隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，道路交通堵塞問(wèn)題日趨嚴(yán)重，如何對(duì)交通進(jìn)行合理的管理和調(diào)度而盡可能減少堵車(chē)現(xiàn)象成為目前我國(guó)很多地方尤其是特大城市急需解決的問(wèn)題，顯然交通燈在其中起著不可缺少的作用。     

當(dāng)今，紅綠燈安裝在各個(gè)道口上，已經(jīng)成為疏導(dǎo)交通車(chē)輛最常見(jiàn)和最有效的手段。但這一技術(shù)在19世紀(jì)就已出現(xiàn)了。

1858年，在英國(guó)倫敦主要街頭安裝了以燃煤氣為光源的紅、藍(lán)兩色的機(jī)械扳手式信號(hào)燈，用以指揮馬車(chē)通行。這是世界上最早的交通信號(hào)燈。1868年，英國(guó)機(jī)械工程師納伊特在倫敦威斯敏斯特區(qū)的議會(huì)大廈前的廣場(chǎng)上，安裝了世界上最早的煤氣紅綠燈。它由紅綠兩種旋轉(zhuǎn)式方形玻璃提燈組成，紅色表示“停止”，綠色表示“注意”。1869年1月2日，煤氣燈爆炸，使警察受傷，遂被取消。

電氣啟動(dòng)的紅綠燈出現(xiàn)在美國(guó)，這種紅綠燈由紅綠黃三色圓形的投光器組成，1914年開(kāi)始安裝于紐約市5號(hào)大街的一座高塔上。紅燈亮表示“停止”，綠燈亮表示“通行”。

1918年，又出現(xiàn)了帶控制的紅綠燈和紅外線(xiàn)紅綠燈。帶控制的紅綠燈，一種是把壓力探測(cè)器安在地下，車(chē)輛一接近紅燈便變?yōu)榫G燈；另一種是用擴(kuò)音器來(lái)啟動(dòng)紅綠燈，司機(jī)遇紅燈時(shí)按一下嗽叭，就使紅燈變?yōu)榫G燈。紅外線(xiàn)紅綠燈當(dāng)行人踏上對(duì)壓力敏感的路面時(shí)，它就能察覺(jué)到有人要過(guò)馬路。紅外光束能把信號(hào)燈的紅燈延長(zhǎng)一段時(shí)間，推遲汽車(chē)放行，以免發(fā)生交通事故。

信號(hào)燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制，對(duì)于疏導(dǎo)交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。1968年，聯(lián)合國(guó)《道路交通和道路標(biāo)志信號(hào)協(xié)定》對(duì)各種信號(hào)燈的含義作了規(guī)定。綠燈是通行信號(hào)，面對(duì)綠燈的車(chē)輛可以直行，左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎，除非另一種標(biāo)志禁止某一種轉(zhuǎn)向。左右轉(zhuǎn)彎車(chē)輛都必須讓合法地正在路口內(nèi)行駛的車(chē)輛和過(guò)人行橫道的行人優(yōu)先通行。紅燈是禁行信號(hào)，面對(duì)紅燈的車(chē)輛必須在交叉路口的停車(chē)線(xiàn)后停車(chē)。黃燈是警告信號(hào)，面對(duì)黃燈的車(chē)輛不能越過(guò)停車(chē)線(xiàn)，但車(chē)輛已十分接近停車(chē)線(xiàn)而不能安全停車(chē)時(shí)可以進(jìn)入交叉路口。

我國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)輛發(fā)展迅速，而城鎮(zhèn)道路建設(shè)由于歷史等各種原因相對(duì)滯后。道路擁擠、阻塞現(xiàn)象及交通事故常有發(fā)生。如何利用當(dāng)今自動(dòng)控制技術(shù)，有效地疏導(dǎo)交通，提高城鎮(zhèn)交通路口的通行能力，提高車(chē)輛速度，減少交通事故是值得我們研究的新課題。交通燈是城市交通中的重要指揮系統(tǒng)，它與人們?nèi)粘Ｉ�活密切相關(guān)。隨著人們生活水平的提高，對(duì)交通管制也提出了更高的要求，因此提供一個(gè)可靠、安全、便捷的多功能交通燈控制系統(tǒng)有著現(xiàn)實(shí)的必要性，本文介紹的交通燈控制系統(tǒng)除具有一般的紅綠燈顯示功能外，還具有倒計(jì)時(shí)功能，以方便人們的生活需求。此系統(tǒng)的核心控制器是MCS-51系列單片機(jī)中的AT89C51。本次設(shè)計(jì)對(duì)紅綠燈顯示系統(tǒng)、按鍵系統(tǒng)都采用keil軟件調(diào)試程序，并給出了調(diào)試過(guò)程及全部程序代碼。

