基于单片机的交通灯控制器的设计与实现.docx

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基于单片机的交通灯控制器的设计与实现

[免费论文]基于单片机的交通灯控制器的设计与实现

　　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，同时带动传统控制检测技术日益更新。

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软硬件结合，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。

那么靠什么来实现这井然秩序呢？

靠的就是交通信号灯的自动指挥系统。

交通信号灯控制方式很多。

本系统采用本设计采用74190芯片倒计时控制，每个方向用两片相连实现，另外用74153芯片，因为分析中设置的时间末位均为5，所以只要用一片74153对高位置位，将低位的初值预置锁定为5，而高位则根据需要由反馈部分提供预置值。

绿灯时间可检测车流量并可通过双位数码管显示。

本系统实用性强、操作简单、扩展功能强。

关键词：

单片机，交通灯，车流量

Microcontroller-basedtrafficlightcontrollerdesignandimplementationof

Abstract:

Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnologyinrecentyears,SCMapplicationsaredeepeningatthesametimepromotethegrowingoftraditionalcontroldetectiontechnologyupdates.Inreal-timedetectionandautomaticcontrolofthemicrocomputerapplicationsystem,themicrocontrollerisoftenusedasacorecomponent,onlythemicrocontrollerisnotenoughknowledge,butalsobasedonspecifichardwarestructureofhardwareandsoftwarecombinationtobeimproved.Crossroadsshuttlevehicles,pedestriansbustling,cardealersdriveway,peoplewalkways,methodical.Thenrelyontoachievethisdisciplineoftheorderofit?

Isthetrafficlightsbytheautomaticcontrolsystem.Trafficsignalcontrolmanyways.Thesystemusesthisdesignusesa74190chipcountdowncontrolineachdirection,connectedwiththetworealized,alsousedthe74153chip,becausethetimesetBottomoftheanalysisarefive,soaslongas74,153pairsofhighpositionwithabitofthelowinitialpre-lockedto5,whilethehighisprovidedasneededbythefeedbackpartofthepresetvalues.Greentimeoftrafficflowcanbedetectedbyadouble-digitLEDdisplay.Thesystempractical,simple,extendingstrongfunction.

Keywords:

microcontroller,trafficlights,Trafficflow

1绪论

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。

它由红绿两块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，当车辆接近时,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喇叭，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。

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。

智能交通灯的管理比重修一条马路无论在经济、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的作用

2交通管理方案论证

2.1设计任务东西

（A）、南北（B）两干道交于一个十字路口，各干道有一组红、左转绿、绿三个指示灯，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。

红灯的设计时间为40秒，绿灯及左转绿灯各为20秒。

设A道和B道的车流量相同。

2.2方案介绍

整个交通灯控制由四个状态组成，可以用程序设计实现，也可用时序逻辑实现.以下方案就是分别用了这两种方法。

方案1

设计思想：

采用分模块设计的思想，程序设计实现的基本思想是一个计数器，选择一个单片机，其内部为一个计数，是十六进制计数器，模块化后，通过设置或程序清除来实现状态的转换，由于每一个模块的计数都不是相同，这里的各模块是以预置数和计数器计数共同来实现的，所以要考虑增加一个置数模块，其主要功能细分为，对不同的状态输入要产生相应状态的下一个状态的预置数，如图中A道和B道,分别为次干道的置数选择和主干道的置数选择。

以主干道为例，简述其设计思想。

如前分析，已经确定该系统有四个状态，而置数子模块可定要将下一状态的预置数准备好，所以很容易得到主干道的置数表

表1主干道的置数表

由该表，就可以通过程序循环的方法设计该模块，主要思想是通过数据判断指令、跳转指令实现，由主控制器计时和中断产生的四个状态去译码，从而得到不同的输出，即预置数，由上分析可用一个计数器和跳转指令去完成的预置数。

