單片機(jī)控制交通燈設(shè)計(jì)方案

一、引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，交通問(wèn)題日益突出，交通燈作為城市交通控制的重要手段，其智能化和自動(dòng)化水平對(duì)交通效率和安全具有重要影響。本文詳細(xì)介紹了一種基于單片機(jī)的交通燈控制設(shè)計(jì)方案，旨在提高交通燈控制的智能化和靈活性。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1. 系統(tǒng)功能需求

交通燈控制系統(tǒng)需具備以下主要功能：

• 實(shí)現(xiàn)交通燈的順序點(diǎn)亮和倒計(jì)時(shí)顯示。

• 根據(jù)車流量實(shí)時(shí)調(diào)整信號(hào)燈通行時(shí)間。

• 緊急狀況處理功能，如緊急車輛通行。

• 具備實(shí)用性強(qiáng)、操作方便等特點(diǎn)。

2. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要包括硬件部分和軟件部分。硬件部分由單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、電源模塊、時(shí)間顯示模塊、車流量檢測(cè)模塊等組成；軟件部分通過(guò)檢測(cè)程序和顯示程序的設(shè)定，實(shí)現(xiàn)交通燈的控制和倒計(jì)時(shí)顯示。

三、硬件設(shè)計(jì)

1. 主控芯片型號(hào)及作用

1.1 AT89C51單片機(jī)

AT89C51是ATMEL公司生產(chǎn)的一種8051系列單片機(jī)，其內(nèi)部集成了中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能。它采用高密非易失存儲(chǔ)技術(shù)制造，并與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令集和引腳結(jié)構(gòu)兼容，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。

在本系統(tǒng)中，AT89C51單片機(jī)作為主控芯片，負(fù)責(zé)接收和處理各種輸入信號(hào)（如車流量檢測(cè)信號(hào)、緊急按鍵信號(hào)等），并通過(guò)輸出控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)交通燈的控制。

1.2 STC89C52單片機(jī)

STC89C52單片機(jī)是STC公司生產(chǎn)的一種高性能、低功耗的8位單片機(jī)，具有豐富的外設(shè)資源，支持ISP下載和在線仿真調(diào)試，適合于各種應(yīng)用場(chǎng)合。

在本系統(tǒng)中，STC89C52單片機(jī)同樣可以作為主控芯片，其性能優(yōu)于AT89C51，能夠更高效地處理復(fù)雜的交通燈控制任務(wù)。

2. 電源模塊

電源模塊采用橋式整流電路，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，為各部分的電路提供+5V的直流電。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

• 220V的交流電通過(guò)變壓器轉(zhuǎn)化為15V左右的電壓。

• 經(jīng)過(guò)整流橋后，得到一個(gè)0-8V的波動(dòng)直流。

• 再經(jīng)過(guò)電解電容C6的濾波，得到一個(gè)平穩(wěn)的直流。

• 最后經(jīng)過(guò)7805穩(wěn)壓得到+5V的直流電。

3. 時(shí)間顯示模塊

時(shí)間顯示模塊采用兩位一體共陰極數(shù)碼管，用于顯示倒計(jì)時(shí)時(shí)間。數(shù)碼管通過(guò)單片機(jī)控制，可以實(shí)時(shí)顯示到下一次改變通行方向所剩的時(shí)間，便于司機(jī)調(diào)整車輛狀況。

4. 車流量檢測(cè)模塊

車流量檢測(cè)模塊通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)道路上的車流量，并將檢測(cè)結(jié)果轉(zhuǎn)換為電信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)。單片機(jī)根據(jù)車流量實(shí)時(shí)調(diào)整信號(hào)燈的通行時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)智能交通控制。

四、軟件設(shè)計(jì)

1. 軟件設(shè)計(jì)流程

軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序設(shè)計(jì)和各功能模塊的設(shè)計(jì)。主程序負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的流程控制，各功能模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)具體的功能。

1.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序?qū)⒄麄€(gè)系統(tǒng)的流程分為四個(gè)狀態(tài)：

• 狀態(tài)1：東西方向紅燈亮，南北方向綠燈亮，倒計(jì)時(shí)20秒。東西方向禁止通過(guò)，南北方向可以通過(guò)。

• 狀態(tài)2：東西方向紅燈亮，南北方向黃燈閃爍5秒。

• 狀態(tài)3：東西方向綠燈亮，南北方向紅燈亮，倒計(jì)時(shí)30秒。東西方向可以通過(guò)，南北方向禁止通行。

• 狀態(tài)4：東西方向黃燈閃爍5秒，南北方向紅燈亮。

主程序通過(guò)循環(huán)檢測(cè)當(dāng)前狀態(tài)，并根據(jù)需要切換到下一個(gè)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)交通燈的順序點(diǎn)亮和倒計(jì)時(shí)顯示。

