单片机的十字路口交通灯控制器的设计

课程设计名称：   十字路口交通灯控制系统    

系部名称：  软件学院         

学生姓名：                             

班   级：                             

学   号：                              

成   绩：                             

指导教师：                            

开课时间：  2013学年第 一 学期

目录

第一章    引言    1

第二章    系统总体方案    1

2.1  交通管理的方案论证    1

2.3  系统工作原理    3

第三章    系统硬件设计    3

3.1  ATC51单片机简介    4

3.2 时钟电路    4

3.3  八段LED数码管显示电路    4

3.4  红外对管检测电路    5

3.5  驱动和放大电路    5

3.6 交通指示灯电路    5

第四章    系统软件设计    6

4.1  1秒的设定和T0定时器    6

4.2  东西、南北路口红外检测中断子程序    7

4.3  黄灯闪烁5s子程序    7

4.4  检测车流量与显示子程序    7

4.5  报警子程序    8

第五章    结 论    8

参考文献    8

第一章引言

  交通运输是城市功能活动的命脉，它直接影响社会经济、生产与生活的各个方面。我国机动车辆发展迅速，而城镇道路建设由于历史等各种原因相对滞后。道路拥挤、阻塞现象及交通事故常有发生。如何利用当今自动控制技术，有效地疏导交通，提高城镇交通路口的通行能力，提高车辆速度，减少交通事故是值得我们研究的新课题。交通灯是城市交通中的重要指挥系统，它与人们日常生活密切相关。随着人们生活水平的提高，对交通管制也提出了更高的要求，因此提供一个可靠、安全、便捷的多功能交通灯控制系统有着现实的必要性。本设计旨在设计出一款良好的交通灯控制系统来改善交通紊乱问题，目的性强，也具有很强的现实意义。

  国内外学者对这一学科也早有研究，控制方案各种各样，并且各有优缺点。从1868年英国伦敦首次使用燃汽色灯信号以来，城市交通信号机由手动到自动，交通信号由固定周期到可变周期，系统控制方式由点控到面控，从无车辆检测器到有车辆检测器，经历了近百年的历史[1]。到1963年加拿大多伦多市建立了一套使用IBM650型计算的集中协调感应控制信号系统，从而标志着城市道路交通信号系统的发展进入了一个新的阶段。之后，美国、英国、德国、日本、澳大利亚等多家相继建成数字电子计算机区域交通控制系统，这种系统一般还配备交通监视系统组成交通管制中心。在西方发达国家，交通控制系统基本上完成了由传统的交通控制系统向智能交通控制系统ITS（Intelligent Transport systems）的转变[2]。而在我国，智能交通系统则刚刚处于起步阶段。在20世纪90年代初，我国的相关学者开始意识到研究和开发ITS的重要性。到90年代中期，由于受到国外ITS研发的影响，部门也开始重视对ITS的研究。

  基于整个交通控制系统的发展情况，本设计主要进行如下方面的研究：用智能，集成，且功能强大的MCS-51系列单片机中的ATC51为控制中心，设计出一套十字路口的交通控制系统，以指挥该路口的实时通行状态。本设计除了有红、黄、绿信号灯状态控制能实现基本的交通功能外，还增加了倒计时显示提示，基于实际情况，又要求了对车流量检测功能，“看门狗芯片”保护功能，违规检测及处理、键盘可设置等强大功能，以方便人们的生活需求。

第二章系统总体方案

2.1  交通管理的方案论证

2.1.1  方案设想

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，指挥车辆和行人安全通行。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[5]。设东西道比南北道的车流量大，指示灯燃亮的方案见表2.1。

表2.1　指示灯的燃亮方案

（1）当东西方向为红灯，此道车辆和行人禁止通行；南北道为绿灯，此道车辆和行人通过。时间为60秒。

（2）黄灯闪烁5秒，警示车辆和行人红、绿灯的状态即将切换。

（3）当东西方向为绿灯，此道车辆通行；南北方向为红灯，南北道车辆禁止通过。时间为80秒。东西方向车流大通行时间长。

（4）这样如上表的时间和红、绿、黄出现的顺序依次出现这样行人和车辆就能安全畅通的通行。

2.1.2  显示控制方案

这里同样讨论了两种方案：

方案一：采用静态显示。静态显示由于占用较多的接口，在单片机设计中常采用串行扩展来完成。该方案占用接口资源多，显示亮度由保证，但硬件开销大，电路复杂，信息刷新速度慢，实用于并行接口资源较少以及对显示没有要求的场合。

