基于单片机的交通信号灯模拟控制器的设计.docx

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基于单片机的交通信号灯模拟控制器的设计

基于单片机的交通信号灯模拟控制器的设计

THEDESIGNOFTRAFFICLIGHTS’ANALOGCONTROLLERBASEDONSINGLE-CHIPMICROCOMPUTER

摘要

随着人类科技文明的发展，人们对于日常交通便利的要求在不断地提高。

交通信号灯已不仅仅被看成一种用来指挥交通的工具，在很多实际应用中它还需要能够实现更多其它功能。

高精度、多功能、小体积、低功耗，是现代交通信号灯发展的趋势。

本课题设计正是基于这个方向设计一个符合指标要求的模拟交通信号灯控制器。

单片机在电子产品中的应用越来越广泛，特别是51系列的单片机，由于其使用方便、价格低廉等优势，在市场上占有很大的份额。

AT89S51就是51系列中的一个比较成熟的型号，它完全兼容51单片机的指令。

本课题设计是基于单片机技术原理，以单片机芯片AT89S51作为核心控制器，通过硬件电路的制作以及软件程序的编制，设计出的一个模拟交通信号灯控制系统。

该控制系统包括了按键控制电路、定时控制电路、显示电路等几部分的组成。

设计以硬件和软件相结合为指导思想，通过软件编程实现系统大部分功能，电路简单明了，系统稳定性高。

主要硬件有：

AT89S51单片机、16*16点阵式LED显示屏、七段数码管、LED和按键等。

软件采用汇编语言编写实现，并依据程序应用Keil软件进行了仿真调试，对出现的问题进行分析和反复修改，最终得到正确并符合设计要求的结果。

设计完成的模拟交通信号灯控制器能够准确指挥交通，并具有人工控制功能，实现了人工智能一体化。

本系统设计控制精确、体积小、功耗低，具有很强的实用性。

关键字：

AT89S51；LED显示；交通灯

Abstract

Hasanalyzedthemodernmunicipaltransportationcontrolandthemanagementquestionpresentsituation,unifiedthecityandcountrysidetransportationtheactualsituationtoelaboratethetrafficlightcontrolsystemprincipleofwork,hasproducedonekindofsimplepracticalcitytrafficlightcontrolsystemhardwarecircuitdesignplan.Alongwiththesocialeconomydevelopment,themunicipaltransportationquestionmoreandmorearousespeople'sinterest.Theperson，thevehicle,theroadthreerelations coordinations,havebecomeoneofimportantquestionswhichthetrafficcontroldepartmentneedstosolve.Themunicipaltransportationcontrolsystemisusesinthecomputersynthesismanagementsystemmanagementsystemwhichthemunicipaltransportationdatamonitor,thestreet-trafficcontrollightscontrolandthetransportationunblocks,itisinthemodernmunicipaltransportationmonitoringcommandsystemthemostimportantconstituent.Alongwiththecityvehiclequantityunceasingincrease,manybigcitieslikeBeijing,Shanghai,Nanjingandsoonhadthetransportationexcessloadmovementsituation,therefore,fromthe80'slaterperiods,thesecitiesconstructsthecityspeed-wayinabundance,completestheinitialperiodinthespeed-wayconstruction,theyalsoonceeffectivelyimprovedthetransportationcondition.However,andlacksalongwiththevolumeoftrafficfastgrowthtothespeed-waysystemresearchandthecontrol,thespeed-waynotfullyplaystheanticipatedrole.Butcityspeed-wayinstructurecharacteristic,alsohaddecidedthecityspeed-waytransportationconditioninevitablyreceivesthespeed-wayandtheordinarypathcouplingplacetransportationconditionrestriction.Therefore,howusestheappropriatecontrolmethod,maximumlimitusesthegoodconsumptionlargeamountofmoneyconstructionthecityspeed-way,alleviatesbranchwithRamp,thecitysupportswiththeperipherallocalitytransportationstopsupthecondition,moreandmorebecomesthemainquestionwhichthetransportationmanagementandtheurbanplanningdepartmenturgentlyawaitstobesolved.Therefore,appliedtheknowledgethroughmewhichstudiedtodesignasetoftrafficlightscontrolcircuitplan.Thetrafficlightcontrolsystemmainlybythetimingcircuit,thehostcontrolstheelectriccircuit,thesignallightswitch,thepulsesignalgeneratingdevicescomposed.

