基于单片机的交通灯控制器设计

The traffic light controller design based on

single chip microcomputer

Abstract

This design is designed for intersection traffic lights control system, in order to realize the automatic control of the traffic light; System design of 4 kinds of traffic state, and timer dis-plays the time each state.

On the basis of the analysis of system function, choose the with the single chip processor as the core controller to realize the plan. Hardware part includes single chip microcomputer minimum system, time, according to traffic status indicator and button control circuit. Each state of the holding time can be set by keyboard. Software adopted the modular design me-thod, distinct, easy to modify.

In the Proteus control function of this system are simulated, the simulation using light-emitting diodes simulation when traffic lights, with two 7 digital display time, the simu-lation results show that this system has realized the intersection traffic light automatic control function.

Key words: traffic lights, microcontroller, display

摘要 ......................................................... 错误！未定义书签。引言 ...................................................................... - 1 -

第1章绪论 ............................................................... - 2 -

1.1 本课题研究的意义及发展趋势 ...................................... - 2 -

1.2 课题研究的意义 . ................................................... - 3 -

1.3 单片机交通控制系统主要研究的内容 ............................... - 3 -

第2章系统方案的比较、设计与论证 . ........................................ - 4 -

2.1 方案的比较 ........................................................ - 4 -

2.2 电源提供方案 ...................................................... - 5 -

2.3 显示界面方案 ...................................................... - 5 -

2.4 输入方案 .......................................................... - 5 -

第3章单片机交通控制系统总体设计 . ........................................ - 6 -

3.1 单片机交通控制系统的通行方案设计 ............................... - 6 -

3.2 单片机交通控制系统的功能要求 . ................................... - 6 -

3.3 单片机交通控制系统的基本构成及原理 ............................. - 7 -

第4章智能交通灯控制系统的硬件设计 ...................................... - 9 -

4.1 AT89C51单片机简介 . ............................................... - 9 -

4.1.1 AT89C51单片机的主要特性 ........................................... - 9 -

4.1.2 主要引脚功能 ......................................................... - 9 -

4.1.3 AT89C51的中断源 . ................................................... - 10 -

4.2 交通灯中的中断处理流程 ......................................... - 11 -

4.3 系统硬件总电路构成及原理 ....................................... - 11 -

4.3.1 系统硬件电路构成 ................................................... - 11 -

4.3.2 系统工作原理 ........................................................ - 11 -

4.4 系统硬件其他部分设计及连接 ..................................... - 12 -

4.4.1 八段LED 显示器的设计及原理 ....................................... - 12 -

4.4.2 发光二极管的设计及工作原理 ....................................... - 13 -

4.4.3 按键控制设计 ........................................................ - 14 -

4.4.4 复位电路的设计 ..................................................... - 15 -

4.4.5 通行灯输出控制 ..................................................... - 16 -

4.4.6 时间显示电路的设计 . ................................................ - 16 -

4.4.7 电源电路 . ............................................................ - 16 -

第5章系统软件程序设计 .................................................. - 17 -

5.1 程序主体设计流程 ................................................ - 17 -

5.2 子程序模块设计 . .................................................. - 18 -

5.2.1 状态灯显示及判断 ................................................... - 18 -

5.2.2 LED倒计时显示 ...................................................... - 18 -

5.2.3 紧停及调整时间中断子程序 . ......................................... - 18 -

5.2.4 红绿灯时间调整程序 . ................................................ - 19 -

5.3 系统软件调试 ..................................................... - 20 -

5.3.1 ISIS仿真软件 ....................................................... - 20 -

5.3.2 集成开发环境KEIL .................................................. - 20 -

5.3.3 系统软件调试 ........................................................ - 21 - 总结与体会 . ...................................................................... - 23 - 主要参考文献 ................................................................. - 25 - 外文文献原文 ..................................................... 错误！未定义书签。

About AT89C51 . ............................................... 错误！未定义书签。关于 AT89C51 . ............................................... 错误！未定义书签。

(1) 功能特征描述: ......................................... 错误！未定义书签。 (2) 中断介绍 . .............................................. 错误！未定义书签。

插图清单

图 2-1 交通灯控制系统的原理框图 .................................................................................... - 4 - 图 3-1 交通状态 . ........................................................................................................................ - 6 - 图 3-2 系统总体框图 . ............................................................................................................... - 7 - 图 4-1 AT89C51引脚 ............................................................................................................... - 9 - 图 4-2 交通灯控制系统电路图 ........................................................................................... - 12 - 图 4-3 LED 显示器结构图 . ................................................................................................... - 13 - 图 4-4 信号灯的连接 . ............................................................................................................. - 14 - 图 4-5 按键示意图 .................................................................................................................. - 15 - 图 4-6 复位电路 . ...................................................................................................................... - 15 - 图 4-7 城市道口交通指示灯电路 ....................................................................................... - 16 - 图 4-8 时间显示电路 . ............................................................................................................. - 16 - 图 5-1 系统总流程图 . ............................................................................................................. - 17 - 图 5-2 系统仿真图 .................................................................................................................. - 22 -

