交通灯控制电路设计毕业设计.docx
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交通灯控制电路设计毕业设计
信息职业技术学院
毕业设计说明书（论文）
设计（论文）题目:
交通灯控制电路设计
专业:
应用电子技术
班级：
应电08-2班
学号:
姓名:
指导教师:
二〇一〇年九月十日
息职业技术学院毕业设计任务书
学生
姓名
学号
班级
应电08－2
专业
应用电子技术
设计题目
交通灯控制电路设计
指导教师姓名
职称
工作单位及所从事专业
联系方式
备注
工程师
设计（论文）内容：
运用单片机知识、技能设计一个可控交通灯。
功能要求如下：
1．正常情况下，东西、南北实现交通灯基本功能。
2．具有手控东西南北各方向紧急情况处理功能。
3．具有人行道红绿灯指示功能和通行时间倒计时功能。
设计内容：
完成电路设计方案的选择；单元电路的设计；整机电路的原理分析；电路实物的制作（选）。
进度安排：
第2～3周：
消化课题，收集有关资料，选择参考方案；
第4～5周：
确定设计方案并熟悉部分器件的用途；
第6～7周：
划分功能模块，设计单元电路，软件模块设计；
第8～9周：
分析电路原理，完成设计过程，仿真电路（制作实物）；撰写论文初稿。
第10～11周：
按毕业论文的各项要求，整理论文；
第12周：
修改、完善论文，检查定稿；
第13周：
制作PPT，准备答辩；
第14～15周：
毕业答辩。
主要参考文献、资料：
[1]沈鸿星.LED交通信号灯系统的硬件设计[J].北京:
电子工业出版社，2004
[2]何立民.单片机高级教程[M].北京:
航空航天大学出版社，2000
[3]查振亚.智能交通灯控制系统[J].北京:
华中理工大学学报，1997
[4]谭浩强.C程序设计[M].北京:
清华大学出版社，1999
[5]何立民.单片机应用技术大全[M].北京:
航空航天大学出版社，1994
审
批
意
见
教研室负责人：
年月日
备注：
任务书由指导教师填写，一式二份。
其中学生一份，指导教师一份。
目 录
摘 要
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监测、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。
本系统由单片机系统、键盘、LED显示、交通灯演示系统组成。
系统包括人行道、左转、以及基本的交通灯的功能。
系统除基本交通灯功能外，还具有倒计时、时间设置、紧急情况处理、以及根据具体情况手动控制等功能。
它可以实现对车辆、行人的有效导引。
选用LED发光二极管和LED数码显示管，形象直观；选择LED发光二极管可以从发光颜色上区别人和车的通行与停止；而LED数码显示管可直观显示通行时间，该系统还可根据交通拥挤情况通过触发按键设置通行时间，以提高效率，缓减交通拥挤。
关键字 单片机；交通灯；控制器
引 言
随着社会和城市交通的快速发展，近几年机动车辆数字急剧增加，道路超负荷承载道路现象严重，致使交通事故逐年增加。
交通信号灯的出现，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。
俗话说“要想富，先修路”，但路修好了如果在交通控制方面做不好道路还是无法保障畅通安全。
作为交通控制的重要组成部份的交通信号灯也应国际化。
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监测、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。
随着城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况。
因此，自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。
然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。
而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。
所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。
可见交通灯是城市交通有序、安全、快速运行的重要保障，因此解决好公路交通信号灯控制问题也成了保障交通有序、安全、快速运行的重要环节。
本设计是一款基于单片机AT89C51为控制核心的交通控制系统，它可以实现对车辆、行人的有效导引。