第2章　方案設(shè)計(jì)與論證

本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，以L(fǎng)ED數(shù)碼管作為倒計(jì)時(shí)指示，根據(jù)設(shè)計(jì)的要求我們考慮了各功能模塊的幾種設(shè)計(jì)方案，以求最佳方案，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)各種狀態(tài)，系統(tǒng)還增設(shè)了根據(jù)交通擁擠情況可分別設(shè)置主干道和次干道的通行時(shí)間，以提高效率，緩減交通擁擠。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1-1所示。

圖1-1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

1．電源提供方案

為使模塊穩(wěn)定工作，須有可靠電源。本次設(shè)計(jì)考慮了兩種電源方案：

方案一：采用獨(dú)立的穩(wěn)壓電源。此方案的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定可靠，且有各種成熟電路可供選用；缺點(diǎn)是各模塊都采用獨(dú)立電源，會(huì)使系統(tǒng)復(fù)雜，且可能影響電路電平。

方案二：采用單片機(jī)控制模塊提供電源。該方案的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)明扼要，節(jié)約成本；缺點(diǎn)是輸出功率不高。

綜上所述，選擇第二種方案。

2．顯示界面方案

該系統(tǒng)要求完成倒計(jì)時(shí)功能。基于上述原因，本次設(shè)計(jì)考慮了兩種方案：

方案一：完全采用點(diǎn)陣式LED顯示。這種方案功能強(qiáng)大，可方便的顯示各種英文字符，漢字，圖形等，但實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，且須完成大量的軟件工作。

方案二：完全采用數(shù)碼管顯示。這種方案優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，可以完成倒計(jì)時(shí)功能。缺點(diǎn)是功能較少，只能顯示有限的符號(hào)和數(shù)碼字符。根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求，方案二已經(jīng)滿(mǎn)足了要求，所以本次設(shè)計(jì)采用方案二以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的顯示功能。

3．輸入方案

這里同樣討論了兩種方案：

方案一：采用8155擴(kuò)展I/O口、鍵盤(pán)及顯示等。該方案的優(yōu)點(diǎn)是使用靈活可編程，并且有RAM及計(jì)數(shù)器。若用該方案，可提供較多I/O口,但操作起來(lái)稍顯復(fù)雜。

方案二：直接在I/O口線(xiàn)上接上按鍵開(kāi)關(guān)。因?yàn)樵O(shè)計(jì)時(shí)精簡(jiǎn)和優(yōu)化了電路，所以剩余的端口資源還比較多，我們使用六個(gè)按鍵，分別是P16、P17、P27、P30、P32、P33，依次完成倒計(jì)時(shí)加1、倒計(jì)時(shí)減1、調(diào)完確認(rèn)、調(diào)時(shí)方向切換、南北強(qiáng)行和東西強(qiáng)行等功能。

由于該系統(tǒng)是對(duì)交通燈及數(shù)碼管的控制，只需用單片機(jī)本身的I/O口就可實(shí)現(xiàn)，且本身的計(jì)數(shù)器及RAM已經(jīng)夠用，故選擇方案二。

第3章　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，要考慮的方方面面很多，除了實(shí)現(xiàn)交通燈基本功能以外，主要還要考慮如下幾個(gè)因素：①系統(tǒng)穩(wěn)定度；②器件的通用性或易選購(gòu)性；③軟件編程的易實(shí)現(xiàn)性；④系統(tǒng)其它功能及性能指標(biāo)；因此硬件設(shè)計(jì)至關(guān)重要。現(xiàn)從各功能模塊的實(shí)現(xiàn)逐個(gè)進(jìn)行分析探討。

3.1　總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為控制核心，采用模塊化設(shè)計(jì)，共分以下幾個(gè)功能模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制系統(tǒng)、鍵盤(pán)及狀態(tài)顯示、倒計(jì)時(shí)模塊等。

單片機(jī)作為整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心，它既是協(xié)調(diào)整機(jī)工作的控制器，又是數(shù)據(jù)處理器。它由單片機(jī)振蕩電路、復(fù)位電路等組成。

