基于单片机的十字路口交通信号灯控制系统设计与调试

1.1 控制要求

（1）系统工作受开关控制，起动开关 ON 则系统工作；起动开关 OFF 则系统停止工作。

（2）控制对象有八个：

东西方向红灯两个 , 南北方向红灯两个，

东西方向黄灯两个 , 南北方向黄灯两个，

东西方向绿灯两个 , 南北方向绿灯两个，

东西方向左转弯绿灯两个，南北方向左转弯绿灯两个。

（3）另外东西方向、南北方向各设置显示两位十进制的7段显示器，用来显示倒数计数值。

1）高峰时段按时序图二（见附图）运行， 正常时段按时序图三（见附图）运行，晚上时段按提示警告方式运行，规律为： 东、南、西、北四个黄灯全部闪亮，其余灯全部熄灭。

高峰时段、正常时段及晚上时段的时序分配按时序图一运行(见附图)。

可以只选择高峰时段或正常时段进行设计，但最后评分值最高以良好评议；如果全部功能实现（需要设计一个24小时的时钟作为时段划分的基础），最高评分值以优秀评议。

时序图

第二章 系统方案设计

2.1交通灯运行状态分析

根据控制要求，系统以下图交通的运行状态来设计系统方案。

状态1南北直行；状态2南北左转； 状态3东西直行；状态4东西左转。

共有四种状态，分别设定为S1、S2、S3、S4，交通灯以这四种状态为一个周期。循环执行如图1.5所示：

图2.1 交通灯状态循环图

2.2系统总体方案设计

图2.2系统总体方案图

本系统采用MCS-51系列单片机AT89C51为中心器件来设计交通灯控制器，实现了正常、高峰、晚间时通过单片机的P1口设置红、绿、黄灯亮灭的功能。东西、南北两位7段显示器用来显示倒数计数值。系统分三种工作时段：正常、高峰、晚间，并且通过时间段来控制"正常"、"高峰"、"晚间"相互转化。

正常时段：南北段直行通行（绿灯）、东西段禁止（红灯）40s，同时南北段和东西段方向的数码管分别从40s和70s开始倒计时，至最后5s时南北段绿灯变成黄灯闪烁；此后南北段左转（左转绿灯亮）通行、东西段禁止（红灯）20s，同时南北段和东西段方向的数码管都从20s开始倒计时，至最后5s时南北段左转灯变成黄灯闪烁；再后东西段直行通行（绿灯）、南北段禁止（红灯）40s，同时东西段和南北段方向的数码管分别从40s和70s开始倒计时，至最后5s时东西段绿灯变成黄灯闪烁；最后东西段左转（左转绿灯亮）通行、南北段禁止（红灯）20s，同时东西段和南北段方向的数码管都从20s开始倒计时，至最后5s时东西段左转灯变成黄灯闪烁。

高峰时段：南北段、东西段的通行时间改为45s，左转的时间改为15s，其它与正常时段相同。

晚间时段：禁止左转和直行，东西南北四个方向黄灯闪亮。

第三章 系统电路设计

3.1控制芯片选择

图3.1 AT89C51引脚图

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8051产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，可以按照常规方法对其进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

3.2状态灯选择

该系统设计红、绿、黄状态灯显示的功能，用LED灯来代替实际的交通灯，由于有四种不同的运行状态，一个十字路口需要16个LED灯，倒计时数码管显示选用两位带片选的7段数码管，需要4个。数码管显示简单，程序简单，端口用的少。普通单色发光二极管具有体积小、工作电压低、工作电流小、发光均匀稳定、响应速度快、寿命长等优点，可用各种直流、交流、等电源驱动点亮，它属于电流控制型，使用时需串接合适的限流电阻。

3.3系统硬件原理图设计

图3.2系统原理布置图

第四章 系统软件设计

4.1 程序流程图设计

图4.1主程序流程图

系统通电后，初始化定时器，进行24小时定时，在7:00到8:15或16:30到17：00时，按高峰时段运行。在6:30到7：00或8:15到16;30或18:00到19：00时，按正常时段运行。其余时段，按晚间时段运行。

图4.2 时钟及晚间时段程序流程图

本设计利用单片机的定时器T0中断来设置24小时定时，设置TH1=0x3C，TL1=0xB0.即每0.05秒中断一次。到第20次中断即过了20*0.05秒＝1秒时，计60S时，满意1分钟，计满60分钟，满1小时，计满24小时，又重新开始计时。用定时器T1中断来设置数码管倒计时，每满1S时，使时间的计数值减1，便实现了倒计时的功能。

