本科毕业设计基于单片机的交通灯管理系统设计.docx
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本科毕业设计基于单片机的交通灯管理系统设计
毕业设计
题目基于单片机的交通灯管理系统设计
毕业设计（论文）原创性申明
本人郑重申明：
所呈交的毕业设计（论文）是本人在导师指导下独立进行的研究工作所取得的研究成果。
设计（论文）中引用他人的文献、数据、图件、资料，均已在设计（论文）中特别加以标注引用，除此之外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
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本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。
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日期：
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摘要
我们所生活的这个社会是一个时时刻刻在不停发展的社会，然而由于我们的祖国拥有庞大的人口，在各个方面的资源都很紧张，在交通管理方面更是这样的。
每天都会发生交通事故、好多地方都拥堵不堪，人们都希望有良好的交通。
使用一些先进的技术，更加合理的来改善交通的现状。
因为在一些十字路口是没有交通灯的，就算有红绿灯也是很不合理的，我通过仔细的观察记录并且和实际通行状况做了分析对比，结果得出那种交通灯是固定不变的。
也就是说，无论在什么时候，红绿灯交替闪烁的时间是不会改变的。
这是很不科学的，因为各个方向车俩通过的数量是由很大差别的。
就是因为这个问题可能造成资源的浪费，使交通通行的效率不高。
我做的这个课题就是运用8051单片机结合车流量检测电路能够很好的解决这个问题。
本设计的核心是8051单片机来完成对整个工作工程的掌控。
由8051单片机、内部时钟电路、按键手动复位电路构成最小系统，并外连车流量检测电路、调整电路等形成一个整体的电路。
关键词：
交通灯；8051；最小系统
Abstract
Weliveinasocietywhichisalwaysinconstantdevelopment,butbecauseourcountryhasahugepopulation,resourcesareverytightinallaspects,especiallyintrafficmanagement.Accidentshappeneveryday,alotofplacesaretoocrowded,andpeoplesomewanttohavegoodtraffic.Usingsomeadvancedtechnologytoimprovethesituationoftrafficmorereasonably.Insomeintersectionstherearenotrafficlights,evenifthereare,theyareveryunreasonable.Throughcarefulobservationandcomparativeanalysiswithactualtrafficsituation,Ifoundtheresultthattrafficlightsarefixed.Thatistosay,regardlessofthesituationprevailinginalldirections,thetimebetweentrafficlightswillnotchange.Thisisveryunscientific,becausethenumberofvehiclesineachdirectionissignificantlydifferent.Thisproblemmaycauseawasteofresources,sothattraffictransportationisnotefficient.Iamgoingtodothistasktousethe8051SCMcombinedwithtrafficdetectioncircuittosolvethisproblem.
