大学设计方案—交通灯控制系统

1、电子工程系毕业设计任务书专业：应用电子技术年级： 2006 级姓名学号指导教师（签名）毕业设计题目交通灯控制系统的设计与制作任务下达日期0810 月 30日设计提交期限09年6月15日设计主要硬件设计、软件设计及实物制作内容主要技术参数指标装订线成果提交形式1. 整个系统的构成以 AT89C51单片机为核心，由 I/O 口扩展，LED数码管显示，紧急情况中断电路还有复位电路等组成。2. 按键控制台，可供警察在室内实时监视交通状况。通过按键可设置 紧急情况发生时的交通灯状态控制人机界面非常友好。3. 系统采用双数码管倒计时计数功能，最大显示数字99。4. 采用 MSC-51系列单片机 AT89C

2、51和芯片 74LS245 为中心器件来设计交通灯控制系统。1 、设计相关论文一份2 、终审实物一份 08 年 10 月 -09 年 3 月收集整理资料设计进度 4月 20日前进行方案论证及原理设计安排 5月 5 日 -6 月 10 日进行实物制作与调试 6月 10日前提交设计论文和实物教研室意见签名：2009年月日系主任意见签名： 2009 年月日电子工程系毕业设计开题报告姓名学号指导教师毕业设计题目交通灯控制系统的设计与制作同组设计交通信号灯自动指挥系统控制十字路口。本系统采用MSC-51系列单片机目的AT89C51 和芯片 74LS245 为中心器件来设计交通灯控制系统。系统性能稳意义定

3、，功能完善，适用于各种交通指挥。第一种方案：采用数字电子技术实现。用基本的555芯片（利用单稳态实现定时），计数芯片（如 74LS163，74LS160 等）完成计时功能，结合基本元件，通过逻辑电路实现交通灯的功能。方第二种方案：使用单片机可编程来实现交通灯的控制功能。利用单片机的外案围扩展，显示电路构成基本硬件。然后编程实现对定时，控制，显示电路的论证控制。装论证：根据毕业设计任务书的要求，方案一造价相对便宜，但存在一定的还订缺陷，如线性度、灵敏度差等。我们最终选用第二种方案的设计思路。该系线统实现简单、功能稳定、使用方便。时 08 年 10 月 -09 年 3 月收集整理资料 4 月 20

4、 日前进行方案论证及原理设计间安5月5日 -6 月 10 日进行实物制作与调试排 6 月 10 日前提交设计论文和实物指导教师签字：2009年月日意见审核小组组长签字：2009年月日意见交通灯控制系统的设计与制作摘要：道路交通信号灯是交通安全产品中的一个类别，是为了加强道路交通管理，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。适用于十字、丁字等交叉路口，由道路交通信号控制机控制，指导车辆和行人安全有序地通行。近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断深入，同时带动传统控制技术日益更新。本文将介绍一种基于单片机控制的交通信号灯的自动指挥系统。交通信号灯控制方式很多。本系

5、统采用MSC-51系列单片机 AT89C51和芯片 74LS245 为中心器件来设计交通灯控制系统。本系统性能稳定，功能完善，实用性强。Abstract: Road traffic lights is a safety product categories, is to enhance road traffic management and reduce the occurrence of traffic accidents and enhance road use efficiency and improve the traffic conditions of an important to

6、ol. Applicable to cross, such as T-intersection, from road traffic signal control machine control, guidance of vehicles and pedestrian traffic safety in an orderly manner. In recent years, with the rapid development of science and technology, the application of SCM is at the same time, increasingly

7、driven to update the traditional control technology. This article will introduce a single-chip microcomputer-based control of the automatic traffic signal control system. Many traffic lights control. The system uses MSC-51 series single-chip and chip AT89C51 devices to 74LS245-centric design of the

8、traffic light control system.Stable performance of the system, functional, practical.关键词： 单片机多路交通灯紧急情况处理Abstract:Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,SCM applicationsareatthesametime,traditionaldetectiontechniquestocontrolthegrowingupdate.designandactualizationofthetrafficligh

