基于单片机实现的智能交通信号灯设计毕业设计.docx
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基于单片机实现的智能交通信号灯设计毕业设计
题目单片机控制智能交通信号灯
摘要
近年来，随着科技的飞速发展，电子器件也随之广泛应用，其中单片机也不断深入人民的生活当中。
本模拟系统由单片机硬/软件系统，两位8段数码管和LED灯显示系统。
和复位电路控制电路等组成，较好的模拟了交通路面的控制。
本文首先对智能交通灯的研究意义和智能交通灯的研究现状进行了分析，指出了现状交通灯存在的缺点，并提出了改进方法。
智能交通灯控制系统通常要实现自动控制和在紧急情况下能够手动切换信号灯让特殊车辆优先通行。
最后介绍了一个基于PROTEUS的智能交通灯控制系统的设计与仿真，系统能够根据十字路口双车道车流量的情况控制交通信号灯按特定的规律变化。
仿真结果表明：
该系统能达到预期的性能要求，证明采用软硬件结合，利用单片机设计智能交通灯的方法是可行的。
关键词：
单片机；智能交通灯控制系统；PROTEUS仿真；数码管；
Abstract
Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,theelectronicdeviceisalsowidelyused,whereinthechipunceasinglyarealsothoroughpeople'slife.
Thesimulationsystemiscomposedofasingle-chipmicrocomputerhardwareandsoftwaresystem,thetwodigitaltube8andtheLEDlampdisplaysystem.Andresetcircuitcontrolcircuitcomponents,abettersimulationoftheroadtrafficcontrol.Firstly,forintelligenttrafficlightontheresearchsignificanceandintelligenttrafficresearchcurrentsituationundertookananalysis,pointedouttheshortcomingsofcurrenttrafficlights,andproposedtheimprovementmethod.Intelligenttrafficlightcontrolsystemusuallymustrealizetheautomaticcontrolandinemergencysituationstomanuallyswitchsignallampforspecialvehiclepreemption.FinallyintroducedaPROTEUSbasedintelligenttrafficlightcontrolsystemdesignandsimulation,systemaccordingtothetwo-lanetrafficcrossroadssituationcontroloftrafficsignallampaccordingtothespecificrulechanges.Thesimulationresultsshowthat:
thesystemcanreachtheexpectedperformancerequirements,provethattheuseofthecombinationofhardwareandsoftware,theuseofsingle-chipdesignofintelligenttrafficlightmethodisfeasible.
KeyWords:
singlechipmicrocomputer；intelligentcontrolsystemfortrafficlights；digitaltubePROTEUSsimulation；
1前言
1.1传统交通灯的简介
在今天，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在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上，安装了世界上最早的煤气红绿灯。
它由红绿两色旋转式方形玻璃提灯组成，红色表示“停止”，绿色表示“注意”。
1869年1月2日，煤气灯爆炸，使警察受伤，遂被取消。
1914年，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，安装在纽约市5号大街的一座高塔上。
红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通行”。
而中国最早的马路交通灯却是诞生于1928年的上海英租界。
从最早的手牵皮带到20世纪50年代的电气控制,从采用计算机控制到现代化的电子定时监控，交通信号灯在科学化、自动化上不断地更新、发展和完善。
但是，随着社会的不断进步，传统的交通灯的缺陷也日益出现，其中设计过于死板，达不到道路的最大通行效率是最明显的问题，红绿灯交替变换时间过于程式化。
随着我国经济的高速发展，人们对各种交通车辆的需求量不断增大，城市的交通拥护问题日益严重，目前，大部分城市的十字路口的交通控制灯，通常的做法是：
事先经过车辆流量的调查，利用传统的方法设计好红绿灯的延时，然而，实际上的车流量是不断变化的，有的路口在不同的时间段车流量的大小甚至有很大的差异，所以说，统计的方法己不能适应迅速发展的交通现状。
1.2基于单片机的智能交通灯控制系统设计的意义
由于我国经济的快速发展从而导致了汽车数量的猛增，大中型城市的城市交通，正面临着严峻的考验，从而导致交通问题日益严重，其主要表现如下：
交通事故频发，对人类生命安全造成极大威胁；交通拥堵严重，导致出行时间增加，能源消耗加大；空气污染和噪声污染程度日益加深等。
日常的交通堵塞成为人们司空见惯而又不得不忍受的问题。
在这种背景下，结合我国城市道路交通的实际情况，开发出真正适合我们自身特点的智能信号灯控制系统已经成为当前的主要任务。
对交叉口实行科学的管理与控制是交通控制工程的重要研究课题，是保障交叉口的交通安全和充分发挥交叉口的通行能力的重要措施，是解决城市交通问题的有效途径。
所以，改变和完善我国现有的交通系统已成为当务之急。
交通灯信号灯的出现是人类历史上的一次重大改革，使人类的聚居生活，产生了深远的影响。
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。
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。
随着电子技术的发展，基于传统交通灯控制系统设计过于死板，红绿灯交替是间过于程式化的缺点，智能交通灯控制系统的设计就更显示出了它的研究意义，它能根据道路交通拥护，交叉路口经常出现拥堵的情况。
利用单片机技术，对交通灯进行智能化管理，提出了软件和硬件设计方案，能够实现道路的最大通行效率。
因此已成为目前广泛采用的方法。
1.3本论文主要工作
本文为了实现交通道路的管理，力求交通管理先进性、科学化。
分析应用了单片机实现智能交通灯管制的控制系统，以及该系统软、硬件设计方法，实验证明该系统实现简单、经济，能够有效地疏导交通，提高交通路口的通行能力。
.
首先对智能交通灯的研究意义和智能交通灯的研究现状进行了分析，指出了现状交通灯存在的缺点，并提出了改进方法。