Thecoreofthisdesignistouse8051SCMtocompletetheentirecontroloftheworkproject.8051SCM,theinternalclockcircuit,andbuttonmanualresetcircuitconstitutetheminimumsystem.Besides,externaltrafficflowdetectioncircuit,adjustmentcircuitandothercircuitsformawhole.
关键词：
交通控制，传感检测，8051单片机，异常状况判别及处理
Keywords:
tTrafficlights；8051；minimumsystem
第一章绪论
1.1单片机交通控制系统形成背景
通过30多年的发展，咱们的已经很有钱了，常常有句话说的好：
要致富，先修路。
交通工具也是多种多样的，在各个城市每条道路是都装有红绿灯。
其实在10世纪初就有这一技术了。
至今200多年的约克城，它位于英国的中部，女性穿红、绿颜色的衣服有不同的身份。
身穿红衣服的女人是已婚的，身穿绿色衣服就是未婚的女人。
那时，在英国会议大厦的前面总是有马车撞人的事故，受红绿衣服的构想，在19世纪中期，英国机械工程师德·哈特设计安设的灯塔，上面挂着红色和绿色提灯-煤气信号灯，这信号灯就是第一盏城市交通信号灯。
在灯塔下面，警察拿着长杆可以任性的转换提灯的颜色。
可惜的是煤气灯在23天的时候发生了爆炸自灭，并且当时在上班的警察也为此献出可贵的生命。
从那以后，信号灯在城市就被取缔了。
直到1914年，第一个还原红绿灯的是美国一个叫克利夫兰都市，可是此时利用的是“电气信号灯”。
此后在美国各大城市都出现了交通信号灯。
现在，交通管理也是老百姓生活中非常重要的一部分，时刻影响着人们的生活和工作。
由于我国人口众多，交通管理也是异常的复杂。
为了使人们能够拥有高效稳点的通行，不仅要有交通规则，还要有科技的手段有效的管理。
1.2交通信号灯的作用
现在的生活方式与从前相比是翻天覆地，从前的交通状况无法满足现在的交通需求，新事物的发明发现是因为人们对现状的不满才不断产生的，由于对交通的安全高效的要求，所以出现了对交通控制的发展。
1850年初，城市交叉口的交通增长带来了安全和拥挤问题，出世为世界上最早的拉上窗帘的自动交通信号灯。
在1868个城市交通控制中，英国工程师NAIT安装了红色和绿色的煤气灯在西敏寺街交叉口，用来控制车厢通行。
但瓦斯爆炸引发的交通信号灯几近隐没了快要五十来年。
1914，克利夫兰，芝加哥，纽约和美国的交通灯，让我们看到了新的希望，这是由电力驱动的，现今该信号灯已经没有太大的意义。
在1926英国第一次安置了自动化管理交通信号灯控制器，是全世界城市交通自动化统制的首站。
“定时”的方法来主动的控制初期利用的交通信号灯，如此的控制在初期的交通流程中能够起到了必能的功效。
但跟着汽车产业的成长，车辆的增添，路况不定性变化的提高，单一的“定时”模式已经不能满足客观需求模式，这么多的信号控制器，取代了传统的控制器只有一个模板的控制器。
早在30世纪第20年，美国启动控制器，车辆同时驱动信号的专研，为气动橡胶管探测器在英国车辆检测器。
车流量启动控制器的特征是能够依据车流量电路来管理绿灯时段的长度调整绿灯亮的期间，获得更高效的效率，削减车流量在交叉口的耽搁，有强大的灵活性相比按时管理。
车辆的特性控制促进了车辆检测技术的发展。
如充气橡胶管探测器，光学，雷达，超声波，微波，红外线和环形线圈检测器等。
自动管理，都邑门路交通监控和交通数据收集体系，使用中最广泛的是线圈车辆检测器。
计算机技术已成为一种新的动态交通控制技术的发展，这是由一个城市或地区来实现的，而不是简单的整体交通控制系统接线。
20世纪60年代，多伦多，加拿大在1964实现了一个适用的计算机控制信号，这一组交通信号是由和谐控制系统IBM650型计算机管理的，实现了世界上初次电子数字计算机的交通控制系统。
可以说，现今100年的成长过程中，门路交通信号控制系统阅历了从手动到主动，从牢固到轻巧的工作时段，从没有感应管理，到有感应管理，从一个控制点的躯干控制，到通过长期网络来控制程序。
运输的快速增长是有限的道路施工和车辆增多的原因，道路资源的高效率的利用，能够减少的阻塞性和抢劫银行没有得到有限的控制。
此外，为整个运输车辆的许多实际调整传输路线并联也是很有必要的。
城市交通管理汇集是动脉，个别市级产业文化的意味。
人们对房地产相关的交通，安全和时间的要求都是有要求的。
交通控制技术具有良好的科学技术来保证，它能带来很有价值的物流资源和人们的出行的便捷，确保交通安全线的畅通，以确保旅行的时间和地点的合适，缓解物流，甚至通道使用时间也会延长。
1.3我国与先进国家的差距
