智能交通灯设计.docx
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智能交通灯设计
本科生毕业论文（设计）
题目:
智能交通灯设计
姓名:
学院:
数理与信息工程学院
专业:
电子信息工程
班级:
学号:
指导教师:
职称:
副教授
2014年12月30日
安徽科技学院教务处制
智能交通灯设计
专业：
电子信息工程专业姓名：
陈明
指导老师：
国海职称：
副教授
摘要:
目前在中国，不管是发达地区还是发展中地区，汽车的数量将会变的越来越多，传统的交通灯显示已经不能满足这样子的一个发展趋势，智能交通灯设计将会迎来交通史上新的朝阳模式。
它的设计功能不仅包含传统的红绿黄和左转弯的基本功能，而且也会增添一些紧急状况和特殊状况的一些工作模式。
其中智能交通设计的“智能”主要体现在LD环形传感器感应车流量的状况，然后将感受的信息转化为数字信号传给控制器来进行控制。
所以智能交通灯设计将是我本次的设计，该设计涉及到的是51单片机，数电，模电，电路等一些本科类所学的知识。
关键词：
单片机；智能；交通灯；
1设计意义
1.1研究意义
目前在中国，不管是发达地区还是发展中地区，交通灯是维持交通秩序必不可少的“交警”。
随着时代的高速发展，汽车的数量将变得越来越多，传统交通灯的设计已经无法满足现行交通的状况，因此，一系列智能交通灯的设计开始逐步的走上交通道路的舞台。
传统交通灯的基本功能包括红绿黄灯加上转弯，当遇到一些紧急情况或者是一些道路上的特殊情况的时候，传统交通灯就不能给交通进行一个正确的指引，除非调动大量的交警来维持交通方面的秩序。
每逢国庆长假或是春节的时候，人流量，车流量将达到平时的好几倍。
在一些有名的景点处，人流量，车流量将达到出其的多，因此，交通堵塞将是很难避免的，很多地方调动了大量的交警来维持交通秩序，但还是无法高效的解决这些交通问题。
有的在一些不发达地区，特别是十字路口的交通灯设计很不合理，当遇到救护车的时候，这么紧急的情况，救护车还要看着绿灯才能行使，太耽误救护车救护病人的时间了，而且当十字路口东西方向亮红灯，南北方向亮绿灯，如果这个时候南北的车流量不多，东西方向的车比较多，可是东西方向的车还要一直等待东西方向亮绿灯才能行使，这样车子可能会越聚越多，所以这样的设计可能就不太合理，必须要有这么一个方案的设计来解决此时交通方面遇到的这个问题。
现在，中国和国外将大力开发一些智能交通灯，该交通灯不仅包括我们传统交通灯一些基本功能之外，而且还包括一些道路上的紧急情况和特殊状况的功能。
比如当有紧急车辆通过时，智能交通灯将会做出感应，将十字路口所有的灯设置为红灯，方便紧急车辆通过，节省救护车救病人的时间。
当十字路口东西或者南北某个方向的车比较多，而另一个方向的车又不多的时候，此时智能交通灯将会感应车流量将红灯设置为绿灯。
当南北或者东西某个方向已经亮了绿灯，但如果在倒计时10s以外，车流量不多，为了节省时间，可以通过智能感应将绿灯的时间节省10s。
如果在10s以内倒计时，该方向的车突然变多，可以通过智能感应将绿灯增加10s的时间。
所以，智能交通灯设计的出现，将大大的减少人力物力和财力，并且远远提高了交通安全质量问题。
1.2国内外研究状况
我们知道，各个国家在随着经济的日趋发展的同时，人们在吃喝住行中的“行”也变得越来越好，交通道路这样的问题将会日趋的显现出来。
车流量越来越多，交通事故和环境的污染问题也日益突出，这个问题已经不是我们中国一个国家所面临的问题了，而是全球将会面对的问题。
为了解决交通的问题，我想可以从两个方面来解决，第一方面就是：
限制车流量的增加。
第二个个方面就是：
国家大力修建更多的交通道路。
然而我们可以很清楚的看到，上面刚说的两个方面呢，都有着它的局限性，不管哪一个。
交通这个问题是可以衡量一个国家的发展程度的，也就说一个国家发展成怎么样，一定要看它交通发展的怎么样。
所以我们应该非常的重视。
国内外都对交通的发展做了一系列的研究。
