基于单片机的十字路口交通信号灯控制毕业设计论文.doc

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1、精品文档摘要随着现在社会的开展和城市规模的扩大，城市十字路口车流量越来越多，很容易发生交通拥堵，因此城市交通系统想要保证高效平安的交通秩序，需要制定一套完善的交通规那么以及一套智能的交通控制系统。虽然现有的交通系统已经很完善，但是其红绿灯时间相对固定，假设短时间内车流量发生改变，难免会发生交通拥挤的现象。本论文以城市十字路口交通信号灯为研究对象，以根本交通规那么，结合单片机技术，对十字路口交通信号灯进行了分析和研究。文章讲述了基于STC89C52单片机的十字路口交通信号灯控制系统，该系统模块由STC89C52单片机最小系统、led模拟交通灯、交通灯倒计时显示、车流量检测及车流量显示、功能按键等

2、模块组成。该系统除了能实现根本交通灯功能外，还具有手动设置红黄绿倒计时显示时间、车流量检测及显示、紧急状态切换、紧急数据保存及恢复等相关功能。理论证明该系统操作性简单，减少交通拥挤发生的概率。【关键词】车流量检测 交通灯控制 STC89C52AbstractWith the expansion of the scale of development and urban society now , more and more traffic crossroads city , is prone to traffic jams , so the city wants to ensure effic

3、ient and safe transportation system traffic order , the need to develop a comprehensive traffic rules and an intelligent traffic control system . While the existing transportation system has been perfect , but its relatively fixed traffic lights , traffic flow changes within a short time if the inev

4、itable traffic congestion may occur. In this thesis, the city crossroads traffic lights as the research object to the basic rules of the road , combined with chip technology, on the crossroads of traffic lights were analyzed and studied.Based on the article about the traffic lights at the crossroads

5、 STC89C52 SCM control system, the system module consists STC89C52 smallest single-chip system , led simulated traffic lights , traffic lights countdown display , traffic detection and traffic display, function keys and other modules. In addition the system can achieve the basic function of traffic l

6、ights , but also has to manually set red yellow and green countdown time , traffic detection and display, emergency switch , emergency data storage and recovery , and other related functions. Simple theory shows that the system operability and reduce the probability of congestion occurs .【Keywords】S

7、TC89C52 Traffic Light Control Traffic Flow Detection目录绪论 1一、交通灯控制系统研究的目的和意义 .1二、交通灯控制系统设计要求 .1三、交通灯控制系统设计内容 .2四、本章小结 .2第一章 总体方案设计与选择论证 .3 交通信号灯控制系统的开展历程 .3 国内交通信号灯开展及其现状 .41.3 交通信号灯控制系统的通行方案 .41.4 各硬件电路方案选择 .6 主控制器方案选择 .6 显示方案选择 .61.4.3 车流量检测方案选择 .71.4.4 电源方案选择 .71.4.5 按键方案选择 .81.5 本章小结 .8第二章 系统设计 .

8、92.1 总体设计 .92.2 STC89C52RC单片机简介 .102.3 EEPROM简介 .122.3.1 STC89C52RC内部EEPROM .122.3.2 EEPROM原理 .122.4 八段数码管简介 .142.4.1 八段数码管的种类和内部结构 .142.4.2 八段数码管显示原理 .142.4.3 八段数码管显示驱动方式 .152.5 系统硬件电路设计 .162.5.1 STC89C52RC单片机最小系统设计 .162.5.2 串口通信电路设计 .172.5.3 矩阵按键电路设计 .182.5.4 车流量检测电路设计 .192.5.5 数码管段位控制电路设计 .202.6

9、本章小结 .20第三章 程序设计 .213.1 程序主体设计 .213.1.1 矩阵按键程序设计 .223.1.2 中断效劳程序设计 .233.1.3 断电数据保护程序设计 .243.2 定时器原理 .253.3 本章小结 .26第四章 系统仿真与调试 .274.1 系统仿真软件proteus简介 .274.2 交通信号灯系统仿真 .274.2.1 系统仿真原理图绘制 .274.2.2 原理图仿真效果 .284.3 实际作品调试 .304.4 本章小结 .30结 论 .31致 谢 .32参考文献 .33附 录 .34一、英文原文 .34二、英文翻译 .39三、系统原理图 .44四、源程序 .4

