基于单片机的智能交通灯控制器设计毕业设计.docx

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基于单片机的智能交通灯控制器设计毕业设计

电子系统设计综合训练

智能交通灯控制系统设计与实现

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

智能交通灯控制器系统设计

摘要:

设计并制作了一款基于STC89C52单片机芯片的智能交通信号灯控制系统。

该系统除了具有交通灯控制功能外,还增加了在夜间智能模式下用红外检测小车的检测功能，实现了普通模式和智能模式任意切换、主次通道通行时间和等待时间的任意修改。

提高了交通灯的智能化、可靠性和实用性,可有效提高交叉口的通行能力。

交通灯控制系统由硬件和软件两部分组成，其中系统的硬件有信号灯设计、时间显示电路设计、按键电路设计和单片机基本系统；系统的软件包括主程序、显示子程序、中断服务子程序等。

采用Proteus平台对交通灯控制系统进行了虚拟仿真，并进行了硬件电路的安装与测试。

软硬件测试结果表明交通灯控制系统具有交通控制的基本功能。

关键词:

STC89C52单片机；交通灯；虚拟仿真

Controllersystemdesignofintelligenttrafficlights

Abstract:

ThethesisdesigntrafficlightcontrolsystembasedonSTC89C52MCU.Inadditiontofundamentalfunctionsoftrafficlights,italsohasfunctionsofinfraredcontroldetecting,anditcometurethenormalmodeandintelligentmodelofarbitraryswitching,primaryandsecondarychannelpassingtimeandwaitingtimeanymodificationfunctions.UsingMCUfortrafficlightscontrolcanimprovetheintelligencereliabilityandpracticalityoftrafficlight.Soitcanimprovethetrafficcapacityatcrossings.Thehardwaresystemincludeslightdesign,timedisplaycircuitdesign,keycircuitdesignandbasicsystemofmicroprogrammedcontrolunit.Systemsoftwareincludesmainprogram,displaysubroutine,interruptservicesubroutine,etc.ByusingtheProteusplatformforvirturalsimulationoftrafficlightscontrolsystem,andmakestheinstallationandtestingofhardwarecircuits.Softwareandhardwaretestresultsshowthatthebasicfunctionoftrafficlightcontrolsystemwithtrafficcontrol.

Keywords:

STC89C52MCU;trafficsignal;virturalsimulation

第1章绪论

1.1课题的意义和目的

随着世界范围内城市化和机动化进程的加快，城市交通越来越成为一个全球化的问题。

简单的十字路口交通灯已经不能适应车流量越来越大的实际情况，交通控制研究的发展，旨在解决人类交通因需求的增多而日益繁重带来的问题，局限于道路建设的暂时不足和交通工具的快速增长，就要使更多的车辆安全高效的利用有限的道路资源，避免因无序和抢行等无控制原因造成的不必要阻塞甚至瘫痪，另外，针对整个交通线路车辆的多少适时调整和转移多条线路的分流也十分必要。

所以这就需要一个更为合理和智能且成本不高的路口交通灯控制系统。

智能交通灯指挥着人和各种车辆的安全运行，实现红、黄、绿灯的自动指挥是城乡交通管理现代化的重要课题。

在城乡街道的十字交叉路口，为了保证交通秩序和行人安全。

一般在每条道路上各有一组红、黄、绿交通信号灯，其中红灯亮，表示该条道路禁止通行；黄灯亮，表示该条道路上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行；绿灯亮，表示该条道路允许通行。

交通灯控制电路自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换，指挥各种车辆和行人安全通行，实现十字路口城乡交通管理自动化。

1.2课题的研究内容

本课题以单片机STC89C52芯片为中心来实现智能交通灯控制系统。

设计内容是由一条主干道和一条支干道的汇合点形成十字交叉路口，为确保车辆安全迅速通过，在交叉路口的每个入口处设置了红、绿、黄三色信号灯，红灯亮代表禁止通行，绿灯亮代表允许通行，黄灯亮则代表给行驶中的车辆有时间停靠到禁行线之外。