9、tcontroller based on the single-chip microcomputer目录引言 1第 1 章方案选择及总体设计 1 11 方案选择 112 总体设计 11 2 1 系统构成 11 2 1 功能概述 2第 2 章系统硬件设计 421 交通灯四种通行模式及行车方向指示422 各功能模块硬件设计及实现62 2 1 行人通行指示及其实现62 2 2各路口交通状态显示及其实现72 2 3 主次干道独立控制功能72 2 4 紧急情况处理功能及其实现82 2 5 倒计时计数功能及其实现8第 3 章系统软件设计831 软件总体流程图832 软件主要子程序流程93 2 1紧急状态子

10、程序93 2 2 显示状态子程序10第 4 章系统调试分析及结果 11 41 电路板实物的制作 114 1 1 印刷电路板 PCB图的绘制 114 1 2 实物的制作 1142 系统硬件调试 1343 系统软件调试 1344 系统总体调试 13第 5 章结束语 14参考文献 15附录： 15附录一：元件清单15附录二：系统硬件电路图16附录三：程序清单17引言当今世界，红绿灯已经被安装在各个道口上，已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段。但这一现象在 19 世纪就已出现了， 19 世纪初，在英国中部的约克城，红、绿装分别代表女性的不同身份。其中，着红装的女人表示我已结婚，而着绿装的女人则是未

11、婚者。后来，英国伦敦议会大厦前经常发生马车轧人的事故，于是人们受到红绿装启发，1868 年 12 月 10 日，信号灯家族的第一个成员就在伦敦议会大厦的广场上诞生了，由当时英国机械师德·哈特设计、制造的灯柱高7M ，身上挂着一盏红、绿两色的提灯-煤气交通信号灯，这是城市街道的第一盏信号灯。在灯的脚下，一名手持长杆的警察随心所欲地牵动皮带转换提灯的颜色第 1 部分方案选择及总体设计11 方案选择能实现此电路的方法很多，我们根据实际将范围定在以下几个比较切合我们的方案中。第一种方案：采用数字电子技术实现。用基本的555 芯片（利用单稳态实现定时），计数芯片（如74LS163， 74LS1

12、60 等）完成计时功能，控制电路芯片，译码芯片（如74LS138）等基本芯片，结合电阻，电容等基本元件，通过逻辑电路实现交通灯的功能。第二种方案：使用单片可编程来实现交通灯的功能。利用单片机的外围扩展，显示电路构成基本硬件。然后编程实现对定时，控制，显示电路的控制，然后调试，完成设计。结合实际情况，根据毕业设计任务书的要求，我们经过讨论和论证，最终一致选用第二种方案的设计思路对交通灯控制系统进行设计。12 总体设计121 系统构成整个系统的构成以 AT89C51单片机为核心，由 I/O 口扩展， LED 数码管显示，紧急情况中断电路还有复位电路等组成。单片机作为整个硬件系统的核心，它既是协调整

13、机工作的控制器，又是数据处理器。它由单片机、时钟电路、复位电路等组成。行车方向指示采用 LED 发光二极管，可有红、绿两种颜色指示放行与禁止，黄灯作为红绿转换的提示，形象直观。行人通行指示也同样采用LED 发光二极管，用红、绿两种颜色指示放行与禁止，黄灯作为红绿转换的提示，形象直观，简洁明了，更方便控制。按键控制台，可供警察在室内实时监视交通状况。通过按键可设置紧急情况发生时的交通灯状态控制人机界面非常友好。系统采用双数码管倒计时计数功能，最大显示数字99。友好的人机界面、灵活的控制方式、优化的物理结构以及丰富的功能是本设计的亮点。整个硬件电路组成模块如图1；AT89C51单片机I/0 口LE

14、D 数码中断系统复位电路扩展管显示图 1-1. 系统硬件构成模块121 功能概述本设计由中断系统、单片机、LED 数码显示模块和按键等构成。单片机是集成的 IC 芯片 AT89C51 单片机 ，只需根据实际选型。其他部分都需要根据应用要求和性能指标自行设计。复 位 电 路LED 数码显示电路中断系统电路AT89C51键盘控制电路单 片 机电源稳压控制电路交通灯控制电路程序运行指示电路紧急情况处理电路D硬件总体框图BC6NPQNAnoisive62715N1PQ N7168Np D91PG25QNF134E183D12C10 111B712501k1LA210R54W000012200041.绿

