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主要内容：
在日常生活中，交通灯是一项必不可少的公共设施，可 以维护道路的畅通和交通的秩序。如若交通灯发生故障，那 么后果可想而知。因此，交通灯的正常工作就显得尤为重要。 由于交通灯对于公共安全的重要性本文基于 51 单片机模拟双向交通灯的设计。
基本要求：
1.用LED灯模拟十字路口交通灯控制
2.正常情况下双方向轮流通行
3.特殊情况时，A方向通行
4.紧急情况时，A和B方向都不通行。
主要参考资料：
[1]肖骁,戈文祺. 电气传动系统中单片机技术的应用解析[J]. 中国标准化,2017(22):250-252.
[2]茅阳. 单片机技术在电气传动控制系统中的应用与研究[J]. 中国高新区,2018(01):24.
[3]贾飞. 单片机技术课程中项目教学法的应用案例[J]. 张家口职业技术学院学报,2017,30(03):75-77.
完成期限：12 月 11 日 - 12 月 26 日
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摘 要
交通在人们的日常生活中占有重要的地位，随着人们社会活动的日益频繁，这点更是体现的淋漓尽致。交通信号灯的出现，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。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。
本系统采用单片机STC89C52为中心器件来设计交通灯控制器，以模拟十字路口交通灯的各种状态显示以及倒计时时间。系统由单片机I/O口扩展电路、交通灯状态LED灯显示电路、数码管显示电路、复位及晶振电路等几大部分组成。系统除基本的交通灯倒计时功能外，还有倒计时时间设置、紧急情况模拟等功能，较好的模拟实现了十字路口可能出现的状况。
关键词: STC单片机；STC89C52；交通灯；数码管
目 录
摘 要 I
1 绪论 1
1.1 设计背景与意义 1
1.2设计目的 1
1.3 设计要求及内容 1
1.4 本文结构安排 2
2 总体设计方案 3
2.1 系统需求及方案设计 3
2.2 硬件器件介绍 3
2.2.1 STC89C52单片机 3
2.2.2数码管 4
2.2.3 LED灯 5
2.3 所用软件介绍 6
2.3.1 Altium Designer电路设计软件 6
2.3.2 Keil软件及C语言设计 6
2.3.3 proteus仿真设计软件 6
2.4 本章小结 6
3 硬件设计 7
3.1 硬件电路组成 7
3.2 单片机最小系统电路 7
3.3 数码管倒计时及红绿灯电路 8
3.4按键及电源电路 9
3.5本章小结 10
4 软件设计 11
4.1 软件设计需求及设计思路 11
4.2 主函数设计 12
4.3按键程序流程图 12
4.4 本章小结 13
5 仿真演示 14
5.1 仿真实现 14
5.1.1 仿真电路图 14
5.1.2 仿真结果 15
5.2 测试情况分析 18
5.3 本章小结 18
结论 19
参考文献 20
附录一 硬件原理图 21
附录二 仿真原理图 21
1 绪论
1.1 设计背景与意义
交通在人们的日常生活中占有重要的地位，随着人们社会活动的日益频繁,这点更是体现的淋漓尽致。交通信号灯的出现，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。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。
本系统采用MSC-51系列单片机STC89C52为中心器件来设计交通灯控制器，实现了能根据实际车流量设置红绿灯倒计时时间，红绿灯循环点亮，倒计时剩3秒时黄灯闪烁警示，倒计时时间通过数码管实时显示，并设置了左转绿灯功能和紧急情况模拟功能。本系统较好的模拟实现了十字路口可能出现的状况，实用性强、操作简单、扩展功能强。
1.2设计目的
（1）巩固和加深对单片机原理和接口技术知识的理解；
（2）培养根据课题需要选学参考书籍、查阅手册和文献资料的能力；
（3）学会方案论证的比较方法，拓宽知识，初步掌握工程设计的基本方法；
（4）掌握常用仪器、仪表的正确使用方法，学会软、硬件的设计和调试方法；
（5） 能按课程设计的要求编写课程设计报告，能正确反映设计和实验成果，能用计算机绘制电路图、仿真图和流程图。
1.3 设计要求及内容
（1）红灯和绿灯相互转换经过黄灯，并且黄灯闪烁三次；
（2）主干道方向通行30秒，辅干道通行20秒，单独左转信号15秒，先直行信号，后左转信号；