方案二：采用动态显示。LED动态显示硬件连接简单，比较节省I/O接口，但其亮度不如静态显示方式，且动态扫描的显示方式在显示位数较多时，CPU要依次扫描，需占用CPU较多的时间。在该系统中由于单片机除了扫描C51芯片外没有太多的实时测控任务，故本设计中采用动态扫描方式。

2.2  交通灯控制的功能要求

本设计能模拟基本的交通控制系统，用红绿黄灯表示禁行，通行和等待的信号发生，还能进行倒计时显示，车流量检测及调整，交通违规处理等功能。

（1）倒计时显示

倒计时显示可以提醒驾驶员在信号灯灯色发生改变的时间、在“停止”和“通过”两者间作出合适的选择。驾驶员和行人普遍都愿意选择有倒计时显示的信号控制方式，并且认为有倒计时显示的路口更安全。倒计时显示是用来减少驾驶员在信号灯色改变的关键时刻做出复杂判断的1种方法，它可以提醒驾驶员灯色发生改变的时间，帮助驾驶员在“停止”和“通过”两者间作出合适的选择。

（2时间手动设置

除系统根据车流量自动控制调整，也可以通过键盘进行手动设置，增加了人为的可控性，避免自动故障和意外发生。键盘是单片机系统中最常用的人机接口，一般情况下有式和行列式两种。前者软件编写简单，但在按键数量较多时特别浪费I/O口资源，一般用于按键数量少的系统[7]。后者适用于按键数量较多的场合，但是在单片机I/O口资源相对较少而需要较多按键时，此方法仍不能满足设计要求。本系统要求的按键控制不多，且I/O口足够，可直接采用式。

（3）违规检测

交通规则必须人人遵守，但是违反规则，如闯红灯等，也时有发生，交警等交通管理人员虽然可以进行实时监管，但是耗费精力，在路口设置检测传感器就可以进行自动的警报提示。

2.3  系统工作原理

（1）开关键盘输入交通灯初始时间，通过8051单片机P1口输入到系统

（2）由8051单片机的定时器每秒钟通过P0口向8255的数据口送信息，由8255的PA口显示红、绿、黄灯的燃亮情况；由8255的PC口显示每个灯的燃亮时间。

（3）通过8051的P1口设置各个信号灯的燃亮时间，设置绿、红时间分别为60秒、80秒循环由8051的P0口向8255的数据口输出。

（4）通过8051单片机的P3.1位来控制系统是继续工作或设置初值，当P3.1位为0，就对系统进行初始化，为1系统就继续工作。

（5）红灯倒计时时间，交通指示灯红灯亮，当有车辆闯红灯时，单片机中断，进入中断服务子程序，启动蜂鸣器进行报警，3S后然后恢复正常。

（6）红灯时间倒计时完毕，黄灯闪烁5秒，警示车辆和行人红、绿灯的状态即将切换。

（6）绿灯倒计时时间，增加每次绿灯时间车流量检测的功能，若检测到车辆经过，进入相应的中断子程序，将存储车流量的计数器加1，并且通过查询P2.4和P2.5端口的电平是否为低，当开关按下为低电平，双位数码管显示车流量，直到下一次绿灯时间重新记入。

（7）绿灯时间倒计时完毕，黄灯闪烁5秒，警示车辆和行人红、绿灯的状态即将切换。重新循环。

第三章系统硬件设计

硬件有单片机、存储器、若干I/O（扩展）接口、驱动器件、保护器件、检测器件及外围设备等组成。其中单片机是整个系统的核心部件，能运行程序和处理数据。存储器用于存储单片机程序和数据。I/O接口是单片机与外部被控制对象交换的信息通道，包括以下及部分数字量I/O接口（频率、脉冲等）、开关量I/O接口（继电器开关、五触电开关、电磁阀等）、模拟量I/O接口（A/D或D/A转换电路）。有时需要扩展I/O接口来满足单片机接口数量上的不足，通常采用8255芯片。通用外部设备室进行人机对话的纽带，包括键盘、显示器等。

3.1  ATC51单片机简介

ATC51是8051系列单片机的典型产品，ATC51单片机包含处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线。

3.2 时钟电路

单片机的晶振电路，即所谓的时钟电路。单片机的工作流程，就是在系统时钟的作用下，一条一条地执行存储器中的程序。单片机的时钟方式分为内部时钟方式和外部时钟方式，如图3.4所示。单片机的外部时钟方式由外接时钟源提供，频率范围较广。单片机的内部时钟方式由外接的一只晶振和两只起振电容，以及单片机内部的时钟电路组成，频率范围有限，晶振的频率越高，单片机处理数据的速度越快，系统功耗也会相应增加，稳定性也会下降。单片机系统常用的晶振频率有6MHz、11.0592MHz、12MHz。本系统采用11.0592MHz晶振，电容选22pF或30pF均可。本系统采用内部时钟方式电路。

