【《基于单片机的十字路口交通信号灯设计》7300字】

南宁师范大学2021届本科毕业设计[摘要]随着国内城市化进程的推进，车流量正在不断地扩大，会加剧交通拥堵情况的发生且环境污染也会越严重，为了保证高效安全的交通秩序就必须在十字交通路口设置交通灯。交通路灯不但能够有效保障人们的出入和通行安全，还可以保障道路上的通畅。本设计中采用STC89C51型号单片机作为主控单元，接入LED数码管倒计时显示、74HC245、LED模拟交通灯等模块，来实时控制十字路口交通信号灯的状态转化，来提高车辆和人们的通行效率。[关键词]STC89C51;十字路口；交通灯；控制；检测引言随着时代的变化和经济的发展，人民群众的安全意识不断地得到提高，车辆数目也不断地增加。截止2021年1月8日，全国新注册登记地机动车3328万辆，机动车保有量已高达3.72亿辆，车辆的累计保有量的快速增加给城市交通带来的压力与日俱增，同时发生交通事故的概率也在增加。现在道路上越来越多的车辆通行，特别是在十字路口，都会有很多车辆以及人们穿插而过，使得通行效率会降低，且易发生交通事故。红绿灯不仅是城市道路交通中的重要控制系统，也是在人流、车辆较多地方的重要系统，它与日常生活息息相关。在实际生活中，上下班时间段是在十字路口人流量与车流量都较多的时间段，很多地方设置的红绿灯的倒计时都不是很合理。比如：东西方向的倒计时时间过短且是人流、车流量又比较多时没有足够的时间通过，而南北方向的倒计时时间过长且人流、车流量较少就显得道路空旷旷的，还有无法估算的紧急车辆也需要给他们让行，这些问题都会影响通行效率，从而导致交通拥堵，也易发生交通事故。因此利用单片机来设计一个十字路口交通信号灯来改变现在的状况。1970年至1974年期间，世界上第一块单片机在美国问世，采用双片的形式，而且功能比较简单，具有体积小、性价比高、灵活性强等特点，因此在嵌入式微控制系统中具有十分重要的地位。由于单片机的特殊结构形式、控制能力强，因此本设计选用STC89C51单片机作为系统的核心，加上数码管、按键等部分，并利用单片机的中断技术来实现主要的控制逻辑，最终实现一个十字路口交通信号灯，以及对路口交通灯的管控功能，以此来提高道路通行效率等。

1总体设计方案1.1交通灯方案设计本论文的总体方案是构建一个能显示十字路口的交通信号灯，由LED模块、数码管模块、按键模块、复位电路模块与时钟模块组成。交通灯有东西方向与南北方向，每个方向都有红、绿、黄三种指示灯，红色代表禁止通行、绿色代表能通行、黄色代表过渡或者缓冲时间。系统的基本控制逻辑是当东西方向绿灯亮45秒，南北方向绿灯亮60秒后，在绿灯转变红灯的这个过程中，两个方向的黄灯都有5秒闪烁时间，并且通过两组数码管显示倒计时。根据控制要求分析，列出交通灯运行的4种状态，如表1所示。表14种状态表状态持续时间（秒）东西南北红黄绿红黄绿145灭灭亮亮灭灭25灭亮灭亮灭灭360亮灭灭灭灭亮45亮灭灭灭亮灭整个系统共有7个按键在单片机中设置按键，使系统在运行的过程中可以随时改变交通灯的工作状态，如东西或者南北方向车流量突然增大时，调节倒计时的时间让车流量多的一个方向快速通过，以达到平衡车流量的目的，提高通行效率。K0为夜间模式按键，K1为停止按键。K4、K5、K6、K7是一套组合按键，K7是切换方向按键，用以切换加减时间的方向；K5、K6是加减时间按键，可以对东西或者南北方向的红绿灯倒计时进行加或减操作；K4是确认按键，当执行完加或减操作之后按下K4以确认。最后是复位按键K8，当程序出现卡死或者出现非正常运行状态时，按下K8可以实现复位。1.2交通灯设计流程分析十字路口交通信号灯的控制要求，列出所需要的交通灯元器件清单，用Proteus8.4软件绘制电路仿真原理图以及能读懂每个端口接线的意义所在；用keil4软件编写程序，将程序调试成功；将交通元器件焊接在单片机板上，并进行实物调试。 1.3交通灯设计的基本原理及组成本论文利用STC89C51这个型号的单片机作为核心控制器，设计一款能够显示倒计时的十字路口交通信号灯的控制系统，系统通过按键输入信号，输入信号Enable后主控芯片可以控制交通信号灯，改变各种交通信号灯脉冲的工作时序，并在整个控制系统中接入LED数码管显示倒计时，用来显示车辆和行人通行等待的时间。由于城市道路交通的十字路口较多，为了使十字路口的交通秩序各主干道来往车辆能够安全有效地在道路上行驶，在东西、南北四个方向分别设置了不同的交通信号灯，提高了通行效率的同时也减少交通事故发生的可能性。该控制系统的时间显示用倒计时方式来表示，以便能更直观的体现效果，这样就能够使车辆和行人能够更清楚地知道通行的剩余时间，或减速或等待，提高十字路口车辆和行人的通行率，降低事故的发生。整个系统由按键电路、复位电路、时钟电路、LED数码管显示电路以及电源模块等组成，系统的基本结构如图1所示。图1系统的基本结构图2硬件电路设计2.1I/O分配该系统利用Prouteus8.4软件来仿真，首先需要在软件中找出搭建硬件电路所需要的软元件，包括按键、时钟、复位按钮、数码管、LED信号灯以及电源模块等元件。接着根据控制逻辑来连接电路，P0.0~P0.6端口都是接到RP1（排阻）的相对应端口，复用连接至LED数码管；P1.0~P1.3端口连接的是两个方向的数码管的位选；P1.5是连接夜间模式按钮；P2.0、P2.1、P2.2、P2.3、P2.4、P2.5分别接到十字路口交通信号灯的红、绿、黄三种指示灯；P3.1、P3.4、P3.5、P3.6、P3.7与6个按键开关相连，每个输入输出点位都会连接到单片机里的地址。I/O分配如表2所示。原理图如图2所示。表2I/O分配表输入输出夜间模式按键P1.5P0.0~P0.6数码管显示停止按键P3.1P1.0~P1.3数码管位选确认按键P3.4P2.1东西绿灯时间加按键P3.5P2.2东西黄灯时间减按键P3.6P2.3东西红灯切换方向按键P3.7P2.4南北绿灯复位按键RSTP2.5南北黄灯P2.6南北红灯图2交通灯原理图2.2交通信号灯元器件在仿真电路原理图中，所需的元器件有STC89C51芯片、LED灯、数码管、按键等，元器件数量如表3所示。

