式，操作方式为１，则计数器初值Ｘ０＝２１６－ｔ０×ｆｏｓｃ／１２。式中ｆｏｓｃ为振荡器的振荡频率。ｔ０为需要定时的时间，也为中断的间隔时间。Ｘ０为定时器原计数初值。在对定时器溢出中断与ＣＰＵ响应中断时间误差进行补偿时，定时器的计数初值Ｘ１为：

Ｘ１＝２１６－ｔ３×ｆｏｓｃ／１２

ｔ３＝ｔ０＋ｔ１＋ｔ２

式中ｔ０为中断间隔时间。ｔ１为定时器停止计数时间，该时间为定时器停止计数到重新启动计数之间所有程序指令周期数的总和。ｔ２为定时器溢出中断后，重新从ＯＯＨ开始直至计数器停止时计的值。在误差补偿中，若将定时器计数初值Ｘ１取代Ｘ０，则可使定时器下次的溢出中断与ＣＰＵ响应中断实现同

步。

延时方法可以有两种一中是利用MCS-51内部定时器才生溢出中断来确定1秒的时间，另一种是采用软延时的方法。

3.3 延时程序

void deply(uint z) //延时程序

{

uint x,y;

for(x=z;x>0;x--)

for(y=110;y>0;y--)

{}

}

3.3.1 中断程序及P1口控制灯循环程序

void int0_suspend() interrupt 0 //外部INT0中断

{

DX_GREEN=1;

DX_YELLOW=1;

DX_RED=0;

NB_RED=0;

NB_YELLOW=1;

NB_GREEN=1;

LED_xunhuan(); //调用紧急通行模拟状态}

void LED_xunhuan() //救护车紧急通行模拟状态

{

while(1)

{

deply(500); //延时0.5秒

P1=P1_paomadeng[i]; //把数组中的元素赋给P1口

i++; //自加1

if(i==4) //i自加到4时把数组第一个元素赋给i

{

i=0;

}

if(P3_2==1) //外部中断为高电平时结束循环

{

i=0; //返回到数组第一个元素

break;

}

}

P1=0xff; //P1口全置1

flog=0; //为flog赋初值（交通灯从头开始循环显示）

}

第四章整机工作原理

东西、南北两干道交于一个十字路口，各干道有一组红、黄、绿三色的指示灯，指挥车辆和行人安全通行。红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行。黄灯亮提示人们注意红、绿灯的状态即将切换，且黄灯燃亮时间为东西、南北两干道的公共停车时间。设东西道比南北道的车流量大，指示灯燃亮的方案如表1。

表1

由上图可以看出交通灯的点亮只有4种状态；

（5）东西绿灯亮，南北红灯亮，为10s。

（6）东西黄灯亮，南北红灯亮，为5s。

（7）南北绿灯亮，东西红灯亮，为10s。

（8）南北黄灯亮，东西红灯亮，为5s。

通过以上4种状态的循环，就可以用来控制十字路口上的车辆和行人的安全通过。

另外，还有一点，紧急通道的使用，也就是当有110，120，119等紧急事件发生时，需要使十字路口的红灯全部点亮，等紧急车辆通行过后，交通灯恢复到正常状态。

可执行文件说明：

⑴打开Keil软件，新建工程；

⑵选择芯片；

⑶新建文档，把编写好代码写入文档并保存了ASM文件；

⑷把保存的文档加载到Source Group；

⑸编译程序；

⑹设置转换成16进制；

⑺运行程序的结果；

把编写好的16进制文件(jtd.hex) 输入单片机AT89S52仿真器和对其进行初始化。

给实验板进行通电，观察运行结果，不一致则跳到第一步进行反复调试，

直到与预定目的一致。

通电以后，东西、南北方向的时间均递减，5秒以后，东西方向的5秒用完，变成东西左转、南北各10秒，此后，时间显示和红绿灯不再变化，一直保持这一状态。

结论

本系统就是充分利用了89S52 I/O引脚。系统采用MSC-51系列单片机为中心器件来设计交通灯控制器，实现通过89C51芯片的P0口控制红、绿灯燃亮时间的功能；红绿灯循环点亮，倒计时剩5秒时黄灯闪烁警示。系统不足之处不能控制车的左、右转、以及自动根据车流改变红绿灯时间等。这是由于本身地理位置以及车流量情况所定，如果有需要可以设计扩充原系统来实现。

通过这次设计，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题全面系统的锻炼。