基于单片机的交通灯控制系统设计
摘 要：对基于单片机的交通灯控制系统进行了设计。系统功能以MCS-51系列单片机作为控制核心，设计并制作交通灯控制系统，东西南北四个方向具有左拐、右拐、直行及行人四种通行指示灯，用计时器显示路口通行转换剩余时间，在特种车辆如119、120通过路口时，系统可转为特种车辆放行，其他车辆禁止通行状态，即特殊情况；在交通高峰期系统可以转为繁忙情况。
在对系统功能分析的基础上，提出了三种设计方案，经比较，选择性能较优的LED动态循环显示方案进行了设计。设计包括硬件和软件两大部分。硬件部分包括单片机最小系统、时间显示、交通灯显示三部分。选用宏晶公司的STC89C52单片机作为控制核心，东西南北四个方向设置了LED时间显示和交通灯显示，时间显示采用两位LED显示器，交通灯显示则采用红、黄、绿色高亮发光二极管来模拟。软件采用了模块化的设计方法，主要分为主程序、定时器中断服务子程序、倒计时显示子程序、交通灯模拟显示子程序四部分。
关键词：交通灯；单片机；LED；
Design of traffic light control system based on SCM
Abstract：自己翻译
1 概述 1.1 交通灯的介绍
1918年诞生的第一盏交通灯只有红绿两色，它是圆形四面投影器，被安装在纽约市五号街的一座高塔上，它的诞生，使城市交通大为改善。
1925年，留学美国的中国电机专家胡汝鼎提出在绿灯之后加个黄灯的设想被采纳，于是诞生了真正意义上的三色交通灯。
传统的交通灯主要由单片机来控制，它主要由红黄绿三色灯组成。工作原理是设置好南北向和东西向的各色灯的亮灭顺序和持续时间来指挥车辆通行，交通灯的发明和使用极大地保障了人民的生命安全。 1.2 课题研究背景与意义
随着经济的增长和人口的增加，人们生活方式不断变化，人们对交通的需求不断增加。城市中交通拥挤、堵塞现象日趋严重，由此造成巨大的经济与时间损失。资料显示，对日本东京268个主要交叉路口的调查估计表明：每年在交叉路口的时间延误，折成经济报失为20亿美元；而在我国北京市，当早晚交通高峰时，交叉路口处的排队长度竟达1000多米，有的阻车车队从一个交叉路口延伸到另一个交叉路口，这时一辆车为通过一交叉路口，往往需要半个小时以上，时间损失相当可观。
我国是一个历史悠久、人口众多的国家，城市数量随着社会的发展不断增多。随着城市化进程的大大加快，诱发的交通需求急剧增长，供需矛盾不断激化，严重的交通问题也随之而来。人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。
十字路口车辆穿梭，行人熙攘，车行车道，人行人道，有条不紊，这一切要归功于城市交通控制系统中的交通灯控制系统。交通灯控制系统对于疏导交通流
量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果，使城市交通得以有效管理。
交通灯可以采用PLC、单片机等控制方法。利用单片机实现对交通信号灯的实时控制，只要采用一块单片机，加上简单的接口与驱动放大电路，即可实现，具有成本低，可靠性高的特点。 1.3 课题设计内容
本课题对基于单片机的交通灯控制系统进行设计。以MCS-51系列单片机为控制核心，设计并制作交通灯控制系统，用于十字路口的车辆及行人的交通管理。东西南北四个路口具有左拐、右拐、直行及行人4种通行指示灯，并分别用计时器显示路口通行转换剩余时间，在特种车辆如119、120通过路口时，系统可转为特种车辆放行，其他车辆禁止通行状态；还可以在高峰期还可以转换为繁忙状态。
设计交通灯控制系统硬件电路与软件控制程序，对硬件电路与软件程序分别进行调试，并进行软硬件联调，要求获得调试成功的仿真图。
2 整体设计
2.1方案的选择与论证
根据设计内容要求，提出了如下三种方案：
方案一：采用STC89C52单片机作为控制核心，采用四组高亮红色、黄色、绿色二极管作为东西南北四个路口的通行指示灯；采用四组两位LED数码管作为四个路口的通行倒计时显示器，另外一组两位LED数码管作为特殊情况下的倒计时显示，LED显示采用动态扫描方式，以节省端口数。按以上系统构架设计，单片机端口资源刚好满足要求。方案一设计框图如图2-1所示：
上电复位 P0口 2位LED显示（5组） STC89C52 P2口 手动键盘；东、南、西、北人行道指示灯 P3口 P1口 东南西北主干道指示灯 分组扫描
图2-1 方案一：采用LED动态扫描的交通灯控制系统
方案二：采用STC89C52单片机作为控制器，通行倒计时显示采用16×16点阵LED发光管，左拐、右拐、直行及行人4种通行指示也采用16×16点阵双色LED发光管。方案二设计框图如图2-2所示，LED点阵的列驱动采用74HC595，用串行端口扩展实现，行驱动采用1/16译码器74HC154动态扫描，译码器74HC154生成16条行选通信号线，再经过驱动器驱动对应的行线。每条行线上
需要较大的驱动电流，应选用大功率三极管作为驱动管；方案二设计框图如图2-2所示：
RXD TXD 单片机 I/O口 双色LED点阵显示 （每个路口七个） 列驱动74HC595 电源 行 驱 动 74HC154 图2-2 方案二：采用16×16点阵LED发光管设计的交通灯控制系统
方案三：采用AT89C2051单片机作为控制器，通行倒计时及左拐、右拐、直行、行人通行指示采用单块LCD液晶点阵显示器。
三种方案的特点比较如下：方案一具有电路简单，设计方便，显示亮度高，耗电较少，可靠性高等特点；方案二的图案显示逼真，单片机占用端口资源少，缺点是需要大量的硬件，电路复杂，耗电量大，不太适合于模型制作；方案三设计占用单片机的端口最少，硬件也少，耗电也最少；虽然显示图案也很精美，但由于亮度太暗，晚上还得开背光灯，不够实用。可见方案一优于其他两种方案，因此本设计选用方案一，采用LED动态扫描的方案进行设计。 2.2总体方案 2.2.1工作原理
本设计采用STC89C52RC单片机作为本系统的控制模块，采用单片机内部定时器计时，采用红、黄、绿色高亮发光二极管模拟交通信号指示灯，通过单片机内部程序执行控制红绿灯的亮灭以及数码管倒计时的显示，从而实现十字路口的交通的控制。 2.2.2总体设计框图
复位电路 LED倒计时显示模块 51单片机 按键设 置模块 红绿灯 指示模块 电源 模块
图2-3 交通灯系统总体设计框图
3 仿真软件介绍
本设计用到了Proteus和Keil C51两种软件，两者能完美的结合在一起，实现虚拟的实物效果，为以后的实物焊接提供了保障。 3.1 Proteus简介
Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。Proteus软件除了其具有和其它EDA工具软件的一样的原理布图，还可以电路仿真。不止是对单片机的仿真还对其外围器件进行仿真。其特点是：
实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD 系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。支持主流单片机系统的仿真。如68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。
提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在改软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 uVision2等软件。支持大量的外围芯片和存储器，具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。运行Proteus软件出现以下窗口。如图3.1所示
图3.1 Proteus原理图编辑窗口
点击P（元件选择按键），填写元件名称，选择所需要的元件，对于本电路我先添加主电路元件，然后在添加子电路元件，完成后连线，对于不便连接的元件节点，可以采用总线和网络标号的形式。完成后保存，电路图如图3.2所示
图3.2仿真电路图
3.2 KEIL C51 编译器简介