Keyword:

TheAT89S51;LEDshow;transportationlight

第1章绪论

1.1引言

随着科学技术发展的日新月异、不断发展，自动化、智能化、功能多样化越来越成为电气控制的主流。

尤其是计算机技术的迅猛发展，单片机系统逐渐应用在更加广泛的领域，“交通信号灯控制系统”就是在单片机的基础上开发出来的。

我国经济的快速发展，车辆的增多，交通拥挤问题日益严重。

在不断拓宽交通道路以及修建新的交通要道的同时，交通信号灯的用途变得更加明显。

我们也应当适当地改善信号灯的功能，使其日益完善，满足现在交通的要求。

在以往的交通信号灯中，东西南北方向的通行时间是固定的，不论路上的车辆是多是少。

现在为了使交通更加流畅，更有秩序，我们可以在以往得基础上，加上按键，用以控制突发事件和交通拥挤等。

基于以上考虑，我们提出了这个课题要求，进行设计，并模拟和仿真。

1.2课题研究的背景

1.2.1单片机的应用与发展

单片机自1976年由Intel公司推出MCS-48开始，迄今已有三十多年了，由于单片机集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗地、使用方便、价格低廉等一系列优点，目前已经渗入到人们工作和生活的方方面面。

单片机的应用领域已从面向工业控制、通讯、交通、智能仪表等迅速发展到家用消费产品、办公自动化、汽车电子、PC机外围以及网络通讯等广大领域。

单片机有两种基本结构形式:

一种是在通用微型计算机中广泛采用的，将程序存储器和数据存储器合用一个存储器空间的结构，称为普林斯顿结构。

另一种是将程序存储器和数据存储器截然分开，分别寻址的结构，一般需要较大的程序存储器，目前的单片机以采用程序存储器和数据存储器截然分开的结构为多。

[1]

20世纪80年代中期以后，Intel公司以专利转让的形式把8051内核技术转让给许多半导体芯片生产厂家，如ATMEL、PHILIPS、ANALOG、DEVICES、DALLAS等。

这些厂家生产的芯片是MCS-51系列的兼容产品，准确地说是与MCS-51指令系统兼容的单片机。

这些兼容机与8051的系统结构（主要是指令系统）相同，采用CMOS工艺，因而，常用80C51系列来称呼所有具有8051指令系统的单片机，它们对8051单片机一般都作了一些扩充，更有特点。

其功能和市场竞争力更强，不该把它们直接称呼为MCS-51系列单片机，因为MCS只是Intel公司专用的单片机系列型号。

MCS-51系列及80C51单片机有多种品种。

它们的引脚及指令系统相互兼容，主要在内部结构上有些区别。

目前使用的MCS-51系列单片机及其兼容产品通常分成以下几类：

基本型、增强型、低功耗型、专用型、超8位型、片内闪烁存储器型。

目前单片机应用于各个领域，其应用于仪器仪表中显得更为优越。

以单片机制成的电子时钟具有计时准确，功耗低的优点。

从而得到了各界领域的广泛应用。

单片机正处在微控制器的全面发展阶段，各公司的产品在尽量兼容的同时，向高速，强运算能力，寻址范围大以及小型廉价方面发展。

单片机的发展推动了应用系统的发展，应用系统的发展又反过来对单片机提出了更高要求，从而促进单片机的发展。

单片机正向着功能更强，速度更快，功耗更低，辐射更小的方向发展。

随着集成度的不断提高，把众多的外围功能器件集成在片内已经具备了充分的条件。

这也是单片机以后发展的重要趋势。

除了一般必须具有的ROM、RAM、定时器/计数器、中断系统外，随着单片机档次的提高，以适应检测、控制功能更高的要求，片内集成的器件通常还有电源监控与复位电路、WDT、A/D转换器、DMA控制器、中断控制器、锁相器、频率合成器、字符发生器、声音发生器、CRT控制器、译码驱动器等。

从单片机近年的发展趋势来看，单片机正朝着多层次用户、多品种、多规格、高性能方向发展，现在许多公司根据市场的要求不失时机的研制并推出各种优秀的单片机。

在实时控制系统、军工产品和一些高级家用电器等领域，需要高性能单片机，以满足其功能、速度、可靠性方面的特殊要求。

这些单片机的高性能主要体现在CPU功能加强，内部资源增加，寻址范围增大。

而简单的家用电器、智能玩具、仪表仪器、智能IC卡等对单片机功能要求不高。

那些小型、低耗能、廉价的单片机就具有明显的优势和市场需求，它们也将是未来市场的重要角色，有着广阔的应用前景。

[1～5]