表3元器件清单表名称代号规格数量单片机U1STC89C511晶振Y112MHz1瓷片电容C2、C330pF2电阻R110Ω1排阻RP1、RP210kΩ、1kΩ2电容C110uf1LED红灯D3、D4、D7、D124LED绿灯D2、D5、D8、D114LED黄灯D1、D6、D9、D104自锁开关1USB电源线1DC电源插口P11按键7数码管U3、U4、U5、U642.3时钟电路时钟控制电路通常又被称为晶振电路，其主要作用之一就是通过配合外部晶体产生振荡的电路，为单片机提供正常运行的时钟频率。本次设计的单片机时钟采用内部的单片机时钟信号运行模式，所有外设单片机的运行都以此模式中的时钟信号为准。由于STC89C51单片机内部都采用了独立地自带有一个不同的可调制电容，它们被用作构成振荡器的逆向放大器，这时候就将单片机的引脚XTAL1端口接到输入端，将单片机的引脚XTAL2端口接到输出端，也就是说两个引脚都接入时钟电路中。这两个外部端口跨接石英CrystalOscillator和两个容量趋于无穷小的不同的可调制电容，让它们共同构建成一个self-excitedoscillator，如此一来依靠这个振荡电路也能够在单片机内部产生一个时钟脉冲信号。如果没有时钟控制电路就产生不了时钟来驱动单片机，那单片机就不能正常工作了。所以时钟控制电路中的电容C1和C2平均值均为30pF，晶振频率为12MHz，这两个电容就会对工作频率起到稳定作用。时钟电路如图3所示。图3时钟电路2.4按键控制电路按键控制电路如图4所示，这些按键分别控制东西、南北方向的红、绿、黄灯，STC89C51单片机的P1.5、P3.1、P3.4、P3.5、P3.6、P3.7这六个端口串联再接地，换言之，按键都是低电平时有效输入数据。图4按键控制电路2.5芯片复位电路当正在运行的程序出现了fatalbug或者其他原因导致程序处于跑飞状态时，就会trick复位电路，使程序reload并恢复到正常状态。若要触发复位电路，需要给RST引脚施加高电平，并且不少于两个机器周期，即可重新加载程序。通过挂载在外部的复位电路实现程序复位是STC89C51单片机的一个特点，通常来说，上电复位和开关复位是复位的两大种类，本设计中应用到的是前者。复位电路如图5所示。图5复位电路电阻R1的阻值为10kΩ，电容C3的容量为10μF。上电复位时，就是通过电源给C3电容充电，接着将一个高电平信号施加到RST引脚上，使得电源能够不断地给电容充电，RST引脚上的高电平随着电容C3的充电过程慢慢降低，当高电平降低到一定程度时，单片机就可以正常工作了。2.6STC89C51单片机本系统的设计中采用美国STC公司制造的STC89C51单片机作为整个系统的主控单元，STC89C51单片机的引脚分布如图6所示。STC89C51单片机拥有8K字节的可编程闪存，是一款高速、低功耗的新型8051单片机，用户可按照需求来选择12MHz时钟或6MHz的时钟。同时它还包括了3个16位定时器、计数器和一个6向量2级中断电路结构，支持完整的全双工串行口通讯，内部自带晶体振荡器电路及时钟电路。此外，STC89C51单片机比其他单片机包容性更高、兼容性更强，这也是选择STC89C51单片机作为整个系统的主控单元的原因。图6STC89C51单片机引脚图2.7LED数码管倒计时显示电路本系统的倒计时显示电路采用共阴极LED数码管，也就是说，将所有数码管的阴极连接到公共端。当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮；当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。即通过控制同名管脚上电平的高低来控制发光二极管的亮或灭，从而显示不同的字形。共阴极LED数码管的引脚与单片机P0端口连接。数码管的位选分别接在STC89C51单片机的P1.0、P1.1、P1.2以及P1.3端口上。LED数码管倒计时显示电路如图7所示。图7LED数码管显示电路通过控制两位数码管的8个公共端的高低电平来显示个位和十位的数据，在主程序中通过倒计时子程序中给定的定时数值，在经过计算后就能够算出所需要显示的个位和十位，然后就可以读取显示子程序中相对应的代码，再通过对数码管的位选就可以在LED数码管上显示个位和十位了。2.8电源模块一般系统能否平稳的运行都取决于电源是否可靠稳定，可见电源模块的重要性。在本系统中电源模块分为两个部分，DC电源插口与自锁开关。DC电源插口用于系统连接外部电源；自锁开关用以控制单片机与DC电源插口之间地通断，自锁开关常开触点分别接DC电源插口电源脚和电路的VCC。自锁开关原理图如图8所示。DC电源插口原理图如图9所示。

