《基于单片机的交通信号灯控制系统设计》8600字（论文）

目录绪论堵车和交通秩序混乱这两大问题一直是各国乃至整个世界所共同面对的问题，另一方面伴随着人类科技的飞速发展，人类对自己的生活方式和生活水平也提出了更高的要求。因此，可以节约时间、节省体力的汽车应运而生，故人类对汽车这类交通工具的需求越来越大，各国政府也与时俱进的不断推动交通秩序的革新。交通信号灯的现世，为各国政府提供了一个很好的解决方案，它极大的维护了交通秩序，对于维护社会稳定，保障人们生命安全起到了举足轻重的作用。但是，伴随着飞速发展的科技，现代化程度不断前进，对于交通道路的难以把控程度也在飞速上升，在部分地区，交通道路的拥挤程度已经达到了严重影响民众正常出行的程度了。同时，交通事故的发生也比以前更加频繁。再者，由交通工具的使用所引起的污染问题也是日渐严重的，其所带来的不利于人类可持续发展的问题已经成为全球国家，乃至全人类文明所必然面对的问题。为了更好的处理这一系列问题，我们常采用以下方法：一种是严格把控汽车在全国市场的出售量，比较有效的做法是国家出台政策限制各品牌的生产上限；另一种是增加道路的数量，也就是加大基础设施的建设和发明，但是由于目前地球环境的恶化以及资源的短缺，故而这一方法也就难以实行，就算采用也是鞭长莫及，资金有限，地球的生态环境也是压力巨大，难以承受，从此出发，如果要改变目前全球的交通现状，就需要另谋出入，寻找其他的解决方式，选择除了控制产量和增加道路以外的其他方式。基于交通环境，怎样才能合理且高效的解决这些矛盾的途径之一是对道路进行有效利用和对各类车辆进行有效的监管，使得道路和管理人员的作用能发挥出最大化的作用，经大量实践证明，这是对交通道路的一种行之有效的方法。随着经济、科技水平的不断发展，对于日常交通安全水平的要求也越来越高。再者，交通灯控制系统，具有优化和规范交通道路秩序的功能等，因此，只要合理开发好交通灯控制系统就能够解决人们的交通秩序混乱问题。1.1交通灯控制系统概况自上世纪起，城市化的普及，不断提高的生产力，我国交通行业飞快发展，但道路拥堵与拥挤情况却不断加重。这一现象存在于绝大多数国家，社会问题背面所映照的问题，可能正是这样引发的。随着道路交通问题越来越严重，人们不断探索，以期得到适合当下情况的解决之道，并由此明白了：传统交通拥堵处理方法，已经不再适合眼下的情况了。唯有将信号控制与交通流量都统一纳入考虑，并将最新的有关交通道路的科技运用到这一问题上，才可能改善我们所面临的问题。故而，智能交通的理念就此诞生。经过这么多年的发展演变，交通信号灯控制系统从无到有，无数先辈呕心沥血的专研终于有了成果。而我们后人回顾交通灯的发展历史，总结其发展趋势，可以发现交通信号灯的发展趋势，利用这一规律推动其不断向前发展。综上所述，我国的交通信号灯系统会不断完善、不断进步，进入世界一流，发展出越来越先进的交通信号灯灯的控制系统。1.2交通灯控制系统研究进展从交通灯诞生开始，人们逐步了解到了交通信号灯灯控制系统，并由此展开深入研究。那时，繁重的交通秩序以及交通事故，已经让整个交通道路不堪重负了。由此，多数人们意识到从前的交通处理方式已经开始出现颓势，不在游刃有余。并由此得出结论：传统的交通道路拥堵疏导方式不在适合当下这个时代的道路交通情况，人们迫切的需要一个新的解决之道。正因如此，发明创造出一套行之有效的方式就成了大势所趋。自此，智能交通控制系统应运而生，并在时代的洪流下飞速发展。从1970年开始，国内外的许多科学研究机构开始专注于这一问题，并在一些城市地区的交通道路上展开了实地考察研究。同一时期，英国实验室的科研人员成功开发出TRANsYT系统，又在TRaNsYT的基础上研发了se00T系统。此外澳洲科学家也在1970年研究出了实时交通配合方案，以此来开发交通系统调整和控制的SCAT系统。

