1、完整版单片机交通灯本科毕业设计摘 要近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断深入，不断的改变着人们的生活，同时带动传统控制检测技术日益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为一个核心部件来使用，但是仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及与针对具体应用对象的软件结合，加以完善，这样才能够给人们带来更有价值的应用。经济的发展使车辆越来越普遍，因此，人、车的通行秩序的维持，就要依靠交通信号灯的自动指挥系统。交通信号灯控制方式有很多。交通灯控制系统通常要实现自动控制，本系统采用MCS-51系列单片机AT89S52为中心器件来设计交通灯控制器，以共阳极双位数码管显
2、示倒计时间，实现了能根据实际车流量设置红绿灯燃亮时间的功能；红绿灯循环点亮，倒计时剩2秒时绿灯闪烁示警（交通灯位选通过P1口输出，显示时间通过P2口输出至双位数码管）,另外，可以通过按键分别实现紧急模式和夜间模式以达到智能和节能的效果。系统整体电路包括单片机最小系统、交通信号灯模块和显示电路模块，将以上模块综合连接起来，以实现整体系统功能。软件部分则采用KEIL C语言编程，使单片机的中断和计时功能，用以实现所设想功能。本系统设计周期短、可靠性高、实用性强、操作简单、维护方便、扩展功能强。 关键词：单片机；交通灯 ；数码管AbstractIn recent years, with the ra
3、pid development of technology, SCM applications are deepening constantly changing peoples lives, while detection technology is increasingly driven by traditional control updates.In the real-time detection and automatic control of microcomputer application system, the micro-controller is often used a
4、s a core component, but only SCM knowledge is not enough, we should based on the specific hardware architecture, as well as application-specific objects and combine software, to be perfect, so as to be able to bring more valuable applications.The developments of the science and the technology make i
5、t possible to own cars for people. Therefore, to make sure the passage of people and cars in a perfect order, the traffic lights on the automatic control system is needed. There are many ways to control the traffic lights. Traffic light control systems typically achieve automatic control,the system
6、uses the MCS-51series single-chip AT89S52 as the center device designed to control the traffic lights,with common anode dual digital display countdown to achieve the set according to the actual traffic green light to kindle a function of time ; lighting the red-light and green-light by turn and ligh
7、ting the yellow-light to warm while 2 seconds left(outputting the traffic light signal by P1,outputting the time by P2 and showing the time on double-digits nixie tube).In addition, the emergency mode and night mode can be achieved through the buttons to achieve intelligent and energy saving effect.
8、 The whole circuits include the smallest single chip systems, traffic lights module and display module. Integrate circuit module above in order to achieve the overall system function. In this design, software part uses the LEIL C language programming, and uses interrupt and time function to facilita
9、te the imagine function convenient. Short of the design cycle, high reliability, practical, simple operation, easy maintenance, the expansion of powerful is this system.Key words: SCM; traffic light；nixie tube第1章 绪论1.1 设计研究背景及意义交通灯是城市经济活动的命脉，对城市经济发展、人民生活水平的提高起着十分重要的作用。城市交通问题是困扰城市发展、制约城市经济建设的重要因素。城市道
10、路增长的有限与车辆增加的无限这一对矛盾事故是导致城市交通拥挤的根本原因。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。自从开始使用计算机控制系统后，不管在控制硬件里取得什么样的实际发展，交通控制领域的控制逻辑方面始终没能取得重大突破。 可以肯定的说，对于减轻交通拥塞及其副作用特别是对于大的交通网络而言，仍然缺乏一种真正的交通响应控制策略。计算机硬件能力与控制软件能力很不相符，由此造成的影响是很多交通控制策略根本不能实现。在少数几个例子中，一些新的控制策略确实能得以实现，但他们却没能对早期的控制策略进行改进。由于缺乏能提高交通状况、特别是缺乏拥塞网络交
