基于单片机的智能交通灯控制系统设计与实现毕业设计.docx
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基于单片机的智能交通灯控制系统设计与实现毕业设计
基于单片机的智能交通灯控制系统设计与实现
诚信承诺书
本人郑重承诺：
本人承诺呈交的毕业设计《基于单片机的智能交通灯控制系统设计与实现》是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计使用的数据真实可靠。
矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。
本人签名：
日期：
年月日
基于单片机的智能交通灯控制系统设计与实现
摘要
近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断深入，同时带动传统控制检测技术日益更新。
在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构软硬件结合，加以完善。
聞創沟燴鐺險爱氇谴净。
十字路口车辆穿梭，行人熙攘，车行车道，人行人道，有条不紊。
那么靠什么来实现这井然秩序呢？
靠的就是交通信号灯的自动指挥系统。
交通信号灯控制方式很多。
本系统采用STC89C52RC单片机以及单片机最小系统和74HC245电路以及外围的按键和数码管显示等部件，设计一个基于单片机的交通灯设计。
设计通过两位一体共阴极数码管显示，并能通过按键对定时进行设置。
本系统实用性强、操作简单、扩展功能强。
残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。
关键词：
交通灯；单片机；显示；计时；车流量
DesignandimplementationofintelligenttrafficlightscontrolbasedonMCU酽锕极額閉镇桧猪訣锥。
Abstract
Inrecentyearsalongwiththerapiddevelopmentofscienceandtechnology,SCMapplicationsarecontinuallydeepening,andpromotethetraditionalcontroldetectiontechnologyisupdated.Inreal-timedetectionandautomaticcontrolofthemicrocomputerapplicationsystem,themicrocontrollerisoftenusedasacorecomponent,onlySCMknowledgeisnotenough,shouldbebasedonspecifichardwarestructureofhardwareandsoftwarecombination,tobeperfect.彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。
Crossroadsshuttlevehicles,pedestriansbustling,cardealershiptrafficlane,peoplewalkways,everythingingoodorderandwellarranged.Sowhattorelyontorealizeitinorder?
Isthetrafficlightsontheautomaticcommandsystem.Alotoftrafficsignalcontrol.ThissystemusesSTC89C52RCand74HC245systemandthesmallesttransistordrivingcircuitandaperipheryofthekeysanddigitaltubedisplayandotherparts,adesignbasedonthesinglechipdesignoftrafficlights.Designthroughoneoftwocommoncathodenixietubedisplay,andcanbekeytoregularset.Thissystemispractical,simpleoperation,strongexpandingfunction.謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。
Keywords:
Trafficlight，SCM，Display，Timing，Trafficflow厦礴恳蹒骈時盡继價骚。
1前言
当今社会，科技不断的发展，作为微控技术其中一部分的单片机也紧跟着脚步，正在迅速发展，普遍运用到了人们生活的各个领域。
它的出现使传统的控制技术发生了本质上的转变。
可以说单片机的创造对于以往的控制技术来说就像是一场革命。
无论在日常生活中，我们所用到的电饭煲，洗衣机，冰箱等等，还是在工业领域的自动化控制，电子领域的数据收集等等，都能看到单片机存在的身影，在微控领域占据了极高的地位。
所以单片机的开发应用是高科技领域的一个里程碑。
所以我们有必要更加深入掌握有关单片机的知识以及其应用技术。
本文正是运用单片机来制作一个模拟的智能交通灯，通过此交通灯来智能控制十字路口的交通，有效、科学的控制引导过往的车辆和人流。
[1]熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。
1.1本设计的目的及意义
