基于单片机的交通控制系统的设计.docx

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基于单片机的交通控制系统的设计

青海民族大学

毕业论文（设计）

论文题目：

基于单片机的交通控制器的设计

学生姓名：

***学号：

***********

指导教师：

********职称：

教授

院系：

物理与电子信息工程学院

专业班级：

*******************************

二○一二年四月二十九

摘要

近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断深入，同时带动传统控制技术日益更新。

在智能检测控制系统中，往往使用单片机作为核心器件来使用，仅单片机方面的知识是不够的，还应根据具体硬件结构软硬结合，加以完善。

在车辆穿梭的十字路口，如果没有有效控制极易出现混乱。

但仅以传统的方式或交警指挥的话已不能满足当今城市交通的需要，因此需配备智能化的交通控制灯。

交通信号灯控制的方式很多，由单片机控制的交通信号灯是单片机学习中极具典型的设计，同时也是极具实用意义的研究。

本设计依托单片机技术结合LED显示来构成一个中等功能的智能化道路控制系统。

本次设计采用单片机为核心器件来设计道路交通信号灯控制器，程序简单，电路简洁，易操作，实用性强，成本也比较低。

采用单片机模拟十字路口交通灯的各种状态显示是通过Keil软件编写主程序，延时程序，显示程序，按键程序等实现主次路口的红黄绿三色灯的显示控制，用发光二极管作为信号指示灯，用数码管动态来显示时间，具有倒计时的功能，并可根据车流量的大小通过按键开关对信号灯时间进行控制以应对不断变化的客流量。

用proteus进行仿真，经过不断地调试，最终实现对十字路口交通灯的模拟。

关键词：

单片机交通灯控制器显示智能化

Abstract

Inrecentyearsalongwiththerapiddevelopmentofscienceandtechnology,SCMapplicationsarecontinuallydeepening,ledthetraditionalcontroltechnologyisupdatedatthesametime.Intheintelligentmeasurementandcontrolsystem,oftenusingSCMasacorecomponenttouseonlySCMknowledge,isnotenough,shouldbebasedonspecifichardwarestructureofhardwareandsoftwarecombination,tobeperfect.Atthecrossroadsshuttlevehicles,ifthereisnoeffectivecontrolofeasyconfusion.Butonlyinthetraditionalway,orthetrafficpolicecommandwordshavebeenunabletomeetthecurrentcitytrafficneeds,thereforeneedstobeequippedwithintelligenttrafficcontrollights.Thetrafficsignallampcontrolinmanyways,bymicrocomputertocontroltrafficsignallampisasingle-chiplearninginatypicaldesign,butalsoofgreatpracticalsignificancetothestudyof.ThedesignbasedonSCMtechnologycombinedwithLEDdisplaytoformasecondaryfunctionofintelligenttrafficcontrolsystem.

Thisdesignusesasinglechipasthecoredevicetodesigntheroadtrafficsignalcontroller,theprocedureissimple,simplecircuit,easyoperation,strongpracticability,relativelylowcost.ByusingasinglechipmicrocomputersimulationoftrafficlightsatthecrossroadsofvariousstatedisplayisKeilsoftwarethroughthepreparationofthemainprogram,delayprocedures,displayprogram,keyprogramforprimaryandsecondarycrossingofredyellowandgreencolourlightdisplaycontrol,withlightemittingdiodeasthesignallights,digitaltubedynamictodisplaythetime,hasthefunctionofthecountdown,andaccordingtothethesizeofcarflowthroughthekeyswitchonthesignalcontrolthetimetorespondtothechangingflow.Usingproteussimulation,throughconstantdebugging,andultimatelytothecrossroadstrafficlightsimulation

Keyword：

SCMThetrafficlightsControllerDisplayIntelligent

前言

交通信号灯关系着人们生命和财产的安全，信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量，提高道路交通能力，减少交通事故有明显的效果。

目前，红绿灯安装在各个路口，已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段。

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。

交通运输中出现了一些传统方法难以解决的问题，道路拥挤现象日趋严重，造成的经济损失越来越大，并一直保持大比例的增长，现在交通系统已经不能满足经济发展的需求。

由于生活水平的提高，人们对交通运输的安全性及服务水平提出了更高的要求。

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。

单片机作为计算机的一个分支，正不断地应用于实际生活中，它往往是作为一个核心部件使用，针对具体应用对象的特点，配以其他器件加以完善，而在交通管理中引入单片机交通灯控制代替交管人员在交叉路口服务，提高了交通运输的安全性，交通管理的服务质量，并在一定程度上降低由道路拥挤造成的经济损失，同时也减小了工作人员的劳动强度。