15、黄红F3.黄绿WR 红WN7 P Q N01kR5639 k R 5732.RrebmuNeeltzf:ybodBdtn.e 灯we 通ahrS 交Dflesym计设业毕习学tnemucuo8d0k0r2o-cweeD e-s0:3E:etael6521kR521p GDF120W3W22红0红.1N3745绿 02黄0黄3415黄 02绿0绿5红 01N红黄绿7475222171962125N红黄绿13401210006072703W红黄绿3722221绿黄红S2100002绿黄红S574222RS绿05黄04红032711716p D91G25F134E183D121iiTSN4PQN8k

16、R 5BiD F435EDC41BALN38 12110 11750314N 红黄3绿271222_2_3绿黄红S3_1.FS3LS5C011B7150A14N3 P Q N431E7.绿01N5绿 074黄 2黄 06红 03红 02.1黄绿E 红0120001123456789kP0R1c4LcEV0123456701234571209000000002222222AA3298765432123456780109333333332222222211320123456701234567D DPN0000000022222222/PPPPPPPPPPPPPPPPXXEERTLSAPE5绿 04

17、黄 03红 021p GDFEDCBA2SE1绿 27黄 20红 21.1E绿黄红210000N2PQN717169152143138 121 N1 11 P7 1Q N05 143 4SSk30R1k20R 1绿 04黄 03红 06 k R 5635 k R 573cc7kR553321kc0R1cPTV1001234567VERD10 4TT1 0/1 2SD11111111AEN5C C VNNT TX XRR W G123PPPPPPPPI IE0U8AAA12345678325419897601111311112354198976A3331133CCVMY21ukc1001c9c1

18、C24V2345678911cSRV01234567E RIppAAAAAAAA C D30 205C3 C34cD201234567NScL12 VBBBBBBBBG 4U70876543210c211154 2SL4 7111111c01234567Vcc11111111VV2J21J21DCBA注：以上电路图为我们所设计的交通灯控制系统的具体电路图，在东南西北四个方向的 LED 指示灯，代表四个方位的交通信号灯，电路图的下方是单片机控制系统。复位，中断等子电路。1、本系统交通灯控制规则如下：(1) 每个街口有左拐、右拐、直行及行人四种指示灯。每个灯有红、绿、黄三种颜色。自行车与汽车共用左

19、拐、右拐和直行灯。(2) 共有四种通行方式：车辆南北直行、各路右拐，南北向行人通行。南北向通行时间为1 分钟，各路右拐比直行滞后10 秒钟开放。南北向左拐、各路右拐，行人禁行。通行时间为1 分钟。东西向直行、各路右拐，东西向行人通行。东西向通行时间为1 分钟，各路右拐比直行滞后10 秒钟开放。东西向左拐、各路右拐。行人禁行。通行时间为(3) 在通行结束前 10 秒钟，绿灯闪烁直至结束。1 分钟。2、有倒计时时间显示时间，红绿灯切换提前5 秒亮黄灯提示。3、若交道口出现紧急情况，交警可手动控制：全路口车辆禁行、行人通行。紧急情况结束后再转成自动状态。第 2 部分 系统硬件设计21 交通灯四种通行

20、模式及行车方向指示按交通灯控制规则，每个街口有左拐、右拐、直行及行人四种指示灯。每个灯有红、绿两种颜色灯。交道口模型如图 21 所示：图 21交道口模型图4 组 LED 数码管按照设置的通行时间（各路口默认的通行时间均为1 分钟）进行倒计时，并各自进行红、绿灯显示，共有四种通行方式，分别为：图 2-2通行方式一示意图图2-3通行方式二示意图图2-4通行方式三示意图图2-5通行方式四示意图通行方式一：倒计时时间为60s（通行时间），红绿灯状态为：南北直行：绿；东西直行：红；各路右拐：绿；左拐：红；人行道：南北绿，东西红；各路右拐比直行滞后10 秒钟开放。如图2-2 所示。通行方式二：倒计时时间为

