红绿灯控制系统

目录

第一章绪论 (2)

第二章总体设计思路、基本原理和框图 (3)

第一节设计思路 (3)

第二节基本原理 (3)

第三节总体设计框图 (3)

第三章交通灯自动控制电路硬件设计 (5)

第一节单片机的结构 (5)

第二节主要元器件选择 (5)

第三节设计显示部分 (5)

第四节交通路口模型 (6)

第五节总电路图 (6)

第六节显示原理 (7)

第四章交通灯自动控制电路软件设计 (9)

第一节单片机中断系统基本结构 (9)

第二节设计指标 (12)

第三节系统结构框图 (12)

第四节系统各功能模块 (13)

第五节交通信号灯顺序工作流程图 (15)

第六节状态译码器 (17)

第七节状态译码电路组成如图 (18)

第五章系统仿真 (19)

结论 ........................................................................................................ 错误!未定义书签。致谢 ........................................................................................................ 错误!未定义书签。参考文献 ................................................................................................ 错误!未定义书签。

第一章绪论

随着我国经济的飞速发展，城市人口越来越多，居民出行次数和机动车拥有量不断增加，城市道路拥挤、车流量不均衡等问题日趋严重。人们经常会为道路拥挤、交通秩序混乱、出行时间过长等城市交通问题倍感苦恼，例如：绿灯方向几乎没有什么车辆,而红灯方向却排着长队等候通过。因此提高城市路网的通行能力、实现道路交通的科学化管理迫在眉睫，如何才能保持城市交通的安全便捷、高效畅通和绿色环保，已成为政府政策规划的一个重点问题。作为一种交通规则的指示,交通灯它起着及其重要的作用。从最初的单车道到现在的四车道八车道等,交通指示的自动控制也越来越完善。它不再仅仅拥有交通指示的作用,还有其它特殊情况的处理,比如对闯红灯的肇事者进行的监督,紧急救护车的通过时保持道路畅通,等等都需要非常的处理,这也是对交通灯功能的新要求。而且,也从最初的只有红,黄,绿三种灯的指示到现在的倒计时电子显示,让人们从单一的信号判别到时间的准确明了有了进一步认知。这都表明交通灯的研究还具有它实际的意义。

通过对十字路口交通灯控制系统的设计与制作，使我们进一步巩固和加深了对所学的基础理论、基本技能和专业知识的认识掌握。同时也培养自身综合运用所学过的基础理论、基础知识和基本技能进行分析和解决实际问题的能力，更使我们受到了 PLC 系统开发的综合训练，从而能够使我们进行 PLC 系统设计和实施，并且掌握典型自动控制系统的工作原理和设计思路。更重要的是：通过对十字路口交通灯系统的每个环节的实际制作，锻炼了自身的刻苦钻研、勇于探索、实事求是、善于与他人合作的工作作风，这为我们将来的上岗实习做好了充分的准备。

第二章总体设计思路、基本原理和框图

第一节设计思路

交通灯的自动控制系统的主要功能包括:普通交通灯的显示,LED倒计时显示,突发事件的外部处理和交通路口的模拟。本设计的控制系统由以下电路模块组成: 振荡器和时钟电路:这部分电路主要由 80C51 单片机和一些电容,晶振组成。

设计控制部分:主要由 80C51 单片机的外部中断电路组成。

设计显示部分:LED 数码显示部分。LED 数码显示部分由七段数码显示管组成。

第二节基本原理

主体电路:交通灯自动控制模块。这部分电路主要由 80C51 单片机的 I/O 端口，定时计数器，外部中断扩展等组成。

本设计先是从普通三色灯的指示开始进行设计，用P1口作为输出。程序的初始化是东西南北方向的红灯全亮。然后南北方向红灯亮,东西方向绿灯亮60 秒后东西方向黄灯闪亮5秒后南北方向绿灯亮,东西方向红灯亮。重复执行，倒计时用到定时器T0, 用P2口作为LED的显示。二位一体的LED重复执行60秒的倒计时。作为突发事件的处理,本设计主要用到外部中断 EX0。用一模拟开关作为中断信号。实际中可以接其它可以产生中断信号的信号源。

