智能交通信号灯系统设计.
 
目 录
 
摘 要1
 
第一章引言2
 
第一节 本课题的意义2
 
第二节 国内外发展状况2
 
第三节 系统设计的特点4
 
第二章 系统硬件设计4
 
第一节 系统总体设计目标4
 
第二节 系统框图及系统工作原理5
 
第三节 单片机--AT89C51芯片6
 
第四节 键盘控制电路9
 
第五节 车辆检测电路11
 
第六节 路口交通灯电路15
 
第七节 数码管显示电路17
 
第八节 电源电路17
 
第三章 控制系统的软件设计18
 
第一节 设计思路18
 
第二节 计数器延时分析19
 
第三节 软件设计主流程图及程序分析19
 
第四节 一道有车一道无车的中断服务子程序流程图及程序分析21
 
第五节 键盘处理子程序流程图23
 
第六节 读ADC0809通道转换数子程序流程图23
 
结 束 语25
 
谢 辞25
 
参 考 文 献26
 
附 录……………………………………………………………………………27
 
智能交通信号灯系统设计
 
摘 要
 
本文先阐述了国内外交通信号灯的发展史，分析国外智能交通信号灯的优缺点，进而介绍了本文基于单片机的交通信号智能控制系统，此系统可实现红、绿、黄灯的定时控制，具有时间显示功能，便于行人和车辆通行。还利用按键控制，可完成时间设定本系统应用单片机实现交通信号智能控制系统具有很强的实用性。该系统采用车流量检测电路实现交通灯亮灭持续时间的自适应控制, 并与单片机进行通信，系统根据检测的实际情况切换到利于车辆运行的状态，实现交通信号等的智能调控。本设计通过单片机控制，因此具有安装灵活，设置方便，模块化、结构化的优点，使其具有良好的可扩展性，系统运行安全、稳定，效率高从而能减少交通拥挤状况，有利于交通的畅通运行。
 
关键词：智能交通信号灯；单片机；控制；车辆
 
Summary
 
This article first describes the history of traffic lights at home and abroad, analyze the advantages and disadvantages of foreign intelligent traffic lights, and then introduced this microcontroller-based intelligent traffic signal control system, this system can be red, green, yellow light timing control, with time display for easy pedestrian and vehicle traffic. Also used the button control, set the system to be completed by the time the application MCU intelligent traffic signal control system has a strong practical. The systems uses traffic flowdetection circuit traffic lights off the duration of the adaptive control, and communicate with the microcontroller, the system under test switch to the actual situation is conducive to the state vehicle operation, traffic signals, etc. to achieve intelligent control. This design single-chip control, it has the installation flexibility and easy set up, modular, structured advantages, it has a good scalability, the system is running security, stability, high efficiency and thus reduce traffic congestion conditions are conducive to traffic smooth running
 
Keywords: intelligent traffic lights; chip; control; vehicles
 
第一章 引 言
 
第一节 本课题的意义
 
城市交通控制系统主要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

 十字路口车辆穿梭，行人熙攘，车行车道，人行人道，有条不紊。那么靠什么来实现这井然秩序呢？靠的就是交通信号灯的自动指挥系统。
 
 
 
 
 
 
功能描述
 
1、采用51单片机作为主控单元；
 
2、采用74HC245芯片驱动数码管；
 
3、采用数码管显示倒计时时间；
 
4、东西和南北方向各有两个数码管，分别显示时间，东西和南北的时间是不一样的，相差黄灯的时间才是正确的；
 
5、可分别设置主干道和支干道通行时间；
 
6、具有紧急模式，特种车辆优先通行或交通事故应急处理。
 
 
 
按键说明
 
K1：黄灯长亮（深夜模式）；K2：红灯长亮（禁行）；
 
K3：东西通行；K4：南北通行；
 
K5：确定调时时间；K6：时间加；K7：时间减；
 
K8：切换调时方向(东西和南北可分别设置);
 
K9：复位按键；
 
 
 
整体方案
 
 
 
 
电路设计
 
采用Altium Designer作为电路设计工具。Altium Designer通过把原理图设计、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合，为设计者提供了全新的设计解决方案，使设计者可以轻松进行设计，熟练使用这一软件必将使电路设计的质量和效率大大提高。
 