10、5绪论一、交通灯控制系统研究的目的和意义城市交通的好坏受交通控制系统影响，是整个城市经济开展的根底。在中国古代西汉汉武帝时期，张骞打通了中原通往欧洲的丝绸之路，实现了中国与欧洲首次交往，让当时的中国经济得到了很大的开展。现在，无论各国之间的经济贸易还是每个城市在经济产业上的交往，都被交通运输条件限制着。所以一个城市的经济开展跟其本身的交通条件好坏有关，但是现在城市交通日益拥挤，严重制约了城市经济的开展，所以对交通灯控制系统进行的研究工作必须得到加强。交通灯控制系统研究的意义主要是解决随着社会生产力和社会经济的快速开展而导致城市交通拥挤现象，并加强当前道路的通行能力和提高对交通道路的管理能力。二

11、、交通灯控制系统设计要求基于单片机的交通信号灯控制系统的设计根本要求如下：1、能将十字路口东西、南北方向的3种不同颜色的交通信号灯的状态变化模拟显示出来；2、控制系统拥有对紧急情况进行处理的能力；3、控制系统能进行倒计时计数显示，并对倒计时数字进行手动设置；三、交通灯控制系统设计内容基于上述交通灯控制系统要求和当前国内交通系统的缺乏，本系统设计内容大致为：以本钱较低、功能齐全的STC89C52RC单片机芯片作为主控制器，加上各种外围电路，设计出一种较为完善的十字路口交通信号灯控制系统。具体设计内容如以下几个方面：1、确定交通信号灯控制系统的硬件总体设计方案，包括十字路口具体通行禁行和交通信号灯

12、状态变化以及其他各项功能。除了要求中提出的功能外，基于实际情况，有参加了检测车流量以及根据车流量对本身进行调整以及为了防止意外情况对系统数据进行保存和恢复的功能。2、确定交通信号灯控制系统的软件设计方案，软件设计采用C语言编写，用keil uVision 4进行编程。在编写软件的过程中对单片机的内部结构和中断原理等根本知识进行了学习，最终完成了控制系统的软件设计。四、本章小结本章主要对交通信号灯控制系统研究的目的和意义进行了简要的介绍，并介绍本设计需要解决的问题。第一章 总体方案设计与选择论证交通信号灯控制系统的开展历程交通信号灯，是红黄绿三种颜色的LED灯，并且在规定时间交替循环变化。交通信

13、号灯一般设置于十字交叉路口或其他特殊地点，用于指挥车辆驾驶员以及行人的道路通行的一种交通设施。交通灯于1868年首次出现在英国伦敦议会大厦前的十字路口。这是一盏煤气信号灯，它的出现预示着交通信号灯的诞生。交通信号灯的诞生是有原因的，在19世纪中叶包括英国在内的许多欧洲国家已经普及了车马。但因为当时没有根本的交通设施设备用来指示车辆前进或停止，所以经常发生人被车马扎伤甚至死亡的事故。十分可惜的是，1869年1月2日这一天这一盏煤气信号灯突然爆炸导致当时负责进行红绿切换的警员死亡。之后英国政府立即停用这种信号灯。1912年，电动交通信号灯被创造了出来。创造者是一位叫Lester Wire的警员，居

14、住在美国盐湖城。1920年，一种四面三灯的多功能交通信号灯中出现了黄灯的设置。1952年，位于美国科罗拉多州丹佛市，有人首次在交通信号灯控制系统中，应用了模拟计算机技术。丹佛市因此成为世界上第一个拥有数字化城市交通控制系统的城市。伴随着科技开展，计算机技术在城市交通控制系统中得到了推广，很好地增加了城市交通管理水平。1963年，加拿大多伦多建立了一套由计算机控制的交通信号协调系统，成为世界上第一个拥有电子计算机交通控制系统的城市，这是道路交通控制技术开展的里程碑。国内交通信号灯开展及其现状交通信号灯在国内最开始使用的是白炽灯，使用寿命有限，并且不能完全实现自动控制，需要由交警随时控制。80年代

15、，国内引进了可自动控制的交通信号灯，交警不再需要随时控制交通信号灯的控制。2000年以后，能耗较低的led信号灯研制成功替代了白炽灯，解决了以往需要经常替换信号灯的难题。随着国内城市规模不断扩大，城市人口数量迅速增加，导致城市内部流动车辆增长，使得城市对于交通的改善迫切的需要。据2021年统计，2000年至2021年，全国民用汽车年均增长率为35%，私人汽车年均增长率为77%，可以看出近代每年国内汽车数量都以很快的速度增长着。由于国内私家车急剧增加，城市交通出现了“停车难，乱停车等问题，乱停车不仅占用了道路资源，还影响了交通平安。近年来，国内经济开展速度较快，交通需求也随之提高，虽然国内城市道

