毕业设计论文交通信号控制系统设计精品Word下载.docx
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3）用单片机的定时器产生秒信号，控制十字路口的红绿黄灯交替点亮和熄灭；
4）用按键设置两个方向的通行时间（绿灯点亮时间）和暂缓黄灯通行时间（黄灯点亮的时间）。
四、设计参考书
《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《单片机技术与应用》
五、设计说明书要求
1）封面
2）内容摘要
3）目录
4）绪论
5）正文（设计方案比较与选择、设计方案原理、计算、分析、设计结果的说明及特点）
6）文献
7）致谢
8）附录（参考文献、图纸、材料清单）
六、毕业设计进程安排
第1周：
材料准备与借阅，了解设计思路。
第2-3周：
设计要求说明及课题内容辅导，完成图纸初稿。
第4-6周：
进行毕业设计，完成说明书初稿。
第7-8周：
第一次检查，了解设计完成情况。
第9周：
第二次检查学生设计完成情况，并做好毕业答辩准备。
第10周：
毕业答辩与综合成绩评定。
七、毕业设计答辩及论文要求
1、毕业设计答辩要求
答辩前三天，每个学生应按时将毕业设计说明书或者毕业论文、专题报告等必要数据交指导老师审阅，由指导老师写出审阅意见。
学生答辩时对自述部分写出的书面提纲，内容包括课题的任务、目的和意义，所采用的原始数据或者参考文献、实验方法、测试方法、鉴别学生独立工作的能力、创新能力。
2、毕业设计论文要求
文字要求：
说明要求打印，不能手写。
文字通顺，语言通顺，排版合理，无错别字，不允许抄袭。
3、图纸要求：
按工程制图标准制图，图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，文字注释必须使用工程字书写。
曲线图纸要求：
所有曲线、图表、线路图、程序框图等不准手画，必须按国家标准或者工程要求绘制。
摘要
近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。
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。
要保证高效安全的交通秩序，除了制定一系列的交通规则，还必须通过一定的科技手段加以实现。
本文在对目前交通控制进行深入分析的基础上，运用检测传感、实时调整智能化控制的实现技术，将传感器监测、实时调整车辆通行时间的算法与单片机控制作用相结合，提出了基于单片机的交通控制系统设计方案。
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MSC-51系列单片机Intel8051和可编程并行I/O接口芯片8255A为中心器件来设计交通灯控制器，实现了能根据实际车流量通过8051芯片的P1口设置红、绿灯燃亮时间的功能；
显示时间直接通过8255的PA、PB口输出；
交通灯信号通过PC口输出；
交通灯的点亮采用VT双向晶闸管来控制，直接采用220V交流电源驱动，系统实用性强、操作简单、扩展性强。
关键词：
单片机，交通灯，控制器，设计，实现
前言
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。
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。
它由红绿两色以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”。
1918年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。
带控制的红绿灯，一种是把压力探测器安在地下，车辆一接近红灯便变为绿灯；
另一种是用扩音器来启动红绿灯，司机遇红灯时按一下嗽叭，就使红灯变为绿灯。
红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时，它就能察觉到有人要过马路。
红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间，推迟汽车放行，以免发生交通事故。
信号灯的出现，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。
1968年，联合国《道路交通和道路标志信号协定》对各种信号灯的含义作了规定。
绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以直行，左转弯和右转弯，除非另一种标志禁止某一种转向。
左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。
红灯是禁行信号，面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车。
黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线，但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。
第一章交通灯的总体方案设计与论证
根据课题任务的要求，该系统具有交通灯的显示功能，倒计时功能，改变时间设定功能，所以把系统分为几个模块，包括倒计时显示器、键盘、交通信号灯、控制模块。
系统硬件框图如下：
图1-1系统硬件连接框图
1.1单片机与外围接口部件
该系统主控芯片单片机采用MCS-8051，它内部具有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向，可以满足该控制系统的设计要求。
