基于单片机的教学演示模块之交通信号灯控制.docx
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基于单片机的教学演示模块之交通信号灯控制
普通本科生毕业设计（论文）
（2011届）
题目基于单片机教学演示模块之交通信号灯控制系统
姓名赵虎成
专业班级计算机科学与技术0701班
指导教师（职称）王立红（副教授）
完成日期2011年4月3日
基于单片机教学演示模块之
交通信号灯控制系统
摘要：
交通控制系统是近代社会随着物流、出行等交通发展产生的公共管理系统。
要保证高效安全的交通秩序，除了制定一系列的交通规则，还必须通过一定的科技手段加以实现。
本文在对目前交通控制进行深入分析的基础上，运用ULN2003驱动继电器来控制信号灯的亮灭，同时利用74HC573的锁存与直通功能来显示倒计时。
本系统由单片机最小系统、红黄绿三色交通信号灯控制电路、LED数码管显示电路、按键控制模块组成。
系统除基本交通灯功能外，还具有夜间模式、高峰期模式、低峰期模式、紧急情况模式等相关功能。
理论证明该系统能够简单、经济、有效的疏导交通，提高交通路口的通行能力。
关键词：
继电器；信号灯；倒计时
Teachingdemonstrationmodulesbasedonsinglechipcontrolsystemoftrafficlights
Abstract：
Trafficcontrolsystemisamodernsocietywiththelogistics,travelandothertransportdevelopmentinthepublicadministrationsystem.Toensuresafeandefficienttrafficorder,inadditiontodevelopingaseriesoftrafficrules,butalsoacertaindegreeofscientificandtechnologicalmeansmustbeachieved.Inthispaper,thecurrentin-depthanalysisoftrafficcontrolbasedontheuseofULN2003relaydrivertocontrolthebrightlightsoffatthesametimeandthroughtheuse74HC573latchfunctiontodisplaythecountdown.Thesystemconsistsofthesmallestsinglechipsystem,theredyellowandgreenthree-colortrafficsignalcontrolcircuitry,LEDdigitaldisplaycircuit,composedofkeycontrolmodule.Inadditiontothebasicfunctionofthesystemoftrafficlights,italsohasnightmode,thepeakmode,low-peakmode,emergencymode,andotherrelatedfunctions.Theoreticalproofthatthesystemissimple,economicalandeffectiveflowoftraffic,improvetrafficjunctioncapacity.
Keywords:
relays;lights;countdown
前言
由于我国经济的快速发展从而导致了汽车数量的猛增，大中型城市的交通正面临着严峻的考验，从而导致交通问题日益严重，其主要表现如下：
交通事故频发，对人类生命安全造成极大威胁；交通拥堵严重，导致出行时间增加，能源消耗加大；空气污染和噪声污染程度日益加深等。
