城市道口交通灯控制系统的设计
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【关键词】单片机AT89C52程序流程图中断程序城市道口交通灯控制系统
第一章 系统功能
城市道口交通灯控制系统模型采用单片机作为主控制器，用于十字路口的车辆及行人的交通管理，每个方向既有左拐、右拐、直行及行人4种通行指示灯，计时牌显示路口通行转换剩余时间，在出现警急情况时可由交警手动实现全路口车辆禁行而行人通行状态。另外，在特种车辆如119、120通过路口时，系统可自动转为特种车辆放行，其它车辆禁行通行的状态，15s后系统自动恢复正常管理。其他还有盲人提示音、120s与60s通行管理转换等功能。
图4-3 T0定时中断服务程序流程图
第五章
根据系统设计方案，本系统的调试共分为三大部分：硬件调试，软件调试和软硬件联调。由于在系统设计中采用模块化设计,所以方便了对各电路功能模块的逐级测试，包括对交通灯通行方式功能的调试，行人通行指示功能调试,倒计时功能调试，紧急情况交手动控制功能调试，特种车通行功能调试,盲人提示音功能调试等。单片机软件先在最小系统板上调试，确保工作正常之后，再与硬件系统联调。最后将各模块组合后在交道口模型上进行整体测试,使系统的所有功能得以实现。
4.2
主程序主要负责总体程序管理功能，实现人机交互设定。由于采用动态扫描方式显示时间，因此主程序大部分时间要调用扫描显示程序。主程序流程图如4-1所示。
4.3
当有特种车经过时，车中发射红外线信号，其信号被道口控制板上的接收器接收，并输出一个低电平触发外中断1，中断处理程序流程如图4-2所示。
图4-1 主程序流程图图4-2 外中断1中断服务程序流程图
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道口控制字
55H
59H
59H
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表4-1道口通行方式控制码数据表
通行规则如下：
车辆南北直行、各路右拐，南北向行人通行。南北向通行时间为1min，各路右拐比直行滞后10s开放；车辆南北向左拐、各路右拐，行人禁行。通行时间为1min；车辆东西向直行、各路右拐，东西向行人通行。东西向通行时间为1min，各路右拐比直行滞后10s开放；车辆东西向左拐、各路右拐，行人禁行。通信时间为1min。
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图3-2城市道口交通指示灯电路
3.3
道口通行剩余时间采用高亮红色7断LED发光数码管显示，采用共阳数码管，如用单片机吸收电流驱动，列扫描驱动使用三极管，按每段6mA电流算，全显示字形“8”每个数码管6mA×8=48mA。由于时间显示每个道口相同，4组需192mA,因此设计中采用中功率三极管9012。由于单片机每个段码输出口需吸收24mA电流，因此在电路设计中也使用了驱动集成块74HC244.其显示驱动电路如图3-3。
【摘 要】本设计以单片机AT89C52为核心 ,采用高亮发光二极管作为直行、左右拐弯和行人的指示灯,以LED数码管作为倒计时指示 ,以红外接收器实现特种车辆检测, 自动控制手动控制转换等功能完整。在此基础上,我们还增设了盲人语音提示功能、120s与60s通行转换等功能。系统工作实用性强，操作方便，,整体性好，对优化城市交通具有一定的意义。经检测系统工作稳定可靠，实用性强。
图3.5盲人提示音电路
3.6
由于整个系统采用电源电压只需+5V电压，所以采用不可调的3端稳压管器件，用常用的LM7805就可以满足系统电源的要求。LM7805三端集成稳压电源内部由基准电压回路，恒流源、过流保护、过压保护和短路回路等8部分组成，具有低功耗，高效率，纹波系数小，输出电压稳定等优点。
第四章
5.1硬件调试
交道口交通灯控制系统的电路板焊接工作量非常大，并且采用万用板,电路安装完成后，首先进行检查，即确认电路无虚焊，无短路，无断路，集成元件安装是否正确，之后进行电路功能模块的分级调试，根据电路功能逐级进行：
