1、东华理工大学毕业设计（论文） 1 毕业设计（论文） 题目： 交通灯系统的设计 English Title： The design of the traffic light system 学生姓名 ： XXX 专 业 ：自动化 学 号 : XXXXXX 指导教师 : XXX 2012 年 5 月 30 日 东华理工大学毕业设计（论文） 摘要 2 摘要 交通控制系统是近现代社会随着物流、出行等交通发展产生的一套独特的公共管理系统。要保证高效安全的交通秩序，除了制定一系列的交通规则，还必须通过一定的科技手段加以实现。本文在对目前交通控制进行深入分析的基础上，运用检测传感、实时调整智能化控制的实现技术
2、，将传感器监测、实时调整车辆通行与单片机控制作用相结合，提出了基于单片机的交通控制系统设计方案。 8051 单片机的交通灯控制系统由 8051 单片机、交通灯显示、 LED 倒计时、违规检测、紧急处理、盲人提示音、看门狗等模块组成。系统除基本交通灯 功能外，还具有盲人提示音、可倒计时显示、急车强行通过、交通常状况判别及处理等相关功能。理论证明该系 统能够简单、经济、有效地疏导交通，提高交通路口的通行能力。 本设计主要做了如下几方面工作：一是确定系统交通控制的总体设计，包括十字路口具体禁行方案设计以及系统应拥有的各项功能，二是进行传感器的硬件电路、显示电路等的设计和基本功能要求。三是进行软件系统
3、的设计，对于本系统，在此采用单片机汇编语言编写，总体上完成了软件的编写。 关键词 :违规检测，倒计时，盲人提示音 东华理工大学毕业设计（论文） Abstract 3 Abstract Traffic control system is a modern society with logistics, travel etc of traffic development a unique set of public management system . To ensure the effective safety traffic, except for a series of traffic r
4、ules, still must through certain technological means to achieve. Based on analysis of traffic control, based on real-time detection sensor, adjust the implementation technology of intelligent control, real-time monitoring, sensor adjust vehicles time algorithm and single-chip microcomputer control f
5、unction is proposed, which combines the traffic control system based on single chip design scheme. The 8051 microcontroller control system consists of the traffic lights display, 8051 monolithic integrated circuits, and LED the countdown, violate compasses detection, emergency treatment, the blind p
6、rompt, the watchdog as modules. In addition to the basic traffic function outside, still have the blind tone, can pass the countdown display,car that forced through traffic, transportation and processing abnormal discriminant functions. Theory shows that the system can simple, economic and effective
7、 relieves traffic,improve the crossroads capacity. This design mainly do the following aspects: one is the work of the traffic control system design, including the crossroads, specific design and system should be restricted with each function, two is that the sensor, the hardware circuit design of t
