单片机十字路口交通灯设计.docx

广 西 大 学

课程设计任务书

课题名称 十字路口交通灯模拟控制
系统设计

学 院 电气工程学院
专 业
班 级
学 号
姓 名

指导教师（签名） 年 月 日

教研室主任（签名） 年 月 日

本设计是开发了基于单片机的交通灯系统。该设计与单片机专业知识结合紧密，结合实际情况阐述了交通灯控制系统的工作原理，给出了一种简单低成本城市交通灯控制系统的硬件及软件设计方案、各个路口交通灯的状态循环显示，并对程序流程图进行详细讲解分析。硬件的设计采用80ATC52单片机为核心器件。通过中断扩展实现交通灯系统的特殊情况的快速转换,基本实现了任务书所要求的各种功能,实现了利用单片机控制交通灯和记时显示成本低，电路简单等优势。
本作品的可以达到的功能如下：
利用单片机，进行十字路口交通灯模拟控制系统设计，控制4个路口的LED灯（可发红、绿、黄光），模拟十字路口交通灯管理。其中交通灯变化律如下：
(1) 初始状态都是红灯2秒；
(2) 绿灯亮25秒→绿灯闪烁3次，闪烁周期1秒→黄灯亮2秒→红灯；
(3) 红灯亮30秒，直接转绿灯亮。

1 概述
1.1关于单片机
单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。
通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和I/O接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。
单片机经过3代的发展，目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展，它们的CPU功能在增强，内部资源在增多，引角的多功能化，以及低电压底功耗。单片机是控制系统的核心，具有本系统所需的I/O口、数据存储器、程序存储器等主要部分；LED显示用于指示红、黄、绿交通信号灯的亮或灭；数码管用于显示交通信号灯亮的剩余时间；时间设定用于设定红、黄、绿交通信号灯的亮的总时间；驱动电路是弥补I/O口驱动能力的不足。
1976年INTEL公司推出了MCS-48单片机，这个时期的单片机才是真正的8位单片微型计算机，并推向市场。它以体积小，功能全，价格低等赢得了广泛的应用，为单片机的发展奠定了基础，成为单片机发展史上重要的里程碑。
在MCS-48的带领下，其后，各大半导体公司相继研制和发展了自己的单片机，像Zilog公司的Z8系列。到了80年代初，单片机已发展到了高性能阶段，像INTEL公司的MCS-51系列，Motorola公司的6801和6802系列，Rokwell公司的6501及6502系列等等,此外,日本的著名电气公司NEC和HITACHI都相继开发了具有自己特色的专用单片机。
80年代，世界各大公司均竞相研制出品种多功能强的单片机，约有几十个系列，300多个品种，此时的单片机均属于真正的单片化，大多集成了CPU、RAM、ROM、数目繁多的I/O接口、多种中断系统，甚至还有一些带A/D转换器的单片机，功能越来越强大，RAM和ROM的容量也越来越大，寻址空间甚至可达64kB，可以说，单片机发展到了一个全新阶段，应用领域更广泛，许多家用电器均走向利用单片机控制的智能化发展道路。
九十年代以后，单片机获得了飞速的发展，世界各大半导体公司相继开发了功能更为强大的单片机。美国Microchip公司发布了一种完全不兼容MCS-51 新一代PIC系列单片机，引起了业界的广泛关注，特别它的产品只有33条精简指令集吸引了不少用户，使人们从INTEL的111条复杂指令集中走出来。PIC单片机获得了快速的发展，在业界中占有一席之地。
1.2关于红绿灯
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。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监测、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。
随着城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，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。所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。
当前，在世界范围内，一个以微电子技术，计算机和通信技术为先导的，以信息技术和信息产业为中心的信息革命方兴未艾。而计算机技术怎样与实际应用更有效的结合并有效的发挥其作用是科学界最热门的话题，也是当今计算机应用中空前活跃的领域。本文主要从单片机的应用上来实现十字路口交通灯智能化的管理，用以控制过往车辆的正常运作。
2 系统总体方案及硬件设计
2.1设计思路：
一个完整的交通灯相当于一个简单的单片机系统，该系统有交通灯设置电路、单片机、显示电路等构成。单片机是集成的IC芯片，只需根据实际设计要求选型。其他部分都需要根据应用要求和性能指标自行设计。
基于单片机的交通灯的设计时要充分的认识以3个问题：
（1）因为本系统是交通灯控制系统，所以要先了解实际交通灯的变化规律。在每个入口处设置红、绿、黄三色信号灯，红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停在禁行线外。用红、绿、黄发光二极管作信号灯。假设一个十字路口没有分主干道与支干道之分。初始状态0为南北绿灯，东西红灯。然后转状态1东西南北黄灯闪烁。过一段时间转状态2，南北黄灯闪几次转亮红灯，东西由黄灯闪几次转亮绿灯。再转状态3，再一次东西南北黄灯闪烁。过一段时间转状态4，南北黄灯闪几次转亮绿灯，东西黄灯闪几次转亮红灯。最后循环至状态1。
（2）用LED数码管显示交通灯的剩余时间。由上面知：南北绿灯时间=东西红灯时间，南北黄灯时间=东西黄灯时间，南北红灯时间=东西绿灯时间。所以只需要设计南北的绿灯，黄灯，红灯时间即可，一下用其代替东西的绿灯，黄灯，红灯时间。当南北绿灯亮时，LED数码管显示绿灯剩余时间。南北黄灯闪亮时，显示黄灯剩余时间。南北方向红灯时间亮时，显示红灯的剩余时间。
人行道
人行道
人行道
人行道
2.2设计原理分析

