交通灯说明书

湖南科技大学

单片机课程设计

题目交通灯

姓名罗明

学院机电工程学院

专业机械设计制造及其自动化学号1203010210

指导教师段凯

成绩____________________

二〇一四年六月十日

交通灯控制系统的设计与制作

摘要：交通灯控制系统是城市道路管理中极为重要的一个环节，其在加强道路交通管理，减少交通事故的发生，提高道路使用效率等方面具有不可替代的作用。近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断深入，同时带动传统控制技术日益更新。本文将介绍一种用单片机作为系统的主控单元，通过单片机嵌入软件程序来实现交通信号灯的多重控制方式，整个系统以STC89C52RC单片机为核心加以晶振电路、复位电路、电源电路构成系统的控制枢纽，系统状态显示系统采用7段LED数码管进行倒计时的现实，红、黄、绿三色LED灯作为信号指示。系统除基本的交通灯功能外，还具有倒计时、紧急情况处理等功能，较好的模拟实现了十字路口出现的状况。本系统性能稳定，功能完善，实用性强。

关键词：STC89C52RC单片机;交通灯控制;LED数码显示。

目录

1绪论 (1)

1.1课题研究背景 (1)

2系统设计方案、工作原理及总体设计 (1)

2.1交通信号控制原理 (1)

2.2论证方案 (1)

2.3系统工作原理 (3)

2.4总体设计 (3)

2.4.1功能概述 (3)

2.42系统构成 (3)

3 系统硬件设计 (4)

3.1交通灯通行模式及行车方向指示 (4)

3.2各单元电路模块功能 (5)

3.2.1时钟电路模块 (5)

3.2.2复位电路模块 (5)

3.2.3主控制系统模块 (6)

3.2.4交通灯输出控制模块 (7)

3.2.5时间显示电路模块 (8)

3.2.6系统电源模块电路 (9)

4 系统软件设计 (10)

4.1软件总体流程图 (10)

5 系统调试分析及结果 (10)

5.1电路板实物的制作 (11)

5.2系统硬件调试 (11)

5.3系统软件调试 (11)

5.4系统总体调试 (11)

结论 (13)

6参考文献 (14)

7附录 (14)

附录A:元器件清单 (14)

附录B:总体电路原理图、仿真图 (14)

附录C:程序 (15)

1绪论

1.1课题研究背景

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长的无线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。

2系统设计方案、工作原理及总体设计

2.1 交通信号控制原理

交通信号控制原理是按照一定的控制程序，在交叉路口的每个方向上通过红、黄、绿三色灯循环显示，指挥交通流，在时间上实施隔离。交通规则规定：红灯——停止通行，绿灯——放行，黄灯——清尾，即允许已过停车线的车辆继续通行，通过交叉路口。信号相位方案是指交通信号灯轮流给某些方向的车辆或行人分配交通权的一种顺序安排。我们把每一种控制（即对各进口道不同方向所显示的不同色灯的组合）称为一个信号相位。而一个相位又对应多个步伐，每一步伐对应该时刻不同灯色的状态。

路口的交通灯总在进行着一系列的相变以控制车辆的运动，一系列的相就组成了周期，如附表所示。交通灯优化控制问题，就是通过改变这些相的持续时间以及相邻路口交通灯的相的周期，使目标达到最优。

2.2论证方案

方案一：交通控制系统主要控制东西、南北，车道的交通，整个系统以STC89C52RC单片机为核心芯片，通过控制三色LED的亮灭来控制各车道的通行，上电时通过上电复位电路使系统进入运行状态。总体设计框图如图2.1所示：

图2.1方案一设计框图

方案二：采用标准STC89C52RC单片机为控制器，通行倒计时显示采用3位数码管；车道指示灯采用三色发光二极管，LED显示采用动态扫描，以节省端口。紧急车辆通行采用实时中断完成，识别方法采用手动按钮。按以上系统构架设计，单片机端口资源刚好满足要求。该系统具有电路简单，设计方便，显示亮度高耗电少，可靠性高，但是占用单片机资源太多了，整个框图设计如图2.2所示：

