单片机 交通灯设计资料.docx

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单片机交通灯设计资料

摘要

根据STC10F04单片机的特点及交通灯在实际控制中的特点，本文提出一种用单片机自动控制交通灯及时间显示的方法。

同时给出了软硬件设计方法，设计过程包括硬件电路设计和程序设计两大步骤，对在单片机应用中可能遇到的重要设计问题都有涉足。

本文对十字路口状态预设为三种，一种是正常状态，一种是紧急状态，另一种是方程式状态。

增设路段遇忙调整时方程式控制状态和紧急情况处理模块，通过手动控制开关按钮A0和A1方便系统在正常状态和紧急状态、方程式控制间来回切换，进一步完善了交通灯控制系统。

并分别用红、黄、绿灯的不同组合来指挥两个方向通车与禁行，用LED数码管作为倒计时指示，实时的控制当前交通灯时间使LED显示器进行倒计时工作并与状态灯保持同步，在保持交通安全的同时最大限度的提高交通能顺畅交替运行。

本文介绍了控制基本原理以及控制的表现，同时，论述了系统中交通现状、交通管理、交通规则及背景信息。

关键词：

自动控制，时间显示器，外部中断，延时，方程式控制

Abstract

Accordingtothecharacteristicsofsingle-chipSTC10F04andtrafficlightsintheactualcontrolofthecharacteristicsofthispaper,asingle-chipautomaticcontrolwithtrafficlightsandthemethodoftimedisplay.Atthesametime,giventhehardwareandsoftwaredesignmethodology,designprocess,includingthehardwarecircuitdesignandprogramdesigntwomajorstepsinthesingle-chipapplicationsthatmaybeencounteredinthedesignoftheimportantissuesareinvolved.Inthispaper,thedefaultstateofthecrossroadsforthree,oneisthenormalstateisastateofemergency,andtheotherisastateformula.AdditionalsectionsofbusystatusadjustmentformulaandanemergencycontrolmoduleThroughthemanualcontrolswitchbuttonconvenienceA0andA1systeminthenormalstateandastateofemergency,theequationbetweenthecontrolswitchbackandforth,andfurtherimprovethetrafficlightcontrolsystem.Andwerered,yellowandgreenlighttodirectdifferentcombinationsoftrafficinbothdirectionsandcut-line,withLEDdigitaltubeasacountdowntotheinstructions,real-timecontrolofthecurrenttimefortrafficlightstoLEDcountdowndisplayworkandtokeeppacewiththestateoflightinthetomaintainsafetywhileminimizingtheincreaseintraffictoalternaterunningsmoothly.Thispaperintroducesthebasicprinciplesofcontrol,aswellastheperformanceofcontrolatthesametime,trafficonthesystemstatus,trafficmanagement,trafficregulationsandbackgroundinformation.

Keywords:

automaticcontrol;timedisplay;externalinterrupt;delay;controlequation

1绪论

1.1交通灯研究的背景和意义

交通是城市经济活动的命脉，对城市经济发展、人民生活水平的提高起着十

分重要的作用。

城市交通问题是困扰城市发展、制约城市经济建设的重要因素。

城市道路增长的有限与车辆增加的无限这一对矛盾是导致城市交通拥挤的根本原因。

城市街道网络上的交通容量的不断增加，表明车辆对道路容量的要求仍然很高，短期内还不可能改变。

自从开始使用计算机控制系统后，不管在控制硬件里取得什么样的实际进展，交通控制领域的控制逻辑方面始终没能取得重大突破。

可以肯定的说，对于减轻交通拥塞及其副作用一特别是对于大的交通网络而言，仍然缺乏一种真正的交通响应控制策略。

计算机硬件能力与控制软件能力很不相符，由此造成的影响是很多交通控制策略根本不能实现。

在少数几个例子中，一些新的控制策略确实能得以实现，但他们却没能对早期的控制策略进行改进。

由于缺乏能提高交通状况、特别是缺乏拥塞网络交通状况的实时控制策略，几乎可以说真正成熟的控制策略仍然不存在.智能化和集成化是城市交通信号控制系统的发展趋势和研究前沿，而针对交通系统规模复杂性特征的控制结构和针对城市交通瓶颈问题并代表智能决策的阻塞处理则是智能交通控制优化管理的关键和突破口。