首先了解实际交通灯的变化情况和规律。假设一个十字路口如上图所以，为东南西北走向。初始状态0为东西南北都红灯亮。然后转状态1东西绿灯通车25s，南北红灯亮。转状态2，东西绿灯闪3下，南北还是红灯。再转状态3，东西黄灯亮2s，南北还是红灯。转状态4，东西黄灯灭红灯亮，南北绿灯亮25s，转状态5，南北绿灯闪3下，东西还是红灯。转状态6，南北黄灯亮2s，东西还是红灯。转状态1，如此循环。
列出交通信号灯的状态表如下：（其中，1代表灯亮，0代表灯灭）
状态
北
西
南
东
绿黄红
绿黄红
绿黄红
绿黄红
0
001
001
001
001
1
001
100
001
100
2
001
100
001
100
3
001
010
001
010
4
100
001
100
001
5
100
001
100
001
6
010
001
010
001

对于交通信号灯来说，应该有东西南北共四组灯，但由于同一道上的两组的信号灯的显示情况是相同的，所以只要用两组就行了，因此，采用单片机内部的I/O口上的P1口中的6个引脚即可来控制6个信号灯。通过编写程序，实现对发光二极管的控制，来模拟交通信号灯的管理。每延时一段时间，灯的显示情况都会按交通灯的显示规律进行状态转换。通过延时时间送显，可以在原有的交通信号灯系统的基础上，增添其倒计时间的显示功能，实现其功能的扩展。
2.3单片机的选择
AT89C51是美国ATMEL公司推出的系列单片机，将多种功能的8位CPU与FPEROM（快闪可编程/擦除只读存储器）结合在一个芯片上，是一种低功耗、高性能的CMOS控制器，为很多嵌入式控制应用提供了非常灵活而又价格适宜的方案，其性能价格比远高于同类芯片。它与MCS-51指令系统兼容，片内FPEROM允许对程序存储器在线重复编程，也可用常规的EPROM编程器编程，可循环写入/擦除1000次。89C51内含4KB的FPEROM，一般的EEPROM的字节擦除时间和写入时间基本上均为10ms，对于任一个实时控制系统来说，这样长的时间是不可能在线修改程序的。

2.4时钟电路模块
为达到振荡周期是12MHZ的要求，这里要采用12MHZ的晶振，另外有两个30P的独石电容，两晶振引脚分别连到XTAL1和XTAL2振荡脉冲输入引脚。具体连接图如下图所示：

