赵亮_基于stc89c52的交通信号灯设计

长春工业大学
毕业设计、毕业论文
题目基于STC89C52的交通
信号灯设计
学院电气与电子工程学院
专业班级生物医学工程 110314班
指导老师林晓梅
姓名赵亮
2015年6月1日
摘要
随着电子技术的蓬勃发展，智能交通信号灯系统的控制已然成为新时代的一个重点研究课题。

自从上世纪70年代单片机的发明，至目前各种类型的微处理器的广泛应用，四十多年来嵌入式技术被不断地丰富完善，与此同时，微控制芯片的功能也变得愈发地强大。

本设计采用STC89C52为中心器件，它拥有如下优点：操作简单，价格低廉，低功耗。

从古至今，交通一直在人类的生产和日常生活中扮演着至关重要的角色，随着人们社会精神文明的进步，交通信号灯的重要性更是体现得酣畅淋漓。

交通信号灯可以有效地管理交通，它能够合理地疏导拥堵的道路，大大地改善车辆的通行能力，并且减少交通事故的发生。

本论文旨在解决交通拥堵的问题，它通过使用四个路口的32盏交通灯（车道红绿灯12盏，人行横道16盏，右转常亮绿灯4盏）和倒计时功能较好地模拟了十字路口的交通情况。

关键词：嵌入式 STC89C52 交通信号灯
Traffic Lights System based on STC89C52
Abstract
With the rapid development of electronic technology,the control of intelligent traffic light system has become a significant research topic in the new era.Since the appearance of micro-controller in 1970s,until today the large-scale application of a variety of microprocessors,embedded technology has been continuously enriched and improved for more than 40 years,at the same time,the function of micro-control chip has also become stronger and stronger.This design regards STC89C52 as centric device,the system has advantages of simple operation,low cost and low power consumption.
From ancient times to the present,traffic has always played an undispensable role in human’s production and daily life,with the progress of social spiritual civilization,the vital importance of traffic lights is reflected most fully and vividly.The traffic lights make the transportation managed more effectively.It has an obvious effect on easing traffic flow,improving the road capacity and reducing traffic accidents.This paper aims at solving the problem of traffic congestion.It simulates the traffic situation at the crossroads very well by using 32 traffic lights in four ways(12 in the lane,16 in the crosswalk and 4 in the right-turning direction) and countdown function.
keywords: Embedded system STC89C52 traffic lights
目录
摘要 (I)
Abstract (II)
第一章绪论 (1)
1.1 课题研究的背景 (1)
1.1.1 单片机的应用与发展 (1)
1.1.2 LED技术的应用 (2)
1.2 课题研究的目的及意义 (3)
1.3 国内外现状 (5)
1.4 本文研究的主要内容 (7)
1.5 本章小结 (7)
第二章总体设计方案 (8)
2.1 设计思路 (8)
2.2 总体设计框图 (9)
2.3 本章小结 (10)
第三章系统硬件设计 (11)
3.1 STC89C52芯片介绍 (11)
3.2 Altium Designer的介绍 (12)
3.3 STC89C52最小系统的设计 (12)
3.4 系统电源电路设计 (13)
3.5 时钟电路设计 (14)
3.6 复位电路设计 (15)
3.7 LED循环显示设计 (16)
3.8 数码管倒计时设计 (18)
3.9 本章小结 (21)
第四章系统软件设计 (22)
4.1 Keil C51 µVision4的介绍 (22)
4.2 软件流程图 (24)
4.3 程序设计 (25)
4.4 本章小结 (25)
第五章仿真结果及分析 (26)
5.1 Proteus的介绍 (26)
5.2 仿真结果 (29)
第六章实物的制作 (31)
第七章总结与展望 (32)
7.1 总结 (32)
7.2 展望 (32)
致谢 (34)
参考文献 (35)
附录A (36)
附录B (37)
附录C (63)
附录D (64)
第一章绪论
1.1 课题研究的背景
1.1.1单片机的应用与发展
单片机自1976年由Intel公司推出MCS-48开始，迄今已有三十多年了，由于单片机集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗地、使用方便、价格低廉等一系列优点，目前已经渗入到人们工作和生活的方方面面。