因此，研究基于智能集成的城市交通信号控制系统具有相当的学术价值和实用价值。

把智能控制引入到城市交通控制系统中，未来的城市交通控制系统才能适应城市交通的发展。

从长远来看该研究具有巨大的现实意义。

1.2交通灯国内外发展概况

随着经济的发展，城市现代化程度不断提高，交通需求和交通量迅速增长，城市交通网络中交通拥挤日益严重，道路运输所带来的交通拥堵、交通事故和环境污染等负面效应也日益突出，逐步成为经济和社会发展中的全球性共同问题。

交通问题已经日益成为世界性的难题，城市交通事故、交通阻塞和交通污染问题愈加突出。

为了解决车和路的矛盾，常用的有两种方法：

一是控制需求，最直接的办法就是限制车辆的增加；二是增加供给，也就是修路。

但是这两个办法都有其局限性。

交通是社会发展和人民生活水平提高的基本条件，经济的发展必然带来出行的增加，而且在我国汽车工业正处在起步阶段的时期，因此限制车辆的增加不是解决问题的好方法。

而采取增加供给，即大量修筑道路基础设施的方法，在资源、环境矛盾越来越突出的今天，面对越来越拥挤的交通，有限的源和财力以及环境的压力，也将受到限制。

这就需要依靠除限制需求和提供道路设施之外的其他方法来满足日益增长的交通需求。

交通系统正是解决这一矛盾的途径之一。

智能交通系统是将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、电子控制技术及计算机处理技术等有效的集成运用于整个地面交通管理系统而建立的一种在大范围内、全方位发挥作用的实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。

对城市交通流进行智能控制，可以使道路畅通，提高交通效率。

合理进行交通控制可以对交通流进行有效的引导和调度，使交通保持在一个平稳的运行状态，从而避免或缓和交通拥挤状况，大大提高交通运输的运行效率，还可以减少交通事故，增加交通安全，降低污染程度，节省能源消耗，本文就是通过对交叉路口交通信号的智能控制，达到优化路口交通流的目的

进入20世纪70年代，随着计算机技术和自动控制技术的发展，以及交通流理论的不断完善，交通运输组织与优化理论和技术水平不断提高，控制手段越来越先进，形成了一批商水平有实效的城市道路交通控制系统。