插表清单

表 4-1 中断源程序入口 ........................................................................................................... - 11 - 表 4-2 代码对应关系表 ........................................................................................................... - 13 -

引言

随着微控技术的日益完善和发展，单片机的应用不断走向深入。它的应用必定导致传统的控制技术从根本上发生变革。它在工业控制、数据采集、智能仪表、机电一体化、家用电器等领域得到广泛的应用，极大地提高了这些领域的技术水平和自动化控制。同时，伴随着我国经济的高速发展，私家车、公交车的增加，无疑会给我国的道路交通系统带来沉重的压力，很多大城市都不同程度地受到交通堵塞问题的困扰。为解决交通堵塞问题，采用AT89C51单片机为核心进行对路口的控制。

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。

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。

智能的交通信号灯指挥着人和各种车辆的安全运行, 实现红、黄、绿灯的自动指挥是城乡交通管理现代化的重要课题. 在城乡街道的十字交叉路口, 为了保证交通秩序和行人安全, 一般在每条道路上各有一组红、黄、绿交通信号灯, 其中红灯亮, 表示该条道路禁止通行; 黄灯亮, 表示该条道路上未过停车线的车辆停止通行, 已过停车线的车辆继续通行; 绿灯亮, 表示该条道路允许通行. 交通灯控制电路自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换, 指挥各种车辆和行人安全通行, 实现十字路口城乡交通管理自动化。

第1章绪论

城市街道网络上的交通容量的不断增加，表明车辆对道路容量的要求仍然很高，短期内还不可能改变。自从开始使用计算机控制系统后，不管在控制硬件里取得什么样的实际发展，交通控制领域的控制逻辑方面始终没能取得重大突破。可以肯定的说，对于减轻交通拥塞及其副作用特别是对于大的交通网络而言，仍然缺乏一种真正的交通响应控制策略。计算机硬件能力与控制软件能力很不相符，由此造成的影响是很多交通控制策略根本不能实现。在少数几个例子中，一些新的控制策略确实能得以实现，但他们却没能对早期的控制策略进行改进。

由于缺乏能提高交通状况、特别是缺乏拥塞网络交通状况的实时控制策略，几乎可以说真正成熟的控制策略仍然不存在。智能化和集成化是城市交通信号控制系统的发展趋势和研究前沿，而针对交通系统规模复杂性特征的控制结构和针对城市交通瓶颈问题并代表智能决策的阻塞处理则是智能交通控制优化管理的关键和突破口。因此，研究基于智能集成的城市交通信号控制系统具有相当的学术价值和实用价值。把智能控制引入到城市交通控制系统中，未来的城市交通控制系统才能适应城市交通的发展。从长远来看，该研究具有巨大的现实意义。

1.1 本课题研究的意义及发展趋势

经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统是用于城市交通数据检测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。交通灯是城市经济活动的命脉，对城市经济发展、人民生活水平的提高起着十分重要的作用。城市交通问题是困扰城市发展、制约城市经济将设的重要因素。城市道路增长的有限与车辆增加的无限这一对矛盾事故导致城市交通拥挤的根本原因。城市街道网络上的交通容量的不断增加，表明车辆对道路容量的要求仍然很高，短期内还不可能改变。自从开始使用计算机控制系统后，不管在控制硬件里取得什么样的实际发展，交通控制领域的控制逻辑方面始终没能取得重大突破。可以肯定的说，对减轻交通拥塞及其副作用特别是对于大的交通网络而言，仍然缺乏一种真正的交通响应控制策略。计算机硬件能力与控制软件能力很不相符，由此造成的影响是很多交通控制策略根本不能实现。在少数几个例子中，一些新的控制策略确实能得以实现，但他们却没能对早期的控制策略进行改进。由于缺乏能提高交通状况、特别是缺乏拥塞网络交通状况的实时控制策略，几乎可以说真正成熟的控制策略仍然不存在。智能化和集成化是城市交通信号控制系统的发展趋势和研究前沿，而针对交通系统规模复杂性特征的控制结构和针对城市交通瓶颈问题并代表智能决策的阻塞处理则是智能交通控制优化管

理的关键和突破口。因此，研究基于智能集成的城市交通信号控制系统具有相当的学术价值和实用价值。把智能控制引入到城市交通控制系统中，未来的城市交通控制系统才能适应城市交通的发展。从长远来看，该研究具有巨大的现实意义。