日常的交通堵塞成为人们司空见惯而又不得不忍受的问题，在这种背景下，对十字路口实行科学的管理与控制是交通控制工程的重要研究课题，是保障对十字路口的交通安全和充分发挥十字路口通行能力的重要措施，是解决城市交通问题的有效途径。
所以，改变和完善我国现有的交通系统，开发出真正适合我们自身特点的智能信号灯控制系统已经成为当前的主要任务。
基于整个交通控制系统的发展情况，本设计主要进行如下方面的研究：
用智
能、集成且功能强大的单片机芯片为控制中心，设计出一套十字路口的交通控制系统，以指挥该路口的实时通行状态。
本设计主要做了如下三方面的工作：
一是确定系统交通控制的总体设计，包括十字路口具体的通行禁行方案设计以及系统应拥有的各项功能。
二是硬件电路的总体设计，对各器件的选择及连接，大体分配各个器件及模块的基本功能要求。
三是进行软件系统的总体设计，采用汇编语言编写，对单片机内部结构和工作情况做了充足的研究、了解定时器中断以及延时原理，总体上完成了且实现了毕业设计的功能要求。
本系统采用STC系列单片机STC89C52RC为核心器件，通过单片机P1口输出的高低电平控制红黄绿交通信灯号的亮灭；P0口输出的共阳极字段码经过74HC573送给数码管来显示倒计时时间；东西、南北两路红绿灯循环点亮，当绿灯倒计时为零时，绿灯灭，同时让该路黄灯亮，亮的时间与红灯剩余的时间相等；当黄灯与红灯的时间均为零时，两向红绿灯对调（即原来亮红灯方向亮绿灯，亮绿灯的方向亮红灯）。
系统除基本交通灯功能外，还具有夜间模式、高峰期模式、低峰期模式、紧急情况模式等相关功能。
理论证明该系统能够简单、经济、有效的疏导交通，提高交通路口的通行能力。
目录
第1章绪论4
1.1交通灯控制系统的选题背景4
1.2交通控制系统选题的现实意义4
1.3国内外研究现状及其发展4
1.4交通控制存在的问题5
第2章交通控制系统总体设计6
2.1交通控制系统的通行方案设计6
2.2控制系统的功能要求6
2.3交通控制系统的基本构成及原理7
2.4硬件电路的设计7
2.4.1硬件总电路构成及原理7
2.4.2电路构成8
2.4.3电源电路设计8
第3章系统软件设计9
3.1软件主程序流程图设计9
3.2软件子程序设计10
3.2.1键盘扫描子程序（KEYSCAN）10
3.2.2延时子程序（DELAY）10
3.2.3平峰期子程序（PF）11
3.2.4高峰期子程序（GF）12
3.2.5低峰期子程序（DF没有键按下时默认程序）12
3.2.6紧急情况处理子程序（JJQK）12
3.2.7夜间模式子程序（YJMS）12
3.2.8显示子程序（DISPLAY）13
3.2.9正常指挥子程序（START1）14
3.2.10T0中断服务子程序17
3.2.11查表子程序1和查表子程序2流程图17
3.2.12表格数据17
第4章硬件故障测试与分析18
4.1硬件调试18
4.2软件调试问题及解决18
结论19
致谢20
参考文献21
附录1：
总体电路图22
附录2：
系统汇编语言程序代码24
附录3：
硬件测试程序27
附录4：
交通灯设计的演示效果图和电路板图28
附录5：
元件清单29
第1章绪论
1.1交通灯控制系统的选题背景
在人类的生活、工作环境中，交通扮演着极其重要的角色，人们的出行都无时无刻不在与交通打着交道。
交通对于社会的工业经济和人们的生活生产都有着十分重要的意义，要保证高效安全的交通秩序，除了制定一系列的交通规则，还必须通过一定的技术手段加以实现。
现代人类科学技术，特别是电子科学技术的发展，能比较好的解决系统建立中硬软件方面要求的技术难题。
随着单片机和传感器技术的迅速发展，自动检测领域发生了巨大变化，交通自动监测控制方面的研究有了明显的进展，并且必将以其优异的性价比逐步取代传统的交通控制措施。
1.2交通控制系统选题的现实意义