第三节总体设计框图

图 2-1 交通灯总体设计框图

图 2-2 交通灯自动控制流程图

第三章交通灯自动控制电路硬件设计

第一节单片机的结构

单片微机(Single-Chip Microcomputer)简称为单片机。它在一块芯片上集中成了中央处理单元 CPU,随机存储器 RAM,只读存储器 ROM,定时/计数和多功能输入/输出 I/O 口,如并行口 I/O,串行口 I/O 和转换 A/D 等就其组成而言,一块单片机就是一台计算机。其典型结构如图所示。由于它具有体积小,功能强和价格便宜等优点,因而被广泛地应用于产品智能化和工业控制自动化上。

第二节主要元器件选择

一、开关管的选择:BUTTON 按钮

二、LED 发光二极管 LED-RED LED-YELLOW LDE-GREEN

发光二极管的主要技术参数有额定电压和额定工作电流。LED显示电路如图3-1所示,图中限流电阻 Ri是限制线路电流的,阻值的大小由 I=U/R 计算得到。例如发光二极管的额定电压2V, 额定工作电流为20mA ,计算Ri = (5-2)/0.02=150Ω。

三、二位一体数码管 7SEG-MPX2-CAT-RED（共阳数码管(红色)

四、PN4249:驱动三极管

五、AT89S51 系列单片机

第三节设计显示部分

LED 数码显示部分.LED 数码显示部分由七段数码显示管组成。

一．发光二极管显示原理：

发光二极管是采用砷化镓,镓铝砷和磷化镓等材料制成,其内部结构为一个PN结,具有单向导电性。发光二极管在制作时,使用的材料不同,那么就可以发出不同颜色的光。

第四节交通路口模型

图3-1 交通路口模型

第五节总电路图

总电路功能介绍：设计主要研究二车道的交通灯自动控制。本次设计的内容包括四个方面，一是普通三色灯的指示；二是两位一体数码管的倒计时显示；三是对一此交通中的意外情况进行的处理。最后就是对交通灯的模拟设计。如图3-2所示。

图 3-2 总电路图

第六节显示原理

当定时器定时为 1 秒，时程序跳转到时间显示及信号灯显示子程序，它将依次显示信号灯时间，同时一直显示信号灯的颜色，这时在返回定时子程序定时一秒，在显示黄灯的下一个时间，这样依次把所有的灯色的时间显示完后在重新给时间计数器赋初值，重新进入循环。如图3-3所示。

图3-3 LED 与单片机连接电路

第四章交通灯自动控制电路软件设计

第一节单片机中断系统基本结构

中断是一项重要的计算机技术，是处理正常工作与紧急状态的好办法，是实现人机实时交互的重要途径，在单片机应用系统中，中断技术得到了广泛应用。下面详细介绍单片机中断系统基本结构，与中断相关的特殊寄存器的设置及中断应用系统编程方法。

当 CPU 查询到系统有中断请求时，如果系统处于中断允许状态，CPU 将停止当前的工作，响应中断请求，转向中断服务，中断服务完成后,返回原程序继续执行当前任务, 这叫单片机中断。

8051 系列单片机中断系统结构如图4-1所示. 能让 CPU 产生中断的信号源叫中断源. 8051 单片机有 NT0,INT1,T0,T1,TI,RI 六个中断源,但只有

EX0,ET0,EX1,ET1, ES 五个向量,下面简要介绍六个中断源。

图4-1单片机中断系统基本结构

INT0，INT1:外部中断源，由 P3.2 和 P3.2 引脚输入。具有低电平和脉冲两种触发方式，在每个机器周期的 S5P2 采样引脚信号，如有效则由硬件将它的中断请求标志 IE 置 1，请求中断。当 CPU 响应中断时,由硬件复位。