图4.3 高峰时段及正常时段流程图

4.2 系统编程

4.2.1定时器的中断设置

在单片机中，中断技术主要用于实时控制。所谓实时控制，就是要求计算机能及时地响应被控对象提出的分析、计算和控制等请求，使被控对象保持在最佳工作状态，以达到预定的控制效果。由于这些控制参量的请求都是随机发出的，而且要求单片机必须做出快速响应并及时处理，对此，只有靠中断技术才能实现。

本系统中的定时时钟及倒计时的设置和相应中断服务子程序如下：

/*24小时时钟 */

void Timer0Cofig(){

TMOD=0x01; //T0定时器工作方式

TH0=0x3C; //设置初始值,定时50MS

TL0=0xB0;

ET0=1; //定时器开中断

TR0=1; //启动定时器0

EA=1; //CPU开中断总允许

}

void T0int() interrupt 1{

TH0=0x3C; //设置初始值

TL0=0xB0;

second_counter++;

if(second_counter>=20){second++;second_counter=0;}

if(second>=60){minute++;second=0;}

if(minute>=60){hour++;minute=0;}

if(hour>=24){hour=0;}

}

/********倒数显示定时器*********/

void Timer1Cofig()

{

TMOD=0x01; //T1定时器工作方式

TH1=0x3C; //定时器初值50ms中断一次

TL1=0xB0;

ET1=1; //定时器开中断

TR1=1; //启动定时器1

EA=1; //CPU开中断总允许

}

/*定时器中断函数*/

void timer1() interrupt 3{

TH1=0x3C; //重新装入初值

TL1=0xB0;

RGY_second++;

if(RGY_second==20){

RGY_second=0;

Time_EW--;//满1秒，数码管值减1

Time_SN--;

}

}

第五章 系统调试与仿真

5.1 proteus仿真结果

根据系统设计要求，进行keil调试和proteus系统仿真，不断调试程序。发光二极管，数码管都能按要求显示，符合要求。proteus总体仿真图如下。

图5.1 仿真结果

十字路口交通信号灯单片机控制系统设计与调试

第一章 控制要求

1.1 控制要求

（1）系统工作受开关控制，起动开关 ON 则系统工作；起动开关 OFF 则系统停止工作。

（2）控制对象有八个：

东西方向红灯两个 , 南北方向红灯两个，

东西方向黄灯两个 , 南北方向黄灯两个，

东西方向绿灯两个 , 南北方向绿灯两个，

东西方向左转弯绿灯两个，南北方向左转弯绿灯两个。

（3）另外东西方向、南北方向各设置显示两位十进制的7段显示器，用来显示倒数计数值。

1）高峰时段按时序图二（见附图）运行， 正常时段按时序图三（见附图）运行，晚上时段按提示警告方式运行，规律为： 东、南、西、北四个黄灯全部闪亮，其余灯全部熄灭。

高峰时段、正常时段及晚上时段的时序分配按时序图一运行(见附图)。

可以只选择高峰时段或正常时段进行设计，但最后评分值最高以良好评议；如果全部功能实现（需要设计一个24小时的时钟作为时段划分的基础），最高评分值以优秀评议。

时序图

第二章 系统方案设计

2.1交通灯运行状态分析

根据控制要求，系统以下图交通的运行状态来设计系统方案。

状态1南北直行；状态2南北左转； 状态3东西直行；状态4东西左转。

共有四种状态，分别设定为S1、S2、S3、S4，交通灯以这四种状态为一个周期。循环执行如图1.5所示：

图2.1 交通灯状态循环图

2.2系统总体方案设计

图2.2系统总体方案图

本系统采用MCS-51系列单片机AT89C51为中心器件来设计交通灯控制器，实现了正常、高峰、晚间时通过单片机的P1口设置红、绿、黄灯亮灭的功能。东西、南北两位7段显示器用来显示倒数计数值。系统分三种工作时段：正常、高峰、晚间，并且通过时间段来控制"正常"、"高峰"、"晚间"相互转化。

