課題名稱 交通燈控制系統的設計
院、 系 電氣工程學院
學生姓名 向xx
專 業 機電一體化
班 級 機電1209
指導老師 張xx
評閱老師
XX年xx月xx日
畢業設計（論文）任務書
題目： 交通燈控制系統的設計
任務與要求：
1.設計任務
1）繪製交通燈控制系統框圖，確定設計方案。
2）瞭解電路所需晶片的功能、引數和工作原理。
3）採用軟體完成編譯、模擬、下載。
4）完成交通燈控制系統的硬體設計方案。
5）除錯並實現交通燈控制系統的功能。
2.要求：
1) 用二極體顯示紅、綠、黃燈；
2）用數碼管顯示十字路口兩個方向的剩餘時間；
3）用微控制器的定時器產生秒訊號，控制十字路口的紅綠黃燈交替點亮和熄滅；
4）用按鍵設定兩個方向的通行時間（綠燈點亮時間）和暫緩黃燈通行時間（黃燈點亮的時間）。
畢業設計(論文)進度計劃表
日 期工 作 內 容執 行 情 況指導教師
籤 字
10月14號-10月15號查閱資料 確定設計方案完成
10月16號-10月19號硬體電路圖設計完成
10月20號-10月23號編寫軟體完成
10月24號-10月26號軟硬體整體除錯完成
10月27-10月30號完成論文初稿完成
11月1號-11月3號論文定稿，總結答辯完成
指導教師對進度計劃實施情況總評 簽名：
年 月 日
摘 要
近年來隨著科技的飛速發展，微控制器的應用正在不斷深入，同時帶動傳統控制技術日益更新。在實時檢測和自動控制的微控制器應用系統中，微控制器往往作為一核心部件來使用，僅微控制器方面知識是不夠的，還應根據具體硬體結構軟硬體結合，加以完善。
十字路口車輛穿梭，行人熙攘，車行車道，人行人道，有條不紊。那麼靠什麼來實現這井然秩序呢？靠的就是交通訊號燈的自動指揮系統。交通訊號燈控制方式很多。本系統採用mcs-51系列微控制器at89c51為中心器件來設計交通燈控制器，實現了能根據實際車流量通過8051晶片的p3口設定紅、綠燈燃亮時間的功能；紅綠燈迴圈點亮，倒計時剩5秒時黃燈閃爍警示（交通燈訊號通過p1口輸出，顯示時間通過p0口輸出至雙位數碼管）。本系統設計週期短、可靠性高、實用性強、操作簡單、維護方便、擴充套件功能強。
關鍵詞： 交通燈；微控制器;mcs-51
abstract
in recent years, with the rapid development of science and technology, the application of scm is going deep, driving the traditional detection techniques to renew day by day. in the real-time examination and in the automatic control monolithic integrated circuit application system, the monolithic integrated circuit often took a core part uses. the monolithic integrated circuit aspect knowledge is only insufficient, but should also act according to the concrete hardware architecture software and hardware union, to be improved.
the intersection vehicles shuttle, the pedestrian is bustling, car dealership traffic lane, person sidewalk, methodical. then depending on what to realizes this orderly order? the traffic lights on the automatic control system. there are great number kinds of modes to control the traffic lights. the system uses a series of mcs-51 as the center at89c51 single-chip device designed to control the traffic lights, so as to realize the function of setting red, green light time by 8051 chip’s p3 port according to the actual traffic flows, lighting the red-light and green-light by turn and lighting the yellow-light to warm while 5 secondsleft(outputting the traffic light signal by p1,outpuing the time by p0 and showing the time on double-digits nixie tube). short of the design cycle, high reliability, practical, simple operation, easy maintenance, the expansion of powerful is this system.
key words : scm mcu; traffic light；mcs-51
目 錄
畢業設計任務書i
畢業設計進度計劃表ii
摘 要iii
第一章 緒論1
1.1課題研究背景與意義1
1.2論文研究內容及結構安排1
第2章 系統總體方案3
2.1總體方案設計3
2.2軟硬體平臺介紹4
第3章 系統設計與模擬10
3.1顯示部分電路模組設計10
3.2時鐘部分電路模組設計10
3.3按鍵模組設計11
第4章 總結12
致 謝13
參考文獻14
【附錄1】 i15
【附錄2】 ii16
第一章緒論
1.1課題研究背景與意義.
