基于单片机的交通灯控制器设计Word文档下载推荐.docx
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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。
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。
智能的交通信号灯指挥着人和各种车辆的安全运行,实现红、黄、绿灯的自动指挥是城乡交通管理现代化的重要课题.在城乡街道的十字交叉路口,为了保证交通秩序和行人安全,一般在每条道路上各有一组红、黄、绿交通信号灯,其中红灯亮,表示该条道路禁止通行;
黄灯亮,表示该条道路上未过停车线的车辆停止通行,已过停车线的车辆继续通行;
绿灯亮,表示该条道路允许通行.交通灯控制电路自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换,指挥各种车辆和行人安全通行,实现十字路口城乡交通管理自动化。
第1章
绪论
经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。
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。
交通灯是城市经济活动的命脉，对城市经济发展、人民生活水平的提高起着十分重要的作用。
城市交通问题是困扰城市发展、制约城市经济将设的重要因素。
城市道路增长的有限与车辆增加的无限这一对矛盾事故导致城市交通拥挤的根本原因。
城市街道网络上的交通容量的不断增加，表明车辆对道路容量的要求仍然很高，短期还不可能改变。
自从开始使用计算机控制系统后，不管在控制硬件里取得什么样的实际发展，交通控制领域的控制逻辑方面始终没能取得重大突破。
可以肯定的说，对于减轻交通拥塞及其副作用特别是对于大的交通网络而言，仍然缺乏一种真正的交通响应控制策略。
计算机硬件能力与控制软件能力很不相符，由此造成的影响是很多交通控制策略根本不能实现。
在少数几个例子中，一些新的控制策略确实能得以实现，但他们却没能对早期的控制策略进行改进。
由于缺乏能提高交通状况、特别是缺乏拥塞网络交通状况的实时控制策略，几乎可以说真正成熟的控制策略仍然不存在。
智能化和集成化是城市交通信号控制系统的发展趋势和研究前沿，而针对交通系统规模复杂性特征的控制结构和针对城市交通瓶颈问题并代表智能决策的阻塞处理则是智能交通控制优化管理的关键和突破口。
因此，研究基于智能集成的城市交通信号控制系统具有相当的学术价值和实用价值。
把智能控制引入到城市交通控制系统中，未来的城市交通控制系统才能适应城市交通的发展。
从长远来看，该研究具有巨大的现实意义。
1.1本课题研究的意义及发展趋势
城市街道网络上的交通容量的不断增加，表明车辆对道路容量的要求仍然很高，短期还不可能改变。
可以肯定的说，对减轻交通拥塞及其副作用特别是对于大的交通网络而言，仍然缺乏一种真正的交通响应控制策略。
1.2课题研究的意义
交通控制研究的发展，旨在解决人类交通因需求的增多而日益繁重带来的问题，局限于道路建设的暂时不足和交通工具的快速增长，就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，另外，针对整个交通线路车辆的多少适时调整和转移多条线路的分流也十分必要。
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，安全和时间的利益。
具有优良科学的交通控制技术对资源物流和人们的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，物流准时到位甚至是生命道路的延伸。
单片机控制技术，是自动化控制中应用最为广泛的重要控制方法，是提高自动化控制水平和产品技术含量必备手段。
单片机的大量应用，已经引发了自动控制领域的一场重大的革命。
在当代自动化领域中，没有计算机、单片机的控制就是一种不完善的控制,因此研究和应用单片机控制技术，具有重要的实际意义。
此外单片机具有其体积小、功能齐全、价格低廉、可靠性高等特点，在各个领域中都得到了广泛的应用，特别在工业控制、智能化仪器仪表、产品自动化、分布式控制系统中都已取得了可喜的成果。
单片机已经成为衡量工业发展水平的标志之一，是产品更新换代、发展新技术、改造老产品的主要手段。
由此可见，单片机的应用有利于产品的小型化、多功能化和智能化，有利于提高劳动效率，减轻劳动强度，提高产品质量，改善劳动环境，减少能源和材料消耗，保证安全等。
更重要的意义在于单片机应用正从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法。
从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能，现在已能使用单片机通过软件方法实现了。
种以软件取代硬件并能提高系统性能的控制系统软件技术为微机技术。
是对传统控制技术的一次革命，是一种全新的概念随着单片机应用的推广普及，微型控制技术必将不断发展、日益完善和更加充实。
1.3单片机交通控制系统主要研究的容
本课题对基于单片机的交通灯控制系统进行设计。