本设计的目的是制作一个比较符合实际情况，价格低廉而不乏性能的交通灯智能操控系统。
通过对现在的交通灯的了解和研究，本人打算使用红外线检测传感、根据实际情景来改变智能化控制的技术。
系统除了一般的交通灯的功能之外，还可以通过检测十字路口车的数量的多少来控制红绿灯时间的改变。
不仅如此，除了自动控制红绿灯的变化之外，在紧急的特殊情况下，还可以手动的变换红绿灯来使一些特殊的车辆快速通过交通路口等。
鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。
因为根据综合情况考虑到经济和实际运用等等，本人使用单片机来控制整个系统的运作，跟ARM这种功能等各方面更加完善的控制方案相比，单片机确实是无法比拟的。
然而，正是因为如此，怎么通过单片机的设计来发挥出其最大的功效才能体现出本设计的难点所在。
纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。
总的来说，本设计意义有如下4个方面：
（a）用单片机这个完善的控制系统在交通灯应用的这个方面来实现与运用。
（b）从人性话的角度来设计交通灯。
（c）探究全新的交通灯管理系统。
（d）通过红外线传感器来检测车流量，以达到自动调整红绿灯时间的功能。
这次除了运用单片机，还运用了可编程并行输入输出接口芯片当作中心件来完成交通灯控制器的设计，对交通十字路口路口进行管理。
通过单片机来控制硬件电路，进行现实情况的模拟，实现红绿灯之间的转换，使之按次序点亮。
通过LED数码管来显示倒计时的时间，红绿灯采用红、黄、绿3种发光二极管来显示，而特殊紧急车辆的通过通过实时中断来实现。
用红外线作为检测车流量的方法，根据车流量的多少来智能的计算倒计时时间。
颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。
1.2本设计在国内外的发展概况及存在的问题
现在，交通灯遍布在各个道路上，疏通交通、管理交通秩序全靠它。
然而它确起始于上个世纪。
早在1850年，城市交叉口处持续增多，对交通带来极大的不便，这个问题开始引起了大家的留意。
在1868年英国的伦敦，开始了首次对交叉路口交通的控制，在那个时候，通过警察不断的更换其手上的旗子来指挥，这个控制的命令在当时叫作旗语。
40年后，它被传到了美国的纽约，而且迅速的在传遍了全国。
由于城市电气化的快速发展壮大，在1914年，俄亥俄州的克利夫兰市出现了世界上第一台通过电力来控制的交通信号灯。
5年之后，纽约市开始将人工旗子控制的方式更换成电机控制的信号灯。
在1923年的时候，GarrettMorgan申请了专利Morgan交通信号灯，通用电气公司买了这个专利。
9年后，电机控制信号灯取代了最后一个人工控制的旗子。
由1920年至1970年将50年的过程中，电机驱动的信号灯在交通信号控制系统领域中成了主导的地位。
以便能够使相邻的交叉口在一个交通信号系统当中，在设定的信号周期、相位差以及绿信比下正常运行，人们发明了“七条线缆”的连接方式，能够让相邻的信号灯在一个系统控制的模式下运行，尽管现在我们进入了新世纪，在某部分地方依然在使用这种根据七条线缆的连接方式。
不仅如此，绝大多数在电机驱动的系统中所运用的术语，即使到了现在，微处理控制器依然在使用。
在上个世纪60年代初，计算机被引进到交通信号控制系统中。
在1963年，第一个计算机控制的交通信号控制系统在加拿大的多伦多市安装，到了20世纪70年代，微处理器被普遍使用，相应的硬件和软件也逐渐发展起来。
如今，交通控制变得越来越智能化，相信我们未来的交通必然是更加人性化，更加方便。
濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。
自从交通灯出现以后，交通的管制变得更加有效，在疏导车辆、提升道路的流畅性、降低交通事故的发生率等方面有积极的影响。
在1968年的时候，联合国出台了《道路交通和道路标志信号协定》，给每一种信号灯的作用给出了定义。
绿灯代表通行的意思，看见绿灯的车辆能够通行，左转弯或者右转弯，要不然就是另外一个标志禁止某一种转向。
左右转弯车辆的优先级比直行的车辆和在人行道通行的路人要低。
红灯表示禁行的意思，看见红灯的车辆应该在交通路口的停车线后停车。
黄灯表示警告的意思，看见黄灯的车辆要停一停，在停车线后的车辆应该停止，不应该向前行驶，如果车辆已经非常靠近停车线却不能安全停车的时候可以通过。
本设计的单片机控制交通灯就是基于信号灯。
[2]銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。
存在的问题：
现在，我国的交通灯一般安装交通路口，在显眼的地方通过红、黄、绿三种颜色的指示灯来指示。
再增加一个倒数的数字显示器来指导车辆。
在一般的正常的行车情况下，车辆分流可以发挥其作用，然而依据车辆行驶过程中出现的实际情况，发现有以下缺陷：
a、两车道的车辆具有一样的倒计时时间，而在十字路口，正常是一个车道为主干道，车辆比副干道的要多，所以正常来说时间应该比它要长一点。
B、不能智能检测车流量，红绿灯倒计时时间不会根据车流量的多少而改变，从而导致交通拥挤等情况。
挤貼綬电麥结鈺贖哓类。
1.3本设计应解决的主要问题
本设计将设计并制作一个智能交通灯控制系统。
设计的内容是：
A、熟练掌握单片机的用法与最小系统的搭建。
B、完成智能交通灯控制系统的硬件与软件设计。
C、应具有智能判断车流量功能。
D、应具有根据车流量智能设定红绿灯时间功能。
E、在制作的单片机系统上实现所设计的功能，并完成演示。