鍵盤(pán)及狀態(tài)顯示，開(kāi)關(guān)鍵盤(pán)輸入交通燈初始時(shí)間，通過(guò)單片機(jī)P1輸入到系統(tǒng)。

系統(tǒng)采用雙數(shù)碼管倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)功能，最大顯示數(shù)字99。

友好的人機(jī)界面、靈活的控制方式、優(yōu)化的物理結(jié)構(gòu)是本設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)。

3.2　單片機(jī)最小系統(tǒng)

1．振蕩電路

AT89C51是內(nèi)部具有振蕩電路的單片機(jī)，只需在18腳和19腳之間接上石英晶體，給單片機(jī)加工作所需直流電源，振蕩器就開(kāi)始振蕩起來(lái)。振蕩電路就為單片機(jī)工作提供了所需要的時(shí)鐘脈沖信號(hào)，是單片機(jī)的內(nèi)部電路、單片機(jī)的內(nèi)部程序（若有）開(kāi)始工作。振蕩電路不工作，整個(gè)單片機(jī)電路都不能正常工作。AT89C51常外接6MHz、12MHz的石英晶體，18腳和19腳分別對(duì)地接了一個(gè)20pF的電容，目的是防止單片機(jī)自激。若從18腳輸入外部時(shí)鐘脈沖，則19腳接地。

2．復(fù)位電路

復(fù)位電路就是在RST端（9腳）外接的一個(gè)電路，目的是使單片機(jī)上的電開(kāi)始工作時(shí)，內(nèi)部電路從初始狀態(tài)開(kāi)始工作，或者在工作中人為讓單片機(jī)重新從初始狀態(tài)開(kāi)始工作。在時(shí)鐘工作的情況下，只要復(fù)位引腳高電平保持在兩個(gè)機(jī)器周期以上的時(shí)間，AT89C51便能完成系統(tǒng)重置的各項(xiàng)工作，使得內(nèi)部特殊功能寄存器的內(nèi)容均被設(shè)置成已知狀態(tài)，并且從地址0000H處讀入程序代碼而執(zhí)行程序。單片機(jī)最小系統(tǒng)電路如圖3-1所示。

圖3-1　單片機(jī)最小系統(tǒng)電路原理圖

3.3　顯示及其驅(qū)動(dòng)模塊

3.3.1　鍵盤(pán)與狀態(tài)顯示功能

鍵盤(pán)在本設(shè)計(jì)中用于緊急情況的手動(dòng)控制裝置，以及定時(shí)時(shí)間的設(shè)置等功能，起到了不可缺少的重要作用。當(dāng)定時(shí)器定時(shí)為1秒時(shí)程序跳轉(zhuǎn)到時(shí)間顯示及信號(hào)燈顯示子程序，它將依次顯示信號(hào)燈時(shí)間，同時(shí)一直顯示信號(hào)燈的顏色，這時(shí)在返回定時(shí)子程序定時(shí)1秒，在顯示黃燈的下一個(gè)時(shí)間，這樣依次把所有的時(shí)間顯示完后在重新給時(shí)間計(jì)數(shù)器賦初值，重新進(jìn)入循環(huán)。鍵盤(pán)電路如圖3-2所示。

圖3-2　鍵盤(pán)電路

3.3.2　倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)功能

本系統(tǒng)使用數(shù)碼管完成倒計(jì)時(shí)顯示功能。以南北方向?yàn)槔�，�?shù)碼管顯示的數(shù)值從綠燈的設(shè)置時(shí)間最大值往下減，每秒鐘減1，一直減到1。然后又從紅燈的設(shè)置時(shí)間最大值往下減，一直減到1。接下來(lái)又顯示綠燈時(shí)間，如此循環(huán)。

系統(tǒng)共有4個(gè)兩位的LED數(shù)碼管，分別放置在模擬交通燈控制板上的四個(gè)路口。因?yàn)樗膫�(gè)方向的數(shù)碼管應(yīng)該顯示同樣的內(nèi)容，所以我們可以把它們同樣對(duì)待。也就是說(shuō)各個(gè)方向的數(shù)碼管個(gè)位（把數(shù)碼管第二位定義為個(gè)位，第一位定義為十位）用一根信號(hào)線(xiàn)控制，十位用另一根信號(hào)線(xiàn)控制。這里采用動(dòng)態(tài)顯示。LED數(shù)碼管如圖3-3所示。