11、通状况的实时控制策略，几乎可以说真正成熟的控制策略仍然不存在。智能化和集成化是城市交通信号控制系统的发展趋势和研究前沿，而针对交通系统规模复杂性特征的控制结构和针对城市交通瓶颈问题并代表智能决策的阻塞处理则是智能交通控制优化管理的关键和突破口。因此，研究基于智能集成的城市交通信号控制系统具有相当的学术价值和实用价值。把智能控制引入到城市交通控制系统中，未来的城市交通控制系统才能适应城市交通的发展。从长远来看，该研究具有巨大的现实意义。1.2 国内外交通灯研究的发展概况随着经济的发展，城市现代化程度不断提高，交通需求和交通量迅速增长，城市交通网络中交通拥挤日益严重，道路运输所带来的交通拥堵、交通
12、事故和环境污染等负面效应也日益突出，逐步成为经济和社会发展中的全球性共同问题。交通问题已经日益成为世界性的难题，城市交通事故、交通阻塞和交通污染问题愈加突出。为了解决车和路的矛盾，常用的有两种方法：一是控制需求，最直接的办法就是限制车辆的增加；二是增加供给，也就是修路。但是这两个办法都有其局限性。交通是社会发展和人民生活水平提高的基本条件，经济的发展必然带来出行的增加，而且在我国汽车工业正处在起步阶段的时期，因此限制车辆的增加不是解决问题的好方法。而采取增加供给，即大量修筑道路基础设施的方法，在资源、环境矛盾越来越突出的今天，面对越来越拥挤的交通，有限的资源和财力以及环境的压力，也将受到限制。
13、这就需要依靠除限制需求和提供道路设施之外的其他方法来满足日益增长的交通需求。交通系统正是解决这一矛盾的途径之一。智能交通系统是将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、电子控制技术及计算机处理技术等有效的集成运用于整个地面交通管理系统而建立的一种在大范围内、全方位发挥作用的实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。对城市交通流进行智能控制，可以使道路畅通，提高交通效率。合理进行交通控制可以对交通流进行有效的引导和调度，使交通保持在一个平稳的运行状态，从而避免或缓和交通拥挤状况，大大提高交通运输的运行效率，还可以减少交通事故，增加交通安全，降低污染程度，节省能源消耗，本文就是通过对交叉路口
14、交通信号的智能控制，达到优化路口交通流的目的。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。它由红绿两以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
15、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
16、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。我国经济发展使得机动车辆发展迅速，而城镇道路建设相对滞后。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，有效的疏导交通，提高城镇交通路口的通行能力，提高车辆通行速度，减少交通事故是我们值得研究的课题。 交通灯起着一个重要的角色，是交通管理部门管理交通的重要工具。国内的交通灯一般都设在十字路口，在醒目位置使用红、绿、黄三种颜色的指示灯，加上一个倒计时的显示计时器来提示行车。红灯是禁行信号，面对红灯的车辆必须
17、在交叉口的停车线后停车。绿灯是通行信号，黄灯是警告型号，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通行。事实证明，智能的交通灯能有效地缓解城市的交通压力，减少交通事故；智能的交通灯能为人们节省大量出行时间；智能的交通灯为交通顺畅提供了保障，对经济的发展起着一定不可估量的作用。1.3 课题设计内容本次设计的课题是智能交通灯控制系统的设计，采用的控制芯片是AT89S52，交通型号灯控制系统除了具有一般的红绿灯显示功能外，还具有倒计时功能、夜间模式、紧急模式等功能，用PROTEL DXP实现电路原理图和PCB电路图的绘制，用KEIL C语言编程,并通过PROTEUS进行
18、仿真。实现智能交通灯的整体控制功能。第2章 设计基础2.1方案论证目前设计交通灯的方案有很多，有应用PLC实现对交通灯控制系统的设计,有应用单片机实现对交通信号灯设计。由于AT89S52单片机自带有2计数器，6个中断源，且其I/O口作为输出时，具有较大的吸收电流能力，可直接驱动数码管，能满足系统的设计要求。用单片机设计不但设计简单，而且成本低，用其设计的交通灯也满足了要求，所以本文采用单片机设计交通灯。2.1.1 控制模块选择方案方案一：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AT公司的单片机AT8
19、9s52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AT89s52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。2.1.2 显示模块选择方案该系统要求完成倒
20、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
21、杂度。权衡利弊，选择方案三。2.1.3 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，我们使用两个按键，分别是K1、K2。 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。2.1.4 电源模块方案选择方案一：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
22、码管。方案二：采用独立的稳压电源，采用USB供电为整个系统供电，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。2.1.5 设计要求东西、南北两干道交于一个十字路口，各干道有一组红绿黄指示灯，指挥车辆和行人安全通行。红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行。设东西、南北的车流量相同。(1) 把设计任务细化为四个状态，其对应状态如表2.1：表2.1 通行状态表东西干道南北干道30秒红灯27秒
23、绿灯3秒黄灯27秒绿灯30秒红灯3秒黄灯(2) 可以设置通行时间，用以调节车流量大小时的通行时间。(3) 实现南北东西方向都禁止通行。(4) 实现夜间模式（四个方向只显示黄灯）以减小耗电量。2.2 单片机概述单片机(单片微型计算机)作为微型计算机的一个重要分支，自问世以来，以其极高的性价比，受到人们的重视和关注，因此广泛应用，发展迅速。相对而言，单片机体积小、重量轻、抗干扰能力强，对环境的要求不高，并且价格低廉、可靠性高、灵活性高。在我国，单片机已经广泛的应用于智能仪器仪表、自动检查、家用电器和数据处理等各个方面。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、