1.1.1背景：
隨著工業化水平與經濟的提高，交通問題成為我國社會主義發展的重大問題，交通事故也在我們身邊出現的次數越來越多，而城市道路交通問題的核心就是對十字交叉路口交通訊號的控制。
1.1.2意義：
人們對十字路口交通訊號的控制方法大致有如下兩種方式：其一是建立城市交通流的數學模型，提出優化演算法，二是根據模糊控制的方法，根據十字路口交通的車輛數確定某一相位的綠燈初始時間和綠燈延長時間，對交通燈的控制實現了一定的模糊化。因此，結合我國城市道路交通的實際情況，開發出真正適合我們自身特點的智慧訊號燈控制系統是當前的主要任務，以最大限度地減少了十字路口的車輛平均延誤時間，提高了路口通行能力，從而達到緩解交通擁擠的目的。因此，有許多設計上作者為改善城市交通環境設計了許多方案，而大多數都為交通指揮燈，本電路也正是基於前人設計的基礎上進行改進的。由於交通的各種矛盾的不斷出現，人們總是儘可能的把各個歷史階段當時最新科技成果應用到交通控制系統中來，從而促進了交通控制技術的不斷髮展。
1.2論文研究內容及結構安排
1.2.1研究內容
1.由一條主幹道和一條支幹道的匯合點形成十字交叉路口，為確保車 輛安。全、迅速地通行，在交叉路口的每個入口處設定紅、綠、黃三色訊號燈。紅燈亮靜止通行；綠燈亮允許通行；黃燈亮則給行使中的車輛有時間停靠到禁行線外。按下列7點要求設計一交通燈控制系統：
（1）用紅、綠、黃三色發光二極體作訊號燈，用感測器或用邏輯開關代替感測器作檢測車輛是否到來或是否闖紅燈的訊號。
（2）由於主幹道車輛較多而支幹道車輛較少，所以主幹道處於常允許通行狀態，而支幹道有車來時才允許通行。當主幹道允許通行亮綠燈時，支幹道亮紅燈。而支幹道亮綠燈時，主幹道亮紅燈。
（3）當主、支幹道都有車時，兩者交替允許通行，主幹道每次放行24秒，支幹道每次放行20秒。
（4）分析目前交通路口的基本控制技術以及各種通行方案，並以此為基礎提出自己的交通控制的初步方案。
（5）確定系統交通控制的總體設計，包括，十字路口具體的通行禁行方案設計以及系統應擁有的各項功能，在這裡，本設計除了有訊號燈狀態控制能實現基本的交通功能，還增加了倒計時顯示提示，基於實際情況，又要求了對車流量檢測及自調整模擬功能，違規檢測及處理，緊急狀況處理和鍵盤可設定等強大功能。
（6）進行智慧感測器的硬體電路、顯示電路等的設計和對各器件的選擇及連線，大體分配各個器件及模組的基本功能要求。
（7）進行軟體系統的設計，對於本系統，本人採用微控制器組合語言編寫，對微控制器內部結構和工作情況做了充足的研究，瞭解定時器，中斷以及延時原理，總體上完成了軟體的編寫。
（8）主要以at89c51微控制器為核心，以控制紅、綠、黃、燈按時間的依次變換，並有倒讀秒功能，每一種燈亮的時間都用數碼管顯示器進行顯示。但因考慮到闖紅燈電子照相的情況，設定邏輯開關
（9）由時鐘訊號發生器、計數器、譯碼顯示器、訊號燈譯碼驅動電路幾部分成來實現交通組訊號燈的自動控制。
1.2.2 結構安排
（1）對總體方案設計的一個分析，包括十字路口具體的通行禁行方案設計以及系統應擁有的各項功能，本設計除了有訊號燈狀態控制能實現基本的交通功能，還增加了倒計時顯示，基於實際情況，又有違規檢測及拍照處理功能。
（2）還需要採用計數器，譯碼器，數碼管測試。將測試節點1的跳冒連線，斷開計數器1與計數器2的連線，使得只有低位計數，觀察到數碼管的數字依次從9到0再迴圈，說明低位計數器、譯碼晶片及其數碼管連線無誤，測試通過。用函式訊號發生器給計數器2的cp端測試高位計數器、譯碼器和數碼管是否正常。
第2章 系統的方案設計
2.1 總體方案設計
東西、南北兩幹道交於一個十字路口，各幹道有一組紅、黃、綠三色的指示燈，指揮車輛和行人安全通行。紅燈亮禁止通行，綠燈亮允許通行。黃燈亮提示人們注意紅、綠燈的狀態即將切換，且黃燈燃亮時間為東西、南北兩幹道的公共停車時間[5s]。設東西道比南北道的車流量大，指示燈燃亮的方案見表
表2-1交通燈顯示狀態
