《基于51单片机的交通灯控制系统设计6600字（论文）》

基于51单片机的交通灯控制系统设计目录TOC\o"1-2"\h\u1993摘要 112774引言 2309651.设计的背景及意义 241621.1交通灯的背景 238061.2交通灯的意义 2265452.系统方案设计与要求 3145152.1系统通行方案设计 3263532.2系统总体框图 475132.3功能要求 520243.硬件电路的设计 6274763.1硬件电路构成 6129223.2单片机 6145193.3显示模块 7171883.4信号驱动电路 7317103.5键盘输入电路 8315824.软件部分的设计 9109504.1程序设计流程 9210034.2子程序模块设计 9159214.3KEIL51的介绍 1032114.4protel99se的介绍 11325215.实物仿真结果 1133626.总结与展望 12306066.1总结 12270916.2展望 1328508参考文献 13摘要:科技发展迅猛的今天，单片机的应用深入人心，传统技术也发生了翻天覆地的变化。单片机作为一个核心部件搭配上应有的硬件结构，实现我们想要的功能。在如今遍地是车的时代，交通信号灯的智能使用就显得非常必要了，本文就是交通灯的设计，设计采用共阴极数码管显示，通过按键设置定时。本设计能够显示各向红绿黄灯的时间，并能对特殊情况进行处理，智能调控改变各路口固定的倒计时时间，能够起到减缓车流量相对较多的一条路的交通压力。关键词：单片机；交通灯；数码显示；计时引言交通灯早已出现我们生活中，小学生都熟记的‘红灯停绿灯行’也是交通规则之一，随着老百姓不断鼓起的钱包，众多城市的汽车拥有量倍增，这给交通也带来了不可磨灭的负面影响。如今堵车带来的各种交通事故频频不断，智能交通灯就显得尤为重要，它能极大地缓解交通压力，更好的解决交通拥堵的问题。传统的交通灯虽然能让行人和车辆有秩序执行，但是一旦路口两条路行人车辆差别大了，问题也就随之而来了。而且在一二线城市，堵车是常事，除了要把路修好，智能交通灯才是根本。本文将重点介绍基于51单片机的智能交通灯控制系统，具有许多优点，如原理简单，实用性良好，性价比高等等。1.设计的背景及意义1.1交通灯的背景1.1.1交通灯的历史信号灯最早出现在19世纪中期，当时伦敦街头出现了手势信号灯，用来方便彼时的马车通行。经济的发展也是交通灯出现的必要原因。后来美国人设计了黄红绿交通灯，在20世纪70年代之后，随着电子技术的不断进步，各种各样的电子产品纷纷亮相，单片机的时代也随之而来。由于它的高配低价，逐渐获得人们的青睐。再加上其独特的结构，逐渐占据整个市场。它的众多优点带给人们许多惊喜，使得其成为人们的不二抉择，也成为本文设计的核心。1.1.2交通灯的出现汽车的出现和在发达国家美国的逐渐普及，促进了1918年第一个真正意义上的三色灯（红绿黄三种标志）的诞生。二次工革后，纽约街头汽车也开始频繁起来，路上的信号灯也是屡见不鲜。在美工作的同胞胡汝鼎发明了黄灯。胡汝鼎在一次下班途中，在十字路口等待绿灯，正逢可以通过时突然被一辆汽车擦身而过，吓得他一身冷汗，回到宿舍他就觉得这个安全隐患要想办法解决掉，于是就想到在红绿信号灯之间添加黄色信号灯作为一个过渡来警示人们，然后就一直沿用至今了。1.2交通灯的意义如今大多数城市的路口基本都设有交通灯，但是大多数城市交通灯仍为传统类型，也就是固定时间倒计时，这种只会让行人和车辆懂得遵守交通规则，但是并没有抑制交通事故的逐渐减少，甚至随着经济的快速发展，交通状况更加变得每况愈下，所以信号灯必须要朝着更加数字化和多元化发展，更便宜，更高效，更便捷的方向发展，但是拥有庞大人口的中国尤其是车多人密集的市区，杜绝大型交通惨案的发生和减少小型交通事故是迫在眉睫的，也是我们相关部门要解决的非常有意义的现实问题。那该怎么解决这个问题呢？本文利用红外检测来判断车流量，根据两条路的车流量多少来控制对应的红绿灯时间，这样就能很好地防止某条路上的车流量过多而引起的交通瘫痪。