交通信号控制系统毕业设计.docx

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交通信号控制系统毕业设计

第一章绪论

1.1选题目的

本课题是设计一个交通信号灯控制电路，通过本设计了解掌握交通信号控制电路的工作原理，进而研究电子产品设计的技术方法。

通过对交通信号灯控制电路的设计、安装与调试，熟练掌握各种电子测量仪器、仪表的正确使用方法，熟悉掌握数字逻辑电路原理及各类型数字单元的工作原理、电路形式、调试方法、整机电路统调技巧等方面知识；同时，通过对系统设计结果的理论分析，加强理论联系实际的工作能力，对加强数字逻辑电路原理与技术方法的掌握，得到全面的、系统的训练，为今后从事本专业工作奠定坚实的技术基础。

1.2选题背景及意义

在现代城市中，人口和汽车日益增长，市区交通也日益拥挤，人们的安全问题也日益重要。

因此，红绿交通信号灯成为交管部门管理交通的重要工具之一。

有了交通灯人们的安全出行有了很大的保障。

自从交通灯诞生以来，其内部的电路控制系统就不断的被改进，设计方法也开始多种多样，从而使交通灯显得更加智能化。

尤其是近几年来，随着电子与计算机技术的飞速发展，电子电路分析和设计方法有了很大的改进，电子设计自动化也已经成为现代电子系统中不可缺少的工具和手段，这些为交通灯控制电路的设计提供了一定的技术基础。

1.3交通信号灯

道路交通信号灯是交通安全产品中的一个类别，是为了加强道路交通管理，减少交通事故的发生，提高道路使用效率，改善交通状况的一种重要工具。

适用于十字、丁字等交叉路口，由道路交通信号控制机控制，指导车辆和行人安全有序地通行。

交通信号灯的种类有:

机动车道信号灯,人行横道信号灯,非机动车道信号灯,方向指示信号灯,移动式交通信号灯,太阳能闪光警告信号灯,收费站天棚信号灯。

LED（发光二极管）是近年来开发生产的一种新型光源，具有耗电小（电流只有10～20mA）、亮度高（光强可达上万个mcd）、体积小（直径最小可达3mm）、重量轻（一颗发光二极管仅重零点几克）、寿命长（平均寿命10万小时）等优点。

现已逐步代替白炽灯、低压卤钨灯制作道路交通信号灯。

1.4交通灯的发展史

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。

但这一技术在19世纪就已出现了。

1858年，在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红、蓝两色的机械扳手式信号灯，用以指挥马车通行。

这是世界上最早的交通信号灯。

1868年，英国机械工程师纳伊特电气启动的红绿灯出现在美国，这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成，1914年始安装于纽约市5号大街的一座高塔上。

红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通行”。

1918年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。

带控制的红绿灯，一种是把压力探测器安在地下，车辆一接近红灯便变为绿灯；另一种是用扩音器来启动红绿灯，司机遇红灯时按一下嗽叭，就使红灯变为绿灯。

红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时，它就能察觉到有人要过马路。

红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间，推迟汽车放行，以免发生交通事故。

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。

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交叉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。

第二章系统总体设计

当前，大量的信号灯电路正向着数字化、小功率、多样化、方便人、车、路三者关系的协调，多值化方向发展随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。

这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成初期，它们也曾有效地改善了交通状况。

然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。

而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。

人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。

城市交通控制系统是用于城市交通数据检测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。

2.1系统总体设计方案

采用单片机控制交通信号，不仅可以简化电路结构、降低成本、减小体积。

城市交叉路口，每边（共4边）都设置红、绿、黄色信号灯，红灯亮表示禁止通行；绿灯亮表示可以通过；在绿灯亮转变为红灯亮之前，先要求黄灯亮几秒钟，以便让交叉路口停车线以外的车辆停止运行，而交叉路口停车线以内的车辆快速通过交叉路口。