图8自锁开关原理图图9DC电源插口原理图

3系统软件设计本设计的软件编写主要在keil4平台上完成编写，根据十字路口交通信号灯的控制要求，将程序分为主程序、显示子程序、定时子程序、按键子程序。3.1主程序模块主程序是整个程序的核心部分，功能是统领子程序。在整个系统中下分为若干个能够实现不同功能的子程序，每个子程序之间都有一定的联系但是又不能互相干扰，此时主程序就需要根据每个子程序的控制逻辑来调控、分配子程序的触发条件。上电之后，整个系统先进行初始化。首先需要开启总中断开关，接着开启定时器T0与T1，对T0与T1进行初始化；其次，对十字路口交通信号灯设定初始化状态，即东西绿灯，南北红灯；最后循环扫描按键状态与显示状态。主程序流程如图10所示。图10主程序流程图3.2子程序模块3.2.1按键扫描子程序目前，主流的按键常采用机械触点式按键，在本次设计中使用了7个按键，可以根据实际情况，对东西、南北方向的通行时间进行适当调整，每个功能都能实现不一样的效果，得到其相应按键扫描子程序流程图。按键扫描子程序流程图如图12所示。图12按键扫描子程序流程图3.2.2显示子程序动态显示与静态显示是数码管的两种主要显示方式，本次设计采用的是前者显示方式。显示子程序循环扫描时，会依次片选东西时间十位数码管、东西时间个位数码管、南北时间十位数码管、南北时间个位数码管，并依次显示。显示子程序流程图如图13所示。图13显示子程序流程图3.2.3定时器T0中断子程序定时器T0中断子程序控制着红绿灯的基本运行状态，每一毫秒刷新一次，意味着中断子程序是循环扫描运行的。东西方向由绿灯亮45秒开始循环，接着是黄灯闪烁5秒，最后红灯亮60秒，再回到绿灯继续循环；南北方向由红灯亮45秒开始循环，接着是黄灯闪烁5秒，最后绿灯亮60秒，再回到红灯继续循环；东西方向的循环与南北方向的循环是并行的。定时器T0中断程序流程如图14所示。图14定时器T0中断程序流程图3.2.4定时器T1中断子程序当时间处于夜晚乃至凌晨的时候，车流量较少，为了减少驾驶员等待的时间，提高车辆的通行效率，因此需要设置夜间模式。夜间模式由定时器T1中断子程序控制，当夜间模式K0按键按下时，则会启动夜间模式，所有方向的红绿灯都停止显示，数码管也停止倒计时，并且一直在显示零的状态，东西南北方向的黄灯会持续闪烁。定时器T1中断子程序如图15所示。图15定时器T1中断子程序流程图