16、路根底设施开展较快，大中城市的道路数量、等级有着很大的提高，但是由于人口和车辆基数过大，使得城市交通仍需得到改善。1.3 交通信号灯控制系统的通行方案十字路口分为东西、南北四个方向，其中在任意时刻都设定为都只有一个直线方向允许车辆通行，相当于在任意时刻允许东西方向车辆通行，禁止南北方向车辆通行。经过短暂的过渡时间后，情况发生变化：东西方向车辆禁止通行，南北方向的车辆允许通行。具体情况如下列图所示：图1.1 交通通行方案通过图1.1交通通行方案可以看出十字路口交通灯状态变化分为四种状态：状态一：东西方向的红灯亮起，表示东西方向禁止通行；南北方向的绿灯亮起，表示南北方向允许通行。绿灯倒计时初始时间

17、设置为15秒，当显示时间等于零时，状态一结束。状态二：东西方向交通信号灯状态不变；南北方向的绿灯熄灭，黄灯亮起，预示红灯即将亮起并禁止车辆通行。黄灯倒计时初始时间设置为5秒，当显示时间等于零时，状态二结束。状态三：南北方向绿灯熄灭，红灯亮起，禁止车辆通行；东西方向红灯熄灭，绿灯亮起，使得东西方向允许车辆通行。绿灯倒计时初始时间设置为15秒，当显示时间等于零时，状态三结束。状态四：南北方向不发生变化；东西方向绿灯熄灭，黄灯亮起，表示东西方向马上禁止车辆通行。黄灯倒计时初始时间设置为5秒，当显示时间等于零时，状态四结束。1.4 各硬件电路方案选择 设计一个十字路口交通信号灯控制电路，需要由主控制器

18、、显示、交通灯模拟、车流量检测、电源等模块组成。1.4.1 主控制器方案选择目前设计交通信号灯的方案大体分为3种，第一种基于PLC交通信号灯控制系统；第二种基于可编程器件FPGA/CPLD交通信号灯控制系统；第三种基于各类单片机交通信号灯控制系统。其中采用单片机的控制系统本钱低，设计简单并能满足课题的设计要求，故采用基于单片机的交通信号灯控制系统。1.4.2 显示方案选择该系统要求完成倒计时、车流量显示和交通信号灯模拟等功能。基于上述原因，以下有二种方案可供选择：方案一：数字显示以及交通信号灯模拟全部采用点阵式LED显示。虽然这种方案可以很方便的显示各种英文、字符、汉字图形以及完整的将整个十字

19、路口交通信号灯状态变化显示出来，但是要实现这种方案需要大量复杂的软件工作。方案二：采用数码管和LED相结合的方法。因为设计要求倒计时和车流量等数字显示，又要求模拟交通信号灯实际状态，为了方便观看并考虑实际情况。所以用数码管显示时间、LED模拟交通信号灯状态信息。方案一和方案二电路复杂度差不多，但方案一软件复杂度大于方案二，为了便于显示方案的实现，故采用方案二。1.4.3 车流量检测方案选择方案一：采用磁感应检测技术，即磁感应检测器。磁感应检测器是目前世界上应用最广泛的一种检测设备，在实际应用中将其埋设在地表下，当车辆通过线圈时，线圈磁感应强度发生变化，从而精确的检测出一定时间内通过的车流量。采

20、用磁感应检测技术能防止地表上气候、温度、阳光灯因素影响，并且性能稳定。缺点是这种检测设备必须固定埋设在地表下。方案二：采用空气管道检测技术。空气管道检测技术作为接触式的检测方法，必须在检测地点固定一条空心的塑料管道，通过判断接有计数器的塑料管道内是否有空气被挤压对车流量计数。虽然这种方法能获取车流量信息，但方法繁琐、寿命短。方案三：采用波频检测技术中的红外检测。红外检测是通过检测红外线是否被检测物遮挡判断有无车流通行，红外检测主要由一个红外发射管和红外接收管组成。红外检测抗干扰性强并且电路简单。方案一需将检测器埋入地下，方案二需要一条塑料管道，两种方法实现起来太过复杂，而方案三电路简单，实用，