本次设计是基于单片机AT89C52来模拟十字路口的交通灯的变化，来更好地了解十字路口的通行状况，来更好地改变现行的交通指挥系统。

中国车辆数量不断增加，交通控制在未来的交通管理中起着越来越重要的作用，智能交通灯的管理在经济上，交通运行速率上都有很好的效益，更加节约资源，使交管人员有更多的精力投入到管理整个城市交通控制，带来更大的经济和社会效益，为创造美好的城市交通形象发挥更多作用。

第一章绪论

1.1交通灯研究的背景和意义

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。

城市交通问题是困扰城市发展、制约城市经济建设的重要因素。

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进展，交通控制领域的控制逻辑方面始终没能取得重大突破。

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交通灯国内外发展概况

交通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。

城市道路增长的有限与车辆增加的无限这一对矛盾是导致城市交通拥挤的根本原因。

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。

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。

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。

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。

一些研究控制理论的学者在交通信号控制领域提出了一些新方法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。

国内外很多学者都进行了此类研究。

交通系统作为一个时变的、具有随机性的复杂系统，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。

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。

第二章系统总体方案

2.1设计的任务和性能指标

2.1.1设计的任务

东西、南北两干道交与一个十字路口，各干道有一组红、黄、绿三色的指示灯，指示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，黄灯燃亮时间为东西南北两干道的公共停车时间。

用数码管进行倒计时提醒剩余通行时间并根据设定好的周期时间指挥车辆在十字路口完成左转和直行交替运行。

在相同的时间里提高通车的质量、效率，并能在高峰期根据实际情况结合方程式控制按钮来调整主次感到的通行时间，降低交通拥挤堵塞现象。

设东西道比南北道的车流量大，指示灯燃亮的方案如下表所示：

60S

5S

80S

5S

......

东西道

红灯亮

黄灯亮

绿灯亮

红灯亮

.......

南北道

绿灯亮

黄灯亮

红灯亮

黄灯亮

......

2.1.2性能指标

（1）当东西方向为红灯，此道车辆禁止通行，东西道行人可通过；南北道为绿灯，此道车辆通过，行人禁止通行。

通行时间为60秒且每种灯亮的时间都用数码管显示（采用倒计时的方法）。

（2）红绿信号转换时，需亮5秒黄灯作为过渡，警示车辆和行人，红、绿灯状态即将切换，以使行驶中的车辆有时间停靠到禁行线以外。

（3）当东西方向为绿灯，此道车辆通行；南北方向为红灯，南北道车辆禁止通行，行人通行。

时间为80秒。

东西方向车辆打通行时间长。

（4）这样如上表的时间和红、绿、黄出现的顺序依次处出现这样行人和车辆就能安全畅通的通行。

（5）此表可根据车辆动态设定红绿灯初始值，车流量增大时通过方程式控制按钮手动控制延长主干道通车时间。

2.2交通管理方案的论证

2.2.1总体方案的设计与比较

方案一：

采用数字逻辑电路实现。

用基本的555芯片来实现定时，用计数芯片完成计时功能，控制电路芯片，译码芯片等基本的芯片，结合电阻，电容等基本元件，用IC焊接拼凑实现，通过逻辑电路实现交通灯的功能。

其主要特点是：

直接用现成IC组合而成，简单方便，但由于选择的元器件多，连接复杂，体积大，功耗大。

方案二：

用EDA技术实现交通灯的功能。

用VHDL语言编程，采用FPGA实现核心控制，通过仿真，调试和测试，达到所需要的技术指标。

特点是：

将所有的器件集中在一个芯片上，体积小，稳定性高。

但是其大部分是基于SRAM编程，编程数据信息在系统断电时丢失，每次上电时，需要从器件的外部存储器或计算机中编程将数据写入SRAM中，使用方法复杂，保密性差而且成本较高。

方案三：

用单片机可编程来实现交通灯的功能。

利用单片机的端口，加上液晶显示和二极管构成基本硬件电路，然后编程实现对定时，控制，显示电路的控制，调试完成设计。

该方案设计简单，成本低，稳定性好，可靠性高，系统可塑性强，控制模块灵活多样等特点。

综合考虑，我们选择方案三进行交通灯的设计。

2.2.2显示部分方案比较

方案一：

采用点阵式LED显示，可方便的显示各种英文字符、汉字、图形等，功能强大，但是这种方案视觉效果不好，实现复杂，且需要完成大量的软件工作。

方案二：

采用液晶显示器显示，LCD的优点主要包括零辐射、低功耗、体积小、字符显示精确等。

但如果采用LCD显示，在距离屏幕1米外就无法看清楚数据，而且在白天对比度也不能满足要求。

方案三：

采用两位数码管显示，结果直观，对比度高，方便观看倒计时功能，性价比高。

权衡利弊，与实际相结合，我们选择方案三来实现显示功能。

2.2.3控制输入部分方案比较

方案一：

矩阵式键盘显示。

该方案的优点是：

硬件结构简单，接口电路配置灵活，占用I/O口少，若用该方案，可提供较多的I/O口，但是每一个按键必须占用一个根接口线，浪费比较大，操作起来比较复杂。

方案二：

独立式键盘即直接在I/O口上接按键开关。

每一个I/O口上只接一个按键，按键的另一端接电源或接地，这种接法程序比较简单且系统更加稳定。

设计时精简和优化了电路，所以剩余的口资源还比较多，由于该系统对于交通灯及LED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。

