基于单片机控制的交通信号灯的设计与实现毕业设计论文.docx

1、基于单片机控制的交通信号灯的设计与实现毕业设计论文基于单片机控制的交通信号灯的设计与实现毕业设计论文第一章 绪论1.1 课题研究背景与意义交通掌握着城市经济活动的命脉，对发展城市经济、提高人民的生活水平非常重要。但是城市的交通问题对于困扰城市的发展、制约城市经济建设是个重要的因素。而导致交通问题的根本原因是有限的城市道路与无限增加的车辆这一矛盾。城市街道网络上的交通容量的不断增加，表明车辆对道路容量的要求仍然很高，短期内还不可能改变1。本文提出一种利用单片机自动控制交通灯及时间倒计时显示的方法，将整个系统缩小在一块小小的单片机上，大大提高了产品的经济性和轻便性。设计过程包括硬件电路设计和程序设

2、计两大步骤。硬件电路其结构比较简单，主要包括核心器件单片机、12只二极管组成的模拟交通灯、复位电路、振荡电路、显示数码管模块。单片机开发中除必要的硬件外，同样离不开软件，本文就用Keil编程，相比硬件设计程序较为复杂，必需同时考虑灯控制、时间显示、紧急开关等问题，并且具有一定的C语言基础和一定的思维能力及逻辑能力。智能交通灯控制系统设计就显示出了它的研究意义。它能根据道路交通拥护，交叉路口经常出现拥堵的情况，利用单片机控制技术，实现道路的最大通行效率。通过单片机课程设计，熟练掌握C语言的编程方法，将理论联系到实践中去，提高动脑和动手的能力。同时通过交通信号灯控制系统的设计，掌握定时/计数器、中

3、断的使用方法，和简单程序的编写，最终提高逻辑抽象能力。1.2 研究现状1.2.1 城市交通的作用城市是人类从事经济、政治、社会和文化的活动中心，对于社会的发展起到了非常重要的作用。汽车是现代社会的文明产物，它一方面给人们带来了巨大的便利，而另一方面也使人们面临交通拥挤和道路交通安全事故等问题。在我国，伴随改革开放政策的贯彻和实施的同时，国民经济也得到了迅速的发展，道路交通也得到了飞速发展。但是，由于城市化进程加速进行，城市的规模不断得到扩张，城市的经济贸易和城市内的社会活动也越来越频繁，人员流动与社会交往越来越多，使得交通拥挤和道路交通安全事故等问题更加突出。城市交通作为城市的基础设施里重要的

4、一部分，所以如何改善和发展城市交通问题，也越来越得到人们的重视。城市交通是城市的主要基础设施，它支撑着城市活动的进行，是城市的枢纽和命脉，如果没有得到及时的治理，城市居民生活水平的提高和城市经济的发展将会受到严重的影响。因为我国城市的基础设施的发展比城市建设的发展落后，城市及周边地区的经济发展受到了严重的影响。所以，城市交通问题的解决，不但可以使人们的生命财产有保障，而且可以加快经济的发展和社会的进步。城市交通系统在城市大系统中占着很大的比例，是其中非常重要的一个系统。发展城市国民经济和提高人民生活水平都需要它，社会生产与其环环相连，并且维系着千家万户的日常生活。城市交通有其两面性：城市结构、

5、经济状况、生产布局、人口分布等因素虽然制约了它，但它的有效性、安全性、可靠性、经济性同时又影响了城市的经济效益、工作效率、和人民的生活水平。城市交通系统的运行状况的好坏同时也反映了城市发展的高低。因此，先进的科学技术和管理方法应用于交通管理中也保证了道路的安全畅通，是经济发展的需要。交叉路口是交通系统中的非常重要的一部分，是城市道路网的核心所在，它通行能力的高低影响着城市道路的通畅程度。众所周知，而提高交叉路口通行能力的最好办法就是修建立交桥。受到我国道路基础设施现状和各个城市经济水平的不同等因素，立交桥还不能得到广泛应用。所以，人们更多是采用交通控制来更好的管理交叉路口，按照它们现实的交通情