F、其他可扩展功能。
目前，限制单片机智能交通灯设计的因素主要有以下两个：
a、根据各道路路口车流量的大小自动调节通行时间，因为这个问题就关系到了通过运用什么技术来检测。
正常情况下车流量检测器通过传感器加单片机，再加上一些其他器件来运行。
考虑到整体情况，本人这次用红外线来检测车流量。
赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。
b、考虑特殊车辆通行情况，设计紧急切换开关。
例如消防车、救护车、警车等等，遇到这些紧急情况的话就要考虑到这些车辆的迅速通行，因为这都是性命攸关的时刻，所以设计紧急切换开关是必须的。
而这个紧急切换开关就关系到了程序的设计，这个问题的实现难度对于本人来讲也是一项挑战。
塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。
2方案介绍
这次设计的重点包含以下这几个方面：
a、设计交通灯状态的管理方案；
b、设计单片机最小系统和周边电路；
c、设计交通灯系统和中断系统的电路结构；
d、设计整个系统的电路分布和接线；
e、使用C语言编写整个系统运行所需要的程序，重点是紧急中断系统的程序。
2.1设计原理
本设计所用的部件包括以下这几样：
STC89C52RC单片机及其最小系统，除此之外，还有74HC245的驱动电路和外围的按键和用来看数字的数码管，通过这些来完成本人的这次毕业设计。
裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。
在一定的时间内增加车辆安全通过的数量和质量。
而且在车流量密集的时候通过系统的设定来改变主次干道的通过车辆的时间，减少交通密集和堵塞现象。
除此之外，针对紧急特殊情况，系统还具备了紧急处理按钮，通过这些按钮可以让一些如警车、救火车、救护车等快速通过，提高对特殊紧急状况的应变能力。
仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。
通过单片机来掌控交通灯的运行，可以让单片机改变信号灯的轮流点亮，能满足一般情况下的车辆运行，当然，接入LED数码管就能够显示倒计时以提醒行使者，更具人性化。
这次设计在这样基础之上，单片机控制系统对这种情况进行了全面的整改，按实际情况掌控并指挥交通的运作。
系统总体框图如图2.1所示：
绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。
键盘设置部分可以对模式进行选择，智能时间出现问题时还可以对时间进行人工调整，当系统开始正常运行时，在调整交通灯的正常运作显示的时候，还将相对应的时间数字灌输到数码管上，通过数码管展现出来。
与此同时，还应该时刻能够检查违规的车辆和具有突发的按键处理，实现应对紧急情况处理的目的。
急停按钮以及违法检验立即调用中断。
骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。
图2.1系统的总体框图
根据这种情况，此次设计把单片机作为根本，以按键部分和红外接受模块部分作为输入，交通灯显示模块和数码管通过驱动电路进行输出。
系统的总体框图如图2.1所示。
瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。
2.2方案选择
a、控制器方案
作为交通智能控制的中心，控制器的选择十分重要。
方案一：
用FPGA进行控制。
方案二：
用PLC进行控制。
方案三：
51系列单片机，这是一种较为实用的系统。
经过各方面的综合因素考虑。
上面的3种控制方案都能够漂亮的实现智能交通灯的运行，虽然PLC以及FPGA进行操作的时候比较容易，但是它们的价格确实昂贵的。
而本人的这次设计选的是方案三（51系列单片机），因为它不但能够完成智能通交通灯的控制，而且它的性能也非常好，价格也很便宜，是个非常好的选择。
所以本人选择了用的比较常用的89C52单片机当作控制器。
鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。
b、供电方案
为了能够让交通灯在正常的状态下运作，应该有一个稳定的电源。
本人的这次设计想到了两种电源方案：
方案一：
使用相对稳定的外接电源。
这个方案的好处是性能比较稳定安全，并且还有各种相对完美的电路；缺陷是每一个部分都使用独立的电源，令系统变得更加复杂，并且有几率改变电路电平。
栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。
方案二：
通过单片机控制模块进行电源的供给。
优势是系统比较简单，省资金；缺陷是输出的功率低，导致电路不稳定。
辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。
综合考虑到了本设计的情况，本人采用了第一套方案。
c、显示界面方案
这次设计的运用到了倒计时和红绿灯等显示。
本人想到了以下几个方案：
方案一：
全部通过数码管来显示。
但是这样只能实现部分符号和数字，并不能实现全部功能。
方案二：
全部通过点阵式LED显示。
缺点是这种方案比较复杂，而且程序比较难；但是功能全面，基本上能实现所需的功能。
峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。
方案三：
通过数码管和点阵LED一起显示。
从实际状况等各方面综合因素考虑，本人选用方案三数码管与LED灯一起来显示时间与状态灯。