交通灯要更加便捷地服务我们，更加让我们的生活有意义。2.系统方案设计与要求2.1系统通行方案设计如图所示，黑圈代表所亮的灯，白圈代表此时灭的灯。假设先为南北向通行，此时南北向绿灯亮，东西向红灯亮。固定时间过后，南北向转为黄灯亮，东西向仍为红灯亮，南北向黄灯在短暂时间后变为红灯亮，这时东西向才变为绿灯亮，随后东西向重复之前的步骤，这样一轮通行就完成了[1]。用下图表格解释状态变化即为：先从状态1到状态4再回到状态1，如此循环下去，系统通行方案设计就完成了。图1交通状态先是南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，持续20秒的时间。东西向禁行，南北向通行。然后南北方向转为黄灯亮，东西方向则不变，持续5秒的时间。注意在这个时候在南北向过线车辆继续通行，未过线车辆减速至停车。接着南北向变为红灯亮，东西向则变为绿灯亮，持续30秒的时间。东西向通行，南北向禁行。最后东西向转为黄灯亮，南北向则不变，持续5秒的时间。同样注意此时黄灯方向车辆，过线的继续前行，未过线的减速至停车。下表表示交通灯状态：表1交通状态及红绿灯状态状态1状态2状态3状态4东西向禁行等待变换通行等待变换南北向通行等待变换禁行等待变换东西红灯1100东西黄灯0001东西绿灯0010南北红灯0011南北绿灯1000南北黄灯0100提高通车的质量、效率是我们要解决的问题。当遇到上下班车辆高峰期时，能灵活的利用方程式控制按钮来改变路口两道通行时间。表中0表示灭，1表示亮。2.2系统总体框图现代城市十字路口车辆拥挤，人群密集，怎样才能维持交通呢？非常需要一个自动指挥系统。实现该设计，需要多部分共同完成系统，51单片机是核心，驱动电路、按键及数码显示等也必不可少[2]。设计采用共阴极数码管显示，而且通过按键可以控制并降低交通拥挤的情况。在消防车或救护车要通过路口时，四向都亮红灯，通过后恢复原来状态[3]。单片机可直接控制信号灯的状态变化[4]。接入LED数码管能让行人和车辆直观看到时间。单片机能确保及时控制和调整。如下图所示：通行时间的控制靠的是键盘设置模块，它的作用是控制交通灯控制显示，并将时间反应到数码管上[5]。与此同时还要准确把握异常状态，及时反应和处理。特殊情况下可随时调用中断。按键控制一共有7个按键，通过这7个按键来完成一系列我们要想的功能。复位按键代表让单片机重新开机；夜间模式按键按下后，黄灯全亮；当按下紧急模式按键，红灯全亮；还有专属的东西通行模式按键和南北通行模式按键；还有一个确定计时按键；最后一个按键既可以查看时间，又能查看传感器。图2系统的总体框图2.3功能要求本设计通过“红灯停绿灯行黄等待”的九字口诀来控制通行，而且能进行时间显示。按键的作用非常大，它能控制两道红绿灯时间长短，通行和禁行，夜间模式，以及复位和切换的功能。阴极数码管有两位，用来让人们更直观看到时间。驱动放大作用利用芯片控制来实现的[6]。我们熟知的每个路口的红绿黄灯，也就是每个路口的三个发光二极管。2.3.1显示模块数码管时间显示可以提示行人和车辆在灯变换间做出自己理智的选择。因为我们都比较喜欢这样，每个人在工作学习中都构成了一种时间观念，时间显示则更能警醒每个人，达到理想的效果。对于驾驶员来说，这无疑是在关键时刻把握时间变化并做出合理选择。还有一种是LED显示。运用两种显示结合更合适。2.3.2按键模块按键控制不同的运行状态。要是数码管都显示00，代表此时为紧急模式，红灯全亮[7]；复位按键代表单片机重新开机。南北红、东西绿为东西通行；反之南北通行为南北绿、东西红；时间的加减直接能决定通行的时间从而能进行有效地控制；切换按键则可以起到切换的作用；还有一个按键有双重作用，按一下可以查看四个方向的时间，再按一下则可以查看两个传感器的情况。3.硬件电路的设计3.1硬件电路构成一是最小控制系统[8]。信号灯指示模块比较简单，就是每组三个共四组的发光二极管。四向每向2个LED，就能显示出时间了。二是闭环控制系统，它是利用负反馈[9]。