圖3-3　LED數(shù)碼管

第4章　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件在硬件平臺(tái)上構(gòu)筑，完成各部分硬件的控制和協(xié)調(diào)。系統(tǒng)功能是由軟硬件共同實(shí)現(xiàn)的，由于軟件的可伸縮性，最終實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)功能可強(qiáng)可弱，差別可能很大。因此，軟件是本系統(tǒng)的靈魂。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法，不僅易于編程和調(diào)試，也可減小軟件故障率和提高軟件的可靠性。同時(shí)，對(duì)軟件進(jìn)行全面測(cè)試也是檢驗(yàn)錯(cuò)誤排除故障的重要手段。這里我們選用了移值性好、結(jié)構(gòu)清晰、能進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算的C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)編程。

4.1　軟件總體設(shè)計(jì)

軟件總體設(shè)計(jì)主要完成各部分的軟件控制和協(xié)調(diào)。本系統(tǒng)主程序模塊主要完成的工作是對(duì)系統(tǒng)的初始化，發(fā)送顯示數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)鍵盤(pán)進(jìn)行掃描，等待外部中斷，以及根據(jù)所需要的功能進(jìn)行相應(yīng)的操作。其流程圖如圖4-1所示。

圖4-1　軟件總體流程圖

4.2　軟件主要子程序設(shè)計(jì)

4.2.1　設(shè)置狀態(tài)子程序設(shè)計(jì)

設(shè)置狀態(tài)子程序如圖4-1所示。

圖4-1設(shè)置狀態(tài)子程序

在設(shè)置狀態(tài)，按下按鍵1（P16）開(kāi)始設(shè)置南北的紅燈時(shí)間，按下按鍵2（P17）設(shè)置南北的綠燈時(shí)間，按下按鍵3（P27）返回正常運(yùn)行狀態(tài)。紅燈和綠燈的時(shí)間最大可以設(shè)為99，超出99的時(shí)候會(huì)從50開(kāi)始重新計(jì)數(shù)。它包含倒計(jì)時(shí)調(diào)整和緊急狀態(tài)兩個(gè)狀態(tài)。主程序中放了一個(gè)按鍵的判斷指令，當(dāng)有按鍵按下的時(shí)候，程序就自動(dòng)的跳轉(zhuǎn)到按鍵子程序處理。當(dāng)檢測(cè)到按鍵2（P17）鍵按下的時(shí)候就自動(dòng)返回到主程序。當(dāng)出現(xiàn)緊急的情況的時(shí)候，按下按鍵3（P27）就切換到緊急狀態(tài)，當(dāng)緊急事件處理完畢的時(shí)候，按下按鍵2（P17），就可以返回正常狀態(tài)。

4.2.2　鍵盤(pán)模塊子程序設(shè)計(jì)

鍵盤(pán)是人機(jī)進(jìn)行交互的重要接口之一。用戶(hù)通過(guò)按鍵對(duì)儀器下達(dá)命令，儀器對(duì)按鍵譯碼獲得相應(yīng)的鍵值，并執(zhí)行相應(yīng)的命令程序。鍵盤(pán)部分的軟件實(shí)現(xiàn)主要是指對(duì)鍵盤(pán)管理進(jìn)行編程，從而成功地讀取鍵盤(pán)值，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)的程序流程圖如圖4-3所示。

圖4-3鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)的程序流程圖

第5章　系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試

5.1　系統(tǒng)操作說(shuō)明

本設(shè)計(jì)采用的是開(kāi)關(guān)鍵盤(pán)，共6個(gè)鍵。鍵盤(pán)用來(lái)輸入倒計(jì)時(shí)時(shí)間數(shù)字信息；功能菜單選擇鍵則用于主次干道通行時(shí)間分別設(shè)置、確定、取消（即調(diào)時(shí)方向的切換、倒計(jì)時(shí)的加減、東西強(qiáng)行、南北強(qiáng)行，調(diào)完確認(rèn)）等功能。

系統(tǒng)分為兩個(gè)狀態(tài)：設(shè)置狀態(tài)和顯示狀態(tài)。利用鍵盤(pán)可以進(jìn)行兩個(gè)狀態(tài)間的切換；開(kāi)機(jī)時(shí)，系統(tǒng)為顯示狀態(tài)，此時(shí)顯示四個(gè)路口數(shù)碼管從默認(rèn)的倒計(jì)時(shí)時(shí)間開(kāi)始倒計(jì)時(shí)；顯示狀態(tài)時(shí)，交通燈模組的四個(gè)LED數(shù)碼管進(jìn)行倒計(jì)時(shí)；顯示過(guò)程中按鍵可以重新進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)。