8、he circuit and the basic function and requirement: Three is software system design, this system for monolithic assembly language, overall finished on the writing of the Software. Keywords: an illegal detection, countdown,blind tone 东华理工大学毕业设计（论文） 目录 4 目录 绪论 . 5 选题背景与意义 . 5 国内外交通灯系统研究现状 . 6 本次设计的优缺点
9、. 7 第一章 系统总体设计 . 8 1.1 系统总体设计思路 . 8 1.2 系统设计方案论证 . 8 1.2.1 显示界面方案 . 8 1.2.2 输入方案 . 9 1.2.3 看门狗保护方案 . 9 1.2.4 系统方案设计 . 9 第二章 系统硬件电路的设计 .11 2.1 系统硬件总电路构成及原理 .11 2.1.1 系统硬件电路构成 .11 2.1.2 系统工作原理 .11 2.2 单片机的选择 .11 2.2.1 单片机的概述 .11 2.2.2 AT89C52 芯片的简介 .12 2.2.4 AT89C52 芯片最小系统 .12 2.3 电源电路模块 .13 2.4 通行灯输出
10、模块 .14 2.5 倒计时显示模块 .16 2.6 违规车辆检测模块 .17 2.7 特种车辆自动通行控制模块 .18 2.8 盲人提示音模块 .18 2.9 看门狗模块 .19 第三章 系统软件设计 .22 3.1 初始化程序 .22 3.2 主程序 .22 3.3 交通灯显示 .22 3.4 紧急车辆中断响应程序设计 .24 3.5 看门狗系统 .26 致谢 .28 参考文献 .29 附录 1 交通灯电路图 .30 附录 2 交通灯控制程序 .31 东华理工大学毕业设计（论文） 绪论 5 绪论 选题背景与意义 随着人口快速的增多，交通工具爆炸性的发展，以及道路资源有限性，交通控制就应运而
11、生，在人类的生活、工作环境中，交通扮演着极其重要的角色，人们的出行都无时无刻与交通息息相关。 自 18 世纪工业革命以来，工业发展带动整个交通运输的发展，从而催生了单独的交通控制学问与管理机构。 交通控制系统是近现代社会随着物流、出行等交通发展产生的一套独特的公共管理系统。要保证高效安全的交通次序，除了制定一系列的交通规则，还必须通过一定的科技手段加以实现。现代人类科学技术，特别是电子科技的发展和成熟能比较好的解决系统建立中软硬件方面要求的科技难题。目前交通控制方面的研究能完全实现自动智能化，甚至将整个区域整合成一个统一的系统范围，还能根据正常时段以及突发时段的情况进行科学的自动调整。交通对于
12、社会的工业 发展和人类的生活生产中有着十分重要的意义。随着单片机和传感器技术的迅速发展，自动检测领域发生了巨大的变化，交通监控方面的研究有了明显的进展，并且必将以其优异的性能比，逐步取代传统的交通控制措施。 城市进路交通自动控制系统的发展是以城市交通信号控制技术为前导，与汽车工业并行发展的。在其各个发展阶段，由于交通的各种矛盾不断出现，人们总是尽可能地把各个历史阶段当时的最新科技成果应用到交通自动控制中来，从而促进了交通自动控制技术的不断发展。 早在 1850 年，城市交叉口处不断增长的交通就引发了人们对安全和拥堵的关注 。世界上第一台交通自动信号灯的诞生，拉开了城市交通控制的序幕， 1868
13、年，英国工程师纳伊特在伦敦威斯特敏斯特街口安装了一台红绿两色的煤气照明灯，用来控制交叉路口马车行，但一次煤气爆炸事故致使这种交通信号灯几乎销声匿迹了近半个世纪。 1914 年及稍晚一些时候，美国的克利夫兰、纽约和芝加哥才重新出现了交通信号灯，它们采用电力驱动，与现在意义上的信号灯己经相差无几。 1926 年英国人第一次安装和使用自动化的控制器来控制交通信号灯，这是城市交通自动控制的起点。计算机技术的出现为交通控制技术的发展注入了新的活力，更是实现 了以一个城市或者更大地域，而非简单的一个路口的交通总体控制系统。 1952 年，美国科罗拉多州丹佛市首次利用模拟计算机和交通检测器实现了对交通信号机