交通控制的研究，旨在解决人类交通因需求的增多而带来的问题，局限于道路建设的暂时不足和交通工具数量的快速增长，要使更多的车辆安全高效的利用有限的道路资源，避免因无序和抢行等无控制原因造成的不必要阻塞甚至瘫痪。
交通网络是城市的动脉，象征着一个城市的工业文明水平。
交通关系着人们对于财产、安全和时间相关的利益，科学的交通控制技术对资源物流和人们出行都是十分有价值的，保证交通线路的畅通安全，才能保证出行舒畅，物流准时到位，甚至也是生命通道的延伸。
1.3国内外研究现状及其发展
当今，红绿灯安装在各个道口上，已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段。
早在1850年，城市十字路口处不断增长的交通工具就引发了人们对安全和拥堵的关注与重视。
1868年，世界上第一台红绿两色的煤气照明灯的交通信号灯诞生于英国，拉开了城市交通控制的序幕。
1914年后，美国的克利夫兰、纽约和芝加哥的交通信号灯采用电力驱动，这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成，红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通行”，与现在意义上的信号灯已经相差无几。
20世纪30年代初，美国最早开始用车辆感应式信号控制器，之后是英国，当时使用的车辆检测器是气动橡皮管检测器。
车辆感应控制器的特点是它能根据检测器测量的交通流量来调整绿灯时间的长短，使绿灯时间更有效地被利用，减少车辆在十字路口的时间延误，比定时控制方式有更大的灵活性。
车辆感应控制的这一特点刺激了车辆检测器技术的发展。
继气动橡皮管式检测器之后，雷达、超声波、光电、地磁、电磁、微波、红外以及环形线圈等检测器相继问世。
当今在城市道路交通自动控制、交通监测和交通数据采集系统中，应用最广的是环形线圈车辆检测器。
超声波检测器主要在日本等少数国家得到广泛应用。
1968年，联合国《道路交通和道路标志信号协定》对各种信号灯的含义作了规定：
绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以直行，左转弯和右转弯，除非另一种标志禁止某一种转向；左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行；红灯是禁行信号，面对红灯的车辆必须在十字路口的停车线后停车；黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线，但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。
在西方发达国家，交通控制系统基本上完成了由传统的交通控制系统向智能交通控制系统ITS的转变，而在我国，智能交通系统则刚刚处于起步阶段。
对于传统的交通控制系统而言，对红绿灯一般采用定时控制，无法对实际的交通流进行识别优化，以至于不能适应交通量的不确定性和随机性的原因，往往造成交通资源的浪费和道路的梗阻，而智能交通控制系统则在不产生大的硬件改动的情况下有效的提高道路资源使用效率。
ITS：
IntelligentTransportsystems，这一国际性术语于1994年被正式认定。
在此之前，美国称这类技术或相关研究项目为“智能车辆道路系统（IVHS）”（IntelligentVelIieleHighwaySystem）。
日本将这类技术称为UTMS、VICS等：
欧盟则称之为“道路交通信息技术（RTI）”。
国际标准化组织（ISO）为ITS设立的专项叫ISO／TC．204，使用的术语是“1rICS（交通运输信息与控制系统）”。
智能交通系统强调的是系统信息交流的交互性以及服务的广泛性，其核心技术是电子技术、信息技术、通信技术、交通工程和系统工程。