①通行方式功能调试：包括对四种通行方式控制调试，行人和行车方向指示灯调试
②倒计时功能调试：数码管显示值调试
4.4
定时中断服务程序主要用于行车及行人的通行指示，按照通行规则，红绿灯控制转换逻辑表如表4-1所示。
南
北
方
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端口
控制功能
120~110s
110~70s
70~60s
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值得注意的是，南北方向、东南方向的指示灯要同时调试。设计中将4种通行规则分成几种不同的亮灯方式，分成5个时间段：120~110s、110~70s、70~60s、60~10s、10~0s。经过调试指示灯的亮灭符合控制要求。
5.4.2特种车检测模块调试：
特种车检测模块主要由发送和接收模块组成，将单片机的串口与无线发送模块接，数据通过发送模块发出，安装在交通灯上的接收模块进行接收,若警车通过时所有的交通灯能变成红灯，并在15s之后恢复正常，则说明该模块工作正常。
5.3软硬联调
系统做好后,进行系统的完整调试。主要任务是检验实现的功能及其效果并校正数值。根据实测数据,逐步校正数据，使测量结果更准确。单片机软件先在最小系统板上调试，确保工作正常之后，再与硬件系统联调。
5.4各模块调试
5.4.1交通灯通行方式功能的调试：
显示倒计时采用3位LED数码管；左拐、右拐、直行及行人4组通行指示灯采用双色高亮发光二极管。接线繁琐,极易出错.检查二极管无故障，导线无断线,连线接头无互相搭联后可先写一个软件调试程序，依次,则可能是连线接错.根据灯的亮灭情况依次查找直到电路正常工作为止。我们主要出现的是数码管不亮的问题，后来通过检查，为连接线接错。改正后数码管亮度也达到最佳了。
③紧急情况手动控制功能调试：包括按键功能及规则调试
④特种车通行功能调试：包括无线发送和接收电路调试
⑤语音功能调试：盲人提示音电路硬件调试等。
5.2软件调试
本系统的软件系统很大，选用一般的伟福仿真器对AT89C52进行调试。除了语法差错外，当确认程序没问题时，通过直接下载到单片机来调试。采取的是自下到上的调试方法，即单独调试好每一个模块,然后再连接成一个完整的系统,最后完成一个完整的系统调试。
第二章
方案1：采用标准AT89C52单片机作为控制器；显示倒计时显示采用3位LED数码管；左拐、右拐、直行及行人4中通行指示灯采用双色高亮发光二极管；LED显示采用动态扫描，以节约端口数。特种车辆通行采用实时中断完成，识别方法采用红外线发射及接受方案。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，设计方便，显示亮度高，耗电较少，可靠性高等特点。
结论
本系统以AT89C52单片机为核心，开发程序调试阶段采用W78E516B进行在线编程及修改，可大大加快调试速度。设计的交通灯可用于十字路口的车辆及行人的交通管理，显示采用3位7段数码管，可以很直观地显示红绿灯的开放和关闭的时间；设计中应用了两种倒计时显示方式，120s倒计时适用于车流量较大的大城市，60s倒计时可用于中小型城市；功能完整，不仅有普通交通灯的指示功能，还增加了特种车辆自动通行和盲人语音提示功能。
图2-2 采用16×16点阵LED发光管设计的交通灯控制系统
方案3：采用AT89C2051单片机作为控制器，通行倒计时及左拐、右拐、直行、行人通行指示采用单块LCD液晶点阵显示器。这种方案设计占用单片机的端口最少，硬件也少，耗电量也最小；虽然显示图案也很精美，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1具有综合设计优点，因此城市道口交通灯控制系统采用方案1设计。
第三章
整套电路系统由控制系统模块、通行灯输出控制显示模块、时间显示模块和自动特种车辆控制模块等组成。
3.1
主控制器采用AT89C52,是ATMEL公司生产的一款性能稳定的8位单片机。AT89C52具有1个8KB的Flash程序存储器，1个512字节的RAM，4个8位的双向可位寻址I/O端口，3个16位的定时/计数器及一个串行口和6个向量二级中断结构。