1.2 课题研究的意义

交通控制研究的发展，旨在解决人类交通因需求的增多而日益繁重带来的问题，局限于道路建设的暂时不足和交通工具的快速增长，就要使更多的车辆安全高效的利用有限的道路资源，避免因无序和抢行等无控制原因造成的不必要阻塞甚至瘫痪，另外，针对整个交通线路车辆的多少适时调整和转移多条线路的分流也十分必要。交通网络是城市的动脉，象征着一个城市的工业文明水平。交通关系着人们对于财产，安全和时间的利益。具有优良科学的交通控制技术对资源物流和人们的出行都是十分有价值的，保证交通线路的畅通安全，才能保证出行舒畅，物流准时到位甚至是生命道路的延伸。单片机控制技术，是自动化控制中应用最为广泛的重要控制方法，是提高自动化控制水平和产品技术含量必备手段。单片机的大量应用，已经引发了自动控制领域的一场重大的革命。在当代自动化领域中，没有计算机、单片机的控制就是一种不完善的控制, 因此研究和应用单片机控制技术，具有重要的实际意义。此外单片机具有其体积小、功能齐全、价格低廉、可靠性高等特点，在各个领域中都得到了广泛的应用，特别在工业控制、智能化仪器仪表、产品自动化、分布式控制系统中都已取得了可喜的成果。单片机已经成为衡量工业发展水平的标志之一，是产品更新换代、发展新技术、改造老产品的主要手段。由此可见，单片机的应用有利于产品的小型化、多功能化和智能化，有利于提高劳动效率，减轻劳动强度，提高产品质量，改善劳动环境，减少能源和材料消耗，保证安全等。更重要的意义在于单片机应用正从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能，现在已能使用单片机通过软件方法实现了。种以软件取代硬件并能提高系统性能的控制系统软件技术为微机技术。是对传统控制技术的一次革命，是一种全新的概念随着单片机应用的推广普及，微型控制技术必将不断发展、日益完善和更加充实。

1.3 单片机交通控制系统主要研究的内容

本课题对基于单片机的交通灯控制系统进行设计。以MCS-51系列单片机为控制核心，设计并制作交通灯控制系统，用于十字路口的车辆及行人的交通管理。东西南北四个路口具有直行通行指示灯，并分别用计时器显示路口通行转换剩余时间。设计交通灯控制系统硬件电路与软件控制程序，对硬件电路与软件程序分别进行调试，并进行软硬件联调。

第2章系统方案的比较、设计与论证

2.1方案的比较

方案一：FPGA 控制方式此方案采用FPGA 作为主控器，采用状态设计，每来一个时钟1Hz 脉冲倒计时数码减一和箭头指示；用500HZ 的时钟频率扫描数码管显示, 用12MHZ 时钟分频成两个时钟频率。FPGA 除了完成交通灯控制、存储和显示功能外，还可进行人机交互，实现定时器延时可调。交通灯控制系统的原理框图如图1.2.1所示。它主要由箭头指示、倒计时显示、语音提示、FPGA 控制器、键盘、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源，译码器输出两组信号灯的控制信号，经驱动电路后驱动信号灯工作，控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作。动信号灯工作，控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作。

图 2-1

方案二：利用单片机实现整套系统由于AT89C51系列单片机集成了几乎完善的中央处理单元，处理功能强，中央处理单元中集成了方便灵活的专用寄存器，硬件的加、减、乘、除法器和布尔处理机及各种逻辑运算和转移指令，这给我们利用单片机提供了极大的便利。单片机把微型计算机的主要部件都集成在一块芯片上，使得数据传送距离大大缩短，各功能部件在芯片中的布局和结构达最优化，工作亦相对稳定。因此，测控系统中，使用单片机是最理想的选择。单片机属于典型的嵌入式系统，所以它是低端控制系统最佳器件。单片机的开发环境要求较低，软件资源十分丰富，开发工具的和语言也大大简化。对于本交通控制系统使用AT89C51系列的单片机，不需要外扩展存储器，就能实现显示、预制状态、动态调节的功能，因而整体结构简单。单片机系统用L 数码管显示倒计数时间，用LED 灯显示方向的状态，由程序输入设定值或者通过由计算机编程实现修改与其他控制。

方案比较：方案一该设计采用FPGA （现场可编程逻辑门阵列）作为系统的控制核心，由于FPGA 具有强大的资源，使用方便灵活，易于能扩展进行功，特别是结合了EDA ，可以达到很高的效率，系统的多个部件如分频器电路，定时器电路，译码器电路等，都可以集成到一块芯片上，大大减小了系统的体积，并且提高了系统的稳定性，但硬件设计复杂成本较高，适合大型系统设计和实际应用系统设计。方案二该由于AT89C51系列单片机集成了几乎完善的中央处理单元，处理功能强，中央处理单元中集

