1、本科毕业论文（20 届）基于单片机的智能交通灯控制系统设计所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 5 -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。本系统由单片机系统、双电源供电系统、交通灯演示系统、中断系统组成。选用单片机作为此次设计的控制系统主要是考虑到单片机的通用性和廉价性。通用性是指单片机的电路以及编程语言相对比其他控制模块来说更加简单和通用，这个对于往后功能的添加以及系统的维护来说更加简便和易行。廉价性是单片机相对于其他的控制模块来说成本更低，一块成熟
2、的 STC89C52 的成本不过 10 元，加上其他的外围电路成本也不超过 100 元，无论是开发成本和维护成本都能够得到很好的控制。本设计选用STC89C52 主要也就是基于上述的两个原因。本交通灯系统选用了 LED 灯和双位数码管来模拟显示的交通灯切换状态。双电源供电系统采用的是主电源和后备电源供电的方案。双电源供电方案主要是为了应对市电突然掉电或者出现故障的情况，对于持续的保持整体系统的正常工作具有重要意义，其原理主要是利用二极管的单向导电性所带来的开关功能来实现双电源瞬时的切换。中断系统所实现的功能是在有特定需要的情况下实现对交通灯状态的控制。这些状态包括全红灯和高低峰即时切换。本系统
3、除了实现最基本的交通灯功能以外，还可实现高低峰分时段控制方案以应对不同时段的不同交通状况，城市的交通早晚时段的流量往往能够达到最大，分时控制对于提高城市交通效率有非常重要的作用。关键词： 单片机 STC89C52 交通灯 分时系统 双电源I目 录1 前言.11.1 交通灯的历史和现状.11.2 单片机相关介绍. .11.3 课题意义. .22 课题内 容. .33 方案比较、设计和论证.33.1 供电方案 .33.2 显示界面方案. .33.3 输入方案. .44 系统设计. .44.1 交通灯规则方案. .44.1.1 相位的概念. .44.1.2 交通灯状态. .44.1.3 高低峰分时管
4、理 机制. .64.2 软件编程. .84.3 硬件设计部分 .94.3.1 单片机 系统. .94.3.2 交通灯演示系统. .124.3.3 双电源供电电路. .124.3.4 中断 系统. .145 系统调试. .145.1 断电调试. .145.2 通电调试. .155.3 基本要求部 分的 测试与分析. .156 结论 .15致 谢.16参 考 文 献.17英 文 摘 要.18II附录一 系统主板电路.19附录二 程序清单.20附录三 系统实物图.36成绩评定表11. 前言1.1 交通灯的历史和现状当今，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
5、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
6、。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
7、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 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。2单片机经过 1、2、3 代的发展，目前单片机正
8、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。本设计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。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 位 CPU 和在线系统可编程 Flash，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 1 所
9、示。图 1 STC89C52 管脚图1.3 课题意义使用单片机作为本设计的控制方案主要是考虑到其低廉的成本和易学易用的特性，相较于类似 ARM 这类性能更为强大的控制方案，单片机的性能并非其优势所在。但是如何充分利用单片机已有的功能进行最大化的开发才是本设计的重点。3总的来说，本设计意义有如下 4 个方面：(a). 对单片机这一成熟的解决方案在交通灯领域的应用进行研究和开发；(b). 探究分时管理系统在交通灯系统中的应用，对分时管理系统的 C 语言算法进行开发。举一反三，延伸到其他类似领域的应用。(c). 探究全新的交通灯管理系统；(d). 建立不间断电源在实际应用领域的具体模型和电路结构。2
10、 课题内容本课题的主要内容包括如下几个方面：(a). 设计交通灯状态的管理方案；(b). 设计单片机最小系统和周边电路；(c). 设计交通灯系统、不间断供电系统以及中断系统的电路结构；(d). 设计整个系统的电路分布和接线；(d). 使用 C 语言编写整个系统运行所需要的程序，重点是分时管理系统和紧急中断系统的程序。3 方案比 较、 设计和 论证3.1 供电方案为使模块稳定工作，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
11、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。3.2 显 示界面 方案本设计涉及到倒计时、状态灯等功能。基于功能需求，本设计考虑如下三个方案：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，无法胜任功能需求。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；4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
12、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杂度。3.3 输入方案考虑到紧急情况和具体现场的情况，本设计考虑两种方案：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。该方案优点是：编程更加简洁，使用更加简单，且成本更低。缺点就是功能有限综合考虑本设计的实际需要，在使用输入的时候不需要过于复
13、杂的功能，故采用方案二。4 系统设计4.1 交通灯规则 方案本设计的交通灯以十字路口为模型，在实现基本的功能前提下增加了高低峰分时管理机制和人工干预机制。4.1.1 相位的概念为保证交通系统的严谨性和公平性，本设计规定“相位”概念。相位的定义如下：在单个十字路口，整个状态周期每个绿灯亮起的时间为一个固定值。相位的意义在于在一个循环状态周期内，根据每个路口车流量大小可以分配适时适当的绿灯时间以保证时间的充分利用，保证车流大的干道可以通过足够多的车辆，车流小的干道不用浪费时间。从总体上提升系统的效率。4.1.2 交通灯 状态为方便说明交通灯状态，交通灯系统的示意图如图 2 所示。如图 2，交通道路
14、系统是由常见的双车道加人行道组成，由南向北行驶的车辆所看的交通灯是北路口的车行道交通灯，由北向南的车辆所看的交通灯是南路口的车行道交通灯，由西向东行驶的车辆所看的交通灯是东路口的车行道交通灯，由东向西行驶的车辆所看的交通灯是西路口的车行道交通灯。现规定如下状态：5S1：南北方向车辆通行，东西方向、南左转到西、北左转到东、西左转北、东左转南禁行，东西方向人行道通行、南北方向人行道禁行。S1 状态如图 3 所示。图 2 交通灯示意图图 3 S1 状态示意图S2：东西方向车辆通行，南北方向、南左转到西、北左转到东、西左转北、东左转南禁行，南北方向人行道通行、东西方向人行道禁行。S2 状态如图 4 所示。S3：南左转西、北左转东车辆通行，南北方向、东西方向、西左转北、东左转南车辆禁行，南北方向、东西方向人行道禁行。S3 状态如图 5 所示。6S4：西左转北、东左转南车辆通行，南北方向、东西方向、南左转西、北左转东车辆禁行，南北方向、东西方向人行道禁行。S4 状态如图 6 所示。图 4 S2 状态示意图图 5 S3 状态示意图S5：全红灯，紧急事件状态。S5 状态如图 7 所示。4.1.3 高低峰 分时管理 机制本设计为提升交通灯系统效率，设置了高低峰分时管理机制。高低峰分时定义如下：