单片机的应用领域已从面向工业控制、通讯、交通、智能仪表等迅速发展到家用消费产品、办公自动化、汽车电子、PC机外围以及网络通讯等广大领域。

单片机有两种基本结构形式:一种是在通用微型计算机中广泛采用的，将程序存储器和数据存储器合用一个存储器空间的结构，称为普林斯顿结构。

另一种是将程序存储器和数据存储器截然分开，分别寻址的结构，一般需要较大的程序存储器，目前的单片机以采用程序存储器和数据存储器截然分开的结构为多。

[1] 20世纪80年代中期以后，Intel公司以专利转让的形式把8051内核技术转让给许多半导体芯片生产厂家，如ATMEL、PHILIPS、ANALOG、DEVICES、DALLAS等。

这些厂家生产的芯片是MCS-51系列的兼容产品，准确地说是与MCS-51指令系统兼容的单片机。

这些兼容机与8051的系统结构（主要是指令系统）相同，采用CMOS工艺，因而，常用80C51系列来称呼所有具有8051指令系统的单片机，它们对8051单片机一般都作了一些扩充，更有特点。

其功能和市场竞争力更强，不该把它们直接称呼为MCS-51系列单片机，因为MCS 只是Intel公司专用的单片机系列型号。

MCS-51系列及80C51单片机有多种品种。

它们的引脚及指令系统相互兼容，主要在内部结构上有些区别。

目前使用的MCS-51系列单片机及其兼容产品通常分成以下几类：基本型、增强型、低功耗型、专用型、超8位型、片内闪烁存储器型。

目前单片机应用于各个领域，其应用于仪器仪表中显得更为优越。

以单片机制成的电子时钟具有计时准确，功耗低的优点。

从而得到了各界领域的广泛应用。

单片机正处在微控制器的全面发展阶段，各公司的产品在尽量兼容的同时，向高速，强运算能力，寻址范围大以及小型廉价方面发展。

单片机的发展推动了应用系统的发展，应用系统的发展又反过来对单片机提出了更高要求，从而促进单片机的发展。

单片机正向着功能更强，速度更快，功耗更低，辐射更小的方向发展。

随着集成度的不断提高，把众多的外围功能器件集成在片内已经具备了充分的条
件。

这也是单片机以后发展的重要趋势。

除了一般必须具有的ROM、RAM、定时器/计数器、中断系统外，随着单片机档次的提高，以适应检测、控制功能更高的要求，片内集成的器件通常还有电源监控与复位电路、WDT、A/D转换器、DMA控制器、中断控制器、锁相器、频率合成器、字符发生器、声音发生器、CRT控制器、译码驱动器等。

从单片机近年的发展趋势来看，单片机正朝着多层次用户、多品种、多规格、高性能方向发展，现在许多公司根据市场的要求不失时机的研制并推出各种优秀的单片机。

在实时控制系统、军工产品和一些高级家用电器等领域，需要高性能单片机，以满足其功能、速度、可靠性方面的特殊要求。

这些单片机的高性能主要体现在CPU功能加强，内部资源增加，寻址范围增大。

而简单的家用电器、智能玩具、仪表仪器、智能IC卡等对单片机功能要求不高。

那些小型、低耗能、廉价的单片机就具有明显的优势和市场需求，它们也将是未来市场的重要角色，有着广阔的应用前景。

1.1.2LED技术的应用
道路交通信号灯（以下简称信号灯）的光源几经变迁，从最初易发生爆炸的煤气灯发展到稳定、安全的白炽灯、卤钨灯，如今发光二极管（LED）得到了广泛应用。