成了方便灵活的专用寄存器，这给我们利用单片机提供了极大的便利。单片机把微型计算机的主要部件都集成在一块芯片上，使得数据传送距离大大缩短，运行速度更快，可靠性更高，抗干扰能力更强。综合比较后，确定采用第二种方案设计。

2.2 电源提供方案

为使模块稳定工作，须有可靠电源。因此考虑了两种电源方案：

方案一：采用独立的稳压电源。此方案的优点是稳定可靠，且有各种成熟电路可供选用；缺点是各模块都采用独立电源，会使系统复杂，且可能影响电路电平。方案二：采用单片机控制模块提供电源。改方案的优点是系统简明扼要，节约成本；缺点是输出功率不高。

综上所述，我选择第二种方案。

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。

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第3章单片机交通控制系统总体设计

3.1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3.1所示：

图 3-1交通状态

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：

（1）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。

（2）东西方向绿灯灭，同时黄灯亮，南北方向红灯亮，倒计时2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。

（3）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。

（4）南北方向绿灯灭，同时黄灯亮，东西方向红灯亮，倒计时2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。 3.2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，

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还能进行倒计时显示，通行时间调整和紧急处理等功能。（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。（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。（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，就可达到此目的。

3.3单片机交通控制系统的基本构成及原理 3.3.1 交通灯控制系统硬件框图

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 3-2 系统总体框图

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

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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。 3.3.2 交通灯控制系统工作原理

本系统运用单片机对交通灯控制系统实施控制，通过直接控制信号灯的状态变化，指挥交通的具体运行，运用了LED 数码管显示倒计时以提醒行驶者，本设计系统以单片机为控制核心，构成最小系统，由信号灯状态模块，LED 倒计时模块等。系统进入工作状态，LED 数码管实时显示数据倒计时，执行交通灯状态显示控制，在此过程中若有控制信号和实时车流量检测信号，可对异常状态进行实时控制，随时调用中断，达到修正通行时间满足不同时间不同路况的需求。

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第4章智能交通灯控制系统的硬件设计

4.1 AT89C51单片机简介

4.1.1 AT89C51单片机的主要特性

AT89C51是一种带4K 字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROM —Flash Pro-grammable and Erasable Read Only Memory）的单片机芯片，它采用静态CMOS 工艺制造8位微处理器，最高工作频率位24MHZ 。AT89C5外形及引脚排列如图1所示：

图 4-1 AT89C51引脚

4.1.2 主要引脚功能 VCC ：供电电压。 GND ：接地。

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

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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，用作输入。由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL ）。

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，此时为内部程序存储器。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。

4.1.3 MCS—51的中断源

AT89C51有5个中断源，它们是两个外中断INT0（P3.2）和INT1（P3.3）、两个片内定时/计数器溢出中断TF0和TF1，一个是片内串行口中断TI 或RI ，这几个中断源由TCON 和SCON 两个特殊功能寄存器进行控制, 其中5个中断源的程序入口地址如表

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所示：

表 4-1 中断源程序入口

4.2 交通灯中的中断处理流程

（1）现场保护和现场恢复：

有特殊车辆要通过时就要进行中断，在中断之前，先将交通灯中断前情况保护好，当中断执行后再恢复现场，包括信号灯和时间显示电路。（2）中断打开和中断关闭：

为了使特殊车辆通行按一下打开中断开关就可以打开中断，关闭中断开关就关闭中断。

（3）中断服务程序：

有中断产生，就必然有其具体的需执行的任务，中断服务程序就是执行中断处理的具体内容：即如果南北方向有特殊车辆要求通过，南北方向转换为绿灯，东西方向为红灯；如果东西方向有特殊车辆要求通过，东西方向转换为绿灯，南北方向为红灯。（4）中断返回：

执行完中断服务程序后，必然要返回，即回交通灯信号回到中断前状态，显示时间也和中断前一样。

4.3 系统硬件总电路构成及原理

实现本设计要求的具体功能，可以选用AT89C51单片机及外围器件构成最小控制系

统，12个发光二极管分成4组红绿黄三色灯构成信号灯指示模块，8个LED 东西南北各两个构成倒计时显示模块，若干按键组成时间设置和紧急按钮。 4.3.1系统硬件电路构成