21、故采用方案三。1.4.4 电源方案选择方案一：采用独立的稳压电源。稳压电源通过变压器将220V交流电压转换成适合稳压芯片的工作电压，是稳压芯片工作得到主电路需要的直流电压。此方案优点是稳定、可靠，但是采用独立电源会使整个电路复杂化。方案二：采用单片机模块提供电源。该方案使得电路简单，节约制作本钱，缺点是输出功率不高。综上所述，采用第二种方案。1.4.5 按键方案选择方案一：采用独立式按键。独立式按键一端接主控制器的I/O输入口，另一端接地。对于这种结构简单、容易识别的按键，主控制器直接通过读取I/O口的状态来获取状态编码值，从而进行按键操作。虽然独立式按键电路简单、相互之间互不干扰，但是需要的

22、I/O口很多。方案二：采用行列式按键，即矩阵按键。矩阵按键是用M条接I/O口的行线和N条接I/O口的列线组成的按键。主控制器采用行扫描法来识别矩阵按键，具体步骤是首先判断行线中是否有按键被按下，假设有，那么对列线进行相同的判断，这样就可以确定是哪个按键被按下了；假设没有判断出行线中有按键被按下，那么继续进行第一步操作。矩阵按键适用于按键输入多的情况，但是程序复杂。综上所述，采用方案二，在设计中需要采用较多的按键。1.5 本章小结 本章介绍了对于控制系统各个模块方案的比拟和选择，以及历史上交通灯的开展和国内交通现状。第二章 系统设计2.1 总体设计采用以STC89C52RC单片机最小系统为核心，

23、4组红黄绿三种颜色的LED发光二极管构成东西南北四个方向的交通信号灯显示模块，数码管构成的倒计时显示和车流量显示模块，红外发射管和红外接收管构成的车流量检测电路，3X3构成的矩阵按键进行时间设置、紧急停止工作等功能。整个电路采用外接5V的USB接口供电，并且能通过MAX232串口通信模块从PC中下载程序到STC89C52RC单片机中，使得整个系统正常工作。图2.1 系统框图2.2 STC89C52RC单片机简介国产的STC89C5X系列单片机和ATMEL公司生产的AT89C5X系列单片机引脚都是一样的，但是一些性能参数不同，而且两者所用的下载器不同。单片机STC89C52RC是由宏晶科技研制出

24、来的一款超强抗干扰、高速、低功耗的单片机，与AT89C52单片机在指令代码上完全兼容。其特点概述为以下几个方面：1、CPU机器周期有2种选择：6时钟或者12时钟2、拥有8K字节FLASH程序存储器和512字节数据存储器3、拥有ISP和IAP功能，可通过串口P3.0/P3.1直接下载程序4、有2K的EEPROM，8个中断源、3个16位定时器5、看门狗功能STC89C52RC引脚图如图3.2.2所示：图2.2 STC89C52RC引脚图P1.7，是内部有上拉电阻的双向I/O口，其中P1.0和P1.2引脚除了有第一功能外，还有第二功能，P1.0和P1.1分别作为定时器/计数器t2的外部计数输入和捕捉

25、触发信号。RST引脚外接复位电路，STC89C52RC单片机RST引脚内部已经接有45K100K下拉电阻。P3口，是内部有上拉电阻的双向I/O口，一般作为STC89C52RC的第二功能使用。P3.0和P3.1为串行输入输出口，外接MAX232串口通信电路；P3.2和P3.3为外部中断0和外部中断1；P3.4和P3.5为定时器0和定时器1；P3.6和P3.7为外输数据存储器写选通和读选通。XTAL2和XTAL1引脚外接晶振电路，当晶振在225MHz时，晶振电路的瓷片电容大小应小于47pF。Vss引脚接地，Vcc引脚接电源。P0口跟P1、P2、P3一样都是双向I/O口，但是P0口是一个漏极开路双向

26、I/O口。P0口和P2口可以组成16位地址总线即AD0P0.7都为高电平时，P0口可以作为高阻抗输入。值得注意是当P0口作为地址总线使用时，P0口必须上拉电阻。EA引脚是用来选用程序存储器的端口，假设要使用外部程序存储器内部的指令，EA必须等于0即保持低电平；假设要执行内部程序存储器，那么EA必须等于1即保持上下平。所以在使用STC89C52RC时，一般直接将EA跟Vcc引脚相接。ALE/PROG引脚简称地址锁存有效信号输出端。当ALE的输出被用于锁存地址的地八位字节，表示外部程序存储器正在被访问。当ALE端口输出一个有1/6时钟频率的方波时，表示单片机内部程序存储器正在被访问。所以当单片机未