早在1977年，Pappis等人就将模糊控制运用到交通控制上，通过建立规则库或是专家系统对各种交通状况进行模糊控制，并取得了很好的效果。

近年来，欧美日本等相继建立了智能交通控制系统。

在这些系统中，大部分都在路口附近安装磁性环路检测器，还使用了新型检测器等技术和设备。

这些现代化设备技术加上控制理论和现代化科学管理技术，使得交通控制系统日益完善。

随着一些研究控制理论的学者投身到交通控制的研究中，在交通信号控制领域提出了一些新方法、新思路。

如静态多段配时控制、准动态多段配时控制、最优控制、大系统递阶控制、模糊控制、神经网络控制，网络路由控制等。

模糊交通控制已经成为了交通信号控制的主流方向之一。

国内外很多学者都进行了此类研究。

交通系统作为一个时变的、具有随机性的复杂系统，传统的人为设定多种方案或是建立各种预测模型均比较困难。

城市交通控制研究的起源比较早。

1868年，英国伦敦燃汽信号灯的问世，标志着城市交通控制的开始。

1913年，在美国俄亥俄州的Cleveland市出现了世界上最早的交通信号控制。

1926年美国的芝加哥市采用了交通灯控制方案，每个交叉口设有唯一的交通灯，适用于单一的交通流。

从此，交通控制技术和相关的控制算法得到了发展和改善，提高了交通控制的安全性、有效性，并减少了对环境的影响。

虽然模糊控制能有效处理模糊信息，但是产生的规则比较粗糙，利用规则表查表进行控制，运算速度虽然比较快，但没有自学习功能。

而且这些研究有些以相序固定为前提。

不能保证相序与实际交通流状况的一致性，影响了绿灯时间的利用率。

有些研究则提出了可变相序的模糊控制方法，提高了绿灯时间的利用率，弥补了相序固定的缺点，但同时也存在一些不足。

例如目前应用比较好的交通系统：

SCOOT（经典交通系统），他们都是主要采用统计模型和经典算法。

但城市交通系统是一个复杂的、随机性很强的巨型系统，要想建立实用性较强的数学模型是十分困难。

利用模糊控制智能控制技术进行交叉口信号灯控制能取得比定时控制与感应控制更好的效果，是今后单交叉路口信号灯控制的主要研究方向。

2系统工作原理及设计方案

2.1交通灯的工作原理

采用单片机的I/O口P1、P2和P3.6、P3.7直接和交通灯连接，P0、P4口通过限流电阻和三极管接LED数码管。

控制程序放在STC10F04单片机的ROM中，在十字路口的四组红、黄、绿交通灯中，由单片机P1.0-P1.7,P2.0-P2.7和P3.6、P3.7控制，由于交通灯为发光二极管且阳极通过限流电阻和电源正极连接，因此I/O口输出低电平时，与之相连的相应指示灯会亮，并通过LED数码管显示时间倒计时。

I/O输出高电平时，相应指示灯会灭。

紧急车请求通过的信号由人工控制，以中断方式输入单片机，无紧急车通过时，中断引脚INT0（P3.2）通过电阻和电源正极连接为高电平，不产生中断，单片机执行主程序，有紧急车通过时，中断引脚INT0（P3.2）采用人工方法接地为低电平，产生中断请求，单片机执行中断服务程序，让紧急车通过，紧急车通过后，中断引脚INT0（P3.2）变为高电平，返回主程序。

方程式控制通过的信号由人工控制，以中断方式输入单片机，不需调整周期时，中断引脚INT1（P3.3）通过电阻和电源正极连接为高电平，不产生中断请求，单片机执行主程序，当车辆多需要增加主干道通车时间时，中断引脚INT1（P3.3）采用人工方法接地为低电平，产生中断请求，单片机执行中断服务程序，系统以方程式控制，按一次开关按钮A1执行方程式A，按两次开关按钮A1时执行方程式B，按三次开关按钮A1时执行方程式C。

