基于单片机控制的智能交通灯毕业论文

郑州航空工业管理学院

毕 业 论 文（设 计）

2013 届 电气工程及其自动化 专业 971 班级

题 目 基于单片机控制的智能交通灯

姓 名 学号

指导教师 职称

二О一 三 年 五 月 十五 日

摘 要

交通灯是现代交通非常重要的一个组成部分，一套好的交通灯系统往往对提升城市交通运输效率，降低事故发生率有至关重要的影响。

智能交通灯控制系统通常要实现车流量自动控制和在紧急情况下能够手动切换信号灯让特殊车辆优先通行。该文主要论述了智能交通灯控制系统的软件实现，还对STC89C52单片机的结构特点和重要引脚功能进行了介绍，外接外围电路构成基本电路，编写C语言程序，用keil编译调试，同时对智能交通灯控制系统的设计进行了分析。最后利用proteus软件对交通灯控制系统进行仿真，用来实现了交通微控制器的模拟。

关键字：单片机；STC89C52；车流量；智能交通灯；keil；proteus

Abstract

Traffic lights modern transport a very important part of a good set of traffic lights system often have a crucial impact in raising the efficiency of urban transport, reduce the accident rate.
Intelligent traffic light control system is usually to achieve automatic control and traffic flow in case of emergency lights can be manually switched to special vehicles priority access. This paper mainly discusses the intelligent traffic light control system software, but also on the structural characteristics and STC89C52 microcontroller pin functions are introduced important, external peripheral circuits basic circuit, the preparation of C language program, using keil compiler debugging, while the intelligent traffic light control system design were analyzed. Finally, proteus software for traffic light control system simulation is used to achieve a traffic microcontroller simulation.

Key word: SCM; STC89C52; traffic; intelligent traffic lights; keil; proteus

目 录

第1章 概述 1

1.1 交通灯的历史和现状 1

1.2 智能交通系统的发展前景和意义 1

1.3 设计要求 2

第2章 硬件设计 3

2.1 单片机相关介绍 3

2.2 部分电路设计 4

2.2.1 供电 4

2.2.2 复位电路 5

2.2.3 时钟电路 5

2.2.4 锁存器 6

2.2.5 数码管 7

第3章 软件设计 10

3.1 基本原理 10

3.2 设计方案 10

3.2.1 时间设定 10

3.2.2 紧急状态功能 11

3.2.3 车流量监控 11

3.3 中断程序设计 12

3.4 交通灯基本功能的状态转换 12

3.5 总程序流程图 14

3.5.1 单片机的I/O分布 14

3.5.2 锁存器74HC573的I/O分布 15

3.6 编程软件 16

3.6.1 keil软件的使用 17

3.6.2 编译 18

第4章 系统的仿真 20

4.1 仿真软件 20

4.2 系统仿真 20

4.3 结果分析 22

第5章 总结 24

致谢 25

参考文献 26

附 录 27

第1章 概述

1.1 交通灯的历史和现状

如今，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。它由红绿两色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。本设计的单片机控制交通灯就是基于信号灯。

1.2 智能交通系统的发展前景和意义

虽然我国发展起步较晚，引入智能交通概念和技术只有十几年的历史。但是，近年来我国智能交通技术的应用发展处于蓬勃上升趋势。从“十五”开始由国家科技部牵头，联合交通运输部、公安部、住建部等部门积极开展交通运输体系研究，加大在国家科技攻关项目计划中的实施和示范城市的建设。到“十二五”期间，我国智能交通系统的发展趋势主要体现在通过智能化和信息化手段；推动综合交通运输、城市公共交通的高效发展；实现交通节能减排、车辆安全出行等方面。

“十二五”时期，智能交通将通过综合运用信息采集、处理、传输、发布等多种技术，加强在路网运行监测和应急处理系统、交通出行信息服务系统、交通诱导系统、智能停车系统、不停车收费系统等多方面的应用和发展。

