单片机控制交通灯设计方案

一、引言

随着城市化进程的加快，交通问题日益突出，交通灯作为城市交通控制的重要手段，其智能化和自动化水平对交通效率和安全具有重要影响。本文详细介绍了一种基于单片机的交通灯控制设计方案，旨在提高交通灯控制的智能化和灵活性。

二、系统总体设计

1. 系统功能需求

交通灯控制系统需具备以下主要功能：

• 实现交通灯的顺序点亮和倒计时显示。

• 根据车流量实时调整信号灯通行时间。

• 紧急状况处理功能，如紧急车辆通行。

• 具备实用性强、操作方便等特点。

2. 系统结构

系统主要包括硬件部分和软件部分。硬件部分由单片机最小系统模块、电源模块、时间显示模块、车流量检测模块等组成；软件部分通过检测程序和显示程序的设定，实现交通灯的控制和倒计时显示。

三、硬件设计

1. 主控芯片型号及作用

1.1 AT89C51单片机

AT89C51是ATMEL公司生产的一种8051系列单片机，其内部集成了中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能。它采用高密非易失存储技术制造，并与工业标准MCS-51指令集和引脚结构兼容，广泛应用于工业控制领域。

在本系统中，AT89C51单片机作为主控芯片，负责接收和处理各种输入信号（如车流量检测信号、紧急按键信号等），并通过输出控制信号实现对交通灯的控制。

1.2 STC89C52单片机

STC89C52单片机是STC公司生产的一种高性能、低功耗的8位单片机，具有丰富的外设资源，支持ISP下载和在线仿真调试，适合于各种应用场合。

在本系统中，STC89C52单片机同样可以作为主控芯片，其性能优于AT89C51，能够更高效地处理复杂的交通灯控制任务。

2. 电源模块

电源模块采用桥式整流电路，将交流电转换为直流电，为各部分的电路提供+5V的直流电。具体实现过程如下：

• 220V的交流电通过变压器转化为15V左右的电压。

• 经过整流桥后，得到一个0-8V的波动直流。

• 再经过电解电容C6的滤波，得到一个平稳的直流。

• 最后经过7805稳压得到+5V的直流电。

3. 时间显示模块

时间显示模块采用两位一体共阴极数码管，用于显示倒计时时间。数码管通过单片机控制，可以实时显示到下一次改变通行方向所剩的时间，便于司机调整车辆状况。

4. 车流量检测模块

车流量检测模块通过传感器实时检测道路上的车流量，并将检测结果转换为电信号发送给单片机。单片机根据车流量实时调整信号灯的通行时间，以实现智能交通控制。

四、软件设计

1. 软件设计流程

软件设计主要包括主程序设计和各功能模块的设计。主程序负责整个系统的流程控制，各功能模块负责实现具体的功能。

1.1 主程序设计

主程序将整个系统的流程分为四个状态：

• 状态1：东西方向红灯亮，南北方向绿灯亮，倒计时20秒。东西方向禁止通过，南北方向可以通过。

• 状态2：东西方向红灯亮，南北方向黄灯闪烁5秒。

• 状态3：东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮，倒计时30秒。东西方向可以通过，南北方向禁止通行。

• 状态4：东西方向黄灯闪烁5秒，南北方向红灯亮。

主程序通过循环检测当前状态，并根据需要切换到下一个状态，实现交通灯的顺序点亮和倒计时显示。

1.2 功能模块设计

• 车流量检测模块：通过单片机I/O口接收传感器信号，实时检测车流量。根据车流量调整信号灯的通行时间。

• 倒计时显示模块：通过数码管显示倒计时时间，实时更新显示内容。

• 紧急按键控制模块：通过按键实现紧急车辆通行功能，如按下紧急按键后，所有方向变为黄灯闪烁，提醒车辆注意。

2. 软件编程实现

软件编程采用Keil C51编译器进行开发。具体实现过程如下：

#include <reg51.h>  

#define uchar unsigned char  

#define uint unsigned int  



// 数码管段选定义  

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

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

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

uchar smg_i=4; // 显示数码管的个位数  

uchar flag_che; // 本看车流量  



// 数码管位选定义  

sbit smg_we1=P1^6;

sbit smg_we2=P1^7;

sbit smg_we3=P3^6;

sbit smg_we4=P3^7;