目前，智能交通灯的设计不管是在国外还是国内都是人们热烈讨论的话题，他们讨论的重点就是：
第一他的设计一定要合理实用，第二他的投入资金要少，第三他的设计更加智能化且方便易与操作。
国内外主要围绕这些方面来设计。
现在我们分别来讲讲国内外的研究状况。
国外智能交通灯的研究状况：
我们知道日本的智能交通发展是从70代兴起，日本那时候研究了ITS。
这项研究中，所有的驾驶员都可以根据车子上显示的路段堵塞情况来诱导车子该行驶的方向，然后智能选择所要走的最佳选择路段。
接着到了九几年中期，日本人就完成了道路上车辆之间的通信方面的一些研究。
而美国在研究智能交通方面是最早的，他们一开始研究的那个叫ERGS，可是中途停止研究十几年了，到了八几年中期的时候他们研究的导航系统获得了非常大的成功。
后来又在他们国家开展了那个叫IVHS的研究，也获得了非常大的成功。
当然，现在美国还是以道路为智能交通灯的研究方向。
不管交通灯怎么发展，都离不开先进技术的发展。
国内智能交通灯的研究状况：
中国传统交通灯存在很多方面的缺陷，传统交通灯的一些基本功能只包括红绿黄灯加上转弯，当车辆遇到一些交通的紧急情况或者是一些交通的特殊情况的时候，传统交通灯就不可以给道路进行一个正确的指引，除非交通部门调动大量的交警过来维持交通方面的秩序。
所以我们可以看到中国将会进行一些智能交通方面的设计，中国智能交通灯的设计主要是针对道路上的一些紧急情况和特殊情况。
中国检测车流量将会使用LD传感器，该传感器能够检测到交通上的车流量情况。
当遇到紧急情况的时候，LD传感器检测到道路上的车流量，所有的交通灯都应该进入切换状态5秒，即东南西北的方向全部是黄灯，然后东南西北全部是红灯，方便紧急车辆通过。
当遇到特殊状况的时候，LD传感器检测到道路上的车流量，就会采取相应的转换模式，方便车辆通过。
咱们可以看出，国内外对智能交通灯做的一些让大家都感觉很震撼的钻研，都离不开以“道路”为研究方向的。
所以，道路的智能交通灯还是未来的主流研究方向。
2课题分析
2.1设计要求
2.1.1该设计分为三态工作模式
三态工作模式是指交通灯正常的工作模式，交通灯特殊的工作模式，交通灯紧急的工作模式。
交通灯运行的时间是以倒计时的模式来运行的，现在我分别从交通灯的三态模式来谈谈具体的情况。
2.1.2正常工作模式
我们知道正常的工作模式，是不需要任何外界控制的，这个模式也就是我们所说的传统交通灯。
该智能交通灯正常的运行模式是红绿黄灯加上转弯的功能。
当南北绿灯东西红灯时，LED将会倒计时亮30秒，这个时候南北方向的车将会正常通过，并且南北方向的车可以进行右转弯，但东西方向的车子却禁止不能通行。
当南北亮蓝灯东西亮红灯时，LED将会倒计时亮15秒，这个时候南北的车子可以进行左转弯，同时南北方向那条道路的东西方向人行道是是可以进行人行道通过15秒的，但东西方向的车子是禁止不能通过的。
当南北黄东西红时，这个时候，南北方向是警告时间，LED灯将会倒计时5秒警告，而东西方向却依旧是禁止通行。
当南北红东西绿时，南北方向的车子是禁止通过的，而东西方向的车子是可以自由通过的，并且东西方向的车子可以进行右转弯。
当南北红东西蓝时，这个时候，南北的车子是禁止通行的，而东西方向的车子这个时候是进行左转弯，并且东西方向的南北人行道是可以进行人行道通过15秒倒计时的。
当南北红东西黄时，这个时候南北方向的车子依然是禁止通行的额，而东西方向的车子这个时候将会进行5秒的倒计时警告。
2.1.3紧急工作模式
以前的传统交通灯的设计存在严重的缺陷，比如，当交通道路上出现一些紧急车俩像救护车，救火车，救电车之类的车子的时候，如果这些车还去遵守交通规则的话，将会太浪费这些紧急车俩的救护时间了，但如果不去遵守这些交通规则的话，可能就会引发一些交通事故，这样可能就会更加麻烦，更加增加了交通救助的时间，反而适得其反。
如果调用大量的交警，也是增加了人力物力，同时对这个紧急车俩的通过也无济于事。
现在，我们设计的这个紧急模式就是专门针对紧急车俩通过所设计的。
