交通灯设计

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1、武汉理工大学能力拓展训练说明书11 设计任务及要求分析设计任务及要求分析1.1 设计任务设计任务实现南北和东西方向的交通控制，利用控制键对通行时间进行控制，可更改方向与通行时间的调整。分别显示东西、南北方向的红、黄、绿指示灯，并且显示通行与等待时间。1.2 提高部分提高部分设置交通管制开关，选择规定方向的绿灯，其他方向为红灯，不显示通行与等待时间。1.3 任务要求分析任务要求分析在设计中要实现通过按键对相应方向上的绿灯打开，另一方向上红灯打开。这需要通过按键输入。而通过加减键对红绿灯亮的时间进行控制。通常情况下，对红绿灯显示相应亮的时间。本系统主要是以 89C51 为核心来设计交通控制系统，单

2、片机外接六个发光二极管交替发光来表示交通灯的红绿灯的交换，另外用四个数码管来倒计时各个发光二极管亮的时间，除此之外，本设计还采用开关按钮来实现一系列扩展功能，如红绿灯亮的时间的长短的切换，紧急情况下的绿灯开启，使主干道的通行时间增加。2 方案设计方案设计2.1 设计方案设计方案对于交通灯的设计通常选用的方案有两种，一种是单片机方案，它采用的控制芯片为单片机；另一种方案是采用 FPGA 器件。这两种方案都有各自的优点。2.1.1FPGA 设计方案设计方案采用 FPGA（现场可编程门阵列）作为系统的控制器。FPGA 可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，它将所以器件集中在一块芯片上，减小了体

3、积，提高了稳定性，并且可一应用 EDA 软件仿真、调试，易于进行功能扩展。FPGA 采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。但由于本设计对数据处理的速度要求不高，FPGA 的高速处理优势得不到充分体现，并且由于起集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。武汉理工大学能力拓展训练说明书22.1.2 单片机设计方案单片机设计方案采用单片机编程控制的方式。单片机主要用以实现各种测试和控制功能。单片机的特点：（1）控制系统在线作用。单片机的控制作用可分为两个方面：一是离线控制，二是在线控制。（2）软硬

4、件结合。单片机的引入使控制系统大大“软化” ，相比其他计算机应用问题，单片机控制应用中的硬件内容较多，所以单片机控制应用有软硬结合的特点。（3）应用现场环境恶劣。通常单片机应用现场的环境比较恶劣，电磁干扰、电源波动、冲击振动、高低温等因素都会影响系统的工作的稳定。此外，无人值守的环境也会对单片机系统的稳定性和可靠性提出更高的要求。所以稳定和可靠在单片机的应用中具有格外重要的意义。（4）应用的广泛性。在生活和生产的各个领域中，凡是有自动控制要求的地方都会有单片机的身影出现。其应用领域包括工业自动化方面、仪器仪表方面、家用电器方面、信息和通信产品方面以及军事装备方面。综上所述，单片机的稳定性，可靠

5、性都有着很好的保证，它也具有一定的精度，且低电压、低功耗。从经济方面考虑，也最为合适。所以此次设计选用单片机为核心控制器。在本系统的开发和设计中，选择 ATMEL 公司的 AT89C51 单片机最合适。2.2 设计思路设计思路2.2.1 按键输入模块按键输入模块对于单片机按键输入信号的检测有两种方式，一种是查询方式，这种方式需要在每一次执行主程序时查询相应管脚的输入信号，耗费 CPU 大量资源，且有按键迟钝现象。另一种是中断方式，只要键盘有信号输入，就立刻执行中断程序，实时性较强。在中断服务程序中对键盘输入信号进行查询，执行相应的程序。2.2.2 定时器一秒中断模块定时器一秒中断模块 由于数码

6、管显示每隔一秒就会减一，这需要定时器控制时间间隔。我采用了定时器T0 来控制。由于单片机内部时钟周期为 24MHZ，T0 定时最大时间为. = 2161 24 12它小于 1S,所以设置计数初值为 3CB0H,T0 中断一次时间为 0.25S,开辟系统位地址为 20H 的 地方为 STAND,当 R5 达到 28H 时，STAND 置 1，此时时间达到 1S.2.2.3 数码管显示模块数码管显示模块由于交通灯显示时间一般不大于 99S，用于快速调节车流量。因此选用两个 2 位 7 段武汉理工大学能力拓展训练说明书3数码管。数码管显示有两种方式，一种为静态显示方式，另一种为动态扫描方式。由于数码

