【《基于51单片机的交通灯控制系统设计》6500字（论文）】

基于51单片机的交通灯控制系统设计目录TOC\o"1-3"\h\u22250摘要 218211引言 279511.设计的背景及意义 3254561.1交通灯的背景 382041.1.1交通灯的历史 3170041.1.2交通灯的出现 3128971.2交通灯的意义 3323102.系统方案设计与要求 494142.1系统通行方案设计 4151922.2单片机的构成和原理 580762.3功能要求 6264022.3.1显示模块功能 6122852.3.2按键模块功能 6169033.系统硬件电路的设计 791583.1系统硬件总电路构成 7240343.2单片机系统 7237313.3显示系统 8141453.4信号显示驱动电路 9182433.5键盘输入电路 926034.系统软件程序的设计 10130194.1程序主体设计流程 10179204.2子程序模块设计 111684.3KEIL51的应用 12249244.4protel99se的应用 1216435.实物仿真结果 1356786.总结 1411458参考文献 15摘要:科技在不断发展和进步，单片机的应用也变得更加深入人心，传统控制检测技术也发生了翻天覆地的变化。单片机作为一个核心部件搭配上应有的硬件结构，实现我们想要的功能。在如今遍地是车的时代，交通信号灯的智能使用就显得非常必要了，本文就是交通灯的设计，设计采用共阴极数码管显示，通过按键设置定时。关键词：单片机；交通灯；显示；计时TrafficLightControlSystemBasedon51SingleChipmicrocomputerAbstract:Science

and

technology

are

developing

and

progressing,

the

application

of

single-chip

microcomputer

has

become

more

enjoy

popular

support,

and

the

traditional

control

and

detection

technology

has

also

changed

in

world-shaking.

Single-chip

microcomputer

as

a

core

component

with

the

hardware

structure,

we

want

to

achieve

the

function.

In

today's

era

of

cars

everywhere,

the

intelligent

use

of

traffic

lights

is

very

necessary,

this

paper

is

the

design

of

traffic

lights,

the

design

of

the

common

cathode

digital

tube

display,setting

the

timing

by

pressing

the

key

.