6、况给予它们最适宜的交通控制，尽可能得提高交叉路口的通行能力，这不仅可以提高车辆通过交叉路口的速度，还能减少交通延误并且节约人们出行的时间，同时能避免该交叉路口发生堵车，影响交叉路口临近路段及更远路段的顺利通行。据有关的资料显示，机动车辆在其减速制动和起动期间所排放的有害物质是其正常行驶时的7倍左右。因此，解决好城市交叉路口通行问题，减少机动车辆在交叉路口附近停车延误对提高社会的经济效益和环境保护都是具有重大意义的1。1.2.2 国内外交通系统发展现状随着现代社会对交通运输的日趋依赖，交通系统的控制越来越受到普遍的重视。近年来，英国、美国等西方国家均在某些城市建立智能交通控制系统。在这些系统中，

7、大部分都在路口附近装有车辆检测器，并由各路口的控制设备或工作人员将交通控制参数通过电话线、电缆、光纤或是无线网络等方式输入到微处理器，用小型计算机控制。尤其是伴随着信息技术的发展，交通控制的概念已从交通管理者的行为改变为交通管理者和道路使用者共同的行为，从而使得交通的最优化向全局最优发展。在这些发展中，除了新设备的应用外，数据的采集、传输、处理、存储与发送等技术的发展也起了关键的作用。新型的监测器，包括用摄像机采集图像信息和进行图像处理技术，为人们提供了大量的时变数据；新的通信技术，包括光纤通信、无线通信等技术，能使人们更快的传送数据。而计算机技术的发展，使交通控制系统的发展又向前进了一大步。

8、这些控制技术与现代控制理论、现代的管理方法相结合，使交通控制系统日趋完善。与国外相比，我国目前的交通控制很落后，目前中国城市的问题呈现如下些问题：管理不力，秩序混乱；没有科学、合理、有效的城市交通监控系统。由此带来的后果表现为道路的通行能力明显低于设计要求且波动性大、出行难，交通事故发生率高，交通环境恶化，出行者易疲劳等问题。1.2.3 我国交通中存在的主要问题交通的发展，促进了人类社会的发展。而社会的发展，同时又促进了交通设施建设、交通工具的发展。但是，伴随着车辆数目的迅速增长，人们一方面享受着机动车辆给予的好处，另一方面也面临着汽车所带来的一系列问题。作为发展中国家的我国，它的经济不是非常

9、发达，由此产生了具有中国特色的城市交通局面。由于先天上的劣势，我国的城市交通控制系统还有很多问题没有解决，例如系统应用的环境变数大导致系统适应性差等问题，这些问题应该是我国交通系统的特点。而它具体表现在以下几个方面：（1）车辆种类繁杂，混合交通严重。由于不同人群的不同消费需求，导致道路上各种类型的车辆大量出现。然而目前世界上广泛使用的交通控制系统对路网和流量都有一定的要求，并不太适合小汽车的交通。（2）频繁的交通事故，威胁着人类的生命安全。自从汽车问世以来，交通事故就伴随而来。交通事故的产生与道路状况、环境、驾驶员素质等因素有关。车辆多，道路窄，机动车辆和非机动车辆混行，部分司机和行人不遵守交

10、通规则，构成了城市交通事故主要原因。据统计，每年10万人中就有9人死于车祸，这个数字是和战争中死亡的人数差不多。就西安来说，每年都有很多人死于车祸。（3）交通拥挤严重，导致出行时间增加，能源消耗增大。我国全国城市的车速非常的低，形势非常的严峻。我国国内百万人口以上的大城市，每年因为交通拥挤导致损失的直接经济多达1600亿。（4）城市污染严重，其中空气、噪音等污染尤为严重，且情况日益恶化。当今世界上最严重的环境污染里面就有汽车尾气排放、噪音导致的空气、噪音污染。根据发达国家的调查显示：汽车排放的污染物和交通噪声占城市空气污染和噪音污染的绝大比例，分别问60%和70%，而车辆制动和起动这两个过程最