21、60s（通行时间），红绿灯状态为：南北左拐：绿，各路右拐：绿，所有人行道：红。如图2-3 所示。通行方式三：倒计时时间为60s（通行时间），红绿灯状态为：东西直行：绿，南北直行：红，各路右拐：绿，左拐：红，人行道：东西绿，南北红，各路右拐比直行滞后10 秒钟开放。如图2-4 所示。通行方式四：倒计时时间为60s（通行时间），红绿灯状态为：东西左拐：绿，各路右拐：绿，所有人行道：红。如图2-5 所示。通行默认时间为1 分钟，系统设置了任意更改功能，一般主干道通行时间要比次干道要长一些，可以根据实际情况进行调整，以提高车辆通过率，缓减交通压力。在通行结束前 10 秒钟，绿灯闪烁直至结束。本设计选用

22、 LED 发光二极管的红绿灯状态用来指示左右拐、直行等交通指示信息。绿色表示通行，红色则表示禁止通行。中间绿色灯亮，表示直行，两边红色灯亮，表示禁止通行；左边绿色灯亮，表示左拐弯；其他红色灯亮则表示禁止通行和右拐弯。所有指示信息一目了然。22 各功能模块硬件设计及实现221 行人通行指示及其实现人行道的通行采用红绿两种颜色的发光二极管来指示，其中多加了一个黄灯作为提示红绿转换的提示标志。按规则，南北车辆直行的时间也就是东西路口行人通行的时间。所以，在该时刻南北直行的指示灯和东西路口人行道上的指示灯的点亮情况应该是一致的。在现实中，人行道的状态切换是用该信号指示灯闪烁来提示红绿状态的切换的。但是

23、在我们这个设计中，我们认为直接再加一个 黄色信号灯 来提示红绿状态的转换效果会更加明了。当然，相应地要考虑到单片机的带载能力了。黄色信号灯的发明者是我国的胡汝鼎，他怀着“科学救国”的抱负到美国深造，在大发明家爱迪生为董事长的美国通用电器公司任职员。一天，他站在繁华的十字路口等待绿灯信号，当他看到红灯而正要过去时，一辆转弯的汽车呼地一声擦身而过，吓了他一身冷汗。回到宿舍，他反复琢磨，终于想到在红、绿灯中间再加上一个黄色信号灯，提醒人们注意危险。他的建议立即得到有关方面的肯定。于是红、黄、绿三色信号灯即以一个完整的指挥信号家族，遍及全世界陆、海、空交通领域了。我们的视网膜含有杆状和三种锥状感光细胞

24、，。杆状细胞对黄色的光特别敏感，三种锥状细胞则分别对红光、绿光及蓝光最敏感。由于这种视觉结构，人最容易分辨红色与绿色。虽然黄色与蓝色也容易分辨，但因为眼球，对蓝光敏感的感光细胞较少，所以分辨颜色，还是以红、绿色为佳。所以，交通灯用什么颜色也是有大学问的。222 各路口交通状态显示及其实现在完成倒计时、状态信息等的显示功能上，我们考虑了以下三种方案：方案一：完全采用数码管显示。这种方案只能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。此显示方案功能强大，可方便地显示各种英文字符，汉字，图形等，而且美观，但这种方案实现复杂，且须完成大量的软件工作，因此我们不予采

25、用。方案三：采用发光二极管、数码管相结合的方法。考虑设计需要，我们用三个一组的发光二极管在显示不同的状态，在各个方向分别构成交通提示信息，形象逼真；用二位数码管用来显示倒计时时间。综上所述，方案三既满足了系统功能要求，又符合人性化设计标准。权衡利弊，我们决定采用方案三来实现系统的显示功能。223 主次干道独立控制功能当主干道方向的车辆过多发生堵塞,而次干道方向车辆却很稀少时，正常的信号灯时序将会使交通状况更加恶化。本设计添加了主次干道独立控制功能，交警可按需求控制任意路口的通行，该措施可在一定程度缓减短暂的交通压力。224 紧急情况处理功能及其实现在十字交通路口常出现的紧急情况，若不及时处理将