通过这些智能交通系统发布动态有效的信息服务，可高效引导车辆出行前、出行中的路径选择，提供从出行计划到实现的一站式服务，从而提高车辆出行效率和交通基础设施的承载能力，并通过加强对路网的运行监测，提高突发事件处理效率，减少车辆无序和无效出行，降低车辆燃油消耗和尾气排放，减少城市能耗和碳排放，逐步将传统的交通出行模式向更加高效、经济、安全的绿色出行模式转变，从而缓解城市交通拥堵。

目前我国公路、铁路、水路、航空、管道等各种交通运输方式已经初步形成网络，如何统筹各种运输方式发展，积极推进综合交通运输体系建设，提升综合交通运输网络的运营效率，将是“十二五”期间面临的关键问题。智能化交通管理控制与服务，交通运行智能化监测分析及车路协同关键技术等。通过这些智能交通技术的研究和应用，将加强对道路异常信息及突发事件的监测预警，强化交通事故及事件的预防，提高交通事故处理效率，为车辆出行创造更加安全舒适的交通运行环境，进一步提高安全服务水平。

1.3 设计要求

由于现今阶段交通问题已经成为城市的重要问题，传统的交通灯控制系统僵化简单已不适用于今天城市的发展，所以一种带有车流量监控和多种特殊中断的智能交通灯系统的设计制作尤其重要。

智能交通灯控制系统模型采用单片机作为主控制器，用于双车道十字路口的车辆的交通管理，每个方向具有通行、等待、禁行三种通行指示灯计时牌显示路口转换剩余时间，在出现紧急情况时可由交警手动实现全路口车辆禁行的状态，并且可对通行时间做出调整，可随时切换东西通行、南北通行两种状态。最为重要的是改变传统的交通灯控制系统单调、简单的缺点，实现信号指示灯通行和禁行显示时间根据车流量的变化而变化，有效的解决传统交通灯的车流不平衡的问题。

第2章 硬件设计

2.1 单片机相关介绍

单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。

通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和I/O接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。

单片机经过1、2、3代的发展，目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展，它们的CPU功能在增强，内部资源在增多，引脚的多功能化，以及低电压低功耗。

本次智能交通系统选用了市面上较为常见的STC89C52单片机，STC89C52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

STC89C52的管脚图如图2-1所示：

图2-1 STC89C52管脚图

2.2 部分电路设计

智能交通控制系统采用标准STC89C52单片机作为控制器；通行和禁行倒计时显示采用两位LED数码管，仿真时为了更形象地观察通行和禁行时间采用了4个2位LED数码管，其中南北两个并联，东西两个并联；信号指示灯采用单色发光二极管；LED数码管显示采用动态扫描，以节省端口数；特殊中断（紧急情况中断、时间设定中断）和南北通行状态、东西通行状态互换手动完成; 电源端口为USB，可连接至稳定的电源，方便快捷，适用范围广。按以上系统框架设计，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，可靠性高等特点。整个电路组成的大致框图如图2-2所示：

图2-2 采用数码管的动态扫描交通灯控制系统

2.2.1 供电

为使模块稳定工作，须有可靠电源。本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。本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。

考虑到实际情况和电路的简洁，本设计采用了第二套方案，同时在考虑到突发断电的情况，还增加了一个后备电源，在打开后备电源的时候，如果主电源断电，后备电源瞬间接通继续供电，这里会利用到二极管的单向导电性。

2.2.2 复位电路

如图2-3所示：

图2-3 复位电路图

单片机复位后各寄存器的状态:

A＝00H，表明累加器已被清零； PSW＝00H，表明选寄存器0组为工作寄存器组；SP＝07H，表明堆栈指针指向片内RAM 07H字节单元，根据堆栈操作的先加后压法则，第一个被压入的内容写入到08H单元中；P0-P3＝FFH，表明已向各端口线写入1，此时，各端口既可用于输入又可用于输出；IP＝×××00000B，表明各个中断源处于低优先级；IE＝0××00000B，表明各个中断均被关断。

