推荐-交通灯控制系统模拟设计 精品

附件1：
学号：0121018700XXX
课程设计
题目交通灯控制系统模拟设计
学院物流工程
专业物流工程
班级物流工程卓越1001
姓名XXX
指导教师朱宏辉
20XX 年 6 月28 日
交通灯控制系统模拟设计
XXX
武汉理工大学物流工程卓越1001
摘要：随着经济发展，汽车数量急剧增加，城市道路日渐拥挤，交通拥塞已成为一个国际性的问题。

因此，设计可靠、安全、便捷的多功能交通灯控制系统有极大的现实必要性。

根据交通灯在实际控制中的特点，结合单片机的控制功能，提出了一种用单片机自动控制交通灯的简易方法。

设计中包括硬件电路的设计和程序设计两大步骤，对单片机学习中的几个重要内容都有涉足。

本系统采用AT89C51单片机为中心器件来设计交通灯控制器，实现了红绿灯循环点亮，倒计时剩5秒时黄灯闪烁警示（交通灯信号通过P1口输出，显示时间通过P0口输出至双位数码管）；以及实现3种工作模式：正常情况、繁忙情况、特殊情况及报警功能。

本系统实用性强、操作简单、扩展功能强。

关键字：交通灯；AT89C51；数码管；三种工作模式
Design of traffic light control system simulation
Zhiming Guo
Logistics Engineering College Logistics zy1001
Abstract: With the development of economy, the sharp increase in the number of cars, increasingly crowded city roads, traffic congestion has bee an international problem. Therefore, multi-function traffic light control system design of reliable, safe, convenient and of great practical necessity. According to the characteristics of traffic lights in the actual control, bined with the control function of single chip, this paper presents a simple method for automatic control of traffic lights with single chip microputer. In the design of hardware circuit design and program design includes two steps, on several important single-chip learning have to get involved in. The system centric devices to design the traffic light controller AT89C51, realizes the cycle traffic lights lit, countdown 5 seconds left when the yellow light flashing warning (traffic light signal output, display time through the output port P0 to two digital tube through the P1 port); 3 work modes: normal, busy and implementation situation, special circumstances and alarm function. The system practical, simple operation, strong function expansion.
Key words: raffic lights, AT89C51, LED, three work modes
目录
课程设计任务书
学生姓名：XXX专业班级：物流工程卓越1001
指导教师：朱宏辉工作单位：物流工程
题目:交通灯控制系统模拟设计
初始条件：
1. 熟悉背景资料和任务：熟悉给定的背景资料和数据，明确系统设计的任务要求；拟订设计计划和初步方案。

2．单片机应用系统硬件结构设计：
分析背景资料给定的相关技术要求和功能指标，采用自上而下的设计方法，完成系统硬件结构的规划设计，并详细设计单片机应用系统的电路原理图。

对于相对简单的应用系统，可设计出PCB图。

要求完成的主要任务:交通灯控制系统采用AT89C51单片机为中心器件来设计交通灯控制器，实现了红绿灯循环点亮，倒计时剩5秒时黄灯闪烁警示（交通灯信号通过P1口输出，显示时间通过P0口输出至双位数码管）；以及实现3种工作模式：正常情况、繁忙情况、特殊情况及报警功能。

本系统实用性强、操作简单、扩展功能强。

时间安排：十六周到十七周设计，十七周答辩
指导教师签名：年月日
系主任（或责任教师）签名：年月日
第1章前言
单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。

单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故称为微控制器。

通常，单片机由单块集成电路芯片构成，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、3，三代的发展，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。

1.1交通灯发展概述
早在1850年，城市交叉口处不断增长的交通就引发了人们对安全和拥堵的关注。

世界上第一台交通自动信号灯的诞生，拉开了城市交通控制的序幕，1868年，英国工程师纳伊特在伦敦威斯特敏斯特街口安装了一台红绿两色的煤气照明灯，用来控制交叉路口马车的通行，但一次煤气爆炸事故致使这种交通信号灯几乎销声匿迹了近半个世纪。