P1

P3 INT1

P0

P2 南北通行灯

东西通行灯

2位LED显示器列扫描驱动

上电复位电路晶振电路STC89C52 单片机

复位电路晶振电路

七段数码管倒计时显示电路

图2.2方案二设计框图

方案三：采用标准STC89C52单片机为控制器，通行倒计时、东西、南北车道通行指示采用单块LCD液晶点阵显示器。这种方案设计占用单片机的端口最少，硬件也最少，耗电也最少，虽然显示图案也精美，但由于亮度太暗，晚上还得开背光灯，所以较少采用。

通过以上综合分析可以看出，方案一具有综合设计优点，因此城市道口交通灯控制系统模型采用方案一设计。

2.3系统工作原理

采用单片机的I/O口P0口通过上拉电阻和交通灯相连接，P3.0、P3.1口接到数码管控制位上，控制数码管的显示，程序放在STC89C52RC单片机的ROM中，在十字路口的四组红、黄、绿交通灯中，由单片机的P1.0-P1.2 、P1.5-P1.7、P2.0-P2.2、P2.5-P2.7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相连，因此I/O口输出低电平时，与之相连的指示灯会亮，并通过数码管显示时间倒计时。I/O口输出高电平时，相应指示灯会灭。

2.4总体设计

2.4.1功能概述

本设计由单片机、LED数码显示模块和按键等构成。单片机是集成的IC芯片STC89C52单片机，只需根据实际选型。其他部分都需要根据应用要求和性能指示设计。

①本系统交通灯控制规则如下：

1）系统设置四组红、黄、绿交通指示灯，并配置四队LED显示器。正常情况下两个干线上的红、黄、绿灯进行转换。

2)东西方向和南北方向交替通行，东西方向每次放行30秒，南北方向每次放行30秒。

3)绿灯亮表示可以通行，红灯亮表示禁止通行，每次绿灯变红灯前，黄灯亮5秒钟。

4）十字路口要有倒计时显示，以便人们更方便直观的把握时间，具体要求东西方向、南北方向通行时间及黄灯亮的时间均以秒为单位作减计数。

2.4.2系统构成

整个系统的构成以STC89C52RC单片机为核心，由I/O口扩展，LED数码管显示，还有复位电路、时钟电路等组成。单片机作为整个硬件系统的核心，它既是协调整机工作的控制器，又是数据处理器。它由单片机、晶振电路、复位电路等组成。

行车方向指示采用LED发光二极管，可有红、绿两种颜色指示放行与禁止，黄灯作为红绿转换的提示，形象直观。系统采用双数码管倒计时计数功能，最大显示数字99。

3 系统硬件设计

3.1交通灯通行模式及行车方向指示

按交通灯控制规则，每个道口有红、黄、绿三种指示灯，交道口模型如图2.1所示：

图3.1 交道口模型图

2组LED数码管按照设置的通行时间（各路口默认的通行时间均为30s）进行倒计时，倒计时到5S时，绿灯变成黄灯，并各自进行红、黄、绿灯显示，共有两

种通行方式分别为：

图3.2 通行方式一示意图图3.3 通行方式二示意图

通行方式一：倒计时时间为30s（通行时间），红绿灯状态为：东西通行：绿，南北禁行：红;如图3.2所示。

通行方式二：倒计时时间为30s（通行时间），红绿灯状态为：南北通行：绿；东西禁行：红;如图3.3所示。

通行默认时间为30s，系统设置了任意更改功能，可以根据实际情况进行调整，以提高车辆通过率，缓减交通压力。在通行结束前5秒钟，黄灯亮直至结束。本设计选用LED发光二极管的红绿灯状态用来指示交通指示信息。绿色表示通行，红色则表示禁止通行，黄灯等待。你所有指示信息一目了然。

3.2各单元电路模块功能

3.2.1时钟电路模块

时钟电路由一个晶体振荡器12MHZ和两个30pF的瓷片电容组成。时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各信号之间的相互关系。单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地工作。其电路如图3.4所示:

图3.4 时钟电路模块

3.2.2复位电路模块

电容在上接高电平，电阻在下接地，中间为RST。这种复位电路为高电平复位。其工作原理是：通电时，电容两端相当于是短路，于是RST引脚上为高电平，然后电源通过电阻对电容充电，RST端电压慢慢下降，降到一定程度，即为低电平，单片机开始正常工作。其电路如图3.5所示：

图3.5 复位电路模块

3.2.3主控制系统模块

主控制器采用STC89C52RC，STC89C52RC 单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统 8051 单片机，12 时