1.2 功能模塊設(shè)計(jì)

• 車流量檢測(cè)模塊：通過(guò)單片機(jī)I/O口接收傳感器信號(hào)，實(shí)時(shí)檢測(cè)車流量。根據(jù)車流量調(diào)整信號(hào)燈的通行時(shí)間。

• 倒計(jì)時(shí)顯示模塊：通過(guò)數(shù)碼管顯示倒計(jì)時(shí)時(shí)間，實(shí)時(shí)更新顯示內(nèi)容。

• 緊急按鍵控制模塊：通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)緊急車輛通行功能，如按下緊急按鍵后，所有方向變?yōu)辄S燈閃爍，提醒車輛注意。

2. 軟件編程實(shí)現(xiàn)

軟件編程采用Keil C51編譯器進(jìn)行開(kāi)發(fā)。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

#include <reg51.h>  

#define uchar unsigned char  

#define uint unsigned int  



// 數(shù)碼管段選定義  

uchar smg_du[]={0x40,0x75,0x0c,0x14,0x31,0x12,0x02,0x74,0x00,0x10, // A B C D E F 不顯示  

0x20,0x03,0x4a,0x05,0x0a,0x2a,0xff};

uchar dis_smg[8]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8};

uchar smg_i=4; // 顯示數(shù)碼管的個(gè)位數(shù)  

uchar flag_che; // 本看車流量  



// 數(shù)碼管位選定義  

sbit smg_we1=P1^6;

sbit smg_we2=P1^7;

sbit smg_we3=P3^6;

sbit smg_we4=P3^7;



char dx_s=0; // 東西 南北 倒計(jì)時(shí)變量  



sbit dx_red=P1^3; // 東西紅燈  

sbit dx_green=P1^5; // 東西綠燈  

sbit dx_yellow=P1^4; // 東西黃燈  

sbit nb_red=P1^0; // 南北紅燈  

sbit nb_green=P1^2; // 南北綠燈  

sbit nb_yellow=P1^1; // 南北黃燈  

sbit nb_che=P3^3; // 南北車計(jì)流量  

sbit dx_che=P3^4; // 東西車計(jì)流量  



void Delay(uint ms) {

uint i, j;

for (i = ms; i > 0; i--)

for (j = 112; j > 0; j--);

}



void Display_LED(uchar *LED_Data) {

uchar i;

for (i = 1; i <= 8; i++) {

P2 = ~(0x01 << (i - 1)); // 選擇數(shù)碼管  

P0 = LED_Data[i - 1]; // 顯示數(shù)據(jù)  

Delay(1); // 延時(shí)  

}

}



void Init_Timer0() {

TMOD |= 0x01; // 設(shè)置定時(shí)器0為模式1（16位定時(shí)器）  

TH0 = 0xFC; // 初始值  

TL0 = 0x66; // 初始值  

ET0 = 1; // 使能定時(shí)器0中斷  

EA = 1; // 開(kāi)總中斷  

TR0 = 1; // 啟動(dòng)定時(shí)器0  

}



void Timer0_ISR() interrupt 1 {

TH0 = 0xFC; // 重裝初始值  

TL0 = 0x66; // 重裝初始值  

smg_i++; // 倒計(jì)時(shí)變量加1  

if (smg_i >= 100) { // 1秒計(jì)時(shí)到  

smg_i = 0;

// 這里可以添加倒計(jì)時(shí)更新和狀態(tài)切換的代碼  

}

}



void main() {

Init_Timer0(); // 初始化定時(shí)器0  

while (1) {

// 主程序循環(huán)，可以添加車流量檢測(cè)、緊急按鍵處理等代碼  

}

}

五、系統(tǒng)仿真與調(diào)試

1. 仿真工具介紹

本系統(tǒng)采用Proteus軟件進(jìn)行仿真。Proteus是英國(guó)Labcenter電子公司開(kāi)發(fā)的EDA工具軟件，具有電路仿真、PCB設(shè)計(jì)以及虛擬模型仿真等功能。它不僅可以對(duì)單片機(jī)和外圍設(shè)備進(jìn)行仿真，還可以實(shí)時(shí)采用諸如RAM、ROM、鍵盤(pán)、馬達(dá)、LED、LCD等器件進(jìn)行仿真。通過(guò)Proteus軟件，可以方便地模擬交通燈控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況，并進(jìn)行調(diào)試和優(yōu)化。