This

design

has

simple

operation,

good

practicability

and

many

extended

functions.KeyWords:Singlechip;Trafficlight;Display;Time-up引言交通灯早已出现我们生活中，小学生都熟记的‘红灯停绿灯行’也是交通规则之一，随着老百姓不断鼓起的钱包，众多城市的汽车拥有量倍增，这给交通也带来了不可磨灭的负面影响。如今堵车带来的各种交通事故频频不断，智能交通灯就显得尤为重要，它能极大地缓解交通压力，更好的解决交通拥堵的问题，本文将重点介绍基于51单片机的智能交通灯控制系统，具有许多优点，如原理简单，实用性良好，性价比高等等。1.设计的背景及意义1.1交通灯的背景1.1.1交通灯的历史信号灯最早出现在19世纪中期，当时伦敦街头出现了手势信号灯，用来方便彼时的马车通行。后来美国人设计了黄红绿交通灯，在20世纪70年代之后，随着电子技术的不断进步，各种各样的电子产品络绎不绝，同时单片机的发展也如雨后春笋一般，由于其特殊结构形式，它的应用领域甚至可以取代并超过微型计算机的工作，成为一种高配低价的处理器。它的众多优点带给人们许多惊喜，使得其成为人们的不二抉择，也成为本文设计的核心。1.1.2交通灯的出现汽车的出现和在发达国家美国的逐渐普及，促进了1918年第一个真正意义上的三色灯（红绿黄三种标志）的诞生。二次工革后，纽约街头汽车也开始频繁起来，路上的信号灯也是屡见不鲜。而黄色信号灯却是我们中国人发明的，他是胡汝鼎，工作于美国通用电器公司，该公司的董事长正是闻名世界的大发明家爱迪生。胡汝鼎在一次下班途中，在十字路口等待绿灯，正逢可以通过时突然被一辆汽车擦身而过，吓得他一身冷汗，回到宿舍他就觉得这个安全隐患要想办法解决掉，于是就想到在红绿信号灯之间添加黄色信号灯作为一个过渡来警示人们，然后就一直沿用至今了。1.2交通灯的意义如今大多数城市的路口基本都设有交通灯，但是大多数城市交通灯仍为传统类型，也就是固定时间倒计时，这种只会让行人和车辆懂得遵守交通规则，但是并没有抑制交通事故的逐渐减少，甚至随着经济的快速发展，交通状况更加变得每况愈下，所以信号灯必须要朝着更加数字化和多元化发展，更便宜，更高效，更便捷的方向发展，但是拥有庞大人口的中国尤其是车多人密集的市区，杜绝大型交通惨案的发生和减少小型交通事故是迫在眉睫的，也是我们相关部门要解决的非常有意义的现实问题。交通灯要更加便捷地服务我们，更加让我们的生活有意义。2.系统方案设计与要求2.1系统通行方案设计如图所示，黑圈代表所亮的灯，白圈代表此时灭的灯。假设先为南北向通行，此时南北向绿灯亮，东西向红灯亮。固定时间过后，南北向转为黄灯亮，东西向仍为红灯亮，南北向黄灯在短暂时间后变为红灯亮，这时东西向才变为绿灯亮，随后东西向重复之前的步骤，这样一轮通行就完成了[1]。用下图表格解释状态变化即为：先从状态1到状态6再回到状态1，如此循环下去，系统通行方案设计就完成了。图2-1交通状态先是南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，持续20秒的时间。东西向禁行，南北向通行。然后南北方向转为黄灯亮，东西方向则不变，持续5秒的时间。注意在这个时候在南北向过线车辆继续通行，未过线车辆减速至停车。接着南北向变为红灯亮，东西向则变为绿灯亮，持续30秒的时间。东西向通行，南北向禁行。最后东西向转为黄灯亮，南北向则不变，持续5秒的时间。同样注意此时黄灯方向车辆，过线的继续前行，未过线的减速至停车。下表表示交通灯状态：表2-1交通状态及红绿灯状态提高通车的质量、效率是我们要解决的问题。当遇到上下班车辆高峰期时，能灵活的利用方程式控制按钮来改变路口两道通行时间。表中0表示灭，1表示亮。2.2单片机的构成和原理现代城市十字路口车辆拥挤，人群密集，怎样才能维持交通的井井有条呢？交通信号灯的自动指挥系统就显得十分重要了。交通信号灯其控制方式很多。实现该设计，需要多部分共同完成系统，51单片机是核心，驱动电路、按键及数码显示等也必不可少[2]。设计采用共阴极数码管显示，而且通过按键可以控制并降低交通拥挤的情况。在消防车或救护车要通过路口时，四向都亮红灯，通过后恢复原来状态[3]。单片机可直接控制信号灯的状态变化[4]。接入LED数码管能让行人和车辆直观看到时间。单片机能具体处理这些，并保证及时控制和调整。如下图2-2所示：键盘设置模块是对通行时间的控制，它的作用是控制交通灯控制显示，并将时间反应到数码管上显示来实现交通运行[5]。在这之中，还要求能迅速捕捉紧急情况和违规情况信号，实现对异常状态的准时控制。特殊情况下可随时调用中断。图2-2系统的总体框图2.3功能要求本设计通过“红灯停绿灯行黄等待”的九字口诀来控制通行，而且能进行时间显示。按键的作用非常大，它能控制两道红绿灯时间长短，通行和禁行，夜间模式，以及复位和切换的功能。阴极数码管有两位，分布在东南西北四向来显示时间，它的阴极接到51单片机的P1口，阳极接到对应芯片上，通过P0口控制芯片，起到驱动放大作用[6]。发光二极管分布在四个路口每侧3个，分别为红绿黄，P2口接二极管，P3口接按键。2.3.1显示模块功能数码显示和LED显示共同组成显示模块。数码管时间显示可以提示行人和车辆在灯变换间做出自己理智的选择。因为我们都比较喜欢这样，每个人在工作学习中都构成了一种时间观念，时间显示则更能警醒每个人，达到理想的效果。对于驾驶员来说，这无疑是对关键时刻把握时间变化并做出合理选择的良好办法。运用两种显示结合，让本设计更具有合理性。2.3.2按键模块功能按键控制不同的运行状态。在禁行状态时，数码管都会显示00，对应就是红灯全亮[7]；复位按键可以将整个系统复位；东西通行为东西绿、南北红；反之南北通行为南北绿、东西红；时间的加减直接能决定通行的时间从而能进行有效地控制；切换按键则可以起到切换的作用。3.系统硬件电路的设计3.1系统硬件总电路构成首先是最小控制系统[8]。信号灯指示模块比较简单，就是每组三个共四组的发光二极管。四向每向2个LED，组成时间显示模块。