单片机课程设计报告 十字路口交通信号灯控制系统设计

单片机原理与接口技术课程设计（报告）单片机原理与接口技术课程设计题目：十字路口交通信号灯控制系统

摘要交通在人们的日常生活中占有重要的地位，随着人们社会活动的日益频繁，这点更是体现的淋漓尽致。交通信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导流量、提高道路交通能力，减少交通事故有明显效果。本系统采用单片机AT89C51为中心器件来设计交通灯控制器，系统实用性强、操作简单、扩展性强。本设计就是采用单片机模拟十字路口交通灯的各种状态显示以及倒计时时间。本设计由系统单片机T/0口扩展系统、交通灯状态显示系统、LED数码显示系统、紧急中断系统、复位电路等几大部分组成。系统除基本的交通灯功能外，还具有倒计时、紧急情况处理等功能，较好的模拟实现了十字路口的可能出现的状况。软件上采用C51编程，主要编写了主程序，LED数码管显示程序，中断程序延时程序等。经过整机调试，实现了对十字路口交通灯的模拟。关键词：交通灯；单片机；C51单片机

目录第1章绪论 第1章绪论1.1项目设计背景及意义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7米，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。后来在信号灯的中心装上煤气灯罩，它的前面有两块红、绿玻璃交替遮挡。不幸的是只面世23天的煤气灯突然爆炸自灭，使一位正在值勤的警察也因此断送了性命。从此，城市的交通信号灯被取缔了。直到1914年，在美国的克利夫兰市才率先恢复了红绿灯，不过，这时已是“电气信号灯”。稍后又在纽约和芝加哥等城市，相继重新出现了交通信号灯。随着各种交通工具的发展和交通指挥的需要，第一盏名副其实的三色灯(红、黄、绿三种标志)于1918年诞生。它是三色圆形四面投影器，被安装在纽约市五号街的一座高塔上，由于它的诞生，使城市交通大为改善。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。1.2研究现状1.2.1城市交通的作用城市是人类从事经济、政治、社会和文化的活动中心，对于社会的发展起到了非常重要的作用。汽车是现代社会的文明产物，它一方面给人们带来了巨大的便利，而另一方面也使人们面临交通拥挤和道路交通安全事故等问题。在我国，伴随改革开放政策的贯彻和实施的同时,国民经济也得到了迅速的发展，道路交通也得到了飞速发展。但是，由于城市化进程加速进行，城市的规模不断得到扩张，城市的经济贸易和城市内的社会活动也越来越频繁，人员流动与社会交往越来越多，使得交通拥挤和道路交通安全事故等问题更加突出。城市交通作为城市的基础设施里重要的一部分，所以如何改善和发展城市交通问题，也越来越得到人们的重视。城市交通是城市的主要基础设施，它支撑着城市活动的进行，是城市的枢纽和命脉，如果没有得到及时的治理，城市居民生活水平的提高和城市经济的发展将会受到严重的影响。因为我国城市的基础设施的发展比城市建设的发展落后，城市及周边地区的经济发展受到了严重的影响。所以，城市交通问题的解决，不但可以使人们的生命财产有保障，而且可以加快经济的发展和社会的进步。城市交通系统在城市大系统中占着很大的比例，是其中非常重要的一个系统。发展城市国民经济和提高人民生活水平都需要它，社会生产与其环环相连，并且维系着千家万户的日常生活。城市交通有其两面性:城市结构、经济状况、生产布局、人口分布等因素虽然制约了它，但它的有效性、安全性、可靠性、经济性同时义影响了城市的经济效益、工作效率、和人民的生活水平。城市交通系统的运行状况的好坏同时也反映了城市发展的高低。因此，先进的科学技术和管理方法应用于交通管理中也保证了道路的安全畅通，是经济发展的需要。交叉路口是交道系统中的非常重要的一部分，是城市道路网的核心所在，它通行能力的高低影响着城市道路的通畅程度。众所周知，而提高交义路口通.行能力的最好办法就是修建立交桥。受到我国道路基础设施现状和各个城市经济水平的不同等因素，立交桥还不能得到广泛应用。所以，人们更多是采用交通控制来更好的管理交叉路口,按照它们现实的交通情况给予它们最适宜的交通控制，尽可能得提高交叉路口的通行能力，这不仅可以提高车辆通过交叉路口的速度，还能减少交通延误并且节约人行的时间，同时能避免该交叉路口发生堵车，影响交叉路口临近路段及更远路段的顺利通行。据有关的资料显示，机动车辆在其减速制动和起动期间所排放的有害物质是其正常行驶时的7倍左右。因此，解决好城市交叉路口通行问题，减少机动车辆在交叉路口附近.停车延误对提高社会的经济效益和环境保护都是具有重大意义的。[3]1.2.2国内外交通发展现状随着现代社会对交通运输的日趋依赖，交通系统的控制越来越受到普遍的重视。近年来，英国、美国等西方国家均在某些城市建立智能交通控制系统。在这些系统中，大部分都在路口附近装有车辆检测器，并由各路口的控制设备或工作人员将交通控制参数通过电话线、电缆、光纤或是无线网络等方式输入到微处理器，用小型计算机控制。尤其是伴随着信息技术的发展，交通控制的概念已从交通管理者的行为改变为交通管理者和道路使用者共同的行为,从而使得交通的最优化向全局最优发展。在这些发展中，除了新设备的应用外，数据的采集、传输、处理、存储与发送等技术的发展也起了关键的作用。新型的监测器，包括用摄像机采集图像信息和进行图像处理技术，为人们提供了大量的时变数据:新的通信技术，包括光纤通信、无线通信等技术，能使人们更快的传送数据。而计算机技术的发展，使交通控制系统的发展又向前进了一大步。这些控制技术与现代控制理论、现代的管理方法相结合，使交通控制系统日趋完善。1.3设计目的随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。目前，有一种“自动控制”控制交通灯的方法。利用事先编制好的程序输入单片机，再利用单片机的定时、查询、中断功能：能够根据十字路口两个方向上车辆动态状况，采用查询的方式，根据具体情况，自动给予时间通行，其中利用中断方式来处理特殊情况。这样既方便驾驶员、路人，同时还可以紧急处理一些紧急实况。