设计中我们选用红、绿、黄三种不同LED发光管作为车辆和行人的指示，简化了设计，形象直观；采用LED数码管作为倒计时显示，可靠性高、抗干扰能力强。
该系统还可根据交通拥挤情况可以设置主干道的通行时间，以提高效率，缓减交通拥挤；当出现紧急情况时，交警可将系统设置成手动，让某路口车辆通行，此路口行人禁行，紧急情况结束后再转成自动状态。
本设计并对系统物理结构进行了优化，很有城市交通道口的“模型”味。
第1章 方案设计与论证
设计要求要实现交通灯基本信息指示功能的基础上，还要实现倒计时时间和工作状态显示、紧急情况处理等功能，如何选择有效方案至关重要。
1.1总体方案设计思想
根据传统十字路口交通灯系统的设计，可将本系统分为四个模块，第一个模块是控制模块，主要负责整个系统工作的控制和运算，从而使各模块正常工作；第二个模块为显示模块，主要是对车辆和行人应该遵守交通规则的指导性的直观显示，它主要包括倒计时显示和红、绿、黄灯两大部分；第三个模块是输入模块，它的主要作用是辅助控制模块，相当于输入装置，利用它可以对交通灯各路口通行时间的设置以及出现紧急情况时，进行不同工作方式的切换设置；第四个模块是电源模块，它是整个系统的“心脏”，负责给各模块提供合适的电压，让各模块能稳定工作。
其系统设计结构如图1-1所示：
图1-1系统设计结构图
1.2系统方案选择与比较
1.2.1控制模块方案选择
方案一：
由计数器74LS161级联组成，配合译码器和秒脉冲信号发生器等器件组成交通灯系统，整个系统简单，控制简单，调试容易等优点。
方案二：
采用ATC公司的单片机ATC89C51作为控制器。
单片机运算能力强，软件编程灵活，自由度大。
它是MCS-51系列单片机的派生产品，在指令系统、硬件结构和片内资源上与标准8052单片机完全兼容，使用时容易掌握；采用ATC89C51单片机稳定可靠、应用广泛、通用性强，在系统/在应用可编程。
方案比较：
采用方案一来实现十字路口交通灯控制系统非常方便，电路结构简单，控制单一，但整个系统性能不是很高，倒计时不是非常精确，如果要求系统能设置不同工作时间不容易，因而对于完成题目较困难，而方案二完全能实现设计要求，容易掌握，利用编程，易控制，I/O接口很多，易于扩展外围电路，价格便宜，故选择方案二。
1.2.2显示模块方案选择
该系统要求完成倒计时、状态灯等功能。
基于上述原因，考虑了三种方案。
方案一：
完全采用数码管显示。
这种方案只显示有限的符号和数码字苻，无法胜任题目要求。
方案二：
完全采用点阵式LED显示。
这种方案实现复杂，且须完成大量的软件工作；但功能强大，可方便的显示各种英文字符，汉字，图形等。
方案三：
用七段LED数码管完成倒计时显示，用LED灯作为状态灯指示功能。
方案比较：
方案一和方案二都不符合设计要求，实现较复杂，而方案三采用数码管与LED灯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。
这种方案既满足系统功能要求，又减少了系统实现的复杂度。
权衡利弊，选择方案三。
1.2.3输入模块方案选择
方案一：
采用8155扩展I/O口及键盘，显示等。
该方案的优点是：
使用灵活可编程，并且有RAM,及计数器。
若用该方案，可提供较多I/O口,但操作起来稍显复杂。
方案二：
直接在I/O口线上接上按键开关。
因为设计时精简和优化了电路，所以剩余的口资源还比较多，我们使用五个按键，分别是K１、K2、K3、K4、K５。
由于该系统对于交通灯及数码管的控制，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。
1.2.4电源模块方案选择
电源是整个系统的“心脏”，它是系统稳定工作的保障，为使各个模块稳定工作，须有可靠电源。
下面考虑了两种电源方案。
方案一：
采用单片机控制模块提供电源。
该方案的优点是系统简明扼要，节约成本；缺点是输出功率不高，不能驱动数码管。
方案二：
采用独立的稳压电源，采用开关电源作为整个系统的供电，它具有多路电源输出，此方案的优点是稳定可靠，且有各种成熟电路可供选用；缺点是各模块都采用独立电源，
方案比较：
方案一只采用单片机自身的I/O来驱动数码管显示是不行的，而方案二虽然要给各模块供电，但却能给各模块提供稳定可靠的电压从而达到显示明亮的程度。
故选择第二种方案。
1.3系统总体方案论证
系统设计方框总图如图1-2所示：
图1-2系统设计方框总图
经上述各模块的方案选择与论证，十字路口交通灯系统的控制芯片选用单片机AT89C51作为整个系统的核心控制器件，主要负责整个系统工作的控制和运算，从而使各模块正常工作；采用七段LED数码管和LED灯作为显示器件，用七段LED数码管完成倒计时显示，用LED灯作为行车方向和行人通行指示指示功能；用触发按键构成系统的输入部分，它可以对系统进行状态设置，结合数码管，可根据交通情况对整个系统进行直观的控制；以开关电源作为系统电源部分，它有+12V、-12V、+5V、-5V电压输出，可方便对各个模块供电。
