交通灯信号控制器方案设计

设计一个基于单片机的交通灯信号控制器。已知东、西、南、北四个方向各有红黄绿色三个灯，在东西方向有两个数码管，在南北方向也有两个数码管。要求交通灯按照表1进行显示和定时切换，并要求在数码管上分别倒计时显示东西、南北方向各状态的剩余时间。
表1 交通灯的状态切换表

3.2.1模块1:系统设计
（1）任务分析与整体设计思路
试题要求实现的功能主要包括计时功能、动态扫描以及状态的切换等几部分。
计时功能：要实现计时功能则需要使用定时器来计时，通过设置定时器的初始值来控制溢出中断的时间间隔，再利用一个变量记录定时器溢出的次数，达到定时1秒中的功能。当计时每到1秒钟后，东西、南北信号灯各状态的暂存剩余时间的变量减1。当暂存剩余时间的变量减到0时，切换到下一个状态，同时将下一个状态的初始的倒计时值装载到计时变量中。开始下一个状态，如此循环重复执行。
动态扫描：需要使用4个数码管分别显示东西、南北的倒计时数字，将暂存各状态剩余时间的数字从变量中提取出“十位”和“个位”，用动态扫描的方式在数码管中显示。
整个程序依据定时器的溢出数来计时，每计时1S则相应状态的剩余时间减1，一直减到0时触发下一个状态的开始。
（2）单片机型号及所需外围器件型号，单片机硬件电路原理图

图3-5 交通灯硬件电路原理图
选用MCS51系列AT89S51单片机作为微控制器，选择两个四联的共阴极数码管组成8位显示模块，由于AT89S51单片机驱动能力有限，采用两片74HC244实现总线的驱动，一个74HC244完成共阴极数码管位控线的控制和驱动，另一个74HC244完成数码管的7段码输出，在7段码输出口上各串联一个100欧姆的电阻对7段数码管限流。用P3口的P3.0-P3.5完成发光二极管的控制，实现交通灯信号的显示，每个发光二极管串联500欧姆电阻起限流作用。硬件电路原理图如图3-5所示。
（3）程序设计思路，单片机资源分配以及程序流程
①单片机资源分配
单片机P3口的P3.0-P3.1引脚用作输出，控制发光二极管的显示。在计时模块中，需要定义两个数组变量（init_sn[3]，init_ew[3])来存储东西、南北两个方向在不同状态中倒计时的初始值，题目中每个方向的交通灯共有3种显示状态，因此数组元素个数为3。还需要定义两个变量( cnt_ sn, cnt_ ew)暂存东西、南北两个方向的倒计时剩余时间。
在状态的切换中，为了明确当前处于哪种状态，东西、南北方向各设置一个状态变量(state_val_sn, state_val_ew),当倒计时的剩余时间到零时，状态变量增1，表示启动下一个状态，当该变量增到3时变为0，回到序号为1的状态。
②程序设计思路
在设计中，由于没有键盘功能，因此只涉及定时计数和动态扫描功能。主程序将变量初始化之
后，设置单片机定时器和中断特殊功能寄存器的初始值，将定时器T1的工作方式设置为8位自动
装载模式，定时器每隔250us产生一次溢出。
在初始化变量与寄存器后，主程序进入一个循环结构，在循环中只做动态扫描的工作，根据东西、南北两向的剩余时时间进行动态扫描显示。
计时以及状态的切换通过定时器的中断服务程序来实现，在中断服务程序中，每计时到一秒时，则各方向当前状态的剩余时间减1，一直减到0时触发下一个状态的开始，改变交通灯的指示。
③程序流程

（4）软硬件调试方案
软件调试方案：伟福软件中，在“文件新建文件”中，新建C语言源程序文件，编写相应的程序。在“文件新建项目”的菜单中，新建项目并将C语言源程序文件包括在项目文件中。
在 “项目编译”菜单中将C源文件编译，检查语法错误及逻辑错误。在编译成功后，产生以 “*.hex”和“*.bin” 后缀的目标文件。
硬件调试方案：在设计平台中，将单片机的P3.0-P3.5分别与独立式键盘的相应位通过插线连接起来。
在伟福中将程序文件编译成目标文件后，运行“MCU下载程序”，选择相应的flash 数据文件，点击“编程”按钮，将程序文件下载到单片机的Flash中。
然后，上电重新启动单片机，检查所编写的程序是否达到题目的要求，是否全面完整地完成试题的内容。

