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基于单片机的交通信号灯控制
广东交通职业技术学院
毕业论文
题目：
基于单片机的交通信号灯控制
学院：
计算机工程学院
专业：
交通安全与智能控制
学生姓名:
詹奕凡
指导教师：
曹成涛
开题日期 2010年 09月 02日
设计期限 2010年 09月 02 日起 2010年 10月 10 日止
答辩日期 2010 年 10月 21日
广东交通职业技术学院毕业设计（论文）指导教师评语
指导教师评语：
指导教师
评定成绩：
指导教师签名
年月日
广东交通职业技术学院毕业设计（论文）答辩评语
答辩委员会评语：
答辩成绩：
答辩小组组长签名
年月日
摘要
近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用越来越普遍，同时带动传统控制检测日新月异更新。
在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是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，以及针对具体应用对象特点的软件结合，加以完善。
十字路口车辆穿梭，行人熙攘，车行车道，人行人道，有条不紊。
靠的是交通信号灯的自动指挥系统。
交通信号灯控制方式很多。
本系统主要采用89系列单片机AT89C51，实现了通过AT89C51芯片的P0、P2口设置红、黄、绿灯燃亮时间的功能；显示时间通过AT89C51的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3来选择数码管；通过P0.1、P0.2、P0.3P0.4、P0.5、P0.6、P0.7口输出控制七段数码管显示，系统实用性强、操作简单、扩展性强。
关键字：
单片机AT89C51LED七段数码管
Abstract
Inrecentyears,withrapiddevelopmentofscienceandtechnology,single-chipmicrocomputerapplicationofmoreandmorepopular,drivingrapidchangesintraditionalcontrolupdates.Inreal-timedetectionandautomaticcontrolofsinglechipcomputerapplicationsystem,theMCUisoftenusedasacorecomponenttoonlySCMknowledgeisnotenough,shouldalsobebasedonspecifichardwarestructure,aswellasthespecificfeaturesoftheapplicationobjectsoftware,beimproved.Vehicleshuttleatthecrossroads,pedestrianbustling,trafficlane,onewalkway,methodical.Istheautomaticcommandsystemoftrafficlights.Manytrafficlightscontrolmode.Thissystemmainused89seriessingletabletsmachineAT89C51,implementationhasthroughAT89C51chipofP0,andP2mouthsetred,andyellow,andgreenburninglittimeoffunction;displaytimethroughAT89C51ofP1.0,andP1.1,andP1.2,andP1.3toselectdigitaltube;throughP0.1,andP0.2,andP0.3P0.4,andP0.5,andP0.6,andP0.7mouthoutputcontrolsevensegmentdigitaltubedisplay,Systempracticalitystrong,andoperationsimple,andextendedsexualstrong.
Keyword:
SCMAT89C51;LEDsevensegmentdig
目录右对齐
第1章前言1
1.1研究背景来源1
1.3市场需求………………………………………………………………2
第2章交通控制灯硬件设计……………………………………………………3
2.1总体设计…………………………………………………………………3
2.2单片机最小系统…………………………………………………………3
2.2.1振荡电路…………………………………………………………3
2.2.2复位电路…………………………………………………………4
2.2.3单片机简介…………………………………………………………5
2.2.4单片机最小系统……………………………………………………7
2.3显示及及其倒计时功能……………………………………………………8
第3章交通信号灯设计方案11
3.1设计要求11
3.2基本原理……………………………………………………………………12
3.3交通信号控制电路图……………………………………………………12
第4章交通信号灯软件设计…………………………………………………….13
4.1延时设计…………………………………………………………………..13
4.2显示原理……………………………………………………………………13
4.3程序源代码…………………………………………………………………13
设计感想…………………………………………………………………………18
参考文献………………………………………………………………………19
附表1元件清单………………………………………………………………….20
第1章前言
城市交通矛盾的日益突出,已开始影响城市的发展,为了解决这个问题,专家提出了许多建议,如限制私人购车,增加道路宽度,建立交桥,发展城市轨道交通等等。
这些措施和办法虽然短期内也能缓解交通压力,但从长远来看,城市的空间毕竟是有限的,这些办法除了需要大量的资金支持外,还要付出惨重的代价。
这些问题在北京、上海、广州这样的一线城市就显得更加突出。
就拿广州来说塞车的现象十分严重，一到节假日这个问题就突现出来。
而造成这个原因除了车的数量多外之还有一个比较重要的原因就是十字路口交通信号灯的设计不够完善。
那么解决城市拥堵的最科学又行之有效的途径在哪里呢?