正常时段：南北段直行通行（绿灯）、东西段禁止（红灯）40s，同时南北段和东西段方向的数码管分别从40s和70s开始倒计时，至最后5s时南北段绿灯变成黄灯闪烁；此后南北段左转（左转绿灯亮）通行、东西段禁止（红灯）20s，同时南北段和东西段方向的数码管都从20s开始倒计时，至最后5s时南北段左转灯变成黄灯闪烁；再后东西段直行通行（绿灯）、南北段禁止（红灯）40s，同时东西段和南北段方向的数码管分别从40s和70s开始倒计时，至最后5s时东西段绿灯变成黄灯闪烁；最后东西段左转（左转绿灯亮）通行、南北段禁止（红灯）20s，同时东西段和南北段方向的数码管都从20s开始倒计时，至最后5s时东西段左转灯变成黄灯闪烁。

高峰时段：南北段、东西段的通行时间改为45s，左转的时间改为15s，其它与正常时段相同。

晚间时段：禁止左转和直行，东西南北四个方向黄灯闪亮。

第三章 系统电路设计

3.1控制芯片选择

图3.1 AT89C51引脚图

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8051产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，可以按照常规方法对其进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

3.2状态灯选择

该系统设计红、绿、黄状态灯显示的功能，用LED灯来代替实际的交通灯，由于有四种不同的运行状态，一个十字路口需要16个LED灯，倒计时数码管显示选用两位带片选的7段数码管，需要4个。数码管显示简单，程序简单，端口用的少。普通单色发光二极管具有体积小、工作电压低、工作电流小、发光均匀稳定、响应速度快、寿命长等优点，可用各种直流、交流、等电源驱动点亮，它属于电流控制型，使用时需串接合适的限流电阻。

3.3系统硬件原理图设计

图3.2系统原理布置图

第四章 系统软件设计

4.1 程序流程图设计

图4.1主程序流程图

系统通电后，初始化定时器，进行24小时定时，在7:00到8:15或16:30到17：00时，按高峰时段运行。在6:30到7：00或8:15到16;30或18:00到19：00时，按正常时段运行。其余时段，按晚间时段运行。

图4.2 时钟及晚间时段程序流程图

本设计利用单片机的定时器T0中断来设置24小时定时，设置TH1=0x3C，TL1=0xB0.即每0.05秒中断一次。到第20次中断即过了20*0.05秒＝1秒时，计60S时，满意1分钟，计满60分钟，满1小时，计满24小时，又重新开始计时。用定时器T1中断来设置数码管倒计时，每满1S时，使时间的计数值减1，便实现了倒计时的功能。

图4.3 高峰时段及正常时段流程图

4.2 系统编程

4.2.1定时器的中断设置

在单片机中，中断技术主要用于实时控制。所谓实时控制，就是要求计算机能及时地响应被控对象提出的分析、计算和控制等请求，使被控对象保持在最佳工作状态，以达到预定的控制效果。由于这些控制参量的请求都是随机发出的，而且要求单片机必须做出快速响应并及时处理，对此，只有靠中断技术才能实现。

本系统中的定时时钟及倒计时的设置和相应中断服务子程序如下：

/*24小时时钟 */

void Timer0Cofig(){

TMOD=0x01; //T0定时器工作方式

TH0=0x3C; //设置初始值,定时50MS

TL0=0xB0;

ET0=1; //定时器开中断

TR0=1; //启动定时器0

EA=1; //CPU开中断总允许

}

void T0int() interrupt 1{

TH0=0x3C; //设置初始值

TL0=0xB0;

second_counter++;

if(second_counter>=20){second++;second_counter=0;}

if(second>=60){minute++;second=0;}

if(minute>=60){hour++;minute=0;}

if(hour>=24){hour=0;}

}

/********倒数显示定时器*********/

void Timer1Cofig()

{

TMOD=0x01; //T1定时器工作方式

TH1=0x3C; //定时器初值50ms中断一次

TL1=0xB0;

ET1=1; //定时器开中断

TR1=1; //启动定时器1

EA=1; //CPU开中断总允许

}

/*定时器中断函数*/

void timer1() interrupt 3{

TH1=0x3C; //重新装入初值

TL1=0xB0;

RGY_second++;

if(RGY_second==20){

RGY_second=0;

Time_EW--;//满1秒，数码管值减1

Time_SN--;

}

}

第五章 系统调试与仿真

5.1 proteus仿真结果

根据系统设计要求，进行keil调试和proteus系统仿真，不断调试程序。发光二极管，数码管都能按要求显示，符合要求。proteus总体仿真图如下。

图5.1 仿真结果

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