1.3课题的任务要求

设计制作一个以控制器作为核心的十字路口的智能交通灯控制电路。

由一条主干道和一条支干道的汇合点形成十字交叉路口，为确保车辆安全迅速通过，在交叉路口的每个入口处设置了红、绿、黄三色信号灯，红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停靠到禁行线之外，设计要求如下：

①．用红、绿、黄三色发光二极管作为信号灯，利用传感器或开关模拟检测车辆是否到来，设计制作一个交通灯控制器。

②．交通灯控制器有两种工作模式，工作模式1为正常定时工作模式，工作模式2为智能工作模式。

③．在正常定时模式时，主道与支道交替允许车辆通行，主干道每次放行15秒，支干道每次放行10秒；并且每次由亮绿灯转变成亮红灯的转换过程中间，要亮4秒的黄灯作为过渡，以使行驶中的车辆有时间停到禁止线以外；系统设立显示器显示其所有计时时间。

④．在正常定时模式时，允许通过键盘对主道、支道的车辆通行时间进行人工修改；

⑤．在正常定时模式时，通过PC机可以方便地进行对主、支干道的通行时间进行修改。

系统所有功能，均能够通过上位PC主机对其操作修改与实时动态显示（PC主机端可利用高级语言进行人机界面设计）。

⑥．在智能工作模式时，主干道处于常允许通行状态，而支干道有车来才允许通行。

当主干道允许通行亮绿灯时，支干道亮红灯。

而支干道允许通行亮绿灯时，主干道亮红灯。

但每次由亮绿灯转变成亮红灯的转换过程中间，要亮4秒的黄灯作为过渡。

第2章系统方案设计

2.1系统方案设计

方案一：

系统以单片机为数据处理中心，外接晶振电路与复位电路使单片机工作，通过按键电路可以设置信号灯的工作时间，系统工作时，通过单片机控制计时显示电路和信号灯显示电路，来显示系统工作状态。

系统通过通信接口与PC主机完成数据通信功能。

该方案的系统结构框图如图1所示。

图1方案一系统结构框图

方案二：

系统以FPGA最小系统为数据处理核心。

通过按键电路可以设置信号灯的工作时间，通过FPGA最小系统控制计时显示电路和信号灯显示电路来显示系统工作状态。

系统通过通信接口与PC主机完成数据通信功能。

该方案的系统结构框图如图2所示。

图2方案二系统结构框图

2.2方案的选择与论证

2.2.1方案的比较与论证

方案一采用了单片机作为系统控制核心。

它的优点是成本低，经济实惠，易于获取，它可以用C语言或汇编语言进行软件编程，我们对于这些语言也较为熟悉。

它的缺点是易受外围器件影响导致抗干扰能力下降，对环境依赖性也增强。

方案二采用了FPGA作为系统控制核心。

它的优点是设计灵活，I/O接口多，能连接较多的外围电路，使系统实现更多的功能。

它的缺点是成本较高，其程序编写采用VHDL语言，比较复杂。

综合以上的优缺点，进行比较，使用方案一能完成本系统要求的功能，并且单片机的性价比最高，在当前实验下使用它最合理，最终选择方案一来完成本系统的设计。

2.2.2系统结构实现框图设计

该智能交通灯控制系统以单片机为核心，以发光二极管模块、数码管显示模块、4*4矩阵键盘为外围电路，实现基本的交通灯控制，同时具有联机功能，实现计算机控制该模拟系统，总体系统框图如图3所示。