T0,T1:定时/计数器中断，当定时/计数器产生溢出时，置位中断请求标志 TF

请求中断处理。

RI,TI:串行中断，RI 是接收，TI 为发送。单片机串行口接收到一个字符后RI置1，发送完一个字符 TI 置1。值得注意的是，RI，TI 在响应中断后，必须由用指令将其复位。

中断响应

CPU 在执行程序的过程中，在每个机器周期的 S5P2 对中断标志位按中断优先级进行查询，一旦查询到有中断请求，CPU 只要不在执行同级或高级的中断服务程序和当前指令(RETI 指令或访问 IE，IP 的指令除外)执行完毕两种情况，则响应中断。如果当前正在执行的指令是 RETI 或访问 IE，IP 的指令，则当前指令执行完毕后，CPU 才可响应中断。中断响应时间可以从中断信号被查询开始算起，中断响应时间在以下三种情况下, 响应时间还会更长:

一、CPU 正在执行一个比要响应的中断源优先级相等或更高的中断源的中断服务程 8 序，此时须等到中断服务程序执行完毕才可中断响应。

二、正在执行的当前指令不是在最后一个机器周期，只有指令执行完后才响应中断。

三、如果当前执行的是 RETI 或访问 IE，IP 的指令，则当前指令执行完毕后，CPU 需再执行一条指令才可以中断响应，因此附加等待响应时间不会超过 5 个机器周期。

中断入口

单片机响应中断后，将转向特定的入口进行中断服务，单片机的中断入口地址如表4-2所示。

表 4-2 MCS-51 单片机中断服务程序入口地址表

从表中可以看出，两相邻中断源的入口地址间隔为 8 个单元。这意味着如果要把中断源对应的中断服务程序从入口地址开始存放，则程序的长度不能超过8 个字节，否则会影响到下一个中断源的入口地址的使用。而通常的情况下，中断服务程序的长度不止 8 个字节，因此，常见的处理方法是:在入口地址处存放一条无条件转移指令，通过这条转移指令转向对应的中断服务程序入口，中断服务程序以 RETI 为结束。

中断请求的撤销

CPU 响应中断请求，在中断返回(RETI)之前，该中断请求应被撤除，否则会引发另一次中断。

定时/计数器中断请求撤销:CPU 在响应中断后，由硬件自动清除中断请求标志TF。

外部中断请求撤销:如果采用脉冲触发方式，CPU 在响应中断后，由硬件自动清除:中断请求标志 IE；对于电平触发方式的外部中断请求，中断标志的撤销是自动的，由于造成中断请求的低电平继续存在，所以在响应中断后再次会产生中断请求，为此响应中断后要撤销外部信号。

单片机有 INT0，INT1 两个外部中断源，INT0 对应单片机 P3.0，INT1 对

应 P3.2。单片机的外部中断与特殊寄存器 IE。TCON，IP 有关。INT0 中断入口地址是 0003H，INT1 中断入口地址是 000BH，下面介绍单片机外部中断的设置与应用。

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。

定时器工作时必须给计数器送计数器初值，这个值是送到 TH 和 TL 中的。我们可以把计数器记满为零所需的计数值设定为 C 和计数初值设定为 TC 可得到如下计算通式: TC=M-C 5 。