24、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。单片机经过三代的发展，目前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，引脚在多功能化，而且低电压低功耗。C系列与S系列的区别：（1）S系列相对C系列性能有了较大提升，价格基本不变，甚至更低；（2）S系列最具特色的一点具有ISP在线编程功能，此功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离，是一个强大易用的功能。（3）S系列较C系列有更高的工作频率，从而具备了更高的计算速度，例如：89C51的极限工作频率是24MHz，但89S51的是33MHz；（4
25、）S系列具有双工UART串行通道；（5）S系列内部集成看门狗计时器，不在需要C系列那样外接的看门狗计时器电路单元；（6）S系列具备双数据指示器；（7）S系列电源关闭标识；（8）S系列具有全新的加密算法，程序的保密性大大加强，这样可有效的保护知识产权不被侵犯。2.3 主控制器AT89S52AT89S52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程AT89S52引脚图 DIP封装Flash存储器。使用Atmel 公司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。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于 常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8
26、 位CPU 和在系统 可编程Flash，使得AT89S52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。 AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻 辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工 作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。2.3.1
27、 P3口第二功能表表2.2 P3口第二功能引 脚第 二 功 能P3.0RXD: 串行口接收数据输入端P3.1TXD: 串行口发送数据输出端P3.2INT0: 外部中断0输入端P3.3INT1: 外部中断1输入端P3.4T0: 外部计数0脉冲输入端P3.5T1: 外部计数1脉冲输入端P3.6WR: 写外设控制信号输出端P3.7RD: 读外设控制信号输出端2.4 单片机最小系统要使单片机工作起来，最基本的电路构成为图2.1。图2.1 AT89S52最小工作系统2.4.1 电源电路AT89S52单片机的工作电压都范围：4.0V5.5V， 所以通常给单片机外接5V直流电源。连接方式为VCC(40脚）：
28、接电源+5V端GND(20脚）：接电源地端。图2.2 电源电路本设计方案采用 通过USB外接5V直流电源，给单片机及其它电路供电电源电路如图2.2。2.4.2 时钟电路单片机工作的时间基准，决定单片机工作速度。时钟电路就是振荡电路，向单片机提供一个正弦波信号作为基准，决定单片机的执行速度：晶体振荡频率高，则系统的时钟频率也高，单片机运行速度也就快。但反过来运行速度快对存储器的速度要求就高，对印刷电路板的要求也高（线间寄生电容要小）。时钟电路通常外接一个晶振、两个电容。晶振AT89S52单片机时钟频率范围：0 33MHz。电容为1545pF，本设计中使用30pF电容，11.0592晶振。时钟电路
29、连接方式如2.3。XTAL1，XTAL2为片内震荡电路输入/输出端。在焊接电路板时，晶振和电容应尽可能的靠近单片机芯片，以减少寄生电容，更好的保证电路稳定可靠的工作。 图2.3 时钟电路2.4.3 复位电路RESET为复位端（正脉冲有效，宽度）10ms），RST引脚持续2个周期高电平将使单片机复位。复位是单片机的初始化操作，其主要功能是把PC初始化为0000H。确定单片机工作的起始状态，完成单片机的启动过程。复位后P0P3口均置1，引脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能寄存器SFR全部清零。VCC接通电源后，VCC便对电容通过电阻进行充电。在充电过程中，随着电容电压逐步趋近于VCC，RST脚上
30、的电压最终接近于0，过度过程的长短取决于电阻电容的大小。22uF电容满足使RST电压在启动后有两个周期(2us)以上的时间高于斯密特触发器最低门槛电压，使整个过程得以完成。图2.4 复位电路除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于“死锁”状态时为摆脱困境，也需通过复位操作，重新启动。系统采用上电复位与手动复位方式进行复位。如图2.4所示。2.4.4 EA/VP引脚 如EA端为高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存储器的指令。EA/Vpp: 寻址外部ROM控制端/编程电源输入端。低电平有效，当单片机内有ROM时应当接高电平，片内无ROM时必须接地。本设计用AT8
31、9S52单片机，片内有 8K字节程序存储器ROM，所以EA引脚必须接高电平。或者悬空引脚，单片机默认为1。2.5 数码管数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管（Light Emitting Diode）。它既可以工作在恒定电流状态，又可以工作在脉冲电流状态。在平均电流相同的情况下，脉冲工作状态可产生比直流工作状态较强的亮度。LED显示器每段正常发光需直流电流1020mA。LED数码管属于电流控制型器件，发光亮度与正向电流成正比，每个字段的工作电流约为10mA左右。其优点是工作电压较低、体积小、寿命长、工作可靠性高、响应速度快、亮度高、不会损坏器件。2.5.1 工作原理数码管按段数分
32、为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）。按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等。按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳极数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳极数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。图2.5 共阳极LED数码管共阴极数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴极数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。在实际应用中，除公共极外，其他各极应串接一个电阻后在接到相应电平。电阻的作用是限制流过LED中的电流，以保证在发光时二极管不因电流过大而被烧毁。