硬件电路如下图所示。图3单片机引脚图3.2单片机单片机发展如下：首先是探索阶段。特色为MCS-48，它是在工控领域背景下的研究成果。后来人们取名为单片机。接着是完善阶段。在原基础上推出了MCS-51。它为通用总线型单片机体系结构打下了基础。然后是向微控制器发展的阶段。推出的MCS-96系列单片机，许多有技术的东西融入其中，如模数转换器等。单片机初步展现出微控制器特征。最后是微控制器的全面发展阶段。单片机的应用范围和发展都大大提高，逐渐分出了通用型和专用型单片机。通用型单片机具有强运算能力和高速等特点。单片机是微型计算机[10]。单片机的非常多的优势使得其广泛应用于工业领域和现代电子技术，智能仪表是应用最频繁的领域之一。现如今在控制领域中人们觉得单片机仿佛成了不二之选，因为它体积小、低成本、大用处。总之单片机在应用中极具性价比。本文采用的是AT89S51单片机，它的多功能低功耗是我选择它的原因。3.3显示模块显示模块重点介绍发光二极管。它有光效强、功耗低等优点。20世纪70年代我国开始布局此产业，40多年过去了，我国成为了其第一大生产国。慢慢地，随着不断深入地研究半导体发光材料，尤其是超高亮度白光LED的出现，它的应用领域又覆盖了一大领域。利用发光二极管来显示我们想要的颜色效果，也就是本文的交通灯。图4LED灯数码管是半导体发光器件。其基本单元是发光二极管。把发光二极管的阳极接在一起就是共阳数码管[11]。公共极接好后，当某段发光二极管的阴极为低电平时，它就亮，反之为高电平时，它不亮[12]。共阴数码管正相反，公共极接到地线，阳极为高电平时点亮，低电平不亮。因其便宜的价格和便捷的使用，使在家电领域应用特别广泛。3.4信号驱动电路74HC245译码器地址输入为A0、A1和A2。输出为Y0至Y7。使能输入端的话有3个：E1、E2和E3。只有E1、E2置低且E3置高的情况下74HC138输出不为高，其他情况其输出都是高。假如输入数据是低有效使能输入端，其他的为选通端，那么这个译码器也能变成8输出多路分配器。它能使译码系统更高效[13]。高速存贮器，经常用的一点，其赋能时间和译码器的延迟时间都比其存取时间小，这也是我们通常所说的往往系统延迟可以忽略。通常两个低有效和一个高有效组成的输入，可以减少外接门或倒相器的使用，因此24线译码器不需要外接门；32线译码器的话，就接外接倒相器。图5译码器电路图图中1接VCC，19接地。3.5键盘输入电路单片机键盘分为独立式和矩阵式键盘。二者有区别的。我更喜欢采用前者，更适合于我的设计。它的实现就是看I/O口电平高低。按键接I/O口置于高电平，它一直是高电平。有键按下时，它就变成低电平[14]。等松开后，它又变为高电平。所以我们只需要根据I/O口的电平状态就可以判断我们有没有按键动作了。键盘的去抖动是一个十分重要的过程。它是在键盘还没有触及临界区而产生电平不稳定的现象。这种抖动往往在10~200ms之间，对单片机而言来说这时间比较漫长了。有硬件和软件的去抖动两种。正常情况下我们选软件的去抖动。办法就是先查寻按键，在有低电平出现时立即延时大概20ms来避开抖动，之后再读一次I/O口的值。如果值为1，说明低电平的时间低于20ms，这时为干扰信号。如果值是0，继续相应程序处理。如下图：图6键盘控制电路图4.软件部分的设计4.1程序设计流程本设计程序有按键处理和50ms扫描程序。流程图如下图所示。图7系统总的流程图4.2子程序模块设计按键模块的设置用中断。按键接I/O为高电平，它一直是高电平。按键按下后，它变为低电平。按键松开后，I/O又变回高电平。因此我们很容易可以判断。如下图：图8（a）外部中断子程序0（b）外部中断子程序1重点就是定时中断子程序。当定时器启动时，它便加1计数。先不管TH0和TH1，由已知的时钟频率和周期数推算出机器周期，就可以知道TH0和TL0之间需要多少个数。满了的话有下一个的时候，就有中断了。要想控制定时时间，先求出中断一次所需的时间，用相应的次数乘以中断一次所用的时间就好了[15]。中断程序如下：图9中断流程图4.3KEIL51的介绍本设计中软件部分的设计采用KEIL，它被用作51程序开发工具。KEILC51的功能非常的多。他可以建工程；编译程序；软硬件的仿真；生成目标代码等。KEILC51编译器具有极好的准确性和非常高的效率。