（3）设置自动、手动、特殊情况三种方式。
（4）自动模式下自动显示各种状态的倒计时，红绿灯自动切换；
（5）手动模式下可以根据道路车流量情况手动调节红灯绿灯相应时间；
（6）紧急情况下所有路口红灯亮，黄灯闪烁，以便120、110等及时通行。
1.4 本文结构安排
本文围绕着基于51单片机的十字路口交通灯展开设计，以交通灯需求为出发点，首先明确了研究背景与意义，介绍了设计目的，并论述了设计要求及设计内容，接下来的几章将具体展开相关设计与研究：
第二章介绍系统总体方案及相关理论知识，重点阐述了系统功能需求和系统方案论证，接着简要介绍了系统硬件及软件基本知识。
第三章重点展开硬件系统设计，首先明确硬件电路设计的思路及框架。接着依次介绍了：单片机最小系统、按键电路、数码管显示电路、LED红绿灯电路、电源电路等。通过对以上重点电路的介绍，强化了硬件电路设计的细节和重点。
第四章展开软件系统设计，通过对软件设计进行需求分析，明确软件设计的目的与需求，进一步通过程序流程图展示设计思路及框架。接着依次介绍了主函数流程、倒计时显示程序流程、红绿灯切换程序流程、按键程序流程。
第五章介绍仿真实现步骤，特别是仿真电路实现的流程和仿真测试，完美实现了设计需求及目标。
第六章总结全文，总结本文所做的工作及贡献，并根据存在的问题展望此课题今后的研究方向。
2 总体设计方案
2.1 系统需求及方案设计
为了实现基于51单片机的十字路口交通灯设计，本文将实现以下设计需求：
（1）精确、实时的进行数码管自动倒计时、LED红绿灯自动切换，较好的模拟交通灯的运行情况；
（2）直接、清晰明了的显示测得的倒计时的数值；
（3）手动调整倒计时的时间，提升交通灯可控性；
（4）能够实现交通灯紧急情况处理，完善交通灯的功能；
（5）操作简单、功能完善、精确度高。
基于以上列出的几点，本设计利用STC89C52单片机控制数码管模块、LED灯模块、按键模块等外部电路实现相关功能，具体的设计框图如图2.1所示。
图2.1 总体设计框图
2.2 硬件器件介绍
2.2.1 STC89C52单片机
如图2.2所示的STC89C52单片机是在单片机设计中最常用的单片机芯片之一，其功能完善，易于设计。STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字节系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但是做了很多的改进使得芯片具有传统的51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。主要具备以下外设功能:
8k字节Flash；
512字节RAM；
32 位I/O口；
4KB EEPROM；
MAX810复位电路；
3个16 位定时器/计数器；
4个外部中断；
全双工串行接口。
图2.2 STC89C52单片机引脚图
2.2.2数码管
led数码管（LED Segment Displays）是由多个发光二极管封装在一起，“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。led数码管常用段数一般为7段，有的另加一个小数点，还有一种是类似于3位“+1”型。位数有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等，led数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，被广泛用于仪表，时钟，车站，家电等场合。其引脚具体如图2.3所示。
图2.3 两位LED数码管
2.2.3 LED灯
LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。
LED可以直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。
图2.4 发光二极管实物图
2.3 所用软件介绍
2.3.1 Altium Designer电路设计软件
在本科单片机设计中，设计电路使用的软件一般是Altium Designer或proteus，由于Altium Designer功能强大，可以设计硬件电路的原理图、PCB图，且界面简单，易操作，上手快。Altium Designer19是一款专业的整的端到端电子印刷电路板设计环境，用于电子印刷电路板设计。它结合了原理图设计、PCB设计、多种管理及仿真技术，能够很好的满足本次毕设的需求。
2.3.2 Keil软件及C语言设计