第2章 系统硬件设计
硬件设计是整个系统的基础，要考虑的方方面面很多，除了实现交通灯基本功能以外，主要还要考虑如下几个因素：
①系统稳定度；②器件的通用性或易选购性；③软件编程的易实现性；④系统其它功能及性能指标；因此硬件设计至关重要。
现从各功能模块的实现逐个进行分析探讨。
2.1总体设计及功能描述
2.1.1总体设计描述
本设计以单片机AT89C51为控制核心，采用模块化设计，共分以下几个功能模块：
单片机控制系统、键盘及状态显示、行车方向指示、行人通行指示和倒计时模块等。
单片机作为整个硬件系统的核心，它既是协调整机工作的控制器，又是数据处理器。
它由单片机、时钟电路、复位电路等组成。
行车方向指示采用红、绿、黄LED发光管，用三种颜色指示车辆放行、暂停、禁止，形象直观。
行人通行指示采用两支红、绿LED发光管，用两种颜色指示放行与禁止，形象直观，简洁明了。
键盘及状态显示，键盘采用五个触发按键组成，电路简洁可靠；显示器采用七段LCD数码管，可实时显示系统运行状态，可供交警在室内实时监视交通状况。
通过键盘可设置：
紧急情况发生时的交通灯状态控制、主干道通行时间等，人机界面非常友好。
系统采用双数码管倒计时计数功能，最大显示数字99。
其十字路口交通灯系统设计计原理图见附录2，其友好的人机界面、灵活的控制方式、优化的物理结构以及丰富的功能是本设计的亮点。
2.1.2各模块功能描述
1.交通灯通行模式
按交通灯控制规则，每个街口有转弯、直行及行人三种指示灯。
主要指示灯有红、绿、黄三种颜色。
交道口模型如图2-1所示：
图2-1交道口模型图
4组LED数码管按照设置的通行时间进行倒计时，由4组行车指示灯并各自进行红、绿、黄灯显示，共有四种通行状态，如下图2-2a）、b）、c）、d）分别为：
a）通行状态 b）通行状态
c）通行状态3 d）通行状态4
图2-2四种通行状态
2.要求直行默认时间为40秒，转弯默认时间为20秒，故通行时间共为60秒，系统设置了任意更改功能，可以根据实际情况进行倒计时调整，以提高车辆通过率，缓减交通压力。
本设计选用两只绿色LED发光管来指示直行，转弯等交通指示信息，其中绿灯1亮表示直行，绿灯2亮表示允许转弯行驶；用一只红色LED灯表示禁止通行；在直行状态变为转弯状态时结束前5秒钟，用一只黄色LED灯闪烁直至结束。
所有指示信息一目了然。
另一方面行人通行时间为1分钟，行人通行指示选用红、绿LED发光管，用两种颜色指示放行与禁止，形象直观。
绿色LED亮时允许通行标志，红色LED灯亮时表示此时禁止通行，提醒行人站在原地等候。
3.主干道时间设置功能
当主干道方向的车辆过多发生堵塞，正常的信号灯时序将会使交通状况更加恶化。
本设计添加了主干道时间设置功能，交警可按需求设置绿灯的点亮时间，该措施可在一定程度缓减短暂的交通压力。
4.紧急情况处理功能
在十字交通路口常出现的紧急情况，若不及时处理将形成不良隐患。
比如，交道口的东西方向行车有紧急情况发生，那么交警可以对信号灯进行手动控制，按下东西方向紧急情况处理键，通过软件使南北方向的红灯亮，禁止车辆通行，让东西方向的绿灯亮，允许车辆通行，此时所有的倒计时指示熄灭，南北方向路口行人允许通行，东西方向的行人禁止通行，直至紧急情况结束后再转成常规的自动状态。
同理，若南北方向人行道有紧急情况发生时，交警可按下东西方向紧急情况处理键，用软件强制使得南北方向的行车禁止，让南北方向的人行道允许行人通行，此时东西方向的行车允许行驶。
5.倒计时计数功能
本系统使用数码管完成倒计时显示功能。
在这里系统默认时间是60秒，最小时间是40秒，最大时间是95秒，若数码管显示的数值从绿灯的设置时间最小值往上加，每按一下时间“+”键。
时间从40秒的基准上加5，一直可加到95。
然后又设置时间最大值往下减，一直减到40。
系统共有五组LED数码管，其中有四组LED数码管分别放置在模拟交通灯控制板上的中央，分别为主干道的四个路口的行车时间指示。
因为四个方向的数码管有两组数码管应该显示同样的内容，所以可以把它们同样对待。
也就是说四个方向的数码管的个位（把数码管第二位定义为个位，第一位定义为十位）用一根信号线控制，十位用另一根信号线控制，那么总共只会用到四根线来控制。
这里采用动态显示。
2.2各功能模块硬件设计
2.2.1单片机控制模块的设计
单片微机（Single-ChipMicrocomputer）简称为单片机。