TRANSYT与SCOOTS控制系统属于英国、SCATS控制系统是属于澳大利亚的，在这个时代这几种非常经典的城市道路交通信号控制系统得到广泛的发展与运用。
自适应理论在信号机的不断升级过程中始终是各大实验室使用的方法，其中就有SCOOTS系统。
美国的利桑那大学开发的RHODES的系统就是国外利用自适应理论在交通控制系统中研究的成果。
中国在交通层面来说相对是落后的，直到1949年建国后才有所进步，因为社会主义需要发展与各种准备比较完善，所以打造快捷完善的交通系统。
城市交通是一庞大及繁杂并不单一的问题，需要从很多方面一起着手解决，使我们的生活更加美好。
因为国家良好的政策和我们祖国老百姓辛苦的劳动，我们国家是越来越有钱了，同时买的人越来越多了，所以对交通提出了严峻的挑战。
所以学习外国先进经验，运用在中国城市的交通规划、建设和使用，使我们的城市交通系统更加完善。
1.4交通控制存在的问题
由于我们国家的人民努力工作，现在赚的钱越来越多，吃的好用的好，好多人买车能力大幅提高，使以前的公路不足以通行。
以往道路上只有稀稀拉拉的汽车，现在已经是拥堵成患，节假日更是在公路上排着长长的，甚至寸步难行。
由于现在车流量很大，交通灯的控制还在持续的发展过程。
交通信号灯控制和人工智能技术在城市道路中使用与发达国家还有一些差距。
正是如此才导致我们在马路上总是看见发生车祸，有的还好严重当场就去世了，甚至四肢不齐。
发生车祸更是造成巨大的损失，小的造成堵车使城市的通行量下降，这使得交通运输率严重下降。
1.5系统设计的主要工作
基于单片机交通灯管理，可以控制信号灯处于何种状态，从而现实交通状态的控制。
另外，还可以通过安装LED数码管更直接向行人展示倒计时，让人可以做好准备。
1利用单片机为核心设计一个具有特定功能的十字路口交通灯。
2要求单片机直接控制信号灯的状态变化，符合一般交通通行的具体要求，能用发光二极管的闪烁状态给出提示信息，更具人性化。
3叙述本设计的工作原理和设计要点。
4讲述本设计方案设计，控制电路基本构成，给出硬件原理图。
5论述控制电路软件设计思路及相关源代码，要求能够利用汇编语言编写程序。
6系统软件流程的设计的环节：
完成任务的分析和落实算法、经过算法画出程序流程图、通过程序流程图编写汇编语言源程序、在计算机里调试、程序的下载【5]。
第2章交通灯管理方案
2.1通行方案确定
东西方向、南北方向俩通道相交于十字路口，在每一时刻有且仅有一个方向通过，另一个方向是不能通过，通过一些时间后，通过方向和不通过方向切换。
详细的形态见下所示：
黑代表灯亮，白代表不亮。
状态1一直切换到状态6，这样就是一个周期，然后一直循环。
具体见图2.1：
图2-1通过情况
※当东西信号灯红灭、信号灯绿亮，南北信号灯黄灭、信号灯红灯亮，倒数20秒。
此时，正常通过的道路是东西向，不能通过的道路是南北向。
※当东西信号灯绿灭、信号灯黄亮，南北信号灯红亮，倒数2秒。
此时，所有车都要等待切换除非正在通行。
※当南北信号灯红灭、信号灯绿亮，东西信号灯黄灭、信号灯红亮，倒数20秒。
此时，正常通过道路的是南北向，不能通过的道路是东西向。
※当南北信号灯绿灭、信号灯黄亮，东西信号灯红亮，倒数2秒。
此时，所有车都要等待切换除非正在通行。
用图来表达我们它的联系如下：
表2-1交通状况和交通状态
四个方向都有红灯、绿//黄灯和LED灯2个，每一个路口，看到红灯不能通过，绿灯的通过，然后黄灯亮警示将切换。
状态及状况如表2.1所示。
特别提醒：
灯不亮是0，灯亮是1。
2.2系统的优点
实际的交通情况和这种设计很相似，而且还有倒计时显示，流量检测和调整，交通违法处理和应急处理等功能。
2.2.1倒计时显示
驾驶员和行人可以通过倒计时显示，结合信号灯不断的变化做出是“等待”还是“通行”合理的判断。
有倒计时的显示让人在等待的时候可以看到希望，不会让人产生不好的情绪，也可以合理的选择车速。
通过倒计时的显示人们可以做出正确的判断，使通过路口的效率更高。
2.2.2应急电路
马路是总是会发生交通事故，假设警车，游行队伍和其他紧急车俩通过等，我们都应该保障其尽快的通过，毕竟我们是文明、和谐的社会爱护每一个人的生命安全及公共财产安全。
即在控制系统中增加这一个按键，就可以实现这个目标。
2.3单片机交通控制系统的基本构成及原理
单片机是中心能对LED灯有效的控制，在所有的时间段监控、调整一切的线路。
由于能通过车流量电路与违规检测电路的收集路面的具体情况，再通过CPU分析处理得到的数据，然后可以对此有对应的控制调整。