27、能正常工作时，可以将ALE端口接到示波器中观察是否有1/6时钟频率的方波输出，由此来判断单片机的好坏。PSEN引脚是片外程序存储器读选通信号输出端。P2.7，是内部有上拉电阻的双向I/O口，可以作为高8为地址总线使用。2.3 EEPROM简介EEPROMElectrically Erasable Programmable Read-Only Memory中文意思即电可擦可编程只读存储器，功能是存储芯片掉电后保存的数据仍不会丧失。现在单片机使用的动态随机存储器在单片机断电后，单片机内数据会丧失，这就是EEPROM与动态随即存储器不同的地方。EEPROM有四种工作模式：读取模式、写入模式、擦除模式

28、、校验模式。只需接入+5V电压，便可在单片机内部指定的地址写入要进行保护的数据，为了保证正确的写入数据，在写入一块数据后，都要进行同样的数据校验步骤。假设不小心写入错误的数据后，只要将原来的数据擦除后，便可重新写入数据。2.3.1 STC89C52RC内部EEPROM传统的单片机系统中，单片机运行时的数据都保存在RAM中，掉电后数据无法保存，一般使用片外扩展存储器保存数据。而STC89C52RC单片机内部拥有采用IAP技术读写内置FLASH的EEPROM，在交通信号灯控制系统采用这种EEPROM实现交通灯控制系统的断电数据保护。STC89型号的单片机内置EEPROM容量大小由2KB到16KB，

29、虽然单片机STC89C52RC内部EEPROM只有2KB，但是交通灯控制系统中需要保存的数据很少，所以对于以节约本钱为目的来说已经够用了。这种EEPROM以512字节为一个扇区，第一个扇区的初始地址为0X2000，结束地址为0X21FF；第二个扇区的初始地址为0X2200，结束地址为0X23FF；剩余扇区依次类推。2.3.2 EEPROM原理 EEPROM是采用IAP技术读写单片机内部FLASH来实现的 ， 要使用IAP功能与单片机内部的六个存放器有关 ， 分别是数据存放器ISP_DATA、 地址存放器高八位ISP_ADDRH、地址存放器低八位ISP_ADDRL、命令触发存放器ISP_TRIG

30、、命令存放器ISP_CMD、控制存放器ISP_CONTR。数据存放器ISP_DATA：当单片机进行IAP操作时，将数据放在此处。命令触发存放器ISP_TRIG：进行IAP命令操作的前提，只需要连续两次对ISP_TRIG存放器赋值，比方对ISP_TRIG存放器先写入0x46，再写入0xB9就完成命令触发的过程。命令存放器ISP_CMD：必须通过ISP_TRIG命令触发存放器才能生效。命令存放器ISP_CMD：工作模式如下表所示：表 命令存放器ISP_CMD工作模式B7B6B5B4B3B2B1 B0 模式选择 保存命令 0 0 0 无ISP操作 0 0 1 字节读 0 10 字节写 0 1 1 扇

31、区擦除控制存放器ISP_CONTR :存放器IE格式如下表所示：表 ISP_CONTR控制存放器IE格式B7B6B5B4B3B2B1B0ISPENSWEBSWRSTWT2WT1WT0ISPEN：当ISPEN等于1时，允许IAP 操作；当ISPEN等于0时：禁止IAP一切操作。 SWBS：当SWBS等于1时，ISP 程序区启动；当SWBS等于0时，软件选择从用户主程序区启动。SWRST：当SWRST等于1时，产生软件系统复位，硬件自动清零；当SWRST等于0时，不进行任何操作。 WT2、WT1、WT0：设置等待时间。2.4 八段数码管简介2.4.1 八段数码管的种类和内部结构数码管分为共阴极和共

32、阳极数码管。共阴极数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极COM的数码管。共阳极数码管是将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极COM的数码管。使用数码管前，可以先用万用表的红色表头接发光二极管的阳极，黑色表头接发光二极管的阴极来判断是共阴极数码管还是共阳极数码管。共阴极八段数码管内部结构图如下列图所示：图2.3 共阴极八段数码管的内部结构2.4.2 八段数码管显示原理以共阴极数码管为例，数码管内部是由多个LED发光二极管过程，其工作原理就是在COM引脚接低电平，A到DP引脚选择性接通便可以点亮数码管。2.4.3 八段数码管显示驱动方式数码管显示驱动方式分为静态驱动显示和动态驱动显示。数码管静态驱动显示是把控制段位的引脚接八位数据线，控制位选的引脚接单片机一个I/O口进行驱动。虽然静态驱动方式编程简单，但是占用的I/O口过多。数码管动态驱动显示是将所有控制段选的引脚连接在一起，并为控制位选的引脚提供选通控制电路，这样段选和位选引脚分