2单片机介绍2.1简介在科学技术不断发展的今天，单片机扮演着重要角色。在与现代科技成就休戚相关的多种单片机中，AT89C52的应用随处可见。AT89C52，是一种具有低电压、高性能特性的CMOS8位微处理器，亦称单片机，也是自带8K字节的闪烁可编程可擦除只读储存器。该器件使用ATMEL的高密度非易失存储器技术制造。因为在单个芯片里组合了闪烁存储器和多功能8位CPU,所以ATMEL的AT89C52是一种高效微控制器。如图2-1。图2-1AT89C52引脚图1．管脚说明：Vcc：使用时需接+5v电源。VSS：接地。XTAL1：振荡器、反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。P0口：双向I/O口，可作为地址、数据总线口和普通I/O口。P1口：准双向通用I/O口。P2口：准双向通用口，地址总线的输出地址高8位。P3口：功能多样的端口，可以作为I/O口和按每位定义的第二功能的操作来使用。RST/VPD：复位信号输入端。接通电源后，在该引脚施加比两个机器周期大的高电平，可以让单片机完成内部的复位工作。还有一个功能可以充当一个备用电源。/EA/VPP：外部允许访问。/PSEN：片外程序所处存储器的选通信号，低电位的时候是有效。2.单片机内部结构单片机经过长时间的发展，经过前人的不断探索，后人的不断完善，已经有了它自己一个完整的体系，其内部结构如下所示。a.中央处理器中央处理器又称CPU，是单片机运行所必不可少的。它依照设备所采集的信息进行分析处理，然后采取相应的应对方式。依照大数据标准，CPU的字节长度可以分为以下几类：16位机、32位机和64位机。CPU的属性一般可以从它的字节长度得出，它的计算速度、数据处理能力、实施控制功能等其他功能，可以说都是与其字节长度息息相关的。故而，字节长度是判断了解CPU功能的主要指标之一。b.存储器 市场上的存储器一般使用磁性材料制作，是人们用来储存数据的普遍型工具。本设计需要使用的52单片机大多数拥有两类存储器，用于存储所要使用或收集的数据信息，伴随着科技浪潮的兴起，电子产业飞速发展，存储器也越来越先进，越来越大容量。企业、家电等各行各业开始向大容量存储器的单片机演变。c.程序存储器单片机的程序存储器为只读存储器。只读存储器的使用可以有效的加强程序存储器的稳定性、可依赖性，另外只读存储器的集成度高、价格低廉，降低了成本。2.2单片机的优势近年来，大规模集成电路技术不断向前发展，微型计算机也在不停的更新换代，其中也有单片机技术。单片机的特点:1)易于掌握。2)功能齐全，具有很强的抗干扰能力。3)用途广泛。简而言之，单片机稳定、可靠，使用时有着好的保障,而且也有一定的精确度，同时使用的电压和功耗低。另一方面，从经济方面考量，也最为合适。所以此次设计选用单片机作为核心控制，而在本系统的开发和设计中，选择AT89C51单片机最合适。

3交通灯系统方案设计3.1实例说明单片机控制交通灯具有如下功能:(1)车辆通行时间的倒计时显示。(2)等待时间的倒计时显示。(3)进行红绿灯的正确指示。3.2设计思路分析为了完成关于交通信号灯控制系统的设计，本次设计将以单片机AT89C51为中心，辅以其他芯片，相互作用。此次设计中，需要重点对其硬件部分、软件部分分别进行仿真设计。为了方便随时调控管理，还需要对其进行仿真模拟、编写程序。以下，将会分析介绍此次设计的硬件、软件、仿真。此次有关交通信号灯控制系统的设计，其功能模式有东西南北正常通行、东西南北全部禁行、南北禁行、东西禁行四种模式，这四种模式的交通系统信号灯转换方式都不是一样的。以下分别描述东西南北正常通行、东西南北全部禁行、南北禁行、东西禁行模式下的交通系统信号灯的转换方式。但是与此同时，交通系统信号灯的切换要符合一个安全标准:优先停止正在通行的直道，随后放行被停止的直道。3.2.1交通灯系统基本工作原理交通灯显示遵循三色原则，红黄绿三种颜色，分别代表停车等待、注意道路、正常通行。其中黄灯较为特殊，可描述为已经越过停车线的车辆要注意周边环境，但可以通行；而没有越过白色停车线的交通工具则需减速停车，以防危险。下面首先，从正常通行模式入手。1.正常通行模式在一个交通路口，将其划分为东西和南北两个直道。在每个时间点，这个十字路口有且只有一条直道能够绿灯亮，正常通行，另一条必须保持红灯。经过这段时间的过渡，将东西、南北两个方向的信号灯状况对换。