7、管个位和十位同时显示，且显示数据连接在单片机同一输出口上，因此要选用动态扫描方式，当十位和个位显示时间少于一定时间再迅速关断时，给人的感觉是十位和个位同时显示出一个数据。由于数码管显示时间是递减的，当计时时间达到 1S 时，数码管显示数据减一，因此在显示时间时，用查询方式，当 STAND 置 1 时，显示时间减一，同时对 STAND 清零。3 交通灯硬件电路设计交通灯硬件电路设计3.1 交通灯的方案交通灯的方案东西、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。黄灯亮并闪烁提示人们注意红、绿灯的状态即将切换，且黄灯燃亮时

8、间为东西、南北两干道的公共停车时间。设A 道比 B 道的车流量大，绿灯亮的时间长，指示灯燃亮的方案如表 1。45S5S60S5S45S5S东西红灯亮黄闪烁绿灯亮黄闪烁红灯亮黄闪烁南北绿灯亮黄闪烁红灯亮黄闪烁绿灯亮黄闪烁表 1 东西、南北亮灯时序说明：（1）当为黄灯时 A、B 两道同时为黄灯；以提示行人或车辆下一个灯色即将到来，时间 5 秒。 （2）当东西道到红灯，东西道车辆禁止通行，东西道行人可通过；南北道为绿灯，南北道车辆通过，行人禁止通行。时间为 45 秒。（3）当东西道亮绿灯，东西道车辆通行，行人禁止通行；南北道为红灯，南北道车辆禁止通过，行人通行。时间为 60 秒。东西道车流大，通行时

9、间长（4）这样如上表的时间和红、绿、黄出现的顺序依次出现这样行人和车辆就能安全畅通的通行。（5）此表红绿灯亮时间的可根据车流量动态设定。3.2 硬件电路硬件电路3.2.1 数码管及数码管及 LED 显示模块显示模块数码管进行倒计时显示，LED 显示交通灯亮的情况，提示路人。由于数码管显示数据中，位选线需要较大的电流驱动，而实际上 89C51 单片机管脚武汉理工大学能力拓展训练说明书4输出拉电流一般为十几到二十 mA，不足以驱动数码管，因此在位选线上要接驱动电路，起电流放大作用。LED 显示采用共阳极接法，采用串联 200 电阻限流。图 1 数码管及 LED 显示模块3.2.2 键盘输入电路键盘

10、输入电路键盘输入电路采用中断输入方式，当按下调节红绿灯计时时间开关及交通管制开关，就会产生中断，进而判断哪个按键按下，处理相关的程序。按下红灯调节按钮 RED，再按下 INCREASE 按键几下，使红灯通行时间增加几秒，再按下 DECREASE 按键几下，使红灯通行时间减少几秒，松开 RED，则返回正常交通灯显示，绿灯 GREEN 功能相同。按下WEST，东西道绿灯亮，南北道红灯亮，NORTH 功能则相反。其中 WEST 和 NORTH 具有优先控制权，WEST 级别最高。武汉理工大学能力拓展训练说明书5图 2 键盘输入电路3.2.3 单片机控制电路单片机控制电路整个控制系统的核心是单片机，单

11、片机 P3 口采集键盘输入信号，P2 口低 4 位作为数码管的位选线，控制数码管的导通与关断，P1 口输出数码管将要显示的数据，采用 BCD码输出。P0 口控制 LED 灯的通断。武汉理工大学能力拓展训练说明书6图 3 单片机控制电路3.3 系统原理阐述系统原理阐述当单片机启动时，东西道方向先按红、黄、绿、黄的顺序 LED 灯循环点亮，在灯亮的同时数码管按递减的顺序显示时间。当按下交通管制开关 WEST 时，东西道绿灯亮，南北道红灯亮，数码管熄灭，松开 WEST 时，交通灯恢复正常显示。交通管制开关 NORTH与此原理相同，两者不能同时按下，若同时按下，则 WEST 权限更高。当按下 RED