3.2.2 程序设计（仅供参考的C语言源程序）
//晶振：11.0592M T1-250微秒溢出一次
/*变量的定义:
show_val_sn,show_val_ew: 显示的值0-59
state_val_sn,state_val_ew: 状态值 南北方向0-绿灯亮;1-黄灯亮;2-红灯亮
T1_cnt: 定时器计数溢出数
cnt_sn,cnt_ew: 倒计时的数值
init_sn[3],init_ew[3] 倒计时
led_seg_code：数码管7段码
*/
#include reg51.h
sbit SN_green=P3^2 ;//南北方向绿灯
sbit SN_yellow=P3^1 ;//南北方向黄灯
sbit SN_red=P3^0 ;//南北方向红灯
sbit EW_green=P3^5 ;//东西方向绿灯
sbit EW_yellow=P3^4 ;//东西方向黄灯
sbit EW_red=P3^3 ;//东西方向红灯
unsigned char data cnt_sn,cnt_ew;
unsigned int data T1_cnt;
unsigned char data state_val_sn,state_val_ew;
char code led_seg_code[10]={0x3f,0x06,0x05b,0x04f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};
char code init_sn[3]={24,4,29};
char code init_ew[3]={29,24,4};
//------------------------
void delay(unsigned int i)//延时
{ while(--i); }
//------------------------
void led_show(unsigned int u,unsigned int v)
{ unsigned char i;
i=u%10; //暂存个位
P0=led_seg_code[i];
P2=0xbf;
delay(100); //延时
i=u%100/10; //暂存十位
P0=led_seg_code[i];
P2=0x7f;
delay(100); //延时
i=v%10; //暂存个位
P0=led_seg_code[i];
P2=0xfe;
delay(100); //延时
i=v%100/10; //暂存十位
P0=led_seg_code[i];
P2=0xfd;
delay(100); //延时
}
//-------------------------
void timer1() interrupt 3 //T1中断
{ T1_cnt++;
if(T1_cnt>3999) //如果计数>3999, 计时1s
{ T1_cnt=0;
if (cnt_sn!=0) //南北方向计时
{ cnt_sn--; }
else
{ state_val_sn++;
if (state_val_sn>2) state_val_sn=0;
cnt_sn=init_sn[state_val_sn];
switch (state_val_sn) //根据状态值，刷新各信号灯的状态
{ case 0: SN_green=0 ;//南北方向绿灯
SN_yellow=1 ;//南北方向黄灯
SN_red=1 ;//南北方向红灯
break;
case 1: SN_green=1 ;//南北方向绿灯
SN_yellow=0 ;//南北方向黄灯
SN_red=1 ;//南北方向红灯
break;
case 2:SN_green=1 ;//南北方向绿灯
SN_yellow=1 ;//南北方向黄灯
SN_red=0 ;//南北方向红灯
break;
}
}
if (cnt_ew!=0) //东西方向计时
{ cnt_ew--; }
else
{ state_val_ew++;
if (state_val_ew>2) state_val_ew=0;
cnt_ew=init_ew[state_val_ew];
switch (state_val_ew) //根据状态值，刷新各信号灯的状态
{ case 0: EW_green=1 ;//东西方向绿灯
EW_yellow=1;//东西方向黄灯
EW_red=0 ;//东西方向红灯
break;
case 1: EW_green=0 ;//东西方向绿灯
EW_yellow=1 ;//东西方向黄灯
EW_red=1 ;//东西方向红灯
break;
case 2: EW_green=1 ;//东西方向绿灯
EW_yellow=0 ;//东西方向黄灯
EW_red=1 ;//东西方向红灯
break;
}
}
}
}
//-------------------------
main()
{//初始化各变量
cnt_sn=init_sn[0];
cnt_ew=init_ew[0];
T1_cnt=0;
state_val_sn=0; //启动后，默认工作在序号为1的状态
state_val_ew=0;
//初始化各灯的状态
SN_green=0 ;//南北方向绿灯亮
SN_yellow=1 ;//南北方向黄灯灭
SN_red=1 ;//南北方向红灯灭
EW_green=1 ;//东西方向绿灯灭
EW_yellow=1;//东西方向黄灯灭
EW_red=0 ;//东西方向红灯亮
//初始化51的寄存器
TMOD=0x20;//用T1计时 8位自动装载定时模式
TH1=0x19;//0x4b; //500微秒溢出一次; 250=(256-x)*12/11.0592 -> x= 230.4
TL1=0x19;
EA=1; //开中断
ET1=1;
TR1=1; //开定时器T1
while(1)
{ led_show(cnt_sn,cnt_ew);}}
//主程序结束