交通信号灯仿真模型搭建图解.docx
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交通信号灯仿真模型搭建图解
摘要
现今，随着我国经济水平的不断提升，汽车已成为人们工作生活的重要工具，汽车数量的不断上升给现有城市交通带来不小的压力。
本文主要通过51单片机实现对交叉路口的红绿灯的控制，利用单片机的定时器计时产生中断，通过数码管刷新显示倒计时，为司机和行人提供活动参考，单片机根据当前的系统状态切换到下一个状态。
主干道和支干道是两个互斥的状态，详细介绍了系统的工作原理、工作流程，第三章介绍了系统的硬件设计以及器件选型，硬件包括电源部分，单片机控制模块设计部分，数码管显示部分，按键部分等。
第四章是对软件设计方面的介绍，包括对程序主流程的介绍，以及中断程序模块、数码管显示模块分析介绍，最后还有二极管之间连接电路图、二极管与LED显示器的连接电路图、整体交通灯电路图，总结了系统还存在的可扩展性和不足之处。
第五章用Proteus仿真软件实现了主干道每次放行15秒，支干道每次放行10秒；每次绿灯变红之前，黄灯先亮3秒，此时另一干道上的红灯并闪烁，并且主、支干道交替进行，以及仿真图片。
实践表明，该系统能够安全有效的实现交通秩序的控制和疏解。
【关键词】单片机80C51交通控制LEDProteus仿真
ABSTRACT
Today,asChina'seconomycontinuestoimprove,thecarhasbecomeanimportanttoolinpeople'slifeandwork,thenumberofcarsrisingtotheexistingcitytrafficisnotasmallpressure.
Thispapermainlythroughthecontrolof51single-chiprealizationoftheintersectiontrafficlights,theuseofsingle-chiptimerinterrupttimerrefresh,digitaldisplaycountdown,providingreferencefordriversandpedestrians,SCMtothenextstateaccordingtothecurrentstateswitchingsystem.ThemainroadsandbranchroadsaretwomutuallyexclusiveStates,introducedtheworkingprinciple,workingprocessofthesystem,thethirdchapterintroducesthehardwaredesignanddeviceselection,thehardwareincludesthepowersupplypart,MCUcontrolmoduledesign,digitaldisplay,keypartsetc..Thefourthchapteristhedesignofsoftwareisintroduced,includingthemainprogramflowisintroduced,andtheinterruptprogrammodule,digitaltubedisplaymoduleanalysis,andfinallythediodeconnectedbetweenthediodeandthecircuit,LEDdisplaycircuit,theoveralltrafficlightcircuit,summarizesthesystemhasexpansibilityandshortcomingsplace.ThefifthchapterusestheProteussimulationsoftwareallowed15secondsforeachtrunk,branchtrunkreleaseeach10seconds;beforeeachgreenred,yellowlightonfor3seconds,thentheotherroadsandflashingredlight,andthemaintrunkroad,alternately,andthesimulation.Practiceshowsthat,thesystemcaneffectivelycontroltheflowoftrafficsafetyandease.
【Keywords】MCU80C51TrafficcontrolLEDProteussimulation
前言