智能交通系统ITS是在较完善的道路设施基础上，将先进的电子技术、信息技术、传感器技术和系统工程技术集成运用于地面交通管理所建立的一种实时、准确、高效、大范围、全方位发挥作用的交通运输管理系统。
在国内，受客观条件的制约，ITS起步比较晚，在20世纪90年代初，我国的相关学者开始意识到研究和开发ITS的重要性。
90年代中期，由于受到国外ITS研发的影响，政府部门也开始重视对ITS的研究，随后，又得到中央部门和部分地方政府的支持。
1999年，我国成立了全国智能交通系统（ITS）协调指导小组及办公室，同年，又成立了全国智能交通运输系统（ITS）专家咨询委员会，其中，同济大学、清华大学、北方交通大学、北京航空航天大学、吉林工业大学、东南大学等高校的有关专家为咨询委员，并启动了国家“九五”科技攻关课题和国家“十五”科技攻关课题。
目前，在对一些大中型城市引入的国外ITS进行研究的基础上已经逐渐开始摸索开发设计适合自己国情的ITS系统。
1.4交通控制存在的问题
随着城市机动车数量增长速度的加快，城市道路建设规模也在加大，然而在此同时，我国城市普遍存在道路密度、道路面积率偏低的问题。
近几年，国家虽不断加大城市道路建设的力度，但仍赶不上车辆的增长速度，且与世界其他国家相比，差距仍很大。
出租车以及公交的发展运营情况并不尽如人意，虽然车辆和线路长度增长，但运营速度成了瓶颈，新增的运力被运输效率低下所抵消。
在车辆，道路和交通管理系统，城市交通信号控制系统，城市交通管制中应用人工智能技术，信息采集和信息提供技术等方面都与发达国家有很大差距。
近几年，虽然有部分城市研究和引进一些国外先进的交通信号管理系统，但是由于交通管理设施不足等原因，我国交通事故率居高不下。
城市车流行驶速度逐年下降，目前不少城市交通运输车辆年年增长，但运输速度普遍下降，这都源于交通通行不佳。
鉴于我国城市交通运输的现状和存在的问题，需要借鉴国外城市交通管理的先进经验，强调建立城市交通管理体制的重要性，提出加强城市交通研究的规划，建立稳定的交通基础设施，实行公交优先政策，建立先进的交通信息系统等对策。
第2章交通控制系统总体设计
2.1交通控制系统的通行方案设计
设在十字路口分为东西向和南北向，在任一时刻只有一个方向通行，另一方向禁行，持续一定时间，将通行与禁行方向对换。
其具体运行状态如图2.1所示：
（说明：
黑色表示亮，白色表示灭。
）
图2.1交通状态
通过具体交通运行状态的指示分析可以把这四个状态归纳：
东西红南北绿（此状态下东西向禁止通行，南北向允许通行）；东西红南北黄（此状态下，除了已经越过停止线的车辆，其他所有车辆都须等待状态转换）；东西绿南北红（此状态下，东西向允许通行，南北向禁止通行）；东西黄南北红（此状态下，除了已经越过停止线的车辆，其他所有车辆都须等待状态转换）。
可以用表2.1表示行止状态（1表示灯亮，0表示灭），具体的关系如下：
表2.1交通状态及红绿灯状态
灯名称
南北红
南北黄
南北绿
东西红
东西黄
东西绿
P1十六进制值
P1（设P1.6=P1.7=0）
P1.5
P1.4
P1.3
P1.2
P1.1
P1.0
1）东西红南北绿
0
0
1
1
0
0
0CH
2）东西红南北黄
0
1
0
1
0
0
14H
3）东西绿南北红
1
0
0
0
0
1
21H
4）东西黄南北红
1
0
0
0
1
0
22H
2.2控制系统的功能要求
本设计能模拟基本的交通指挥控制系统，用红绿黄灯分别表示禁行、通行和等待的信号，能显示倒计时，具有夜间模式、高峰期模式、低峰期模式、紧急情况模式以及介于高峰期与低峰期之间的一种模式（简称平峰模式）等相关功能。
倒计时显示可以提醒驾驶员信号灯灯色发生改变的时间，为其在“停止”和“通过”两者间作出合适的选择。
驾驶员和行人普遍都愿意选择有倒计时显示的信号控制方式，并且认为有倒计时显示的路口更安全。
（1）紧急情况处理：