当有一些紧急车辆通过时，LD传感器将会感受到这样子的一个信号，于是将该模拟信号转化为数字信号传给控制器，由控制器控制切换到一个中断模式，进入中断模式，这个时候十字路口东西南北方向所有的灯都会变成黄灯，同时蜂鸣器会发生报警一下，黄灯倒计时5秒，这个时候全部亮黄灯是为了警告大家，有紧急车辆将要通过，所以这个全部亮黄灯是为了作切换模式，接着所有的灯将会亮红灯，所有的红灯将会倒计时亮20秒，这个时候，东西南北方向的车子除了紧急车辆可以通过之外，其他的车子是不可以通过的。
等到了20秒倒计时结束的时候，十字路口东西南北方向的交通灯又会回到正常的工作模式。
2.1.4特殊工作模式
当我们听到五一劳动节，十一国庆长假周，春运这些词的时候，给我们的第一印象就是拥挤堵塞，我们可以很容易的想象到在一些小长假的那段时间里，交通堵塞应该会很严重。
我们有没有思考过，为什么在这些小长假会造成这种现象呢？
我想着应该是这几天，由于来自四面八方的游客变多，而且很多私家车将会变得很多，很多时候这种情况就打破了这个传统交通的工作模式。
我们这个智能交通灯的设计就是为了解决这样子的一些特殊状况。
具体情况是这样子的，下面我来详细介绍一下这个特殊模式。
如果南北和东西这两个方向的交通灯分别亮的是绿灯和红灯的期间，我们知道这个时刻南北和东西方向灯的状态指示功能分别是正常通行加右转弯，禁止车辆通行这两个。
可是万一这个时候南北方向几乎没有车通过，而这个时候东西方向有很多车子已经在等待了，排了一个长条。
我们可以想象，如果这个时候东西方向的车越积越多，还在等待东西方向的灯亮绿灯再通行，我想到时候可能就会出现交通堵塞，或者一些交通事故。
所以这个时候就应该有个特殊状态模式，当LD传感器感应到车流量的变化的时候，将这样子的信号经过A/D转化之后传给控制器，控制器将会进入中断模式，这个时候南北方向变成红灯，东西方向变成绿灯，当然在进行变换之前，交通灯要有个警告的状态，那就是所有灯变成黄灯，倒计时5秒警告。
如果南北和东西这两个方向的交通灯分别亮的是红灯和绿灯期间，同样和上述的道理一样，如果，南北方向的车子很多，越积越多，而东西方向没有什么车通过时，我们为了方便车子节省时间通行，同时也为了防止堵塞，我们的LD传感器将会感受到这样子的一个车流量，将信号进行A/D转换传给控制器，并进入中断模式，那么首先进行5秒的黄灯切换模式，接着呢，南北和东西方向的灯分别亮绿灯和红灯。
如果南北和东西方向的灯分别亮绿灯和红灯期间，当数码管倒计时在10秒以内，当南北方向的车却越积越多，东西方向的车也不是太多，没有多少。
这个时候LD传感器将会感受到这样子的一个车流量变化，将这个模拟信号同样经过A/D转化，传输给控制器，进入中断模式。
为了避免车子堵塞，那么这个时候南北方向的通行时间将会增加10秒的倒计时通行时间。
如果南北和东西方向的灯分别亮的是红灯和绿灯的期间，和上述的道理是相同的，当数码管倒计时在10秒以内，这个时候如果东西方向的车越积越多，而南北方向的车流量也不是太多，没有多少的时候。
LD传感器将会感受到车流量的变化，将这个信号同样经过A/D转化，传输给控制器，进入这个中断模式。
为了避免车子交通堵塞，这个时候东西方向的通行时间就会增加10秒的通行时间。
2.2设计目的
2.2.1智能交通灯的基本要求
该交通灯设计有四种灯，绿灯点亮的时候表明车辆可以通过，黄灯亮的时候表示车辆已经被警告，但如果车辆已经通过停止线，那么车子是可以通过的，红灯亮的时候，所有的车将被禁止通行，蓝灯亮的时候，车子可以进行左转弯。
交通灯的核心控制器件为单片机，检测车流量的为LD环形传感器，这些使得交通灯能够正常的运行。
2.2.2LED的显示基本原理
该设计采用的显示器件是2位7段共阳极数码管，它总共有10个脚，其中有两个角是位选，还有8个脚分别是abcdefgdp段选。
2.3方案论证与比较
2.3.1方案比较
方案一：
采用FPGA为控制的核心器件来控制智能交通灯，FPGA具有设计的灵活性和通用性而使的成为很多电子产品的控制器，但它的芯片价格有点昂贵，并且编程难度有点大，并且还需要考虑时序问题。