这个方案不但实现了全部需求，实现起来又比较简单。
詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。
d、输入方案
根据实际情况，本人想到了两种方案：
方案一：
使用8155扩展输入输出口以及键盘、显示等。
这种方案的优势是：
比较灵活，而且含有RAM和计数器。
若用该方案，可提供较多I/O口,但操作起来稍显复杂。
则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。
方案二：
通过在输入输出口线上接上按钮开关。
该方案优势是：
编程比较容易，使用起来比较方便，而且成本更加低。
缺点就是功能有限。
胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。
从各方面因素考虑之后，本人使用方案二来实现输入。
2.3分析问题
我们假设设在一个十字路口上，分别有东西南北四个方向，在任意时候只可以让其中一个方向的车辆通过，另外一个方向禁止通过，经过一定时间后，将两个方向互换。
说明：
黑色代表灯亮，白色代表灯灭。
一开始红绿灯的状态如下图（a），然后到（b）、（c）、（d），最后按照这个顺序重复循环，交通状态如图2.2所示：
下面是具体的每一个交通灯的状态显示：
鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。
（a）（b）
（c）（d）
图2.2交通状态
（a）东西方向红灯亮，车辆禁止通行，南北方向绿灯亮，车辆可以通行，倒计时13秒（时间只是方便演示）。
（b）东西方向红灯亮，禁止通行，南北方向黄灯亮，车辆应该等待通行，倒计时5秒（时间只是方便演示）。
（c）南北方向红灯亮，静止通行，东西方向绿灯亮，车辆允许通行，倒计时24秒（时间只是方便演示）。
（d）南北方向红灯亮，车辆禁止通行，东西方向黄灯亮，倒计时5秒（时间只是方便演示）。
等待时间倒计时，紧接着回到状态（a）稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。
下面我们可以用图表表示灯状态和行止状态的关系如下：
表2.1交通状态及红绿灯状态
状态a
状态b
状态c
状态d
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
1
1
0
0
东西黄灯
0
0
0
1
东西绿灯
0
0
1
0
南北红灯
0
0
1
1
南北绿灯
1
0
0
0
南北黄灯
0
1
0
0
东西南北四个交通口都含有红绿灯以及数码管，无论是哪一个交通口，凡是看到红灯的应该禁止通行，看见转了绿灯就可以通过，如果黄灯亮了表示红绿灯状态即将发生变化。
各方向的状态以及红绿灯状态如上表2.1。
（说明：
0表示灭，1表示亮）陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。
3硬件设计
3.1系统硬件总电路构成:
为了满足这次的交通灯设计所需要实现的功能，本人选用了STC89C52RC芯片和外围设备组成的最小系统，代表红、绿、黄三种颜色的led交通灯总共14个，4个2位LED数码管和包括复位键、紧急控制按键等，红外线接受器，驱动电路模块，若干导线、电阻和电容。
构成了此次设计的各个模块。
其具体的硬件电路总图如图2.3所示。
沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。
本系统把单片机最小系统作为关键核心，由各个硬件模块软件为控制主体组成一个处理、智能控制为一体的封闭操控系统。
钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。
其中P0用来送显LED数码管的段选和位选，P1用来操控红绿灯的亮暗，12MHz晶振接在单片机芯片引脚的XTAL1和XTAL2上，REST引脚接连接复位电路，P3端口用来实现按钮的控制。
懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。
3.2单片机系统及其历史
单片机是一块集成在芯片上的微型计算机，它的内部包括有CPU、存储器，定时/计数器以及中断系统，基本输入/输出（简称I/O）接口电路等。
因为它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的，所以又称作微控制器（简称MCU）。
它在各方面都有良好的优势，例如结构简单，控制效果好，可靠性高、体积小、价格低，单片机技术作为计算机技术的一个非常重要的分支，广泛地应用于工业控制、智能化仪器仪表、家用电器、电子玩具等各个不同的领域。
謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。
单片机诞生于上世纪70年代，经历了三个阶段：
SCM、MCU、SOC。
一开始的SCM单片机都是8位或4位的。
其中英特尔公司的8051发展迅速。
之后的MCS51系列的MCU单片机得到了广泛的应用。
现在高端的32位SOC单片机性能已经达到了上世纪90年代中期专用处理器的水平，且价格低廉。
所以越来越多的制作业、工业离不开单片机。
呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。
单片机的应用系统必须包含硬件部分和软件部分，只有这样才是完整的单片机应用系统。
软件部分是指导硬件工作的指令集。