锁存器选用74LS373，用于单片机输出地址信号锁存。
Intel8255是一个为微机系统设计的通用并行接口电路，可适用于多种微处理器的通用8位并行输入/输出接口芯片，在该系统中用于控制芯片I/O口的扩展。
1.2电源提供
为使模块稳定工作，须有可靠电源。
我们采用220V交流电源与稳压电源块给系统提供电源，这样既可以有高的输出功率，达到题目所给的要求。
1.3倒计时显示界面
该系统要求完成倒计时、状态灯等功能。
基于上述原因，我们采用数码管与点阵LED相结合的方法因为设计既要求倒计时数字输出，又要求有状态灯输出等，为方便观看并考虑到现实情况，用数码管与LED灯分别显示时间与提示信息。
既满足系统功能要求，又减少了系统实现的复杂度。
1.4输入键盘
键盘在系统作用手动设灯亮时间、紧急情况处理。
按键按照结构原理可分为两类：
一类是触点式开关按键，如机械式开关、导电橡胶式开关等；
另一类是无触点开关按键，如电气式按键，磁感应按键等。
前者造价低，后者寿命长。
目前，微机系统中最常见的是触点式开关按键。
按键按照接口原理可分为编码键盘与非编码键盘两类，这两类键盘的主要区别是识别键符及给出相应键码的方法。
编码键盘主要是用硬件来实现对键的识别，非编码键盘主要是由软件来实现键盘的定义与识别。
全编码键盘能够由硬件逻辑自动提供与键对应的编码，此外，一般还具有去抖动和多键、窜键保护电路，这种键盘使用方便，但需要较多的硬件，价格较贵，一般的单片机应用系统较少采用。
非编码键盘只简单地提供行和列的矩阵，其它工作均由软件完成。
由于其经济实用，较多地应用于单片机系统中。
独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线的状态。
独立式按键的典型应用如图1-2所示：
图1-2独立式按键电路
独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，因此，在按键较多时，I/O口线浪费较大，不宜采用。
图中按键输入均采用低电平有效，此外，上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线有确定的高电平。
当I/O口线内部有上拉电阻时，外电路可不接上拉电阻。
不过，在设计键盘的时候，因为采用的是机械式按键，要考虑键盘去抖问题。
按恢复键对上两者进行恢复到正常状态。
键盘的按键由机械触点构成的。
当开关K未被按下时，P1口输入为低电平，K闭合后，与之对应的P1口输入为高电平。
由于按键是机械触点，当机械触点断开、闭合时，会有抖动，P1口输入端的波形会有尖锋脉冲出现。
如图1-3所示：
图1-3按键触点的机械抖动
为了使CPU能正确地读出P1口的状态，对每一次按键只作一次回应，就必须考虑如何去除抖动，常用的去抖动的方法有两种：
硬体方法和软体方法。
单片机中常用软体法，因此，对于硬体方法这里不采用。
软体方法是在单片机获得P1。
0口为高的信息后，不是立即认定键盘K已被按下，而是延时10毫秒或更长一些时间后再次检测P1键盘接口，如果仍为高，说明K的确按下了，这实际上是避开了按键按下时的抖动时间。
而在检测到按键释放后（P1。
0为低）再延时5-10个毫秒，消除后沿的抖动，然后再对键值处理。
不过一般情况下，我们通常不对按键释放的后沿进行处理，实践证明，也能满足一定的要求。
当然，实际应用中，对按键的要求也是千差万别，要根据不同的需要来编制处理程序，以上是消除键抖动的原则。
具体消抖见软件设计。
键盘采用独立式键盘，单片机的I/O口数可以满足该键盘，并且可以完成题目中的所要求的设定时间、紧急情况控制功能。
第二章硬件的选择与简介
2.1MCS-51单片机
2.1.1MCS-51单片机内部结构
8051单片机包含中央处理器、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明：
图2-1MCS-51结构框图
中央处理器数据存储器（RAM）：
8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。
程序存储器（ROM）：
8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。
单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛（Harvard）结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿（Princeton）结构。
INTEL的MCS-51系列单片机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品16位的MCS-96系列单片机则采用普林斯顿结构。
下图是MCS-51系列单片机的内部结构示意图：
图2-28051内部结构
2.1.2MCS-51单片机外部结构
MCS-51的引脚说明：
MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。
现在我们对这些引脚的功能加以说明：
图2-3MCS-51引脚说明
Pin9：
RESET/Vpd复位信号复用脚，当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。
初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指针写入07H，其它专用寄存器被清“0”。
RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。