因为其中连有蜂鸣器，可以通过它来输出信号，人们就可以得到信号后做出相应的动作。
复位电路、时钟电路、I/O口等组成8051单片机的最小系统。
除外，还连有违规电路、车流量检测电路、LED灯的显示等。
构成图如图2.2所示。
图2.2构成图
这个系统是非常灵活的，可以手动调整来达到对交通灯的及时的管理。
如果在工作过程中收集违规的车俩和应急的有效信号时，可以马上中断工作，避免造成交通事故。
在一些不太繁忙的路口上，可以选择自动工作模式。
此时也会对车流量完成统计并分析，当需要调整时，也可以通过按键来调整，使其具有良好的通行效率。
第三章硬件电路的设计
3.1硬件总电路构成及原理
用8051单片机外接时钟电路和复位电路构成最小系统，这个最小系统就能够完成这个设计的全部管理效力。
另外12个单向导通的二极管形成4组红绿黄3种颜色的信号灯。
车流量检测电路主要的作用是搜集数据的，光耦传感器是检测违章的车俩。
一些按键可以完成设定时间、选择工作方式、应急状况的处理是由一些按键调理的，报警装置是蜂鸣器。
3.1.1电路结构
这个系统的中心是8051单片机，主要结构包括各种输入、输出信号的电路图。
其中电路图包括手动操作就可以恢复到原始状态的电路、违规电路、计算有多少车通过的电路、内部时钟电路、LED等组成的。
8051单片机有40个引脚，可分为：
电源、时钟、控制与I/O口。
内部时钟电路是连在XTAL1（18脚）与引脚XTAL2（19脚）上的，手动复位电路是连在引脚RST（9脚）上的。
红黄绿的颜色的控制线是连接在P2口的，车流量检测电路是连在INT1/P3.3（13脚）上的，违规电路是连在INT0/P3.2（12脚）上的。
原理图3.1所示。
图3.1电路原理图
3.1.2工作方式
第一，在刚开始就可以通过按键选择工作方式，分为红绿黄系统自动的时间和通过调整红绿黄的时间。
要想系统处于自动工作方式只需要按下S3键；要想系统处于自己设置的工作方式按下S4键，然后再通过按下S2键S3键来调整好红绿灯的具体是多少时间。
时间寄存器就可以通过这个方式进行调整的，和是否有必要来确定车流量的检测和调整。
第二，本方案要先表达是红绿黄灯亮的情况和倒计时的情况，然后刷新P2口的状态码值，P0口是控制倒计时各位的数值，P1口是控制倒计时十位的数值，这个的周期是50ms，用程序的方法计时1s，有一个周期就将显示的数值减1s，同时更新LED灯的数值。
满足某一个情况的时间的全部要求，就要跳到下个状态，还要填好次情况的时间值和状态码值。
从一开始就有外部的2个中断是启动的，分别是车流量检测信号的接收和违规信号的接收。
如果有车俩违规就开始计算，当车俩超过设定的数值中断开始，并且禁止车俩通过和开启蜂鸣器。
只有按S2键时中断完成返回。
在经过一个周期，假设是系统工作方式，就会整理分析车流量的具体数量，比较各个方向的通过状况，通过调整来达到良好的工作方式。
3.2单片机的确定
3.2.1机型的特点
单片机现在已经应用很广泛了，在很场合都有用到并还很小所以也叫为“微控制器”。
单片机具有集成度高、功能强、结构简单、易于掌握、应用灵活、可靠性高、价格低廉等特点，广泛应于工业控制、智能仪器仪表、机电一体化产品、家用电器等各个领域【5】。
我把单片机的发展瓜分成四个不同的时段：
第一个时段，单片机刚刚出来是非常的简单的，是双片形式功能很少。
第二个时段，单片机在这个时候性能还是很低的，虽然是一个完整的计算机，不过其内部的东西很少。
第三个时段，单片机的功能已经很完整了，有8位的CPU、定时器计数器是16位的、I/O口等功能已经很不错了。
第四个时段，处理器不断升级，功能是越来越强大。
正在向高性能、大容量、微型不断的发展。
单片机特点：
1）总线的结构可以减少引线，使成本很低
2）单片机的芯片内是有很多外围功能的电路，体积很较小。
3）控制能力是很准确的。
4）工作电流很小充分发挥低功耗的优点。
3.2.28051单片机的基本特征
8051单片机的基本特征如下：
1.4K字节的只读存储器ROM；
2.随机存储器RAM：
128字节的低RAM与21个特殊功能寄存器SFR高128字节；
3.其中有2个优先级，5个中断源；
4.32个I/O线P0低地址还有数据总线、P1没有第二功能、P2高地址与P3第二功能；
5.单片机复位后堆栈的栈低是内部RAM07H单元；
6.程序状态字PSW既可以按字节操作又可以按位操作；
7.可以按位进行逻辑计算，即位寻址；
8.最大可以扩展成64k的数据存储器与64k的程序存储器；
