渝州科技职业学院
单片机交通信号灯
院 系： 电子信息工程学院
专业班级： 11 电管2班
学生姓名：
学 号：
指导教师姓名：
指导教师职称： 讲师
二OXX 年 十一 月
摘要:
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，实现了红绿灯循环点亮，红绿灯交替时5秒黄灯亮并关闭数码显示管（交通灯信号通过P1口输出，显示时间直接通过P0口输出至双位数码管）；可通过按键重设通行时间（本系统设了两个按键，一个加键，另一个减键，所加时间通过编程设定）并通过双位数码管显示（本系统必须复位后才能加减设置时间，在按完ok开始键之后不能再设置时间）。
关键词：
单片机 交通灯 重设通行时间
引言
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。
本课程设计的目的和意义
本课程设计是在学完单片机原理及课程之后综合利用所学单片机知识完成一个单片机应用系统设计并在实验室实现。该课程设计的主要任务是通过解决一、两个实际问题，巩固和加深“单片机原理与应用”课程中所学的理论知识和实验能力，基本掌握单片机应用电路的一般设计方法，提高电子电路的设计和实验能力，加深对单片机软硬知识的理解，获得初步的应用经验，为以后从事生产和科研工作打下一定的基础。
*******目录*******
一、设计要求
二、设计内容
三、单片机概述
四、交通信号灯模拟控制系统设计程序流程图
五、交通信号灯模拟控制系统原理图
六、交通信号灯模拟控制系统主程序
七、运行步骤
八、检测与调试
九、课程设计体会
十、参考文献
十一、说明
一、设计要求：交通信号灯模拟控制系统设计利用单片机的定时器定时，令十字路口的红绿灯交替点亮和熄灭，并且用LED数码管显示时间（其中黄灯亮时数码管关闭。用8051做输出口，控制六个发光二极管燃灭，模拟交通灯管理。
二、设计内容：因为本课程设计是交通灯的控制设计，所以要了解实际交通灯的变化情况和规律。假设一个十字路口为东西南北走向。初始状态0为东西红灯，南北绿灯。此时可以设置红绿灯时间，按下ok开始键之后，过一段时间转状态1东西和南北的黄灯亮，并关闭数码管显示（设有延时程序）之后再转状态2，东西绿灯通车，南北红灯。过一段时间转状态3，东西和南北黄灯亮，最后循环至状态0（主要：但此时不能设置红绿灯时间）。
三、单片机概述：
单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。
通常，单片机由单块集成电路芯片构成，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，引角的多功能化，以及低电压底功耗。
l 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1
·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。
单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛(Harvard)结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿(Princeton)结构。INTEL的MCS-51系列单片机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品16位的MCS-96系列单片机则采用普林斯顿结构。
下图是MCS-51系列单片机的内部结构示意图2。
图2
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3
Pin9:RESET/Vpd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4。此外，RESET/Vpd还是一复用脚，Vcc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4
·Pin30: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。
·Pin29:
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。
·Pin31:EA/Vpp程序存储器的内外部选通线，8051和8751单片机，内置有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。
在编程时，EA/Vpp脚还需加上21V的编程电压。
四、交通信号灯模拟控制系统设计程序流程图
1、主程序流程图：
图5
2、中断服务程序流程图：
外部中断0： 外部中断1 ：
图8
3、交通灯工作换灯流程：
五、交通信号灯模拟控制系统原理图
1、单片机系统原理图：
图10
六、交通信号灯模拟控制系统源程序
ORG 0000H
AJMP MAIN
ORG 0003H
AJMP INC1
ORG 000BH
AJMP START
ORG 0013H
AJMP DEC1
ORG 0100H
MAIN: MOV DPTR,#TAB
MOV R0,#24 ;设置数码管起始数24
MOV 20H,#20 ;在20h地址里存放20次定时循环，构成1s的延时
MOV P1,#0FFH ;初始化P1口
OK: MOV TMOD,#05H ;设置T0为外部计数器方式01
MOV TH0,#0FFH
MOV TL0,#0FFH
SETB EA ;开中断部分
SETB EX0
SETB EX1
SETB IT0
SETB IT1
SETB ET0
SETB TR0
MOVC A,@A+DPTR ;开始时数码管的显示
LED: CJNE R0,#0FFH,RED ;循环显示亮灯，里面只单纯考虑一个方向交通灯的情况来代表南北和东西走向的红绿灯关系
SETB P3.0 ;当R0减为#0FF时关掉两个数码管，关掉定时器T0，打开黄灯走过延时5秒程序之后跳到绿灯
SETB P3.5 ;跳到绿灯后赋予初值R0，判断R0是否减为#0FFH，如果等于#0FFH，跳到红灯之后循环～