5.2　調(diào)試

根據(jù)電路功能逐級(jí)進(jìn)行：

1．通行方式功能調(diào)試：對(duì)行人和行車(chē)方向指示燈亮度和驅(qū)動(dòng)電路調(diào)試；

2．倒計(jì)時(shí)功能調(diào)試：數(shù)碼管亮度調(diào)試；

3．緊急情況手動(dòng)控制功能調(diào)試：包括按鍵功能的調(diào)試。

調(diào)試結(jié)果如圖5-1所示。

圖5-1　調(diào)試后的原理圖

結(jié)　論

本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，以L(fǎng)ED數(shù)碼管作為倒計(jì)時(shí)指示，該設(shè)計(jì)很好地完成了設(shè)計(jì)的各項(xiàng)要求，主要體現(xiàn)如下：

出現(xiàn)緊急情況時(shí)系統(tǒng)可設(shè)置成手動(dòng)控制，緊急情況結(jié)束后再轉(zhuǎn)成自動(dòng)，控制十分靈活；

主干道和次干道可以分開(kāi)設(shè)置時(shí)間功能，使控制更加靈活；

以上所有功能均在城市交道口模型上得到很好地實(shí)現(xiàn)，該設(shè)計(jì)在確保功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，充分考慮了控制系統(tǒng)操作方便、可靠性高、穩(wěn)定性好等要求。

該設(shè)計(jì)的交通燈控制器，實(shí)現(xiàn)了能根據(jù)實(shí)際車(chē)流量通過(guò)AT89C51芯片的P1口設(shè)置紅、綠燈燃亮?xí)r間的功能；紅綠燈循環(huán)點(diǎn)亮，倒計(jì)時(shí)剩3秒時(shí)黃燈閃爍警示綠燈時(shí)間可檢測(cè)車(chē)流量并可通過(guò)雙位數(shù)碼管顯示。

通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我得到了一次用專(zhuān)業(yè)知識(shí)、專(zhuān)業(yè)技能分析和解決問(wèn)題全面的系統(tǒng)的鍛煉。使我在單片機(jī)的基本原理、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程，以及在常用編程設(shè)計(jì)思路技巧，特別是對(duì)C語(yǔ)言的掌握方面都能向前邁了一大步，為日后成為合格的應(yīng)用型人才打下良好的基礎(chǔ)。

該設(shè)計(jì)雖然結(jié)束了，但由于時(shí)間、設(shè)備、條件和水平等各方面因素，還存在一些不足，還需要不斷改進(jìn)，當(dāng)然也就需要學(xué)習(xí)并運(yùn)用更多相關(guān)的知識(shí)。

致　謝

時(shí)間依然保留著它的荒涼，它不會(huì)為什么而改變；但時(shí)間也像海綿里的水，只要肯擠，還是很多的；我相信機(jī)會(huì)總是眷顧有準(zhǔn)備的人！在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中我深有體會(huì)！當(dāng)然，做畢業(yè)設(shè)計(jì)是作為當(dāng)代一名大學(xué)生將知識(shí)運(yùn)用于實(shí)踐的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。完成這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我要感謝所有幫助過(guò)我的老師，特別是我的畢業(yè)指導(dǎo)老師熊建云。在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我鞏固了所學(xué)的電子基礎(chǔ)知識(shí)，也擴(kuò)大了自己的知識(shí)面，即將告別培育過(guò)我的母校、老師和同學(xué)，真的舍不得。

對(duì)于學(xué)過(guò)的知識(shí)只有運(yùn)用到實(shí)踐中，才能體現(xiàn)出它的價(jià)值。而這次畢業(yè)設(shè)計(jì)是自我鍛煉的一個(gè)很好的機(jī)會(huì)，讓我的大學(xué)生活畫(huà)上一個(gè)圓滿(mǎn)的句號(hào)。我知道，現(xiàn)在社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)激烈，只有不斷學(xué)習(xí)才會(huì)有好的出路。母校給了我學(xué)習(xí)的空間和展示自我的舞臺(tái)，今天的成功離不開(kāi)每位老師的細(xì)心教導(dǎo)和同學(xué)們的之間互相幫助。在此，再次對(duì)所有關(guān)心和幫助過(guò)我的老師和同學(xué)表示衷心的感謝，祝愿您們身體健康，一切順利。