它在一块芯片上集中成了中央处理单元CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、定时/计数和多功能输入/输出I/O口,如并行口I/O、串行口I/O和转换A/D等。
MCS-51系列单片机在我国得到了广泛的应用，是单片机的主流系列，软硬件应用设计资料丰富齐全。
为了提高指令的执行速度和效率，采用了面向控制的结构和指令系统的独立CPU。
因此本设计采用AT89S52单片机作为系统的控制器件，这是因为AT89S52是目前应用比较广泛的MCS-51系列兼容单片机作为主控制器。
AT89S52单片机的主要性能特点：
与MCS-51系列单片机产品兼容。
8K字节在系统可编程Flash存储器，1000次擦写周期。
全静态操作：
0~33Hz。
三级加密程序存储器。
32个可编程I/O口线，3个16位定时器/定时器，8个中断源。
全双工UART串行通道，低功耗空闲和掉电模式。
掉电后中端可唤醒，看门狗定时器。
双数据指针和掉电标识符。
电源、时钟信号以及复位电路是单片机工作的基本条件，缺一不可。
AT89S52单片机系统的基本工作电路包括电源电路、时钟电路、复位电路。
其组成方框图如图2-3所示：
图2-3单片机控制系统基本硬件组成方框图
1.电源电路
电源电路模块为系统板上的其他模块提供+5V电源。
供电电源可由开关电源提供，即能满足。
2.时钟电路模块的设计
单片机的时钟信号用来为单片机芯片内部的各种操作提供时间基准。
时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列，作为单片机工作的时间基准，典型的晶体振荡频率为12MHz。
MCS-51系列单片的时钟信号可以由两种方式产生：
一种是内部时钟方式，利用芯片内部的振荡电路；另一种方式为外部时钟方式。
由于AT89C51单片机芯片内有时钟振荡电路，因此本系统单片机采用内部时钟方式，只要在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体和微调电容，就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟信号脉冲信号，具体电路设计如图2-4所示。
图中电容C1、C2的作用的是稳定频率和快速起振，其值为5～30pF,在此选择30pF；晶振X1的振荡频率范围在1.2～12MHz之间选择，本设计中选择12MHz。
3.复位电路模块设计
复位电路使单片机或系统中的其他部件处于某种确定的状态。
当在MCS-51系列单片的RST引脚处引入高电平并保持2个机器周期，单片机内部就执行复位操作。
复位操作有两种基本形式：
一种是上电复位，另一位是按键复位。
本设计采用按键复位方式。
图2-4单片机系统硬件电路原理图
2.2.2倒计时显示电路的设计
在本设计中采用七段LED数码管作为倒计时显示器件，它具有工作电压小，寿命长，发光强度高，响应时间快等优点。
1.数码显示器件
常用的数码显示器件有半导体数码管、液晶数码管和荧光数码管等，本设计是以半导体七段数码管作为显示器件，其工作原理：
半导体数码管是将7个发光二极管平排成“日”字形状制成的，如图2-5（a）所示，七段发光线段分别用a、b、c、d、e、f、g七个小写字母表示，一定的发光线段组合，就能显示相应的十进制数字，如图2-5（b）所示。
表2-1中输出“H”表示发光线段，“L”表示不发光线段。
（其中“L”表示低电位，“H”表示高电位）
a）发光线段分段图 b）发光线段组成的数字图形
图2-5七段数字显示的字形
表2-1七段显示组合与数字对照
段
数
a
b
c
d
e
f
g
0
H
H
H
H
H
H
L
1
L
H
H
L
L
L
L
2
H
H
L
H
H
L
H
3
H
H
H
H
L
L
H
4
L
H
H
L
L
H
H
5
H
L
H
H
L
H
H
6
H
L
H
H
H
H
H
7
H
H
H
L
L
L
L
8
H
H
H
H
H
H
H
9
H
H
H
H
L
H
H
半导体数码管的7个发光二极管内部接法可分为共阳极和共阴极两种，分别如图2-6a）、b）所示。
共阴极接法中各发光二极管的负极相连，a～g引脚中，高电平的线段发光。
共阳极接法中，各发光二极管的正极相连，a～g引脚中，低电平的线段发光。
控制不同的段发光，就可显示0～9不同的数字。
a）共阳极型 b）共阴极型
图2-6发光二极管内部电路
2.两位LED数码管
在本设计中采用共阳极的两位LED显示数码管，型号：
SM410362,它功耗小，亮度高、字形清晰，工作电压低（1.5～3V）、体积小、可靠性高、寿命长，响应速度极快。