最行之有效的良方或许就是大力发展智能化交通。
出现双向绿波，实现道路尽量，甚至不出现交通堵塞，使车辆在连升路上行驶畅通无阻。
1.1研究背景来源
19世纪初，在英国中部的约克城，红、绿装分别代表女性的不同身份。
其中着红装的女人表示我已结婚，而着绿装的女人则是未婚者。
后来，英国伦敦议会大厦前经常发生马车轧人的事故，于是人们受到红绿装启发。
1868年12月10日，信号灯家族的第一个成员就在伦敦议会大厦的广场上诞生了，由当时英国机械师德·哈特设计、制造的灯柱高7米，身上挂着一盏红、绿两色的提灯--煤气交通信号灯，这是城市街道的第一盏信号灯。
在灯的脚下，一名手持长杆的警察随心所欲地牵动皮带转换提灯的颜色。
后来在信号灯的中心装上煤气灯罩，它的前面有两块红、绿玻璃交替遮挡。
不幸的是只面世23天的煤气灯突然爆炸自灭，使一位正在值勤的警察也因此断送了性命。
从此，城市的交通信号灯被取缔了。
直到1914年，在美国的克利夫兰市才率先恢复了红绿灯，不过，这时已是“电气信号灯”。
稍后又在纽约和芝加哥等城市，相继重新出现了交通信号灯。
随着各种交通工具的发展和交通指挥的需要，第一盏名副其实的三色灯（红、黄、绿三种标志）于1918年诞生。
它是三色圆形四面投影器，被安装在纽约市五号街的一座高塔上，由于它的诞生，使城市交通大为改善。
黄色信号灯的发明者是我国的胡汝鼎，他怀着“科学救国”的抱负到美国深造，在大发明家爱迪生为董事长的美国通用电器公司任职员。
一天，他站在繁华的十字路口等待绿灯信号，当他看到红灯而正要过去时，一辆转弯的汽车呼地一声擦身而过，吓了他一身冷汗。
回到宿舍，他反复琢磨，终于想到在红、绿灯中间再加上一个黄色信号灯，提醒人们注意危险。
他的建议立即得到有关方面的肯定。
于是红、黄、绿三色信号灯即以一个完整的指挥信号家族，遍及全世界陆、海、空交通领域了。
中国最早的马路红绿灯，是于1928年出现在上海的英租界。
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。
1.2市场需求
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、广州等地出现了交通超负荷运行的情况，交通事故的问题也越来越严重。
广州就是一个很好的例子，近年来广州飞速发展，外来人口不断增加，私家车增长速度更是惊人，交通问题越来越收到大家的关注。
因此设计出一套完善的交通灯控制系统是迫切需要的。
第2章交通控制灯的硬件设计
硬件设计是整个系统的基础，要考虑的方方面面很多，除了实现交通灯基本功能以外，主要还要考虑如下几个因素：
①系统稳定度；②器件的通用性或易选购性；③软件编程的易实现性；④系统其它功能及性能指标；因此硬件设计至关重要。
现从各功能模块的实现逐个进行分析探讨。
2.1总体设计
本设计以单片机为控制核心，采用模块化设计，共分以下几个功能模块：
单片机控制系统、状态显示、倒计时模块等。
单片机作为整个硬件系统的核心，它既是协调整机工作的控制器，又是数据处理器。
它由单片机振荡电路、复位电路等组成。
状态显示，开关键盘输入交通灯初始时间，通过单片机P1输入到系统。
系统采用双数码管倒计时计数功能，最大显示数字99。
友好的人机界面、灵活的控制方式、优化的物理结构是本设计的亮点。
2.2单片机最小系统
2.2.1振荡电路
AT89C51是内部具有振荡电路的单片机，只需在18脚和19脚之间接上石英晶体，给单片机加工作所需直流电源，振荡器就开始振荡起来。
振荡电路就为单片机工作提供了所需要的时钟脉冲信号，是单片机的内部电路、单片机的内部程序（若有）开始工作。
振荡电路不工作，整个单片机电路都不能正常工作。
AT89C51常外接6MHz、12MHz的石英晶体，18脚和19脚分别对地接了一个20pF的电容，目的是防止单片机自激。
若从18脚输入外部时钟脉冲，则19脚接地。
如图2-1
图2-1
2.2.2复位电路
复位电路就是在RST端（9脚）外接的一个电路，目的是使单片机上的电开始工作时，内部电路从初始状态开始工作，或者在工作中人为让单片机重新从初始状态开始工作。
在时钟工作的情况下，只要复位引脚高电平保持在两个机器周期以上的时间，AT89C51便能完成系统重置的各项工作，使得内部特殊功能寄存器的内容均被设置成已知状态，并且从地址0000H处读入程序代码而执行程序。
单片机最小系统电路如图2-2所示。
图2-2
2.2.3单片机的简介
单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
单片机是一种集成电路芯片,采用超大规模技术把具有数据处理能力（如算术运算,逻辑运算、数据传送、中断处理）的微处理器（CPU）,随机存取数据存储器（RAM）,只读程序存储器（ROM）,输入输出电路（I/O口）,可能还包括定时计数器,串行通信口（SCI）,显示驱动电路（LCD或LED驱动电路）,脉宽调制电路（PWM）,模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一块单块芯片上,构成一个最小然而完善的计算机系统.这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务.