作为本科期间学习的第一门编程语言，C语言是我们最熟悉的编程语言之一。当然，由于其功能强大，C语言是当前世界上使用最广泛、最受欢迎的编程语言。在单片机设计中，C语言已经逐步完全取代汇编语言，因为相比于汇编语言，C语言编译与运行、调试十分方便，且可移植性高，可读性好，便于烧录与写入硬件系统，因此C语言被广泛应用在单片机设计中。keil软件由于其兼容单片机的设计，能够实现快速调试，并生成烧录文件，被广泛应用于C语言的编写和单片机的设计。
2.3.3 proteus仿真设计软件
Protues也是在单片机仿真设计中常用的设计软件之一，通过设计出硬件电路图，及写入驱动程序，就能在不实现硬件的情况进行电路调试。另外，protues还能实现PCB的设计，在仿真中也可以与KEIL实现联调，便于程序的调试，且支持多种平台，使用简单便捷。
2.4 本章小结
本章首先明确了本文整体的系统需求，并根据需求设计了系统总体框图，并以此为设计思路。接着，简要介绍了本文将用到的硬件器件，特别是每一个器件的原理图和引脚图，为下一章进行进一步的硬件电路设计奠定基础。最后，对本设计需要使用到的软件系统和编程语言进行了大概的介绍，以便进行接下来的软硬件设计。
3 硬件设计
3.1 硬件电路组成
如图3.1是本系统的硬件设计方案，具体地，硬件电路由以下模块构成：
（1）单片机最小系统。用于驱动和控制其他模块，以实现整体功能，其以STC89C52单片机为核心芯片，并辅以复位电路和晶振电路。
（2）数码管倒计时显示模块。由四个两位数码管组成，负责实时显示交通灯倒计时：主干道直行30秒，辅干道直行20秒，左转15秒。
（3）LED红绿灯模块。由16个LED灯组成，分别模拟红灯、黄灯、直行绿灯、左转绿灯。
（4）电源模块。用于整个系统的供电。
图3.1 硬件设计框图
3.2 单片机最小系统电路
单片机最小系统是单片机扩展开发应用中最基础和最主要的部分，一般由以下的电路构成，是整个设计的核心其保证了基于单片机的其他功能的扩展与实现。如图3.2所示。
复位电路: 复位电路是单片机应用中的最基本和最重要的电路，用于处理单片机工作失灵等紧急问题。当单片机复位端口为高电平时，单片机中的代码将不会被执行。一开始上电时，电容还未充满电，复位端口为高电平，避免了直接上电就运行程序导致的程序错误等问题。当电容充满电后，复位端口变为低电平，程序开始运行。
晶振电路:晶振电路也是的单片机设计中必备的电路，为系统提供工作时序。本毕设晶振电路提供11.0592MHZ时钟频率，以此构成整个稳定的振荡电路，为单片机的正常工作提供保障。
图3.2 单片机最小系统
3.3 数码管倒计时及红绿灯电路
数码管倒计时电路由四个两位数码管构成，其中南北向（主干道）的数码管显示相同的倒计时，同接在单片机相同的IO口上；东西向（辅干道）的数码管显示相同的倒计时，同接在单片机相同的IO口上；由于只是两位数码管，因此最多只能倒计时99秒。红绿灯电路由16个LED发光二极管构成，分别模拟红灯、黄灯、直行绿灯、左转绿灯。其中南北向（主干道）的LED灯显示相同的情况，同接在单片机相同的IO口上；其中东西向（辅干道）的LED灯显示相同的情况，同接在单片机相同的IO口上。具体如图3.3所示。
图3.3 数码管倒计时及红绿灯电路
3.4按键及电源电路
按键及电源电路如图3.4所示。三个按键分别接在单片机P3.5，P3.6，P3.7口，另一端接地。三个按键分别用于实现：紧急情况、自动模式倒计时增加、自动模式倒计时减少。
图3.4 按键及电源电路
3.5本章小结
本章以硬件电路设计为核心，首先介绍了硬件电路的设计框图及组成模块。接着依次介绍了单片机最小系统、数码管倒计时及红绿灯电路、按键及电源电路等各个硬件的模块，以实现整体硬件电路的设计。
4 软件设计
4.1 软件设计需求及设计思路
根据本文设计需求，在第三章硬件电路设计的基础上，需要通过软件编程实现的具体功能：
（1）驱动各个模块工作，实现数码管的显示及LED灯的点亮；
（2）按键设置功能。实现紧急情况下所有路口红灯亮、自动模式倒计时增加、自动模式倒计时减少等功能；
（3）倒计时功能实现。实现主干道方向通行30秒，辅干道通行20秒，单独左转信号15秒，先直行信号，后左转信号；
（4）LED红绿灯的切换。实现红灯和绿灯相互转换经过黄灯，并且黄灯闪烁三次。
具体设计流程如图4.1所示。
图4.1 设程序设计流程
4.2 主函数设计
主函数的主要功能是初始化数码管显示和定时系统、驱动各个模块工作、通过调用函数调用各个模块开始执行相应功能。主函数程序截图如图4.2所示：
图4.2 主程序截图
4.3按键程序流程图
按键程序需要实现紧急情况下所有路口红灯亮、自动模式倒计时增加、自动模式倒计时减少等功能，具体流程图如图4.3所示。