它一共10个引脚，上面、下面分别五个引脚。
其管脚顺序如图2-7所示：
上面{DIG1,b,c,e,d}下面{g,dp,f,DIG2}。
图2-7两位数码管管脚
3.两位数码管连接电路
设计利用LED晶体发光管做成的显示器，系统采用两位数码管倒计时计数功能，最大显示数字99。
为了提高两位数码管的显示亮度，通常在DIG1和DIG2两端分别加上一个电压为5V，上拉电阻为500Ω左右的电压，从而提高它的亮度。
这是因为数码管是由发光二极管构成的，它的压降在1.4～1.8V之间，正常工作电流大约2～20mA，由根据发光管是连接到电源正，限流电阻接“地”才发光，所以按这个来算，比如电源为5V，发光管电流在8mA左右，则限流电阻为R=（5-1.8）/8=0.475Ω，也就是475Ω，取470Ω。
当然如果发光管电流越大亮度越亮，该电阻就越要取小。
整个系统友好的人机界面、灵活的控制方式、优化的物理结构以及丰富的功能是本设计的亮点。
单片机与各个电路模块连接如图2-8、2-9所示：
图2-8单片机接口电路
a）东西方向倒计时连接电路b）南北方向倒计时连接电路
图2-9各路口交通灯的倒计时电路与单片机连接图
2.2.3交通灯指示电路的设计
1.行车指示灯与单片机连接电路：
根据单片机剩余I/O口的引脚，可将行车各指示灯的控制端与单片机连接，其连接电路如图2-10、2-11所示，其中绿灯1亮表示指示车辆转弯通行；绿灯2亮表示车辆直行通行；红灯表示车辆禁止通行；黄灯表示提示作用。
图2-10东西方向行车指示连接电路
图2-11南北方向行车指示连接电路
2.人行道指示灯与单片机连接电路：
人行道指示灯与单片机I/O口的连接电路如图2-12、2-13所示，其中红灯亮表示行人禁止通行；绿灯亮表示行人允许通
图2-12人行道指示灯连接电路
2.2.4键盘及状态显示模块的设计
键盘及状态显示，本设计采用五个触发按键组成，电路简洁可靠；显示器采用双位七段LCD数码管，可实时显示系统运行状态，可供警察在室内实时监视交通状况。
通过键盘可设置：
紧急情况发生时的交通灯状态控制、主干道通行时间等，人机界面非常友好。
其连接电路如图2-13、2-14所示：
图2-13车辆通行状态显示连接电路
图2-14按键电路与单片机连接电路
2.2.5开关电源模块的设计
开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，在本设计采用AC/DC模块，AC/DC变换是将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。
AC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的。
开关电源的优点：
功耗小，效率高。
开关稳压电源电路中，晶体管V在激励信号的激励下，它交替地工作在导通—截止和截止—导通的开关状态，转换速度很快，频率一般为50kHz左右，这使得开关晶体管V的功耗很小，电源的效率可以大幅度地提高，其效率可达到80%。
体积小，重量轻。
从开关稳压电源的原理框图可以清楚地看到这里没有采用笨重的工频变压器。
由于调整管V上的耗散功率大幅度降低后，又省去了较大的散热片。
由于这两方面原因，所以开关稳压电源的体积小，重量轻。
稳压范围宽。
从开关稳压电源的输出电压是由激励信号的占空比来调节的，输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿。
这样，在工频电网电压变化较大时，它仍能够保证有较稳定的输出电压。
所以开关电源的稳压范围很宽，稳压效果很好。
滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减少。
电路形式灵活多样，有自激式和他激式，有调宽型和调频型，有单端式和双端式等等，设计时可以发挥各种类型电路的特长，设计出能满足不同应用场合的开关稳压电源。
第3章 系统软件设计
硬件平台结构一旦确定，大的功能框架即形成。
软件在硬件平台上构筑，完成各部分硬件的控制和协调。
系统功能是由软硬件共同实现的，由于软件的可伸缩性，最终实现的系统功能可强可弱，差别可能很大。
因此，软件是本系统的灵魂。
软件采用模块化设计方法，不仅易于编程和调试，也可减小软件故障率和提高软件的可靠性。
同时，对软件进行全面测试也是检验错误排除故障的重要手段。
由于编程多涉及到数值运算，比较复杂，还有数码管、LCD灯的显示设计都是需要多重选择判断，用我们平时常用的汇编语言编程是很难实现的，这里我们选用了移值性好、结
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