基于51单片机的交通信号灯系统

摘 要：随着世界范围内科技的发展，社会的进步，但也导致城市化进程的加快，越来越多的人也买得起车了，从而导致交通拥挤的现象时有发生。由此可以看出，简单的十字路口交通信号灯已经不能适应现代化发展的潮流，因此需要一个更加合理、有效的智能交通灯控制系统来缓解城市交通的压力。在现代，利用单片机来实现交通信号灯的控制成为了我们调控交通的主流。运用单片机控制交通信号灯比较方便，而且性能高，易于控制。所以，我们有必要对这一课题进行一次系统的研究学习。在本次毕业设计中，我的主要设计任务是在一个十字路口设计一个交通信号灯控制系统，并且利用单片机来对该系统进行合理的控制。本系统由 AT89C51 单片机、交通信号灯状态控制电路、LED 数码管显示电路、按键电路组成。系统除了拥有基本交通信号灯状态控制功能外，还具有倒计时、时间设置等功能。关键词：单片机 交通信号灯AbstractWith the worldwide development of science and technology, the progress of the society, but also led the city to speed up, more and more people can afford to buy a car, causing traffic congestion phenomenon, can be seen, traffic lights at the crossroads of simple already can not adapt to the modern development trend, so we need a smart traffic the lamp is more reasonable, effective control system to alleviate the city traffic pressure.In modern times, to achieve control of traffic lights using SCM into the mainstream of our traffic regulation. The use of single-chip microcomputer to control the traffic signal lamp is convenient, high performance, easy to control. Therefore, we are necessary to study a system on this subject. In this graduation design, the main design task is to design a control system of traffic lights at a crossroads, and the use of single-chip microcomputer to the reasonable control of the system. This system consists of AT89C51 microcontroller, a key circuit, the state of the traffic lights control circuit, LED digital tube display circuit. In addition to the basic state of the traffic lights control function, but also has a countdown, time setting and other functions.Keywords： SCM, traffic signal lamp目 录1 绪论 11.1交通控制系统的设计背景 11.2交通控制系统设计的现实意义 11.3 国内外交通信号灯系统的发展情况 11.4 主要研究内容 22 单片机交通控制系统方案设计 32.1单片机交通控制系统的通行方案 32.2 单片机交通控制系统基本原理及所要实现的功能 32.2.1 基本原理 32.2.2 所要实现的要求 32.3单片机交通控制系统框图 43 系统硬件电路的设计 53.1 控制芯片 AT89C51单片机 53.1.1 AT89C51单片机简介 53.1.2 AT89C51单片机的主要性能 53.1.3 单片机组成及结构 53.1.4 单片机各引脚功能 63.1.5 AT89C51的中断源 83.2 LED数码管 83.3 发光二极管 93.4 各电路模块设计 103.4.1 单片机最小系统 103.4.2 交通信号灯显示电路 103.4.3 倒计时显示电路 103.4.4 按键操作电路 114 系统程序设计 134.1主程序框图 134.2 交通灯闪烁子程序 134.3 LED数码管显示子程序 144.5 红绿灯时间调整程序 155 交通灯控制系统仿真与调试 185.1 开发软件 KeilC51185.2仿真软件 Proteus简介 185.3 系统仿真结果 18总 结 20致 谢 21参考文献 22附 录 23第 1 页 共 27 页1 绪论1.1 交通控制系统的设计背景随着世界范围内城市化进程的加快，并且汽车越来越普及化，城市的交通状况已经成为一个全球性的问题。并且，原来简单的交通控制系统已经不能适应社会的需要，因此，这就需要我们设计出一个更加合理有效的智能交通控制系统。我国自从改革开放以来，社会经济一直处在快速发展的过程中，尤其是 21世纪以来发展就更加明显，城市化进程加快，人们生活水平的提高，再加上我国人口又多，汽车也就多了起来，这就导致交通拥堵的现象越来越严重。因此，改善交通状况是我们首先需要实现的目标。当然，要改善交通状况，交通信号灯在其中就起了不可或缺的作用。所以，我们可以根据交通信号灯来设计智能交通控制系统。