钟/机器周期和 6 时钟/机器周期可以任意选择。

图3.6主控置系统模块电路

3.2.4交通灯输出控制模块

道口交通灯指示采用红、黄、绿发光二极管进行提示。其图如图3.7所示：

图3.7LED显示模块电路

当R=1000欧时，按公式A=(5-1.8)/R计算，电路中的电流大小应为A=3.2mA。由

于每个路口的通行双向指示处理相同，因此每个端口应具有6.4mA的吸收电流能力。

3.2.5时间显示电路模块

考虑设计需要，我们在各个方向分别用二位数码管用来显示倒计时时间，构成交通提示信息，形象逼真。本系统使用数码管完成倒计时显示功能。以方向东西为为例，数码管显示的数值从绿灯的设置时间最大值往下减，每秒钟减1，一直减到0。然后又从红灯的设置时间最大值往下减，一直减到0。接下来又显示绿灯时间，如此循环。

系统共有1个二位的LED 数码管，分别放置在模拟交通灯控制板上四组交通灯中间。四个方向上都应该显示同样的内容，所以我们可以把它们同样对待，只用了一组数码管来模拟。也就是说各个方向的数码管个位（把数码管第二位定义为个位，第一位定义为十位）用一根信号线控制，十位用另一根信号线控制。

道口通行剩余时间采用红色7段数码管显示，采用共阴极数码管，如用单片机P0口加上拉电阻驱动，P3.0/P3.1来控制数码管的位。其显示电路如图3.8所示：

图3.8数码管显示模块电路

3.2.6系统电源模块电路

由于该系统中 51 单片机及三极管工作电压均为 5V 电压，所以要保证系统稳定可靠的工作，需要设计一个可以稳定提供 5V 电压的供电系统。本设计采用外置5V稳压开关电源作为系统的供电电源，系统电源输入接口要加滤波电容以确保工作电压稳定。电源输出接口加上LED 电源指示灯，用来判定电源是否正常工作。该系统电源电路设计如图3.9所示：

图3.9系统电源电路

4 系统软件设计

根据实际交通灯的变化情况和规律。假设一个十字路口为东南西北走向。初始状态1南北绿灯通车，东西红灯亮。过30s，转状态2，南北绿灯灭黄灯亮，东西红灯亮，过5s，再转状态3，东西绿灯通车，南北红灯亮。过30s，转状态4，东西绿灯灭黄灯亮，南北红灯亮，过5s，又循环至状态1。对于交通信号灯来说东西南北共四组灯，由于同一道上的两组的信号灯的显示情况是相同的，因此，采用单片机内部的I/O口来控制12个信号灯。通过编写程序，实现对发光二极管的控制，来模拟交通信号灯的管理。

4.1 软件总体流程图

软件总体设计及流程图见图3-1，主要完成各部分的软件控制和协调。本系统主程序模块主要完成的工作是对系统的初始化，发送显示数据，同时对按键进行扫描，等待外部中断，以及根据所需要的功能进行相应的操作。其流程图如图4.1

图4.1正常情况下交通灯控制流程

5 系统调试分析及结果

因本设计本身要求有稳定性高、免维护、抗干扰能力强等功能，系统调试除了验证数据处理的精度，确保判断的准确性外，同时必须确认各项功能的正常运

行。

5.1 电路板实物的制作

准备工作：采购万能板若干张，实物电路所需的各种元器件；

还有其他的基本电子器件和制板工具。

总制板工艺程序

1)先将所有元器件摆放到万能板上，确实各个原件的最有位置，原则是，既美观，又容易焊接。

2)把摆好位置的元器件焊到板子上，最好用焊台来完成。

3)根据原理图，把所有的连线连接起来，连接的导线，尽量用细一点的。

5.2 系统硬件调试

在设计过程中，实物交通灯控制系统的洞洞接工作量非常大，电路安装完成后，首先进行检查，即确认电路无虚焊，无短路，无断路，集成元件安装是否正确，之后进行电路功能模块的分级调试，根据电路功能逐级进行：通行方式功能调试：包括对两种通行方式控制调试，指示灯亮度和驱动电路调试；倒计时功能调试：数码管亮度调试；复位功能调试。