其他还有许多按键，如时间设置，模式选择按钮还有紧急按钮。其次是闭环控制系统[9]。系统硬件电路有许多部分，如单片机、交通灯、数码显示以及驱动电路和按键等。其硬件电路如下图所示。P0，P1对应数码管的型和位；P2用于控制发光二极管；XTAL1和XTAL2接入晶振时钟电路；REST引脚接复位电路；P3口用于按键控制。3.2单片机系统先说一下单片机发展阶段：第一阶段（1976—1978）：探索阶段。典型代表为MCS-48。其推出是在工控领域背景下的探索。并且都取得了不错的效果。这称得上是诞生年代，“单片机”的说法也应运而生。第二阶段（1978—1982）：完善阶段。在原基础上推出了MCS-51。它为通用总线型单片机体系结构打下了基础。第三阶段（1982—1990）：向微控制器发展的阶段。推出的MCS-96系列单片机，许多有技术的东西融入其中，如模数转换器等。单片机的微控制器特征由此展现出来了。第四阶段：1990后至今。微控制器的全面发展阶段。单片机的应用范围和发展都大大提高，逐渐分出了通用型和专用型单片机。通用型单片机具有强运算能力和高速等特点；专用型单片机更具性价比。单片机是微型计算机。它主要是在芯片上集成诸多功能原件[10]。单片机的非常多的优势使得其广泛应用于工业领域和现代电子技术，智能仪表是应用最频繁的领域之一。现如今在控制领域中人们觉得单片机仿佛成了不二之选，因为它体积小、低成本、大用处。单片机在应用中使仪器仪表更加智能化、高级自动化、完美精度化；使计算机运算速度更快；简化仪器仪表的硬件结构，极具性价比。3.3显示系统显示系统重点介绍发光二极管。它有光效强、功耗低等优点。20世纪70年代我国开始布局此产业，40多年过去了，我国成为了其第一大生产国。慢慢地，随着不断深入地研究半导体发光材料，尤其是超高亮度白光LED的出现，它的应用领域又覆盖了一大领域。利用发光二极管来显示我们想要的颜色效果，也就是本文的交通灯。图3-2LED灯数码管是半导体发光器件。其基本单元是发光二极管。它分为共阳极和共阴极数码管[11]。共阳数码管，顾名思义，是指将所有发光二极管的阳极接到一起，公共极接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮，反之为高电平时，相应字段就不亮[12]。同样共阴数码管相反，公共极接到地线，阳极为高电平时点亮，低电平不亮。因其便宜的价格和便捷的使用，使在家电领域应用特别广泛。3.4信号显示驱动电路74HC245译码器地址输入为A0、A1和A2。输出为Y0至Y7。使能输入端的话有3个：低有效E1、E2和高有效E3。除非E1和E2置低且E3置高，否则74HC138将保持所有输出为高。假如输入数据是低有效使能输入端，其他的为选通端，那么这个译码器也能变成8输出多路分配器。它能提高译码系统的效率[13]。高速存贮器习惯采用快速赋能电路，存贮器的赋能时间和译码器的延迟时间都比其存取时间小，这也是我们通常所说的往往系统延迟可以忽略。通常两个低有效和一个高有效组成的输入，可以减少外接门或倒相器的使用，因此24线译码器不需要外接门；32线译码器的话，就接一个外接倒相器。在解调器应用中,数据输入端可以是赋能输入端。图3-374HC245电路图图中1接VCC，19接地。3.5键盘输入电路单片机键盘分为独立式和矩阵式键盘。二者有区别的。前者其接法程序非常简单，使系统更加稳定；后者接法程序比较复杂，但占用I/O口少。所以我更喜欢采用前者，更适合于我的设计。那么前者的实现方法是什么呢？可以利用I/O口电平高低来判断。将按键的一端接地，另一端接I/O口。一开始将I/O口置于高电平，正常情况下时I/O口保护高电平。当有键按下时，I/O口与地短路，I/O口就变成低电平[14]。等松开后，它又变为高电平。所以我们只需要根据I/O口的电平状态就可以判断我们有没有按键动作了。键盘的去抖动是一个十分重要的过程。它是在键盘还没有触及临界区而产生电平不稳定的现象。这种抖动往往在10~200ms之间，对单片机而言来说这时间比较漫长了。电路中需要处理的抖动部分，就是硬件的去抖动。而软件去抖动有所不同，它是避抖动部分的时间，然后在对抖动部分进行处理。显而易见，我们需要选后者。办法就是先查寻按键，在有低电平出现时立即延时大概20ms来避开抖动，之后再读一次I/O口的值。如果值为1，说明低电平的时间低于20ms，这时为干扰信号。如果值是0，那么表明有按键按下，继续相应的处理程序。硬件电路如下图所示：图3-4键盘控制电路图4.系统软件程序的设计4.1程序主体设计流程控制程序可分为键盘设置处理程序、状态灯控制程序、LED显示程序、消抖动延时程序、次状态判断及处理程序、紧停或违规判断程序、中断服务子程序、车流量计数程序和红绿灯时间调整程序等[15]。本设计程序有按键处理和50ms扫描程序。流程图如下图所示。图4-1系统总的流程图4.2子程序模块设计按键模块的设置用中断。将常开按键的一端接地，另一端接一个I/O口。程序开始时将此I/O口置于高电平，正常情况下I/O口维持高电平。按下按键的时候，I/O口变为低电平。按键松开后，I/O又变回高电平。因此我们很容易可以判断。图4-2中断子程序重点就是定时中断子程序。当定时器启动时，它便加1计数。一开始假设我们没有设置TH0和TL0，一般默认值都是0。假设我们根据时钟频率和周期数得到机器周期为1us，记满TH0和TL0就需要216-1个数。再多一个的话就会溢出了，那么就会向CPU申请中断。我们可以得到溢出一次共需65536us，换算一下大致就是65.6ms。如果我们要定时60ms的话，先给TH0和TL0个初值，在此基础上记60000个数后，定时器溢出，此时刚好就是60ms中断一次。当需要定时1.8s时，产生30次定时器中断后便认为是1.8s。上述就能准确控制定时时间，也就能完成数据刷新和状态切换。中断子程序包括这两项。中断程序的流程图如下图所示。图4-3定时中断流程图4.3KEIL51的应用本设计中软件部分的设计采用KEIL，它被用作51程序开发工具。KEILC51的功能非常的多。他可以建工程；编译程序；软硬件的仿真；生成目标代码等。KEILC51编译器具有极好的准确性和非常高的效率。