14、网的配时方案自动选择式信号灯控制，而加拿大多伦多市于 1964 年完成了计算机控制信号灯的实用化，建立了一套由 IBM1650 型计算机控制的交通信号协调控制系统，成为世界上第一个具有电子数字计算机城市交通控制系统的城市。这是道路交通控制技术发展的里程碑。 可以说，在近百年的发展中，道路交通信号控制系统经历了手动到自动，从固定配时到灵活配时，从无感应控制到有感应控制 ，从单点控制到干线控制，从区域控制到网络控制的长远过程。交通控制研究的发展，旨在解决人类交通因需求的增多而日益繁重带来的问题，局限于进路建设的暂时不足和交通工具的快速增长，就要使更多的车辆安全高效的利用有限的道路资源，避免因无序东
15、华理工大学毕业设计（论文） 绪论 6 和抢行等无控制原因造成的不必要阻塞甚至瘫痪，另外，针对整个交通线路车辆的多少实时调整和转移多条线路的分流也十分必要。 交通网络是城市的动脉，象征着一个城市的工业文明水平。交通关系着人们对于财产、安全和时间相关的利益。具有优良科学的交通控制技术对资源物流和人们出行都是十分有价值的，保 证交通线路的畅通安全，才能保证出行舒畅，物流准时到位，甚至是生命通道的延伸。 国内外交通灯系统研究现状 当前世界各国广泛使用的最具代表性却有实施的城市道路交通信号控制系统有英国的 TRANSYT 与 SCOOTS 交通控制系统和澳大利亚的 SCATS 系统。 在信号机的发展历程
16、中，自适应理论一直受到各研究机构的欢迎，比如上面所述的 SCOOTS 和 SCATS 系统。最近几年，国外仍偏向于引进自适应理论来对交通信号控制系统进行研制，特别是美国有十几个大学或研制机构正在研制自适应交通信号控制系统，具有代表性的有美国亚利桑那大学 研制的 RHODES。 我国交通领域的发展起步较晚，基本是从新中国建国之后，随着各方面的条件的成熟以及社会发展的要求，才建立及健全交通控制系统的，主要引用国外的交通控制系统。各级交通管理部门通过技术引进和自主创新，在中国部分大中城市里，摒弃旧有的控制方式，一些先进的控制技术得到应用。虽然在整体规模和层次上与世界发达国家还有不少差距，但部分领域技
17、术水平已处于世界先进位置。目前，我国交通控制系统己不单单是对交叉口信号灯进行控制，而是集交叉口信号的控制和干线控制以及现代城市高速公路交通控制于一体的混合型交通，实现 区域信号控制和城市高速公路集成控制。 交通控制存在的问题 (1)随着城市机动车增长速度加快的同时，城市道路建设规模也在加大，我国城市普遍存在进路密度，进路面积率偏低的问题，这是我国城市尤其是大城市进路交通出现问题的一个重要原因。我国城市道路的密度只有 6. 8k.每平方千米，而在 20 世纪 80 年代，世界发达国家就己到达 20km 每平方千米。 20 世纪 90年代，我国部分城市道路面积率，北京为 5.9%，上海为 6.4%
18、，而国外东京为 13.8%，巴黎为 25%普遍高于我国。近几年，国家虽不断加大城市道路建设的力度，但仍赶 不上车辆的增长速度，且与世界其他国家相比，差距仍很大。 (2)出租车以及公交的发展运营情况并不尽如人意，虽然车辆和线路长度增长，但运营速度成了瓶颈，新增的运力被运输效率低下所抵消。 (3)交通管理方面水平还欠发展，随着交通需求越来越旺盛，而我国城市中小交通管理和交通安全的现代化设施却做得不足。在车辆、道路和交通管理系统，城市交通信号控制系统，城市交通管制中应用人工智能技术、信息采集和信息提供技术等方面都与发达国家有很大差距。近几年，虽然有部分城市研究和引进一些国外先进的交通信号管理系统，但
19、是由于交通管理 设施不足等原因，我国交通事故率居高不下。城市车流行驶速度逐年下降，目前不少城市交通运量年年增长，但运输速度普遍下降，这都源于交通通行不佳。 东华理工大学毕业设计（论文） 绪论 7 本次设计的优缺点 优点： (1)单片机独立的指令系统，可以将我们的设计思想充分体现出来。 (2)系统配置以满足控制对象的需求为出发点，使得系统具有较高的性能 价格比。 (3)应用系统通常将程序驻留在片内 (外 ROM中，抗干扰能力强，可靠 性高，使用方便 .系统规模小，本身不具有开发能力，一般需要借助专用的开发 工具进行系统的开发和调试，而实际的应 用系统简单实用，成本低，效益好。 (4)应用系统所用
20、存储器芯片可选用 EPROM, EEPROM, OTP芯片或利用掩膜 形生产。便于批量开发和应用 .许多单片机 (如 80C51系列 )的开发芯片和扩展 芯片险乎配套，降低了系统成本。 (5)系统小巧玲珑，控制功能强，体积小，便于嵌入被控设备之内，大大 推动了产品的智能化。 缺点： (1)本次系统只是模拟，并不能作为现实的道路口控制。 (2)本次系统存在一定的局限性，没有流量检测功能，无法根据实际情况控制交通灯的转 换时间。 东华理工大学毕业设计（论文） 系统总体设计 8 第一章 系统总体设计 1.1 系统总体设计思路 本设计采用了四组红、绿、黄三个不同的发光二极管来代表东西和南北两个 方向的