白炽灯和卤钨灯光源信号灯的特点是发光稳定、均匀，但是存在能耗高、寿命低、易产生幻像信号显示、色片易褪色等缺陷。

而高亮度、低能耗LED在信号灯上的应用，给信号灯产品带来革命性的变化。

LED之所以能够在信号灯中得到广泛应用，是因为LED具有如下优点：
1、单色光，具有发散角。

LED发出的光是单色光，因而不需要用色片来产生红、黄、绿的信号颜色；LED发出的光具有方向性，并有一定的发散角，由此可以屏弃传统信号灯中使用的非球面反光镜。

LED的这个特点解决了传统信号灯存在的幻像（俗称假显示）和色片褪色问题，提高了光效。

2、冷光源，能耗低。

LED是一种冷光源，其显著的特点之一就是能耗低，这对灯具的应用而言是很有意义的。

LED光源的信号灯单个发光单元的视在功率一般在12W~25W之间，白炽灯泡光源的信号灯单个发光单元的功率一般在80W~100W之间，低压卤钨灯泡光源的信号灯单个发光单元的视在功率一般在40W~60W之间。

由此可见LED光源在节能方面的优势是非常明显的。

3、可靠性好，寿命长。

信号灯的工作环境相对比较恶劣，严寒酷暑、日晒雨淋，因而对灯具的可靠性要求较高。

一般信号灯用白炽灯泡的平均寿命是1000h，低压卤钨灯泡的平均
寿命是2 000h，由此而产生的维护费用很高。

目前，我国LED信号灯使用时间最长的已超过5年，LED未有损坏。

单管LED的理论寿命为100000h，由此推断LED信号灯的实际使用寿命大于50000h。

4、存在的一些问题。

国家标准GB14887－2003《道路交通信号灯》实施以来，在产品的应用和测试中发现，LED信号灯存在如下问题：
（1）大多数LED生产企业缺乏降低或消除幻像信号的技术手段。

