交通灯控制系统设计论文

基于AT89C51的交通灯控制系统的设计

摘要

交通灯控制系统是近现代社会随着物流、出行等交通发展产生的一套独特的公共管理系统。随着我国城市现代化进程的不断推进，交通是影响我国社会经济发展的严重问题，而城市交通问题的核心就是对十字路口交通信号的控制。因此，我国的城市交通问题的研究重点是交通灯控制系统的研究。

本课题是根据单片机相关知识对简单交通灯控制系统的设计。本文首先介绍了交通灯的发展历史和研究现状，阐述了本课题的任务要求，并在交通管理系统知识的基础上，根据设计要求和实际应用情况，进行总体方案论述。接着，对单片机进行了简单介绍，然后通过对交通灯控制系统需完成的功能确定了控制系统中需要设计的模块，最后对每个模块进行硬件的选择与设计，完成了对交通灯控制系统的硬件设计。在软件设计部分，运用Proteus和Keil软件对交通控制系统编程与仿真，使交通灯控制系统功能达到任务要求。

关键词：信号灯AT89C51倒计时控制

引言：在今天，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。这一技术在19世纪就已出现了。

早期的交通信号灯使用“固定配时”方式实行自动控制，这种方式对于早起交通流量不大的情况曾起过一定的作用。但随着汽车工业的发展,交通流量增加,随机变化增强，采用以往那种单一模式的“固定配时”方式已不能满足客观需要，于是一种多时段多方案的信号控制器开始出现并逐步取代了传统的只有一种控制方案的控制器。

计算机的出现为交通控制技术的发展注入了新的活力。加拿大多伦多市于1964年完成了计算机控制信号灯的实用化，建立了一套由IBM650型计算机控制的交通信号协调系统，成为世界上第一个具有电子数字计算机城市交通控制系统的城市。这是道路交通控制技术发展的里程碑。

为此，设计一个关于交通灯控制系统，该设计以AT89C51单片机作为核心，功耗小可以方便以后研究。

1.设计的要求与方案

1.1

根据上述交通灯控制系统的研究意义，本课题设计了适应当前交通管理的交通灯控制系统。此系统中除了具有基本的交通灯功能之外，还具有倒计时、时间设置、根据情况手动控制等功能。

(1)在一般情况下，交通灯控制系统要求正常显示信号灯以及倒计时的时间变化：当东西方向为绿灯时，南北方向为红灯；当东西方向绿灯变为黄灯，提示此方向即将禁止通行；当东西方向变为红灯，南北方向变为绿灯；当南北方向变为黄灯时，提示此方向即将禁止通行。在每个方向都要求有倒计时显示，提示通行时间和暂缓通行时间。

(2)在特殊情况下，某一方向的车流量过多，按键设置通行时间和暂缓通行时间。

综上所述，交通灯的发展带动了整个交通运输的发展。本章主要介绍了交通灯的发展现状和研究意义，提出了本课题的任务要求。

1.2 系统设计的总体方案

1.2.1 系统设计目标

随着人们日常生活水平的提高，机动车辆不断增加，简单的交通控制系统已不能满足当前交通道路管理的需要。为了最大程度的满足交通管理的需要，为车辆提供准确的通行时间，本课题应结合先进的研究技术设计出功能完善的交通灯控制系统。此外，还需要充分考虑系统的可操作性，使控制系统具备与突发状况相适应的可调节能力。

1.2.2 交通道路管理方案

在设计交通灯控制系统之前，应明确交通道路中交通灯的管理方案。东西、南北两干道交于一个十字路口，各干道有一组红、黄、绿三色的指示灯，以指挥车辆的安全通行。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，且黄灯燃亮时间为东西、南北两干道的公共停车时间。信号灯指示方案如表1.2.1所示。

表1.2.1 信号灯指示方案

1.2.3 系统设计总体方案

根据交通系统管理方案和本课题任务的要求，该系统应具有交通灯的显示功能、倒计时功能和通行时间设置功能，所以把系统分为四个模块，包括单片机控制、信号灯显示、倒计时显示和键盘设置，系统硬件设计结构如图2.1所示。

图1.2.1 系统硬件设计结构

下面分别简单介绍这四个模块：

(1)单片机控制模块：单片机将计算机的基本部件微型化并集成到一块芯片上，具有优异的性能价格比，控制功能强，这将使各模块功能的实现变得简单方便。本系统中，8051单片机的P0口控制南北方向的时间显示；P1口控制信号灯的点亮；P2口控制东西方向的时间显示；P3口接入键盘开关，可设置适应当前状况的通行时间和暂缓通行时间。

(2)信号灯显示模块：利用发光二极管代替交通信号灯，通过单片机控制使其按要求点亮。

(3)倒计时显示模块：此模块有两种方案。第一种是采用数码管显示。该方案实现简单，但只能显示有限的符号和数码字符。第二种是采用点阵式LED显示。该方案实现复杂，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、汉字和图形。由于本控制系统只需显示倒计时时间，利用数码管即可完成此功能，因此本控制系统中利用2位一体的共阴数码管显示道路两个方向的通行时间和暂缓通行时间，通过单片机控制进行倒计时显示。

(4)键盘设置模块：在交通道路突发情况时，可通过按键手动设置通行时间和暂缓通行时间，通过单片机控制进行时间设置。此模块有两种方案：第一种是采用8255扩展I/O口及键盘、信号灯显示等。该方案使用灵活，可提供较多I/O口，但操作复杂。另一种是直接在I/O口线上接上按键开关。该方案设计精简，但提供的I/O口数量有限。由于本控制系统对于交通灯及数码管的控制只用单片机本身的I/O口就可实现，故选择第二种方案。

综上所述，交通灯控制系统的总体方案已经确定，下面进行硬件设计。

2交通灯控制系统硬件设计

2.1单片机简介

8051系列单片机是在美国Intel公司于20世纪80年代推出的MCS-51系列高性能8位单片机的基础上发展而来的，它在单一芯片内集成了并行I/O口、异步串行口、16位定时器/计数器、中断系统、片内RAM和片内ROM，以及其他一些功能部件[5]。单片机主要有如下特点：

(1)有优异的性能价格比。

(2)集成度高、体积小、有很高的可靠性。单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣的环境下工作。

(3)控制功能强。为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O 口的逻辑操作以及位处理功能。单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。

(4)低功耗、低电压，便于生产便携式产品。

(5)外部总线增加了 IC(Inter-Integrated Circuit)及 SPI(Serial Peripheral Interface)等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构。

(6)单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模应用系统[6]。

2.2系统时钟电路

晶振采用了内部时钟信号源的方式，如图3.1所示。8051单片机内部有一个高增益反向放大器，用于构成振荡器，反向放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2，分别是8051的第19和18脚。在XTAL1和XTAL2之间接1个石英晶体及2个电容，就可以构成稳定的自激振荡器，当震荡在6MHz~12 MHz时通常取30pF左右的电容进行微调[7]。