5.3 系统软件调试

本系统的软件系统很大，选用一般的单片机通信C语言程序进行编写和调试。除了语法差错外，当确认程序没问题时，通过直接下载到单片机来调试。采取的是自下到上的调试方法，即单独调试好每一个模块，然后再连接成一个完整的系统，最后完成一个完整的系统调试。

5.4 系统总体调试

系统做好后，进行系统的完整调试。主要任务是检验实现的功能及其效果并校正误差。

测试一开始，我们就发现了系统出现了两个问题：一是有一部分交通灯亮度不够，所发出来的光非常的微弱以致于几乎感觉不到它的亮度；二是数码管不工作，没有时间显示。这与设计的要求完全不符。为了找出这个问题和解决方法，查找了电路的输出各部分的输出电平。发现了一个现象，我们采用的数码管是共阴极数码管。而控制数码段显示的P3.0和P3.1口输出的是高电平。

经多方查阅资料，解决第二个问题可以有两个解决方法。其一，将硬件电路作修改，将数码管换成共阳极的数码管。这样数码管就可以正常进行时间显示了。其二，修改程序，让控制数码管段码的P0输出的是低电平。若采用修改硬件电路的方法的话，硬件电路就得作变动。已经布好的线也必须有相应的变动，操作起

来比较麻烦。所以，我们采用了第二种方法。修改了程序电路中的段码代码。再次调试，按照设计要求的指标，系统数码管电路部分基本能按照预先设定的要求来进行倒计时的显示。亮度要求也基本符合预先设想。

接下来还有一个问题有待解决，交通灯亮度不足，以致于部分交通灯只能勉强看得出来它在亮而已。这明显不能满足设计要求。经多方检测，我们认为这是由于LED灯驱动能力不足引起的亮度弱问题。若要修正这个问题，那就得为LED 灯增加驱动电路以提高电路的驱动能力。要实现这一步骤必须对硬件电路进行一定的改动。LED灯的驱动电路可以用集成电路电路芯片来进行驱动。在初步方案中考虑要用集成电路来完成。但是由于客观方面的原因，没有制作实物的环境条件。因此，这部分改进只作了一个设想，并没有时间去付诸实施。但基本问题和解决问题的原理还是有一定的了解。

结论

在本次设计的过程中，我发现很多的问题，给我的感觉就是很难，很不顺手，看似很简单的电路，要动手把它给设计出来，是很难的一件事，主要原因是我们没有经常动手设计过电路，还有资料的查找也是一大难题，这就要求我们在以后的学习中，应该注意到这一点，更重要的是我们要学会把从书本中学到的知识和实际的电路联系起来，这不论是对我们以后就业还是学习，都会起到很大的促进和帮助，我相信，通过这次的课程设计，在以后的学习中我会更加努力，力争把这门课学好，学精。同时，通过本次课程设计，巩固了我们学习过的专业知识，也使我们把理论与实践从真正意义。

同时，通过本次课程设计，巩固了我们学习过的专业知识，也使我们把理论与实践从真正意义上相结合了起来；考验了我们借助互联网络搜集、查阅相关文献资料和组织材料的综合能力。

有了这次难忘的经历，我觉得自己充实了许多，学到了很多东西，更重要的是我们学会了如何协同合作，学会了遇到问题应该如何解决。这将在我们以后的学习和工作中起着重要的作用。总之，此次设计的过程中，我收获了很多。此次设计的完成的经验对我将来的人生之路有着非常重要的意义。

6参考文献

[1] 张秀国主编. 单片机C语言程序设计教程与实训.北京：北京大学出版社，2008.6

[2] 林春方主编. 数字电子技术.北京：高等教育出版社，2007.6

[3] 何立民.单片机应用技术大全.北京：北京航空航天大学出版社， 1994年

[4] 张毅刚. 单片机原理及接口技术.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1990年

[5] 谭浩强.单片机课程设计. 北京：清华大学出版社，1989年

[6]https://www.360docs.net/doc/ae4581340.html,单片机学习网

[7]边海龙，单片机开发与典型工程项目，电子工业出版社，2008年

[8]郭天祥单片机网络视频，2007年

[9]https://www.360docs.net/doc/ae4581340.html, 21IC单片机学习网

7附录

附录A:元器件清单

元器件名称参数数量（个）

IC插座DIP40 1

单片机STC89C52RC 1

发光二极管LED 12

电阻1K 5

瓷片电容22pF 2

开关按键开关 1

电解电容10uF 1

七段数码管共阴极 1

晶振11.0592 1

自锁按键6*6 1 附录B:仿真图

附录C:程序

#include

#include //包含库文件

sbit smg1=P3^0; //定义南北方向数码管低位sbit smg2=P3^1; //定义南北方向数码管高位sbit N_green=P2^0; //定义北向绿灯端口