然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态，8051的初始态。
Pin30：
ALE/PR/OG当访问外部程序器时，ALE（地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。
而访问内部程序存储器时，ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。
更有一个特点，当访问外部程序存储器，ALE会跳过一个脉冲。
如果单片机是EPROM，在编程其间，PR/OG将用于输入编程脉冲。
Pin29：
PE/SN当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令数据放到P0口上，由CPU读入并执行。
Pin31：
EA/Vpp程序存储器的内外部选通线，8051和8751单片机，内置有4kB的程序存储器，当EA为高电平并且程序地址小于4kB时，读取内部程序存储器指令数据，而超过4kB地址则读取外部指令数据。
如EA为低电平，则不管地址大小，一律读取外部程序存储器指令。
显然，对内部无程序存储器的8031，EA端必须接地。
在编程时，EA/Vpp脚还需加上21V的编程电压。
2.2MCS-51的中断系统和定时计数器
2.2.1中断源
8051单片机有5个中断源和两个中断优先级，高优先级的中断源可以中断低优先级的服务程序，反之不行。
INT0>
T0>
INT1>
T1>
串口中断。
8051没有专门的开中断和关中断的指令，中断的开放和关闭是由特殊功能寄存器IE来实现两级控制的。
有个总开关EA，然后又有ES,ET1,EX1,ET0,EX0五个开关。
为1表示开，为0表示关。
单片机在复位后，IE各位的状态为0，所以CPU处于关中断的状态。
对于串口来说，其中断请求被响应后，CPU不能自动清除中断标志。
用指令来实现关中断。
其他中断源的中断标志在CPU响应中断后自动清除。
中断优先级由IP来控制，PS,PT1,PX1,PT0,PX0，置为1表示高优先级。
2.2.2T0中断及其响应过程
本文使用实际例子来介绍8051定时器的具体用法：
我们知道8051有两个定时器：
分别为定时器0和定时器1.我们使用其中的一个座位例子（定时器0）进行介绍：
定时/计数器0可以工作在4中工作方式中：
方式0方式1方式2方式3工作方式0是13位的计数器工作方式1是16位的计数器工作方式2带有数据自动重装的功能，因此，定时更精确。
经常用于波特率发生器。
工作方式3是将它当做两个8位的定时器来用。
主要与另一个定时器工作于方式2时配套使用。
今天，我就以方式1说一下，定时器如何使用：
在使用定时器之前，要先对定时器的工作方式做一下规定：
TMOD寄存器就是专门用来管理这个参数的：
我们仅仅使用定时器0，不使用定时器1，所以，TMOD为0x01；
即工作方式1然后给定时器赋予初值：
TH0和TL0赋完初值之后还要将cpu的中断允许打开：
EA=1；
ER0=1；
分别是打开总中断和打开定时器0的中断。
这时，定时器是不是已经开始定时了呢？
没有，这时，我们需要给它启动起来！
TR0=1；
就启动了定时器。
在cpu将定时器0计满的时候，硬件会自动的将TCON中的TF0置于1，引起cpu中断。
但是就会自动跳转到中断处理函数中。
在中断函数中，我们需要重新给T0赋初值。
以确保定时的准确。
2.3输入输出接口P0-P3
2.3.1P0-P3口功能和内部结构
（1）每个端口都具有输入/输出功能，可作为通用I/O口使用。
作输出时数据可以锁存，作输入时数据可以缓冲。
4个端口的每一位都可独立使用。
（2）P0口和P2口可用于与外部存储器的连接。
这时，P0作为数据/地址分时复用端口，P0口先输出外部存储器的低8位地址，并在外部锁存，而后再输出读入数据。
在16位寻址时，P2口输出外部存储器的高8位地址。
当P0口和P2口用作数据/地址总线时，它们不能再作为通用I/O口。
（3）P3口除作为通用I/O口外，还有第二种功能。
P3口的第二种功能定义如下：
P3.0RXD（串行数据输入口）P3.1TXD（串行数据输出口）P3.2INT0（外部中断0）P3.3INT1（外部中断1）P3.4T0（定时器/计数器0外部输入）P3.5T1（定时器/计数器1外部输入）P3.6WR（外部数据存储器写脉冲）P3.7RD（外部数据存储器读脉冲）对于8052，P1口的两个引脚也有第二种功能：
P1.1T2EX（定时/计数器2捕捉/重装入触发）应注意，只有相应端口某一位所对应的锁存器为1时，才允许第二种功能有效，否则该位将始终为0。
2.4时钟电路和复位电路
2.4.1时钟电路
8051单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：
内部振荡方式和外部振荡方式。
在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器（简称晶振）或陶瓷谐振器，就构成了内部振荡方式。
由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。
内部振荡方式的外部电路如图2-4所示：
外部振荡方式是把外部已有的时钟信号引入单片机内。
这种方式适宜用来使单片机的时钟与外部信号保持同步。
外部振荡方式的外部电路如下图所示：
图2-4内部时钟和外部时钟
2.4.2复位电路
当MCS-5l系列单片机的复位引脚RST（全称RESET）出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。
如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。