本系统以单片机为核心，系统硬件电路由状态灯，LED 显示，按键，组成。其具体的硬件电路总图如图3.1所示。

其中P0用于送显两片LED 数码管，P1用于控制红绿黄发光二极管，XTAL1和XTAL2接入晶振时钟电路，REST 引脚接上复位电路，P2.6与P2.7对数码管进行片选，P3.2即INT0紧急情况处理按键，P3.3即INT1接时间调整中断按键。

4.3.2系统工作原理

系统上电或手动复位之后，系统先显示状态灯及LED 显示器，将状态码值送显P1口，将要显示的时间值的个位和十位分别送显P0口，在此同时用软件方法计时1秒，到达1s 就要将时间值减1，刷新LED 显示器。

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时间到达一个状态所要全部时间，则要进行下一状态判断及衔接，并装入次状态的相应状态码值以及时间值，

当然，还要开启两个外部中断，其一为紧急情况处理中断，一旦信号有效，即K3键为低电平时进入中断服务子程序，东西南北路口的红灯全亮禁止全部通行，再按一下Ｋ３键，中断结束返回。其二为通行时间调整中断，若K4按键有效，进入相应的中断子程序，对时间进行调整，此后再按K4键则中断结束返回。

图 4-2 交通灯控制系统电路图

4.4 系统硬件其他部分设计及连接

4.4.1八段LED 显示器的设计及原理

通常所说的LED 显示器由7个发光二极管组成因此也称之为七段LED 显示器，其排列形状如图4.4所示。此外，显示器中还有一个圆点型发光二极管（在图中以dp 表示），用于显示小数点。通过七个发光二极管亮暗的不同组合，可以显示多种数字、字母以及其他符号。LED 显示器中的发光二极管共有两种连接方法： (1) 共阳极接法

把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极。使用时公共阳极接+5V 。这样阴极端输入低电平的段发光二极管就导通点亮，而输入高电平的则不点亮。 (2) 共阴极接法

把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极。使用时公共阴极接地，这样阳极端输入高电平的段发光二极管就导通点亮，而输入低电平的则不点亮。

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图 4-3 LED 显示器结构图

使用LED 显示器时要注意区分这两种不同的接法。为了显示数字或符号，要为LED 显示器提供代码，这些代码是为显示字形的，因此称之为字形代码。七段发光二极管，再加上一个小数点位，共计八段。因此提供给LED 显示器的字形代码正好一个字节。各代码位的对应关系如表4.4。

表 4-2代码对应关系表

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。这样，一个LED 数码管就有1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。

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。

4.4.2发光二极管的设计及工作原理

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4.4.2所示。

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图 4-4信号灯的连接

在本设计中，实际控制的灯只有6个，即：东西红灯，东西绿灯，东西黄灯，南北红灯，南北绿灯，南北黄灯, 其中均是低电平有效。

共有4钟状态：东西红灯亮，南北绿灯亮（11011101/DDH ）；东西红灯亮，南北黄灯亮（10111101/BDH ）；东西绿灯亮，南北红灯亮（11101101/EDH ）；东西黄灯亮，南北红灯亮（11100111/E7H ）。

括号中是P 1端口8个引脚值P 1.7, P 1.6, P 1.5,P 1.4, P 1.3, P 1.2, P 1.1,P 1.0以及对应的十六进制码。

在用于显示发光二极管时，直接由MOV 指令将十六进制码送入P1口。刚才的4个状态是依次变换的，这就要涉及到状态的判断和衔接了。先把P1端口的值与所有的4个状态码比较，若相同则判断成功当前状态，再把下一状态的状态码送显P 1即可。

4.4.3按键控制设计

本设计设置了有3个键：S 键，J 键，F 键。每个按键一端接地，一端接上拉电阻。低电平有效，当按键按下端口接地，单片机捕获到低电平，从而知道相应的输入信息。

首先程序不断扫描模式设置键，分别记为：S 键，J 键，F 键, 低电平有效，按键顺序是指定的，若直接按F 键，则为自动调整模式，然后进入下一程序；若先按S 键，再按J 键，F 键则为设置时间模式，然后进入下一程序。

程序的开始要判断是否有键按下，可以不断将S 键值和F 键值相与，与值为1则表示没有键按下，为0则表示有键按下。

接下来要判断具体是那个键，若为F 键，则将自动标志位置1，进入下一程序，否则为S 键，则表示设置南北绿灯时间，用R0存值，按1下加1，同时还需判断此时J 键是否按下，若按下，则表示南北绿灯时间设置完毕，开始设置东西绿灯时间，用R1存值，同样按1下加1 ，同时判断此时F 键是否按下，若按下，则表示时间设置完毕，进入下一程序。

