基于单片机的交通灯

毕业设计说明书

基于单片

机的交通灯

控制系统设计

专业电气工程及其自动化

学生姓名郭恒燕

班级BD电气042

学号08

指导教师张兰红

完成日期2008年6月10日

基于单片机的交通灯控制系统设计

摘要:对基于单片机的交通灯控制系统进行了设计。系统功能为：以MCS-51系列单片机作为控制核心，设计并制作交通灯控制系统，东西南北四个方向具有左拐、右拐、直行及行人4种通行指示灯，用计时器显示路口通行转换剩余时间，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，其他车辆禁止通行状态。

在对系统功能分析的基础上，提出了三种设计方案，经比较，选择性能较优的LED动态循环显示方案进行了设计。设计包括硬件和软件两大部分。硬件部分包括单片机最小系统、时间显示、交通灯显示三部分。选用Atmel公司的AT89S52单片机作为控制核心，东西南北四个方向设置了LED时间显示和交通灯显示，时间显示采用三位LED显示器，交通灯显示则采用红绿双色高亮发光二极管来模拟。软件采用了模块化的设计方法，主要分为主程序、定时器中断服务子程序、倒计时显示子程序、交通灯模拟显示子程序四部分。

在实验板上制作了基于单片机的交通灯控制系统样机，对硬件和软件部分分别进行了调试，再进行了软硬件联调，得到的交通灯控制系统样机实物，可圆满地完成毕业设计任务书所要求的功能。

关键词: 交通灯；单片机；AT89S52

基于单片机的交通灯控制系统设计

1 概述

1.1 课题研究背景与意义

随着经济的增长和人口的增加，人们生活方式不断变化，人们对交通的需求不断增加。城市中交通拥挤、堵塞现象日趋严重，由此造成巨大的经济与时间损失。资料显示，对日本东京268个主要交叉路口的调查估计表明：每年在交叉路口的时间延误，折成经济报失为20亿美元；而在我国北京市，当早晚交通高峰时，交叉路口处的排队长度竟达1000多米，有的阻车车队从一个交叉路口延伸到另一个交叉路口，这时一辆车为通过一交叉路口，往往需要半个小时以上，时间损失相当可观。

我国是一个历史悠久、人口众多的国家，城市数量随着社会的发展不断增多。随着城市化进程的大大加快，诱发的交通需求急剧增长，供需矛盾不断激化，严重的交通问题也随之而来。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。

十字路口车辆穿梭，行人熙攘，车行车道，人行人道，有条不紊，这一切要归功于城市交通控制系统中的交通灯控制系统。交通灯控制系统对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果，使城市交通得以有效管理。

交通灯可以采用PLC、单片机等控制方法。利用单片机实现对交通信号灯的实时控制，只要采用一块单片机，加上简单的接口与驱动放大电路，即可实现，具有成本低，可靠性高的特点。

1.2 课题设计内容

本课题对基于单片机的交通灯控制系统进行设计。以MCS-51系列单片机为控制核心，设计并制作交通灯控制系统，用于十字路口的车辆及行人的交通管理。东西南北四个路口具有左拐、右拐、直行及行人4种通行指示灯，并分别用计时器显示路口通行转换剩余时间，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，其他车辆禁止通行状态。

设计交通灯控制系统硬件电路与软件控制程序，对硬件电路与软件程序分别进行调试，并进行软硬件联调，要求获得调试成功的实物。

2 系统设计

2.1 设计方案论证

根据设计内容要求，提出了如下三种方案：

方案一：采用AT89S52单片机作为控制核心，采用四组高亮红绿双色二极管作

为东西南北四个路口的通行指示灯；采用四组3位LED数码管作为四个路口的通行倒计时显示器，LED显示采用动态扫描方式，以节省端口数。按以上系统构架设计，单片机端口资源刚好满足要求。方案一设计框图如图２-1所示。

图2-1 方案一：采用LED动态扫描的交通灯控制系统

方案二：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种通行指示也采用16×16点阵双色LED 发光管。方案二设计框图如图2-2所示，LED点阵的列驱动采用74LS595，用串行端口扩展实现，行驱动采用1/16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。

图2-2 方案二：采用16×16点阵LED发光管设计的交通灯控制系统方案三：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。

三种方案的特点比较如下：方案一具有电路简单，设计方便，显示亮度高，耗电较少，可靠性高等特点；方案二的图案显示逼真，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，不太适合于模型制作；方案三设计占用单片机的端口最少，硬件也少，耗电也最少；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，不够实用。可见方案一优于其他两种方案，因此本设计选用方案一：采用LED动态扫描的方案进行设计。

2.２系统硬件设计

采用LED动态扫描的交通灯控制系统电路原理图如图2-3所示。（为排版起见，该图放在下一页）。系统由控制模块、通行灯显示模块、时间显示模块、电源模块四部分组成。

2.2.2 通行灯显示模块

通行灯显示模块如图2-5所示。通行灯指示采用高亮度共阴红绿双色发光二极管，左拐、直行、右拐及行人各一个。双色发光二极管的共阴极通过电阻接地，阳

极接P1口或P2口（南北为P1口，东西为P2口），经74HC244控制。当发光电流为6mA时，限流电阻按公式R=（5-1.8）/0.006计算，应为510Ω。由于通行时南北双向指示牌相同，东西双向指示牌相同，因此每个端口应具有12mA的吸收电流能力，在单片机的输出口接驱动电路74HC244，以保护单片机的输出端口。

图2-5 通行灯输出显示模块

2.2.3 时间显示模块

通行剩余时间显示模块如图2-6所示（以北路口为例）。

路口通行剩余时间采用高亮红色7段共阳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，列扫描驱动使用三级管，按每段6mA电流算，全显示字型“8”时，每个数码管需6mA×8=48mA。由于时间显示每个路口相同，4组需192mA，因此设计中采用功率三极管S9012驱动。由于单片机每个段码输出口需吸收48mA电流，因此在电路设计中也使用了驱动集成块74HC244。

2.2.4 电源电路

电源电路如图2-7所示。整个系统采用的电源电压只需+5V电压，将交流电经变压器变换为15V交流电，再用整流桥得到13.5V左右的直流电，采用不可调的3端稳压器件LM7805将电源稳定在5V直流输出。

图2-6 时间显示模块电路

图2-7 电源电路

2.2.5 硬件电路中器件选择

A. AT89S52单片机

AT89系列单片机是ATMEL公司的8位FLASH单片机。这个系列单片机最吸引人的特点就是在片内含有FLASH存储器，不需要再外扩存储器，与80C51插座兼容，由于这些优点，使它有着十分广泛的用途，特别是在便携式和需要特殊信息保存的仪器和系统中显得更为有用。89系列单片机典型型号有AT89C51，AT89LV51，AT89C52，AT89LV52，AT89C2051, AT89S52，AT89C1051，AT89S51和AT89S8252。

本设计选用AT89S52。它内部具有1个8KB的Flash的程序存储器，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的定时/计数器、1个串行口、6个二级中断源和两个中断优先级。引脚如图2-8所示。

图2-8 AT89S52引脚

D.七段LED数码管

7段数码管是一种常用的显示器件，其外观与内部电路连接见图2-11。它使用7个笔画显示0~9共10个数字，加上一个小数点共8个显示段，每一个笔画都是由发光二级管组成的。LED数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，图2-11 (b)是共阳极数码管的内部电路，将八只LED的阳极连在一起，其中a~g为7个笔画的驱动端；dp为小数点驱动端；COM为公共引脚。

(a)外观(b)内部电路连接