sbit N_red=P2^1; //定义北向红灯端口

sbit N_yellow=P2^2; //定义北向黄灯端口

sbit S_green=P2^7; //定义南向绿灯端口

sbit S_red=P2^6; //定义南向红灯端口

sbit S_yellow=P2^5; //定义南向黄灯端口

sbit W_green=P1^0; //定义西向绿灯端口

sbit W_red=P1^1; //定义西向红灯端口

sbit W_yellow=P1^2; //定义西向黄灯端口

sbit E_green=P1^7; //定义东向绿灯端口

sbit E_red=P1^6; //定义东向红灯端口

sbit E_yellow=P1^5; //定义东向黄灯端口

int js=0,djs=30; //初始倒计时时间

int table[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f, 0x66,0x6d,0x7d,0x07, 0x7f,0x6f,0x40};

//共阴极数码管段值

/************以下为函数声明*************/

void jtd();

void jtda();

void jtdb();

void djsxs();

void yj();

void jj();

void jtday();

void jtdby();

/*****************************************************/

/* 函数名：delayms */

/* 功能：产生毫秒级延时 */

/*****************************************************/

void delayms(int x)

{

char i;

while(x--)

{

for(i=150;i>0;i--);

}

}

/*****************************************************/

/* 函数名：Timer0_init() */

/* 功能：定时器0初始化 */

/*****************************************************/

void Timer0_init()

{

js=0;

TMOD=0x01; //定义定时器0工作模式

TH0=0x4c; //赋初值高位

TL0=0x00; //赋初值低位

TR0=1; //启动定时器

ET0=1; //开中断

EA=1; //开全局中断

}

/*****************************************************/

/* 函数名：timer0() interrupt 1 using 1 */

/* 功能：定时器0中断服务函数 */

/*****************************************************/ void timer0() interrupt 1 using 1

{

TF0=0;

TH0=0x4c;

TL0=0x00; //重新赋高地位初值

js++;

if(js==22)

{ js=0;

djs--;

}

}

/*****************************************************/ /* 函数名：djsxs11() */ /* 功能：数码管动态显示 */

/*****************************************************/ void djsxs11() //此函数注视同djsxs22()

{ int b1,b2;

b1=djs/10; //将倒计时时间的高位赋予b1

b2=djs%10; //将倒计时时间的低位赋予b2

P0=table[b1];

smg1=0;

delayms(3);

smg1=1; //显示b1

P0=table[b2];

smg2=0;

delayms(3);

smg2=1; //显示b2

}

/*****************************************************/ /* 函数名：qm() */ /* 功能：使所有的交通信号灯全部熄灭 */ /*****************************************************/ void qm()

{

N_green=1;

N_red=1;

N_yellow=1;

S_green=1;

S_red=1;

S_yellow=1;

W_green=1;

W_red=1;

W_yellow=1;

E_green=1;

E_red=1;

E_yellow=1;

}

/*****************************************************/

/* 函数名：jtdb() */

/* 功能：交通灯东西方向绿灯亮，红灯灭 */

/* 交通灯南北方向红灯亮，绿灯灭 */

/*****************************************************/

void jtdb()

{

qm(); //所有信号灯灭

W_green=0; //西向绿灯亮

E_green=0; //东向绿灯亮

N_red=0; //北向红灯亮

S_red=0; //南向红灯亮

while(1)

{

if(djs>5) //当倒计时时间大于5秒时，执行

{

djsxs11(); //数码管时间显示

if(djs<=5) //当倒计时时间小于5秒时，执行

{

jtdby(); //调用函数

}

}

}

}

/*****************************************************/

/* 函数名：jtdby() */

/* 功能：交通灯东西方向黄灯亮，红灯灭 */

/* 交通灯南北方向红灯亮，绿灯灭 */

/*****************************************************/

void jtdby()

{

qm(); //所有信号灯全灭