在这个过程中，S ，J 键的计数是循环的，从初值20开始，加到40则循环回到20。

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RST

图 4-5按键示意图

4.4.4复位电路的设计

单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚RST 上外接电阻和电容，实现上电复位。当复位电平持续两个机器周期以上时复位有效。复位电平的持续时间必须大于单片机的两个机器周期。具体数值可以由RC 电路计算出时间常数。

复位电路由按键复位和上电复位两部分组成。

(1)上电复位：STC 89系列单片及为高电平复位，通常在复位引脚RST 上连接一个电容到VCC ，再连接一个电阻到GND ，由此形成一个RC 充放电回路保证单片机在上电时RST 脚上有足够时间的高电平进行复位，随后回归到低电平进入正常工作状态，这个电阻和电容的典型值为10K 和10uF 。

(2)按键复位：按键复位就是在复位电容上并联一个开关，当开关按下时电容被放电、RST 也被拉到高电平，而且由于电容的充电，会保持一段时间的高电平来使单片复位。

图 4-6 复位电路

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4.4.5 通行灯输出控制

道口交通灯指示采用高亮度红绿双色发光二极管，左拐、右拐、直行及行人各一个。当发光电流为6mA 时，可按公式R =（5－1.8）／0.006计算，限流电阻为510Ω。因为南北通行时双向指示牌相同，所以每个端口应具有12mA 的吸收电流的能力，而人行道口按8个灯算，因此需36mA 的吸收电流，在单片机的输出口接驱动电路74HC 244，

保护单片机的输出端口。道口指示灯电路如图4.6.5所示

图 4-7城市道口交通指示灯电路

4.4.6 时间显示电路的设计

红绿灯通行时间采用数码管显示，这是一种很好的方法。通行剩余时间采用高亮7段LED 发光数码管，采用共阳数码管。由于每个道口时间显示相同，2组三极管就需96mA, 所以设计中采用三极管9012。因为每段输出口需吸收24mA 电流，所以电路设计中使用驱动集成块74HC244。LED 显示接口硬件电路由74HC244缓冲器、LED 显示器组成。

图 4-8 时间显示电路

在实际使用中LED 显示器都是多位的。对多位LED 显示器，通常采用动态扫描的方法进行显示，即逐个循环点亮各位显示器。虽然这样在任一时刻只有一位显示器被点亮，但由于视觉残留效应，看起来与全部显示器同时点亮效果完全一样。为了显示LED 显示器的动态扫描，不仅要给显示器提供段（字形代码）的输入之外，还要对显示器加位控制，这就是通常所说的段控和位控。因此多位LED 显示器接口电路需要有两个输出口，其中一个用于输出8条段控线（有小数点显示）；另一个用于输出位控线，位控线的数目等于显示器的位数。 4.4.7电源电路

整个系统采用的是+5V 电压，因此采用不可调的3端稳压器件，用7805就可以满足系统电源的要求。7805内部是由基准电压回路、恒流源、过流保护、过压保护和短路保护回路等8部分组成的三端集成稳压电源，且其低功耗，高效率，纹波系数小，输出电压稳定。

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第5章系统软件程序设计

5.1 程序主体设计流程

全部控制程序实际上分为若干模块：键盘设置处理程序，状态灯控制程序，LED 显

示程序紧停程序，中断服务子程序，红绿灯时间调整程序等。整个软件程序方面主要分两大部分：主程序部分和中断处理程序。流程图如图5-1所示。

图 5-1 系统总流程图

设计说明：该智能交通灯控制系统的软件设计采用的是顺序执行并反复循环的方法。智能交通灯控制系统在正常工作的情况下，每20s 循环变化一次。每个循环周期在

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还剩3s 时，正在通行路口的黄灯同时点亮并开始闪烁，以提醒路人上的行人及车辆，交通灯即将发生变化。 5.2子程序模块设计

5.2.1状态灯显示及判断

在本设计中，实际控制的灯只有6个，即：东西红灯，东西绿灯，东西黄灯，南北红灯，南北绿灯，南北黄灯。定义IO 端口如下，其中均是低电平有效。 H_RED BIT P1.0 H_YELLOW BIT P1.1 H_GREEN BIT P1.2 L_RED BIT P1.3 L_ YELLOW BIT P1.4 L_ GREEN BIT P1.5 共有4钟状态：东西红灯亮，南北绿灯亮（0F3H ）；东西红灯亮，南北黄灯亮（0F5H ）；东西绿灯亮，南北红灯亮（0DEH ）；东西黄灯亮，南北红灯亮（0EEH ）。

括号中是P 1端口8个引脚值对应的十六进制码。用于显示发光二极管时，部分程序如下; 东西红，南北绿，计时时间为20s 。 MOV P1,#0F3H MOV 60H,61H A1: MOV R1,#50 A2: ACALL BCD