（1）當東西方向為紅燈，此道車輛和行人禁止通行；南北道為綠燈，此道車輛和行人通過。時間為60秒。
（2）黃燈閃爍5秒，警示車輛和行人紅、綠燈的狀態即將切換。
（3）當東西方向為綠燈，此道車輛通行；南北方向為紅燈，南北道車輛禁止通過。時間為80秒。東西方向車流大通行時間長。
（4）這樣如上表的時間和紅、綠、黃出現的順序依次出現這樣行人和車輛就能安全的暢通
設在十字路口，分為東西向和南北向，在任一時刻只有一個方向通行，另一方向禁行，持續一定時間，經過短暫的過渡時間，將通行禁行方向對換。交通狀態從狀態1開始變換，直至狀態4然後迴圈至狀態1，周而復始，把這四個狀態歸納如下：
（1）東西方向紅燈亮，南北方向綠燈亮，倒計時27秒。此狀態下，東西方向禁止通行，南北向允許通行。
（2）東西方向紅燈亮，南北方向黃燈閃爍，倒計時3秒。此狀態下，除了已經正在通行中的其他所以車輛都需等待狀態轉換。
（3）南北方向紅燈亮，東西方向綠燈亮，倒計時27秒。此狀態下，東西方向允許通行，南北方向禁止通行。
（4）南北方向紅燈亮，東西方向黃燈閃爍，倒計時3秒。此狀態下，除了已經正在通行中的其他所以車輛都需等待狀態轉換。東西南北四個路口均有紅綠黃3燈和數碼顯示管2個，在任一個路口，遇紅燈禁止通行，轉綠燈允許通行，之後黃燈亮警告行止狀態將變換。狀態及紅綠燈狀態如下表2.2所示。說明：0表示滅，1表示亮。
表2-2交通燈狀態及紅綠燈狀態
2.2 軟硬體平臺介紹
2.2.1 at89s51晶片介紹
選用的at89s51與同系列的at89c51在功能上有明顯的提高，最突出是的可以實現線上的程式設計。用於實現系統的總的控制。其主要功能列舉如下：
1、為一般控制應用的 8 位微控制器
2、晶片內部具有時鐘振盪器（傳統最高工作頻率可至 33mhz）
3、內部程式儲存器（rom）為 4kb
4、內部資料儲存器（ram）為 128b
5、外部程式儲存器可擴充至64kb
6、外部資料儲存器可擴充至64kb
7、32 條雙向輸入輸出線，且每條均可以單獨做 i/o 的控制
8、5 箇中斷向量源
9、2 組獨立的 16 位定時器
10、1 個全雙工序列通訊埠
11、8751 及 8752 單晶片具有資料保密的功能
12、單晶片提供位邏輯運算指令
2.2.2 at89s51各引腳功能介紹：
at89c51為雙列直插式封裝的51微控制器晶片，有40個引腳，其引腳功能分類如圖所示：
圖 2-3 at89s51微控制器引腳圖
vcc：atat89s51 電源正端輸入，接+5v。
vss：電源地端。
xtal1：單晶片系統時鐘的反向放大器輸入端。
xtal2：系統時鐘的反向放大器輸出端，一般在設計上只要在xtal1 和 xtal2 上接上一隻石英振盪晶體系統就可以動作了，此外可以在兩個引腳與地之間加入一個 20pf 的小電容，可以使系統更穩定，避免噪聲干擾而宕機。
reset：at89s51的重置引腳，高電平動作，當要對晶片重置時，只要對升至高電平並保持兩個機器週期以上的時間，at89s51便能完成系統重置的各項動作，使得內部特殊功能暫存器之內容均被設成已知狀態，並且至地址0000h處開始讀入程式程式碼而執行程式。
ea/vpp："ea"為英文"external access"的縮寫，表示存取外部程式程式碼之意，低電平動作，也就是說當此引腳接低電平後，系統會取用外部的程式程式碼（存於外部eprom中）來執行程式。因此在8031及8032中，ea引腳必須接低電平，因為其內部無程式儲存器空間。如果是使用 8751 內部程式空間時，此引腳要接成高電平。此外，在將程式程式碼燒錄至8751內部eprom時，可以利用此引腳來輸入21v的燒錄高壓（vpp）。
ale/prog：ale是英文address latch enable"的縮寫，表示地址鎖存器啟用訊號。