（2）许多小企业没有光学设计能力，LED信号灯的光强发布不均匀。

（3） LED驱动电路设计粗糙，功率因数偏低。

（4）常年使用后，LED输出光强急剧下降。

（5）部分企业使用低档的LED，使得信号灯的品质下降。

（6）长时间使用后，信号灯的塑料壳体和塑料透光面老化，使得信号模糊、外壳防护等级下降。

这几年LED的技术发展非常快，为LED信号灯技术的提高提供了很好的基础。

以目前的状况看，LED信号灯的发展有以下几方面的趋势：
1、大功率LED的应用，优点是大幅减少LED的数量，需要解决的问题是散热和成本。

2、LED信号灯的光强指标、电学指标和电磁兼容要求将逐步提高，LED信号灯的光学设计、电路设计将进一步优化，并成为信号灯设计的主流。

3、随着节能、环保要求的提高，LED与太阳能结合的信号灯将普及，但需解决与交通信号控制机的配合问题。

1.2 课题研究的目的及意义
随着科学技术发展的日新月异、不断发展，自动化、智能化、功能多样化越来越成为电气控制的主流。

尤其是计算机技术的迅猛发展，单片机系统逐渐应用在更加广泛的领域，交通信号灯控制系统就是在单片机的基础上开发出来的。

我国经济的快速发展，车辆的增多，交通拥挤问题日益严重。

在不断拓宽交通道路以及修建新的交通要道的同时，交通信号灯的用途变得更加明显。

我们也应当适当地改善信号灯的功能，使其日益完善，满足现在交通的要求。

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。

交通信号灯的种类有：机动车道信号灯、人行横道信号灯、非机动车道信号灯、方向指示信号灯、移动式交通信号灯、太阳能闪光警告信号灯、收费站天棚信号灯。

城市路口交通信号控制系统大体上分为三种类型：定周期的信号机、多时段且具有无电缆协调功能的微电脑型信号机以及联网式自适应多相位智能型信号机。

道路交通信号灯（以下简称信号灯）的光源几经变迁，从最初易发生爆炸的煤气灯发展到稳定、安全的白炽灯、卤钨灯，如今发光二极管（LED）得到了广泛应用。

白炽灯和卤钨灯光源信号灯的特点是发光稳定、均匀，但是存在能耗高、寿命低、易产生幻像信号显示、色片易褪色等缺陷。

而高亮度、低能耗LED在信号灯上的应用，给信号灯产品带来革命性的变化。

随着道路交通信号灯在我国应用了几十年，作为重要的道路交通安全产品，道路交通信号灯为保障道路交通安全畅通、有序发挥了重要作用。

近年来，新材料、新技术在道路交通领域不断得到应用，发光二极管（LED）在道路交通领域的广泛应用更是有目共睹。

LED主要应用在道路交通信号灯、交通诱导信息显示屏、可变交通标志、倒计时显示器和各种警告、警示灯具等交通安全产品上。

1999年我国部分城市开始试用LED光源的道路交通信号灯，目前，国内许多大、中城市已大规模应用LED光源的道路交通信号灯。

在当今先进的世界，交通以及旅客和物质的运输是非常重要的。

在过去的十年里，随着车辆和远距离往返上下班人数的增加，以及道路连通性的限制，在交通智能管理这一领域已经强制性低地实施新技术了。

尽管人们采取了很多办法来处理交通拥堵问题，它仍然成为许多大城市的最基本问题之一。

由于车辆的不断增多，以及城市地区运输需求的不断扩大，交通对于所有的城市来说都是一个大麻烦。

重交通有许多棘手的副作用，例如旅途时间的增加，运送货物的延迟。

这导致他们成本的增加，还带来了大量的燃料消耗和空气污染。

创造更多的道路和通道的目的并不仅仅是为了较少车流量，因此，大多数国家目前都把精力放在现有道路的优化使用上面。

交通信号灯，自从它被发明的那天起，就成为人们生活中必不可少的一种工具，尤其是现在这个讲究效率的年代，交通信号灯更是在人类交通、生活、生产、工作等多个领域得到广泛的应用。

然而随着时间的推移，人们不仅对交通信号灯精度的要求越来越高，而且对交通信号灯功能的要求也越来越多，交通信号灯已不仅仅是一种用来指挥交通的工具，在很多实际应用中它还要能够实现更多其它的功能。

怎样让交通信号灯更好的为我们服务？怎样让交通信号灯更符合实际应用的需求？这就要求人们不断设计出新型交通信号灯，不断设计出适合实际应用的多功能交通信号灯。

本毕业设计方案正是根据以上所述并结合日常生活中对交通信号灯功能需求的分析，运用单片机技术，结合LED显示和数码管倒计时的相关原理，实现对交通信号灯控制系统的模拟。

其研究的意义在于：
1、为设计小型的单片机十字路口交通信号灯提供了有用的参考，为进一步的研究提供了有效的途径。

2、拓展了单片机的应用范围，为单片机的应用提供了新的思路。

3、对于研究单片机十字路口交通信号灯及扩大其应用，有着非常现实的意义。

4、通过本次毕业设计，能更进一步熟悉单片机编程和控制电路的设计原理，对提高大学生的科研能力、实践动手能力及丰富大学生课外生活具有重要意义。

1.3国内外现状
随着现代社会活动的日益丰富，交通信号灯系统的控制愈发地成为人们热切关注的话题。

近年来，许多西方欧洲国家都在城乡中建设了合理优越的红绿灯控制系统。

大部分的十字路口都装有车辆检测器，并通过控制设备将交通控制参数传输到微处理器，实现对交通系统的控制。

交通灯在人类道路交通发展过程中扮演着非常重要的角色，而我国是一个人口超级大国，汽车工业的发展正在快速增长的阶段，因此限制车辆的增加不是解决问题的好方法。

而采取增加供给，即大量修筑道路基础设施的方法，在资源、环境矛盾越来越突出的今天，面对越来越拥挤的交通，有限的源和财力以及环境的压力，也将受到限制。

这就需要依靠除限制需求和提供道路设施之外的其他方法来满足日益增长的交通需求。

随着经济的发展，城市现代化程度不断提高，交通需求和交通量迅速增长，城市交通网络中交通拥挤日益严重，道路运输所带来的交通拥堵、交通事故和环境污染等负面效应也日益突出，逐步成为经济和社会发展中的全球性共同问题。

