基于AT89C51的十字路口交通灯的设计
1引言
1.1 课题的背景及意义
在人类的生活、工作环境中，交通扮演着极其重要的角色，人们无时无刻不与交通打交道。随着我国国民经济的迅速发展和人口的快速增加，人们对各种交通车辆的需求更是越来越大，交通工具的迅猛发展以及道路资源的局限性，给城市交通带来巨大的压力，交通拥堵问题已成为影响现代城市可持续发展的重要因素。要保证高效安全的交通秩序，除了制定一系列的交通规则，还必须通过一定的技术手段加以实现。
作为车辆通行瓶颈所在的十字路口，通过研究其车辆通行规律，找出提高其车辆通行效率，对缓解交通拥堵，提高道路畅通率具有十分现实的意义。国内的在十字路口的交通灯，一般用红 、绿 、黄三种颜色的指示灯和一个倒计时的显示计时器来控制行车。且绝大多数交通灯的时间都是设定好的。
现在十字路口的交通灯存在着两车道的车辆轮流放行时间相同且固定，一般主干道车辆较多，放行时间长些；副干道车辆较少 ，放行时间短些的问题，甚至可能出现一条车道上排着很长的车队，而另一条车道上没有车辆的情况；再者没有考虑到当有紧急车辆（如119、120）通过时，两车道应自动转为特种车辆放行，其他车辆禁止通行的状态；还有欠缺对盲人这个特殊群体穿过道口时所遇困难的考虑[2]。传统的交通灯控制系统存在的这些缺点，说明传统的交通灯控制系统已经不能适应当前城市交通发展的要求，不能最高效地利用城市的交通道路资源。
城市交通控制系统是一个综合度高而又复杂的问题，关系到政策、机构、体制、管理、成本、基础设施建设和投资各方面问题。道路交通控制系统在近百年的发展中，经历了从手动到自动、从无感应控制到有感应控制、从固定配时到灵活配时、从单点控制到干线控制、从区域控制到网络控制的长远发展历程。我国的交通是从新中国成立之后才开始发展的，起步较晚，但随着我国经济和社会高速发展对交通的需求急剧增加，对原有交通控制系统提出了严峻的挑战。城市交通发展的规划应在广泛借鉴和吸取国外先进经验的基础上，结合我国城市交通运输的现状和存在的问题，建立并健全适合我国交通的城市交通控制系统。
近年来，国家虽然不断加大城市道路建设的力度，但仍赶不上城市机动车的增长速度，我国城市仍普遍存在道路面积偏低的问题，这也是制约着我国大城市发展的一个重要原因。随着交通需求越来越旺盛，车多、路多了，但运营成了瓶颈，运输效率逐步下降。我国与发达国家在车辆、道路、交通管理系统、人工智能技术在交通管制中的应用、信息采集和提取等方面存在着很大的差距。由于交通控制系统不健全等原因，我国交通道口的交通事故率居高不下，且随着城市交通运量逐年的增长，城市车流行驶速度逐年
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下降，这些都是由于交通通行不佳。
1.2关于本案
针对整个交通控制系统的发展状况，本设计根据道路交通拥挤，十字路口经常出现拥堵的情况，运用智能、集成，且功能强大的单片机芯片为控制核心，设计出了十字路口智能交通灯控制系统，以改善十字路口实时通行状况。
本设计与传统交通灯比较，有以下几点改进措施： 1）可根据十字路口的各道口车流量自动调节通行时间；
2)拥有车流量检测电路和特种车辆自动通行控制模块，设计紧急切换开关； 3）进行软件系统的设计，采用汇编语言编写，简单、方便。
智能交通灯控制系统将有效地解决日趋严重的道路拥挤现象，缓解城市的交通压力，减少交通事故发生率；减少了交通管理人员的大部分工作量，并为人们的出行节省了大量时间，创造出更多的社会价值，提高经济效益。
2 总体设计方案
2.1设计思路
交通灯一般设置在十字路口，用红、绿两种颜色的指示灯，并加上显示倒计时的计时器来控制车辆通行。采用标准AT89C51单片机作为控制器，采用3位LED数码管显示通行倒计时；左拐、右拐、直行及行人的通行指示灯采用的是高亮发光二极管；LED显示采用动态扫描，以节省端口数。该系统具有电路简单，设计方便，显示亮度高，耗电少，可靠性高等优点
2.2方案选择
能实现此电路的方法很多，我们根据实际将范围定在以下几个比较切合我们的方案中。
第一种方案：采用数字电子技术实现。用基本的555芯片（利用单稳态实现定时），计数芯片（如74LS163，74LS160等）完成计时功能，控制电路芯片，译码芯片（如74LS138）等基本芯片，结合电阻，电容等基本元件，通过逻辑电路实现交通灯的功能。 第二种方案：使用单片可编程来实现交通灯的功能。利用单片机的外围扩展，显示电路构成基本硬件。然后编程实现对定时，控制，显示电路的控制，然后调试，完成设
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计。
结合实际情况，根据毕业设计任务书的要求，我们经过讨论和论证，最终一致选用第二种方案的设计思路对交通灯控制系统进行设计。
2.3总体方案设计
本设计研究的是基于AT89C51单片机的交通灯智能控制系统。根据交通控制系统的设计原理，阐述了硬件和软件方面开发的整个过程。主控系统采用AT89C51单片机作为控制器，控制通行倒计时及右拐、右拐、直行、行人的通行，占用端口少，耗电也最小。系统电源采用独立的+5V稳压电源，有各种成熟电路可供选用，使此方案可靠稳定。该设计可直接在I/O口上接按键开关，精简并优化了电路。结合实际情况，显示界面采用点阵LED数码管动态扫描的方法，满足了倒计时的时间显示输出和状态灯提示信息输出的要求，减少系统的复杂度。
3 系统硬件设计
3.1系统硬件框图及工作原理
（1）硬件框图