由此来看,单片机有着微处理器所不具备的功能,它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能,这是单片机最大的特征.
然而单片机又不同于单板机,芯片在没有开发前,它只是具备功能极强的超大规模集成电路,如果赋予它特定的程序,它便是一个最小的、完整的微型计算机控制系统,它与单板机或个人电脑（PC机）有着本质的区别,单片机的应用属于芯片级应用,需要用户了解单片机芯片的结构和指令系统以及其它集成电路应用技术和系统设计所需要的理论和技术,用这样特定的芯片设计应用程序,从而使该芯片具备特定的功能.
不同的单片机有着不同的硬件特征和软件特征,即它们的技术特征均不尽相同,硬件特征取决于单片机芯片的内部结构,用户要使用某种单片机,必须了解该型产品是否满足需要的功能和应用系统所要求的特性指标.这里的技术特征包括功能特性、控制特性和电气特性等等,这些信息需要从生产厂商的技术手册中得到.软件特征是指指令系统特性和开发支持环境,指令特性即我们熟悉的单片机的寻址方式,数据处理和逻辑处理方式,输入输出特性及对电源的要求等等.开发支持的环境包括指令的兼容及可移植性,支持软件（包含可支持开发应用程序的软件资源）及硬件资源.要利用某型号单片机开发自己的应用系统,掌握其结构特征和技术特征是必须的.
单片机控制系统能够取代以前利用复杂电子线路或数字电路构成的控制系统,可以软件控制来实现,并能够实现智能化,现在单片机控制范畴无所不在,例如通信产品、家用电器、智能仪器仪表、过程控制和专用控制装置等等,单片机的应用领域越来越广泛.
诚然,单片机的应用意义远不限于它的应用范畴或由此带来的经济效益,更重要的是它已从根本上改变了传统的控制方法和设计思想.是控制技术的一次革命,是一座重要的里程碑.
1946年第一台电子计算机诞生至今,只有50年的时间,依靠微电子技术和半导体技术的进步,从电子管——晶体管——集成电路——大规模集成电路,现在一块芯片上完全可以集成几百万甚至上千万只晶体管,使得计算机体积更小,功能更强.特别是近20年时间里,计算机技术获得飞速的发展,计算机在工农业,科研,教育,国防和航空航天领域获得了广泛的应用,计算机技术已经是一个国家现代科技水平的重要标志.
单片机诞生于20世纪70年代,象Fairchid公司研制的F8单片微型计算机.所谓单片机是利用大规模集成电路技术把中央处理单元（CenterProcessingUnit,也即常称的CPU）和数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM）及其他I/O通信口集成在一块芯片上,构成一个最小的计算机系统,而现代的单片机则加上了中断单元,定时单元及A/D转换等更复杂、更完善的电路,使得单片机的功能越来越强大,应用更广泛.
20世纪70年代,微电子技术正处于发展阶段,集成电路属于中规模发展时期,各种新材料新工艺尚未成熟,单片机仍处在初级的发展阶段,元件集成规模还比较小,功能比较简单,一般均把CPU、RAM有的还包括了一些简单的I/O口集成到芯片上,象Farichild公司就属于这一类型,它还需配上外围的其他处理电路方才构成完整的计算系统.类似的单片机还有Zilog公司的Z80微处理器.
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,象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,象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.
1982年以后,16位单片机问世,代表产品是INTEL公司的MCS-96系列,16位单片机比起8位机,数据宽度增加了一倍,实时处理能力更强,主频更高,集成度达到了12万只晶体管,RAM增加到了232字节,ROM则达到了8kB,并且有8个中断源,同时配置了多路的A/D转换通道,高速的I/O处理单元,适用于更复杂的控制系统.
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的新一代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.