char dx_s=0; // 东西 南北 倒计时变量  



sbit dx_red=P1^3; // 东西红灯  

sbit dx_green=P1^5; // 东西绿灯  

sbit dx_yellow=P1^4; // 东西黄灯  

sbit nb_red=P1^0; // 南北红灯  

sbit nb_green=P1^2; // 南北绿灯  

sbit nb_yellow=P1^1; // 南北黄灯  

sbit nb_che=P3^3; // 南北车计流量  

sbit dx_che=P3^4; // 东西车计流量  



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)); // 选择数码管  

P0 = LED_Data[i - 1]; // 显示数据  

Delay(1); // 延时  

}

}



void Init_Timer0() {

TMOD |= 0x01; // 设置定时器0为模式1（16位定时器）  

TH0 = 0xFC; // 初始值  

TL0 = 0x66; // 初始值  

ET0 = 1; // 使能定时器0中断  

EA = 1; // 开总中断  

TR0 = 1; // 启动定时器0  

}



void Timer0_ISR() interrupt 1 {

TH0 = 0xFC; // 重装初始值  

TL0 = 0x66; // 重装初始值  

smg_i++; // 倒计时变量加1  

if (smg_i >= 100) { // 1秒计时到  

smg_i = 0;

// 这里可以添加倒计时更新和状态切换的代码  

}

}



void main() {

Init_Timer0(); // 初始化定时器0  

while (1) {

// 主程序循环，可以添加车流量检测、紧急按键处理等代码  

}

}

五、系统仿真与调试

1. 仿真工具介绍

本系统采用Proteus软件进行仿真。Proteus是英国Labcenter电子公司开发的EDA工具软件，具有电路仿真、PCB设计以及虚拟模型仿真等功能。它不仅可以对单片机和外围设备进行仿真，还可以实时采用诸如RAM、ROM、键盘、马达、LED、LCD等器件进行仿真。通过Proteus软件，可以方便地模拟交通灯控制系统的运行情况，并进行调试和优化。

2. 仿真过程

根据设计需要和硬件框图，搭建交通灯控制系统的仿真模型。通过P1端口作为输出端口，控制东西和南北两组灯的状态。具体端口功能如下：

• P1.0控制南北红灯的亮灭

• P1.1控制南北黄灯的亮灭

• P1.2控制南北绿灯的亮灭

• P1.3控制东西红灯的亮灭

• P1.4控制东西黄灯的亮灭

• P1.5控制东西绿灯的亮灭

通过编写仿真程序，模拟交通灯的顺序点亮和倒计时显示等功能。在仿真过程中，可以实时观察数码管的显示内容和交通灯的亮灭状态，验证系统的正确性和可靠性。

3. 调试与优化

在仿真过程中，可能会遇到一些问题，如数码管显示不正确、交通灯状态切换异常等。针对这些问题，需要进行调试和优化。

• 数码管显示不正确：检查数码管的段选和位选连接是否正确，确保数码管能够正确显示数字。同时，检查显示程序中的段码表是否正确，确保每个数字对应的段码正确无误。

• 交通灯状态切换异常：检查定时器中断程序中的倒计时变量和状态切换逻辑是否正确。确保在每次定时器中断时，倒计时变量能够正确更新，并根据需要切换到下一个状态。

• 车流量检测不准确：检查车流量检测模块中的传感器和信号处理电路是否正常工作。确保传感器能够准确检测车流量，并将检测结果转换为电信号发送给单片机。同时，检查单片机接收和处理传感器信号的程序是否正确。

通过调试和优化，可以确保交通灯控制系统能够正确、稳定地运行。

4. 系统扩展与改进

为了进一步提高交通灯控制系统的智能化和自动化水平，可以考虑进行以下扩展和改进：

• 增加网络通信功能：通过增加网络通信模块（如Wi-Fi、蓝牙等），实现交通灯控制系统与远程监控中心的通信。远程监控中心可以实时获取交通灯的状态和车流量信息，并进行远程控制和调整。

• 引入智能算法：利用机器学习、深度学习等智能算法，对交通灯控制系统进行优化。通过分析历史车流量数据和交通状况，智能算法可以预测未来的交通状况，并自动调整信号灯的通行时间，以提高交通效率和安全性。

• 增加故障检测与报警功能：在系统中增加故障检测与报警模块，实时监测系统的运行状态。一旦发现故障或异常情况，立即发出报警信号，并采取相应的处理措施，确保系统的可靠性和安全性。

六、总结与展望

本文详细介绍了一种基于单片机的交通灯控制设计方案，包括系统总体设计、硬件设计、软件设计以及系统仿真与调试等方面。通过该方案，可以实现交通灯的顺序点亮、倒计时显示、车流量实时调整等功能，提高交通效率和安全性。同时，该方案还具有一定的可扩展性和改进空间，可以根据实际需求进行进一步的优化和升级。

展望未来，随着物联网、大数据、人工智能等技术的不断发展，交通灯控制系统将变得更加智能化和自动化。通过引入这些先进技术，可以实现对交通状况的实时监测和预测，自动调整信号灯的通行时间，提高交通效率和安全性。同时，还可以将交通灯控制系统与其他智能交通系统相结合，形成更加完善的城市交通管理体系，为城市交通的可持续发展做出贡献。