基于单片机控制的交通信号灯的设计与实现本科毕业设计

本文格式为Word版，下载可任意编辑——基于单片机控制的交通信号灯的设计与实现本科毕业设计

南京工程学院

毕业设计说明书(论文)

题目：

基于单片机控制的交通信号灯

的设计与实现

Thetrafficlightcontrolsystembased

onsinglechip

ADissertationSubmittedtoNanjingInstituteofTechnology

FortheAcademicDegreeofBachelorofScience

By

ShaoZhenfeisupervisedby

ProfessorSongHongmei

CollegeofCommunicationEngineering

NanjingInstituteofTechnology

June2023

摘要

近年来，随着国民经济的快速发展，车辆的数量也在飞速增长，交通拥挤和阻塞的现象也频繁的出现。交通阻塞已经成为城市交通所迫切要解决的难题。所以设计一个合理控制的交通灯系统具有重要意义。

本文介绍了一种基于单片机控制的交通信号灯的控制系统。该系统采用8051单片机为控制核心，以七段LED数码管作为等待或通行时间显示，LED作为交通灯红、黄、绿显示。系统采用上电自动复位，时间显示采用倒计时方式，四组红、黄、绿三色灯用发光二极管作为模拟交通信号灯，可以模拟各种道路交通灯控制状况。

3.1交通灯通行模式及行车方向指示183.2各单元电路模块功能193.2.1时钟电路模块193.2.2复位电路模块203.2.3主控制系统模块213.2.4交通灯输出控制模块223.2.5时间显示电路模块233.2.6系统电源模块电路23第四章系统软件设计254.1软件总体流程图254.2软件主要子程序流程264.2.1复位状态子程序264.2.2显示状态子程序27第五章系统调试分析及结果295.1电路板实物的制作295.1.1印制电路板PCB图的绘制295.1.2实物的制做295.2系统硬件调试305.3系统软件调试305.4系统总体调试30总结与展望32致谢34南京工程学院毕业设计所明书（论文）

智能这一新兴的科学的兴起，人们开始将其引入到城市交通控制中来。经过大量的摸索和研究实践，人们相信智能控制是解决城市交通问题的强有力的工具。

1.3论文研究的主要内容

随着我国经济的发展，汽车工业也在迅速发展，假使我们做不好城市规划和城市交通控制，那么随之而来的城市交通将会面临严峻的形式。而现有的比较成熟的交通控制系统存在有上节中所讲的诸多问题，针对这些问题，本文把单片机控制引入到城市交通控制系统中,利用其不需要建立确切数学模型和它吸收了人工控制的经验，使得控制过程简化，而且能满足实时性和控制精度的要求。在城市交通控制中，定周期控制在交通不大且稳定的状况下是简单有效的，与感应控制没什么区别。担当交通量大且拥挤车流变化快的时候，为减少车辆延误，这时就需要采用动态反馈控制系统，本设计采用单片机系统，动态检测，电子警察，当遇到紧急状况，需周边都是红灯的时候，可以进行无线遥控。

1.4主要章节安排

首先就课题研究的背景和意义做出说明。第一章简单介绍了关于下城市交通的各方面内容。其次章主要介绍系统的通体设计。第三章主要介绍了系统硬件设计。第四章主要介绍系统软件设计。第五章主要讲了系统调试分析及结果。最终给出结论并对课题未来的发展做出了展望。

第5页

南京工程学院毕业设计所明书（论文）

其次章系统的总体设计

2.1具体介绍交通信号系统

2.1.1信号控制方式的分类

使用信号机控制交通流称为交通信号控制，交通信号控制的目的是与交通量相适应，用时间比分派给相互交织的交通流通行权。信号控制的方式和分类有好多种。本文按控制的范围将信号控制分为点控、线控和面控。

（1）点控

单点交织口交通信号控制寻常简称为“点控制〞。它以单个交织口为控制对象，通过灯色的变化，在保证安全的前提下尽可能多地使各方向车辆通过。它是交通信号控制的最基本形式。点控制又可分为：定周期控制、感应式信号控制及模糊规律式信号控制。

（2）线控

“线控〞是干道交通信号协调控制系统的简称，就是把一条主干道上一批相邻的交通信号联动起来，让干线上交织口的信号控制器具有一致的周期，绿信号开启时间相继错开，从而使干线上行驶的车辆尽可能少遇或不遇红灯以减少延误，以便提高整个干道的通行能力。