如此循环往复的相互切换，构成了交通信号灯控制系统。然后通过分析交叉口的红绿灯，将这四种状态如下：(1)东方向西方向的黄灯不亮，红灯亮，东西方向禁行30秒；南方向北方向红灯关闭，绿灯亮，南方向北方向可通行28秒。所以假定这时的状态为正常通行模式的初始状态，在程序设计中也是按这种情况编写。(2)东方向西方向红灯亮依旧保持禁止，南方向北方向的绿灯关闭，黄灯不亮，数码管倒计时显示2秒。在这种交通状态下，东方向西方向道路状况不改变，南方向北方向允许已经越过停车线的车辆通过，停车线内的所有交通工具必须减速停靠。(3)东西道路红灯不发光，绿灯发光，时间28秒；由北向南道路黄灯关闭，红灯在同一时刻同时开启，道路上方的数码显示倒计时30秒。在这种情况下，允许东方向西方向道路通行，禁止南方向北方向道路车辆流动。(4)东方向西方向绿灯熄，黄灯开启，时间计时2S；南方向北方向的红灯继续跟随上一次的状态，倒计时计时为2秒。在这种情况下，只有仍然在东西直道停车线以外行驶的交通工具可以继续移动，其他所有交通工具必须减速停车，四个道路方向禁止通行。如果用表格汇总正常通行模式下的交通系统红绿灯及倒计时器显示的状态，能够更加显而易见的观察其运行规律。在表3-1中，从上至下表示每个路口的交通系统红绿灯的显示状态以及倒计时时间，在刚开始的时间东方向西方向绿灯持续发光25s，再闪烁3s,然后黄灯开启2s，最后红灯点亮30s，而南北方向则与东西方向两个时间段恰好相反。表3-1交通灯循环时间长度南北方向东西方向25绿灯红灯3绿灯红灯2黄灯红灯30红灯绿灯2.禁止通行模式禁止通行模式的定义就是不计较上述问题，只有交通道路秩序是正常的。按下禁止按键，南方向北方向的全部交通系统信号灯立刻有黄色或者绿色转变为红色，同时这个方向的直道的交通工具都需要停止前进。如表3-2。表3-2方向情况南北方向东西方向红灯红灯3.南北禁行模式南北禁行模式就是在出现一些紧急事故时，需要对交通道路做出临时的调整时，方便应对。其中，东西方向允许通行，绿灯常亮；南北方向禁止通行，红灯常亮。为了防止切换模式时错误，当南北禁行开始前，需要判断此时的交通状态。如果南北方向已处于红灯，则继续保持；如果为绿灯，则先让单片机发出黄灯信号，提醒即将切换信号灯，没有驶过停车线的车辆禁止通行，在亮红灯。具体情况如表3-3、表3-4。表3-3南北禁行状况禁行前南方向北方向交通系统信号灯为红东西方向开启绿灯，关掉其他颜色交通灯南北方向红灯继续表3-4南北禁行状态禁行前南方向北方向交通系统信号灯为绿或黄东西方向继续红灯绿灯南北方向黄灯2s红灯4.东西禁行模式东西禁行与南北限禁行的交通道路显示恰恰相反，东西方向允许通行，绿灯常亮；南北方向禁止通行，红灯常亮。具体情况如表3-5、表3-6。表3-5东西禁行状态禁行前东直道西直道显示红灯东西方向仍然红灯南北方向显示绿灯，关闭其他种类指示灯表3-6东西禁行状态禁行前东直道西直道显示绿灯或黄灯东西方向黄灯2s红灯南北方向仍然红灯绿灯3.2.2单片机交通灯总体设计方案交通系统信号灯灯构建方案由四部分组成，分别有单片机最小系统、红绿信号模块、倒计时显示模块和按键输入模块，如图3-1所示。图3-1交通系统信号灯大致构建方案单片机最小系统的作用是维持各个交通路口的交通系统信号灯和路口数字显示倒计时，依照上述的介绍的交通系统信号灯的运行原理进行显示，然后采用按键对控制系统进行信息输入。按键输入模块按照本次设计方案总共设有正常通行、南北禁行、东西禁行、禁止通行四个按键。路面数字倒计时显示模块一共由8个数码管组成，采用的是共阴极，每一条直道设计两组相互对立的显示灯，按照个位和十位显示，每条直道上的两组显示管显示的数字要保证一致，用于指挥车辆前进或者等待，否则容易造成交通事故。信号灯由发光二极管模拟，颜色可以依照现实生活中十字路口上的交通灯进行模拟，三个灯构成一组，每一条直道安放两组，每一条直道上的交通系统信号灯显示的颜色必须一样。以上四个模块总共使用了22个I/O口，自此，一个完整的交通路口模型就完成了。