第三章系统硬件设计

交通灯控制器主要是软硬件结合设计而成，其中硬件设计主要是单片机AT89C51、显示电路、键盘控制电路、信号指示灯电路几部分组成，个部分同时工作，从而实现交通灯的基本功能。

系统原理框图如下：

3.1单片机

3.1.1单片机的简介

单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器，常用英文字母的缩写MCU表示单片机。

单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成。

MCS-51单片机是Intel公司在1980年继MCS-48系列8位单片机之后推出的高档8位单片机。

MCS-51单片机在性能和片内功能方面大大优于MCS-48系列单片机。

MCS-51的典型产品有：

8051、8031、8751、80C51、80C31、87C51等，8051内部有4kBROM，8751内部有4kBEPROM，8031片内无ROM。

除此之外，三者的内部结构及引脚完全相同。

8051引脚配置图如下：

该芯片各引脚功能：

（1）P0口：

一组8位漏极开路型双向I/O口。

也即地址/数据总线复用口。

作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

P1口引脚

特殊功能

P1.5

MOSI（用于ISP编程）

P1.6

MOSI（用于ISP编程）

P1.7

SCK（用于ISP编程）

（2）P1口：

一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。

P1口部分端口引脚及功能如表3-1P1口特殊功能所示。

表3-1P1口特殊功能

（3）P2口：

一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址数据。

在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口线上的内容在整个访问期间不改变。

Flash编程和程序校验期间，P2亦接收低8位地址。

（4）P3口：

一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P3的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对P3口写“1”时，它们被内部的上拉电阻把拉到高电并可作输入端口。

作输入端口使用时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。

P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表3-2所示：

。

P3口引脚

特殊功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

（外部中断0）

P3.3

（外部中断1）

P3.4

T0（定时器0外部输入）

P3.5

T1（定时器1外部输入）

P3.6

（外部数据存储器写选通）

P3.7

（外部数据存储器读选通）

表3-2P3口特殊功能

P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验期间的控制信号。

RST是复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。

WDT溢出将使该引脚输出高电平，设置SFRAUXR的DISRT0位（地址8EH）可打开或关闭该功能。

DISRT0位缺省为RESET输出高电平打开状态。

ALE／

：

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。

即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1／6输出固定的正脉冲信号，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F1ash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M0VX和M0VC指令ALE才会被激活。

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无效。

程序储存允许（

）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次

有效，即输出两个脉冲。

当访问外部数据存储器，没有两次有效的

信号。

／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中的指令。

F1ash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程电压Vpp。

XTAL1：

振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

振荡器特性:

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

3.1.2单片机的应用

单片机是应工业测控需要而产生的，最能反映其功能及形态的名称是在一个应用系统中，Single-chipMicro-controller。

按照测控系统的特点和要求，单片机的应用可分为单机应用和多机应用两大类。

我们这次要完成的单片机课程设计就是它的单机应用，下面在介绍一下单片机在单机应用领域内的主要内容。

（1）智能产品:

单片机与传统机械产品相结合，使传统机械产品结构简化，控制智能化，购成新一代机电一体化产品。

目前，利用单片机构成的智能产品已广泛应用于家用电器、办公设备、数控机床、纺织机械、工业设备等行业。

（2）智能仪表:

目前，各种传感器、变送器、控制仪表已普遍采用单片机应用系统。

它集测量、处理、控制功能于一体，具有各种智能化功能，如存储、数据处理、查找、判断、联网和语音等功能。

单片机构成的智能仪表，能使仪表具有数字化、智能化、多功能化、综合化、柔性化等优点，赋予测量仪表以崭新的面貌，使传统的仪器、仪表发生根本性的变革，它代表了仪器仪表的发展趋势。

（3）测控技术:

用单片机构成的各种工业控制系统中的数据采集系统具有工作稳定可靠、抗干扰能力强的优点，如炉温恒温控制系统、电镀生产自动控制系统等。

（4）智能接口:

在计算机系统，特别是较大型的工业测控系统中，除通用外部设备外，还由许多外部通信、采集、多路分配管理、驱动控制等接口。

这些外部设备与接口如果完全由主机进行管理，势必会造成主机负担过重，运行速度降低，接口的管理水平也不可能提高。

如果用单片机进行接口的控制与管理，单片机与主机可并行加工处理，可以大量降低接口的

通信密度，极大的提高了接口控制管理水平。

在一些通用计算机外部设备上，已实现了单片机的键盘管理、打