交通灯的设计文档格式.docx
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第1章绪论
1.1课题研究背景与意义
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检测、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。
交通灯是城市经济活动的命脉，对城市经济发展、人民生活水平的提高起着十分重要的作用。
城市交通问题是困扰城市发展、制约城市经济将设的重要因素。
城市道路增长的有限与车辆增加的无限这一对矛盾事故导致城市交通拥挤的根本原因。
城市街道网络上的交通容量的不断增加，表明车辆对道路容量的要求仍然很高，短期内还不可能改变。
自从开始使用计算机控制系统后，不管在控制硬件里取得什么样的实际发展，交通控制领域的控制逻辑方面始终没能取得重大突破。
在十字路口设置交通灯可以对交通进行有效的疏通,并为交通参与者的安全提供了强有力的保障。
但是随着社会、经济的快速发展,原先的交通灯控制系统已经不能适应现在日益繁忙的交通状况。
如何改善交通灯控制系统,使其适应现在的交通状况,成为研究的课题。
传统的十字路口交通控制灯,通常的做法是:
事先经过车辆流量的调查,运用统计的方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好。
然而,实际上车辆流量的变化往往是不确定的,有的路口在不同的时段甚至可能产生很大的差异。
即使是经过长期运行、较适用的方案,仍然会发生这样的现象:
绿灯方向几乎没有什么车辆,而红灯方向却排着长队等候通过。
这种流量变化的偶然性是无法建立准确模型的,统计的方法已不能适应迅猛发展的交通现状,更为现实的需要是能有一种能够根据流量变化情况自适应控制的交通灯。
目前,大部分城市中十字路口交通灯的控制普遍采用固定转换时间间隔的控制方法。
由于十字路口不同时刻车辆的流量是复杂的、随机的和不确定的,采用固定时间的控制方法,经常造成道路有效利用时间的浪费,出现空等现象,影响了道路的畅通,还行成了拥堵现象。
可以肯定的说，对于减轻交通拥塞及其副作用特别是对于大的交通网络而言，仍然缺乏一种真正的交通响应控制策略。
计算机硬件能力与控制软件能力很不相符，由此造成的影响是很多交通控制策略根本不能实现。
在少数几个例子中，一些新的控制策略确实能得以实现，但他们却没能对早期的控制策略进行改进。
由于缺乏能提高交通状况、特别是缺乏拥塞网络交通状况的实时控制策略，几乎可以说真正成熟的控制策略仍然不存在。
智能化和集成化是城市交通信号控制系统的发展趋势和研究前沿，而针对交通系统规模复杂性特征的控制结构和针对城市交通瓶颈问题并代表智能决策的阻塞处理则是智能交通控制优化管理的关键和突破口。
因此，研究基于智能集成的城市交通信号控制系统具有相当的学术价值和实用价值。
把智能控制引入到城市交通控制系统中，未来的城市交通控制系统才能适应城市交通的发展。
从长远来看，该研究具有巨大的现实意义。
1.2国内外交通灯研究的发展概况
随着经济的发展，城市现代化程度不断提高，交通需求和交通量迅速增长，城市交通网络中交通拥挤日益严重，道路运输所带来的交通拥堵、交通事故和环境污染等负面效应也日益突出，逐步成为经济和社会发展中的全球性共同问题。
交通问题已经日益成为世界性的难题，城市交通事故、交通阻塞和交通污染问题愈加突出。
为了解决车和路的矛盾，常用的有两种方法，一是控制需求，最直接的办法就是限制车辆的增加，二是增加供给，也就是修路。
但是这两个办法都有其局限性。
交通是社会发展和人民生活水平提高的基本条件，经济的发展必然带来出行的增加，而且在我国汽车工业正处在起步阶段的时期，因此限制车辆的增加不是解决问题的好方法。
而采取增加供给，即大量修筑道路基础设施的方法，在资源、环境矛盾越来越突出的今天，面对越来越拥挤的交通，有限的源和财力以及环境的压力，也将受到限制。
这就需要依靠除限制需求和提供道路设施之外的其他方法来满足日益增长的交通需求。
交通系统正是解决这一矛盾的途径之一。
智能交通系统是将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、电子控制技术及计算机处理技术等有效的集成运用于整个地面交通管理系统而建立的一种在大范围内、全方位发挥作用的实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。
对城市交通流进行智能控制，可以使道路畅通，提高交通效率。
合理进行交通控制可以对交通流进行有效的引导和调度，使交通保持在一个平稳的运行状态，从而避免或缓和交通拥挤状况，大大提高交通运输的运行效率，还可以减少交通事故，增加交通安全，降低污染程度，节省能源消耗，本文就是通过对交叉路口交通信号的智能控制，达到优化路口交通流的目的。
交通系统作为一个时变的、具有随机性的复杂系统，传统的人为设定多种方案或是建立各种预测模型均比较困难。
城市交通控制研究的起源比较早。
1868年，英国伦敦燃汽信号灯的问世，标志着城市交通控制的开始。
1913年，在美国俄亥俄州的Cleveland市出现了世界上最早的交通信号控制。
1926年美国的芝加哥市采用了交通灯控制方案，每个交叉口设有唯一的交通灯，适用于单一的交通流。