2. 仿真過(guò)程

根據(jù)設(shè)計(jì)需要和硬件框圖，搭建交通燈控制系統(tǒng)的仿真模型。通過(guò)P1端口作為輸出端口，控制東西和南北兩組燈的狀態(tài)。具體端口功能如下：

• P1.0控制南北紅燈的亮滅

• P1.1控制南北黃燈的亮滅

• P1.2控制南北綠燈的亮滅

• P1.3控制東西紅燈的亮滅

• P1.4控制東西黃燈的亮滅

• P1.5控制東西綠燈的亮滅

通過(guò)編寫(xiě)仿真程序，模擬交通燈的順序點(diǎn)亮和倒計(jì)時(shí)顯示等功能。在仿真過(guò)程中，可以實(shí)時(shí)觀察數(shù)碼管的顯示內(nèi)容和交通燈的亮滅狀態(tài)，驗(yàn)證系統(tǒng)的正確性和可靠性。

3. 調(diào)試與優(yōu)化

在仿真過(guò)程中，可能會(huì)遇到一些問(wèn)題，如數(shù)碼管顯示不正確、交通燈狀態(tài)切換異常等。針對(duì)這些問(wèn)題，需要進(jìn)行調(diào)試和優(yōu)化。

• 數(shù)碼管顯示不正確：檢查數(shù)碼管的段選和位選連接是否正確，確保數(shù)碼管能夠正確顯示數(shù)字。同時(shí)，檢查顯示程序中的段碼表是否正確，確保每個(gè)數(shù)字對(duì)應(yīng)的段碼正確無(wú)誤。

• 交通燈狀態(tài)切換異常：檢查定時(shí)器中斷程序中的倒計(jì)時(shí)變量和狀態(tài)切換邏輯是否正確。確保在每次定時(shí)器中斷時(shí)，倒計(jì)時(shí)變量能夠正確更新，并根據(jù)需要切換到下一個(gè)狀態(tài)。

• 車流量檢測(cè)不準(zhǔn)確：檢查車流量檢測(cè)模塊中的傳感器和信號(hào)處理電路是否正常工作。確保傳感器能夠準(zhǔn)確檢測(cè)車流量，并將檢測(cè)結(jié)果轉(zhuǎn)換為電信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)。同時(shí)，檢查單片機(jī)接收和處理傳感器信號(hào)的程序是否正確。

通過(guò)調(diào)試和優(yōu)化，可以確保交通燈控制系統(tǒng)能夠正確、穩(wěn)定地運(yùn)行。

4. 系統(tǒng)擴(kuò)展與改進(jìn)

為了進(jìn)一步提高交通燈控制系統(tǒng)的智能化和自動(dòng)化水平，可以考慮進(jìn)行以下擴(kuò)展和改進(jìn)：

• 增加網(wǎng)絡(luò)通信功能：通過(guò)增加網(wǎng)絡(luò)通信模塊（如Wi-Fi、藍(lán)牙等），實(shí)現(xiàn)交通燈控制系統(tǒng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的通信。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心可以實(shí)時(shí)獲取交通燈的狀態(tài)和車流量信息，并進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和調(diào)整。

• 引入智能算法：利用機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等智能算法，對(duì)交通燈控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)分析歷史車流量數(shù)據(jù)和交通狀況，智能算法可以預(yù)測(cè)未來(lái)的交通狀況，并自動(dòng)調(diào)整信號(hào)燈的通行時(shí)間，以提高交通效率和安全性。

• 增加故障檢測(cè)與報(bào)警功能：在系統(tǒng)中增加故障檢測(cè)與報(bào)警模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。一旦發(fā)現(xiàn)故障或異常情況，立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并采取相應(yīng)的處理措施，確保系統(tǒng)的可靠性和安全性。

六、總結(jié)與展望

本文詳細(xì)介紹了一種基于單片機(jī)的交通燈控制設(shè)計(jì)方案，包括系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)仿真與調(diào)試等方面。通過(guò)該方案，可以實(shí)現(xiàn)交通燈的順序點(diǎn)亮、倒計(jì)時(shí)顯示、車流量實(shí)時(shí)調(diào)整等功能，提高交通效率和安全性。同時(shí)，該方案還具有一定的可擴(kuò)展性和改進(jìn)空間，可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化和升級(jí)。

展望未來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展，交通燈控制系統(tǒng)將變得更加智能化和自動(dòng)化。通過(guò)引入這些先進(jìn)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)交通狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)，自動(dòng)調(diào)整信號(hào)燈的通行時(shí)間，提高交通效率和安全性。同時(shí)，還可以將交通燈控制系統(tǒng)與其他智能交通系統(tǒng)相結(jié)合，形成更加完善的城市交通管理體系，為城市交通的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。