以MCS-51系列单片机为控制核心，设计并制作交通灯控制系统，用于十字路口的车辆及行人的交通管理。
东西南北四个路口具有直行通行指示灯，并分别用计时器显示路口通行转换剩余时间。
设计交通灯控制系统硬件电路与软件控制程序，对硬件电路与软件程序分别进行调试，并进行软硬件联调。
2.1方案的比较
方案一：
FPGA控制方式此方案采用FPGA作为主控器，采用状态设计，每来一个时钟1Hz脉冲倒计时数码减一和箭头指示；
用500HZ的时钟频率扫描数码管显示,用12MHZ时钟分频成两个时钟频率。
FPGA除了完成交通灯控制、存储和显示功能外，还可进行人机交互，实现定时器延时可调。
交通灯控制系统的原理框图如图1.2.1所示。
它主要由箭头指示、倒计时显示、语音提示、FPGA控制器、键盘、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。
秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源，译码器输出两组信号灯的控制信号，经驱动电路后驱动信号灯工作，控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作。
动信号灯工作，控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作。
图21交通灯控制系统的原理框图
方案二：
利用单片机实现整套系统由于AT89C51系列单片机集成了几乎完善的中央处理单元，处理功能强，中央处理单元中集成了方便灵活的专用寄存器，硬件的加、减、乘、除法器和布尔处理机及各种逻辑运算和转移指令，这给我们利用单片机提供了极大的便利。
单片机把微型计算机的主要部件都集成在一块芯片上，使得数据传送距离大大缩短，各功能部件在芯片中的布局和结构达最优化，工作亦相对稳定。
因此，测控系统中，使用单片机是最理想的选择。
单片机属于典型的嵌入式系统，所以它是低端控制系统最佳器件。
单片机的开发环境要求较低，软件资源十分丰富，开发工具的和语言也大大简化。
对于本交通控制系统使用AT89C51系列的单片机，不需要外扩展存储器，就能实现显示、预制状态、动态调节的功能，因而整体结构简单。
单片机系统用L数码管显示倒计数时间，用LED灯显示方向的状态，由程序输入设定值或者通过由计算机编程实现修改与其他控制。
方案比较：
方案一该设计采用FPGA（现场可编程逻辑门阵列）作为系统的控制核心，由于FPGA具有强大的资源，使用方便灵活，易于能扩展进行功，特别是结合了EDA，可以达到很高的效率，系统的多个部件如分频器电路，定时器电路，译码器电路等，都可以集成到一块芯片上，大大减小了系统的体积，并且提高了系统的稳定性，但硬件设计复杂成本较高，适合大型系统设计和实际应用系统设计。
方案二该由于AT89C51系列单片机集成了几乎完善的中央处理单元，处理功能强，中央处理单元中集成了方便灵活的专用寄存器，这给我们利用单片机提供了极大的便利。
单片机把微型计算机的主要部件都集成在一块芯片上，使得数据传送距离大大缩短，运行速度更快，可靠性更高，抗干扰能力更强。
综合比较后，确定采用第二种方案设计。
2.2电源提供方案
为使模块稳定工作，须有可靠电源。
因此考虑了两种电源方案：
采用独立的稳压电源。
此方案的优点是稳定可靠，且有各种成熟电路可供选用；
缺点是各模块都采用独立电源，会使系统复杂，且可能影响电路电平。
方案二：
采用单片机控制模块提供电源。
改方案的优点是系统简明扼要，节约成本；
缺点是输出功率不高。
综上所述，我选择第二种方案。
2.3显示界面方案
该系统要求完成倒计时功能。
基于上述原因，我考虑了二种方案：
采用数码管显示。
这种方案只显示有限的符号和数码字符，简单，方便。
采用点阵式LED显示。
这种方案虽然功能强大，并可方便的显示各种英文字符，汉字，图形等，但实现复杂，且须完成大量的软件工作。
综上所述，我选择第一种方案。
2.4输入方案
题目要求系统能调节灯亮时间，并可处理紧急情况，我研究了两种方案：
采用8155扩展I/O口及键盘，显示等。
该方案的优点是：
使用灵活可编程，并且有RAM,及计数器。
若用该方案，可提供较多I/O口,但操作起来稍显复杂。
直接在I/O口线上接上按键开关。
由于该系统对于交通灯及数码管的控制，只用单片机本身的I/O口就可实现，且本身的计数器及RAM已经够用，故选择方案二。
3.1单片机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，经过短暂的过渡时间，将通行禁行方向对换。
其具体状态如下图所示。
说明：
黑色表示亮，白色表示灭。
交通状态从状态1开始变换，直至状态6然后循环至状态1，周而复始，即如图3.1所示：
图31交通状态
通过具体的路口交通灯状态的演示分析我们可以把这四个状态归纳如下：
（1）东西方向红灯灭，同时绿灯亮，南北方向黄灯灭，同时红灯亮，倒计时20秒。
此状态下，东西向禁止通行，南北向允许通行。
（2）东西方向绿灯灭，同时黄灯亮，南北方向红灯亮，倒计时2秒。
此状态下，除了已经正在通行中的其他所以车辆都需等待状态转换。
（3）南北方向红灯灭，同时绿灯亮，东西方向黄灯灭，同时红灯亮，倒计时20秒。
此状态下，东西向允许通行，南北向禁止通行。