1914年及稍晚一些时候，美国的克利夫兰、纽约和芝加哥才重新出现了交通信号灯，它们采用电力驱动，与现在意义上的信号灯已经相差无几。

1926年英国人第一次安装和使用自动化的控制器来控制交通信号灯，这是城市交通自动控制的起点。

伴随着城市交通信号控制系统的迅速发展。

人们认识到，要更好地提高城市管理水平，不仅仅依靠硬件设备的更新和改进，还必须同时在控制逻辑和方法上有所突破，即城市交通的区域协调控制。

传统的城市道路交通控制指的是区域交叉口信号灯控制，而城市交通的区域协调控制，是在整个城市范围内对交通进行控制，这无论是从理论角度还是实践角度，都是一个极其复杂的大系统控制问题。

可以说，在近百年的发展中，道路交通信号控制系统经历了无感应控制到有感应控制、手动控制到自动控制再到智能控制、单点控制(点控)到干线控制(线控)再到区域控制和网络控制(面控)的过程。

1.2 课题背景及意义
当今，红绿灯安装在各个道口上，已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段。

但这一技术在19世纪就已出现了。

1858年，在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红，蓝两色的机械扳手式信号灯，用以指挥马车通行。

这是世界上最早的交通信号灯。

1868年，英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上，安装了世界上最早的煤气红绿灯。

它由红绿两以旋转式方形玻璃提灯组成，红色表示“停止”，绿色表示“注意”。

1869年1月2日，煤气灯爆炸，使警察受伤，遂被取消。

电气启动的红绿灯出现在美国，这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成，1914年始安装于纽约市5号大街的一座高塔上。

红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通行”。

1918年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。

带控制的红绿灯，一种是把压力探测器安在地下，车辆一接近红灯便变为绿灯；另一种是用扩音器来启动红绿灯，司机遇红灯时按一下嗽叭，就使红灯变为绿灯。

红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时，它就能察觉到有人要过马路。

红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间，推迟汽车放行，以免发生交通事故。

信号灯的出现，使交通得以有效管制，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。

1968年，联合国《道路交通和道路标志信号协定》对各种信号灯的含义作了规定。

绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以直行，左转弯和右转弯，除非另一种标志禁止某一种转向。

左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。

红灯是禁行信号，面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车。

黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线，但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。

如果将每个交通十字路口的多余交通警察撤回，安排在最不利于管理和事故高发的地方，不但可以大大的降低交通事故的发生率，而且可以节省大量的人力财力。

所以，采用单片机自动控制交通灯有现实的社会意义。

1.3课题任务及主要实现内容
本系统由单片机系统、数码管显示、交通灯显示系统组成。

系统除基本的交通功能外，还具有倒计时，时间设置。

东西、南北两个干道交于一个十字路口，各干道有一组红、绿、黄三色的指示灯，此外，每个路口加入一个新的左转绿灯，以区别直行路灯，指挥车辆安全通行。

红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行。

黄灯亮提示人们注意红、绿灯的状态即将切换。

程序开始运行先南北段通行、东西段禁止60s，后东西段通行、南北段禁止60s，依此循环。

系统分三种工作模式：正常模式、繁忙模式、特殊模式，并且通过三个按钮“正常”、“繁忙”、“特殊”可相互转化。

正常模式：直行时间显示数码管显示60。

此时南北段直行通行（绿灯）、东西段禁止（红灯）40s，同时南北段和东西段方向的数码管分别从40s和60s开始倒计时，至最后5s时南北段绿灯变成黄灯闪烁；此后南北段左拐（左拐灯亮）通行、东西段禁止（红灯）20s，同时南北段和东西段方向的数码管都从20s开始倒计时，至最后5s时南北段左拐灯变成黄灯闪烁；再后东西段直行通行（绿灯）、南北段禁止（红灯）40s，同时东西段和南北段方向的数码管分别从40s和60s开始倒计时，至最后5s时东西段绿灯变成黄灯闪烁；最后东西段左拐（左拐灯亮）通行、南北段禁止（红灯）20s，同时
东西段和南北段方向的数码管都从20s开始倒计时，至最后5s时东西段左拐灯变成黄灯闪烁。