交通问题已经日益成为世界性的难题，城市交通事故、交通阻塞和交通污染问题愈加突出。

为了解决车和路的矛盾，常用的有两种方法：一是控制需求，最直接的办法就是限制车辆的增加；二是增加供给，也就是修路。

但是这两个办法都有其局限性。

智能交通灯系统正是解决这一矛盾的途径之一。

智能交通灯系统是将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、电子控制技术及计算机处理技术等有效的集成运用于整个地面交通灯管理系统而建立的一种在大范围内、全方位
发挥作用的实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。

对城市交通流进行智能控制，可以使道路畅通，提高交通效率。

合理进行交通灯控制可以对交通流进行有效的引导和调度，使交通保持在一个平稳的运行状态，从而避免或缓和交通拥挤状况，大大提高交通运输的运行效率，还可以减少交通事故，增加交通安全，降低污染程度，节省能源消耗，本文就是通过对交叉路口交通灯的智能控制，达到优化路口交通流的目的。

由于交通领域是一个典型的交叉学科。

所以其他各相关领域的研究成果都可能会给交通研究带来突飞猛进的发展。

举例来说，交通预测领域中各国科学家尝试运用最新的科研手段与交通领域，比如遗传算法、支持向量机模型等等最新的数学、统计学、计算机科学成果。

在交通控制领域中，感应控制、模糊控制、以自适应控制方法是最新的研究方向。

在交通控制系统这个范畴内，国外发达国家几乎都有自己的关于交通控制系统的研究，其中不乏很多享誉世界的产品。

比如TRANSYT系统，SCOOT系统，SCATS系统等等。

这些比较老资格的控制系统通通依赖于传统的交通流参数:周期、步长、绿信比。

但是，在最新被研制出来的交通控制产品中，己经转而使用相位的长度和相序来代替传统的交通流参数。

比如在前文介绍过的SPoTPUTOPIA系统、PRODYN系统、OPAC系统、RHODES系统等等。

而且，在物检测介质方面，如前文所说，加州大学伯克利分校率先把无线传感器网络用于交通车辆检测使得交通预测的精确度得到了前所未有的提高。

交通控制和交通诱导是分不开的两个主题。

在城市交通规划不可能无限制的增加道路宽度和其它辅助设施的前提下，如何在空间意义上调度交通成为了一个具有重要现实意义的研究课题。

如何把交通协同和交通控制有效的结合。

也成为了交通领域内一个重要的研究方向。

较之海外国家，我国现阶段智能交通信号灯系统的发展水平可谓是对其望尘莫及。

国内交通问题主要包括：
1.秩序混乱，缺乏先进化、人性化的科学管理使行人出行难。

2.燃料消耗增加，汽车尾气排放所导致的空气污染严重，很多城市中都出现了持续的雾霾天气，也就是众所周知的PM2.5。

3.缺乏对城市动态交通的全面理解，地铁和公交车等公交系统的设计存在缺陷。

4.机动车辆增加过快，道路负荷能力不够。

近十余年来，我国经济的飞速发展和城镇化水平的提高导致各类机动车年均增幅率达到了百分之十五以上，这是人均面积的增长率无论如何也追赶不上的。

5.对酒驾和疲劳驾驶的监管力度不够，导致交通事故的频频发生，这极大威胁了行人的出行安全。

这些问题导致实际的道路通行能力达不到理论设计的要求，也往往是道路拥挤和交通事故频频发生的重要原因。

但是，这些城市交通的实际问题是社会经济发展的必然产物，是不可避免的，我国正在采取积极有效的措施，来建设合理高效的社会主义现代化城市交通。

1.4 本文研究的主要内容
本文第一章首先对课题相关的背景目的及意义进行了介绍，然后介绍了交通信号灯发展的国内外的现状。

第二章阐述了总体的设计思想，对总体设计进行分块，以便于下一章逐一地研究每一个小模块的内容。

第三章为硬件设计部分，首先，对本设计的主控芯片STC89C52和原理图绘制软件Altium Designer进行了详细介绍，然后，对每个模块的原理进行了详细的论述，最后，绘制了总体的硬件电路图。