第2章设计方案的比较2.1设计要求模拟基本的交通控制系统，用红绿黄灯表示禁行、通行和等待的信号发生，还能进行倒计时显示。按键可以控制时间增加，时间减少，设置确定，启动复位，黄灯闪烁等功能。共四个二位阴极数码管，东南西北各一个显示时间，四个数码管的阴极都接到AT89C51的P1口。共12个发光二极管，四个路口每个路口各有一个红（禁行）、黄（警告）发光二极管，四个路口的二极管接到P1口，按键接P3口。数码管倒计时读秒。东西和南北方向各有两个数码管，分别显示时间。（3）可以分别设置主干道和支干道的通行时间。按键依次功能：黄灯闪烁、确定调用时间、时间加、时间减、东西和南北可以分别设置通行时间。2.2设计方案对比方案一PLC控制交通灯PLC主要应用于强电方面的工业控制，或者整条流水线的控制。虽然比较稳定，但是功能消耗要大。方案二单片机控制交通灯单片机具有结构简单、编程方便、经济、易于连接等优点。特别是其内部定时器计数器、中断系统资源丰富，可对交通灯进行精确的控制，有应用价值。2.3设计方案在设计中采用12个发光二极管来模拟南北方向和东西方向的红黄绿灯，用4个数码管来显示通行或禁止剩余的时间。交通灯的亮灭规律为:南北路口的绿灯亮，东西路口的红灯亮，南北方向通车，延时30秒后，南北路口绿灯灭，黄灯亮，与此同时，东西路口红灯亮，延时3秒后，东西路口绿灯亮，南北红灯亮，东西方向通车，延时35秒后，东西路口绿灯灭，黄灯亮，与此同时，南北路口红灯亮，延时3秒，重复上述过程。据性能指标要求的介绍，本设计硬件由定时模块、发光二极管模块、数码管显示模块组成。定时模块采用硬件定时和软件定时相结合的方法。发光二极管模块由12个发光二极管来实现。数码管显示模块由实验平台.上的LED显示模块实现。各发光二极管的阳极通过保护电阻接到+5V的电源上,阴极接到输入端上，因此使其点亮使相应使相应输入端为低电平。程序主要是由定时子程序、发光二极管显示子程序、数码管显示子程序和中断服务程序组成。2.4工作原理说明此方案是通过并行接口芯片89c51和计算机的硬件连接,以及通过软延时的方法进行软件编程，来实现十字路口交通灯的模拟控制。主控单片机采用一片AT89C51。根据题目要求，充分利用了单片机灵活控制的优点，发挥其优势功能，采用单片机控制信号灯和数码管的显示，提高了系统的灵活性，设置方便。利用单片机产生的时钟信号控制交通信号灯达到控制路口通行时间的效果。AT89C51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89C51为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能:8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线,看门狗定时器，内置4KBEEPROM,MAX810复位电路，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外AT89C51可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。AT89C51主要功能如表1所示。主要功能特性兼容MCS51指令系统4K可反复擦写FlashROM32个双向I/O口256x8bit内部RAM3个16位可编程定时/计数器中端时钟频率0-24MHz2个串行中断可编程UART串行通道2个外部中断源共6个中断源2个读写中断口线3个加密位低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能表2-1AT89C51主要功能2.5AT89C51中断技术概述中断技术主要用于实时监测与控制，要求单片机能及时地响应中断请求源提出的服务请求，并作出快速响应、及时处理。这是由片内的中断系统米实现的。当中断请求源发出中断请求时，如果中断请求被允许，单片机暂时中止当前正在执行的主程序，转到中断服务处理程序处理中断服务请求。中断服务处理程序处理完中断服务请求后，再回到原来被中止的程序之处(断点)，继续执行被中断的主程序。第3章硬件电路的设计3.1单片机简述单片机是由运算器、控制器、存储器、输入设备以及输出设备共五个基本部分组成的。单片机是把包括运算器、控制器、少量的存储器、最基本的输入输出口电路、串行口电路、中断和定时电路等都集成在一个尺寸有限的芯片上。通常，单片机由单个集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和I/O接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。单片机经过1、2、3、4代的发展，目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展，它们的CPU功能在增强，内部资源在增多，引脚的多功能化，以及低电压、低功耗。单片机体积小、功能全、性价比等诸多优点而独具特色，在工业控制、尖端武器、通信设备、家用电器等嵌入式应用领域中独占鳌头。[7]3.2芯片的选择与介绍此设计主控芯片采用AT89C51