整个电路组成框图如图2-1所示。
图2-1 采用LED动态扫描的交通灯控制系统
方案2：采用AT89C2051单片机作为控制器；通行倒计时显示采用16×16点阵LED发光管，左拐、右拐、直行及行人4种通行指示灯也采用16×16点阵LED发光管。该系统设计框架如图2-2所示。列驱动采用74LS595以实现串行端口扩展，行驱动采用4/16译码器74LS154动态扫描，译码器74LS154生成16条行选通信号线，再经过驱动器驱动对应的行线。每条行线上需要较大的驱动电流，应选用大功率三极管作为驱动管。这种设计方案的图案显示逼真，单片机占用端口资源少；缺点是需要大量的硬件，电路复杂，耗电量大，在模型制作中较少采用。
图3-3时间显示驱动电路
3.4
自动道口灯在特种车辆到来时能自动关闭所有绿灯，让特种车通过。设计中采用红外线发生器作为特种车的发信器，使用实时中断来响应特种车的通行要求。红外线接受器一般采用电视机上的用一体化红外接收器，具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。
3.5
道口控制系统设计中也考虑了方便盲人过人行道的声音提示电路，声音控制电路与人行道通行控制灯绿灯灯相同步，当绿灯亮时响一下，在行人结束通行前，绿灯闪烁10s时会间隔响5响（每次1s）。盲人提示音采用柔和的低音，声音悦耳。盲人提示音电路如图3.5所示。
交通灯的4种通行规则，是以给控制红绿灯端口送控制码的方式实现的。它的原理是，将按不同规则通行的个路口的红绿灯亮灭情况转换为单片机端口控制码。其指示灯功能通过T0定时中断服务程序实现。
定时器T0定时益出中断周期设为50ms，中断累计20次（即1s）时对120s倒计时单元减1操作。设计中将4种通行规则分成几种不同的亮灯方式，通过查询秒倒计时单元的数据，实现在不同的时间段给控制端口送不同的控制数据码。控制码分为5个时间段：120~110s、110~70s、70~60s、60~10s、10~0s。交通管理定时功能程序流程图如图4-3所示。
5.4.3紧急情况手动控制功能调试：
当按下手动开关时，南北方向和东西方向的红灯灭掉，绿灯亮起。则说明该模块符合要求。
5.4.4盲人提示音电路硬件调试：
当绿灯亮时响一下，在行人结束通行前，绿灯闪烁10s时会间隔响5响（每次1s），并在120s开始倒计时到70s之间一直响着，说明该模块正常。
此外,在电路抗干扰设计方面，我们采取了引线尽量短，减少交叉等措施。实践证明，这些措施对消除某些引脚引起的直流分量干扰起到了很好的效果。抗干扰设计是单片机应用系统设计的重要组成部分，没有良好的抗干扰措施，系统就无法安全可靠的工作。当然，我们只能通过系统软件，硬件设计尽可能的减少干扰带来的影响，而不可能完全消除干扰。
道口交通控制系统程序主要分为以下几个模块：初始化程序、主程序、定时中断程序和特种车实时响应程序等。
4.1
初始化程序主要完成内存规划，定时器的工作模式、中断方式等的设定。由于程序调用较多，因此初始化时堆栈指针设于80H处。定时器T0、T1设为16位定时器模式，定时时间为50ms，T0为妙计时用，T1为通行结束闪烁用。
单片机的P1口及P2口分别用于控制南北及东西的通行灯，P0口及P3~P3.2口用于4组3位LED计时器的控制，特种车辆通过时使用外中断1口（P3.3）,手动自动转换采用P3.7口按键。
3.2
道口交通灯指示采用高亮度红绿双色放光二极管，左拐、直行、右拐及行人各一个。当发光电流为6mA时，按公式R=(5-1.8)/0.006计算，限流电阻应为510欧姆。由于南北通行是双向指示牌相同，因此每个端口应具有12mA的吸收电流能力。另外，人行道口按4个灯算需24mA的吸收电流。这样在单片机的输出喽需接驱动电路74HC244,以保护单片机的输出端口。图3-2所示为道口指示灯电路图。
毕业设计（论文）
题 目：城市道口交通灯控制系统设计
系 别：物理与机电工程系
专业:电子信息工程技术
学号:20070623202
姓名:林美兰
指导老师：陈金兰职称：讲师
系分管主任：彭永仙