方案具体说明如下：

（1）系统控制模块：

采用单片机控制芯片，它是一种低功耗、高性能的微型控制器，可以通过内部的定时器控制红黄绿灯亮灭、接受检测信号和设定时间，外接口亦能方便的输出控制信号。

（2）路口交通灯模块：

该模块主要用来显示车辆通行状况。

选用高亮度的红、黄、绿发光二极管，通过单片机外部输出I/O口指示各方向车辆通行情况。

（3）数码管显示模块：

在交通灯上方安装一个显示绿灯通行时间、红灯等待时间和黄灯提醒时间的显示电路，采用数码管显示电路比较直观。

（4）电源模块：

由于整个系统采用的电源电压只需+5V，故利用实验室的直流电源直接供电。

（5）矩阵键盘：

用于本地设定时间，正常模式和智能模式的切换。

第3章系统各模块的硬件设计

该系统能够真实地模拟交叉路口交通灯的指挥作用。

在系统中设置了两组红、黄、绿信号灯，其中南北主通道的一组信号灯用来指挥南北方向道路上的车辆通行，还有一组东西次通道的信号灯用来指挥东西方向道路上的车辆通行。

为了能够直观的显示红、黄、绿灯分别等待的时间，该系统配置了四个LED数码管，其中前两个数码管用来显示主通道的红、黄、绿信号灯的等待时间，后两个数码管用来显示次通道的红、黄、绿信号灯的等待时间。

时间的显示采用倒计时的显示方式，并且主次通道上的绿、黄灯的等待时间可以通过4*4的矩阵键盘中前0～9个键来修改（前0～9个键的键值对应的就是0～9）。

总的来讲，该系统主要包括以下五个模块：

电源模块、信号灯模块、显示电路模块、单片机控制模块、按键电路模块。

3.1电源模块设计

STC单片机USB下载线原理图，也可以用USB口和电脑进行串口通信PL-2303hx的USB转TTL电平串口的电路。

如图3-1所示。

1）电脑的原有的串口，叫作RS232接口，这是一种cmos接口，接口电压从-15v到+15v之间，而单片机C51都是TTL电平，电平电压只用0v或是5v两种。

用这个电脑做出来的就是单片机上用的TTL电平，所以，不要再接MAX232芯片了。

这是它的一大好处。

2）电路可以提取出USB接口的+5v电压，正好用于C51单片机的使用，非常方便。

另外PL-2303hx还能对外提供一个+3.3v的电压，这个电压，对于AVR单片机，非常合适。

图3-1USB-TTL下载器原理图

3.2交通灯模块设计

3.2.1信号灯模块设计

信号灯模块可模拟控制十字路口的车辆通行和暂停情况。

每个方向均有红、黄、绿三个发光二极管，用来指挥各个方向上车辆的通行情况。

在实验中，我设定南北方向为主通道，东西方向为次通道，且主、次通道信号灯的转换顺序均为：

绿—>黄—>红；红—>绿。

绿灯表示允许通行；红灯表示禁止通行；黄灯表示等待时间，虽然红灯和黄灯时间可任意修改，但等式T主红=T次黄+T次绿与等式T次红=T主黄+T主绿恒成立。

主通道的信号灯接单片机的P2.3～P2.5口，次通道的信号灯接单片机的P2.0～P2.2口。

当单片机端口为低电平时二极管导通。

其原理图如图3-2所示。

北

图3-2信号灯模块原理图

图3-2中的电阻起限流作用，发光二极管的工作电压一般在2～3.6V，工作电流为10mA以下，设定工作电压为3V，工作电流为10mA，因为单片机I/O口电压为5V，故限流电阻应取200Ω左右，本设计取标称值300Ω，从而较好的达到了限流的目的。

3.2.2倒计时显示模块设计

倒计时显示系统的主要功能是对红、黄、绿灯的延时时间进行倒计时，并通过数码管直观的显示，从而给车辆驾驶员以提示。

这里使用4个共阴极的7段数码管SM420364作为显示设备，主次通道分别占用两个数码管。

一个显示十位，一个显示个位，且显示方式采用动态扫描方式。

由于东、西方向的信号灯状态一致，所以东、西方向只需一对数码管用于倒计时显示。

同理，南、北方向也只需一对数码管。

所以，在系统中只需要考虑四位数码管显示电路，其中东西方向两位，南北方向两位，两位数码管可以显示时间的范围为0~99秒完全可以满足系统的要求，数码管显示模块原理图如图3-3所示。