atat89s51可以利用這個引腳來觸發外部的8位鎖存器（如74ls373），將埠0的地址匯流排（a0～a7）鎖進鎖存器中，因為atat89s51是以多工的方式送出地址及資料。平時在程式執行時ale引腳的輸出頻率約是系統工作頻率的1/6，因此可以用來驅動其他周邊晶片的時基輸入。此外在燒錄8751程式程式碼時，此引腳會被當成程式規劃的特殊功能來使用。psen：此為"program store enable"的縮寫，其意為程式儲存啟用，當8051被設成為讀取外部程式程式碼工作模式時（ea=0），會送出此訊號以便取得程式程式碼，通常這支腳是接到eprom的oe腳。atat89s51可以利用psen及rd引腳分別啟用存在外部的ram與eprom，使得資料儲存器與程式儲存器可以合併在一起而共用64k的定址範圍。
port0（p0.0～p0.7）：埠0是一個8位寬的開路電極（open drain）雙向輸出入埠，共有8個位，p0.0表示位0，p0.1表示位1，依此類推。其他三個i/o埠（p1、p2、p3）則不具有此電路組態，而是內部有一提升電路，p0在當作i/o用時可以推動8個ls的ttl負載。如果當ea引腳為低電平時（即取用外部程式程式碼或資料儲存器），p0就以多工方式提供地址匯流排（a0～a7）及資料匯流排（d0～d7）。設計者必須外加一個鎖存器將埠0送出的地址鎖住成為a0～a7，再配合埠2所送出的a8～a15合成一組完整的16位地址匯流排，而定位地址到64k的外部儲存器空間。
port2（p2.0～p2.7）：埠2是具有內部提升電路的雙向i/o埠，每一個引腳可以推動4個ls的，若將埠，此埠便能當成輸入埠來。p2除了當作一般i/o埠使用外，若是在atat89s51擴充外接程式儲存器或資料儲存器時，也提供地址匯流排的高位元組a8～a15，這個時候p2便不能當作i/o來使用了。port1（p1.0～p1.7）：埠1也是具有內部提升電路的雙向i/o埠，其輸出緩衝器可以推動4個ls ttl負載，同樣地，若將埠1的輸出設為高電平，便是由此埠來輸入資料。如果是使用8052或是8032的話，p1.0又當作定時器2的外部脈衝輸入腳，而p1.1可以有t2ex功能，可以做外部中斷輸入的觸發引腳。
port3（p3.0～p3.7）：埠3也具有內部提升電路的雙向i/o埠，其輸出緩衝器可以推動4個ttl負載，同時還多工具有其他的額外特殊功能，包括序列通訊、外部中斷控制、計時計數控制及外部資料儲存器內容的讀取或寫入控制等功能。
其引腳分配如下：
p3.0：rxd，序列通訊輸入。
p3.1：txd，序列通訊輸出。
p3.2：int0，外部中斷0輸入。
p3.3：int1，外部中斷1輸入。
p3.4：t0，計時計數器0輸入。
p3.5：t1，計時計數器1輸入。
p3.6：wr：外部資料儲存器的寫入訊號。
p3.7：rd，外部資料儲存器的讀取訊號。
2.2.3 proteus的介紹：
proteus軟體是由isis和ares兩個軟體構成，其中isis是一款便捷的電子系統模擬平臺軟體，ares是一款高階的佈線編輯軟體。它集成了高階原理佈線圖、混合模式spice電路模擬、pcb設計以及自動佈線來實現一個完整的電子設計。通過proteus isis軟體的vsm(虛擬模擬技術), 使用者可以對類比電路、數位電路、模數混合電路，以及基於微控制器的系統連同所有外圍介面電子元器件一起模擬。
圖2-4 isis的編輯介面
選擇左側“模式選擇工具欄”中的 圖示，並選擇“物件選擇視窗”中的p按鈕，就 會出現如圖2-5的元器件選擇介面：
圖2-5元器件庫選擇介面
在元器件列表框中點選你需要的器件型別（例如：電阻-resistors,微控制器晶片-microprocessorics, led-optoelectronics）或在左上角的關鍵字（keywords）框中輸入你需要的器件名稱的關鍵字（如：訊號源 - clock, 運放 - ca3140等），就會在圖2-5中間的大空白框列出你所需的一系列相關的元件。
第三章 系統模組設計
3.1顯示部分電路模組設計