2.2.4单片机最小系统
单片机作为整个硬件系统的核心，它既是协调整机工作的控制器，又是数据处理器。
它由单片机振荡电路、复位电路等组成。
图2-3为单片机最小系统电路原理图
图2-3
2.3显示及其倒计时功能
1.LED显示器的结构和原理
LED数码管显示器，由8只发光二极管组成。
7只发光二极管排成“8”字形的7个段，另一段构成小数点，各个段标记如图1所示。
通过不同的组合，可用来显示数字0～9、字母A～F及小数点“.”等。
要显示某个字符时，将相应字段点亮即可。
例如，要显示1，点亮b、c段；要显示2，点亮a、b、g、e、d......。
输出点亮相应的数码称字形码，字形码各位定义如表2-2所示。
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
h
g
f
e
d
c
b
a
表2-1
LED显示器的管脚配置如图3-4（a）所示，其有共阴极和共阳极两种接法，如图（b）和图（c）所示。
共阴极LED显示器的发光二极管阴极共地，当某个发光二极管阳极为“1”电平时，发光二级光点亮。
共阳极LED显示器的发光二极管的阳极接到电源上。
当要点亮某个发光二极管时，只要其阴极为“0”电平即可。
由于发光二级管排成“8”字型。
图2-4为LED显示器结构
（a）管脚配置（b）共阴极（c）共阳极
图2-4
这里的LED灯是采用共阳极接法,如图3-5LED灯共阳极接法
图2-5
2.倒计时功能的实现
当定时器定时为1秒时程序跳转到时间显示及信号灯显示子程序，它将依次显示信号灯时间，同时一直显示信号灯的颜色，这时在返回定时子程序定时1秒，在显示黄灯的下一个时间，这样依次把所有的时间显示完后在重新给时间计数器赋初值，重新进入循环。
本系统使用数码管完成倒计时显示功能。
以南北方向为例，数码管显示的数值从绿灯的设置时间最大值往下减，每秒钟减1，一直减到1。
然后又从红灯的设置时间最大值往下减，一直减到1。
接下来又显示绿灯时间，如此循环。
系统共有4个两位的LED数码管，分别放置在模拟交通灯控制板上的四个路口。
因为四个方向的数码管应该显示同样的内容，所以我们可以把它们同样对待。
也就是说各个方向的数码管个位（把数码管第二位定义为个位，第一位定义为十位）用一根信号线控制，十位用另一根信号线控制。
这里采用动态显示。
LED数码管如图3-6所示。
图2-6
第3章交通信号灯设计方案
3.1设计要求
1.通过AT89C51芯片的P1.0P1.1、P1.2、P1.3口设置红、黄、绿灯燃亮时间的功能；
2.显示时间通过AT89C51的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3来选择数码管；通过P0.1、P0.2、P0.3P0.4、P0.5、P0.6、P0.7口输出控制七段数码管显示
3.2基本原理
东西、南北两干道交于一个十字路口，各干道有一组红、黄、绿三色的指示灯，指挥车辆和行人安全通行。
红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行。
黄灯亮提示人们注意红、绿灯的状态即将切换，且黄灯燃亮时间为东西、南北两干道的公共停车时间。
指示灯燃亮的方案如表3-1。
表3-1
25
3
25
3
25
3
……
东西道
红灯亮
黄灯亮
绿灯亮
黄灯亮
红灯亮
黄灯亮
……
南北道
绿灯亮
黄灯亮
红灯亮
黄灯亮
绿灯亮
黄灯亮
……
（1）当东西道为红灯，东西道车辆、行人禁止通行；南北道为绿灯，南北确道车辆、行人通过。
时间为25秒。
（2）东西、南北道为黄灯，以提示南北道行人或车辆下一个绿/红灯即将到来。
时间为3秒。
（3）东西道为绿灯，东西道车辆、行人通过；南北道为红灯，南北道车辆、行人禁止通过。
时间为25秒。
（4）东西道、南北道为黄灯，时间为3秒。
（5）这样如上表的时间和红、黄、绿出现的顺序依次出现这样行人和车辆就能安全畅通的通行。
3.3交通信号灯控制电路图
单片机、振荡电路、复位电路构成了最小系统，整个交通信号灯的设计都是围绕这个最小系统进行的；6个LED灯构成红绿灯，4个数码管构成倒计时设置；4个NPN三极管用来选择数码管。
如图4-1交通信号灯控制电路图
图3-1
第4章交通信号灯的软件设置
4.1延时设计
延时方法可以有两种一中是利用AT89C51内部定时器溢出中断来确定1秒的时间，另一种是采用软延时的方法。
4.2显示原理
当定时器定时为1秒，时程序跳转到时间显示及信号灯显示子程序，它将依次显示信号灯时间，同时一直显示信号灯的颜色，这时在返回定时子程序定时一秒，在显示黄灯的下一个时间，这样依次把所有的灯色的时间显示完后在重新给时间计数器赋初值，重新进入循环。
4.3程序源代码
#include
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
sbitP20=P2^0;
sbitP21=P2^1;
sbitP22=P2^2;
sbitP23=P2^3;
ucharcodetable[10]={0x28,0x7e,0xa2,0x62,0x74,0x61,0x21,0x7a,0x20,0x60};
uchardatabuf[2]={0};
uintr_time=28;
uintg_time=25;
uinty_time=3;
voiddelay（intms）;//延时子程序
uinti=0;
voidr_down（uintred_time）;
voidg_down（uintgreen_time）;
voidy
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