图4.3 按键程序流程图
4.4 本章小结
本章以软件设计为核心，首先重点论述了软件设计框架及设计思路，介绍了主函数的设计思路及按键程序的设计流程，最终实现软件的整体设计。
5 仿真演示
5.1 仿真实现
5.1.1 仿真电路图
本系统用protues8.7设计的仿真原理图如图5.1所示。
图5.1 仿真原理图
根据第四章软件设计的思路，结合仿真需求，我们将仿真设计的C代码利用KEIL5编写好，并进行详细地注释。接着，我们点击“create HEX file”，并再次编译程序，这样就会生成HEX烧录文件，具体如图5.2所示。
图5.2 调试及HEX文件生成截图
接着，我们打开仿真原理图，并将生产的“HEX”文件烧录到单片机芯片中，点击开始仿真，就可以实现相关仿真了，我们将在下一节中具体展示仿真的结果。
5.1.2 仿真结果
（1）主干道交通灯倒计时
如图5.3所示是开始仿真后主干道（南北向）倒计时情况，主干道从30秒开始倒计时，同时主干道的直行绿灯亮，表示直行可通行；辅干道的倒计时时间停留在20秒不动，同时红灯亮，表示不准通行。
图5.3 主干道交通灯倒计时
（2）辅干道倒计时
图5.4所示是辅干道（东西向）倒计时情况，辅干道从20秒开始倒计时，同时辅干道的直行绿灯亮，表示直行可通行；主干道的倒计时时间停留在30秒不动，同时红灯亮，表示不准通行。
图5.4 辅干道倒计时
（3）左转倒计时
无论是主干道还是辅干道，当直行倒计时结束后，开始进入左转倒计时，如图5.5是主干道左转倒计时，从15秒开始倒计时，同时主干道的左转绿灯亮，表示主干道车辆可进行左转。另外，辅干道红灯，表示不可通行。
图5.5 左转倒计时
（4）紧急情况
当紧急按键按下后，系统进入紧急模式，数码管不显示，所有红灯亮、黄灯闪烁，表示普通车辆不可通行，仅供110、120车辆通行。具体如图5.6所示。
图5.6 紧急情况
（5）手动调整倒计时
在辅干道左转倒计时情况下，由于车辆过多，需要增加左转倒计时时间。如图5.7所示是调整前的倒计时时间，连续两次按下增加按键后，倒计时时间增加了两秒，如图5.8所示。
图5.7 倒计时初始时间
图5.8 调整后倒计时时间
5.2 测试情况分析
经过以上一系列的仿真测试，本文设计的“基于51单片机的十字路口交通灯”能够完成了2.1节的系统需求，具体仿真实现了以下功能：
（1）红灯和绿灯相互转换经过黄灯，并且黄灯闪烁三次；绿灯分为直行绿灯和左转绿灯；
（2）主干道方向通行30秒，辅干道通行20秒，单独左转信号15秒，先直行信号，后左转信号；
（3）设置自动、手动、特殊情况三种方式。
（4）自动模式下自动显示各种状态的倒计时，红绿灯自动切换；
（5）手动模式下可以根据道路车流量情况手动调节红灯绿灯相应时间；
（6）紧急情况下所有路口红灯亮，黄灯闪烁，以便120、110等及时通行。
5.3 本章小结
本章结合第三章的电路设计和第四章的软件设计，利用protues软件设计了本文的仿真电路图，并通过代码编写与调试，将生成的“HEX”文件写入到仿真芯片中，实现了电路的仿真。接着，我们对仿真进行了测试，证明了本系统运行稳定，能够实现所有的既定功能。最后，我们对仿真测试进行了总结，具体列出了仿真实现的功能。
结论
本文围绕着基于单片机的十字路口交通灯设计，通过广泛查阅文献和仿真设计，完成了以下工作：
（1）绘制了电路原理图和仿真原理图，编写了本系统实现的程序代码。
（2）红灯和绿灯相互转换经过黄灯，并且黄灯闪烁三次；绿灯分为直行绿灯和左转绿灯；
（3）主干道方向通行30秒，辅干道通行20秒，单独左转信号15秒，先直行信号，后左转信号；
（4）设置自动、手动、特殊情况三种方式。。自动模式下自动显示各种状态的倒计时，红绿灯自动切换；
（5）手动模式下可以根据道路车流量情况手动调节红灯绿灯相应时间；
（6）紧急情况下所有路口红灯亮，黄灯闪烁，以便120、110等及时通行。综上所述，本文的设计达到了预期设计目标，具有一定的的实用价值。
本文虽然较好的实现了基于单片机的十字路口交通灯的设计，但由于本人水平有限，还存在着不少有待改进的地方，在未来的工作中，可以从以下几点展开相关设计：
（1）由于时间限制，本文的设计只做了相关仿真，在下一步工作中，将结合原理图设计出PCB图，并做出硬件；
（2）本设计只对车辆通行进行考虑，在今后的设计中，可以加入人行道的通行情况；
（3）在接下来的设计中，还可以增加语音提示等功能，使得交通灯系统更加智能化、人性化。
参考文献
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附录一 硬件原理图
附录二 仿真原理图