ACALL DISPCLK DJNZ R1,A2 MOV A,60H MOV R0,60H ADD A,#99H DA A

MOV 60H,A CJNE R0,#05H,A1 5.2.2 LED倒计时显示

LED 计时每1秒都要刷新1次，采用的是动态显示，首先将R 4除以10H ，整数即十位放在50H 中，余数即个位放在51H 中，设置7段LED 显示数据的数据表，用数据指针寄存器DPTR 指向数据表的首地址，再加上A 中的偏移量，就可以指向十位数字，然后送显即可，个位显示同理。 5.2.3 紧停及调整时间中断子程序

紧停按键连接到外部中断引脚P3.2，即INT0捕获到一个低电平，则进入该中断进行相关处理。程序如下： ; 紧急情况处理 IINT0:

CLR EA JB P3.2,$

PUSH 60H PUSH P1 PUSH P2

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B0: JNB P3.0,NH JNB P3.1,DH ; 全红

A9: MOV P1,#0F6H SETB P2.6 SETB P2.7

ACALL DELAY JNB P3.2,B0 JMP JE

; 只允许东西方向车辆通行 NH: MOV P1,#0DEH SETB P2.6 SETB P2.7

ACALL DELAY JNB P3.2,B0 JMP JE

; 只允许南北方向车辆通行 DH: MOV P1,#0F3H SETB P2.6 SETB P2.7

ACALL DELAY JNB P3.2,B0 JMP JE JE:

POP P2 POP P1 POP 60H SETB EA RETI

5.2.4 红绿灯时间调整程序

时间调整按键连接到外部中断引脚P 3.3，即INT1捕获到一个低电平，则进入该中断进行相关处理。程序如下： ; 加减程序 IINT1:

CLR EA JB P3.3,$ PUSH P1 PUSH P2

B1: JNB P3.1,DDEC

IINC: JNB P3.0,SINC ;加1程序

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ZINC: ; 自动加1 MOV R0,#15 A10: ACALL BCD

ACALL DISPCLK DJNZ R0,A10 MOV A,60H ADD A,#01H DA A MOV 60H,A JNB P3.3,B1 JMP JS DDEC: ; 减1程序 JNB P3.0,SDEC ZDEC:

MOV R4,#15 A12: ACALL BCD

ACALL DISPCLK DJNZ R4,A12 MOV A,60H ADD A,#99H DA A

MOV 60H,A JB P3.3,JS JMP B1

5.3 系统软件调试

5.3.1ISIS 仿真软件

仿真的概念其实使用非常广，最终的含义就是使用可控的手段来模仿真实的情况。单片机系统开发中的仿真包括软件仿真和硬件仿真。

软件仿真这种方法主要是使用计算机软件来模拟实际的单片机运行，因此仿真与硬件无关的系统具有一定的优点。用户不需要搭建硬件电路就可以对程序进行验证，特别适合于偏重算法的程序。软件仿真的缺点是无法完全仿真与硬件相关的部分，因此最终还要通过硬件仿真来完成最后的设计；

硬件仿真使用附加的硬件来替代用户系统的单片机并完成单片机全部或大部分的功能。使用了附加硬件后用户就可以对程序的运行进行控制，例如单步、全速、查看资源断点等

5.3.2 集成开发环境KEIL

KEIL IDE Vision2集成开发环境主要由以下部分组成：

u Vision2 IDE 。ision2 IDE 包括：一个工程管理器，一个功能丰富并有交互式错误提示的编辑器选项设置生成工具，以及在线帮助。使用vision 2创建源文件并组成应用工程加以管理。vision 2可以自动完成编译汇编链接程序的操作；

C51编译器和A 51汇编器。Vision 2 IDE 创建的源文件可以被C 51编译器或A 51汇编器处理生成可重定位的object 文件。KEIL C51编译器遵照ANSI C 语言标准支持C

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语言的所有标准特性，另外还增加了几个可以直接支持80C 51结构的特性。KEIL A 51宏汇编器支持80C 51及其派生系列的所有指令集；

LIB51库管理器。B51库管理器可以从由汇编器和编译器创建的目标文件建立目标库，这些库是按规定格式排列的目标模块，可在以后被链接器所使用当链接器处理一个库时仅仅使用了库中程序使用了的目标模块而不是全部加以引用； BL 51链接器定位器。L51链接器使用从库中提取出来的目标模块和由编译器汇编器生成的目标模块创建一个绝对地址目标模块，绝对地址目标文件或模块包括不可重定位的代码和数据所有的代码和数据都被固定在具体的存储器单元中。利用KEIL 开发和调试系统软件流程大致如下：