没有软件部分，系统将无法正常工作。
硬件部分则是交通灯系统的基础。
没有硬件系统则没有所谓的交通灯系统。
只有将两者结合，才能实现功能齐全的及交通灯系统。
莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。
3.3单片机内部组成以及引脚介绍
8052是MCS-52系列单片机的典型芯片，不同型号一般程序存储器结构不同，其余内部结构都是完全相同，引脚也全部兼容。
Atmel公司的89系列发展很快，应用也最为广泛，和8052引脚也完全相同，插座也相互兼容。
所以用89C52代替8051时，只要封装相同就可以直接代换。
麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。
中央处理器（CPU）：
交通灯系统的控制核心是单片机，而单片机的控制核心是中央处理器。
它与计算机的处理器一样分为4字长、8字长、16字长和32字长等处理器，它与单片机的处理数据能力、控制功能、运算速度等性能等性能有关，因此，字长是衡量CPU功能的主要指标。
CPU由运算器和控制器组成。
各一个8位的算术逻辑单元（简称ALU）、累加器（简称ACC）、暂存器B和程序状态寄存器（简称PSW）构成了CPU的运算器。
所述控制器包括程序计数器（PC），指令寄存器（IR），指令译码器（ID）和一个控制电路等。
納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。
内存数据存储器RAM：
单片机89C52芯片内部数据存储器通常是指低128个单位，可以读也可以写，是分配给用户使用的，在断电后数据会消失。
高128个单位则是内部专用寄存器使用的存储单位，用户无法对其进行操作，所以芯片内部一共包含256个RAM单元。
風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。
内部程序存储器ROM：
89C52芯片的内部程序存储器使用的是只读存储器，这样有利于系统的可靠及稳定性且能节省成本。
它有4KB掩摸ROM，只能读不能写程序将不会在断电后丢失。
这样则不会改变程序的原始数据，通常称为只读程序存储器灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。
并行I/O端口：
89C52芯片内部有4个8位并行I/O端口（P0口、P1口、P2口和P3口），通过I/O端口实现数据并行输入输出，是人机交互的接口。
铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。
串行口：
89C52芯片内部串行实现单片机与外围设备之间的数据通信是通过一个全双工异步串行口。
该串行口既可以作为同步移位器使用，扩展外部I/O端口，又可以作为全双工异步通信收发器使用。
攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。
定时/计数器：
89C52芯片内部的2个16位定时/计数器可以控制单片机的内部时钟，使单片机按照一定的机器时钟进行状态控制。
还可以进行外部定时或计数功能，是芯片的重要组成部分。
趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。
中断系统：
8052内部共有5个中断源，2个优先级别分别是高优先级和低优先级，在同级的情况下，外部中断0大于定时器T0中断大于外部中断1大于定时器中断T1大于串行口中断。
夹覡闾辁駁档驀迁锬減。
时钟电路：
89C51芯片单片机内部具有时钟电路，只需要在XTAL1和XTAL2引脚之间接上石英晶体和微调电容就能构成完整的时钟电路。
此系统选用的晶振频率为12MHz。
相应的机器周期是1us。
视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。
引脚介绍：
VCC：
STC89C52电源接入端，接+5V。
GND：
电源接地端。
XTAL1和XTAL2：
当需要使用外部时钟时，则连接外部的时钟电路；若要使用内部时钟则连接电容和晶振。
本系统所使用的是内部时钟，所以在两引脚间连接了电容和12MHz的晶振。
偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。
RESET：
STC89C52芯片的重置引脚，当连续输入这个引脚2个机器周期以上的高电平即有效电平时，芯片将进行系统的复位操作，各个寄存器都恢复到最初的状态重新运行程序。
緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。
EA：
EA的E的英文是External，A的英文是Access，合在一起是外部程序存储器的意思。
上面的横线则代表低电平有效。
所以这个引脚接高电平则使用内部程序存储器，低电平则使用外部的程序存储器。
在此系统中，由于程序下载到内部程序存储器中，因此该引脚与+5V电源相连接。
騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼。
ALE：
ALE是编程脉冲的输入端。
它以晶振频率的1/6的固定频率输出，所以也可以作为时钟电路使用。
同时这个引脚也是P0口低8位的地址锁存器，将低8位数据与地址相互隔离，用于系统扩展。
疠骐錾农剎貯狱颢幗騮。
PSEN：
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