 
 
 
仿真设计
 
采用Proteus作为仿真设计工具。Proteus是一款著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计
 
 
 
 
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交通灯电路设计
 
一、交通灯电路实现功能
二、总体方案
三、单元电路设计
3.1状态转换电路
3.2秒发生器
3.3计时电路
3.4数码管显示
3.5复位
  
四 、总体电路图
五、分析总结
六、心得体会
七、未来工作

 
 
一、交通灯电路实现功能
 
1.1主干道亮绿灯时，则支干道亮红灯，主干道通车，时间为 50 秒。
 1.2转换时，绿灯先变为黄灯，5 秒后再变为红灯，同时另一方向道路的红灯转换为绿灯。
 1.3主干道亮红灯时，则支干道亮绿灯，支干道通车，时间为 30 秒。
 1.4用数码管指示绿灯和黄灯亮倒计时，其中绿灯在最后15秒才开始显示，以达到节能效果。
 1.5黄灯闪烁，绿灯在最后5秒闪烁。
 
二、总体方案
 
首先进行逻辑抽象，用 G、Y、R 表示主干道的绿、黄、红灯，用 g、y、r 表示支干道的绿、黄、红灯，亮为‘‘1”。根据设计任务与要求，可知交通灯简单控制时序如图所示，图中系统运行共有四种状态：主干道绿灯亮(G=1)，50 秒后熄灭(G ↓)；主干道黄灯亮(Y=1)，5 秒后熄灭(Y↓)；支干道绿灯亮(g=1)，30 秒后熄灭(g↓)；支干道黄灯亮(y=1)，5 秒后熄灭(y↓)。之后又回到第一种状态：主干道绿灯亮……如此循环。
 
 

  图表 1.交通灯电压波形图 
 
 

  图表 2.总体设计方案 
 
可将系统分为三大功能模块：主电路、定时电路、控制电路部分。进一步细分，可将主电路分为主干道及支手道交通灯电路、译码显示电路；定时电路分为秒发生器、五十进制减法计数器、三十进制减法计数器、五进制加法计数器、计数器 CP 端控制电路；控制电路部分分为控制电路、复位开关。这样把总体方案划分为若干相对独立的单元。参考原理框图如图所示。
 
三、单元电路设计
 
3.1状态转换电路
 
在设计中要求实现四种状态的自动转换，首先把四种状态用数字表示出来，00-001010、01-100001、10-010001、11-001100。状态转换图和状态转化表如下：
 
 

  图表 3.状态转换图 
 

 

 

  表格 1.状态装换表 
 
A
B
G
Y
R
g
y
r
0
0
0
0
0
1
0
1
0
1
0
1
1
0
0
0
0
1
2
1
0
0
1
0
0
0
1
3
1
1
0
0
1
1
0
0
本设计由两个JK触发器实现，由卡诺图化简，得到如下的公式，直接由与或非门连接即可$$\{\begin{array}{l}G=A^{\prime }B\\ Y=A{B}^{\prime }\\ R=A^{\prime }{B}^{\prime }+AB\\ g=AB\\ y=A^{\prime }{B}^{\prime }\\ r=A^{\prime }B+A{B}^{\prime }\end{array}$$
 
 

  图表 4.状态转换模块电路 
 
3.2秒发生器
 
秒发生器由555定时器连接成的多谐振电路组成，连接一定规格的电阻电容就可以产生方波脉冲。利用公式$$T_1=R_3{C}_1\ln 2$$
 $$T_2=R_4{C}_1\ln 2$$得到 T=T1+T2=1s.
 