而红绿灯的显示也是一样，由状态分析可以得出红绿灯的变化表：

表2红绿灯的变化表

通过这张表就可以用组合电路实现该功能了，可以用数据选择器的思想，在本系统中，直接通过门电路的译码，接下来就是计数模块了，其主要的功能细分为，要从预置数开始递减计数，一个状态结束，通过判断，通知主控制模块，使之进入下一模块。

还有一个必须考虑到的就是，预置数必须在下一个状态来之前准备好，而红绿灯的状态变化，必须和计数状态同步，于是引起预置数变化的程序要超前于系统本身的状态变化，所以，系统中的两个状态转换时，在上一状态结束时设置预置数，而控制红绿灯的是随着系统本身状态的变化而变化，体现在本子电路中就是有两组电路去判断符合的状态。

方案2

本方案分三步：

（1）要建立三路信号灯的控制系统，本设计采用7408芯片通过组合逻辑控制三路灯的显示关系。

（2）建立显示控制系统，本设计采用74190芯片倒计时控制，每个方向用两片相连实现，另外用74153芯片，因为分析中设置的时间末位均为5，所以只要用一片74153对高位置位，将低位的初值预置锁定

表3红绿灯的变化表

（3）而高位则根据需要由反馈部分提供预置值。

（4）建立反馈和细节连接部分，本部分主要解决显示和灯控的同步问题本系统采用倒计时系统减为0，如当系统减为0时通过两个D触发器得到两个变量，即为开头分析中的状态，通过它的变化得到不同的逻辑关系，驱动74153控制哪组灯亮（对应关系如表所示），另外他还要同步反馈到显示系统的置数环节。

注意：

本实验中若采用更复杂的四片74190控制主干道的两组灯，再用八片74153分别对74190置数可实现任意数值的交通灯系统。

另外对7408片子的控制红灯的端口用一个与门将一端再接一个频率一定的方波，使一边为黄灯时，另一边的红灯在闪烁。

方案比较：

方案1（以下称1）用了模块设计，而方案2（以下称2）采用的是一般设计，相比之下1有较强的可读性和较强的可修改性，而2则在设计上显得较简单，设计纯朴，便于测试，它的优势则在于提供了一条较为便捷的解决方案。

2首先将许多逻辑关系简化到极点，而后将其一起集成用较少的芯片去完成所需功能。

我们从中可以得出的是，我们最终的设计应该尽量使用模块化设计。

对工程设计人员来说，将来的产品无论从修改还是升级考虑对有好处，但另外我们又需将设计简单化，因此我觉得在设计初期尽可能的简单化设计，而一旦设计的各项测试通过了，在有可能的条件下将设计模块化，所以本设计以第一方案为主进行。

3交通灯系统硬件设计

3.1单片机概述

单片机是由运算器、控制器、存储器、输入设备以及输出设备共五个基本部分组成的。

单片机是把包括运算器、控制器、少量的存储器、最基本的输入输出口电路、串行口电路、中断和定时电路等都集成在一个尺寸有限的芯片上。

通常，单片机由单个集成电路芯片构成，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。

单片机经过1、2、3、4代的发展，目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展，它们的CPU功能在增强，内部资源在增多，引脚的多功能化，以及低电压、低功耗。

目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。

导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。

更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。

它主要是作为控制部分的核心部件。

因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。

3.2系统构成

电路板一块，AT89S51单片机一片，74HC164芯片八片，七段数码管八个。

74LS04反向器一片，发光二极管13个（8个绿的，4个红的用于交通控制，1个用于标识电源），7805三端稳压电源一个，一个按键，一条数据下载线。

系统工作流程（图1）

（1）程序设置初始时间，通过AT89S51单片机内部相应寄存器来实现。

（2）由AT89S51单片机的定时器每秒钟通过P3.0口向74HC164的数据端口送信息，由74HC164的输出口显示红、绿、黄灯的燃亮时间情况；由AT89S51的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口显示每个灯的燃亮情况。

（3）AT89S51通过程序设置各个信号灯的燃亮时间，通过程序设置左转绿、绿、红时间依次为20秒、20秒、40秒循环，由AT89S51的P3口向74HC164的数据口输出。