从此，交通控制技术和相关的控制算法得到了发展和改善，提高了交通控制的安全性、有效性，并减少了对环境的影响。
进入20世纪70年代，随着计算机技术和自动控制技术的发展，以及交通流理论的不断完善，交通运输组织与优化理论和技术水平不断提高，控制手段越来越先进，形成了一批商水平有实效的城市道路交通控制系统。
早在1977年，Pappis等人就将模糊控制运用到交通控制上，通过建立规则库或是专家系统对各种交通状况进行模糊控制，并取得了很好的效果。
近年来，欧美日本等相继建立了智能交通控制系统。
在这些系统中，大部分都在路口附近安装磁性环路检测器，还使用了新型检测器等技术和设备。
这些现代化设备技术加上控制理论和现代化科学管理技术，使得交通控制系统日益完善。
随着一些研究控制理论的学者投身到交通控制的研究中，在交通信号控制领域提出了一些新方法、新思路。
如静态多段配时控制、准动态多段配时控制、最优控制、大系统递阶控制、模糊控制、神经网络控制，网络路由控制等。
模糊交通控制已经成为了交通信号控制的主流方向之一。
虽然模糊控制能有效处理模糊信息，但是产生的规则比较粗糙，利用规则表查表进行控制，运算速度虽然比较快，但没有自学习功能。
而且这些研究有些以相序固定为前提。
不能保证相序与实际交通流状况的一致性，影响了绿灯时间的利用率。
有些研究则提出了可变相序的模糊控制方法，提高了绿灯时间的利用率，弥补了相序固定的缺点，但同时也存在一些不足。
例如目前应用比较好的交通系统，SCOOT（经典交通系统），他们都是主要采用统计模型和经典算法。
但城市交通系统是一个复杂的、随机性很强的巨型系统，要想建立实用性较强的数学模型是十分困难。
利用模糊控制智能控制技术进行交叉口信号灯控制能取得比定时控制与感应控制更好的效果，是今后单交叉路口信号灯控制的主要研究方向。
目前，国内的交通灯一般设在十字路门，在醒目位置用红、绿、黄三种颜色的指示灯。
加上一个倒计时的显示计时器来控制行车。
对于一般情况下的安全行车，车辆分流尚能发挥作用，但根据实际行车过程中出现的情况，还存在缺点，两车道的车辆轮流放行时间相同且固定，在十字路口，经常一个车道为主干道，车辆较多，放行时间应该长些，另一车道为副干道，车辆较少，放行时间应该短些。
1.3课题设计内容
本课题对基于单片机的交通灯控制系统进行设计。
以AT89S52系列单片机为控制核心，设计并制作交通灯控制系统，用于十字路口的车辆及行人的交通管理。
东西南北四个路口具有直行通行指示灯，并分别用计时器显示路口通行转换剩余时间。
设计交通灯控制系统硬件电路与软件控制程序，对硬件电路与软件程序分别进行调试，并进行软硬件联调。
第2章系统方案设计
2.1设计要求
（1）南北方向（主干道）车道和东西方向（支干道）车道两条交叉道路上的车辆交替运行，主干道每次通行时间都设为30秒、支干道每次通行间为20秒，时间可设置修改。
（2）在绿灯转为红灯时，要求黄灯先亮5秒钟，才能变换运行车道。
（3）黄灯亮时，要求每秒闪亮一次。
（4）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显示器进行显示（采用计时的方法）。
（5）一道有车而另一道无车（实验时用开关K0和K1控制），交通灯控制系统能立即让有车道放行。
（6）有紧急车辆要求通过时，系统要能禁止普通车辆通行，A、B道均为红灯，紧急车由K2开关模拟。
2.2设计任务
（1）东西、南北车辆交替运行，时间可设置修改。
（2）绿灯转为红灯时，黄灯闪亮（间隔1秒）。
（3）能显示剩余时间。
（4）能对交通运行进行控制。
2.3设计方案
根据系统的设计要求，选择单片机AT89S52来完成定时、查询、中断功能；
能够根据十字路口两个方向上车辆动态状况，采用查询的方式，根据具体情况，自动给予时间通行，其中利用中断方式来处理特殊情况。
这样既方便驾驶员、路人，同时还可以紧急处理一些紧急实况。
同样具有红、黄、绿灯的显示功能，为驾驶员、路人“照明”。
交通灯总体电路结构框图如图2.1所示。
图2.1交通灯总体电路结构框图
第3章电路设计
3.1AT89S52介绍
与MCS-51单片机产品兼容、8K字节在系统可编程Flash存储器、1000次擦写周期、全静态操作：
0Hz～33Hz、三级加密程序存储器、32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器、八个中断源、全双工UART串行通道、低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符。
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
8位微控制器8K字节在系统可编程FlashAT89S52。
P0口：
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。
在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；
在程序校验时，输出指令字节。
程序校验时，需要外部上拉电阻。
P1口：
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。
在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。