(如图2.3)芯片。AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器(FPEROM-

FlashProgrammableandErasable

Read

Only

Memory)的低电压、高性能CMOS

8位微处理器，俗称单片机。单片机，亦称单片微电脑或单片微型计算机。它是把中央处理器。(CPU)、数据存储器(RAM)、程序存储器(

ROM)、输入/输出端口(I/O)

等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。图3-1AT89C51单片机3.3硬件电路总体设计方案图3-1AT89C51单片机硬件系统包括按键控制部分、中央单片机部分、时钟电路与复位电路部分和交通灯与计时牌显示部分。这几个部分协调工作完成预定任务。硬件电路连接关系如图2-3所示。图3-2硬件电路图3.4硬件模块（1）按键模式Key1：时间增加；Key2：时间减少；Key3：设置确定；Key4：启动复位；Key5：黄灯闪烁；按钮图如图3-3所示。图3-3按钮示意图（2）数码管显示数码管实际上是由7个发光二极管和一个小数点8个组成，分别命名为A、B、C、D、E、F、G、DP。示意图如图3-4所示。图3-4数码管

第4章软件的设计4.1流程图交通信号灯整体流程图如图4-1所示。

4.2交通状态路口交通信号灯的各个状态，通过0、1标志交通信号灯的亮灭。状态1状态2状态3状态4主道A通行等待变换禁止等待变换支道B禁止等待变换通行等待变换A红灯0011A黄灯0100A绿灯1000B红灯1100B黄灯0001B绿灯0010注释：1代表通，0代表断。表4-1交通状态及红绿灯状态4.3总体结构图AT89C51的各个引脚的作用。图4-2总体结构图第五章系统调试5.1程序开始按下按钮KEY4，程序开始运行，数码管倒计时，此时南北绿灯亮，东西红灯亮，倒计时27秒后，南北黄灯闪烁，3秒后南北红灯亮，东西绿灯亮。重复按下按钮KEY4可以复位停止。仿真图如图5-1所示。图5-1正常模式 5.2黄灯闪烁模式按下KEY5开启黄灯闪烁模式，黄灯闪烁提醒来往车辆减速慢性。电路如图5-2所示。图5-2黄灯闪烁模式结论本次单片机课程设计完成了对交通信号灯的基本运行，以及个别模式下的模拟实验。在本次实验程序中运用了中断程序、时钟程序、按键程序，加强了对单片机的掌握。仿真实验很成功，对于各模式下的运行结果很成功，在不同程序的配合中，完成了深夜模式，紧急模式，及个别情况下对于交通灯时间的增减的调试。基于现如今交通的情况，在交通灯中加入左转向灯、右转向灯、人行道灯，是否加入紧急报警装置，配合监控的情况下，如本十字路口是否发生闯红灯等违法事件，又或者出现车祸的等紧急情况下对对周围十字路口的车辆进行紧急情况的提示，又或者对与监控总部提出报警信号，避免出现更大的损失，或者出现大规模的堵车的等不良情况的发生。以上部分是我下一步在本次交通信号灯单片机的课程实验中需要改进的地方。