根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：
上电复位和上电或开关复位。
上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。
常用的上电复位电路如下图所示。
图中电容C1和电阻R1对电源十5V来说构成微分电路。
上电后，保持RST一段高电平时间，由于单片机内的等效电阻的作用，不用图中电阻R1，也能达到上电复位的操作功能。
电路如图2-5所示：
图2-5自动复位和手动复位
2.5其他器件
2.5.1数码管与交通信号灯
显示器是最常用的输出设备。
特别是发光二极管（LED）和液晶显示器（LCD），由于结构简单、价格便宜、接口容易，得到广泛的应用，尤其在单片机系统中大量使用。
现在简单介绍发光二极管。
发光显示器是单片机应用产品中常用的廉价输出设备。
它是由若干个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应的一个点或一个比划发光，控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。
点亮显示器有静态和动态两种方法。
所谓静态显示，就是当显示器显示某一个字符时，相应的发光二极管恒定的导通或截止。
例如，七段显示器的a、b、c、d、e、f导通，g截止，则显示0。
这种显示器方式，每一位都需要一个8位输出口控制，所以占用硬件多，一般用于显示器位数较小（很少）的场合。
当位数较多时，用静态显示所需的I/O口太多，一般采用动态显示方法。
所谓动态显示就是一位一位的轮流点亮各位显示器（扫描），对于每一位显示器来说，每个一段时间点亮一次。
显示器的点亮既跟点亮时的导通电流有关，也跟点亮时间和间隔时间的比例有关。
调整电流和时间的参数，可实现亮度较高较稳定的显示。
若显示器的位数不大于8位，则控制显示器公共极电位只需一个I/O口（称为扫描口），控制各位显示器所显示的字形也需一个8位口。
图2-6晶闸管与数码管示意图
要使行人能看见信号灯的情况，必须把8255输出的信号进行放大VT为双向晶闸管，当门极为高电平时晶闸管导通，该支路指示灯亮；
当门极为低电平时晶闸管关断，该支路指示灯灭。
第三章控制器硬件系统设计
3.1系统硬件设计方案
（1）东西方向或者南北方向的交通灯在通常工作条件中有四种状态：
前行灯＋人行道（状态1）、前行灯＋右转（状态2）、左转（状态3）、红灯（状态4）这四种状态（在每个灯变化时还有闪烁状态，这在软件中实现）。
状态说明：
（状态1）前行灯＋人行道：
车辆前行；
行人可通过人行道；
（状态2）前行灯＋右转：
车辆可向前、向右行驶；
（状态3）红灯＋左转：
车辆向左行驶；
但不能前行；
（状态4）红灯：
禁止通行与转弯；
图3-1十字路口交通示意图
图3-2交通灯控制线路图
上面所述4种状态是南北或者东西方向的一条道上的四种状态，根据交通规则与十字路口的实际情况，可以把南北和东西路口的总控制系统的状态分为6种：
S1：
南北（状态1）+东西（状态4）S2：
南北（状态2）+东西（状态4）S3：
南北（状态3）+东西（状态4）S4：
南北（状态4）+东西（状态1）S5：
南北（状态4）+东西（状态2）S6：
南北（状态4）+东西（状态3）本系统还设计了应急况处理；
在紧急情况下，设置交通灯状态为：
S7：
全红：
东南西北所有方向禁止通行。
S8：
南北红、东西绿：
南北方向禁行；
东西方向通行。
S9：
东西红、南北绿：
东西方向禁行；
南北方向通行。
所以按照上面所分析的交通规则方案，可以得出每个方向的交通灯数目为4个，分别为：
直行箭头灯、左转灯、右转灯、人行道灯。
分别用字母Z、L、R、M表示。
根据分析的九种状态，可以分析出控制系统的九种工作状态的真值表如表3-1：
表3-1状态真值表
各个交通状态的时间设定：
假设路口两个交叉道路车流量相当，可以把正常通行下的六个状态时间设定为：
S130秒、S230秒、S320秒、S430秒、S530秒、S620秒。
时间设定如果需要改变，可以通过键盘输入设定。
3.2系统工作原理
（1）开关键盘输入交通灯初始时间，通过8051单片机P1输入到系统。
键盘编号为K1，K2，K3，K4，K5分别连接单片机的P1。
0，P1。
1，P1。
2，P1。
3，P1。
4主程序中放了一个按键的判断指令，当有键按下的时候，程序就跳转到按键子程序处理，当检测到K2键按下的时候就自动返回到主程序。
按紧急预案键K5后，先出现全红状态，再按一下该键，又出现一方通行状态，再按，则另一方通行。
如此循环。
按手动控制键后，进行手动控制，每按一次，灯会转到下一个状态。
按键分别接到单片机的P1口对于这种键各程序可以采用不断查询的方法，功能就是：
检测是否有键闭合，如有键闭合，则去除键抖动，判断键号幷转入相应的键处理，具体程序设计程序部分，在此不在累述。
（2）由8051单片机的定时器每秒钟通过P0口向8255的数据口送信息，由8255的PC口显示左转、直行、右转、人行道灯的燃亮情况；
由8255的PA、PB口显示每个灯的燃亮时间。
（3）8051通过设置各个信号等的燃亮时间、通过8051设置，状态S1、状态S2、状态S3、状态S4、状态S5、状态S6时间依次为30秒、30秒、20秒、30秒、30秒、20秒循环由8051的P0口向8255的数据口输出。
（4）通过8051单片机的P3。
0位来控制系统是工作或设置初值，当该位电平为0就对系统进行初始化，为1系统就开始工作。
图3-3系统电
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