4系统测试4.1仿真测试为了验证程序是否符合控制逻辑，也为了在后续的实物测试中便于搭建实物电路，所以先需要搭建仿真电路进行初步验证。系统仿真运行前，先把程序烧录进STC89C51单片机中，会看到单刀双掷开关向下打，则该系统处于检测状态，方便观察和修改程序。刚开始系统还未在运行状态，需要点击左下角的运行符号，让该系统仿真处于运行中；按照所设置的倒计时显示功能，东西方向的绿灯先亮，然后驾驶人和行人则可通行；同时南北方向的红灯也亮，所以驾驶人和行人则不可通行；反之亦然，如此循环；按下夜间模式按键会看到东西、南北方向的黄灯会持续闪烁；按下切换模式开关即可切换东西、南北两个方向的倒计时显示时间，当东西方向的人流或者车辆较多的时候，就需要按下切换键，让东西方向有更充足的时间来调节道路的秩序，南北方向则需要简短时间，让两个方向的道路不会发生交通拥堵，就可以有效的控制两个方向的间隔时间；反之亦然。交通灯仿真图如图16所示。图16交通灯仿真图4.2实物测试本设计是通过制作十字路口交通信号灯实物来进行系统测试。首先，在制作实物前应检查每一个元器件是否完好无损；其次，把所需要的元器件焊接到实验板上，形成实物。十字路口交通信号灯实物如图17所示。图17实物图(1)控制逻辑测试根据系统的控制要求完成实物后，即可对其进行调试，调试的主要目的是论证理论与实物实现的功能是否一致，以及发现需要改进的地方。通过Keil4编写程序，把写好的程序下载到实物STC89C51单片机中进行调试。将USB电源线插入计算机，DC插头插入单片机对应插口，进行程序下载，下载成功后即可按下电源接通。按下电源键后，即可看到十字路口交通信号灯的初始状态先是东西方向的绿灯亮，东方向与西方向的数码管倒计时显示45秒，同时南北方向的红灯亮，南方向与北方向的数码管倒计时显示60秒。倒计时完成时，东西方向黄灯闪烁5秒，5秒后东西方向黄灯转变为红灯亮，此时，南北方向也由红灯转变为绿灯亮，其状态显示为东西方向红灯亮，倒计时45秒，南北方向绿灯亮，倒计时60秒。倒计时完成时，南北方向黄灯闪烁5秒，5秒后又回到东西方向的绿灯亮、南北方向的红灯亮，工作状态一直循环。十字路口交通信号灯的工作状态如图18、19、20、21所示。图18东西绿灯亮图19东西黄灯闪烁图20南北绿灯亮图21南北黄灯闪烁(2)按键模式测试按下K0按键，夜间模式启动，四个方向的黄灯持续闪烁；按下K1按键，接通禁止模式，四个方向的红灯持续亮；这两个模式接通时，数码管停止倒计时且一直在显示0的状态。如图22、23所示。图22夜间模式图23停止模式第一次按下K7按键，先切换至南北方向，表示可以对南北方向的时间进行设置，同时也可以看到四个方向的倒计时处于暂停状态；接着，按下K5或K6按键，对南北方向的倒计时时间进行增加或减少，设置时间完成后，按下K4按键确认，即可运行所调南北方向的倒计时时间。如图24、25、26、27、28所示。图24切换南北方向状态图25调时加状态图26确认状态图27调时减状态图28确认状态第二次按下K7按键，则切换至东西方向，表示可以对东西方向的时间进行设置，同时也可以看到四个方向的倒计时处于暂停状态；接着，按下K5或K6按键，对东西方向的倒计时时间进行增加或减少，设置时间完成后，按下K4按键确认，即可运行所调东西方向的倒计时时间。如图29、30、31、32、33所示。图29切换东西方向状态图30调时减状态图31确认状态图32调时减状态图33确认状态按下K8按键，系统恢复初始状态运行。如图34所示。图34系统复位

5总结现在的交通流量已经对传统的交通灯造成了很大的交通压力，通行效率正在逐渐降低，因此本设计利用STC89C51单片机作为系统的主控模块，通过硬件设计、程序编写和实物制作，并进行系统调试。并在此基础上做了改进，加入按键，即手动模式，实现手动控制功能，通过手动控制与定时控制的结合来改变各个方向的状态。根据系统的控制要求设计十字路口交通信号