11、容易导致这种污染物的产生。上述的四个方面所显示的问题表明了我国现阶段城市交通系统的突出问题，具体表现在混杂的车辆、频繁的事故、拥挤的交通和日趋严重的污染。这要求我们找出根本原因，分析问题，找出解决的办法，采用积极的措施，以期彻底改善城市的交通问题。1.2.4 城市交通解决的主要途径针对城市交通拥挤，有人提出修建新的城市道路或是修建新的立交桥。可是，过不了多长的时间，道路又恢复到原来的拥挤状态。一般来说修建新的道路不会改变原来的拥挤，由此引发的交通量将会以极快的速度占据新增的道路设施，而这是由于以前道路供给短缺的制约才导致这部分潜在的交通量的产生。因为修建新的道路解决不了城市交通拥挤的根本问题，

12、所以人们才开始寻找新的解决方法。伴随着计算机技术的发展以及人们对控制理论不断的了解和深入，利用控制理论和计算机技术来解决交通问题显得越来越重要了。各国相继开发了不同的交通控制系统，为缓解交通问题做出了很大的贡献。随着人工智能这一新兴的科学的兴起，人们开始将其引入到城市交通控制中来。经过大量的探索和研究实践，人们相信智能控制是解决城市交通问题的强有力的工具。1.3 论文研究的主要内容随着我国经济的发展，汽车工业也在迅速发展，如果我们做不好城市规划和城市交通控制，那么随之而来的城市交通将会面临严峻的形式。而现有的比较成熟的交通控制系统存在有上节中所讲的诸多问题，针对这些问题，本文把单片机控制引入到

13、城市交通控制系统中,利用其不需要建立精确数学模型和它吸收了人工控制的经验，使得控制过程简化，而且能满足实时性和控制精度的要求。在城市交通控制中，定周期控制在交通不大且稳定的情况下是简单有效的，与感应控制没什么区别。担当交通量大且拥挤车流变化快的时候，为减少车辆延误，这时就需要采用动态反馈控制系统，本设计采用单片机系统，动态检测，电子警察，当遇到紧急情况，需四面都是红灯的时候，可以进行无线遥控。1.4 主要章节安排首先就课题研究的背景和意义做出说明。第一章简单介绍了关于下城市交通的各方面内容。第二章主要介绍系统的通体设计。第三章主要介绍了系统硬件设计。第四章主要介绍系统软件设计。第五章主要讲了系

14、统调试分析及结果。最后给出结论并对课题未来的发展做出了展望。第二章 系统的总体设计2.1 具体介绍交通信号系统2.1.1 信号控制方式的分类使用信号机控制交通流称为交通信号控制，交通信号控制的目的是与交通量相适应，用时间比分配给相互交错的交通流通行权。信号控制的方式和分类有很多种。本文按控制的范围将信号控制分为点控、线控和面控。（1）点控单点交叉口交通信号控制通常简称为“点控制”。 它以单个交叉口为控制对象，通过灯色的变化，在保证安全的前提下尽可能多地使各方向车辆通过。它是交通信号控制的最基本形式。点控制又可分为：定周期控制、感应式信号控制及模糊逻辑式信号控制。（2）线控“线控”是干道交通信号

15、协调控制系统的简称，就是把一条主干道上一批相邻的交通信号联动起来，让干线上交叉口的信号控制器具有相同的周期，绿信号开启时间相继错开，从而使干线上行驶的车辆尽可能少遇或不遇红灯以减少延误，以便提高整个干道的通行能力。（3）面控区域交通信号控制系统简称为“面控”，它把整个区域中所有信号交叉口作为协调控制的对象。控制区内各受控交通信号都受中心控制室的中央控制机集中控制，从而可以提高道路通行能力，增加交通安全，节省能源和减少污染等等。无论哪种控制，其控制变量主要有三个：信号周期，绿信比和相位差。点控制只需控制前两个变量即可。总之，交通控制过程可描述如下：根据交通法规，通过信号灯色的变化指示或提示车辆在