交叉路口的交通控制系统保证了车辆的安全，对于路口交通的控制管理，科学的管理和控制是一个重要而又影响深远的研究课题。
在一定程度上它能保证交通安全和畅通更好利用交叉路口的交通资源，是解决城市交通问题的有效途径。
交叉路口信号灯的出现是人类历史上的一个重大变革，对人们的生活产生了太多的影响。
在汽车日益增多的今天，交叉路口信号灯使流量能够得到一定控制，疏导拥堵的交通，减少交通压力，以及对交通事故的减少有显著的效果。
随着越来越多的私家车的使用，交通拥堵已成为严重影响人们生活的一个重大问题。
如何使用适当的控制方法，以最大限度地利用良好的城市的公路建设，缓解主路和匝道以及城市周边地区的交通拥堵，已成为交管部门和城市规划部门要解决的当下难题。
随着电子技术的发展，采用单片机技术，能够智能地管理交通信号灯，它已成为目前广泛使用的方法。
随着社会经济的发展，城市交通承受着越来越大的压力，各大城市的设计规划部门会主导修建更多的高速公路，在完成高速公路的初期建设，会对交通状况的改善起积极作用，然而，随着全球汽车的快速增长，高速道路并没能发挥出建设者预期的效果。
并且，修建公路以来需要庞大的资金支持，二来在现在大中城市寸土寸金的今天，过多的道路是对土地资源的一种浪费。
城市交通控制系统是在现有城市硬件的基础上配套的软件设施，它能够智能化的疏导车流量，缓解车流拥堵，是未来城市交通发展的必然趋势。
交通灯控制是其中的一个部分。
本文主要介绍了基于AT80C51单片机控制的交通灯控制系统的设计过程，首先介绍了关于交通灯出现和发展的历史和现状，然后对本文将要实现的交通灯系统的工作原理和流程做了介绍，并明确了需要实现的功能。
第三章介绍了系统的硬件设计以及器件选型，硬件包括电源部分，单片机部分，数码管显示部分，按键部分等。
第四章是对软件设计方面的介绍，包括对程序主流程的介绍，以及各个程序模块的分析介绍，最后总结了系统还存在的可扩展性和不足之
第一章研究背景和意义
据国家统计局2011年3月1日的官方统计数据表明，直到2010年底，民用汽车的国内保有量达到9086万（包括三轮车和低速货车1284万），增幅比上年同期增加19.3%，其中，私家车同比增加25.3％，保有量达到6539万。
其中民用汽车4029万，增幅比上年增长28.4％，3443万的私家车，增幅比上年同期增长32.2％。
另一组数据显示，2009年北京中心城区早晚高峰平均车速分别为24.3千米每小时和20.4千米每小时，上海中心城区、延安路高架在高峰时间段双向平均拥堵速度20-30kra/小时，单程不到20千米每小时，重庆，武汉，天津，广州等城市，在高峰时段平均速度主干道为20公里/小时，北京主干道高峰时段接近饱和1.0，上海，南京，成都等城市均超过0.8。
北京市民在上班路上耗费的平均时间为50-70分钟，广州，上海，深圳，天津等城市在40分钟以上。
北京交通发展研究中心2010年8月在座谈会上给出了一组数据：
据北京汽车保有量的发展趋势，到2015年，城市的机动车保有量将达到700万，将严重的超过现有路网最大容量，如果不加以控制和引导，2015年平均每天的速度会比15公里每小时更低。
此外，根据公安部交管局信部公布的数据显示，截至2010年底，直到2010年9月底，667个大中城市，约有三分之二的城市交通拥堵的发生高峰期。
这些数据表明，一方面，中国的汽车保有量非常大的上升的比例;而在另一方面，许多中国各大城市交通拥堵问题十分严重，已经成为常态，并有逐年上升的趋势，一些二三线城市正在迅速推动了“拥堵时代”。
自从1858年英国人发明了原有的机械扳手红绿灯，随后一百年，红绿灯在人们的日常生活中占据着重要的地位，随着人们越来越多的社会活动，经济发展，导致汽车数量呈现井喷式的增长，这也造成了城市道路的日益拥挤。
这种情况下交叉路口信号灯更显示出它的功能，缓解交通压力，道路运进行能力得到提高，对交通事故的发生有显著减少效果。
现今，安装在每个交叉口，缓解车辆拥堵的信号灯已成为最直接和最有效的方法。
1858年，在伦敦出现了世界上第一个红绿灯，它是以燃煤气为光源，能够出红色和蓝色两种光，人们将这种机械扳手式信号灯安装在街头交叉路口，用于指挥车辆运输和行人行走，这是世界上第一个红绿灯。
1868年，在英国伦敦的国会大厦广场出现了一种由红色，绿色两种颜色玻璃组成，可通过旋钮进行旋转的红绿灯，它的发明者是英国机械工程师纳伊特，人们规定红色的意思是“停止”，绿色的意思是“注意”。
但是这种红绿灯存在巨大的安全隐患，在使用不久就因为发生爆炸，导致警员受伤，随后被取消。
1914年，在美国又出现了一种电气方式启动的交通灯。
