1、广西工学院理学院电科专业 2012 届毕业设计论文 基于单片机的交通信号灯控制系统的设计- 1 -1 绪论今天，红绿灯安装在各个路口上，已经成为指挥交通车辆最普遍的交通技术。但是这种技术早在 19 世纪就已经出现了。世界上最早的交通信号灯出现于 1858 年，在英国伦敦道口上安装了以燃煤气为光源的红，蓝两色的机械扳手式交通信号灯，用以指挥车辆的通行。接着 1868 年，在英国伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上，出现了世界上最早的煤气红绿灯。 再到20 世纪初，美国出现了以电气启动的红绿灯，这种红绿灯由红黄绿三种颜色圆形的投光器组成。红灯亮表示禁止车辆通行，绿灯亮表示允许车辆通行，黄灯闪烁表示
2、警告。到了 20 世纪中期相继出现了带有各种红外线的红绿灯、压力探测红绿灯、扩音器红绿灯等各种交通信号灯。交通信号灯的出现，使交通规则得到了很大的改善，对于车辆的管理和通行，交通事故的发生得到了明显的减少。1968 年，联合国道路交通和道路标志信号协定对各种交通信号灯做了明确的规定。绿灯表示通行，在绿灯下，车辆向相应的方向行驶，除非另一种标志禁止某一种转向。红灯表示禁止，在红灯下，车辆必须在相应的停车线后停车。黄灯表示警告，在黄灯下，已经穿越停车线的车辆和行人应继续向前，而为超出停车线的车辆在停车线后等待。对于左转和右转的车辆在通过道口时，应先让在道口上行驶的车辆或者人行道行走的行人优先通行。
3、随着经济的快速发展，交通运输中出现了一些传统方法难以解决的问题。如：道路拥堵、塞车、交通事故等现象越来越严重，直接造成的经济损失也越来越大，而且还在以一定的速率在不断的增长。由于人民生活水平的提高，人们对交通安全也提出了更高的要求。在交通中管理引入单片机交通灯控制代替交管人员在交叉路口服务，提高交通的管理质量和服务要求，同时也提高了交通运输的安全性。并在一定程度上尽可能的降低由道路拥堵造成的经济损失，同时也大大的降低了人力资源的消耗。 中国是世界人口大国，而中国的车辆也在不断的增加，交通灯的管理控制更是起着重要的作用，而智能交通灯的出现更是发挥了他举足轻重的低位。它不仅可以替代了更多的人力资源
4、，从而也带来了更多的经济和社会效益，为创造美好城市发挥着更大的作用。广西工学院理学院电科专业 2012 届毕业设计论文 基于单片机的交通信号灯控制系统的设计- 2 -2 课题的设计要求和设计方案2.1 设计要求2.1.1题目概述 道路交通信号灯是道路交通安全的产品，它可以加强道路交通管理，减少交通事故的发生，提高道路使用效率，改善交通状况的一种重要工具。它适用于各种十字、丁字等交叉路口，由道路交通信号灯控制，指导车辆和行人安全而有序地通行。2.1.2 设计任务设计一种交通信号灯的控制系统。要求直观，简单。能够满足十字路口交通等的使用需求。2.1.3 设计要求1. 交通路口为十字路口。2马路为双
5、向六车道，即要有左转灯，直行灯，右转灯。3要考虑人行横道的信号灯。4有显示设备可以显示通信时间。5要求通行时间可调。2.2 设计方案2.2.1 供电方案系统要在正常而稳定的状态下工作，必须要有可靠的电源。而本次基于单片机的设计需要显示的芯片较多，电源供应量大，因此本次设计了如下三种方案。方案一：利用独立的稳压电源供电。优点是可提供稳定而可靠电源，而且可以利用 220V 电压转化，不受各种因素的限制；缺点是各模块都采用独立电源，会增加本次设计的难度，而且对其他电路还会造成一定的干扰。方案二：采用 USB 转接口 5V 电压供电，这样简单明了，但是单单一个 5V 电源供电可能会显得电源不足，而无法
6、满足实际的需要。方案三：采用 USB 转接口 5V 双电源电压供电，这样把本次设计分为两大模块，一是交通信号灯控制系统，二是万年历系统，采用双电源供电，一个为交通信号灯控制系统提供电源，另一个为万年历系统提供电源。这样即简单而又可提供稳定的电源。考虑到实际情况和电路的简洁，本设计采用了第三套方案，此方案在电路的设计上可以把系统分为两大模块，使系统设计简单化，从而又可以提供稳定而可靠电源。而且在单电源断电的情况下不影响另一模块的工作。广西工学院理学院电科专业 2012 届毕业设计论文 基于单片机的交通信号灯控制系统的设计- 3 -2.2.2 输入方案该系统要求能手动及智能控制改变交通信号灯的通行