图3-3数码管显示模块原理图

数码管的段选位接在单片机的P0口，由于STC89C52单片机的P0口内部没有上拉电阻，驱动电流很小，同时数码管需要较大的驱动电流，因此需要接上拉电阻。

数码管的位选采用9013三极管，由于数码管中每段LED的驱动电流为10mA左右，8段就为80mA，因此三极管集电极电流为80mA。

设定9013的放大倍数是200，则三极管的基极电流为0.4mA，单片机I/O口电压为5V，故9013基极可以取10kΩ的电阻，使三级管工作在放大状态，从而驱动数码管工作。

3.3单片机控制模块设计

单片机是由运算器、控制器、存储器、输入设备以及输出设备共五个基本部分组成的。

单片机是把包括运算器、控制器、少量的存储器、最基本的输入输出口电路、串行口电路、中断和定时电路等都集成在一个尺寸有限的芯片上。

通常，单片机由单个集成电路芯片构成，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。

在STC89C52中有四个双向I/O端口P0～P3口，每个端口都是由锁存器、输出驱动器、输入缓冲器组成。

当CPU控制系统与外部设备交换信息时，都是通过端口锁存器进行的。

四个I/O端口都可作输出输入使用，其中P0和P2口通常用于对外部存储器的访问。

接通锁存器时，P0口作为双向I/O使用，如P0口的锁存器的值为1，使输出驱动器中的场效应管截止，引脚空，此时端口可作高阻输入。

锁存器的值为0时，下面的场效应管导通，输出为0。

P0口作为地址/数据总线口使用时，由“控制”线控制将电子开关接通至“地址/数据”端，分别输出扩展外存的低8位地址A0～A7和数据D0～D7。

一般情况下，当P0口作输入输出线使用时，都要外接拉高电阻。

在P1、P2、P3端口内，都接有内部上拉电阻，此上拉电阻分为固定部分和附加部分，当端口的状态要从0变为1时，在发生变化的哪个机器周期的S1P1和S1P2接通附加的拉高电路以增加变化的速度，否则这个状态的变化将十分缓慢。

附加的拉高电路允许通过的电流比普通的上拉电阻大100倍。

STC89C52有40条引脚，分为端口线、电源线和控制线三类。

如图3-4为STC89C52的引脚结构图：

图3-489C52引脚图

3.3.1单片机时钟电路设计

89C52的外接晶体引脚为XTAL1和XTAL2，MCS-51的时钟可以利用它内部的振荡器产生，只要在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时反馈电路，内部振荡器便自激振荡，产生时钟输出到内部的定时控制逻辑。

定时反馈电路一般为石英晶振和电容组成的并联回路。

这种方式称为内部方式，这种方式的外部元件连接如图3-5所示。

如果振荡器已起振，则在XTAL2引脚上输出3V左右的正弦波。

图3-5时钟电路

3.3.2单片机复位电路设计

单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。

89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。

当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期（24个振荡周期）以上，则CPU就可以响应并将系统复位。

单片机系统的复位方式有：

手动按钮复位和上电复位。

本设计采用手动按钮复位，需要人为在复位输入端RST上加入高电平。

一般采用的办法是在RST端和正电源Vcc之间接一个按钮。

当人为按下按钮时，则Vcc的+5V电平就会直接加到RST端。

手动按钮复位的电路如所示。

由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，完全能够满足复位的时间要求。

根据实际操作的经验，下面给出这种复位电路的电容、电阻参考值。

C=10uF，Rl=10K,R2=1K，如图3-6所示。

图3-6复位电路

3.4按键电路模块设计

本系统需要的按键数量较多，为了减少I/O口的占用，将按键排列成矩阵形式，如图3-7所示。

在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。

这样，一个端口（如P1口）就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。

图3-7矩阵键盘

矩阵键盘的工作过程可分为两步：

第一步是CPU首先检测键盘上是否有键按下；第二步是识别