启动Vision 2，进入KEIL 软件的集成开发环境；利用KEIL 内置的文本编辑器进行程序源文件的编辑，因为KEIL 集成的文本编辑器对中文支持不是很好，可以选择其他的编辑器(本文使用的文本编辑器是Ultraedit —32) ，Vision 2能够自动识别外部改变了的源文件；

建立工程，指定针对哪种单片机进行开发，指定对源程序的编译、链接参数，指定调试方式(本文采用外部硬件仿真器仿真调试的方式，即使ISIS 仿真器仿真) ，然后对工程进行相关设置；

设置好工程后即可进行编译、链接。连接仿真器对软件进行调试。也可以生成下载到单片机存储器上的HEX 文件。 5.3.3 系统软件调试

系统的软件调试借助于ISIS 仿真软件，在进行系统软件的连续调试之前要先进行软件的初调，就是要使各个子程序模块运行正确，程序的运行流程正确。软件调试主要分以下几个步骤进行：

功能子程序的调试，其中子程序的调试包括运算、采样、数字滤波以及PID 运算等子程序的调试。在调试功能子程序时，许多参数都是未知的，要根据其所需的条件，给出假定的数据，使其运行，如果能完成预定的处理功能或与手工计算的结果相符，就说明该子程序己调试通过。调试时由小到大，由里到外。例如，调试PID 算法子程序时，先调通其包含的各个运算子程序和参数处理子程序，然后将它们连起来进行通调。通调时，也是假定一些数据、参数和初始条件，然后运行程序。当运算结果与手工计算的结果相同时，该算法子程序则调试完成，反之，就要进行相应的修改。其它子程序的调试同理；

程序流程的调试，序流程的调试主要是查看程序运行的步骤是否正确，在某时刻程序运行所处的位置是否正确，是否能正确运行各个中断服务程序。在调试过程中，先将PID 算法子程序屏蔽，输出可控硅导通时间用一个固定的常数代替，在各个中断服务子程序设置断点，然后运行程序，查看程序是否能运行到所有的断点，若所有断点都能运行到，则程序流程基本正确。去掉所有断点，再一次运行程序，查看可控硅状态，从而判断程序流程正确，反之，若程序流程不正确，做相应的修改后，重新调试；

功能程序与算法程序的通调，完成整个程序流程的调试后，将PID 等算法子程序加入，在算法子程序前或后设置断点，运行整个程序。当程序在断点处暂停时，查看PID 计算的控制量与手工计算的值是否相同。多运行几次，若每次的结果都正确，则说明程序各个部分互相没有矛盾，反之，则说明算法子程序和其它子程序之间有影响，需要做相应的修改后重新调。

系统仿真图如下：

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图 5-2系统仿真图

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总结与体会

随着科学技术发展的日新日异，单片机已经成为当今计算机应用中空前活跃的领域，在生活中可以说得是无处不在，因此作为二十一世纪的大学来说掌握单片机的开发技术是十分重要的。单片机作为我们的主要专业课之一，虽然在开始学习时我对这门课并没有什么兴趣，觉得那些程序指令枯燥乏味，但在这次课程设计后我发现自己在一点一滴的努力中对单片机的兴趣也在逐渐增加。。

通过这次的单片机毕业设计，我更进一步了解到单片机的优点和强大功能, 在查找资料的过程中, 认识到单片机应用的广泛性。在实现这些功能的同时，对单片机系统有了一个更深刻的认识。同时通过此次毕业设计，熟练掌握了汇编语言的编程方法，进一步熟悉了外部中断的使用方法，学习了中断优先级的设置方法。通过使用仿真软件Proteus ，深化了对软硬件联合调试的意义的理解，在仿真的过程中肖老师指点了许多存在的问题，使我大大提高了联调的效率。但由于我的知识水平有限，设计的单片机交通灯系统还是存在一些的缺点和不足。

最后，我觉得作为一名自动化专业的学生，单片机的毕业设计是很有意义的，在这个过程中可以学会如何把自己平时所学的东西应用到实际中。虽然我对这门课懂的并不多，很多基础的东西都还没有很好的掌握，觉得有点难，也没有很有效的办法通过自身去理解，但是靠着这两个多星期的“学习”，在小组同学的帮助和讲解下，自己开始主动学习并逐步从基础慢慢开始弄懂它。我认为这个收获应该说是相当大的。我觉得毕业设计反映的是一个从理论到实际应用的过程，这个过程对缺乏实际经验的我们是非常重要的。通过这次单片机课程设计使我认识到自身知识及能力的薄弱，更让我知道实践的重要性。在以后的学习过程中，我会更加努力学习MCU 的相关知识和应用，真正能够运用单片机组成的微控制系统解决各种实际的问题。

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致谢

年月日

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主要参考文献

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