1.2 交通控制系统设计的现实意义事实证明，交通信号灯的广泛应用，对城市交通的运行有了很大的帮助，并且减少了交通事故的发生，保证了道路的畅通，缓解了警力不足的压力，同时也反映了城市的面貌和国家的技术水平。1.3 国内外交通信号灯系统的发展情况1868年，第一个信号灯在英国伦敦问世，它是由燃气带动的，标志着城市交通的正式开始。接下来，由于技术水平的提高，交通信号灯得到了良好的发展。从美国出现世界最早的交通信号控制系统和交通灯控制方案，到如今交通控制系统的智能化，都表明出交通控制系统在与时俱进。在我国建国六十年来，尤其是在改革开放以来，我国在交通和城市的建设过程当中取得了巨大的进步，但是，由于经济和技术等因素的发展，以及人们生活水平的提高，但是我国现代化交通发展比较晚，由于国情的差别，交通状况也与国外有很大差别，自主开发的城市交通控制系统在整体性上比国外同类系统有较大差距，表现在：1城市道路结构不合理。 第 2 页 共 27 页2交通出行结构失衡。3交通管理技术水平低，交通事故频繁。为了能够实现城市交通控制系统的最优控制的目标，探索一个有效的控制方法是很有必要的途径。随着我国经济的快速发展，在不断拓宽交通道路以及修建新的交通要道的同时，交通信号灯的用途变得更加明显。1.4 主要研究内容本设计主要研究通过单片机来控制交通信号灯、LED 数码管显示器、按键电路等模块来实现智能交通控制。（1）交通信号灯的设计利用相对向的灯的颜色相同，可以将其并联，统一控制，这样也就节省了资源和时间。（2）相应的，LED 数码管倒计时显示器采用两位数显示，这也就需要我们通过自己的专业知识，设计出来。（3）要实现对交通灯亮灭时间的调整，可以通过按键来进行控制，这就需要设计出通过按键控制调节时间的程序。第 3 页 共 27 页2 单片机交通控制系统方案设计2.1 单片机交通控制系统的通行方案本设计系统主要由 51单片机控制系统、2 位 LED数码管显示计时器、发光二极管组成的交通信号灯这几部分组成。系统电源采用独立的+5V 稳压电源，有各种成熟电路可供选用，使得本方案可靠稳定。该设计可直接在 I/O口上接按键开关，精简并优化了电路。结合实际情况，显示界面采用 LED数码管显示的方法，满足了倒计时的时间显示输出和状态灯提示信息输出的要求，减少系统的复杂度。2.2 单片机交通控制系统基本原理及所要实现的功能2.2.1 基本原理交通信号灯控制系统主要是由 51单片机进行控制，通过烧写程序到单片机，从而控制交通信号灯的亮灭，对 LED数码管显示倒计时等功能。通过这些功能，可以实现对交通的指挥，提示司机与行人安全通过路口的时间。由上可知，该系统是在单片机为核心的基础之上，再经过按键设置模块产生输入，由 LED倒计时模块和信号灯状态模块构成输出。系统进入工作状态时，LED数码管能够立即显示倒计时，且由交通灯状态显示控制，进行实时控制，从而达到所要实现的要求。2.2.2 所要实现的要求（1）交通信号灯由一个开关进行启动，并且在工作时，首先东西红灯亮，同时南北绿灯亮。（2）东西红灯亮维持 25S，在东西红灯亮的同时南北绿灯也亮，并维持20S。到 20S时，南北绿灯熄灭，黄灯亮，并维持 5S，然后变成红灯，同时东西绿灯亮，维持 20S后，黄灯亮 5S，然后变成红灯，同时南北变成绿灯。 （3）周而复始。可以用如下两表来表示交通状态与信号灯的关系：表 1：交通状态交通状态 1 交通状态 2 交通状态 3 交通状态 4东西向 禁止通行 停车等待 车辆通行 停车等待南北向 车辆通行 停车等待 禁止通行 停车等待第 4 页 共 27 页表 2：红绿灯状态状态 1 状态 2 状态 3 状态 4东西红灯、黄灯、绿灯 1,0,0 0,1,0 0,0,1 0,1,0南北红灯、黄灯、绿灯 0,0,1 0,1,0 1,0,0 0,1,0注： 0 表示灭，1 表示亮。2.3 单片机交通控制系统框图由上部分两节所描述的，可以看出本设计系统主要由 51单片机控制系统、2 位 LED数码管显示计时器、发光二极管组成的交通信号灯这几部分组成，并且是以单片机为控制核心的。由此，可以得出系统的总体框图如图 2-1所示。单片机外围接口电路LED数码管倒计时电路交通信号灯控制电路按键控制电路图 2-1单片机交通控制系统的总体框图单片机接通电源后，该系统正常工作，由单片机根据程序来控制交通信号灯的变化，同时，在 LED数码管上显示时间的倒计时，还能通过按键来实现对交通信号灯亮灭时间的调整等功能。第 5 页 共 27 页3 系统硬件电路的设计3.1 控制芯片 AT89C51 单片机3.1.1 AT89C51 单片机简介AT89C51是一个低电压、高性能的微处理器，也被叫做单片机，自身携带4K字节的 flash存储器。可擦除存储器的单片机可以反复擦除 1000次，采用的是一种非易失性的材料。3.1.2 AT89C51 单片机的主要性能内含 4Kb 可重编程的 FPEROM；与 MCS-51 产品指令系统完全兼容；1288 位的内部 RAM；4 个 8 位(32 根)双向可位寻址的 I/O 端口；2 个 16 位的计数/定时器；全双工方式的串行通道(UART)；6 个中断源；5 个向量二级中断结构；最高时钟振荡频率可达 12MHz；指令集中 64 条为单周期指令，支持 6 种寻址方式，共 111 条指令；低功耗空闲和掉电方式；片内振荡器和时钟电路。3.1.3 单片机组成及结构单片机主要由 CPU、存储器、可编程 I/O口、定时/计数器、串行口等部分组成，且各部分通过单片机内部的总线连在一起，具体组成功能框图如下图 3-1所示。图 3-1 单片机基本组成功能框图第 6 页 共 27 页1）中央处理器 CPU它是单片机的最核心的部分，它的功能主要就是对单片机进行运算和控制。2) 数据存储器 RAM变化的数据经常被存放在该存储器当中，该存储器的地址现在被广泛地分成 256个单元，前一半被分给用户，后一半分给专用的寄存器。3）程序存储器 ROM单片机的程序和常数被存放在程序存储器里面，因此，该存储器一般为只读存储器，才能长期有效地保存运行。4) 定时/计数器单片机的定时与计数一般都是由内部的定时