7、时间和万年历时间的调整。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杂的功能，因此直接在 I/O 口线上接上按键开关足以满足本次系统设计的需要，故采用方案二。2.2.3 显 示界面 方案本设计涉及到倒计时、状态灯、时间、温度等显示功能。基于功能需求，本设计考虑如下四种方案：方案一：完全采用数码管显示。
8、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；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 LCD1602 液晶显示，这种显示比较乐观，但是工作量大，而且设计复杂，再加上需要到的 LCD1602 较多，从经济上也不划算。方案四：采用数码管、LED 与 LCD1602 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，同时还要显示出年、月、日、时、分、秒、星期和温度。为了方便观看并考虑到实际情况，用数码管显示交通信号灯的倒计时，用 LED 显示交通灯的状态灯、用 LCD1602
9、 显示年、月、日、时、分、秒、星期和温度。这种设计方案既满足系统功能要求，又减少了系统实现的复杂度。2.2.4交通灯方案2.2.4.1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时间及温度的液晶显示。从而还增加了路口高峰期的智能化人工管理机制。实际生活中交通信号灯的规则千变万化，在不同的路口上看到的交通信号灯的规则不一样，但是总体还是相差不大，也有一些根据实际的需要而设置不同的交通规则，本次系统交通规则的设置是根据现实生活中的交通规则和多加考虑各种现实因素结合起来而制定了以下交通规则。下图所示为一种红绿灯规则的状态图：广西工学院理学院电科专业 2012 届毕业设计
10、论文 基于单片机的交通信号灯控制系统的设计- 4 -共四种状态，分别设定为 S1、S2、S3、S4，交通灯以这四种状态为一个周期，循环执行如下图所示：依据上述车辆行驶的状态图，可以列出正常模式下各个路口交通信号灯的逻辑表如下表所示(其中逻辑值“1”表示直行通行，逻辑值“0”表示禁止通行，逻辑值“L”表示左转通行)：图 2.1 状态 S1 南北直行通行图 2.2 状态 S2 南北左拐通行图 2.3 状态 S3 东西直行通行 图 2.4 状态 S4 东西左拐通行图 2.5 交通灯状态循环图广西工学院理学院电科专业 2012 届毕业设计论文 基于单片机的交通信号灯控制系统的设计- 5 -表 2.1
11、正常模式下工作表S1 的状态 E S W N逻辑值 0 1 0 1显示时间 正常模式下为 40SS2 的状态 E S W N逻辑值 0 L 0 L显示时间 正常模式下为 20SS3 的状态 E S W N逻辑值 1 0 1 0显示时间 正常模式下为 40SS4 的状态 E S W N逻辑值 L 0 L 0显示时间 正常模式下为 20S程序就是在上述四种状态下循环转化的，而每种状态下又包括绿灯通行和黄灯闪烁警告状态。系统在正常模式下循环一个周期所需要的时间为 120S,数码管显示的工作模式为半周期 60.2.2.4.2各种模式下通行时间本系统结合实际的需要，而在上述四种状态的每种状态下再细分为绿
12、灯通行、黄灯闪烁两种状态，总共八种工作状态。系统在正常工作模式下又可分为三种工作模式，分别为：正常模式、繁忙模式和特殊模式。各种模式下的时间分配如下表 2.2：表 2.2 各模式下时间分配表S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 周期正常模式 35S 5S 15S 5S 35S 5S 15S 5S 120S繁忙模式 25S 5S 10S 5S 25S 5S 10S 5S 90S特殊模式 50S 5S 15S 5S 50S 5S 15S 5S 150S2.2.5 万年历设计方案电路设计框图本系统的电路系统框图如图 2.6 所示。AT89C51 单片机对 DS1302 和 DS18B20