2.2.3 时钟电路

时钟电路如图2-4所示：

时钟电路中最为重要的就是晶振，晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十，高级的精度更高。

图2-4 时钟电路图

通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。晶振结合单片机内部的电路，产生单片机所必须的时钟频率，单片机的一切指令的执行都是建立在这个基础上的，晶振提供的时钟频率越高，那单片机的运行速度也就越快。

2.2.4 锁存器

锁存器选用两个74HC573，两锁存器连接如图2-5：

图2-5 两个锁存器连接图

通常在锁存器的前面要添加一个上拉电阻RP1，作用就是将不确定的信号通过一个电阻嵌位在高电平,电阻同时起限流作用,使得锁存器不至于由于电流过大而烧坏。上拉电阻的2-9号管脚分别接到C52单片机的P0.0-P0.7端口分别定义为D0，D1，D2，D3，D4，D5，D6,D7标号，如图2-6所示：

图2-6 单片机与上拉电阻的连接

然后分别连接到两个锁存器的D0-D7端口。然而U2锁存器的右端口Q0-Q7分别接数码管的a-g和dp引脚来实现数码管的段选任务，当然U2的左下角引脚接地，LE引脚接dula端口，而dula端口上接单片机C52的P2.6引脚，目的是来实现数码管的段选接通任务，当P2.6端口得到高电平时，此时数码管段选得电，可以使得数码管显示出我们想要显示的数字。

U3锁存器的右端口Q0，Q1分别接we1与we2端口，Q4，Q5分别接we3，we4端口，而we1，we2端口上接南北路方向数码管的1和2引脚，we3，we4端口上接东北路方向数码管的1和2引脚，来实现两个方向显示不同数字。U3锁存器的左下角引脚依然接地，LE引脚接wela端口，而wela端口上接单片机C52的P2.7引脚。目的是实现数码管的位选通任务。

2.2.5 数码管

不管将几个数码管连在一起，数码管的显示原理都是一样的，都是靠点亮内部的发光二极管来发光的，从图2-7(a)中可看出，一个数码管的引脚是10个，显示一个8字需要7小段，另外还有一个小数点，所以其内部一共有8个小的发光二极管，最后还有一个公共端，生产商为了封装统一，单位数码管都封装10个引脚，其中第3和第8引脚是连接在一起的。而它们的公共端又可分为共阳极和共阴极，图2-7(b)为共阳极内部原理图，本次设计就是应用的共阳极显示数码管。

(a) 引脚 (b) 共阳极

图2-7 数码管的内部原理图

共阳极数码管其内部8个发光二极管的所有阳极全部连接在一起，电路链接时，公共端接高电平，因此我们要点亮那个发光二极管就需要给阴极送上低电平，此时显示数字的编码与共阴极编码是相反的关系，数码管内部发光二极管点亮时，也需要5mA以上的电流，而且电流不宜过大，否则会烧毁发光二极管。由于单片机的I/O口送不出如此大的电流，所以数码管与单片机连接时需要加驱动电路，可以用上拉电阻的方法或使用专门的数码管驱动芯片，然而这里使用的上拉电阻与75HC573锁存器的联合运用，其输出电流较大，电路接口简单，可以借鉴使用。

本设计中的数码管是四个两位的数码管，其本质与一位的一样，十字路口南北方向的倒计时数码管如图2-8所示：

图2-8 数码管的连接

数码管的A-G和DP引脚分别接到锁存器U2的Q0-Q7端口，来实现数码管的段选显示，当单片机的P2.7端口得到高电平时，锁存器U3选通，即位选选通。而锁存器U2，U3都上接单片机的P0端口，当P0=0x01时，数码管的十位点亮，然后让P2.6端口得电，锁存器U2选通，由于本次设计是连接的共阳极的数码管，所以再令P0=0xc0时，段选成功，数码管十位显示出“0”。东西方向的数码管显示类似。

共阳极数码管显示P0口赋值如表2-1：

表2-1共阳极数码管显示P0口赋值

第3章 软件设计

3.1 基本原理

由于本设计采用单片机STC89C52设计交通灯控制系统，用单片机直接控制信号灯的状态变化，基本上可以指挥交通的具体通行，当然，接入LED数码管就可以显示倒计时以提醒行使者，更具人性化。