繁忙模式：南北段、东西段的通行时间改为45s，其中左拐的时间改为15s，其它与正常模式类似。

特殊模式：特殊模式灯亮，南北段、东西段的通行时间改为0s，禁止左转和直行，东西南北四个方向都亮红灯。

1.4 原理分析
1.4.1交通灯显示时序的理论分析
下图所示为一种红绿灯规则的状态图：
图1-1 状态S1南北直行通行图1-2 状态S2南北左拐通行
图1-3 状态S3东西直行通行图1-4 状态S4东西左拐通行交通灯状态转化图：
图1-5 交通灯状态循环图
依据上述车辆行驶的状态图，可以列出各个路口灯的逻辑表如下表所示(其中逻辑值“1”代表直行通行，逻辑值“0”代表禁止通行，逻辑值“L”代表左拐通行)：
表 1-1 逻辑值
1.4.2 交通灯显示的理论分析
倒计时显示的理论分析：利用定时器中断，设TH0=TH1＝(65536-50000)/256，即每0.05秒中断一次。

每到第20次中断即过了20*0.05秒＝1秒时，使时间的计数值减1，便实现了倒计时的功能。

状态灯显示的理论分析：黄灯闪烁同样可以利用定时器中断。

每到第10次中断即过了10*0.05秒＝0.5秒时，使黄灯标志位反置，即可让黄灯1秒闪烁一次。

第2章设计方案分析
本设计实现的交通灯是一款的多功能交通灯，预期实现的主要功能如下。

1.具有时间显示功能，数码管倒计时功能；
2.红绿灯具有四种状态，南北直行，南北左拐，东西直行，东西左拐；
3.具有模式转换功能，切换到不同状态，交通灯通行时间不一样；
2.1 单片机与外围接口部件
根据课题任务的要求，该系统具有交通灯的显示功能，倒计时功能，改变时间设定功能，所以把系统分为几个模块，包括倒计时显示器、交通信号灯、控制模块。

系统硬件框图如下图2-1：
图2-1 硬件框图
该系统主控芯片单片机采用AT89C51，它内部具有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向，可以满足该控制程序系统的设计要求。

2.2 倒计时显示界面
该系统要求完成倒计时、状态灯等功能。

基于上述原因，我们考虑了二种方案：方案一：完全采用数码管显示。

显示简单，程序简单，端口用的少。

法案二：完全采用点阵式LED显示。

这种方案实现复杂，且须完成大量的软件工作。

但功能强大，可方便的显示各种英文字符，汉字，图形等。

权衡利弊，第一种的方案适合于此题，我们决定采用方案二实现系统的时间显示2.3 交通灯
发光简称为LED，在此处设计中我们用他来模拟红绿黄交通灯，普通单色发光二极
管具有体积小、工作电压低、工作电流小、发光均匀稳定、响应速度快、寿命长等优点，可用各种直流、交流、等电源驱动点亮。

它属于电流控制型，使用时需串接合适的限流电阻。

第3章硬件系统设计
3.1 单片机的选择
3.1.1 AT89C51单片机简介
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

3.1.2 AT89C51单片机的主要特性
与MCS-51 兼容，4K字节可编程闪烁存储器，寿命：1000写/擦循环，数据保留时间：10年，全静态工作：0Hz-24Hz，三级程序存储器锁定，128*8位内部RAM，32可编程I/O线，两个16位定时器/计数器，5个中断源（两个外部中断源和3个内部中断源），可编程串行通道，低功耗的闲置和掉电模式，片内振荡器和时钟电路。

·时钟电路：
时钟电路的作用是产生单片机工作所需要的时钟脉冲序列。

·中断系统：
中断系统的作用主要是对外部或内部的终端请求进行管理与处理。

AT89S51共有5个中断源，其中又2个外部中断源和3个内部中断源。

图3 AT89C51系列单片机的内部结构示意图
3.1.3主要引脚功能
图4 AT89C51引脚图
·VCC：电源电压
·GND：接地
·P0口：P0口是一组8位双向I／0口。

P0口即可作地址／数据总线使用，又可以
作为通用的I/O 口使用。

当CPU 访问片外存储器时，P0口分时先作低8位地址总线，后作双向数据总线，此时，P0口就不能再作I/O 口使用了。

在访问期间激活要使用上拉电阻。

·P1口：Pl 是一个带内部上拉电阻的8准位双向I ／O 口，P1作为通用的I/O 口使用。

·P2 口：P2 是一个带有内部上拉电阻的8 位准双向I ／O 口，P2即可作为通用的I/O 口使用，也可以作为片外存储器的高8位地址总线，与P0口配合，组成16位片外存储器单元地址。