16、交叉口处通信或暂停，在保证安全的前提下最大限度地提高交叉路口的通行能力。2.1.2 交通规则介绍通行制是道路交通规则中的最基本原则，不然的话，人们在道路上随意走动，必然造成交通的无秩序，车辆和行人各行其道是交通秩序的重要表现。世界现存有两种通行制：一是左行制，另一是右行制。全世界大约有90%的国家实行右行制，将来全世界有可能统一采用右行制。我国也是采用右行制。现将一些基本的交通规则介绍如下：（1）驾驶人员必须对两边的斑马线让道，除非中间有隔离岛。（2）如果进入转盘左拐弯或右拐弯，必须分别打左右指示灯进入；如果是经过转盘直行，则不要打指示灯。当你进入转盘时，必须让路给所有右边来的车流。 出转盘时

17、，必须顺着进入转盘时的车道打左转向灯。（3）当在十字路口有禁止左转灯时，不能左转。（4）若经转盘左拐弯，进入和拐弯知道离开转盘都必须一直打左转向灯。（5）自行车道仅供自行车使用;公车道仅供自行车、摩托车和公交巴士使用。 其他驾驶人士可以穿越这两种特殊车道借道拐弯或停车（如果标志许可的话），但必须让路给正在合法使用这两种车道的车辆。2.1.3 交通信号控制硬件设备简介交通信号灯的硬件设备。其构成可分为以下五部分：（1）信号灯：就是悬挂在道路上空或设置在路侧灯柱上的发光装置，内装彩色信号灯；（2）车辆检测器：车辆通过检测器时，由感应原理可以检测交通参数的设施，是感应式信号控制系统的必要设施；（3）

18、无线遥控装置：启闭信号灯，控制紧急车辆通过时的红灯；（4）电子警察(摄像机)：监控违章车辆；（5）单片机系统：整个信号灯控制的核心；（6）附属设施：包括灯杆灯柱及其基础，装置信号控制机的底座与基础，埋设或悬挂传输线路的管道、线杆等。2.1.4 交通信号控制系统信息传输系统简介信息传输系统，也叫通讯系统，就是把信息从一个地方传输到另一个地方。信息传输系统也是交通信号控制系统中的重要组成部分。通信系统的组成：（1）通信的信道a）信道的容量 信息传送的通路通常称为信道或线路。描述一个信道不仅要通过它所连接的点到点的地理通路，而且还要根据它所具有的携带信息的容量。b）信道的方向 单工： 在信息源和接收

19、器之间提供单一的单向性通道。半双工：这种通信方式是在A站和B站之间只有一个通信信道，数据要么是A站发送，B站接收，要么B站发送，A站接收。双工： 允许信息同时在两个方向上传输的信道。（2）数字数据传输（3）调制和解调2.1.5 常用交通标志简介交通标志是交通系统中重要的一部分，用以帮助驾驶员掌握方向情况。现将部分常用标志介绍如下：表2.1 指示标志 直行 向左转弯 向右转弯 直行向右转弯 向左和向右转弯 靠右侧道路行驶靠左侧道路行驶立交直行/右转弯 行驶 环岛行驶 直行向左转弯立交直行和转弯行驶 鸣喇叭 机动车道 准许试刹车 单向行驶（向左/向右） 单向行驶（直行） 2.1.6 交通信号控制原