引脚号第二功能：
P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出；
P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）；
P1.5MOSI（在系统编程用）；
P1.6MISO（在系统编程用）；
P1.7SCK（在系统编程用）。
P2口：
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。
在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。
在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
P3口：
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。
在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。
端口引脚第二功能：
P3.0RXD（串行输入口）；
P3.1TXD（串行输出口）；
P3.2INTO（外中断0）；
P3.3INT1（外中断1）；
P3.4TO（定时/计数器0）；
P3.5T1（定时/计数器1）；
P3.6WR（外部数据存储器写选通）；
P3.7RD（外部数据存储器读选通）。
此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。
RST——复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。
ALE/PROG——当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是：
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。
如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。
该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。
此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。
PSEN——程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。
EA/VPP——外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。
需注意的是：
如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。
FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。
3.2单片机最小系统
（1）复位电路：
上电+按钮
图3.1复位电路原理图
当8051的ALE及/PSEN两引脚输出高电平，RST引脚高电平到时，单片机复位。
RST/VPD端的高电平，若直接由启动瞬间产生，则为启动复位，若通过按动按钮产生高电平复位称手动复位。
图中，上电时，接通电源，电容器C相当于瞬间短路，+5V加到了RST/VPD端，该高电平使8051全机复位。
若运行过程中，需要程序从头执行，只需按动按钮S，则直接把+5V加到了RST/VPD端，从而复位。
（2）晶振电路:
图3.2晶振电路原理图
3.3系统原理图
图3.3系统原理图
第4章程序设计
4.1主程序流程图
图4.1主程序流程图
4.2紧急中断子程序流程图
图4.2中断子程序流程图
4.3循环流程控制思路
图4.3循环流程图
第5章系统仿真
5.1Proteus简介
Proteus软件是一种低投资的电子设计自动化软件，提供可仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件和多达30多个元件库。
Proteus软件提供多种现实存在的虚拟仪器仪表。
此外，Proteus还提供图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来。
这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗，尽可能减少仪器对测量结果的影响，Proteus软件提供丰富的测试信号用于电路的测试。
这些测试信号包括模拟信号和数字信号。
提供SchematicDrawing、SPICE仿真与PCB设计功能，同时可以仿真单片机和周边设备，可以仿真51系列、AVR、PIC等常用的MCU，并提供周边设备的仿真，例如373、led、示波器等。
Proteus提供了大量的元件库，有RAM、ROM、键盘、马达、LED、LCD、AD/DA、部分SPI器件、部分IIC器件，编译方面支持Keil和MPLAB等编译器。
一台计算机、一套电子仿真软件，在加上一本虚拟实验教程，就可相当于一个设备先进的实验室。
以虚代实、以软代硬，就建立一个完善的虚拟实验室。
在计算机上学习电工基础，模拟电路、数字电路、单片机应用系统等课程，并进行电路设计、仿真、调试等。
