基于单片机的交通灯监控系统设计论文

随着我国社会经济的发展，城市化、城镇化进程的加快，道路交通堵塞问题日趋严重，如何对交通进行合理的管理和调度而尽可能减少堵车现象成为目前我国很多地方尤其是特大城市急需解决的问题，显然交通灯在其中起着不可缺少的作用。     

当今，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。它由红绿两种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。

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，1914年开始安装于纽约市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，车辆一接近红灯便变为绿灯；另一种是用扩音器来启动红绿灯，司机遇红灯时按一下嗽叭，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。

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。1968年，联合国《道路交通和道路标志信号协定》对各种信号灯的含义作了规定。绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以直行，左转弯和右转弯，除非另一种标志禁止某一种转向。左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。红灯是禁行信号，面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车。黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线，但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。

我国机动车辆发展迅速，而城镇道路建设由于历史等各种原因相对滞后。道路拥挤、阻塞现象及交通事故常有发生。如何利用当今自动控制技术，有效地疏导交通，提高城镇交通路口的通行能力，提高车辆速度，减少交通事故是值得我们研究的新课题。交通灯是城市交通中的重要指挥系统，它与人们日常生活密切相关。随着人们生活水平的提高，对交通管制也提出了更高的要求，因此提供一个可靠、安全、便捷的多功能交通灯控制系统有着现实的必要性，本文介绍的交通灯控制系统除具有一般的红绿灯显示功能外，还具有倒计时功能，以方便人们的生活需求。此系统的核心控制器是MCS-51系列单片机中的AT89C51。本次设计对红绿灯显示系统、按键系统都采用keil软件调试程序，并给出了调试过程及全部程序代码。

第2章　方案设计与论证

本设计以单片机为核心，以LED数码管作为倒计时指示，根据设计的要求我们考虑了各功能模块的几种设计方案，以求最佳方案，实现实时显示系统各种状态，系统还增设了根据交通拥挤情况可分别设置主干道和次干道的通行时间，以提高效率，缓减交通拥挤。系统总体设计框图如图1-1所示。

图1-1　系统总体设计框图

1．电源提供方案

为使模块稳定工作，须有可靠电源。本次设计考虑了两种电源方案：

方案一：采用独立的稳压电源。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，会使系统复杂，且可能影响电路电平。

方案二：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。

综上所述，选择第二种方案。

2．显示界面方案

该系统要求完成倒计时功能。基于上述原因，本次设计考虑了两种方案：

方案一：完全采用点阵式LED显示。这种方案功能强大，可方便的显示各种英文字符，汉字，图形等，但实现复杂，且须完成大量的软件工作。

方案二：完全采用数码管显示。这种方案优点是实现简单，可以完成倒计时功能。缺点是功能较少，只能显示有限的符号和数码字符。根据本设计的要求，方案二已经满足了要求，所以本次设计采用方案二以实现系统的显示功能。

3．输入方案

这里同样讨论了两种方案：

方案一：采用8155扩展I/O口、键盘及显示等。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，所以剩余的端口资源还比较多，我们使用六个按键，分别是P16、P17、P27、P30、P32、P33，依次完成倒计时加1、倒计时减1、调完确认、调时方向切换、南北强行和东西强行等功能。

由于该系统是对交通灯及数码管的控制，只需用单片机本身的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。

第3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。

3.1　总体设计

本设计以单片机为控制核心，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、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。它由单片机振荡电路、复位电路等组成。

键盘及状态显示，开关键盘输入交通灯初始时间，通过单片机P1输入到系统。

系统采用双数码管倒计时计数功能，最大显示数字99。

友好的人机界面、灵活的控制方式、优化的物理结构是本设计的亮点。

3.2　单片机最小系统

1．振荡电路

AT89C51是内部具有振荡电路的单片机，只需在18脚和19脚之间接上石英晶体，给单片机加工作所需直流电源，振荡器就开始振荡起来。振荡电路就为单片机工作提供了所需要的时钟脉冲信号，是单片机的内部电路、单片机的内部程序（若有）开始工作。振荡电路不工作，整个单片机电路都不能正常工作。AT89C51常外接6MHz、12MHz的石英晶体，18脚和19脚分别对地接了一个20pF的电容，目的是防止单片机自激。若从18脚输入外部时钟脉冲，则19脚接地。

2．复位电路

复位电路就是在RST端（9脚）外接的一个电路，目的是使单片机上的电开始工作时，内部电路从初始状态开始工作，或者在工作中人为让单片机重新从初始状态开始工作。在时钟工作的情况下，只要复位引脚高电平保持在两个机器周期以上的时间，AT89C51便能完成系统重置的各项工作，使得内部特殊功能寄存器的内容均被设置成已知状态，并且从地址0000H处读入程序代码而执行程序。单片机最小系统电路如图3-1所示。

图3-1　单片机最小系统电路原理图

3.3　显示及其驱动模块

3.3.1　键盘与状态显示功能

键盘在本设计中用于紧急情况的手动控制装置，以及定时时间的设置等功能，起到了不可缺少的重要作用。当定时器定时为1秒时程序跳转到时间显示及信号灯显示子程序，它将依次显示信号灯时间，同时一直显示信号灯的颜色，这时在返回定时子程序定时1秒，在显示黄灯的下一个时间，这样依次把所有的时间显示完后在重新给时间计数器赋初值，重新进入循环。键盘电路如图3-2所示。