这种红绿灯由红色，绿色和黄色的圆形发射器组成，安装在纽约市的第五大道。
红灯是停止的意思，绿灯是允许通行的意思。
在1918年，已经发明了交通灯和红外线灯的控制系统。
交通灯控制原理有几种，一种是安装一个可以检测压力的检测元件，当车辆靠近时，红灯会变成绿色；另一种是安装音量检测元件启动红绿灯，司机遇到红灯时可以按下喇叭，红灯就会熄灭绿灯亮。
还有一种红外线红绿灯，在路面下安装压面传感器，路面有行人走过，压敏传感器可以检测到，红外可延长红色光束的时间，延迟车辆通行，以免发生交通事故。
交通信号灯的问世，使车流量能够得到一定控制，减少交通压力，保障道路主要通行能力，在减少交通事故方面有显著的效果。
1968年，对各种信号灯颜色的含义，联合国“道路交通信号和道路标志的协议”作出了规定。
交通信号为绿色，表示车辆可以通行，直，左，右转，除非另一个标志禁止特定的转变。
左、右转车辆必须遵循交通法规，使行人优先通过人行横道。
红色是禁行意思，遇到红灯车辆必须停在路口停止线后，黄色是警告意思，遇到黄灯汽车不能越过停车线。
随着经济社会的快速发展，一些传统的方法根本解决不了交通的问题。
道路异常拥堵影响人们的工作和出行，给人们越来越多的经济损失，现在的交通控制系统已不能满足高速发展的需要。
随着生活需求的提高，对运输安全和服务质量提出了更高的要求。
在交通管理控制方面，引进智能控制的红绿灯交通管理可以有效的提高运输安全，提高运输管理服务的质量，并可以在某些程度上减少因交通拥堵造成不必要的经济损失，同时也降低了交管人员的劳动强度。
汽车数目对于中国正在不断的增加，未来交通方面的压力势必是越来越大的，从智慧交通控制的角度去缓解这一压力是一条更加便捷，更加经济的道路。
交通灯的智能管理会比修一条路更加经济，而且对改善交通的运行速度方面都有积极的效果，资源能更好的节约，从而使交管部门人员有更多的时间精力投入到管理整个城市交通控制的问题上，实现更大的社会经济效益，为我们城市打造一个更美好的明天而发挥重要作用。
第二章单片机控制的交通灯的设计方案
第一节系统工作原理和方案
设计的系统应用在一个车流量大的十字交叉路口，东西方向作为主干道，南北方向为支干道。
主、支干道交替通行，两个干道上的交通灯工作方式同时进行，主干道每次放行15秒，支干道每次放行10秒；每次绿灯变红之前，黄灯先闪烁3秒，此时另一干道上的仍为红灯。
主干道和支干道各由一组三色交通灯来控制，分别是主干道方向的红、黄、绿以及支干道方向的红、黄、绿。
逻辑分析可知，当主干道为绿灯通行时，支干道必须为红灯禁行；绿灯结束后，主干道进入黄灯闪烁等待状态，支干道红灯；黄灯结束后，主干道变为红灯禁行，支干道变为绿灯通行；支干道绿灯结束后，支干道进入黄灯闪烁等待状态，主干道红灯，如此循环。
从这个过程中可以看出，交通灯控制共分4个状态，分别为：
S1状态，主干道方向为绿灯，支干道方向为红灯；S2状态，主干道方向为黄灯闪烁，支干道红灯；S3状态，主干道方向为红灯，支干道方向为绿灯；S4状态，支干道方向为黄灯闪烁，主干道红灯，这四个状态不断循环。
由此我们可以列出4个状态的列表和做出4个状态的流程图。
表2.1信号灯状态表
主干道方向（东西）
支干道方向（南北）
说明
红
黄
绿
红
黄
绿
S1
灭
灭
亮
亮
灭
灭
15s通行
S2
灭
闪烁
灭
亮
灭
灭
S1->S2
S3
亮
灭
灭
灭
灭
亮
10s通行
S4
亮
灭
灭
灭
闪烁
灭
S3->S4
图2.1交通灯流程图
系统设置有4个按键，分别为设置键，加键，减键和交通管制键。
设置键是对设置的启动和确认，加键和减键是对通行时间做调整，交通管制键是对红绿灯系统进行强制设置。
当系统上电或手动复位之后，默认模式下会按照断电前程序里记录的参数运行。
若此时设置键按下，则进入通行时间设置状态，数码管上显示原本记录的时间并闪烁，可通过加键或减键键对东西、南北干道等待时间进行修改，修改完成后，按下设置键将新参数保存。
图2.2系统整体框架图
然后系统控制状态灯和LED数码管的显示，将状态码值以及显示的时间值的个位和十位送到相应IO口，通过定时器设定1s定时，当定时时间达到时产生定时器中断，在中断中将时间减一，然后刷新LED数码管的显示。
直到时间值被减为0，判断下一个指示灯状态并装入对应的状态代码和时间值的状态。
图2.2状态灯和LED显示图
第二节本课题主要内容
本课题的主要内容是设计了一种基于AT89C51单片机的控制的交通灯设计。
这次设计以单片机为主要控制器，可以方便的实现十字路口交通灯的控制，实现行人与车流的分流，该系统控制期间各路转弯不再进行。
拟解决的主要问题：
模拟交通信号灯的交替变换。