该软件实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合，具有模拟电路仿真、数字电路仿真、各种单片机（51系列、AVR、PIG等常用的MCU）及其外围电路（如LCD、RAM、ROM、键盘、LED、A/D、D/A……）组成的系统仿真。
提供了多种虚拟仪器。
如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等，调试非常方便。
提供软件调试功能，同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil等软件。
具有强大的原理图绘制功能。
Proteus与其它单片机仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机CPU的工作情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。
因此在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变,而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。
对于这样的仿真实验．从某种意义上讲，是弥补了．实验和工程应用阉脱节的矛盾和现象。
同时，当硬件调试成功后，利用ProteusARES软件，很容易获得其PCB图，为今后的制造提供了方便。
5.2电路原理图及系统仿真
图5.1正常运行仿真图
图5.2紧急中断仿真图
图5.3南北强制通行仿真
图5.4东西强制通行仿真图
第6章课程设计体会
一个月的综合电子课程设计很快就结束了，在这一月当中，虽然开始有点困难，但是经过我们分工合作，合理地进行设计安排，再加上老师的耐心指导，我们们终于顺利地完成了本次单片机课程设计，同时也学到了很多东西。
在本次课程设计中，我们通过动手实践操作，进一步学习和掌握了单片机原理的有关知识，特别是程序的编程方面，加深了对单片机原理及应用技术的认识，进一步巩固了对单片机知识的理解，掌握简单单片机应用系统的设计、制作、调试的方法。
在设计时根据课题要求，复习相关的知识，查询相关的资料。
根据实验条件，找到适合的方案，找到需要的元器件及工具，进行实验。
这次的单片机课程设计重点是通过实践操作和理论相结合，提高动手实践能力，提高科学的思维能力，更在一周的时间了解了更多的有关单片机的知识，使知识更加丰富，使自己更加充实。
与此同时，我们也对团队分工合作有了进一步的认识，只有通过合理的分工合作，我们们才能够在短短一周的时间内完成设计任务，相信这对以后在社会上工作和学习会有很多帮助，让我们能更好的进入工作状态。
最重要的是，这次课程设计也增加了我们对问题的研究和探讨，们以后的学习中会有更多的帮助。
单片机为我们的主要专业课之一，但要做好一个课程设计，就必须做到：
在设计程序之前，对所用单片机的内部结构有一个系统的了解，知道该单片机内有哪些资源；
要有一个清晰的思路和一个完整的的软件流程图；
在设计程序时，不能妄想一次就将整个程序设计好，反复修改、不断改进是程序设计的必经之路；
要养成注释程序的好习惯，一个程序的完美与否不仅仅是实现功能，而应该让人一看就能明白你的思路，这样也为资料的保存和交流提供了方便；
在设计课程过程中遇到问题是很正常德，但我们们应该将每次遇到的问题记录下来，并分析清楚，以免下次再碰到同样的问题的课程设计结束了，但是从中学到的知识会让我们受益终身。
在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。
实验过程中，使我更加扎实的掌握了有关单片机的基础知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。
实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。
过而能改，善莫大焉。
在课程设计过程中，我不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。
最终的调试运行环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。
在实验的过程中我们发现虽然感觉理论上已经掌握，但在运用到实践的过程中仍有意想不到的困惑，经过一番努力才得以解决。
在完成单片机课程设计后,我们们发现我们们还有许多不足,所学到的知识还远远不够,以至于还有一些功能不能被动完成。
但通过学习这一次实践,增强了我们们的动手能力,提高和巩固了单片机方面的知识,特别是软件方面。
从中增强了我们的团队合作精神,并让我们们认识到把理论应用到实践中去是多么重要。
当然这次课程设计，提高了知识的应用能力和和实践能力，同时提高了独立思考独立完成任务的能力，当然同组之间，遇到了实在没办法解决的问题，也相互的咨询和讨论，加强了大家的合作精神和团结能力。
这对以后的学习和工作都有重要意义。
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致谢
对于此次课程设计，我感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识
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