1.2.2LED技术的应用

道路交通信号灯（以下简称信号灯）的光源几经变迁，从最初易发生爆炸的煤气灯发展到稳定、安全的白炽灯、卤钨灯，如今发光二极管（LED）得到了广泛应用。

白炽灯和卤钨灯光源信号灯的特点是发光稳定、均匀，但是存在能耗高、寿命低、易产生幻像信号显示、色片易褪色等缺陷。

而高亮度、低能耗LED在信号灯上的应用，给信号灯产品带来革命性的变化。

LED之所以能够在信号灯中得到广泛应用，是因为LED具有如下优点：

1、单色光，具有发散角。

LED发出的光是单色光，因而不需要用色片来产生红、黄、绿的信号颜色；LED发出的光具有方向性，并有一定的发散角，由此可以屏弃传统信号灯中使用的非球面反光镜。

LED的这个特点解决了传统信号灯存在的幻像（俗称假显示）和色片褪色问题，提高了光效。

2、冷光源，能耗低。

LED是一种冷光源，其显著的特点之一就是能耗低，这对灯具的应用而言是很有意义的。

LED光源的信号灯单个发光单元的视在功率一般在12VA~25VA之间，白炽灯泡光源的信号灯单个发光单元的功率一般在80W~100W之间，低压卤钨灯泡光源的信号灯单个发光单元的视在功率一般在40VA~60VA之间。

由此可见LED光源在节能方面的优势是非常明显的。

3、可靠性好，寿命长。

信号灯的工作环境相对比较恶劣，严寒酷暑、日晒雨淋，因而对灯具的可靠性要求较高。

一般信号灯用白炽灯泡的平均寿命是1000h，低压卤钨灯泡的平均寿命是2000h，由此而产生的维护费用很高。

目前，我国LED信号灯使用时间最长的已超过5年，LED未有损坏。

单管LED的理论寿命为100000h，由此推断LED信号灯的实际使用寿命大于50000h。

4、存在的一些问题。

国家标准GB14887－2003《道路交通信号灯》实施以来，在产品的应用和测试中发现，LED信号灯存在如下问题：

（1）大多数LED生产企业缺乏降低或消除幻像信号的技术手段。

（2）许多小企业没有光学设计能力，LED信号灯的光强发布不均匀。

（3） LED驱动电路设计粗糙，功率因数偏低。

（4）常年使用后，LED输出光强急剧下降。

（5）部分企业使用低档的LED，使得信号灯的品质下降。

（6）长时间使用后，信号灯的塑料壳体和塑料透光面老化，使得信号模糊、外壳防护等级下降。

这几年LED的技术发展非常快，为LED信号灯技术的提高提供了很好的基础。

以目前的状况看，LED信号灯的发展有以下几方面的趋势：

1、大功率LED的应用，优点是大幅减少LED的数量，需要解决的问题是散热和成本。

2、LED信号灯的光强指标、电学指标和电磁兼容要求将逐步提高，LED信号灯的光学设计、电路设计将进一步优化，并成为信号灯设计的主流。

3、 随着节能、环保要求的提高，LED与太阳能结合的信号灯将普及，但需解决与交通信号控制机的配合问题。

[6～8]

1.2.3交通信号灯的发展

信号灯是交通安全产品中的一个类别，是为了加强道路交通管理，减少交通事故的发生，提高道路使用效率，改善交通状况的一种重要工具。

适用于十字、丁字等交叉路口，由道路交通信号控制机控制，指导车辆和行人安全有序地通行。

交通信号灯的种类有:

机动车道信号灯：

人行横道信号灯、非机动车道信号灯、方向指示信号灯、移动式交通信号灯、太阳能闪光警告信号灯、收费站天棚信号灯。

城市路口交通信号控制系统大体上分为三种类型：

定周期的信号机、多时段且具有无电缆协调功能的微电脑型信号机以及联网式自适应多相位智能型信号机。

道路交通信号灯（以下简称信号灯）的光源几经变迁，从最初易发生爆炸的煤气灯发展到稳定、安全的白炽灯、卤钨灯，如今发光二极管（LED）得到了广泛应用。

白炽灯和卤钨灯光源信号灯的特点是发光稳定、均匀，但是存在能耗高、寿命低、易产生幻像信号显示、色片易褪色等缺陷。

而高亮度、低能耗LED在信号灯上的应用，给信号灯产品带来革命性的变化。

随之道路交通信号灯在我国的应用也有几十年了，作为重要的道路交通安全产品，道路交通信号灯为保障道路交通安全畅通、有序发挥了重要作用。

近年来，新材料、新技术在道路交通领域不断得到应用，发光二极管（LED）在道路交通领域的广泛应用更是有目共睹。

LED主要应用在道路交通信号灯、交通诱导信息显示屏、可变交通标志、倒计时显示器和各种警告、警示灯具等交通安全产品上。

1999年我国部分城市开始试用LED光源的道路交通信号灯，目前，国内许多大、中城市已大规模应用LED光源的道路交通信号灯。

[9～11]