每一边的红、绿、黄色信号灯亮的顺序是红→绿→黄→红→绿→黄……。

南北向红灯亮时，对应东西向的绿灯亮、黄灯亮；南北向绿灯亮、黄灯亮时，对应东西向的红灯亮。

这样就要求红灯亮的时间，应等于绿灯亮与黄灯亮的时间之和。

红、绿、黄色信号灯亮的时间，要求采用倒计时的方式，用十进制数字显示出来。

当使两条路线交替地成为放行线和禁行线时，就可以实现定时交通控制。

在十字路口，其交通控制的原则是：

东西,南北两干道交于一个十字路口，各干道有一组红、黄、绿三色的指示灯，指挥车辆和行人安全通行。

红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行。

黄灯亮提示人们注意红、绿灯的状态即将切换，且黄灯燃亮时间为东西，南北两干道的公共停车时间。

在交通灯系统的管理中，用发光二极管模拟交通信号灯，用逻辑电平开关模拟控制开关。

实现本设计最关键的是设计出一个30秒与25秒的倒计时过程。

可以有两种方案参考：

■方案一：

采用延时函数；

■方案二：

采用中断系统计数；

分析：

延时函数不够中断计数精确，并且采用延时函数不但程序够繁，而且很难实现同时控制显示，交通灯和流水灯模块，因此可以使用中断系统进行计时，这样不但可以计数精确，而且程序相对比较简单。

设计情况如下：

⑴设计系统是以AT89S52为主要控制核心控制交通灯的红绿转换和各个灯所点亮时间的倒计时实现。

⑵实现红、绿、黄灯的循环控制。

要实现此功能需要表示三种不同颜色的LED灯，用软件实现。

⑶用数码管显示倒计时。

利用动态显示，串行并出实现。

2.2系统设计框图及主要思想

2.2.1系统硬件设计框图

图2.2.1系统硬件设计框图

2.2.2系统设计思想

（1）通过AT89S52单片机P1设定交通灯初始时间输入到红绿灯处,显示红绿灯的转换。

（2）由AT89S52单片机的定时器每秒钟通过P0口送信息，数码管显示每个灯的点亮时间。

（3）AT89S52通过设置各个信号灯绿、红、黄的时间分别为25秒、30秒、5秒循环由AT89S52的P0口输出。

（4）通过AT89S52单片机的P3.0位来控制系统是工作或设置初值，当按下复位按钮时就对系统进行复位设置。

（5）红绿黄灯按照单片机内程序所设定的时间进行转换，并循环。

第三章硬件电路设计

硬件设计是整个系统的基础，要考虑的方方面面很多，除了实现交通灯基本功能以外，主要还要考虑如下几个因素：

①系统稳定度；②器件的通用性或易选购性；③软件编程的易实现性；④系统其它功能及性能指标；因此硬件设计至关重要。

现从各功能模块的实现逐个进行分析探讨。

3.1总体设计及功能描述

本设计以单片机AT89S52为控制核心，共分以下几个部分：

单片机控制系统、信号灯控制电路和数码管控制电路等。

◆单片机作为整个硬件系统的核心，它既是协调整机工作的控制器，又是数据处理器。

它由单片机时钟电路复位电路等组成。

◆信号灯控制电路指示采用绿、黄、红LED发光管，用三种颜色指示车辆放行、暂停、禁止，形象直观。

◆系统采用双位数码管倒计时计数功能，最大显示数字99。

3.2单片机简介

3.2.1单片机概述

单片机是一种集成电路芯片。

它采用超大规模技术将具有数据处理能力的微处理器（CPU）、存储器（含程序存储器ROM和数据存储器RAM）、输入、输出接口电路（I/O接口）集成在同一块芯片上，构成一个即小巧又很完善的计算机硬件系统，在单片机程序的控制下能准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。

所以说，一片单片机芯片就具有了组成计算机的全部功能。

不同的单片机有着不同的硬件特征和软件特征，即它们的技术特征均不尽相同，硬件特征取决于单片机芯片的内部结构，用户要使用某种单片机，必须了解该型产品是否满足需要的功能和应用系统所要求的特性指标。

这里的技术特征包括功能特性、控制特性和电气特性等等，这些信息需要从生产厂商的技术手册中得到。

软件特征是指指令系统特性和开发支持环境，指令特性即我们熟悉的单片机的寻址方式，数据处理和逻辑处理方式，输入输出特性及对电源的要求等等。

开发支持的环境包括指令的兼容及可移植性，支持软件（包含可支持开发应用程序的软件资源）及硬件资源。

要利用某型号单片机开发自己的应用系统，掌握其结构特征和技术特征是必须的。

3.2.2单片机发展历史

单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。

1.SCM即单片微型计算机阶段。

主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。

2.MCU即微控制器阶段。

主要的技术发展方向是：

不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。

3.单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。

因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。

3.2.3单片机发展趋势

单片机从8位、16位到32位，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地。

纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有：

<1>低耗能CMOS化

80C51采用了HMOS（即高密度金属氧化物半导体工艺）和CHMOS（互补高密度金属氧化物半导体工艺）。

CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗象电池供电的应用场合。

<2>微型单片化

现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。

现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD（表面封装）越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。