該設計採用如下所示的數碼管，分別顯示東西和南北燈的剩餘時間，左邊兩位為東西，右邊兩位為南北。該數碼管為共陽接法（0脈衝有效），片選部分接微控制器管腳的p2口和數碼段顯示部分接微控制器管腳的p0口，見圖3-1所示：
圖3-1顯示部分電路設計圖
3.2時鐘部分電路模組設計
時鐘電路用於產生mcs-51微控制器工作時所必須的時鐘控制訊號。其內部電路在時鐘訊號控制下，嚴格地按時序執行指令進行工作。在執行指令時，cpu首先要到程式儲存器中取出需要執行的指令操作碼，然後譯碼，並由時序電路產生一系列控制訊號去完成指令所規定操作。 本設計採用12mhz晶振和兩個33pf電容，他們構成一個穩定的自激振盪器。該電容的大小影響振盪器頻率的高低、振盪器的穩定性和起振的快速性。為微控制器提供標準時鍾。其中兩個電容起微調作用， 見圖3-2所示：
圖3-2時鐘部分電路圖
3.3按鍵模組
在此係統中，按鍵模組是實現各項功能的關鍵，按鍵通過電阻與 微控制器相連線，可以對微控制器進行控制，低電平訊號對相應的微控制器引腳有效，可使按鍵的另一端接地。本設計中有夜間模式按鍵﹑正常模式按鍵﹑緊急模式按鍵五個按鍵，分別對應著相應的子模式，見圖3-3所示：
圖3-3按鍵模組電路圖
第四章 總結
交通燈控制在交通運輸領域有著非常重要的作用。本文完成了基於微控制器的交通燈控制系統的設計與模擬。包括通行方案的設計，系統的硬體開發、軟體程式設計與模擬除錯等。在論文完成過程中，主要做的工作有：
（1）確定交通系統具體的通行方案，規定東西向和南北向車輛的行止狀態和時間分配，以及要求其他多功能的實現。
（2）以atmel公司的at89s51微控制器為核心進行系統硬體設計，輸入量包括：車流量，按鍵狀態和違規檢測感測訊號；輸出控制交通訊號燈亮滅狀態及時間，以及led數碼管倒計時顯示。
（3）在車流量檢測系統中採用模糊控制方法，這需要知道被控物件的數學模型，進行清晰化，具體化。因此，必須實施調查確定車流量少，中，多所要求的具體數量，然後經過微控制器控制器的相關演算法及處理確定紅綠燈亮滅時間。
這個畢業設計雖然花費了很多時間，但是我們學會了很多東西，提高了自我學習能力與單獨思考能力，這其實也是一種自我鍛鍊，今天的努力，便是明天的成功。
由於第一次做畢業設計，畢業設計整理的可能不是很完善，如果論文有問題的話希望老師及時指導，在這次畢業設計中，我的學習能力與溝通能力都有一定的提高，並不是我們一定要完美無缺的完成這個工作，其實就是鍛鍊我們對工作的一種態度，我想這才是我們在做畢業設計得到的最大收穫。
致 謝
本論文是在張老師細心指導下完成的。從論文選題到課題難點的解決，都給予了本人悉心地指導。張老師的治學態度、專業造詣和敬業精神都使我收益非淺。老師的工作作風嚴謹，是一個值得我們學習的老師。在此，我首先向張老師致以衷心的感謝!
在課題完成過程中，還得到了同組同學的幫助，給我提供了很多思路與經驗，對我深入理解課題的有關知識與方法起到了重要作用。在此，我對同學們也表示誠摯的謝意，沒有他們熱心的幫助，我想我現在還不能完成這個論文，最後經過老師不斷的細心指導，我也很順利的完成了本次畢業論文。
最後，衷心感謝在百忙之中抽出時間審閱本論文的老師。
.
參考文獻
【1】張xx. 單片微型計算機原理及應用.西安電子科技大學出版社，1998
【2】 餘xx.微控制器原理及介面技術.西安電子科技大學出版社,XX
【3】雷xx等.微機原理與介面技術.電子工業出版社，1997
【4】吳xx,等. 微控制器原理及應用技術.科學出版社,XX
【5】韓xx, 等. 電子技能與eda 技術.暨南大學出版社, XX
【6】周xx. 基proteus的電路及微控制器系統設計與模擬.航空航天大學出版社, XX
【7】張xx．單片微型計算機原理及應用．西安電子科技大學出版社，1998
【8】 李xx．數位電子技術．重慶大學出版社，1994
【9】胡xx．類比電子技術．高等教育出版社，XX
【10】張xx.微控制器控制實訓，機械工業出版社，XX
【11】胡xx.微控制器原理及其介面技術，清華大學出版社，1996
三優範文網