2.5复位电路模块
单片机系统的复位电路在这里采用的是上电+按钮复位电路形式，其中电阻R采用200Ω的阻值，电容采用电容值为10μ的电解电容。具体连接电路如下图：

2.6交通灯信号控制电路
用P0和P1口作信号输出端来控制12个灯的亮灭，因为单片机的驱动电流非常小，为了使LED能够发光或者亮的更明显，用470Ω的上拉电阻组成驱动电路。南北的绿灯，黄灯，红灯（东西的绿灯，黄灯，红灯）同时亮也同时灭，可以使其串联或并联。如果并联是5V电压经过1K电阻后将被两个LED分流，每个只有2.5mA。如果是串联5V电压经过1K电阻后将有5 mA流经两个LED。所以串联时的LED的亮度将比并联时的大。具体如下图：

2.7LED数码管显示接口电路
由于南北的绿灯，黄灯，红灯时间相同，可用一个两位一体的共阴极数码管显示相应的时间，同理东西的绿灯，黄灯，红灯时间一个两位一体的共阴极数码管显示。单片机的驱动电流非常小，采用74HC164同相三态缓冲器器作驱动电路。如下图所示：

3软件设计
程序总体流程图
程序首先要完成交通灯六个状态的依次循环，并且显示每个状态的剩余时间，对时间的计算要用到定时程序即每到一秒对正在运行状态的剩余时间减一，当从新设定绿灯，黄灯，红灯的时间初始值或要处理紧急情况时要通过外部按键实现，从而要有相应的按键处理程序。所以可以将程序分成交通灯控制程序，显示程序，时间中断程序，按键程序。以下是程序的总体流程图。

南北红灯亮
（东西绿灯亮
东西南北
黄灯亮
显示时间
黄灯剩余时间是否为零
显示时间

红灯剩余时间是否为零

给黄灯时间赋值

给红灯时间赋值

Y
Y
Y
N
N
N
结束
给绿灯时间赋值
绿灯剩余时间是否为零
是否有键按下
处理程 序
是否有键按下

处理程 序
是否有键按下

处理程 序

N
Y
Y
Y
N
N
南北绿灯亮
（东西红灯亮）

开始
显示时间

程序如下：

4 Protel软件
左半部分如下图

右半部分如下图

5课程设计体会
经过近一个月的努力，终于到了单片机课程设计提交成果的时候了。在这一个月的时间中，我们学到了很多课堂上学不到的知识，当然，我们得到的不仅仅是知识，还有更多的东西，细细数来，主要是：
1使我们实际体会了单片机设计的过程。平时，我们学的专业课也不少，可都是一些经典的东西，同时也是一些传统的东西。好像课本上学的都是与世隔绝一样。总想把学的东西应用到实践，可是总也没有机会。通过单片机课程设计，我们切切实实的从头到尾，做了一个完整的单片机设计，这些是以前课堂上从来体会不到的。
2培养了团队协作的精神。虽然只有三个人，但三个人的合作也是必不可少的。在课程设计的过程中，我们两人提出了两种不同的总体设计方案。经过比较，对比，从中选出了现在的这种。要完成一个项目，团队合作是少不了的，在这个过程中，只有善于倾听对方的想法，不断比较，才能获得最后的成功。单打独斗是不行的。

参考文献
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[2] 梅丽凤、等。单片机原理及接口技术，清华大学出版社，北京交通大学出版社，2007。
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[4] 范蟠果。单片机实验与应用系统设计。国防工业出版社，2007
[5] 汪建，等。MCS-96系列单片机原理及应用技术（第二版）。华中科技大学出版社，2006
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[7] 邓奕，马双宝，谢龙汉。Protel 99 SE原理图与PCB设计。人民邮电出版社，2011。
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[9] 赵月飞,郭会平,胡仁喜。Protel 99 SE基础与实例教程。机械工业出版社，2010。