1.3课题研究的主要内容

该控制器能实现城市“十字”路口正常情况下以及特殊情况和紧急情况下交通信号灯的模拟控制。

1、在十字路口东西南北各设置红、黄、绿三种信号灯，正常情况下，东西（A线）、南北（B线）方向轮流放行。

当东西方向（A线）放行、南北方向（B线）禁行时，东西方向（A线）绿灯亮25秒，然后黄灯亮5秒，南北方向（B线）红灯亮30秒；当南北方向（B线）放行、东西方向（A线）禁行时，南北方向（B线）绿灯亮25秒，然后黄灯闪烁5秒，东西方向（A线）红灯亮30秒。

如此循环，实现交通灯定时控制，其示意图如图1.1所示。

图1.1交通灯布置示意图

2、特殊情况控制通行方式控制，用按键开关K1控制A道通行，B道禁行，K2控制B道通行，A道禁行，特殊情况控制通行放行；

3、有紧急情况时用按键开关K0控制两道均为红灯,以便急救车通过，急救车的通行时间为10秒，急救车过后，交通灯恢复先前状态；

4、两位LED数码管能够显示行人通行与等待的时间（以秒单位作减计数）；

5、16×16点阵式LED能够显示行人“禁止通行”与“允许通行”的图案。

1.4课题研究的目的及意义

交通信号灯，自从它被发明的那天起，就成为人们生活中必不可少的一种工具，尤其是现在这个讲究效率的年代，交通信号灯更是在人类交通、生活、生产、工作等多个领域得到广泛的应用。

然而随着时间的推移，人们不仅对交通信号灯精度的要求越来越高，而且对交通信号灯功能的要求也越来越多，交通信号灯已不仅仅是一种用来指挥交通的工具，在很多实际应用中它还要能够实现更多其它的功能。

怎样让交通信号灯更好的为我们服务？

怎样让交通信号灯更符合实际应用的需求？

这就要求人们不断设计出新型交通信号灯，不断设计出适合实际应用的多功能交通信号灯。

本毕业设计方案正是根据以上所述并结合日常生活中对交通信号灯功能需求的分析，运用单片机技术，结合LED显示器的框架下实现交通信号灯的显示，设计出的一个适合日常生活需要的交通信号灯。

其研究的意义在于：

1、为设计小型的单片机十字路口交通信号灯提供了有用的参考，为进一步的研究提供了有效的途径。

2、拓展了单片机的应用范围，为单片机的应用提供了新的思路。

3、对于研究单片机十字路口交通信号灯及扩大其应用，有着非常现实的意义。

4、通过本次毕业设计，能更进一步熟悉单片机编程和控制电路的设计原理，对提高大学生的科研能力、实践动手能力及丰富大学生课外生活具有重要意义。

第2章系统总体结构设计

2.1系统总体方案设计

本次设计中采用AT89S51控制芯片，以单片机为控制核心，单片机从中读取数据送到显示器上显示，由定时电路、按键控制电路和显示电路（两位LED数码管显示倒记时，4组红、黄、绿发光二极管模拟交通信号灯和16*16点阵显式LED显示行人通行与禁止）等组成。

此系统硬件简洁，将复杂的硬件功能用软件实现，因此系统控制灵活，能很好地满足本设计的基本要求和扩展要求。

系统方框图见图2.1。

图2.1交通信号灯硬件系统总体框图

2.2硬件系统中的芯片认识

在硬件设计时首先需要确定使用什么类型的CPU和信号灯。

CPU对系统的整体功能、开发难度和价格都起主导作用，所以在硬件开发中应该首先确定CPU，然后再依据实际需求设计周边电路。

本设对CPU的性能要求不高，所以选择一款价格适中、功能一般的51系列单片机——AT89S51。

交通信号灯中，要求信号灯的穿透性要好，可控性强，能耗低，使用寿命长，因此，我们可以选择LED（发光二极管），七段数码管和16*16点阵式LED（16*16点阵式LED是由四块8*8点阵式LED组成）构成系统中的显示电路。

对于16*16点阵式LED,我们采用8255芯片外部扩展。

此外，显示模块使用到了74HC164，74HC273等芯片，根据它们的物理结构及功能，组成了LED显示屏的显示部分。

2.2.1AT89S51芯片简介

AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

AT89S51具有如下特点：

40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。

此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。

空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。

同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

　　1．主要特性：

•8031CPU与MCS-51兼容

　　•4K字节可编程FLASH存储器（寿命：

1000写/擦循环）

　　•全静态工作：

0Hz-24KHz

　　•三级程序存储器保密锁定

　　•128*8位内部RAM

　　•32条可编程I/O线

　　•两个16位定时器/计数器

　　•6个中断源

　　•可编程串行通道

　　•低功耗的闲置和掉电模式

　　•片内振荡器和时钟电路

　　2．管脚说明：

　　VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被