如特大事故发生时，需要保护现场；或者救护车、消防车等执行紧急任务的车辆通过时，我们都必须尽量为其畅通无阻的“绿色通道”，毕竟在这种情况下是分秒必争的，时时刻刻关系着公共财产安全，甚至个人生死攸关等。
在此种情况下，四个路口均变为红灯，由交警手势指挥就可达到紧急情况处理的目的。
（2）低峰期模式：
车辆相对比较少，如果红绿灯时间的循环周期太长，就会产生某一向没有车通过而亮绿灯，同时另一向有车通过还必须要空等的情况，为了减少驾驶员和行人的等待时间，可以把红绿灯的时间缩短，有效的利用道路资源。
（3）高峰期模式：
每天上下班时的车流量和人流量相对来说是比较大的，在此种情况下，就要把红绿灯的时间放长一些，可以一次性放行不少车辆与行人，如果加大交通管理力度，严惩十字路口争道抢道等不遵守交通规则造成拥堵现象的行为，这种方案完全可行。
（4）平峰期模式：
平峰期模式是高峰期模式与低峰期模式功能的优化，此模式下红绿灯的时间比低峰期长而比高峰期模式短，从而更有效的利用道路资源。
（5）夜间模式：
当夜深人静时，十字路口虽然车辆和行人很少通过，但难免会有部分车辆或行人因为其他原因而出行。
为了他们的顺利通过，设计了夜间模式，即东西南北四个路口黄灯不停闪烁，以示行人或车辆小心通过。
2.3交通控制系统的基本构成及原理
交通灯控制系统，键盘控制模块对系统运行的模式进行选择；系统进入正常工作状态，执行交通灯状态显示，同时将倒计时时间数据输入到LED数码管上实时显示；在模式选择上，可根据车流量进行选择高峰、低峰和平峰以满足不同路况的需要；接入LED数码管就可以显示倒计时以提醒行驶者与行人在行止间做出合理的选择。
系统的总体框图如图2.2所示。
LED数码管显示
按键控制
单片机最小系统外围电路
红黄绿信号指示灯
STC89C52RC
单片机
图2.2系统总体框图
2.4硬件电路的设计
2.4.1硬件总电路构成及原理
为实现本设计要求的具体功能，选用STC89C52RC单片机及外围器件构成最小控制系统，12个绿红黄信号灯按色分成4组，东西、南北两路各两组，由ULN2003驱动继电器控制信号灯亮灭构成信号灯指示模块；8个LED数码管东、西、南、北各两个，4个74HC573分别控制东西、南北两向数码管的位选（即东西、南北倒计时十位与个位的选通）构成倒计时显示模块，5个按键组成功能模式选择模块。
2.4.2电路构成
本系统以单片机单片机最小系统为核心，由数码管显示电路，按键控制电路，信号灯指示电路等模块构成。
其中P0口输出共阳极字段码到74HC573，P2的低四位分别用来控制4个74HC573的LE使能端，LE是高电平将P0口输入的数据送给与其连接的数码管显示，低电平时将P0口输入的数据锁存即数码管保持当前显示状态（74HC573的OE使能端接地）；P1口输出的数据经ULLN2003控制继电器进而控制绿黄红信号灯的亮灭；XTAL1和XTAL2接入晶振时钟电路；RST引脚接上复位电路；独立按键P3.1对应紧急情况，P3.2对应低峰模式，P3.3对应平峰模式，P3.4对高峰模式，P3.5对应夜间模式，其连接方式是通过10芯排线与9V电源及单片机连接。
其具体部分硬件电路图见附录1，按键控制、复位、开关及电源指示灯电路图如图2.3所示。
图2.3独立按键设计、复位、开关电路图
2.4.3电源电路设计
在设计电源电路时,把市电分成两路，一路给信号灯供电，一路经过9V变压器变为9V，9V又分为两路分别进行整流滤波，最后由7805稳压输出5V，分别给单片机、继电器和74HC573等供电。
7805左一脚为电源输入端,二脚为公共接地端,三脚即为我们所需要的+5V电压输出端.本设计采用最典型的7805提供电压的电路，同时加了开关和红色电源指示灯。
电源电路如图2.4所示：
图2.4电源电路图
第3章系统软件设计
软件在硬件平台上构筑，完成各部分硬件的控制和协调，系统功能是由软和硬件共同实现的。