26、形成不良隐患。比如，交道口的行人有紧急情况发生，那么交警可以对信号灯进行手动控制，按下紧急情况处理键，通过软件使所有红灯亮，路口车辆禁行，行人通行，直至紧急情况结束后再转成常规的自动状态。225 倒计时计数功能及其实现本系统使用数码管完成倒计时显示功能。以南北方向为例，数码管显示的数值从绿灯的设置时间最大值往下减，每秒钟减 1，一直减到 0。然后又从红灯的设置时间最大值往下减，一直减到 0。接下来又显示绿灯时间，如此循环。系统共有 4 个二位的 LED 数码管，分别放置在模拟交通灯控制板上的四个路口。因为相同直线方向上的数码管应该显示同样的内容，所以我们可以把它们同样对待。也就是说各个方向的数

27、码管个位（把数码管第二位定义为个位，第一位定义为十位）用一根信号线控制，十位用另一根信号线控制。这里采用动态显示。考虑到单片机的 P1 口驱动数码管七位段码的能力，我们利用一片 74LS245 芯片来作为数码管的位驱动芯片。经实验证明，该 8 路同相三态双向总线收发器芯片的驱动能力完全可以满足本设计的显示要求。第 3 部分 系统软件设计硬件平台结构一旦确定，大的功能框架即形成。软件在硬件平台上构筑，完成各部分硬件的控制和协调。系统功能是由软硬件共同实现的，由于软件的可伸缩性，最终实现的系统功能可强可弱，差别可能很大。因此，软件是本系统的灵魂。软件采用模块化设计方法，不仅易于编程和调试，也可减小

28、软件故障率和提高软件的可靠性。同时，对软件进行全面测试也是检验错误排除故障的重要手段。31 软件总体流程图软件总体设计及流程图见图 3-1 ，主要完成各部分的软件控制和协调。本系统主程序模块主要完成的工作是对系统的初始化，发送显示数据，同时对按键进行扫描，等待外部中断，以及根据所需要的功能进行相应的操作。其流程图如图 3-1 所示。开始初始化扫描外部按键状态判断当前状态紧急时间状态显示图 3-1软件总体流程图主程序比较简单，初始化完成后，调用按键扫描程序，取得按键状态，并根据当前系统状态调用相应的子程序。32 软件主要子程序流程321 紧急状态子程序现今社会经济发展状况下，我们身边的交通状况显

29、得越来越拥挤。在道路交通突然状况也越来越多，特别是在车流辆比较集中的十字路口。本设计在紧急状态下，可以通过紧急状态手动控制按键使所有的 LED 都被置为红灯，车辆禁行、行人通行。紧急情况结束后再转成自动状态。开始是按键是否按下否状态转为正常运行所有 LED 置为红色返回图 3-2紧急状态子程序322 显示状态子程序开始AT89C51 初始化四个路口的灯全部点亮是否出现紧急状况按设定的交通方案显示所有路口LED 置红色各路口 LED 灯的状态倒计时显示延时返回图 3-2显示状态子程序本设计各路口灯比较多，各通行状态前文已有描述在此不一一赘述。虽然整个系统 LED 灯的数量比较多，但各个方向的灯各

30、司其职使交通指挥更加显而明了。在人为手动复位和初始化的情况下，各路口所有交通灯均点亮。此时若有 LED 灯出现故障，一目了然，可以及时检修。若有紧急中断信号出现，显示子程序优先处理中断程序，将所有路口的信号灯置为红色禁止通行。紧急状态解除各信号灯再进入正常状态显示。第 4 部分 系统调试分析及结果因本设计本身要求有稳定性高、免维护、抗干扰能力强等功能，系统调试除了验证数据处理的精度，确保判断的准确性外，同时必须确认各项功能的正常运行。41 电路板实物的制作411 印刷电路板 PCB 图的绘制由于本电路硬件设计中，用单片机的两个 IO 口控制各路交通灯的循环点亮。用同一芯片单片机的 P1 口和

31、P3 口的高四位，来控制数码管的显示点亮。因此，在同一芯片中，所要接的线路比较多。在硬件的布局中，各位 LED 灯和数码管的布局比较固定化，集中分布在所控制的四个路口。因此，若采用双面PCB 板的话，这个电路的布线比较容易实现。但是，现实水平中做双面板会出现一些焊点接触不良而导致电路调试过程不易实现。因此，我们决定使用单面板布线。单片面板的布线需要牺牲本设计电路板一部分实际电路的美观。印制电路板的设计是以电路原理图为根据，实现电路设计者所需要的功能。印刷电路板的设计主要指版图设计，需要考虑外部连接的布局、内部电子元件的优化布局、金属连线和通孔的优化布局、电磁保护、热耗散等各种因素。优秀的版图设