参考文献姜志海，姜沛勋.单片机的C语言程序设计与应用[M].北京：电子工业出版社，2020.刘立钧，张永达.单片机按键程序研究[J].电子世界，2020(08):87-88.何悠.基于单片机的智能交通灯控制系统实现方案分析[J].数字技术应用,2017(10):18-19.郭玉秀.基于单片机的十字路口交通灯的设计仿真[J].现代制造技术与装备,2018(08):66-68.范羚.单片机课程案例化教学方法研究[J].计算机产品与流通,2020(06):231茅阳.单片机技术在电气传动控制系统中的应用与研究[J].中国高新区,2018（01）:24.张毅刚.单片机原理及应用[M].高等教育出版社,2020.向敏.单片机原理与工程应用[M].电子工业出版社,2021.黄炟.单片机在电子技术中的应用分析[J].科学技术创新,2020(11):167-168.[10]陈君.基于AT89C51单片机的智能交通灯设计[J].电子技术与软件工程,2016(01):260-261.

附录1#include<reg51.h>#include<intrins.h>typedefunsignedcharuchar;typedefunsignedintuint;sbitk1=P1^6; sbitk2=P1^7; sbitk3=P3^1; sbitk4=P3^4; sbitk5=P3^7; sbitreg_nb=P1^3; //南北红灯sbitreg_dx=P1^0; //东西红灯 sbitgreen_nb=P1^5; //南北绿灯sbitgreen_dx=P1^2; //东西绿灯sbityellowled_nb=P1^4; //南北黄灯sbityellowled_dx=P1^1; //东西黄灯ucharcodetable[11]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00};uchardatadig=0xfe; uchardataled=0; uchardatabuf[4];//暂存东西、南北的个位十位signedcharsec_dx=30;//东西数码指示值signedcharsec_nb=30;//南北数码指示值signedcharset_timedx=30; //东西倒计时设置的键值保存signedcharset_timenb=30;//南北倒计时设置的键值保存unsignedchara=0; //执行按键3的标志unsignedcharb=0; //定时器的中断数次unsignedcharc=0; //执行按键4的标志unsignedchard=0; //执行按键5的标志unsignedcharSNEW=0; //控制南北红灯与绿灯时间的切换&&东西红灯与绿灯时间的切换unsignedchartime=0;//东西南北黄灯灯状态循环标志voiddelay(intms){ uintj,k; for(j=0;j<ms;j++) for(k=0;k<124;k++);}voidkey_to1(){ TR0=0; //关定时器 sec_nb++;//南北加1S sec_dx++;//东西加1S if(sec_nb==61) //判断南北的绿灯时间是否超过了60 { sec_nb=0; //南北置0 sec_dx=60;//东西置60 } }voidkey_to2(){ TR0=0;//关定时器 sec_nb--;//南北减1S sec_dx--;//东西减1S if(sec_nb==-1) //判断南北的绿灯时间是否小于0 { sec_nb=60; //南北置60 sec_dx=0; //东西置0 } }voidkey() { //******************************按键k1与按键k2的功能判断**************************// if(a==2)//按键k3已设置为设置模式 { if(k1==0) //按键1（设置南北时间加1） { delay(10); //按键消抖 if(k1!=1) { while(k1!=1);//等待按键释放 key_to1(); //执行南北绿灯的时间加1；东西的减1 } } if(k2==0) //按键2（设置南北时间减1） { delay(10); //按键消抖 if(k2!=1) { while(k2!=1);//等待按键释放 key_to2(); //执行南北绿灯的时间减1；东西的加1 } } } if(k3==0) //按键3的功能（进入设置时间状态） { delay(100);//延时->消抖 if(k3==0)//消抖 { if(a==0) //开始进入设置时间状态标志 { a=1; c=0; d=0; } elseif(a==2) //设置时间完毕标志 { a=3; } if(a==1) //设置进入设置时间模式（使a=2） { a=2; TR0=0; sec_nb=30; //设置时间的初始值为30s sec_dx=30; reg_nb=1; //所以方向关闭红色与黄色信号灯，打开绿色信号灯 reg_dx=1; green_nb=0; green_dx=0; yellowled_nb=1; yellowled_dx=1; } if(a==3) //设置时间完毕 { a=0; reg_nb=0; //所以方向的信号灯都亮 reg_dx=0; green_nb=0; green_dx=0; yellowled_nb=0; yellowled_dx=0; set_timenb=sec_nb; //将设置好的时间保存 set_timedx=sec_dx; } while(k3==0);//等待按键释放 } } if(k4==0) //按键4的功能（红绿灯开始或停止工作） { delay(100); if(k4==0) { if(c==0&&d!