21、交通灯，运用 AT89C52 的 P2口驱动控制四组发光二极管的亮与灭在软件 程序中对 P2 口进行相应设置就可实现东西或南北方向的指示状态，本文对十字 路口状态预设为两种，一种是正常状态，另一种是故障或紧急状态，分别用黄、 红、绿色灯的不同组合来表示。时钟显示电路采用设置单片机的定时器 T0 的初 始值来产生一秒钟的延时，再利用循环的方式产生通 行时间和剩余等待时间，控 制交通信号灯达到控制路口通行时间；软件程序中采用外中断请求方式实现急车 强行功能；倒计时显示电路采用动态显示，采用八段数码管器件作为时间 显示；为了充分利用单片机灵活控制的优点，发挥其优势功能，系统具有急车强通功能以及盲人提
22、示音功能。 选用 AT89C52 单片机来实现，交通信号灯控制器件的外部输出信号为东西两 个方向通行红、黄、绿灯共 6 个驱动信号 ;编程使相应位复 /置位来实现信号灯 的亮 /灭控制，使得十字路口的红、绿灯交替点亮 :在两个方向通行交换时，黄 灯提醒。 设计有 紧急车辆通过时，此道强制亮绿灯，等待紧急车辆通过。可以通过软 件中断来完成此紧急任务。 设计中这些功能是要靠在硬件电路基础上结合软件程序来实现，是要靠程序 的设计来完成功能的设定。在程序设计中涉及对于精确定时，应该用计数器加以 控制，硬件实现复杂度增加。考虑到该设计对时间精度要求不高，所以采用软件 延时可以大大简化电路。先计算出程序单
23、步执行的时间，设置循环参数，程序完 成定时控制。 1.2 系统设计方案论证 1.2.1 显示界面方案 该系统要求完成倒计时、状态灯功能。基于上述原因，在此考虑三种 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符，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 :采用数码管与点阵 LED 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
24、，又减少了系统实 现的复杂度。 东华理工大学毕业设计（论文） 系统总体设计 9 权衡利弊，第三种方案可互补一 二方案的优缺，决定采用方案三以实现系统的显示功能。 1.2.2 输入方案 题目要求系统能手动设灯亮时间、紧急情况处理，讨论了两种方案 : 方案一 :采用 8255 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，我们可以使用按键。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
25、 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。 1.2.3 看门狗保护方案 在单片机系统中，看门狗的设计一般采用硬件和软件两种方式。本次设计考 虑了这两种方案 ： 方案一：采用软件着门狗。软件看门狗是利用单片机片内闲置的定时器 /计 数器单元作为着门狗，在单片机程序中适当的插入监控指令，当程序出现异常或 进入死循环时，利用软件将程序计数器 PC 赋予初始值，强制性的使程序重新开 始运行。软件着门狗的最大特点是无须外加硬件电路，经济性好。但可靠性差， 需要占用系统内存。当然，如果片内的定时器 /计数器被占用，就 需要寻求其它 的计方式了。 方案二 ： 采用硬件着门狗。
26、硬件着门狗是指一些集成化的或集成在单片机内 的专用看门狗电路，它实际上是一个特殊的定时器，当定时时间到时，发出溢出 脉冲 。 从实现角度上看，该方式是一种软件与片外专用电路相结合的技术，硬 件电路连接好后，在程序中适当地插入一些看门狗复位的指令，保证程序正常运 行时着门狗不溢出。而当程序运行异常时， 看 门狗超时发出溢出脉冲，通过单片 机的 RESET 引脚使单片机复位。该方案可靠性高，不需要占用系统内存 。 但需 要外加硬件电路，经济性较差。由于本设计中的安全性 要求较高，所以采用硬件 看门狗方案 。 1.2.4 系统方案设计 通过以上分析可得到综合方案即 采用 AT89C52 单片机作为控制核心，采用四组高亮红绿双色二极管作为 东西南北四个路口的通行指示灯 ;采用四组 2 位 LED数码管作为四个路口的通行倒计时显示器， LED 显示采用动态扫描方式，以节省端口数；特种车辆通行时采用中断来完成控制。该系统具有电路简单，设计方便， 显示亮度高，耗电较少，可靠性高等特点。电路框架如图 1.1 所示。 东华理工大学毕业设计（论文） 系统总体设计 10 图 1-1 方案框架图 AT89C52 特种车辆监测 串口 通信 紧急情况下手 动按键 东西通行灯 2 组 南北通行灯 2 组 盲人提示音 倒计时显示