32、计可以节约生产成本，达到良好的电路性能和散热性能。简单的版图设计可以用手工实现，复杂的版图设计需要借助计算机辅助设计（CAD）实现。412 实物的制作准备工作：打印一份印刷电路PCB；事先购买好实物电路所需的各种元器件；一块铜板； FeCl3 一包；还有其他的基本电子器件和制板工具。制作过程：我们的印刷电路板制作过程总制板工艺程序：修整板周边尺寸- 复制 - 钻孔定位 - 贴胶 - 腐蚀 - 清洗- 去胶 - 细砂纸擦光亮 - 涂松香水。1. 先将符合尺寸要求的复铜板表面用细砂纸擦光亮, 再把打印出来的印刷电路 PCB复写纸将布线图复制到复铜板上。2. 用直径 1.0mm钻头钻孔、定位口，再进

33、行贴胶（或上油漆）。3. 贴完胶后，应在板上垫放一张厚张，用手掌在上面压一压，其目的是使全部贴胶与复铜板粘贴得更加牢靠。必要时还可用吹风筒加热，可使用权贴胶粘度加强，由于所用的贴胶具很好的粘性，而且胶纸又薄，故采用这种贴胶进行制板，效果较好，一般是不须再作加热处理。4. 腐蚀一般采用三氯化铁作腐蚀液，腐蚀速度与腐蚀液的浓度，温度及腐蚀过程中采取抖动有关，为保证制板质量及提高腐蚀速度，我们采用了抖动和加热的方法。5. 腐蚀完成后，应用自来水冲洗干净，并将胶纸去掉，把印刷板抹干。6. 用细砂布将印刷板复铜面擦至光亮为止，然后立即涂上松香溶液。（涂松香水时应将印刷电路板倾斜放轩再涂以松香水，以免松香

34、水经钻孔流至背面）。附注：(1) 松香水的作用是防氧化，助焊及增加焊点的光亮度等；松香溶液是用松香粉末与酒精或天寻水按一定比例配制面成，其浓度应适中，以用感有一定粘性即可。(2) 三氯化铁溶液对人体皮肤不会有不良影响，但三氯化若搞到衣服上或地面上，寻是难以洗掉的，所以使用时我们是特别小心的。制板心得：我们在制板过程中，1. 首先是 PROTEL 设计的时候出现的错误导致印制电路板制作错误。2. 其次是由于设计的理论和实际有误差导致无法实现目标。3. 焊接过程中出现了一些问题，比如焊跳线的时候，由于接线太多，而且是手工焊接，并且焊接设备不好，烙铁头高温下容易老化氧化和温度不可控制。因此导致焊盘脱

35、落，原件烫伤等原因导致报废了好几块板子。此外，有些焊盘太小并且有损坏迹象，所以焊接很不方便。但为了不出现虚焊，却花了很长时间去焊，有些焊点并不是很美观。4. 焊接过程中，有时候焊锡会不小心将相邻的两根引线短路。所以，此次做板积累了一些经验，主要是，再次做板的时候一定要注意PCB 的引线之间的距离不能设置太近。因为我们是手工制作，精度和密度都必须有一个自由度和能力所及的范围，并且考虑到手工制板的局限性和线路过细密导致的氧化和短路故障。我们拥有了这些宝贵的经验，相信今后制板，一定会完美保证电路的实现！42 系统硬件调试在设计过程中，我们使用了proteus硬件仿真软件对该设计的硬件电路进行了实物功能仿真，仿真效果良好。实物交通灯控制系统的 PCB 电路板焊接工作量非常大，电路安装完成后，首先进行检查，即确认电路无虚焊，无短路，无断路，集成元件安装是否正确，之后进行电路功能模块的分级调试，根据电路功能逐级进行：通行方式功能调试：包括对四种通行方式控制调试，行人和行车方向指示灯亮度和驱动电路调试；倒计时功能调试：数码管亮度调试；复位和紧急情况手动控制功能调试。43 系统软件调试本系统的软件系统很大，选用一般的伟福仿真器对程序进行编写和调试。除了语法