第四章为软件设计部分，该部分首先介绍了编程部分所使用的Keil 软件，接着绘制了软件流程图，最后，按照本设计的要求用C语言进行了程序的编写。

第五章为仿真部分，在硬件部分和软件部分都已经完成后，制作实物之前需要进行仿真，本章首先对Proteus软件进行一下介绍，然后运用它进行了仿真，达到了预期的结果。

第六章为实物的制作，在仿真完成以后，开始了实物的制作，本章记录了实物制作过程中的一些问题，以及实物完成后的图片展示。

第七章为总体与展望，对整篇论文进行总结，然后对未来的发展前景进行展望。

第七章之后的主要内容为致谢词，参考文献和附录说明。

1.5本章小结
本章对课题相关的背景目的及意义进行了介绍，然后介绍了交通信号灯发展的国内外的现状。

第二章总体设计方案
2.1设计思路
本文以STC89C52芯片为中心器件来控制十字路口的交通灯,设计思想与网上现有的论文有很大区别，其他论文只是通过交通灯之间的并联简单的控制南北方向的红绿灯和东西方向的红绿灯同时点亮（南北方向绿灯亮的同时东西方向红灯亮；南北方向红灯亮的同时东西方向绿灯亮），这导致车辆只能走直线不能转弯，而且，红绿灯时间的设定也存在一些问题，要么就是东西、南北两方向各50秒；要么就是东西方向60秒，南北方向40秒，时间控制都是固定的，没有根据实际情况下车道车辆的多少来具体的设定红绿灯时间（某车道车辆多，那么绿灯时间就设置的长一点；某车道的车辆少，那么绿灯时间就设置的短一些）。

除此之外，他们的设计中还没有加入人行横道红绿灯，对行人交通的控制也不足。

在设计我的交通信号灯控制系统之前，我曾在我们小区附近的十字路口交通灯下观察了许久许久，觉得该设计方案确实是非常合理且优越的，最终决定制作一个和它基本相似的交通信号灯控制系统来。

本文的主要设计思想如下：
1.实现红、黄、绿灯的循环点亮。

使用红、黄、绿三种不同颜色的LED灯实现此功能，四组红绿灯一次只能有一组点亮绿灯，其他三组都是红灯，这表示绿灯亮的那条道路上可以向前通行或者左转，其他三条道路都禁止通行，而每条道路在右转弯方向上都设置有绿灯，这表示四条道路在任何情况下都可以右转。

2.用4个两位数码管显示倒计时，以便于行人和车辆知道他们需要等待的时间。

由于数码管有多位，故采用动态扫描显示，显示的时间初步设定为15s,15s,33s,51s(某组交通灯亮绿灯时间为15s，那么它的下一组交通灯的红灯等待时间也为15s，另外两组交通灯的红灯等待时间分别为33s和51s，当最后一组交通灯亮完绿灯以后，又轮到第一组亮绿灯，依此循环)。

3.当某条道路绿灯亮时，那么它右侧的人行横道绿灯也同时点亮，除此之外的其他时刻人行横道都是红灯，这表示只有当其他车道的车辆完全停下来的时候，该斑马线才允许行人通行，这种设计较好地避免了交通事故的发生，保证了行人的安全，而且人行横道的两端都要设置一组红绿灯，以便于斑马线两边的行人都可以看到。

十字路口的交通示意图如图2.1所示：。