（4）南北方向绿灯灭，同时黄灯亮，东西方向红灯亮，倒计时2秒。
3.2单片机交通控制系统的功能要求
本设计能模拟基本的交通控制系统，用红绿黄灯表示禁行，通行和等待的信号发生，还能进行倒计时显示，通行时间调整和紧急处理等功能。
（1）倒计时显示
倒计时显示可以提醒驾驶员在信号灯灯色发生改变的时间、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。
倒计时显示是用来减少驾驶员在信号灯色改变的关键时刻做出复杂判断的1种方法，它可以提醒驾驶员灯色发生改变的时间，帮助驾驶员在“停止”和“通过”两者间作出合适的选择。
（2）时间的设置
本设计中可通过键盘对时间进行手动设置，增加了人为的可控性，避免自动故障和意外发生，并再紧急状态下，可设置所有灯变为红灯。
键盘是单片机系统中最常用的人机接口，一般情况下有独立式和行列式两种。
前者软件编写简单，但在按键数量较多时特别浪费I／0口资源，一般用于按键数量少的系统。
后者适用于按键数量较多的场合，但是在单片机I／0口资源相对较少而需要较多按键时，此方法仍不能满足设计要求。
本系统要求的按键控制不多，且I／0口足够，可直接采用独立式。
（3）紧急处理
交通路口出现紧急状况在所难免，如特大事件发生，救护车等急行车通过等，我们都必须尽量允许其畅通无阻，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，个人生死攸关等。
由此在交通控制中增设禁停按键，就可达到此目的。
3.3单片机交通控制系统的基本构成及原理
3.3.1交通灯控制系统硬件框图
单片机设计交通灯控制系统，可用单片机直接控制信号灯的状态变化，基本上可以指挥交通的具体通行，当然，接入LED数码管就可以显示倒计时以提醒行使者，更具人性化。
本系统在此基础上，加入了紧急情况处理与时间调整功能。
图32系统总体框图
据此，本设计系统以单片机为控制核心，连接成最小系统，由按键设置模块产生输入，信号灯状态模块，LED倒计时模块接受输出。
系统的总体框图如上所示。
单片机上电后，系统进入正常工作状态，执行交通灯状态显示控制，同时将时间数据倒计时输入到LED数码管上实时显示。
在此过程中随时调用急停按键和时间调节中断。
3.3.2交通灯控制系统工作原理
本系统运用单片机对交通灯控制系统实施控制，通过直接控制信号灯的状态变化，指挥交通的具体运行，运用了LED数码管显示倒计时以提醒行驶者，本设计系统以单片机为控制核心，构成最小系统，由信号灯状态模块，LED倒计时模块等。
系统进入工作状态，LED数码管实时显示数据倒计时，执行交通灯状态显示控制，在此过程中若有控制信号和实时车流量检测信号，可对异常状态进行实时控制，随时调用中断，达到修正通行时间满足不同时间不同路况的需求。
AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的单片机芯片，它采用静态CMOS工艺制造8位微处理器，最高工作频率位24MHZ。
AT89C5外形及引脚排列如图1所示：
图41AT89C51引脚
4.1.2主要引脚功能
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被部上拉为高电平，用作输入。
由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
口管脚备选功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
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）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将部锁定为RESET；
当/EA端保持高电平时，此时为部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
4.1.3MCS—51的中断源
AT89C51有5个中断源，它们是两个外中断INT0（P3.2）和INT1（P3.3）、两个片定时/计数器溢出中断TF0和TF1，一个是片串行口中断TI或RI，这几个中断源由TCON和SCON两个特殊功能寄存器进行控制,其中5个中断源的程序入口地址如表所示：
表41中断源程序入口
中断源的服务程序入口地址
中断源
入口地址
外中断0
0003H
定时/计数器0
000BH
外中断1
0013H
001BH
串行口中断
0023H
4.2交通灯中的中断处理流程
（1）现场保护和现场恢复：
有特殊车辆要通过时就要进行中断，在中断之前，先将交通灯中断前情况保护好，当中断执行后再恢复现场，包括信号灯和时间显示电路。
（2）中断打开和中断关闭：
为了使特殊车辆通行按一下打开中断开关就可以打开中断，关闭中断开关就关闭中断。
（3）中断服务程序：
有中断产生，就必然有其具体的需执行的任务，中断服务程序就是执行中断处理的具体容：
即如果南北方向有特殊车辆要求通过，南北方向转换为绿灯，东西方向为红灯；
如果东西方向有特殊车辆要求通过，东西方向转换为绿灯，南北方向为
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