时 间：2010.1.22
城市道口交通灯控制系统的设计
林美兰
三明学院2007级电子信息工程技术（2）班 福建三明 365004
第一章 系统功能
城市道口交通灯控制系统模型采用单片机作为主控制器，用于十字路口的车辆及行人的交通管理，每个方向既有左拐、右拐、直行及行人4种通行指示灯，计时牌显示路口通行转换剩余时间，在出现警急情况时可由交警手动实现全路口车辆禁行而行人通行状态。另外，在特种车辆如119、120通过路口时，系统可自动转为特种车辆放行，其它车辆禁行通行的状态，15s后系统自动恢复正常管理。其他还有盲人提示音、120s与60s通行管理转换等功能。
图4-3 T0定时中断服务程序流程图
第五章
根据系统设计方案，本系统的调试共分为三大部分：硬件调试，软件调试和软硬件联调。由于在系统设计中采用模块化设计,所以方便了对各电路功能模块的逐级测试，包括对交通灯通行方式功能的调试，行人通行指示功能调试,倒计时功能调试，紧急情况交手动控制功能调试，特种车通行功能调试,盲人提示音功能调试等。单片机软件先在最小系统板上调试，确保工作正常之后，再与硬件系统联调。最后将各模块组合后在交道口模型上进行整体测试,使系统的所有功能得以实现。
4.2
主程序主要负责总体程序管理功能，实现人机交互设定。由于采用动态扫描方式显示时间，因此主程序大部分时间要调用扫描显示程序。主程序流程图如4-1所示。
4.3
当有特种车经过时，车中发射红外线信号，其信号被道口控制板上的接收器接收，并输出一个低电平触发外中断1，中断处理程序流程如图4-2所示。
图4-1 主程序流程图图4-2 外中断1中断服务程序流程图
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55H
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表4-1道口通行方式控制码数据表
通行规则如下：
车辆南北直行、各路右拐，南北向行人通行。南北向通行时间为1min，各路右拐比直行滞后10s开放；车辆南北向左拐、各路右拐，行人禁行。通行时间为1min；车辆东西向直行、各路右拐，东西向行人通行。东西向通行时间为1min，各路右拐比直行滞后10s开放；车辆东西向左拐、各路右拐，行人禁行。通信时间为1min。
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图3-2城市道口交通指示灯电路
3.3
道口通行剩余时间采用高亮红色7断LED发光数码管显示，采用共阳数码管，如用单片机吸收电流驱动，列扫描驱动使用三极管，按每段6mA电流算，全显示字形“8”每个数码管6mA×8=48mA。由于时间显示每个道口相同，4组需192mA,因此设计中采用中功率三极管9012。由于单片机每个段码输出口需吸收24mA电流，因此在电路设计中也使用了驱动集成块74HC244.其显示驱动电路如图3-3。
【摘 要】本设计以单片机AT89C52为核心 ,采用高亮发光二极管作为直行、左右拐弯和行人的指示灯,以LED数码管作为倒计时指示 ,以红外接收器实现特种车辆检测, 自动控制手动控制转换等功能完整。在此基础上,我们还增设了盲人语音提示功能、120s与60s通行转换等功能。系统工作实用性强，操作方便，,整体性好，对优化城市交通具有一定的意义。经检测系统工作稳定可靠，实用性强。
图3.5盲人提示音电路
3.6
由于整个系统采用电源电压只需+5V电压，所以采用不可调的3端稳压管器件，用常用的LM7805就可以满足系统电源的要求。LM7805三端集成稳压电源内部由基准电压回路，恒流源、过流保护、过压保护和短路回路等8部分组成，具有低功耗，高效率，纹波系数小，输出电压稳定等优点。
第四章
5.1硬件调试
交道口交通灯控制系统的电路板焊接工作量非常大，并且采用万用板,电路安装完成后，首先进行检查，即确认电路无虚焊，无短路，无断路，集成元件安装是否正确，之后进行电路功能模块的分级调试，根据电路功能逐级进行：
①通行方式功能调试：包括对四种通行方式控制调试，行人和行车方向指示灯调试
②倒计时功能调试：数码管显示值调试