（3）面控

区域交通信号控制系统简称为“面控〞，它把整个区域中所有信号交织口作为协调控制的对象。控制区内各受控交通信号都受中心控制室的中央控制机集中控制，从而可以提高道路通行能力，增加交通安全，节省能源和减少污染等等。

无论哪种控制，其控制变量主要有三个：信号周期，绿信比和相位差。点控制只需控制前两个变量即可。总之，交通控制过程可描述如下：根据交通法规，通过信号灯色的变化指示或提醒车辆在交织口处通信或暂停，在保证安全的前提下最大限度地提高交织路口的通行能力。

第6页

南京工程学院毕业设计所明书（论文）

2.1.2交通规则介绍

通行制是道路交通规则中的最基本原则，不然的话，人们在道路上随意走动，必然造成交通的无秩序，车辆和行人各行其道是交通秩序的重要表现。

世界现存有两种通行制：一是左行制，另一是右行制。全世界大约有90%的国家实行右行制，将来全世界有可能统一采用右行制。我国也是采用右行制。

现将一些基本的交通规则介绍如下：

（1）驾驶人员必需对两边的斑马线让道，除非中间有隔离岛。（2）假使进入转盘左拐弯或右拐弯，必需分别打左右指示灯进入；假使是经过转盘直行，则不要打指示灯。当你进入转盘时，必需让路给所有右边来的车流。出转盘时，必需顺着进入转盘时的车道打左转向灯。

（3）当在十字路口有阻止左转灯时，不能左转。

（4）若经转盘左拐弯，进入和拐弯知道离开转盘都必需一直打左转向灯。（5）自行车道仅供自行车使用;公车道仅供自行车、摩托车和公交巴士使用。其他驾驶人士可以穿越这两种特别车道借道拐弯或停车（假使标志许可的话），但必需让路给正在合法使用这两种车道的车辆。2.1.3交通信号控制硬件设备简介

交通信号灯的硬件设备。其构成可分为以下五部分：

（1）信号灯：就是悬挂在道路上空或设置在路侧灯柱上的发光装置，内装彩色信号灯；

（2）车辆检测器：车辆通过检测器时，由感应原理可以检测交通参数的设施，是感应式信号控制系统的必要设施；

（3）无线遥控装置：启闭信号灯，控制紧急车辆通过时的红灯；（4）电子警察(摄像机)：监控违章车辆；（5）单片机系统：整个信号灯控制的核心；

（6）附属设施：包括灯杆灯柱及其基础，装置信号控制机的底座与基础，埋设或悬挂传输线路的管道、线杆等。2.1.4交通信号控制系统信息传输系统简介

信息传输系统，也叫通讯系统，就是把信息从一个地方传输到另一个地方。

第7页

南京工程学院毕业设计所明书（论文）

信息传输系统也是交通信号控制系统中的重要组成部分。通信系统的组成：

（1）通信的信道

a）信道的容量信息传送的通路寻常称为信道或线路。描述一个信道不仅要通过它所连接的点到点的地理通路，而且还要根据它所具有的携带信息的容量。

b）信道的方向

单工：在信息源和接收器之间提供单一的单向性通道。

半双工：这种通信方式是在A站和B站之间只有一个通信信道，数据要么是A站发送，B站接收，要么B站发送，A站接收。

双工：允许信息同时在两个方向上传输的信道。（2）数字数据传输（3）调制和解调2.1.5常用交通标志简介

交通标志是交通系统中重要的一部分，用以帮助驾驶员把握方向状况。现将部分常用标志介绍如下：

第8页

南京工程学院毕业设计所明书（论文）

表2.1指示标志直行向左转弯向右转弯直行向右转弯立交直行/右转弯行驶向左和向右转弯靠右侧道路行驶靠左侧道路行驶环岛行驶直行向左转弯立交直行和转弯行驶鸣喇叭机动车道

2.1.6交通信号控制原理

准许试刹车单向行驶（向左/单向行驶（直行）向右）交通信号控制原理是依照一定的控制程序，在交织路口的每个方向上通过红、黄、绿三色灯循环显示，指挥交通流，在时间上实施隔离。交通规则规定：红灯——中止通行，绿灯——放行，黄灯——清尾，即允许已过停车线的车辆继续通行，通过交织路口。信号相位方案是指交通信号灯轮番给某些方向的车辆或行人分派交通权的一种顺序安排。我们把每一种控制（即对各进口道不同方向所显示的不同色灯的组合）称为一个信号相位。而一个相位又对应多个步伐，每一步伐对应当时刻不同灯色的状态。