同样地，KEILC51也是采用工程的方法，从而管理文件。在一个工程文件中，它能统一管理程序和头文件。

安装运行KEIL51，开发项目的过程大致所有软件都差不多，一般分为以下部分：创建C语言或汇编语言的源程序。编译或汇编源文件。纠正源文件中的错误。从编译器和汇编器连接目标文件。测试连接的应用程序。4.4protel99se的应用它可以用于元件封装库编辑器，负责元件封装；也可以作为各种报表的生成器。可编程逻辑器件设计模块。它包括文本编辑器和PLD模块。其用途是编译和仿真设计结果。电路仿真(Simulate)模块。它是信号电路仿真器，能提供连续模拟信号和离散数字信号仿真。PROTEL软件诞生于澳大利亚一公司，它总是从事印刷电路板设计的第一软件。上世纪90年的时候，它由DOS平台发展到WINDOS平台，成为全球首家在今所用平台的EDA软件。PROTEL99SE是由PROTEL99升级而来的。同样它也是基于WINDOS环境下的EDA软件。PROTEL99SE主要的功能模块电路原理图设计模块。他包括原理图编辑器，显而易见，用来设计原理图；还包括元件库编辑器和生成器，一个用来修改或生成原件符号，另一个则是用于各种报表。印刷电路板设计模块。它分为PCB编辑器和Route模块。前者用于设计电路板；后者用于PCB的自动布线。实物仿真结果实物仿真结果如图所示：正常情况下的红绿灯实物图：图5-1正常情况下的交通灯当黄灯的时候：图5-2黄灯的时候南北向绿灯，倒计时30秒；东西向红灯，倒计时35秒。很显然此时南北向车流量较多，所以通过加大东西向倒计时时间来缓解南北向车辆拥堵的情况。图5-3智能调控图总结经过本次毕设，我收益颇丰。总的来说，有以下几点：（1）学以致用。运用学过的知识融入到本次设计中。并且在过程中也遇到一些小难题，认识到理论知识的必要性，知识越多越熟练，设计也就更全面、更顺利。（2）深入了解了单片机。单片机的基本原理是什么；内部结构有哪些；各引脚有什么功能；定时器和中断的应用是怎样等等，有了自己的理解，这也促使我对单片机有更多兴趣，更有欲望想深入学习它。（3）锻炼了设计一个项目的能力。经历几个月的时间，我完成了硬件设计、软件编程，并最终完成调试。它锻炼了我独立自主的能力，磨练了我的急性，让我更加沉稳踏实。这也为将来步入工作或研究生学习打下基础和积累了经验。参考文献[1]牛亚莉.基于单片机的