4硬件电路设计4.1主要器件交通系统信号灯设计时需要采购的主要器件有:1.单片机最小系统所需器件。2.74HC573，用于数码管驱动。3.红绿黄三种不同颜色的灯，用于信号指示。4.按键。5.74LS04,用于驱动发光二极管。4.2硬件原理图4.3计时模块倒计时显示模块如图4-1所示。显示数码管采用的类型一般采用共阴极，用74HCS73作为驱动芯片。利用74HC573的锁存控制端，使其在锁存与非锁存状态来回切换。这样锁存器会一会工作在数据直通传达的方式下，一会工作在数据锁存的方式下。数码管每2个为一组，每一条直道上设置为2组，两者镜像对称，因为每一组相互对立的数码管显示的数字倒计时一致，因此每个位置虽然共有有4个显示十位或个位数码管，但每一种数码管的位选端连接在一起，此举方便了设计，极大的简化了设计时的复杂难度。图4-1计时模块4.3.174HC573芯片锁存器74HC573可以将来自AT89C51芯片P0端口的段选信号锁存在相应的数码管，使其显示当前的时间数字。其端口输入输出原理如表4-2。表4-174HC573工作原理OELED\输入Q\输出状态低低LL传送HH低高LL传送HH高低任意上次数据锁存4.3.2共阴数码管数码管由8个LED灯构成，要求公共端接地，其它端送上高电平就能点亮。其具有工作电压低、体积小、寿命长、可靠性高等优点，且响应时间短、亮度高。设计时，每个方向两个数码管，无需小数点。采用动态显示，提前设计好各个数字的段选码用于显示，段选码如表4-2。表4-2数码管段选码01234567890x3f0x060x5b0x4f0x660x6d0x7d0x070x7f0x6f段选码为16进制，展开为8421码。从左至右对应高位至低位，共8位，对应数码管的八段，数码管外形如图4-2。图4-2数码管引脚图4.4信号灯模块信号灯模块由红，黄，绿三种颜色的灯构成，红色4个，绿色4个，黄色4个，共计12个，每三种颜色的LED灯组成一组，每一条交通直道放置两组。由于同一通行直道的交通系统信号灯显示变化都是相互同步的，故而同一交通直道的相同的色彩信号灯的控制电路一端都连接在同一点，所以LED灯采用74LS04驱动，如图4-3所示。图4-3红绿灯模块4.4.174LS04芯片74LS04中有六个反相器，其作用是将AT89C51芯片的P1口输出的信号电平取反，以此控制红黄绿信号灯的阳极为高电平，促使其发光。其功能原理如表4-3。表4-374LS04功能表输入输出低高高低4.5按键输入模块按键输入模块分为4个功能，方便随时切换，分别代表正常、南北、东西和禁止模式，如表4-4。按独立按键的方法连接，如图4-4所示。在紧急状况发生时，有需要特殊对待的交通工具需要使用，例如医疗救助车、治安维护车等车辆要求通过时，交通控制系统能够在此时禁止普通车辆使用本车道，控制所有的交通系统信号灯都是转变为红灯；当紧急情况结束后，又能够随时继续照常工作。表4-4按键状态表按键模式Key1正常通行Key2南北限行Key3东西限行Key4全部禁行图4-4按键输入4.6时钟脉冲电路时钟脉冲是产生一个连续的不间断的信号用于驱动电路运作，能利用下述的方法得到：第一类方法是依靠其内部发生，从而产生脉冲，依靠的是芯片自我内部的震荡电路产生；另一方法是利用外部电路产生同第一种方法一样的脉冲。此次设计依照实际情况，采用内部震荡产生脉冲的方式进行的。因为AT89C52自带的震荡电路不能有效的产生时钟的振荡，造就合适的脉冲，所以需要另谋他法，再设备以外添加一个能够产生时钟振荡的电路，以此来形成一个脉冲正常的电路，并将两者连结在一起。外部振荡电路制作，晶体管和电容器必须连接在一起才能形成一个能产生脉冲的并联谐振电路，其后在构建一个能放大信号功能的放大器电路，之后将两者相连接，就完成这个主要电路。晶体管所要的频率一般控制在1.1MHZ到13MHZ之间，电容的典型值普遍选定在15PF到110PF之间，因为本次论文设计并不需要对外接晶体管的频率有非常高的指标，故而一般会选择价格实惠并且功效平衡的陶瓷谐振器作为发生器。设计时所规定的机器周期为2ms，那么就需要将晶振在模拟设计中设定为13MHZ，通过反复多遍的模拟，认为电容的容量定位28PF可以最大程度上方便的完成此次设计.