系统硬件设计与实现。
系统软件设计。
系统软硬件综合调试。
研究主要方法：
本设计根据实际交通法则模拟基本的交通控制系统，用红色LED表示禁行，绿色LED表示通行，黄色LED表示等待的信号，每个方向有一组LED数码管，可以倒计时显示提醒行驶者。
据此，本设计系统以单片机为控制核心，连接成最小系统，和按键设置模块等产生输入，信号灯状态模块，LED倒计时模块。
研究要求：
单片机型号：
AT89C51
纵向为主干道，横向为支干道。
主、支干道交替通行，两个干道上的交通灯工作方式同时进行。
主干道每次放行15秒，支干道每次放行10秒。
每次绿灯变红之前，黄灯先闪烁3秒，此时另一干道上红灯保持。
给出整个系统的结构图、软硬件流程。
第三章交通灯的硬件设计
第一节电源模块设计
系统要想正常而稳定的运行，必须要有一套稳定的电源电路。
为了给单片机和各种芯片提供工作电压，需要将交流220V转换为直流5V。
根据模拟电路学到的知识，转换过程如图3.1所示：
变压器经过一个保险丝连接电源,变压器或后面的电路如果发生短路，保险丝会因大电流引发的高温溶化而断开，从而保证后续电路不会受大电流的损坏。
变压器后面是一个桥式整流电路，整流后会得到一个纹波很大的直流电源，还需要接一个1000uF/25V的电解电容滤除纹波。
变压器输出端的电压经过桥式整流并电容滤波，如果电容两端直接接负载，当负载变化或交流电源电压出现波动时，电解电容C1两端的电压会发生较大幅度变化，要得到一个比较稳定的电压，需要在这里接一个三端稳压器。
当负载电流大时稳压器内的电阻会变小，当负载电流变小时三端稳压器内的电阻又会变大，使的稳压器的输出电压基本保持不变。
单片机和大多数功能芯片的输入电压都是直流5V，这里我们需要将交流220V经过变压器转换为9V的电压，整流后经7805稳压成直流5V。
LM7805最大输出电流为1A，内部有限流式短路保护，短时间内输出端对地（2脚）短路不会烧坏7805。
三端稳压器后面接一个104的瓷片电容，起滤波和阻尼作用。
图3.1220V交流稳压成5V直流原理
第二节单片机控制模块设计
一、方案选择
方案一：
AVR单片机。
AVR不是一个简单的外设功能的叠加，但更多的模型以满足不同设计开发者的实际需要，同时可以提供一个低成本的OTP芯片。
此外，PIC是低功耗的睡眠功能、深度睡眠、上电、掉电复位电路、看门狗电路，外围设备，占用空间小；成本低，安全技术也非常可靠，能够最大程度地满足开发者的实际要求。
因此，在工业控制，PIC单片机被广泛的应用到各行各业的控制中，其稳定性、系统功耗等都为广大开发者认可。
价格相比同性能产品在中上游水平。
方案二：
PIC24H64GP506是16位RISC混合信号处理器，具有以下特点：
工作电压低，最低工作电压1.8V下正常工作。
功耗小，在运行模式下，只有200mA的工作电流，在休眠和待机模式下只有3ma的电流，在poweroff状态下只需要用0.1mA；运行状态中包含提供6种运行模式，3个时钟信号，包括1个高频率的时钟，1个低频时钟和1的DCO，灵活的时钟选择使系统能够在最合理的时钟工作，大大降低了系统功耗，便于系统的设计。
丰富的外设接口，包括标准的UART，SPI、I2C接口，可以和具有相同接口的设备连接进行通讯采集相关外设的数据。
该MCU,具有256位RAM和8kbitFlash内部；中断唤醒功能，可以通过中断使单片机从睡眠模式到主动模式。
方案三：
选择价格低廉的51系列单片机，具有51内核的低功耗、高性能的8位单片机，内含4K字节Flash只读程序存储器，兼容MCS-51指令和80C5l引脚结构，功能强大的微型计算机的AT89C51为工业控制应用系统提供低成本、高可靠性的解决方案。
它具有如下特点：
128字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗，两个16位定时和计数单元，一个5两级中断结构的向量，一个UART通信口，内部晶振和时钟电路。
根据系统实际需要，最终选择成本低廉，便于操作的51系列单片机，型号为STC80C51。
如图3.2所示为51系列单片机内核示意图，图3.3所示为AT80C51单片机最小系统电路图。
图3.28051单片机内核结构示意图
图3.3STC80C51单片机最小系统电路图
二、复位电路
单片机最小系统是指一个微控制器系统可以正常工作需要具备的最少的元件构成的系统。
51系列单片机的最小系统一般应包括：
单片机，晶振电路，复位电路。
复位电路由电阻电容和电阻串联组成，根据电容电压不能突然改变的性质可以知道，一个系统上电，RST引脚默认为低电平，RC电路来决定高电平的时间。