第9页

南京工程学院毕业设计所明书（论文）

路口的交通灯一直进行着一个周期性的相变来控制车辆的运行。交通灯的优化控制问题，就是改变这些相所持续的时间和相邻路口相的周期，从而使目标达到最优。

2.2设计方案

方案一：交通控制系统主要控制东西、南北，车道的交通，整个系统以STC89C52RC单片机为核心芯片，通过控制三色LED的亮灭来控制各车道的通行，另外通过复位键来恢复到程序的初始状态。总体设计框图如图2.1所示：

图2.1方案一设计框图

方案二：采用标准STC89C52RC单片机为控制器，通行倒计时显示采用3位数码管；车道指示灯采用三色发光二极管，LED显示采用动态扫描，以节省端口。紧急车辆通行采用实时中断完成，识别方法采用手动按钮。按以上系统构架设计，单片机端口资源刚好满足要求。该系统具有电路简单，设计便利，显示亮度高耗电少，可靠性高，但是占用单片机资源太多了，整个框图设计如图2.2所示：

第10页

南京工程学院毕业设计所明书（论文）

图2.2方案二设计框图

方案三：采用标准STC89C52单片机为控制器，通行倒计时、东西、南北车道通行指示采用单块LCD液晶点阵显示器。这种方案设计占用单片机的端口最少，硬件也最少，耗电也最少，虽然显示图案也精致，但由于亮度太暗，晚上还得开背光灯，所以较少采用。

通过以上综合分析可以看出，方案一具有综合设计优点，因此城市道口交通灯控制系统模型采用方案一设计。

2.3系统工作原理

采用单片机的I/O口P0口通过上拉电阻和交通灯相连接，P3.0、P3.1口接到数码管控制位上，控制数码管的显示，程序放在STC89C52RC单片机的ROM中，在十字路口的四组红、黄、绿交通灯中，由单片机的P1.0-P1.2、P1.5-P1.7、P2.0-P2.2、P2.5-P2.7控制，由于交通灯为发光二极管且阳极通过限流电阻和电源正极相连，因此I/O口输出低电平日，与之相连的指示灯会亮，并通过数码管显示时间倒计时。I/O口输出高电平日，相应指示灯会灭。当交通出现障碍需要恢复到初始状态时，按下复位键即可，此键由单片机的9脚RST键控制。

2.4简单介绍STC89C52RC单片机

STC89C52RC是STC公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8Kb的可反复擦写的Flash只读程序存储器和512b的随机存取数据存储器

第11页

南京工程学院毕业设计所明书（论文）

（RAM），器件采用高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准MCS—51指令系统，片内置通用中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大STC89C52RC单片机可为您提供大量高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100000次。将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，是一种高效微控制器，STC89C52RC单片机为好多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

1.时钟电路

STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚RXD和TXD分别是此放大器的输入端和输出端。时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。内部方式的时钟电路如图2.3(a)所示，在RXD和TXD引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。定时元件寻常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶体振荡频率可以在1.2～12MHz之间选择，电容值在5～30pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。

外部方式的时钟电路如图2—2（b）所示，RXD接地，TXD接外部振荡器。对外部振荡信号无特别要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。

（a）内部方式时钟电路（b）外部方式时钟电路

图2.3时钟电路

2.复位及复位电路（1）复位操作

复位就是单片机对自己进行的初始化操作。他的主要功能就是把PC初始化为0000H，从而使单片机从0000H单元开始执行程序。除了系统的正常初始

第12页

南京工程学院毕业设计所明书（论文）

化外，当由于操作失误或程序运行出错导致系统进入死锁状态时，同样需要按复位键重新启动来摆脱所面临的窘境。

除PC之外，复位操作还对其他一些寄放器有影响，它们的复位状态如表2.2所示。

表2.2一些寄放器的复位状态

寄放器PCACCPSWSPDPTRP0-P3IPIETMOD

复位状态0000H00H00H07H0000HFFHXX000000B0X000000B

00H

寄放器TCONTL0TH0TL1TH1SCONSBUFPCON

复位状态00H00H00H00H00H00H不定0XXX0000B

（2）复位信号及其产生

RST引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24