9.PC是16位的计数器，它不属于特别功能寄存器，寻址范围是64KB；
10.CPU时序最小的是时钟周期；
11.1字节的指令有49个，2字节指令有46个，3字节指令有16个；
12.可以通过汇编语言指令与机器指令一一对应。
3.2.38051外部引脚
典型的芯片8051单片机是40个引脚的，双列值插式DIP方式封装，40个引脚有不同的类型：
电源、时钟、控制与I/O引脚。
电源一般来说是提供+5V的，还有要接地。
时钟XTAL1余XTAL2一边接一个。
RST/Vpd是复位端，单片机的时钟周期工作时，这个引脚出现2个机器周期就可以复位啦。
I/O线有P0、P1、P2、P3口，其中P0口和P3口既可以按字节操作，也可以按位操作，他们都有第二功能。
图3.28051单片机引脚及功能
3.2.48051单片机基本的工作结构
手动复位电路、内部时钟电路、I/O口等构成8051单片机的最小系统。
（1）时钟电路
单片机的时钟电路能够提供时钟信号，而这个时钟信号是单片机工作必须要有的，因为时序是每个动作在时间上都有关系的。
单片机是在时钟电路产生的时序的唯一的指导下完成工作。
8051单片机芯片内部有一个高增益反相放大器，XTAL1为输入端，XTAL2为输出端，在XTAL1和XTAL2之间连好时钟电路，即是个稳定的自激的时钟器。
单片机的时钟信号是时钟电路发出时钟脉冲经二分频后形成的。
能够起到稳定频率，微调作用的是电容，它们值的范围在5-30pf，我在这里取30pf。
8051单片机往往选择晶振的频率为1.2--12MHz，我在这里选择12MHz。
见3.3所示
图3.3内部时钟电路方式
（2）手动复位电路
单片机刚开始的操作是复位，还有就是在单片机出现异常时，也可以复位，比如程序运行出错、系统死机或者是在死循环的情况想。
见3.4所示
图3.4手动复位电路
上电复位、手动复位是俩种复位的形式。
按键手动复位是经过人完成的，这个过程也就是在上电的时候使8051单片机一直处于复位的状况，直到完成。
（3）EA引脚怎么样设定
到底是进入内部ROM还是外边ROM是通过EA引脚的高低电频确定的。
假如EA引脚为1时，8051单片机进入片里面的ROM；如果EA引脚为0时，则直接进入片外ROM。
这个方案需要的单片机片内的够用，直接从内部选用，只需要给EA引脚接1（高电频）就行。
3.3其他重要的电路
3.3.1车流量的检测
因为我们需要对路口的交通情况有详细的了解，于是就有了我们的车流量的检测电路。
打个比方，在一路口上，东西方向每小时有500俩车通过，而南北方向每小时只有100俩车通过。
如果两个方向的通行时间一样的话，那是这种分配是不科学的。
有了车流量检测就可以使单片机做出处理，调整各个方向的通行时间。
车流量检测电路如图3.5。
图3.5车流量检测电路
这个电路的核心是光电耦合器，是通过光来传输信息的，输入装置与输出装置是没有任何关系的，完全分开的。
是因为电位有高低区别，在不同电路之间的耦合。
光电耦合器优点：
不需要接触的、适应的场合很广、能用很长时间、反应速度也很快等。
光耦TLP550是东芝生产出来，是进口的质量还不错。
工作原理：
若1.2引脚之间的电压为正，使发光二极管正常导通，控制的发光二极管变亮，同时使得输出端的光敏二极管也导通。
这样输出端的基极相当于与4引脚连接，其电平为高，使得三极管导通，及6.7两个引脚导通。
由于7引脚接地，这样输出端6叫就为低电平。
在现实中，4、6引脚通常会连接一个电阻。
这就有当1、2引脚的电压不足使发光二级管导通时，输出端三极管就不导通，就相当于输出端6引脚通过一个电阻接到了4引脚上。
相对于后面的连接电路来说，其为高电平。
这可以通过控制1.2引脚之间的电压达到的水平，以控制输出引脚6，隔离电压耦合效应。
当开关连接方式如图，LED灯导通，单片机捕获一低电平。
当开关断开时LED不导通，单片机捕获一高电平，单片机可以通过捕获是否高电平做出相应的调整以达到目的。
3.3.2违规电路
这个电路主要是用了超声波的传感器，当有车俩违法驾驶或者停车的话，就会被记录。
图3.6违规检测电路
但在另外的光敏二极管的使用，还需要使用晶体管，三极管模型是9013。
由于环境的因素要在电路中添加三极管作为其开关。
该设计的工作原理为，连接到电源的光敏二极管，三极管还有隔离功效。
当光敏二极管不导通是，三极管的基极是低电平，发射基于基极之间的电压差为零，三极管不导通，检测口的电压是高电平。
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