CLR ET0
CLR TR0
YELLOW: MOV R2,#00010010B
MOV A,R2
MOV P1,A
CLR P3.1
DEL: MOV R6,#100 ; 黄灯5秒延时
DEL1: MOV R5,#200
DEL2: MOV R4,#125
DEL3: DJNZ R4,DEL3
DJNZ R5,DEL2
DJNZ R6,DEL1
GREEN: CLR P3.0
CLR P3.5
SETB ET0
SETB TR0
MOV A,R1
MOV R0,A
MOV R2,#00001100B
CLR P3.1
JMP LED2
LOOP: MOV A,R1
MOV R0,A
RED: MOV A,R1
MOV R0,R1
MOV R2,#00100001B
LED1: MOV B,#10
MOV A,R0
DIV AB
MOVC A,@A+DPTR
MOV P1,A
CLR P3.0
SETB P3.0
MOV A,B
MOVC A,@A+DPTR
MOV P1,A
CLR P3.5
SETB P3.5
MOV A,R2
MOV P1,A
CLR P3.1
SETB P3.1
JMP LED
LED2: MOV A,R0
JZ LOOP
MOV B,#10
MOV A,R0
DIV AB
MOVC A,@A+DPTR
MOV P1,A
CLR P3.0
SETB P3.0
MOV A,B
MOVC A,@A+DPTR
MOV P1,A
CLR P3.5
SETB P3.5
MOV A,R2
MOV P1,A
CLR P3.1
SETB P3.1
JMP LED2
START: CLR EX0 ;如果T0口发现1个外部负跳变脉冲，则关掉外部中断INT0,INT1取消加减置数
CLR EX1 ;把T0口改成定时器方式1，进入倒计时开始
CLR IT0
CLR IT1
MOV TMOD,#01H
MOV TH0,3CH
MOV TL0,0B0H
DJNZ 20H,RETURN
MOV 20H,#20
DEC R0
RETURN: RETI
INC1: INC R0
MOV A,R0 ；把R0储存起来以备绿灯可以和红灯相同的时间
MOV R1,A
CLR EX0
CLR IT0
XD_1: MOV 21H,#100 ;消抖程序1，设置25ms延迟
XD1: MOV 22H,#125
XD2: DJNZ 22H,XD2
DJNZ 21H,XD1
SETB EX0
SETB IT0
RETI
DEC1: DEC R0
MOV A,R0 ；把R0储存起来以备绿灯可以和红灯相同的时间
MOV R1,A
CLR EX1
CLR IT1
XD_2: MOV 23H,#100 ;消抖程序2，设置25ms延迟
XD3: MOV 24H,#125
XD4: DJNZ 24H,XD4
DJNZ 23H,XD3
SETB EX1
SETB IT1
RETI
TAB : DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH
;0 1 2 3 4 5 6 7 8 9;共阴极
END
七、运行步骤
①给单片机（交通灯系统）上电（或者已上电按复位键）。
②以连续方式从0100H开始执行程序，初始态0为南北路口的红灯亮东西路口的绿灯亮，并设置了初始时间24秒，数码管显示24秒。
③此时可以设置红绿灯时间（ADD键加，DEC键减每次各一，注意本设置红灯与绿灯为同一初始时间）。
④按下ok开始键系统关闭设置红绿灯时间功能进入倒计时，系统进入运行，经过一段时间，转为状态1东西和南北路口黄灯亮经过5秒延时并关闭数码管显示，进入状态2南北路口绿灯亮东西路口红灯亮经过倒计时之后返回初始0状态实现循环。（注意此时不能设置红绿灯时间）
八、检测与调试：
1、硬件调试：硬件调试是利用开发系统、基本测试仪器（万用表、示波器等），检查用户系统硬件中存在的故障。
硬件调试可分为静态调试与动态调试两步进行。
静态调试
静态调试是在用户系统未工作时的一种硬件检测。
第一步：目测。检查外部的各种元件或者是电路是否有断点。
第二步：用万用表测试。先用万用表复核目测中有疑问的连接点，再检测各种电源线与地线之间是否有短路现象。
第三步：加电检测。给板加电，检测所有的插座或是器件的电源端是否符合要求的值
第四步：是联机检查。因为只有用单片机开发系统才能完成对用户系统的调试。
动态调试
动态调试是在用户系统工作的情况下发现和排除用户系统硬件中存在的器件内部故障、器件连接逻辑错误等的一种硬件检查。动态调试的一般方法是由近及远、由分到合。
由分到合是指首先按逻辑功能将用户系统硬件电路分为若干块，当调试电路时，与该元件无关的 器件全部从用户系统中去掉，这样可以将故障范围限定在某个局部的电路上。当各块电路无故障后，将各电路逐块加入系统中，在对各块电路功能及各电路间可能存在的相互联系进行调试。由分到合的调试既告完成。
由近及远是将信号流经的各器件按照距离单片机的逻辑距离进行由近及远的分层，然后分层调试。调试时，仍采用去掉无关元件的方法，逐层调试下去，就会定位故障元件了。
2、软件调试：软件调试是通过对用户程序（本次采用伟福仿真软件）的汇编、连接、执行来发现程序中存在的语法错误与逻辑错误并加以排除纠正的过程。程序后，编辑，查看程序是否有逻辑的错误。
九、课程设计体会
通过这一阶段的单片机课程设计，我对单片机有了更深的了解。学会如何用编程方法消除抖动，更牢固的掌握了各个中断的用法，特别是定时∕计数器的两种用法的混合使用，在编程时经常因为考虑不周而出现了几次修改，但可幸的是编程思路的正确，让我不用很大篇幅的修改，使我在不动大框架中学到了很多知识，并且巩固了以往的知识！从这之后我更加认识到最初构想思路的重要性。
十、参考资料
《单片机原理及应用》[M]李建忠著，西安：西安电子科技大学，2002 年；
十一、说明
本课程设计的先修课程是：模拟电子技术、数子电子技术、单片机原理与技术。
一个完整的交通灯相当于一个简单的单片机系统，该系统有交通灯设置电路、单片机、显示电路等构成。单片机是集成的IC芯片，只需根据实际设计要求选型。其他部分都需要根据应用要求和性能指标自行设计。