 

  图表 5.秒发生器模块电路 
 
 

  图表 6.秒发生器波形图 
 
3.3计时电路
 
计时电路由74LS190十进制加减计数器构成，分为5秒、30秒、50秒三组，且均为倒计时计数。如下图所示。
 

  图表 7.计时器模块电路 
 
每一组的进位输出与JK触发器的输入时钟与或，从而达到将某一状态延时的作用。
 

  图表 8.计时器控制电路 
 
3.4数码管显示
 
数码管显示模块由74LS47和共阳极数码管组成，共三组，分别是5秒黄灯倒计时、支路与主干路绿灯的15秒倒计时。数码管电路图如下：
 

  图表 9.数码显示电路 
 
30秒、50秒绿灯倒计时的显示控制信号均是倒计时模块的输出信号经逻辑门电路形成的开关控制信号，SR锁存器将开关状态锁定输出给47芯片的灭灯输入端，具体电路如下：
 

  图表 10.数码管显示控制电路 
 
3.5复位
 
复位电路分为上电复位和按键复位两部分。
 上电复位由电容和电阻组成，当上电时，电容处于充电导通状态，所以输出高电平，通过反相器输出低电平，即复位信号。
 按键复位由按压开关控制，按下开关，产生复位信号。
 

  图表 11.复位模块电路图 
 复位电路主要目的是将JK触发器的状态清零，减法计数器重新置位。 所以将置位信号分别输入到JK触发器的清零端与减法计数器的置位端即可。（其中减法计数器本身有一个置位信号且两个信号均是0有效，所以有与门） 
四 、总体电路图
 
 

  图表 12.总体电路图 
 
五、分析总结
 
竞争与冒险现象：
 A、红绿灯显示时的竞争与冒险现象：红绿灯状态转换时会出现十分短暂的中间状态，经分析应为竞争与冒险的结果，其中产生竞争与冒险的原因是“反相器”的传输延迟。
 B、数码显示时的竞争与冒险现象：如图，在数码显示信号“CB′A”到达之前，由于B′之前的“反相器”的传输延迟，波形图中的黄波迟于红波和绿波反相，出现短暂的“111”状态，经与门后的蓝波出现短暂的高电平。由于我们使用的时SR锁存器，在暂态后，显示状态经锁存，相当于显示信号提前两秒到达，最终出现的结果是数码管绿灯倒计时总是从“17秒”开始倒计时。我们的解决办法是在AC之前均添加两个“反相器”，经过调整之后，数码管倒计时从“15秒”开始。
 
 

  图表 13.因竞争与冒险产生的波形 
 
 

  图表 14.消除竞争冒险后的波形 
 
六、心得体会
 
从开始设计到全部完成历时两周，这中间出现了很多很多的问题，我们均一一解决，包括每个状态持续不同时间如何实现、绿灯倒计时和绿灯闪烁如何在15秒及5秒的时候才出现、555定时器仿真错误、电路中的竞争与冒险等等。收获一，电路不仅要正确无误，美观才更能体现设计的合理性，这样不仅能体现一个人的认真与耐心，更能为未来调试电路带来方便。收获二，电路出现问题后，可以使用示波器观察信号波形，找到问题后再分析出现的原因，寻找解决的办法，我们解决竞争与冒险的问题就是这样解决的。这样查错调试能力不是一时就能提高的，需要不断地尝试，动手多了才有经验。收获三，一个人的力量是有限的，团队合作才是王道，要懂得1+1>2的道理，团队之间相互配合，每个人发挥自己的优势能达到意想不到的效果。
 
七、未来工作
 
由于时间限制，我们的电路仍然存在一些不足，因此在未来我们需要做一定的改进，如
 a． 红绿灯四个状态之间短暂的其他状态没有得到消除。因为使用的与非门过多，电路过于复杂，此处的竞争与冒险现象没有像数码显示信号处一样得到很好的解决。时间充裕的话可以耐心分析每一个信号暂态出现的原因，寻找更好的解决办法。
 b． 由555定时器组成的秒发生器因为一些电阻电容参数等影响，电路仿真长时间后会出现仿真错误。因此研究一下555定时器组成的多谐振电路中电阻电容参数取值范围是有必要的。

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源码说明：带中文注释
 
开发环境：C编译器
 
简要概述：
 
十字路口车辆穿梭，行人熙攘，车行车道，人行人道，有条不紊。那么靠什么来实现这井然秩序呢？靠的就是交通信号灯的自动指挥系统。交通信号灯控制方式很多。本系统采用STC89C51单片机以及单片机最小系统和74HC245电路以及外围的按键和数码管显示等部件，设计一个基于单片机的交通灯设计。设计通过两位一体共阴极数码管显示，并能通过按键对定时进行设置。本系统实用性强、操作简单、扩展功能强。
 
设计报告：