由于软件的可伸缩性，最终实现的系统功能可强可弱，差别可能很大，因此，软件是系统的灵魂。
软件采用模块化设计方法，不仅易于编程和调试，也可减小软件故障率和提高软件的可靠性，同时，对软件进行全面测试也是检验错误排除故障的重要手段。
本设计中从大的方面分为两个模块，即主程序模块与子程序模块，以下分别加以说明。
3.1软件主程序流程图设计
软件总体设计主要完成各模块的软间的协调，本系统主程序模块主要完成的工作是对键盘进行扫描进而对系统的模式进行判断，如果检测到按键按下的信号，则会进入系统指定的功能进行相应的操作；同时在此功能中也进行按键检测，如果有键按下且非本键按下，则会立即跳出本功能，响应按键信号对应的操作；如果没有键按下则会始终如一的进行本功能的循环。
在系统子功能中的键盘扫描中，键值存储单元中的值如果等于0，表示没有键按下，键值不等于0则表示有键按下；如果键值等于1，则表示一号键（P3.1）按下，调用紧急情况处理子程序功能，执行完后判断键值是否等于0；等于则继续本功能的循环，不等于0则判断是否等于本功能所对应的键值，如果等于则继续本功能的循环，如果不等于则跳出本功能的循环，进入键值对应的功能。
键值单元等于2则表示二号键（P3.2）按下，对应低峰期功能；键值单元等于3则表示三号键（P3.3）按下，对应平峰期功能；键值等于4则表示四号键（P3.4）按下，对应高峰期功能，键值等于5则表示五号键（P3.5）按下，对应夜间模式功能。
以上每个功能都是和上述原理一样的循环方式，内嵌键盘扫描实时进行判断，以便及时响应。
对于键值单元等于0有两种解释，开机状态下如果没有键按下，则会以默认方式调用低峰期功能程序，相当于是有键按下；开机或选择模式后且进入功能子程序，则此时仅表示没有键按下。
其主程序流程图如图3.1所示。
键值=0？
图3.1主程序流程图
3.2软件子程序设计
3.2.1键盘扫描子程序（KEYSCAN）
分别对四个按键（P3.1、P3.2、P3.3、P3.4，P3.5）进行检测，而键值单元某一时刻存放的数值0，1，2,3,4，5六个数字中的一个数值，分别对应：
无键按下，P3.1，P3.2，P3.3，P3.4，P3.5按下。
其流程图如3.2所示。
3.2.2延时子程序（DELAY）
因为本系统采用的晶振为12MHz，所以执行一次DJNZ指令需要两微秒。
又因为此程序中内嵌了键盘扫描子程序，所以执行一遍此子程序的时间为（2*200*250*5）微妙加5遍的键盘扫描时间，其流程图如3.3所示。
N
3.2.3平峰期子程序（PF）
此模式是高低峰期模式的优化，流程图如图3.4所示。
键值存储单元=5
图3.2键盘扫描子程序流程图图3.3延时子程序流程图
高峰期子程序
平峰期子程序
倒计时查表地址R4=4
倒计时查表地址R4=8
调用正常指挥子程序
调用正常指挥子程序
键值=0？
Y
Y
键值=0？
Y
N
N
键值=3？
键值=4？
Y
N
N
高峰期子程序返回
平峰期子程序返回
图3.4平峰期子程序流程图图3.5高峰期子程序流程图
3.2.4高峰期子程序（GF）
高峰期模式的红绿等时间在三种正常指挥模式中最长，一次绿灯可以放行不少积压的的车辆，流程图如3.5所示。
3.2.5低峰期子程序（DF没有键按下时默认程序）
此模式的红绿灯时间在三种正常指挥模式中最短，可以缩短车辆等待放行的时间，其流程图如图3.6所示。
3.2.6紧急情况处理子程序（JJQK）
紧急情况处理时要关闭中断，灭数码管的倒计时，同时四个路口均亮红灯，且随时检测按键以便及时响应，切换到正常指挥模式，流程图如图3.7所示。
键值=2？
图3.6低峰期模式子程序流程图图3.7紧急情况模式子程序流程图
3.2.7夜间模式子程序（YJMS）
夜间模式是专为夜深人静时出行的车辆与行人设计的，此时东
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