20、理交通信号控制原理是按照一定的控制程序，在交叉路口的每个方向上通过红、黄、绿三色灯循环显示，指挥交通流，在时间上实施隔离。交通规则规定：红灯停止通行，绿灯放行，黄灯清尾，即允许已过停车线的车辆继续通行，通过交叉路口。信号相位方案是指交通信号灯轮流给某些方向的车辆或行人分配交通权的一种顺序安排。我们把每一种控制（即对各进口道不同方向所显示的不同色灯的组合）称为一个信号相位。而一个相位又对应多个步伐，每一步伐对应该时刻不同灯色的状态。路口的交通灯一直进行着一个周期性的相变来控制车辆的运行。交通灯的优化控制问题，就是改变这些相所持续的时间和相邻路口相的周期，从而使目标达到最优。2.2 设计方案 方案

21、一：交通控制系统主要控制东西、南北，车道的交通，整个系统以STC89C52RC单片机为核心芯片，通过控制三色LED的亮灭来控制各车道的通行，另外通过复位键来恢复到程序的初始状态。总体设计框图如图2.1所示：图2.1 方案一设计框图方案二：采用标准STC89C52RC单片机为控制器，通行倒计时显示采用3位数码管；车道指示灯采用三色发光二极管，LED显示采用动态扫描，以节省端口。紧急车辆通行采用实时中断完成，识别方法采用手动按钮。按以上系统构架设计，单片机端口资源刚好满足要求。该系统具有电路简单，设计方便，显示亮度高耗电少，可靠性高，但是占用单片机资源太多了，整个框图设计如图2.2所示：图2.2

22、方案二设计框图方案三：采用标准STC89C52单片机为控制器，通行倒计时、东西、南北车道通行指示采用单块LCD液晶点阵显示器。这种方案设计占用单片机的端口最少，硬件也最少，耗电也最少，虽然显示图案也精美，但由于亮度太暗，晚上还得开背光灯，所以较少采用。通过以上综合分析可以看出，方案一具有综合设计优点，因此城市道口交通灯控制系统模型采用方案一设计。2.3 系统工作原理采用单片机的I/O口P0口通过上拉电阻和交通灯相连接，P3.0、P3.1口接到数码管控制位上，控制数码管的显示，程序放在STC89C52RC单片机的ROM中，在十字路口的四组红、黄、绿交通灯中，由单片机的P1.0-P1.2 、P1.

23、5-P1.7、P2.0-P2.2、P2.5-P2.7控制，由于交通灯为发光二极管且阳极通过限流电阻和电源正极相连，因此I/O口输出低电平时，与之相连的指示灯会亮，并通过数码管显示时间倒计时。I/O口输出高电平时，相应指示灯会灭。当交通出现障碍需要恢复到初始状态时，按下复位键即可，此键由单片机的9脚RST键控制。2.4 简单介绍STC89C52RC单片机STC89C52RC是STC公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8Kb的可反复擦写的Flash只读程序存储器和512b的随机存取数据存储器（RAM），器件采用高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准MCS51指令系统，片内置通用中央处

24、理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大STC89C52RC单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100000次。将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，是一种高效微控制器， STC89C52RC单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。1.时钟电路STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚RXD和TXD分别是此放大器的输入端和输出端。时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。内部方式的时

25、钟电路如图2.3(a) 所示，在RXD和TXD引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶体振荡频率可以在1.212MHz之间选择，电容值在530pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。外部方式的时钟电路如图22（b）所示，RXD接地，TXD接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。（a）内部方式时钟电路 （b）外部方式时钟电路图2.3 时钟电路2.复位及复位电路（1）复位操作复位就是单片机对自己进行的初

26、始化操作。他的主要功能就是把PC初始化为0000H，从而使单片机从0000H单元开始执行程序。除了系统的正常初始化外，当由于操作失误或程序运行出错导致系统进入死锁状态时，同样需要按复位键重新启动来摆脱所面临的困境。除PC之外，复位操作还对其他一些寄存器有影响，它们的复位状态如表2.2所示。表2.2 一些寄存器的复位状态寄存器复位状态寄存器复位状态PC0000HTCON00HACC00HTL000HPSW00HTH000HSP07HTL100HDPTR0000HTH100HP0-P3FFHSCON00HIPXX000000BSBUF不定IE0X000000BPCON0XXX0000BTMOD00