<3>主流与多品种共存

现在以80C51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。

而Microchip公司的PIC精简指令集（RISC）也有着强劲的发展势头，中国台湾的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增，占据一定的市场份额。

此外还有MOTOROLA公司的产品，日本几大公司的专用单片机。

3.2.4单片机的特点

单片机则是从工业测控对象、环境、接口特点出发，向着增强控制功能、提高工业环境下的可靠性、灵活方便的构成应用计算机系统的界面接口的方向发展。

因此，单片机有着自已的特点，主要是：

<1>品种多样，型号繁多。

品种型号逐年扩充使系统开发者有很大的选择自由。

CPU从4、8、16、32到64位，有些还采用RISC技术；

<2>提高性能，扩大容量。

集成度已达200万个晶体管以上。

总线工作速度已达数十微秒。

工作频率达到30MHz甚至40MHz。

指令执行周期减到数十微秒。

存储器容量RAM发展到1K、2K，ROM发展到32K、64K；

<3>增加控制功能，向外部接口延伸。

把原属外围芯片的功能集成到本芯片内。

现今的单片机已发展到在一块含有CPU的芯片上，除嵌入RAM、ROM存储器和I／O接口外，还有定时器、中断、串行口等，构成一个完整的功能强的计算机应用系统；

<4>低功耗。

供电电压从5V降到3V、2V甚至1V左右。

工作电流从mA级降到μA级。

在生产工艺上以CMOS代替NMOS，并向HCMOS过渡；

<5>应用软件配套。

提供了软件库，使用户开发单片机应用系统时更快速、方便。

使有可能做到用一周时间开发一个新的应用产品；

<6>系统扩展与配置。

有供扩展外部电路用的三总线结构DB、AB、CB，以方便构成各种应用系统。

根据单片机网络系统、多机系统的特点专门开发出单片机串行总线。

此外，还特别配置有传感器，人机对话、网络多通道等接口，以便构成网络和多机系统。

3.2.5单片机的应用领域

由于单片机有许多优点，因此其应用领域之广，几乎到了无孔不入的地步。

单片机应用的主要领域有：

<1>智能化家用电器：

各种家用电器普遍采用单片机智能化控制代替传统的电子线路控制，升级换代，提高档次。

如洗衣机、空调、电视机、录像机等。

<2>办公自动化设备：

现代办公室中使用的大量通信和办公设备多数嵌入了单片机。

如打印机、复印机、传真机、绘图机、考勤机、电话等

<3>商业营销设备：

在商业营销系统中已广泛使用的电子称、收款机、条形码阅读器、IC卡刷卡机等都采用了单片机控制。

<4>工业自动化控制：

工业自动化控制是最早采用单片机控制的领域之一。

如各种测控系统、过程控制、机电一体化、PLC等都要用到单片机控制。

<5>智能化仪表：

采用单片机的智能化仪表大大提升了仪表的档次，强化了功能。

如数据处理和存储、故障诊断、联网集控等。

<6>智能化通信产品：

最突出的是手机，当然手机内的芯片属专用型单片机。

<7>汽车电子产品：

现代汽车的集中显示系统、动力监测控制系统、自动驾驶系统、通信系统和运行监视器（黑匣子）等都离不开单片机。

<8>航空航天系统和国防军事、尖端武器等领域：

单片机的应用更是不言而喻。

3.3单片机AT89S52简介

3.3.1AT89S52功能特性描述

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。

表3.3.1主要功能特性

与MCS-51兼容

全静态工作：

0Hz-33Hz

三级加密程序存储器

8K字节在系统可编程Flash存储器

32可编程I/O线

三个16位定时器/计数器

8个中断源

全双工UART串行通道

低功耗的闲置和掉电模式

看门狗定时

双数据指针

4.0---5.5V电压工作范围

3.3.2AT89S52功能引脚说明

图3-2AT89S52引脚图

<1>VCC：

供电电压。

<2>GND：

接地。

<3>P0口：

P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能

驱动8个TTL逻辑电平。

对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0不具有内部上拉电阻。

在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。

程序校验时，需要外部上拉电阻。

<4>P1口：

P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓

冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

此外，P1.0和P1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）

和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）。

在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

引脚号第二功能：

P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出

P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）

P1.5MOSI（在系统编程用）

P1.6MISO（在系统编程用）

P1.7SCK（在系统编程用）

<5>P2口：

P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。

在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。

在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。

在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

<6>P3口:

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。

在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

表3-2P3引脚的第二功能

P3口管脚

备选功能

P3.0

RXD串行输入口

P3.1

TXD串行输出口

P3.2

INT0外部中断0

P3.3

INT1外部中断1

P3.4

TO（定时/计数器0）

P3.5

T1（定时/计数器1）

P3.6

WR（外部数据存储器写选通）

P3.7

RD（外部数据存储器读选通）

此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。

<7>RST:

复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。

<8>ALE/PROG：

当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允

许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率

的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。

该位置位

后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。

此外，该引脚会被微弱拉高，

单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。

<9>程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。

<10>EA/VPP：

外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为

0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。

如EA端为高电平（接Vcc

端），CPU则执行内部程序存储器的指令。

FLASH存储器编程时，该引脚加

上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。

<11>XTAL1：

振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。

<12>XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

3.4单片机最小系统

单片机最小系统电路图：

单片机最小系统以89S52为核心，外加时钟和复位电路，电路结构简单,抗干扰能力强，成本相对较低，非常符合本设计的所有要求。

89S52单片机系列是在MCS-51系列的基础上发展起来的，是当前8位单片机的典型代表，采用CHMOS工艺，即互补金属氧化物的HMOS工艺，CHMOS是CMOS和HMOS的结合，具有HMOS高速度和高密度的特点，还具有CMOS低功耗的特点。

时钟电路在单片机的外部通过XTAL1,XTAL2这两个引脚跨接晶体振荡器和微调电容，构成稳定的自激振荡器。

本系统采用的为12MHz的晶振，一个机器周期为1us，C2、C3为22pf。

复位电路分为上电自动复位和按键手动复位，RST引脚是复位信号的输入端,复位信号是高电平有效。

上电自动复位通过电容C1和电阻R1来实现,按键手动复位是图中复位键来实现的。

3.5信号灯控制电路

发光二极管简称LED灯，具有许多优点，它不仅有工作电压低（1.5～3V）、体积小、寿命长、可靠性高等优点，而且响应速度快（≤100ns）、亮度比较高。

一般LED的工作电流选在5～10mA，但不允许超过最大值（通常为50mA）。

3.5.1信号灯控制电路图

3.5.2信号灯控制电路的设计原理

本系统中交通信号灯的控制是由单片机的P1口来控制的。

系统中采用发光二极管来模拟交通信号灯。

发光二极管采用共阳极的连接方法，即将所有发光二极管的正极接+5V，并串联一个分压电阻，起到保护二极管的作用。

当P1口中有低电平时，这个口所对应的这条电路就会导通，使得其控制的发光二极管被点亮；相反，若端口信号为高电平，电路不导通，发光二极管不会被点亮。

通过P1口的信号控制，可以实现对交通信号灯的控制。

当P1端口输出高电平，即P1各端口=1时，根据发光二极管的单向导电性可知，这时发光二极管熄灭；当P1端口输出低电平，即P1各端口=0时，发光二极管亮。

3.5.3信号灯控制端口设计

控制交通信号灯的P1口中有八个端口，系统设计中只采用其中的六个端口，即P1.1到P1.6，P1.0和P1.7口未使用，这两个端口一直送出的是高电平。

受控的六个端口根据所给信号的不同所点亮的二极管不同，下图为信号灯控制时P1口各个端口信号状态。

表3.5.3信号灯控制状态表

控制

状态

P1口控制码

P1.7

P1.0

P1.6

P1.5

P1.4

P1.3

P1.2

P1.1

未用

南北黄

南北绿

东西红

东西黄

南北红

东西绿

南北红

东西绿

南北红

东西黄

南北绿

东西红

南北黄

东西红

系统中的倒计时数码管的段选由P0口控制，为选口由P2口中的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3四个口来控制。

其中P2.0和P2.1控制的是东西向的倒计时，P2.2和P2.3控制的是南北向的倒计时。

3.6数码管控制电路

3.6.1数码管控制电路图

图3.6.1数码管控制电路图

3.6.2数码管控制电路设计原理

数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。

在交通控制系统中倒计时数码管均采用了8位数码管动态扫描显示。

它将所有数码管的8个段线相应地并接在一起，并接到AT89S52的P0口，由P0口控制字段输出。

而各位数码管可以使用共阴数码管，数码管的每段的电流是10毫安。

阴极由AT89S52的P2口中的P2.0至P2.3来控制16位数码管的位输出控制。

这样，对于一组数码管动态扫描显示需要由两组信号来控制：

一组是字段输出口输出的字形代码，用来控制显示的字形，称为段码；另一组是位输出口输出的控制信号，用来选择第几位数码管工作，称为位码。

3.6.3数码管的简介

⑴数码管的分类

数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。

共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数码管。

共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字

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