该交通灯控制系统有以下几个部分组成：车辆检测、单片机、驱动和显示电路。如图2-1所示：
P1 南北通行灯 车辆检测电路 P2 AT89C51 P0 上电复位 RST 自动/手动键盘 P3 LED驱动器
3位LED显示器 东西通行灯 图 2-1系统硬件组成总框图
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（2）系统工作原理
本系统运用单片机对交通灯控制系统实施控制，通过直接控制信号灯的状态变化，
指挥交通的具体运行，运用了LED数码管显示倒计时以提醒行驶者，更具人性化。在此基础上，加入了特种车辆自动通行控制模块和车流量检测电路为系统采集数据，经单片机进行具体处理，及时调整通行方向。由此，本设计系统以单片机为控制核心，构成最小系统，根据特种车辆自动通行控制模块、车辆检测模块和按键设置模块等产生输入，由信号灯状态模块，LED倒计时模块输出。系统进入工作状态，LED数码管实时显示数据倒计时，执行交通灯状态显示控制，在此过程中若有控制信号和实时车流量检测信号，可对异常状态进行实时控制，随时调用中断，达到修正通行时间满足不同时间不同路况的需求。
3.2 芯片选择及引脚说明
AT89C51是一种高效微控制器，它是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器(FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory) 和128×8位的随机存取数据存储器(RAM)，该器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，它与MCS-51系统产品兼容，AT89C51单片机功能强大，具有8Kb中央处理器（CPU）和4KbFlash程序存储器，性价比高，可应用于很多要求高性价比的场合，灵活地应用于各个控制领域。 3.2.1AT89C51的引脚功能
AT89C51为双列直插（DIP）式封装的51单片机芯片，有40条引脚，其引脚示意及功能分类如图3-2所示。
图3-2 89C51单片机引脚图
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各引脚功能说明如下： （1）主电源引脚
Vcc（40脚）：接+5（1±20﹪）V电源正端； Vss（20脚）：接地。 （2）I/O引脚
P0口（39~32脚）：P0.0~P0.7统称为P0口。P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口,分时复用为低8位地址总线和双向数据总线。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器时，这组端口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当Flash进行校验时，P0口输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口（1~8脚）：P1.0~P1.7统称为P1口，可作为准双向I/O口使用。P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。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。P1口被外部下拉为低电平时，输出电流，是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。在Flash编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口（21~28脚）：P2.0~P2.7统称为P2口，一般作为准双向I/O使用。P2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。P2的输出缓冲器可驱动4个TTL逻辑门电路。当对P2端口写“1”时，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，由于内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。在接有片外存储器或扩展I/O口且寻址范围超过256B时，P2口用作高8位地址总线。当给出地址为“1”时，它就利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读/写时，P2口便输出其特殊功能寄存器的内容。在FLASH编程和校验时，P2口接收高八位地址信号和控制信号。
P3口（10~17脚）：P3.0~P3.7统称为P3口。P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口的输出缓冲器可驱动4个TTL逻辑门电路接收输出电流。当P3口写“1”时，通过内部的上拉电阻上拉为高电平并作为输入口。此时由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（IIL）。除作为准双向I/O口使用外，还可以将每一位用于第二功能，而且P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。P3口第二功能祥见表3-1 ：
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