智能交通灯控制系统通常要实现自动控制和在紧急情况下能够手动切换信号灯让特殊车辆优先通行。
本文还对AT89S51单片机的结构特点和重要引脚功能进行了介绍，同时对智能交通灯控制系统的设计进行了详细的分析。
最后介绍了PROTEUS嵌入式系统仿真与开发平台的使用方法，利用Proteus软件对交通灯控制系统进行了仿真
2智能交通灯控制系统的总体设计
2.1智能交通灯控制系统的技术指标
1、设计一个十字路口的交通灯控制电路，要求南北方向和东西方向两个交叉路口的车辆交替运行，两个方向能根据车流量大小自动调节通行时间，车流量大，通行时间长，车流量小，通行时间短。
2、每次绿灯变红灯时,要求黄灯先亮5S,才能变换运行车辆。
3、东西方向、南北方向车道除了有红、黄、绿灯指示外，每一种灯亮的时间都用数码管显示器进行显示（采用倒计时的方法）。
4、同步设置人行横道红、绿灯指示。
5、考虑到特殊车辆情况，设置紧急转换开头。
2.2设计思路
（1）分析目前交通路口的基本控制技术以及各种通行方案，并以此为基础提出自己的交通控制的初步方案。
（2）确定系统交通控制的总体设计，包括，十字路口具体的通行禁行方案设计以及系统应拥有的各项功能，在这里，本设计除了有信号灯状态控制能实现基本的交通功能，还增加了倒计时显示提示，基于实际情况，又增加了紧急状况处理和通行时间可调这两项特特殊功能。
（3）进行显示电路，灯状态电路，按键电路的设计和对各器件的选择及连接，大体分配各个器件及模块的基本功能要求。
（4）进行软件系统的设计，对于本系统，本人采用单片机汇编语言编写，对单片机内部结构和工作情况做了充足的研究，了解定时器，中断以及延时原理，总体上完成了软件的编写。
2.3单片机交通灯控制系统方案的比较、设计与论证
针对道路交通拥挤，交叉路口经常出现拥堵的情况。
利用单片机控制技术．提出了软件和硬件
2.3.1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：
方案一：
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。
2.3.2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：
方案一：
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。
方案二：
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。
2.3.3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：
方案一：
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。
方案二：
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单片机交通控制系统总体设计
3.1单片机交通控制系统的通行方案设计
信号灯用来显示车辆通行状况，下面以一个十字路口为例，说明一个交通灯的四种状态见图5。
每个路口的信号的的转换顺序为：
绿——>黄——>红绿灯表示允许通行，黄灯表示禁止通行，但已经驶过安全线的车辆可以继续通行，是绿灯过渡到红灯提示灯。
红灯表示禁止通行。
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3.1交通信号灯运行状态
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：
◆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。
◆东西方向绿灯灭，同时黄灯亮，南北方向红灯亮，倒计时5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。
◆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。
◆南北方向绿灯灭，同时黄灯亮，东西方向红灯亮，倒计时5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。
下面我们可以用图表1表示灯状态和行止状态的关系如下：
状态1
状态3
状态4
状态6
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
表1交通状态及红绿灯状态
东西南北四个路口均有红绿黄3灯和数码显示管2个，在任一个路口，遇红灯禁止通行，转绿灯允许通行，之后黄灯亮警告行止状态将变换。
状态及红绿灯状态如表1所示。
说明：
0表示灭，1表示亮。
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，就可达到想此目的。
3.3单片机交通控制系统基本构成及原理
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3.2系统的总体框图
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。
4智能交通灯控制系统的硬件设计
4.1单片机的简单介绍
单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。
尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：
CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。
同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。
而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。
单片机也被称为微控制器（Microcontroler），是因为它最早被用在工业控制领域。
单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。
最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对提及要求严格的控制设备当中。
INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。
早期的单片机都是8位或4位的。
其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。
此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。
基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。
随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。
90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大的提高。
随着INTELi960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。
而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。
目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。