12、按钮时，再按 INCREASE 或 DECREASE 调节红灯时间，GREEN 按钮与它原理相同。在调节时间时，南北道与东西道均为红灯，数码管关断。当松开按钮时交通灯恢复显示。武汉理工大学能力拓展训练说明书7图 4 交通灯整体控制电路图武汉理工大学能力拓展训练说明书84 交通灯软件设计交通灯软件设计4.1 主程序流程图主程序流程图主程序流程图如图所示：其功能是完成数码管倒计时以及 LED 信号灯的循环显示提示信号。图 5 主程序流程图4.2 黄灯亮子程序黄灯亮子程序黄灯亮子程序的功能是控制 LED 提示灯黄灯闪烁，同时数码管倒计时计数。YELLOW、 、 P02、STAND、 1、 、 、 、

13、 、 31H、 、31H、 、 、 、 、 P02、31H、 0YYYYNNNNRET图 6 黄灯子程序流程图武汉理工大学能力拓展训练说明书94.2 数码管显示流程数码管显示流程数码管采用动态扫描的方式进行显示。、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 P1MOV P2、 #00HMOV P2 #0AH、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 4、 、 、 、 、 、 、 、 、 P1MOV P2、 #00HMOV P2 #05H、 、 、 、 、 、 、MOV P2 #0AH、 、 、 、 、 0NNRETY Y图 7 数码管显示流程图4.3 定时器流程图定时器流程图定时器采用中

14、断方式进行 1S 计时、 、 、 、 、 、R5、 1、 、 、 、 、 、SETB STANDRETIMOV R5、 #00HY YR5、 40N N图 8 定时器流程图武汉理工大学能力拓展训练说明书104.4 按键输入中断按键输入中断按键中断通过控制信号输入 INT0 进行中断控制。流程图如图 9 所示：、 、 、 、 、 、WEST、 、NORTH、 、 、 、 、 、 、 、 、 、N N、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、Y YN N、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、WEST、 、NORTH、 、RETIRETIY YY YN NY YN NRE

15、D、 、N NGREEN、 、INCREASE、 、R0、 1INCREASE、 、DECREASE、 、N NY YGREEN、 、Y YN NN NR0、 1Y YINCREASE、 、N NN NY YRETIY YY YRED、 、INCREASE、 、R1、 1INCREASE、 、DECREASE、 、N NY YRED、 、Y YN NN NR1、 1Y YINCREASE、 、N NN NY YRETIY YY YY Y图 9 按键输入中断流程图5 调试记录与仿真结果分析调试记录与仿真结果分析单片机开始运行时的现象如图 10 所示，东西方向亮红灯，南北方向亮绿灯，倒计时45S.

16、武汉理工大学能力拓展训练说明书11图 10 东西方向亮红灯，南北方向亮绿灯倒计时开始 东西方向亮红灯，南北方向亮绿灯，倒计时至 8S.时如图 11 所示。图 11 东西方向亮红灯，南北方向亮绿灯，倒计时至 8S.武汉理工大学能力拓展训练说明书12亮黄灯，倒计时 5S 仿真图形如图 12 所示：图 12 黄灯闪烁 5S 仿真现象东西方向亮绿灯，南北方向亮红灯，倒计时 60S.仿真图形如图 13 所示：图 13 东西方向亮绿灯，南北方向亮红灯，倒计时 60S.武汉理工大学能力拓展训练说明书13按下 NORTH 键，东西方向亮红灯，南北方向亮绿灯，如图 14 所示：图 14 按下 NORTH 键现象 按下红灯调节按钮，在按下 3 次 INCREASE 后松开红灯调节按钮的现象如图 15 所示：图 15 按下红灯调节按钮，在按下 3 次 INCREASE 后现象武汉理工大学能力拓展训练说明书14按下绿灯调节按钮，在按下 7 次 DECREASE 后松开绿灯调节按钮的现象如图 16 所示：图 16