·P3 口：P3 口是一组带有内部上拉电阻的8 位准双向I ／0 口。

P3 口除了作为通用的I/O 口使用之外，每个引脚还具有第二功能，具体分配如下表具有第二功能的P3口引脚：
·RST ：复位输入。

当振荡器工作时，RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。

WDT 溢出将使该引脚输出高电平，设置SFR AUXR 的DISRT0 位（地址8EH ）可打开或关闭该功能。

DISRT0位缺省为RESET 输出高电平打开状态。

·ALE ／PROG ————
：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE （地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

即使不访问外部存储器，ALE 仍以时钟振荡频率的1／6 输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。

要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE 脉冲。

对F1ash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG ）。

如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR ）区中的8EH 单元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。

该位置位后，只有一条M0VX 和M0VC 指令ALE 才会被激活。

此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE 无效。

·PSEN ————程序储存允许（PSEN ————）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S51
由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN ————
有效，即输出两个脉冲。

当访问外部数据存储器，没有两次有效的PSEN ————信号。

·EA ——／VPP ：外部访问允许。

欲使CPU 仅访问外部程序存储器（地址为0000H －FFFFH ），EA 端必须保持低电平（接地）。

需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA 端状态。

如EA 端为高电平（接VCC 端），CPU 则执行内部程序存储器中的指令。

F1ash 存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程电压Vcc 。

·XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。

3.1.4 C51的中断源
C51有5个中断源，它们是两个外中断INT0（P3.2）和INT1（P3.3）、两个片内定时/计数器溢出中断TF0和TF1，一个是片内串行口中断TI 或RI ，这几个中断源由TCON 和SCON 两个特殊功能寄存器进行控制,其中5个中断源的程序入口地址如下表所示：
中断源的服务程序入口地址
中断源
入口地址 外中断0
0003H 定时/计数器0
000BH 外中断1
0013H 定时/计数器0
001BH 串行口中断 0023H
3.2 硬件电路实现
选用设备8051单片机一片，共阴极的七段两位数码管两个，红、黄、交通灯各四个，绿发光二极管8个，按键三个、电容两个22pF ，电阻十六个470Ω，晶体振荡器一个，连线若干。

3.2.1 最小系统设计
单片机最小系统有一个单片机加上一个复位电路和振荡电路组成。

如图3-2所示。

1．复位电路
单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚RST 上外接电阻和电容，实现上电复位。

当复位电平持续两个机器周期以上时复位有效。

复位电平的持续时间必须大于单片机的两个机器周期。

具体数值可以由RC 电路计算出时间常数。

复位电路由手动复位和上电复位两部分组成。

（1）上电复位电路要求接通电源后，通过外部电容充电来实现单片机自动复位操
作。

上电瞬间RESET引脚获得高电平，随着电容的充电，RERST引脚的高电平将逐渐下降。

RERST引脚的高电平只要能保持足够的时间（2个机器周期），单片机就可以进行复位操作。

（2）手动复位：手动复位就是在复位电容上并联一个开关，当开关按下时电容被放电、RST也被拉到高电平，而且由于电容的充电，会保持一段时间的高电平来使单片机复位。

单片机复位期间不产生ALE和PSEN信号，即ALE=1和PSEN=1。

这表明单片机复位期间不会有任何取指操作。

本设计的复位电路，如图3-2所示
图3-2 复位电路图
2.振荡电路
单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全称叫晶体振荡器，它结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片机的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。

单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。

单片机的时钟电路设计有两种方式，一种是内部时钟方式，一种是外部时钟方式。

在内部时钟方式下单片机内部的高增益、反相放大器通过XTAL1、XTAL2外接作为反馈元件的外部晶体管振荡器与电容组成的并联谐振回路构成一个稳定的自激振荡器，向内部时钟电路提供振荡时钟。