第二节设计指标

（1）主、支干道交替通行，通行时间可在0～99内设定；

（2）主、支干道黄灯亮的时间相同，均在0～99内设定；

（3）主、支干道黄灯通行时间与黄灯亮的时间均同一计数器以秒为单位做减计数；

（4）在减计数回0的瞬间，完成十字路口通行状态的转换；

（5）计数器的状态由数码管显示，红、黄、绿信号灯由发光二极管模拟。

第三节系统结构框图

图 4-3 交通信号灯控制系统结构框图

第四节系统各功能模块

状态控制器

根据设计要求，交通灯顺序工作状态流程图如下图 4-4所示：

主干道绿灯亮

支干道红灯亮

（40 进制计数器减1）

主干道黄灯亮

支干道红灯闪烁

（5 进制计数器减1）

主干道红灯亮

支干道绿灯亮（40进制计数器减1）

主干道红灯闪烁

支干道黄灯亮

（5进制计数器减1）40秒未到5秒未到40秒未到5秒未到

图 4-4 交通灯顺序工作状态流程图

第五节 交通信号灯顺序工作流程图

两方向车道的交通灯的运行状态共有4种，如图4-5所示

信号灯状态与车道运行状态如下：

S0：支干道车道的绿灯亮，车道通行；主干道车道的红灯亮，车道禁止通行 S1：支干道车道的黄灯亮，车道缓行；主干道车道的红灯亮，车道禁止通行 S2：支干道车道的红灯亮，车道禁止通行；主干道车道的绿灯亮，车道通行 S3：支干道车道的红灯亮，车道禁止通行；主干道车道的黄灯亮，车道通行

其状态编码及状态转换图如图 4-6 所示：

状态0 支干道 绿灯亮

状态1 支干道 黄灯亮

状态2 主干道 绿灯亮

状态3 主干道 黄灯亮

图 4-5运行状态

图4-6交通信号灯状态装换图

显然，这是一个二位二进制计数器。在这里，我们采用中规模集成计数器 CD4029 作为中心元件构成状态控制器。电路如下图所示：

图4-7 交通灯状态控制器

CD4029 可实现二进制/十进制的可进位、可预置的加/减计数。它由 B/D 端控制二/十进制计数，当B/D 端为高电位（即为 1）时，为二进制计数；相反为十进制计数。由U/D 端控制其加/减计数，当此端为高电位（1）时，为加计数；反之，为减计数。由 PSE 端控制是否预置初始数，当此端为高电位时，为有预置数；为低电位时，不预置初始数。它的 CO 端的输出为借位输出，CI 端的输出为进位输出。

第六节 状态译码器

主、支干道上的红、黄、绿信号灯的状态主要取决于状态控制器的输出状态。它们之间的关系见如下真值表。信号灯的状态，“1”表示灯亮，“0”表示灯灭。

根据真值表，可求出交通信号灯逻辑函数表达式为：

表4-8 交通信号灯逻辑函数表

121212,122212121

21212,122,21212,,,Q Q g Q Q g Q Q y Q Q y Q r Q Q Q Q Q r Q Q G Q Q G Q Q Y Q Q Y Q R Q Q Q Q Q R ======+=======+=

G=1：主干道车道绿灯亮 Y=1：主干道车道黄灯亮 R=1：主干道车道红灯亮 g=1：支干道车道绿灯亮

y=1：支干道车道黄灯亮

r=1：支干道车道红灯亮

在这里选择半导体发光二级管模拟交通灯，由于门电路的带灌电流能力一般比带拉电流的能力强，要求门电路输出地电平时，点亮相应的发光二极管。

第七节状态译码电路组成如图

图4-9 交通灯状态译码电路

由译码器真值表中看出，黄灯亮时Q1必为高电平；而红灯点亮信号与 Q1无关。现利用 Q1信号来控制一个三态门电路 74LS245，当 Q1 为高电平时，将秒信号脉冲引入到驱动红灯的与非门的输入端，使红灯在黄灯亮其间闪烁；反之将其隔离。红灯信号不受黄灯信号的影响。

第五章系统仿真

由交通灯自动控制程序一开始可以看到，四个红灯很快闪亮，然后就是相应的二极管点亮情况。紧接着就是数码管的六十秒倒计时显示，二极管的点亮到倒计时之间时间很短暂，所以视觉可以是同时发生的。同样按中断控制键看到不同的结果。仿真结果如图5-1、5-2、5-3所示。

图5-1 交通灯运行仿真图

图5-2 黄灯闪亮时的仿真图

图5-3 外部中断的响应仿真图