当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。
而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。
单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。
事实上单片机是世界上数量最多的计算机。
现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。
手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。
而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。
汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！
单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的综合，甚至比人类的数量还要多。
单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
概括的讲：
一块芯片就成了一台计算机。
它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。
同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。
单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可......用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。
我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都可以看到它的身影！
它主要是作为控制部分的核心部件。
它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。
单片机是靠程序的，并且可以修改。
通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。
一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板！
但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！
只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！
由于单片机对成本是敏感的，所以目前占统治地位的软件还是最低级汇编语言，它是除了二进制机器码以上最低级的语言了，既然这么低级为什么还要用呢？
很多高级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么不用呢？
原因很简单，就是单片机没有家用计算机那样的CPU，也没有像硬盘那样的海量存储设备。
一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮，也会达到几十K的尺寸！
对于家用PC的硬盘来讲没什么，可是对于单片机来讲是不能接受的。
单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行，所以汇编虽然原始却还是在大量使用。
一样的道理，如果把巨型计算机上的操作系统和应用软件拿到家用PC上来运行，家用PC的也是承受不了的。
可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。
不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。
它由主机、键盘、显示器等组成。
还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。
这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。
顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。
因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。
它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。
现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。
各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词——“智能型”，如智能型洗衣机等。
现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。
究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。
4.2AT89C51单片机简单概述
AT89C51（如图2-10所示）是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89S51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
图4.1AT89C51单片机示意图
4.3AT89C51单片机的主要性能参数和主要引脚
对交通灯控制系统的设计，首先应对交通灯的核心控制芯片的基本结构和特征以及主要引脚有比较详细的了解。
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可系统编程的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。
它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
如图4.2所示画出了89C51单片机的内部系统组成的基本框图。
外时钟源外部事件计数
内中断
INT0INT1控制并行口串行通讯
图4.2MCS—51单片机系统组成基本框图
由图可见，AT89C51是由中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、可编程I/O口电路、定时器/计数器等若干部件组成，再配置一定的外围电路，即可构成一个基本的微型计算机系统。
此外，80C51还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。
在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。
掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。
80C51有PDIP（40pin）和PLCC（44pin）两种封装形式。
MCS—51单片机内部结构有8大部分
（1）一个8位的中央处理器CPU（又称为微处理器）
中央处理器（CPU）是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU
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