4.4
定时中断服务程序主要用于行车及行人的通行指示，按照通行规则，红绿灯控制转换逻辑表如表4-1所示。
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120~110s
110~70s
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值得注意的是，南北方向、东南方向的指示灯要同时调试。设计中将4种通行规则分成几种不同的亮灯方式，分成5个时间段：120~110s、110~70s、70~60s、60~10s、10~0s。经过调试指示灯的亮灭符合控制要求。
5.4.2特种车检测模块调试：
特种车检测模块主要由发送和接收模块组成，将单片机的串口与无线发送模块接，数据通过发送模块发出，安装在交通灯上的接收模块进行接收,若警车通过时所有的交通灯能变成红灯，并在15s之后恢复正常，则说明该模块工作正常。
5.3软硬联调
系统做好后,进行系统的完整调试。主要任务是检验实现的功能及其效果并校正数值。根据实测数据,逐步校正数据，使测量结果更准确。单片机软件先在最小系统板上调试，确保工作正常之后，再与硬件系统联调。
5.4各模块调试
5.4.1交通灯通行方式功能的调试：
显示倒计时采用3位LED数码管；左拐、右拐、直行及行人4组通行指示灯采用双色高亮发光二极管。接线繁琐,极易出错.检查二极管无故障，导线无断线,连线接头无互相搭联后可先写一个软件调试程序，依次,则可能是连线接错.根据灯的亮灭情况依次查找直到电路正常工作为止。我们主要出现的是数码管不亮的问题，后来通过检查，为连接线接错。改正后数码管亮度也达到最佳了。
③紧急情况手动控制功能调试：包括按键功能及规则调试
④特种车通行功能调试：包括无线发送和接收电路调试
⑤语音功能调试：盲人提示音电路硬件调试等。
5.2软件调试
本系统的软件系统很大，选用一般的伟福仿真器对AT89C52进行调试。除了语法差错外，当确认程序没问题时，通过直接下载到单片机来调试。采取的是自下到上的调试方法，即单独调试好每一个模块,然后再连接成一个完整的系统,最后完成一个完整的系统调试。
第二章
方案1：采用标准AT89C52单片机作为控制器；显示倒计时显示采用3位LED数码管；左拐、右拐、直行及行人4中通行指示灯采用双色高亮发光二极管；LED显示采用动态扫描，以节约端口数。特种车辆通行采用实时中断完成，识别方法采用红外线发射及接受方案。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，设计方便，显示亮度高，耗电较少，可靠性高等特点。
结论
本系统以AT89C52单片机为核心，开发程序调试阶段采用W78E516B进行在线编程及修改，可大大加快调试速度。设计的交通灯可用于十字路口的车辆及行人的交通管理，显示采用3位7段数码管，可以很直观地显示红绿灯的开放和关闭的时间；设计中应用了两种倒计时显示方式，120s倒计时适用于车流量较大的大城市，60s倒计时可用于中小型城市；功能完整，不仅有普通交通灯的指示功能，还增加了特种车辆自动通行和盲人语音提示功能。
图2-2 采用16×16点阵LED发光管设计的交通灯控制系统
方案3：采用AT89C2051单片机作为控制器，通行倒计时及左拐、右拐、直行、行人通行指示采用单块LCD液晶点阵显示器。这种方案设计占用单片机的端口最少，硬件也少，耗电量也最小；虽然显示图案也很精美，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1具有综合设计优点，因此城市道口交通灯控制系统采用方案1设计。
第三章
整套电路系统由控制系统模块、通行灯输出控制显示模块、时间显示模块和自动特种车辆控制模块等组成。
3.1
主控制器采用AT89C52,是ATMEL公司生产的一款性能稳定的8位单片机。AT89C52具有1个8KB的Flash程序存储器，1个512字节的RAM，4个8位的双向可位寻址I/O端口，3个16位的定时/计数器及一个串行口和6个向量二级中断结构。
整个电路组成框图如图2-1所示。
图2-1 采用LED动态扫描的交通灯控制系统