同样地，KEILC51也是采用工程的方法，从而管理文件。在一个工程文件中，它能统一管理程序和头文件。

安装运行KEIL51，开发项目的过程大致所有软件都差不多，一般分为以下部分：（1）源程序。（2）源文件。（3）纠正源文件中的错误。（4）连接目标文件。（5）测试应用程序。4.4protel99se的介绍它可以用于元件封装库编辑器，负责元件封装；也可以作为各种报表的生成器。可编程逻辑器件设计模块。电路仿真模块。它是信号电路仿真器，能提供连续模拟信号和离散数字信号仿真。PROTEL软件诞生于澳大利亚一公司，后来成为印刷电路板设计的NO.1软件。30年前它发展到WINDOS平台，成为全球首家在今所用平台的EDA软件。PROTEL99SE的两功能模块：（1）电路原理图设计模块。（2）印刷电路板设计模块。它分为PCB编辑器和Route模块。前者用于设计电路板；后者用于PCB的自动布线。实物仿真结果实物仿真结果如图所示：正常情况下的红绿灯实物图：图10正常情况下的交通灯当黄灯的时候：图11黄灯的时候南北向绿灯，倒计时30秒；东西向红灯，倒计时35秒。很显然此时南北向车流量较多，所以通过加大东西向倒计时时间来缓解南北向车辆拥堵的情况。图12智能调控图总结与展望6.1总结（1）整个控制流程大致是：首先是倒计时东西20s南北25s，假设每辆车通过的时间是2s，利用红外探头检测东西向通过车辆11个，此时南北向禁行，如有车辆通过，会有警报声；然后变为倒计时东西向25s南北向20s，利用红外探头检测东西向通过车辆13个（大于25s的一半）；最后变为倒计时东西向30s南北向15s，依次下去，即使南北向依旧没有车辆，南北向倒计时也不会减少了，因为我们设置倒计时最低为15s。（2）按键控制。实际是七个按键：首先是一个单独位置的复位按键，按下就是单片机重新开机；其他六个按键都有各自的功能。第一个按键控制的是夜间模式，此时均亮黄灯；第二个按键控制的是紧急模式，此时均亮红灯；接下来的两个按键则是东西通行模式和南北通行模式；第五个按键是确定按键，也就是开始计时的作用；最后一个按键有两重作用：先按一下是查看四向倒计时时间，再按一下则是用来查看传感器。通过按键控制实现我们想要的便捷功能。6.2展望（1）更加灵活地运用课外资料。问题在这个过程中常伴我左右，我利用上网或图书馆书籍来增添知识，也少不了与老师同学交流来逐步攻克难题。让我更加明白我们专业的用处和前景的良好性，逐步增加了对继续学习本专业的兴趣，更希望今日所学能为他日之用，在学习方法上多问多查是必不可少的，从别人那里获得独特的见解，让看待问题的方式也该更加多元化，这个过程简直是不要太充实。学习的重要性也就不言而喻了，以后的学习可能越来越精，所以也就慢慢会步入这个专业的云端，非常希望自己有一天能对本专业有更深的造诣。（2）老师和同学的重要性。不管是论文格式上的问题，还是一些内容相关问题，都离不开老师和同学们的辛苦帮助。老师总会不厌其烦的为小组的每一个同学讲解，同学们在私下也是积极监督，互相讨论，互相检查。我想这和以后进入工作后，各个部门之间以及每个部门同事之间工作竞争、合作大致相同的。通过本次历练，也算是为提前工作打下基础。非常珍惜和感谢这次机会，感谢老师的付出和同学的合作互助！（3）团队精神。在陈老师带领下的几个月时间，我们小组十几人像是一个大家庭一样紧紧拴在一起，为同一个目标而努力。这种团队精神是达到事半功倍效果的必要条件。毕业进入企业后，企业也是会分各个部门，每个部门同样也需要这样的团队精神，这是毋庸置疑的。这段时光匆匆而美好，这段过程也是时间的结晶。这段时光也是人生中不可磨灭的记忆！参考文献[1]牛亚莉.基于单片机的智能交通灯控制系统设计[J].电子设计工程,2020,28(18):