13、写入广西工学院理学院电科专业 2012 届毕业设计论文 基于单片机的交通信号灯控制系统的设计- 6 -控制字并读取相应的数据，继而控制 LCD1602 作出对应的显示，同时也向交通信号灯外部发出定时中断，从而改变交通信号灯的工作模式。图 2.6 统硬件框图键盘控制模块DS18B20 温度模块 AT89C51主控模块LCD1602 液晶显示模块定时外部中断模块DS1302 时钟模块广西工学院理学院电科专业 2012 届毕业设计论文 基于单片机的交通信号灯控制系统的设计- 7 -3 芯片的介绍及应用3.1 AT89C51单片机介绍及应用单片微型计算机简称单片机，同时又称为微控制器、嵌入式微控制器等
14、，它属于第四代电子计算机。它把各种芯片电路集成在一块芯片上，因此它具有体积小、抗干扰能力强、功耗低、可靠性高以及低廉的价格。它广泛应用于工业过程控制、测控系统及各种智能仪器仪表等。因此国际上逐渐采用微控制器(MCU)代替单片微型计算机(SCM)这一名称。微控制器可以更准确的反应出单片机的本质，但单片机这一名称以为大多数人所接受，所以单片微型计算机即是单片机，同时又称为微控制器。3.1.1单片机的引脚及功能AT89C51 单片机的 引脚图如图 3.1 所示图 3.1 AT89C51 单片机引脚图VCC：电源电压GND：地P0 口：P0 口是一个漏极开路型 8 位双向 I0 口，即数据地址总线的复
15、用口。当它作为输出端口使用时，每位能驱动 8 个 TTL 逻辑门电路。P1 口：Pl 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 IO 口，Pl 口的输出缓冲级能驱动 4 个 TTL 逻辑门电路。当我们对端口写入“1”时，通过内部上拉电阻来把端口拉到高电平，此时 P1 口可做为输入端口。当 P1 口做为输入口时，由于内部存在上拉电阻，当被外部引脚拉低时会输出数据。P1 口除了以上功能外，最重要的是它的第二功能如表 3.1 所示。广西工学院理学院电科专业 2012 届毕业设计论文 基于单片机的交通信号灯控制系统的设计- 8 -表 3.1 P1 口引脚的第二功能端口引脚 第二功能：P1.5 MOSI（用
16、于 ISP 编程）P1.6 MOSI（用于 ISP 编程）P1.7 MOSI（用于 ISP 编程）P2 口：P2 口也是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 IO 口。P2 的输出缓冲级也能驱动 4 个 TTL 逻辑门电路。当我们对端口写入“1”时，通过内部上拉电阻来把端口拉到高电平，此时 P2 口可做为输入端口。当 P2 口做为输入口时，由于内部存在上拉电阻，当被外部引脚拉低时会输出数据。当访问外部程序存储器或 16 位地址外部数据的存储器时，P2 口输出高 8 位数据地址。当访问 8 位外部数据存储器地址时，P2 口的内容在整个访问过程将不会改变。P3 口：P3 口也是一个带有内部上拉电阻的
17、 8 位双向 I0 口。P3 口输出缓冲级也能驱动 4 个 TTL 逻辑门电路。当我们对端口写入“1”时，通过内部上拉电阻来把端口拉到高电平，此时 P3 口可做为输入端口。当 P3 口做为输入口时，由于内部存在上拉电阻，当被外部引脚拉低时会输出数据。P3 口除了以上用途外，最重要的是它的第二功能如表 3.2 所示。表 3.2 P3 口引脚的第二功能端口引脚 第二功能：P3.0 RXD（串行输入）P3.1 TXD（串行输出）P3.2 /INT0（外中断 0）P3.3 / INT1（外中断 1）P3.4 T0（定时计数器 0 外部输入）P3.5 T1（定时计数器 1 外部输入）P3.6 / WR（