3.3  八段LED数码管显示电路

LED数码管显示器是由发光二极管显示字段的MCS-51单片机输出设备。LED数码管的结构简单，分为七段和八段两种形式，也有共阳和共阴之分。LED数码管显示器可以分为共阴极和共阳极两种结构。

LED灯的显示原理：通过同名管脚上所加电平的高低来控制发光二极管是否点亮而显示不同的字形。以共阴极结构为例，如dp，g,f,e,d,c,b,a管角上加上7FH，因此dp上为0v，则二极管全亮显示为8。采用共阴极连接驱动代码，代码见表3.3。

表3.3　驱动代码表

3.4  红外对管检测电路

车辆检测传感器的类型主要有压力检测器、磁感应式检测器、超声波检测器、红外对管检测器、雷达检测器等。每种传感器都各有优缺点，本设计中采用红外对管检测器作为检测车流量和闯红灯车辆的检测器件[22]。

3.5  驱动和放大电路

常用的驱动芯片有同相驱动芯片和反相驱动芯片。

74LS244为3态8位同相缓冲器，一般用作总线驱动器。地址锁存器就是一个暂存器，它根据控制信号的状态，将总线上地址代码暂存起来。它主要用于三态输出，作为地址驱动器，时钟驱动器和总线驱动器，定向发送器等[23]。当片选信号为低电平时，输入和对应的输出同相；当片选信号为高电平时，其对应的输出截止，为高阻态。

74LS244真值表见表3.4。

表3.4　74LS244真值表

    根据本设计的特点，红绿灯的显示不可少，红绿灯的显示采用普通的发光二极管。每个方向上设置红绿黄灯，总共4组。如果东西红灯亮，那南北方向就是绿灯亮，反之亦然，所以在硬件上连接图上也是对称分布的。

    在本设计中，实际控制的灯只有6个，即：东西红灯，东西绿灯，东西黄灯，南北红灯，南北绿灯，南北黄灯。其中均是低电平有效。

共有3钟状态：东西红灯亮，南北绿灯亮（EEH）；东西黄灯亮，南北黄灯亮（DBH）；东西绿灯亮，南北红灯亮（F5H）。

括号中是PA端口8个引脚值PA0,PA1,PA2,PA3,PA4,PA5,PA6,PA7对应的十六进制码。

在用于显示发光二极管时，直接由MOV指令将十六进制码送入P0口。刚才的3个状态是依次变换的，这就要涉及到状态的判断和衔

第四章系统软件设计

设计的全部控制程序实际上分为若干子程序：T0中断子程序，东西、南北路口红外检测中断子程序，1ms延时子程序，时间显示子程序，黄灯闪烁5s子程序，检测车流量与显示子程序，报警子程序等。

4.1  1秒的设定和T0定时器

延时方法可以有两种一中是利用MCS-51内部定时器才生溢出中断来确定1秒的时间，另一种是采用软延时的方法。本设计采用T0定时器方法来设定1S时间。其中T0定时又有两种方法：中断和查询。这里采用T0定时器中断方法。

（1）定时器工作原理

定时器工作的基本原理其实就是给初值，让它不断加1直至减完为模值，这个初值是送到TH和TL中的。它是以加法记数的，并能从全1到全0时自动产生溢出中断请求。因此，我们可以把计数器记满为零所需的计数值，即所要求的计数值设定为C，把计数初值设定为TC可得到如下计算通式[14]：                                                                  （4.1）

式中：M为计数器模值。计数值并不是目的，目的是时间值，设计1次的时间，即定时器计数脉冲的周期为，它是单片机系统主频周期的12倍，设要求的时间值为T，则有。计算通式变为：

                                          （4.2）

模值和计数器工作方式有关。在方式0时M为8192；在方式1时M的值为65536；在方式2和3为256。就此可以算出各种方式的最大延时。如单片机的主脉冲频率为12MHZ，经过12分频后，若采用方式0最大延时只有8.129毫秒，采用方式１最大延时也只有65.536毫秒。这就是为什么扫描周期为50ms的原因，

（2）1秒的方法

我们采用在主程序中设定一个初值为20的软件计数器和使T0定时50毫秒．这样每当T0到50毫秒时CPU就响应它的溢出中断请求，进入他的中断服务子程序。在中断服务子程序中，CPU先重装入定时器初值，再使软件计数器减1，然后判断它是否为零，为零表示1秒已到可以返回到输出时间显示程序。

1）主程序：　    

定时器需定时50毫秒，故T0工作于方式1。初值：

＝216　－50ms/1us=15536=3CBOH

         ORG 1000H

START:  MOV TMOD,#01H    ;令T0为定时器方式1

         MOV TH0,#3CH      ;装入定时器初值

         MOV TL0,#0BOH　　 ;