（4）通过AT89S51单片机的P3口来控制系统是工作。

（5）74HC164的A、B口用于串行输出时间位，经过串并转换送到七段数码管的八的引脚。

而P1口用于输出控制信号．而通过74LS04反向器实现控制各个灯的情况．它采用5V的直流电来驱动二极管。

（6）AT89S51本身集成了看门狗指令，当系统出现异常看门狗将发出溢出中断。

通过专用端口输出，引起RESET复位信号复位系统。

3.3芯片选择与介绍

3.3.1AT89S51芯片

选用的AT89S51与同系列的AT89C51在功能上有明显的提高，最突出是的可以实现在线的编程。

用于实现系统的总的控制。

其主要功能列举如下：

（1）为一般控制应用的8位单片机

（2）晶片内部具有时钟振荡器

（3）内部程式存储器（ROM）为4KB

600）makesmallpic（this,600,1800）;’onload=‘if（this.width>600）makesmallpic（this,600,1800）;’src=“file:

///C:

/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-2820.png”width=“536”height=“469”/>

图1

（4）内部数据存储器（RAM）为128B

（5）外部程序存储器可扩充至64KB

（6）外部数据存储器可扩充至64KB

（7）32条双向输入输出线，且每条均可以单独做I/O的控制

（8）5个中断向量源

（9）2组独立的16位定时器

（10）1个全双工串行通信端口

（11）8751及8752单芯片具有数据保密的功能

3.3.274HC164芯片介绍

74HC164为串行输入、并行输出移位寄存器，74HC164为单向总线驱动器。

在串行口为方式0状态，即工作在移位寄存器方式，波特率为振荡频率的十二分之一。

器件执行任何一条将SBUF作为目的寄存器的命令时，数据便开始从RXD端发送。

在写信号有效时，相隔一个机器周期后发送控制端SEND有效，即允许RXD发送数据，同时，允许从TXD端输出移位脉冲。

第一帧（8位）数据发送完毕时，各控制信号均恢复原状态，只有TI保持高电平，呈中断申请状态。

第一个74HC164把第一帧数据并行输出，LED1显示该数据。

然后，用软件将TI清0，发送第二帧数据。

第二帧数据发送完毕，LED1显示第二帧数据，第一帧数据串行输入给第二个74HC164，LED2显示第一帧数据。

依此类推，直到把数据区内所有数据发送出去。

应该注意，数据全部发送完后，第一帧数据在最后一个LED显示。

由于TXD端最多可以驱动8个TTL门。

3.3.374LS04输出信号与信号灯

要使行人能看见信号灯的情况，必须把P1口输出的信号进行放大，这里我们用74LS04反向器，当极性为高电平时晶闸管导通，该支路指示灯亮；当极性为低电平时关断，该支路指示灯灭。

LED灯的显示原理:

通过同名管脚上所加电平的高低来控制发光二极管是否点亮。

74LS04（6反向器）主要对信号起了反向作用。

7805的功能，提供稳定的+5V电压。

4交通灯软件设计

4.1程序设计流程图

4.2延时的设定

延时方法可以有两种一种是利用AT89S51内部定时器的溢出中断来确定1秒的时间，另一种是采用软件延时的方法。

4.2.1计数器初值计算

我们采用在主程序中设定一个初值为20的软件计数器和使T1定时50毫秒．这样每当T1到50毫秒时ＣＰＵ就响应它的溢出中断请求，进入他的中断服务子程序。

在中断服务子程序中，ＣＰＵ先使软件计数器减１，然后判断它是否为零。

为0表示１秒已到可以返回到输出时间显示程序。

4.2.2相应程序代码

（１）定时器的设置　

定时器需定时５０毫秒。

START:

MOVTMOD,#10H；令ＴＯ为定时器方式１

MOVTH0,#3CH；装入定时器初值

MOVTL0,#0BOH　　

SETBEA　　；打开总中断

SETBET1　；开Ｔ1中断

SETBER　；启动Ｔ1计数器

CLRFLAG1

CLRFLAG2

CLRFLAG3

MOV　R3,　　#20H　　；软件计数器赋初值

（２）相应中断服务子程序

　　　　　ORG　　001BＨ

　　　　　LJMP　　DSD

　　　　　ORG0030H

　DSD：

INC　R3

　　MOVTH0,#3CH；重装入定时器初值

MOVTL0,#BOH　　

CJNER3，#20，FH

DECR0

DECR1

MOVR3，#00H

FH：

RETI

1.程序的软件延时：

AT89S51的工作频率为0—33MHZ，我们选用的AT89S51单片机的工作频率为12MHZ。

机器周期与主频有关，机器周期是主频的12倍，所以一个机器周期的时间为12*（1/12M）=1us。

我们可以知道具体每条指令的周期数，这样我们就可以通过指令的执行条数来确定1秒的时间。

具体的延时程序分析：

DELAY:

MOVR4,#08H延时1秒主程序

DE2:

LCALLDELAY1

DJNZR4,DE2

RET

DELAY1：

MOVR4，#00H；延时125us子程序

D1：

MOVR5，#00H

D2：

DJNER5，DL2

DJNER4，D1

RET

DELAY1为一个双重循坏循环次数为256*256=65536所以延时时间=65536*2=131072us约为125us

DELAYR4设置的初值为8主延时程序循环8次，所以125us*8=1秒

由于单片机的运行速度很快其他的指令执行时间可以忽略不计。

4.3程序的主控制循环调用

用来实现四个状态之间的转换,代码如下:

CJNER2,#01H,AA；判断不相等刚跳转

JBFLAG1,AA；FLAG1为1则跳转

LJMPSEC；跳转到SEC

AA:

CJNER2,#02H,AAA

JBFLAG2,AAA

SETBF0

LJMPTHR

AAA:

CJNER2,#03H,BB

JBFLAG3,BB

LJMPFOU

BB:

CJNER2,#04H,BBB；判断不相等则跳转

CLRF0；F0位清0

CLRFLAG1

CLRFLAG2

CLRFLAG3

LJMPFIR

BBB:

CJNER0,#00H,SGL

INCR2；R2加1

LJMPDIAOY

5.实验步骤

5.1编写程序代码

程序代码分为3个模块：

中断模块，循环模块，算法模块。

5.2按照系统硬件连线图连接好系统并调试

１．调试程序

⑴打开Keil软件，新建工程；

⑵选择芯片；

⑶新建文档，把编写好代码写入文档并保存了ASM文件；

⑷把保存的文档加载到SourceGroup；

⑸编译程序；

⑹设置转换成16进制；

⑺运行程序的结果；

2.把编写好的16进制文件（jtd.hex）输入单片机AT89S51仿真器和对其进行初始化。

3．给实验板进行通电，观察运行结果，不一致则跳到第一步进行反复调试，直到与预定目的一致。

结论

本系统就是利用了AT89S51芯片的I/O引脚。

系统采用美国ATMEL公司生产的单片机AT89S51，以及其它芯片（如：

74HC164、74LS04六位反向器、L7805三端稳压电源）来设计交通灯控制器，实现了红灯亮40秒,绿灯和左转绿灯各亮20秒。

并通过AT89S51来控制74LS04芯片的输出口设置红、绿灯燃亮的功能和控制74HC164来实现在七段数码管上的时间显示；为了系统稳定可靠系统内集成了“看门狗”芯片，避免了系统因为死机而停止工作的情况发生。

系统设计简便、实用性强、操作简单、程序设计简便。

系统不足：

时间设定中没有黄灯的等待闪烁时间，以及自动根据车流改变红绿灯时间，此外，还没有充分考虑的把现代管理、人工智能运用到交通的控制中，来计算交通控制点之间的距离，来更合理的安排红、绿灯的持续时间，使城市的交通管理更加人性化。

使人们远离目前的交通拥塞的现象。

参考文献

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