18、外部数据存储器写选通）P3.7 / RD(外部数据存储器读选通）P3 口还可用于接收一些 Flash 闪速存储器的编程及程序的校验控制等。RST：复位输入引脚。振荡器在工作时，RST 引脚将会出现两个或两个以上的机器周期高电平来使单片机进行复位。WDT 溢出将使该引脚输出高电平，设置 SFR AUXR 的DISRT0 位（地址 8EH）可打开或关闭该功能。DISRT0 位缺省为 RESET 输出高电平打开状态。ALEError!：在访问外部数据存储器或程序存储器时，ALE（地址锁存）主要是广西工学院理学院电科专业 2012 届毕业设计论文 基于单片机的交通信号灯控制系统的设计- 9 -利用输出
19、脉冲来锁存地址低 8 位字节。ALE 还可以用于对外输出时钟信号或定时功能，因为 ALE 时刻以时钟振荡器的 1/6 频率输出固定的脉冲信号。值得注意的是：当我们在访问外部数据存储器时将会跳过一个 ALE 脉冲。在 F1ash存储器编程期间，该引脚还可用于输入编程脉冲。还可以通过特殊的功能寄存器中的8EH 单元的 D0 位置来禁止 ALE 工作。执行该操作后，需要通过 MOVX 和 MOVC 指令 ALE才能被激活，从而恢复工作状态。在执行单片机外部程序时，ALE 应设置为无效。Error!程序的储存是在（Error!）允许输出外部程序存储器时进行，当单片机需要进行读写数据时，此时该引脚在每个
20、周期下就会两次有效，从而发出两次脉冲，当访问外部的数据存储器时，则是发出一次脉冲信号。Error!VPP：外部访问允许。当 EA 端设置为低电平时，CPU 可单独访问外部程序存储器（即：0000HFFFFH 地址） 。XTAL1：振荡器的反相放大器和内部时钟发生器的输入端。3.1.2 单片机最小系统的设置本次基于单片机交通信号灯控制系统的设计的单片机最小系统设置的如下图所示:图 3.2 AT89C51 单片机最小系统图3.2 LCD1602芯片介绍及应用3.2.1 液晶显示器的介绍 液晶显示器有多种分类方法，通常按显示的方式分可分为字符式、段式、点阵式等。液晶显示器即可显示黑白又可显示多彩色灰
21、度，因此可分为黑白显示器和彩色显示器。如果按驱动方式分，它又可以分为单纯矩阵驱动（Simple Matrix）、静态驱动（Static）和主动矩阵驱动（Active Matrix）三种。液晶显示器它具有厚度薄、体积广西工学院理学院电科专业 2012 届毕业设计论文 基于单片机的交通信号灯控制系统的设计- 10 -小，适用于大规模集成电路的驱动等特点，目前已广泛应用在数字摄像机、便携式电脑、MP3、MP4、PDA移动通信工具等领域。 3.2.2 液晶显示器各种图形的显示原理 液晶显示器是利用液晶的物理特性，通过高低电压来控制显示的区域，高电平则亮，低电平则灭，这样就可以显示出图形。液晶显示器图形
22、的显示是通过N*M个液晶显示单元构成，通过控制各个显示单元的亮暗而达到显示图形的目的。例如一个液晶显示器有64行显示屏，而每行有128列，每字节又由8列组成，因此每行可显示16个字节，即整个显示器可显示1024个字节。最后通过控制液晶显示相应位置的亮暗从而显示出每字节上的内容。3.2.3 LCD1602的基本参数及引脚功能LCD1602 采用标准的 14 脚（无背光）或 16 脚（带背光）接口，本次设计采用 16脚（带背光）来显示年、月、日、时、分、秒、星期和温度。各引脚接口说明如表 3.3所示:第 1 脚：VSS 为地电源。第 2 脚：VDD 接 5V 正电源。第 3 脚：VL 是显示器对比
23、度调整端，当接地信号时液晶对比度最高，当接正电源时对比度最弱，对比度的高低将会影响液晶显示器的显示，对比度过高时会产生“鬼影” 。因此我们通常接一个 10K 的电位器来调节。 第 4 脚：RS 是寄存器的选择，高电平表示数据寄存器、低电平表示指令寄存器。第 5 脚：R/W 是信号线的读写，当高电平时表示正在进行读操作，当低电平时表示正在进行写操作，如果 RS 和 R/W 同时为低电平时可进行显示地址或写入指令，如果 RS 为低电平且 R/W 为高电平时可进行读取信号，如果 RS 为高电平 R/W 为低电平时可进行写入数据。第 6 脚：E 端是使能信号端，当 E 端由高电平变化为低电平时，液晶模块命令开始执行。第 714 脚：D0D7 是 8 位双向数据线。第 15 脚：背光源正极。第 16 脚：背光源负极。表 3.3 引脚接口说明表