一个典型的51单片机，当RST引脚为高电平两个机器周期以上的将被重置，所以RC值要选择适当，才能确保可靠的复位，根据t=R*C，t要大于两个机器周期，选择电阻阻值为10k，电容容值为10uF。
当然还有其他的参数组合，只要满足原理使RC组合可以产生在RST引脚置高至少两个机器周期。
至于如何具体量化的计算，可以参考电路分析的书籍。
单片机复位电路就像电脑的重启，按下复位按钮内部的程序将从头开始运行。
单片机系统在运行中，可能因为环境干扰等因素导致运行失控，就可以通过复位按键实现对单片机系统的重新启动。
在电路图中，电容器的容值为10uF，电阻器阻值为10k。
所以根据公式，充电电容器增大到0.7倍电源电压，即设备电源是5V，充电电容器电压增长到5*0.7=3.5V这一过程所需要的时间是10K*10UF=0.1S。
也就是说，在计算机启动0.1S的过程中，电容两端的电压会从0增大到3.5V。
这段时间内在电阻10K两端的电压会降低到1.5V（串联周围电路中的电压和总电压）。
所以在0.1S，RST引脚电压为5V〜1.5V。
微控制器启动之后0.1S，电容C连续充电到5V，这是10K电阻两端的电压接近0V，RST在低电平，以使系统正常工作。
当按下按钮时，该开关被接通时，这时在电容器两端形成环路，电容器被短路，电容器放电。
随着时间的推移，电容器两端的电压，从5V释放成为1.5V，或甚至更小。
这时10K电阻器两端的电压达到3.5V，或甚至更多，所以RST引脚变为高电平，单片机系统自动复位。
原则是微控制器复位电路RST引脚接收超过2US的高电平信号，只要电容器充电和放电时间大于2US，即可复位，该电路的电容值和电阻值可以根据实际电路做修改。
按复位键，使电容短路，释放之前储存的能量，使电阻两端电压升高，从而给RST引脚一个高电平。
三、晶振电路
晶振电路是由振荡晶体和两个电容组成，为单片机提供指令时钟。
对于51系统，外部晶振通常选择11.0592MHz，这样可以产生精准的微秒级别的机器时间，准确地得到9600bps和19200bps，用于有串口通讯的场合，方便定时操作。
晶振电路在PCB布线设计时一定要尽量靠近单片机，并且两个引脚到单片机的走线尽量一样长，如果偏差太大会导致起振不良，或者计时不准确。
晶振电路的地一定要和单片机的地共地，51单片机最小系统晶振在正常工作的情况下可以采用更高频率的晶振，51单片机最小系统晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度，频率越大处理速度越快。
在晶振频率的选择上，在能够满足系统需要的前提下尽可能的选择低频率的晶振，晶振频率越低其功耗的能量越低，所以并不是晶振频率越高越好，要根据实际情况对频率和功耗进行取舍。
单片机的外部晶振如果单独跟单片机连接，理论上也是可以起振使单片机工作的，只是这样的结构会使电路中产生很多其他频率的谐波，谐波会降低时钟振荡器的稳定性。
因此，在外部晶振的旁边会通过加一对起振电容去过滤谐波。
起振电容的容值没有特别固定的值，根据不同的单片机会有不同的选择范围，51系列单片机的起振电容一般在15~30pF，在做PCB布线时起振电容离晶振越近越好，而晶振离单片机也是越近越好
第三节LED显示模块
一、LED数码管介绍
LED数码管是由多个发光二极管被封装在一起，以形成“8”字形的装置，引线被连接在内部，每个二极管有自己的一个引脚，他们共同具有一个公共电极。
数码管里有显示7段和一个小数点的8个发光二极管，就会看到相应的数码管段被点亮。
当一个特定的段的LED被施加电压时，这些特定的段将被点亮，以形成我们眼睛看到的图像。
8段LED数码管只能显示简单的0~9的阿拉伯数字和A~F的英文字母，有一些段数比较多的LED可以显示更多的内容，总之，数码管还是以显示数字和字母为主，复杂的显示信息还是需要考虑使用液晶之类的更为复杂的电子器件。
如图3.4所示为8段LED数码管示意图。
图3.4LED数码管示意图
二、LED数码管显示原理
LED数码管主要是通过点亮相应段的发光二极管，在视觉上给人们显示出各个数字和字母的形状，驱动LED数码管的方式有两种，一种是静态显示驱动，另一种是动态显示驱动。
静态显示驱动，也被称为直流驱动。
静态驱动的装置，每个段需要由单片机的一个I/O口来驱动，或者作为BCD码两用。
静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，
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