5软件设计5.1软件流程在本次交通系统信号灯设计中，所需要使控制系统运行的程序由运行主函数，四个不同情况不同设定的子函数，定时器0中断服务函数三部分组成。5.1.1主函数流程控制系统主函数的过程如图5-1所示。首先进行定时器0初始化，其后开启键盘扫描，将所需要的道路交通情况按实际需求进行切换，通过判断按键状态来调用交通系统信号灯四个运行状态子函数。图5-1主函数过程图5.1.2正常模式流程根据设计方案，正常模式下的红绿灯应分为四种情况，详情见表5-1。其程序流程如图5-2.表5-1正常模式情况情况状态控制字一南北直道开启红灯，东西直道开启绿灯0xde二南北直道点亮红灯，东西直道点亮黄灯0xee三南北直道切换绿灯，东西直道切换红灯0xf3四南北直道显示黄灯，东西直道显示红灯0xf5图5-2正常模式流程5.2延时的设定延时的方法有多种，一种是使用MCU中的定时器中断部件来计数得出每秒钟所消耗的的详细的时间；除此之外的一种是依照软延时来决出时间。此次设计采用单片机中的定时器中断来达到延时的效果。5.3系统计数器最开始设定值的设计当定时器开始工作的时刻，需要向计数器内部传输一个起始设定值。假设将计数器记满为零的计数值记作为A，设计数的初始设定值设计为NB，自然而然的就可以总结出一个公式：NB＝M－A。5.4时间显示此次设计采用动态显示方式，由单片机选定各数码管段码的控制信号后，点亮7根常用阴极数码管。两数码管间各为十位、个位显示。因为数码管更新的速度极快，难以用肉眼观察，唯有在传输至其内部的数据发生改变时，LED的数字才会在数字0到9之间发生肉眼可见的变化，而这就进一步提高了这些数字的可靠性。

6小结 在基于单片机的信号控制系统的设计中，采用了AT89C51芯片。与其它芯片相比，AT89C51的稳定性和可靠性得到了提高，有利于整个系统的使用。同时，控制系统的结构简单，实践能力强，并且利于人们操作，能够适应多种交通情况，可以对不同情况的交通灯使用。本次毕业设计中关注了控制系统的便利功能、信赖功能、可靠功能。以上都是对于一个实用的交通系统信号灯控制的要求，没有对其有更多的精细化、更多功能化。相信通过以后人们的不断完善，我国的交通系统信号灯控制系统能变得越来越高科技化。参考文献于昊嘉.智能交通灯[J].发明与创新(中学生),2021(01):23.秦风元.基于51单片机的交通灯设计[J].时代农机,2017,44(12):126-127.宋昕一,万宏飞.基于Proteus的数码管动态显示与计数设计[J].电子制作,2021(08):73-75.王永涛,王启明.基于单片机的智能灯的设计与实现[J].安徽电子信息职业技术学院学报,2020,19(05):24-30.刘鹏娟,宋绮娴.基于单片机的智能交通灯设计[J].电子制作,2020(21):79-81.黄永程,杨斌,黎志勇,刘顺彭.基于AT89C51单片机交通灯设计仿真[J].化学工程与装备,2019(08):231-232.周行政.单片机在电子技术中的应用[J].现代制造技术与装备,2020,56(12):135-136.王淑娇.基于《单片机原理及应用》的一流课程建设思考[J].计算机产品与流通,2020(09):284.罗睿智,卢恩耀,彭金尧,周雨轩,徐瑞.浅析单片机的原理及其在各领域的应用[J].计算机产品与流通,2019(08):146.高香梅，刘春梅．基于Proteus和Keil的仿真技术在单片机教学中的应用［J］,电子世界，2017(7):88+90.王静霞.单片机基础与应用(C语言版)[M].北京:高等教育出版社,2019.占雅聪,刘宽,施忠祥,等.基于单片机的智能交通灯控制系统设计[J].电子测试,2020(8):15-16..BigengZheng,XinruiChen.ElementaryIntroductiontotheT