27、H（2）复位信号及其产生RST引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期(即二个机器周期)以上。若使用颇率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。产生复位信号的电路逻辑如图2.4所示：图2.4 复位信号的电路逻辑图整个复位电路包括芯片内部和芯片外部。由外部电路所产生的复位信号(RST)送到施密特触发器，接着由内部复位电路对每个机器周期的S5P2时刻的施密特触发器的输出进行采样，然后就得到了内部复位操作所需要的信号。复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图2.5（a）所示

28、。这佯，只要电源Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位初始化。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中，按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的，其电路如图2.5（b）所示；而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的。其电路如图2.5（c）所示：（a）上电复位 （b）按键电平复位 （c）按键脉冲复位图2.5 复位电路上述电路图中的电阻、电容参数适用于6MHz晶振，能保证复位信号高电平持续时间大于2个机器周期。本系统的复位电路采用图2.5（b）上电复位方式。3STC89C52RC引脚图图2.6是AT89C51的引脚图图2.6

29、 51系列单片机的引脚图AT89C51各中断源向量地址如图2.7 所示：图2.7 各中断源向量地址4STC89C52RC主要特性和功能主要功能如图2.8所示：图2.8 STC89C52主要功能2.5 总体设计2.5.1 功能概述本设计由单片机、LED数码显示模块和按键等构成。单片机是集成的IC芯片STC89C52单片机，只需根据实际选型。其他部分都需要根据应用要求和性能指示设计。本系统交通灯控制规则如下：1）系统设置四组红、黄、绿交通指示灯，并配置四队LED显示器。正常情况下两个干线上的红、黄、绿灯进行转换。2)东西方向和南北方向交替通行，东西方向每次放行30秒，南北方向每次放行30秒。3)绿

30、灯亮表示可以通行，红灯亮表示禁止通行，每次绿灯变红灯前，黄灯亮5秒钟。4）十字路口要有倒计时显示，以便人们更方便直观的把握时间，具体要求东西方向、南北方向通行时间及黄灯亮的时间均以秒为单位作减计数。2.5.2 系统构成整个系统的构成以STC89C52RC单片机为核心，由I/O口扩展，LED数码管显示，还有复位电路、时钟电路等组成。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、晶振电路、复位电路等组成。行车方向指示采用LED发光二极管，可有红、绿两种颜色指示放行与禁止，黄灯作为红绿转换的提示，形象直观。系统采用双数码管倒计时计数功能，最大显示数字99。第三

31、章 系统硬件设计3.1 交通灯通行模式及行车方向指示按交通灯控制规则，每个道口有红、黄、绿三种指示灯，交道口模型如图2.1所示：图3.1 交道口模型图2组LED数码管按照设置的通行时间（各路口默认的通行时间均为30s）进行倒计时，倒计时到5S时，绿灯变成黄灯，并各自进行红、黄、绿灯显示，共有两种通行方式分别为：图3.2 通行方式一示意图 图3.3 通行方式二示意图通行方式一：倒计时时间为30s（通行时间），红绿灯状态为：东西通行：绿，南北禁行：红;如图3.2所示。 通行方式二：倒计时时间为30s（通行时间），红绿灯状态为：南北通行：绿；东西禁行：红;如图3.3所示。通行默认时间为30s，系统设置了任意更改功能，可以根据实际情况进行调整，以提高车辆通过率，缓减交通压力。在通行结束前5秒钟，黄灯亮直至结束。本设计选用LED发光二极管的红绿灯状态用来指示交通指示信息。绿色表示通行，红色则表示禁止通行，黄灯等待。你所有指示信息一目了然。3.2各单元电路模块功能3.2.1 时钟电路模块时钟电