方案2：采用AT89C2051单片机作为控制器；通行倒计时显示采用16×16点阵LED发光管，左拐、右拐、直行及行人4种通行指示灯也采用16×16点阵LED发光管。该系统设计框架如图2-2所示。列驱动采用74LS595以实现串行端口扩展，行驱动采用4/16译码器74LS154动态扫描，译码器74LS154生成16条行选通信号线，再经过驱动器驱动对应的行线。每条行线上需要较大的驱动电流，应选用大功率三极管作为驱动管。这种设计方案的图案显示逼真，单片机占用端口资源少；缺点是需要大量的硬件，电路复杂，耗电量大，在模型制作中较少采用。
图3-3时间显示驱动电路
3.4
自动道口灯在特种车辆到来时能自动关闭所有绿灯，让特种车通过。设计中采用红外线发生器作为特种车的发信器，使用实时中断来响应特种车的通行要求。红外线接受器一般采用电视机上的用一体化红外接收器，具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。
3.5
道口控制系统设计中也考虑了方便盲人过人行道的声音提示电路，声音控制电路与人行道通行控制灯绿灯灯相同步，当绿灯亮时响一下，在行人结束通行前，绿灯闪烁10s时会间隔响5响（每次1s）。盲人提示音采用柔和的低音，声音悦耳。盲人提示音电路如图3.5所示。
交通灯的4种通行规则，是以给控制红绿灯端口送控制码的方式实现的。它的原理是，将按不同规则通行的个路口的红绿灯亮灭情况转换为单片机端口控制码。其指示灯功能通过T0定时中断服务程序实现。
定时器T0定时益出中断周期设为50ms，中断累计20次（即1s）时对120s倒计时单元减1操作。设计中将4种通行规则分成几种不同的亮灯方式，通过查询秒倒计时单元的数据，实现在不同的时间段给控制端口送不同的控制数据码。控制码分为5个时间段：120~110s、110~70s、70~60s、60~10s、10~0s。交通管理定时功能程序流程图如图4-3所示。
5.4.3紧急情况手动控制功能调试：
当按下手动开关时，南北方向和东西方向的红灯灭掉，绿灯亮起。则说明该模块符合要求。
5.4.4盲人提示音电路硬件调试：
当绿灯亮时响一下，在行人结束通行前，绿灯闪烁10s时会间隔响5响（每次1s），并在120s开始倒计时到70s之间一直响着，说明该模块正常。
此外,在电路抗干扰设计方面，我们采取了引线尽量短，减少交叉等措施。实践证明，这些措施对消除某些引脚引起的直流分量干扰起到了很好的效果。抗干扰设计是单片机应用系统设计的重要组成部分，没有良好的抗干扰措施，系统就无法安全可靠的工作。当然，我们只能通过系统软件，硬件设计尽可能的减少干扰带来的影响，而不可能完全消除干扰。
道口交通控制系统程序主要分为以下几个模块：初始化程序、主程序、定时中断程序和特种车实时响应程序等。
4.1
初始化程序主要完成内存规划，定时器的工作模式、中断方式等的设定。由于程序调用较多，因此初始化时堆栈指针设于80H处。定时器T0、T1设为16位定时器模式，定时时间为50ms，T0为妙计时用，T1为通行结束闪烁用。
单片机的P1口及P2口分别用于控制南北及东西的通行灯，P0口及P3~P3.2口用于4组3位LED计时器的控制，特种车辆通过时使用外中断1口（P3.3）,手动自动转换采用P3.7口按键。
3.2
道口交通灯指示采用高亮度红绿双色放光二极管，左拐、直行、右拐及行人各一个。当发光电流为6mA时，按公式R=(5-1.8)/0.006计算，限流电阻应为510欧姆。由于南北通行是双向指示牌相同，因此每个端口应具有12mA的吸收电流能力。另外，人行道口按4个灯算需24mA的吸收电流。这样在单片机的输出喽需接驱动电路74HC244,以保护单片机的输出端口。图3-2所示为道口指示灯电路图。
毕业设计（论文）
题 目：城市道口交通灯控制系统设计
系 别：物理与机电工程系
专业:电子信息工程技术
学号:20070623202
姓名:林美兰
指导老师：陈金兰职称：讲师
系分管主任：彭永仙
时 间：2010.1.22
城市道口交通灯控制系统的设计
林美兰
三明学院2007级电子信息工程技术（2）班 福建三明 365004