当按四次时，中断引脚为高电平，返回主程序。

2.2交通灯总体设计方案

目前设计交通灯的方案有很多，有应用CPLD实现交通信号灯控制器的设计，有应用PLC实现对交通灯控制系统的设计。

有应用单片机实现对交通信号灯设计的方法。

由于STC10F04单片机自带有2个计数器，6个中断源，能满足系统的设计要求。

用单片机设计不但设计简单，而且成本低。

用其设计的交通灯也满足了要求，所以本文采用单片机设计交通灯。

设计一个十字路口交通灯控制电路，根据设定好的周期时间能够指挥车辆在十字路口完成左转和直行交替运行。

在相同的时间里提高通车的质量、效率。

并能在高峰期根据实际状况结合方程式控制按钮来调整主次干道的通车时间，降低交通拥挤堵塞现象。

并使交通控制系统具有紧急控制，使救护车、救护车通过时，使两个方向均亮红灯，救护车和消防车通过后，恢复原来状态，增加对出现特殊情况的处理能力。

采用STC10F04单片机作为控制器，通行倒计时显示采用LED数码管，通行指示灯采用发光二极管，LED显示采用动态扫描，以节省端口数。

特殊紧急车辆通行采用实时中断完成。

车流量变大时，可通过方程式开关控制按钮A1改变十字路口各个方向的通车时间，使交通更顺畅，减少堵塞。

按以上系统构架设计，STC10F04单片机端口刚好满足要求。

该系统具有电路简单，设计方便，耗电较少，可靠性高等特点。

紧急情况用外部中断INT0控制，紧急情况结束后，再发一个终端来恢复以前的状态。

方程式控制开关按钮由外部中断INT1来控制，当不同时段，车流量增加的程度不一样时，可通过方程式控制按钮开关的A、B、C三个状态来选择合适的周期。

（1）各个方向除了要有红、黄、绿灯指示外，每一种灯亮的时间都用数码管显示器进行显示（采用倒计时的方法）。

（2）正常状态下主干道通车时间为35s，次干道通车时间为20s。

（3）车流量增大时通过方程式控制按钮手动控制延长主干道通车时间，有三个方程式，分别为A、B、C方程。

（4）红、绿信号灯转换时，需亮3s的黄灯作为过渡，以使行驶中的车辆有时间停靠到禁行线以外。

（5）特殊状态的功能显示，进入特殊状态时（如119救火车，或120救护车通过时），则东西、南北方向均显示红灯状态

1）显示器闪烁；

2）计数器停止计数并保护数据；

3）东西、南北路口均显示红灯状态；

4）特殊状态结束后，恢复现场数据继续控制十字路口；

S0：

南方向绿灯亮，东、西、北三个方向亮红灯35秒。

S1:

南方向的绿灯灭，东、西方向的红灯继续亮，同时南、北两个方向的黄灯亮3秒。

S2：

南北方向的黄灯灭。

南方向红灯亮，东、西两个方向红灯继续亮，同时北方向绿灯亮持续35秒。

S3:

北方向的绿灯灭。

南方向继续红灯亮，同时北方向跟东、西方向黄灯亮持续3秒。

S4：

东西北三个方向黄灯灭。

北方向红灯亮，同时东、西方向绿灯亮持续20秒。

S5：

东西方向绿灯灭。

北方向继续红灯亮，同时东西南三个方向黄灯亮持续3秒。

出现特殊情况时（如119救火车，或120救护车通过时）按下按钮A0进入状态S7，两个方向都亮起红灯，持续10秒。

特殊车顺利通过后，恢复原状态。

上下班高峰期时可按下按钮A1进行相应的调整。

总共有A、B、C三种方程式控制，具体如下：

1）按一次A1开关按钮时，系统以A方程式来控制交通灯系统。

南北两个方向的通车时间延长15秒，即50秒。

东西方向通车时间不变，为20秒。

2）按两次A2开关按钮时，系统以B方程式控制交通灯系统。

南北两个方向的通车时间延长25秒，即为60秒。

东西方向的通车时间延长10秒，即为30秒。

3）按两次A2开关按钮时，系统以C方程控制交通灯系统。

南北两个方向的通车时间不变，还是为35秒。

东西两个方向的通车时间延长15秒，即为35秒。

表2.1状态表

状态

南方向

北方向

东西方向

有效时间状态

红

黄

绿

红

黄

绿

红

黄

绿

S0

1

1

0

0

1

1

0

1

1

35

S1

1

0

1

1

0

1

0

1

1

3

S2

0

1

1

1

1

0

0

1

1

35

S3

0

1

1

1

0

1

1

0

1

3

S4

0

1

1

0

1

1

1

1

0

20

S5

1

0

1

0

1

1

1

0

1

3

S6

1

1

0

0

1

1

0

1

1

35

S7

0

1

1

0

1

1

0

1

1

10

S8

1

1

0

0

1

1

0

1

1

A50

S9

1

0

1

1

0

1

0

1

1

A3

S10

0

1

1

1

1

0

0

1

1

A50

S11

0

1

1

1

0

1

1

0

1

A3

S12

0

1

1

0

1

1

1

1

0

A20

S13

1

0

1

0

1

1

1

0

1

A3

S14

1

1

0

0

1

1

0

1

1

A50

S15

1

1

0

0

1

1

0

1

1

B60

S16

1

0

1

1

0

1

0

1

1

B3

S17

0

1

1

1

1

0

0

1

1

B60

S18

0

1

1

1

0

1

1

0

1

B3

S19

0

1

1

0

1

1

1

1

0

B30

S20

1

0

1

0

1

1

1

0

1

B3

S21

1

1

0

0

1

1

0

1

1

B60

S22

1

1

0

0

1

1

0

1

1

C35

S23

1

0

1

1

0

1

0

1

1

C3

S24

0

1

1

1

1

0

0

1

1

C35

S25

0

1

1

1

0

1

1

0

1

C3

S26

0

1

1

0

1

1

1

1

0

C35

S27

1

0

1

0

1

1

1

0

1

C3

S28

1

1

0

0

1

1

0

1

1

C35

注：

（1）0表示灯亮，1表示灯灭。

（2）主干道为南北方向，次干道为东西方向。

（3）任何时候南北两个方向的直行信号灯跟左转信号灯状态都一样，只有三个状态：

1）直行跟左转同时通行，为绿灯。

2）直行跟左转同时为黄灯。

3）直行跟左转同时禁行，为红灯。

（4）东西两个方向都是只能直行，且任何时候状态都一样，要么同为红灯，要么同为绿灯，且时间都是同步的。

3硬件系统设计

3.1硬件系统组成

3.1.1单片机最小系统

单片机的最小系统包括电源（地），晶振（一般使用11.0592M或者12M），复位电路，单片机内装入程序。

有了以上三块内容，单片机就能够工作了。

另外要注意的一点是，EA（31脚）也要接高电平，即接到电源+5V。

告诉单片机不使用片外存储器，这样单片机系统才会老老实实地执行你烧写进去的程序。

下图3.1就是单片机最小系统示意图：

图3.1最小系统电路图

STC10F04单片机是单时钟/机器周期（IT）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。

内部集成高可靠复位电路，针对高速通信，智能控制，强干扰场合。

STC10F04单片机的定时器0/定时器1/串行口与传统8051兼容，增加了独特波特率发生器，省去了定时器2。

传统8051的1111条指令执行速度全面提速，最快的指令快24倍，最慢的指令快3倍。

1、增强型8051CPU，1T，单时钟，机器周期，指令代码完全兼容传统8051

2、工作电压：

5.5V~3.8/3.3V

3、工作频率范围：

0~35MHz,相当于普通8051的0~420MHz

4、应用程序空间:

4K字节

5、RAM：

256字节

6、通用I/O（40/36个），复位后为：

准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O）可设置成四种模式：

准双向口/弱上拉,推挽/强上拉,仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过100mA

7、ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编辑器，无需专用仿真器，可通过串口（RXD/P3.0,TXD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片

8、看门狗

9、内部集成MAX810专用复位电路（晶体频率在24MHz以下时，要选择高的复位门槛电压，如4.1V以下复位，晶体频率在12MHz以下时，可选择低的复位门槛电压，如3.7V以下复位，复位脚接1K电阻到地）

10、内置一个对内部Vcc进行掉电检测的掉电检测电路，可设置为中断或复位，5V单片机掉电检测门槛电压为4.1/3.7V附近

11、时钟源：

外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器,用户在下载程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟.常温下内部R/C振荡器频率为：

4MHz~8MHz.精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准

12、2个16位定时器（与传统8051兼容的定时器/计数器，16位定时器T0和T1）

13、3个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.0/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟

14、外部中断I/O口有5路，支持传统的下降沿中断或低电平触发中断。

Powerdown（掉电）模式可由外部中断唤醒，INT0/P3.2,INT1/P3.3,INT/TO/P3.4,INT/T1/P3.5,INT/Rxd/P3.0（或INT/Rxd/P1.6）

STC10F04单片机采用了40Pin封装的双列直接DIP结构，如图3.2是它们引脚配置

图3.2STC10F04引脚配置

40个引脚中正电源和地线两根，外置石英震荡器的时钟线两根，共有36个I/O。

·VCC：

电源电压

·GND：

地

·P0口：

P0口是一组8位漏极开路型双向I／0口，也即地址／数据总线复用口。

作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“l”可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

·P1口：

Pl是一个带内部上拉电阻的8位双向I／O口，Pl的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“l”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

Flash编程和程序校验期间，Pl接收低8位地址。

·P2口：

P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I／O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。

在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@Ri指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。

Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。

·P3口：

P3口是一组