         MOV IE,#82H         ;开T0中断

         SETB TR0　　　　   ;启动T0计数器

         MOV RO,#14H　　　 ;软件计数器赋初值

LOOP:　SJMP $　　　　　   　;循环等待中断

2）T0中断服务子程序：

　　　　ORG 000BH

        AJMP BRTO

        ORG 0300H

BRTO:  MOV TH0,#3CH      ;重装入定时器初值

        MOV TL0,#0BOH　　;

        DJNZ R0,NEXT

        MOV R0,＃14H　   ;恢复R0值

        AJMP TIME         ;跳转到时间及信号灯显示子程序

NEXT:　RET1

        END

4.2  东西、南北路口红外检测中断子程序

本系统主要使用了外部中断，中断信号有引脚INT0和INT1输入，低电平有效，CPU每个时钟周期都会检测INT0和INT1上的信号，C51允许外部中断以电平方式或负边沿方式两种中断方式输入中断请求信号，可由用户通过设置TCON中IT0和IT1位的状态来实现。以IT0为例，IT0=0，为电平触发方式，IT0=1，为负边沿触发方式，本设计采用边沿触发方式，IE0为其中断标志位，有中断信号则置位，中断服务子程序响应后，IE0自动清零。IE中的EA为允许中断的总控制位，为1开启，EX0为外部中断允许控制位，为1开启。

4.3  黄灯闪烁5s子程序

本设计中首先赋5s初值，其中关键的设计是使黄灯持续亮0.5s，再持续灭0.5s的方法。利用T0定时器中断，每中断一次是50ms，并使R4中的数值加1，则当R4=10时，正好是0.5s，再利用循环指令，判断R4是否等于10，若等于则出循环；否则反复循环，使黄灯持续亮或灭0.5s，即达到闪烁效果。

4.4  检测车流量与显示子程序

本子程序中，首先要对断点进行保护，以防止显示车流量时改变原绿灯初始值。当绿灯时间有车辆经过时，车流量计数值加1，当车流量低于或等于99时，双位数码管可以显示，按下S11键显示东西方向车流量，按下S12键显示南北方向车流量；当车流量高于99时，双位数码管无法显示，返回调用处重新计入。

4.5  报警子程序

本设计中首先赋报警时间3s初值，每秒钟使其值减1，直到减为0，在其期间并判断红灯倒计时是否完毕，因为倒计时完毕时，黄灯闪烁，不需要再报警；否则启动蜂鸣器报警，警告有车辆或行人闯红灯，这样交警可以采取相应的措施对闯红灯者惩罚。

第五章结 论

   本设计以MSC-51系列单片机为核心，充分利用了ATC51和8255A芯片的I/O引脚，以LED数码管作为倒计时指示，该设计很好地完成了设计的各项要求，主要体现如下：

    主干道和次干道可以分开设置时间功能，使控制更加灵活；

    以上所有功能均在城市交道口模型上得到很好地实现，该设计在确保功能实现的基础上，充分考虑了控制系统操作方便、可靠性高、稳定性好等要求。该设计的交通灯控制器，实现了能根据实际车流量通过ATC51芯片的P1口设置红、绿灯燃亮时间的功能；车辆闯红灯报警；红绿灯循环点亮，倒计时剩5秒时黄灯闪烁警示；绿灯时间可检测车流量并可通过双位数码管显示。并通过“看门狗电路”来提高单片机系统的抗干扰性，使控制器更加稳定可靠。通过这次毕业设计，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题全面的系统的锻炼。使我在单片机的基本原理、单片机应用系统开发过程，以及在常用编程设计的思路技巧，特别是对汇编语言的掌握方面能向前迈了一大步，为日后成为合格的应用型人才打下了良好的基础。

   该毕业设计虽然结束了，但由于时间、设备、条件和水平等各方面因素，还存在一些不足，还需要不断改进，当然也就需要学习并运用更多相关的知识。

参考文献

 [1] 刘智勇，智能交通控制理论及其应用[M]，北京，科学出版社，2008

[2] 史忠科，黄辉生等，交通控制系统导论[M，．北京，科学出版社，2007

[3] 陆化普，智能运输系统[M]，北京，人民交通出版社，2010

[4] 余发山，单片机原理及应用技术[M]，徐州，中国矿业大学出版社，2007

[5] 朱善君，孙新亚，吉吟东，单片机接口技术与应用[M]，北京，清华大学出版社，2008

[6] 张毅坤，单片微型计算机原理及应用[M]，西安，电子科技大学出版社2007