据此，智能交通系统以单片机为控制核心，连接成最小系统，由按键设置模块产生输入，信号灯状态模块，LED倒计时模块模块接受输出。系统的总体框图如图3-1所示：

图3-1系统的总体框图

单片机上电后，系统进入正常工作状态，执行交通灯状态显示控制，同时将时间数据倒计时输入到LED数码管上实时显示。在此过程中随时调用急停按键和时间调节中断。

3.2 设计方案

智能交通系统设计了时间设定、紧急状态、南北通行与东西通行选择三种特殊功能和流量监控等重要创意功能。

3.2.1 时间设定

时间设定功能是为自由设定通行时间设计的，使用外部中断0实现，当INT0(P3.2)端口输入低电平时中断程序执行，进入中断后，先关闭全局中断，此时可根据P3.6和P3.7调整绿灯通行时间，其中P3.6可以增加东西绿灯发亮时间，P3.7 可以增加南北绿灯发亮时间。当时间调节完毕时可按返回键（P3.0）开启全局中断并跳出时间设定。

3.2.2 紧急状态功能

紧急状态功能是为交通路口出现紧急状况时能及时停止交通运行，让特殊车辆通过设计的，由外部中断1控制来实现，当INT1(P3.3)端口输入低电平时中断程序执行，进入中断后，各路禁止通行，通行时间显示为0并关闭全局中断，计数器停止计数，按下返回键时，开启全局中断并返回到断点。

3.2.3 车流量监控

高速公路车流量监测系统实现了智能化的高速公路车流量实时监测和管理，在改善交通环境，保证高速公路交通安全和道路畅通、提升服务质量和运营水平等方面将起到重要的作用。

流量监控体现了交通控制的智能性，使得交通灯的通行时间能根据车流的大小进行自动变换，其中流量监测的方案有三：

方案一：空气管道检测技术

空气管道检测是接触式的检测方法，在高速公路主线的检测点拉一条空心的塑料管道并作固定，一端封闭，另一端连接计数器，当车辆经过塑料管道时，车轮压到空气管道，管内空气被挤压而触动计数器进行计算车流量的方法。显然，该方法只能获取单一的车辆信息，且方法繁琐，寿命短，已经被磁感应检测等技术所取代。

方案二：超声波检测技术

超声波检测器是基于声波的传播和反射原理，通过对发射波和反射波的时差测量实现位移测量的设备。由超声波发生器发射一束超声波，再接收从车辆或地面的反射波，根据反射波返回时间的差别，来判断有无车辆通过。

方案三：红外检测技术　

红外检测器是顶置式或路侧式的交通流检测器，一般采用反射式检测技术。反射式检测探头由一个红外发光管和一个红外接收管组成。由调制脉冲发生器产生调制脉冲，经红外探头向道路上辐射，当有车辆通过时，红外脉冲从车体反射回来，被接收管接收后经过解调、放大、整流滤波后输出一个检测信号送入单片机。

显然，方案一有方法繁琐、寿命短的缺点；方案二由于信号衰减，以及马路噪声源较多的缘故稳定性和抗干扰性不好；方案三最好，因为方案三不必安装多余的车辆检测硬件，从而减少开支，经济实用，而且当前技术已经非常成熟，因此本设计采用方案三。

通过监控系统的实施，可完成准确及时采集高速公路车流的各种数据和信息；对高速公路车流实现全程、实时、不间断的监控；建立多种信息发布渠道，为驾驶员提供信息服务，以便调整行驶路线，进而达到交通流动态平衡；根据已掌握的车流量信息，迅速做出有针对性的处理和优化控制方案；对交通事故、突发状况等能做出快速反应，迅速排除事故根源，采取相应的应急措施，提供救援服务；建立高速公路车流量数据库，用以支持道路运行状况评价，为改善道路经营和交通管理的决策提供数据支持。

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/f698517b182e453610661ed9ad51f01dc3815749.html