振荡器的频率主要取决于晶体的振荡频率。

MCS-51单片机的晶体振荡频率可以再1-12MHz范围内选择，电容C1、C2的选择范围是15-45pF，电
容的大小会影响振荡器的稳定性和起振速度。

外部时钟方式是把外部已有的时钟信号引入到单片机内。

此方式常用于多片单片机同时工作，以便于各单片机的同步。

一般要求外部信号高电平的持续时间大于20μs，且为频率低于12MHz的方波。

本设计采用内部时钟方式，采用11.0592MHz的晶振和两个22pF的电容。

如图3-所示。

图3-3 振荡电路图
3.2.2 显示设计
LED显示器由七个发光二极管组成，因此也称之为七段LED显示器，此外，显示器中还有一个圆点型发光二极管（在图中以dp表示），用于显示小数点。

通过七段发光二极管的不同组合，可以显示多种数字、字母或者其他符号。

LED显示器中的发光二极管共有两种连接方法。

如图3-3所示。

（1）共阳极接法
把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极。

使用时公共阳极接+5V。

这样阴极端输入低电平的段发光二极管就导通点亮，而输入高电平的则不点亮。

（2）共阴极接法
把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极。

使用时公共阴极接地，这样阳极端输入高电平的段发光二极管就导通点亮，而输入低电平的则不点亮。

图3-3 LED引脚图及两种连接方法
此设计用共阴级的2位数码管，如图3-4所示：
图3-4 二位数码管
经过万用表测定，此设计所用的数码管的引脚图，如下图3-5所示：
图3-5 实物数码管引脚图
LED显示分为动态显示和静态显示
（1）静态显示，是指显示器显示某一字符时，相应段的发光二极管恒定地导通或截止。

这种显示方法每一位都需要有一个8位输出控口控制，占用硬件资源多，一般用于显示位数较少场合。

静态显示时，较小的驱动电流就可以得到较高的显示亮度，所以可由接口芯片直接驱动。

（2）动态显示，是一位一位地轮流点亮各位数码管。

对于多位LED显示器的接口电路来说，需要有两个输出口：各位数码管的段控线相应并联在一起，由一个8位的I/O 口控制，还学要一个输出口输出位控制信号，“位控”实际上就是对LED显示器的公共端进行控制，位控信号的数目与显示器个数相同。

这种电路的特点是节省I/O口线，硬件电路相对静态显示方式简单。

动态显示方式的硬件电路简单，动态显示采用多路复用技术的动态扫描显示方式，利用人眼的暂留效应和发光二极管发光时间的长短，发光的亮度等因素。

静态显示程序简单，且CPU占用率低，但每个LED数码管需要一个锁存器来锁存每一个显示位的代码，硬件开销大，仅适合显示位数较少的场合。

本设计采用两个二位一体共阴数码管，不管将几位数码管连在一起，数码管的显示原理都是一样的，用P0口来控制LED数码管的段控线和和利用P2口控制位控线，动态显示采用动态扫描的方法进行显示及循环点亮每一个数码管，虽然任何时刻都只有一位数码管被点亮，但由于人眼存在暂留效应，只要每位数码管间隔时间足够短，就可以给人以同时显示的感觉。

图3-6 二位数码管
3.2.3 发光二极管模拟红绿灯
它是的一种，可以把电能转化成，常简写为LED。

发光与普通二极管一样是由一个组成，也具有。

当给发光二极管加上后，从P区注入到N区的和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。

不同的中电子和空穴所处的能量状态不同。

当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的越短。

常用的是发红光、绿光或的二极管。

发光二极管的约5伏。

它的正向很陡，使用时必须串联限流以控制通过管子的。

3.2.4 按键模块
程序开始运行先南北段通行、东西段禁止60s，后东西段通行、南北段禁止60s，依此循环。

系统分三种工作模式：正常模式、繁忙模式、特殊模式，并且通过三个按钮“正常”、“繁忙”、“特殊”可相互转化。

正常模式下东西南北直行通行时间为40S，左转为20S，繁忙模式下直行时间改为20S，左转为15S，特殊模式下四个方向都亮红灯，禁止通行，3个按键可以互相转化。

按键图如3-7所示：
图 3-7 按键模块
这里用到了二极管做开关，是为了防止有一按键被按下3根线同时被低，
中断无效。

二极管在正向电压作用下电阻很小，处于导通状态，相当于一只接通的开关；在反向电压作用下，电阻很大，处于截止状态，如同一只断开的开关。

利用二极管的开关特性，可以组成各种逻辑电路。