图3-2　键盘电路

3.3.2　倒计时计数功能

本系统使用数码管完成倒计时显示功能。以南北方向为例，数码管显示的数值从绿灯的设置时间最大值往下减，每秒钟减1，一直减到1。然后又从红灯的设置时间最大值往下减，一直减到1。接下来又显示绿灯时间，如此循环。

系统共有4个两位的LED数码管，分别放置在模拟交通灯控制板上的四个路口。因为四个方向的数码管应该显示同样的内容，所以我们可以把它们同样对待。也就是说各个方向的数码管个位（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。这里采用动态显示。LED数码管如图3-3所示。

图3-3　LED数码管

第4章　系统软件设计

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。这里我们选用了移值性好、结构清晰、能进行复杂运算的C语言来实现编程。

4.1　软件总体设计

软件总体设计主要完成各部分的软件控制和协调。本系统主程序模块主要完成的工作是对系统的初始化，发送显示数据，同时对键盘进行扫描，等待外部中断，以及根据所需要的功能进行相应的操作。其流程图如图4-1所示。

图4-1　软件总体流程图

4.2　软件主要子程序设计

4.2.1　设置状态子程序设计

设置状态子程序如图4-1所示。

图4-1设置状态子程序

在设置状态，按下按键1（P16）开始设置南北的红灯时间，按下按键2（P17）设置南北的绿灯时间，按下按键3（P27）返回正常运行状态。红灯和绿灯的时间最大可以设为99，超出99的时候会从50开始重新计数。它包含倒计时调整和紧急状态两个状态。主程序中放了一个按键的判断指令，当有按键按下的时候，程序就自动的跳转到按键子程序处理。当检测到按键2（P17）键按下的时候就自动返回到主程序。当出现紧急的情况的时候，按下按键3（P27）就切换到紧急状态，当紧急事件处理完毕的时候，按下按键2（P17），就可以返回正常状态。

4.2.2　键盘模块子程序设计

键盘是人机进行交互的重要接口之一。用户通过按键对仪器下达命令，仪器对按键译码获得相应的键值，并执行相应的命令程序。键盘部分的软件实现主要是指对键盘管理进行编程，从而成功地读取键盘值，实现相应的功能。键盘实现的程序流程图如图4-3所示。

图4-3键盘实现的程序流程图

第5章　系统调试与测试

5.1　系统操作说明

本设计采用的是开关键盘，共6个键。键盘用来输入倒计时时间数字信息；功能菜单选择键则用于主次干道通行时间分别设置、确定、取消（即调时方向的切换、倒计时的加减、东西强行、南北强行，调完确认）等功能。

系统分为两个状态：设置状态和显示状态。利用键盘可以进行两个状态间的切换；开机时，系统为显示状态，此时显示四个路口数码管从默认的倒计时时间开始倒计时；显示状态时，交通灯模组的四个LED数码管进行倒计时；显示过程中按键可以重新进入设置状态。

5.2　调试

根据电路功能逐级进行：

1．通行方式功能调试：对行人和行车方向指示灯亮度和驱动电路调试；

2．倒计时功能调试：数码管亮度调试；

3．紧急情况手动控制功能调试：包括按键功能的调试。

调试结果如图5-1所示。

图5-1　调试后的原理图

结　论

本设计以单片机为核心，以LED数码管作为倒计时指示，该设计很好地完成了设计的各项要求，主要体现如下：

出现紧急情况时系统可设置成手动控制，紧急情况结束后再转成自动，控制十分灵活；

主干道和次干道可以分开设置时间功能，使控制更加灵活；

以上所有功能均在城市交道口模型上得到很好地实现，该设计在确保功能实现的基础上，充分考虑了控制系统操作方便、可靠性高、稳定性好等要求。

该设计的交通灯控制器，实现了能根据实际车流量通过AT89C51芯片的P1口设置红、绿灯燃亮时间的功能；红绿灯循环点亮，倒计时剩3秒时黄灯闪烁警示绿灯时间可检测车流量并可通过双位数码管显示。

通过这次毕业设计，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题全面的系统的锻炼。使我在单片机的基本原理、单片机应用系统开发过程，以及在常用编程设计思路技巧，特别是对C语言的掌握方面都能向前迈了一大步，为日后成为合格的应用型人才打下良好的基础。

该设计虽然结束了，但由于时间、设备、条件和水平等各方面因素，还存在一些不足，还需要不断改进，当然也就需要学习并运用更多相关的知识。

致　谢

时间依然保留着它的荒凉，它不会为什么而改变；但时间也像海绵里的水，只要肯挤，还是很多的；我相信机会总是眷顾有准备的人！在本次毕业设计中我深有体会！当然，做毕业设计是作为当代一名大学生将知识运用于实践的一个重要环节。完成这次毕业设计，我要感谢所有帮助过我的老师，特别是我的毕业指导老师熊建云。在这次毕业设计中，我巩固了所学的电子基础知识，也扩大了自己的知识面，即将告别培育过我的母校、老师和同学，真的舍不得。

对于学过的知识只有运用到实践中，才能体现出它的价值。而这次毕业设计是自我锻炼的一个很好的机会，让我的大学生活画上一个圆满的句号。我知道，现在社会竞争激烈，只有不断学习才会有好的出路。母校给了我学习的空间和展示自我的舞台，今天的成功离不开每位老师的细心教导和同学们的之间互相帮助。在此，再次对所有关心和帮助过我的老师和同学表示衷心的感谢，祝愿您们身体健康，一切顺利。