=1) //红绿灯开始工作 {a=0; b=0; //定时中断数次清0 c=1; //开始正常工作无限循环 d=0; //关闭夜间状态 time=0;//南北先通行 SNEW=0;//南北先通行 sec_nb=set_timenb; //前从南北方向开始通行，将设置好的南北绿灯时间赋给南北数码管显示 sec_dx=set_timenb; //将南北绿灯时间赋给东西方向的红色等待时间 } elseif(c==1||d==1) //停止红绿灯工作 { TR0=0; a=0;//关闭设置状态 b=0; //定时中断数次清0 c=0; //关闭正常工作循环 d=0; //关闭夜间状态 sec_nb=0; //东西南北方向显示0 sec_dx=0; reg_nb=0; //所有方向的信号灯都亮 reg_dx=0; green_nb=0; green_dx=0; yellowled_nb=0; yellowled_dx=0; } while(k4==0); } } if(k5==0) //按键5的功能（夜间模式） { delay(100);//延时->消抖 if(k5==0)//消抖 { a=0;//关闭设置状态 b=0;//定时中断数次清0 c=0;//关闭正常工作循环 d=1;//启动夜间状态 P0=0;//关掉数码管 TR0=0;//停止定时器工作 reg_nb=1; //关闭红色与绿色信号灯，打开黄色信号灯reg_dx=1; green_nb=1; green_dx=1; yellowled_nb=0; yellowled_dx=0; while(k5==0);//等待按键释放 } }}//**********************************数码管显示*************************************//voiddisplay(){//sec_dx与sec_nb的值在定时中断函数中每一秒自动减一 buf[0]=sec_dx/10;//第1位东西秒十位 buf[1]=sec_dx%10;//第2位东西秒个位 buf[2]=sec_nb/10;//第3位南北秒十位 buf[3]=sec_nb%10;//第4位南北秒个位 P2=dig;//数码管位选 P0=table[buf[led]];//数码管段选 dig=_crol_(dig,1);//此函数在头文件intrins.h中,循环带进位位左移函数（dig是要左移的数值，1表示左移1位） led++; if(led==4)//若显示完南北的十位 { led=0;//第4位南北秒个位 dig=0xfe;//选中东西十位进行显示 }}voidmain(){ TMOD=0x01; //定时中断定义 TH0=0x3C; TL0=0xB0; EA=1; //打开中断开关 ET0=1; TR0=0; EX0=1; EX1=1; k1=1; //所以按键附初值 k2=1; k3=1; k4=1; k5=1; while(1) { reg_nb=0; //所以方向的信号灯都亮 reg_dx=0; green_nb=0; green_dx=0; yellowled_nb=0; yellowled_dx=0; while(1) //进入无限循环 { key();//调用按键扫描程序 display();//调用显示程序 if(c==1)//执行按键4的标志,正常模式 { c=1; TMOD=0x01; //设置定时器 TH0=0x3C; TR0=1; //打开定时器 P1=0xde;//南北通行 while(c) { key();//调用按键扫描程序 display();//调用显示程序 } } while(d) //进入夜间状态 { P0=0; //关闭数码管的显示 yellowled_nb=0; //实现黄色信号灯的闪烁 yellowled_dx=0; delay(100); yellowled_nb=1; yellowled_dx=1; delay(100); key(); //调用按键扫描程序 } } } }//**************************定时中断子程序************************************//voidt0()interrupt1using1{ b++; if(b==10) //定时器中断次数。 { b=0; sec_dx--;//东西显示时间减一 sec_nb--;//南北显示时间减一 //南北黄灯闪烁判断 if(sec_nb==3&&time==0)