方案二：
采用单片机为控制的核心器件来控制那个智能交通灯，单片机控制器方便操作，且可以用C语言对其进行编程，简单易操作，且可移植性强，它的芯片价格也很便宜，所以我们选择单片机为我们这次设计的主控制器
2.3.2系统框图
图2-1系统总体框图设计
2.3.3系统方案
上述的图2-1是系统的总体款图结构，以咱们所熟知的单片机（MCU）作为我们本次设计的主控制器件。
LD环形传感器感受到车流量变化之后，将其信号经过A/D转换器转化为数字信号传给单片机，由单片机来控制LED数码管的显示，蜂鸣器的报警，二极管的显示。
上面有键盘控制，是因为我们的设计虽然是智能交通控制，不需要人为控制，但由于我们的那个LD传感器是我们理论的设想结果，而智能那部分暂且还是有人的控制来完成，也就是说我们人为的对键盘的控制来代替LD传感器的感应。
2.3.4LD环形传感器
LD环形传感器，它的部件全部埋在那个十字路口的道路以下几厘米的地方的绝缘电线。
如果各种各样的车子经过LD传感器的时候，LD传感器的电感量产生一系列的变化，他的电感量的变化主要是什么引起的呢，这个就像水里面漩涡形式的“涡流效应”那样。
也就是说当各种各样的车子靠近那个LD环形传感器的那个瞬间，他的电感量就会减少。
这些车子如果慢慢的经过了那个LD传感器之后，电感量就会随着这些车子的离去，慢慢的又还原了以前的那个刚开始的值。
所以啊，我们通过LD传感器检测电感量值得变化及可以知道车辆通过的一些情况。
假如我们在震荡电路的谐振回路中加上LD传感器，这个时候如果LD传感器的电感产生变化，相应的他的震荡频率也会跟着发生相对应的改变，所以，我们只要测量这个频率的改变就会知道这些车子经过十字路口的情况。
2.3.5键盘控制
总共有五种键盘控制，具体如下表2-1。
表2-1键盘位定义
键位
功能
KeyNB
将南北的红灯调为绿灯
KeyDX
将东西的红灯调为绿灯
KeyDXZEN
将东西进行加十秒
KeyNBZEN
将南北进行加十秒
中断0
将东西南北的灯都点为红灯
2.3.6LED数码管
共阳极数码管管的真值表为如下表2-2
表2-2数码管真值表
显示的值
代码值
0
0xc0,
1
0xf9,
2
0xa4,
3
0xb0,
4
0x99,
5
0x92,
6
0x83,
7
0xf8,
8
0x80,
9
0x98,
2.3.7蜂鸣器报警
当遇到紧急状况的情形下，这个时候LD传感器将会感受到这样的一个信号，将这样的信号传给A/D转换器，再经过单片机控制器，进入中断模式，这个时候将会发出蜂鸣器的叫声。
提醒将会马上出现紧急工作状态
2.3.8二极管显示
该设计分为四种二极管，分别有红色，黄色，绿色，蓝色。
红颜色的交通灯表明的是严禁车子通行，黄颜色的交通灯表示的是对车子的提前预警，暗示马上要切换交通灯的状态，绿颜色的交通灯表明车子可以开始通行了，蓝颜色的交通灯表明车辆可以进行左转弯通行了。
每个灯的显示时间都是有LED的显示来控制。
3智能交通设计原理概述
3.1正常状态图分析
图3-1南北绿灯，东西红灯
图3-1为南北绿灯，东西红灯，该状态表示的是南北方向的车可以自由通过，并且南北方向的车可以向右拐弯，但东西方向的车子是禁止通行的。
图3-2南北蓝灯，东西红灯
图3-2为南北蓝灯，东西红灯，该状态表示的是南北方向的车可以自由进行左转弯，并且该南北方向的东西人行道是可以进行人们自由通过的，但是东西方向的车子是禁止通过的。
图3-3南北黄灯，东西红灯
图3-3为南北黄灯，东西红灯，该状态表示的是南北方向的车这个时候是被警告的，也就是说南北方向的车如果没有越界的话，那么他就被迫警告停止，如果已经越界了，那么该车可以在警告的时间里面通过去。
但是东西方向的车子是禁止通过的。
图3-4南北红灯，东西绿灯
图3-4表示的是南北方向为红灯，东西方向为绿灯，这个时候南北方向的车子是被禁止的，东西方向的车子是可以自由通过，并且东西方向的车子可以进行右转弯。
图3-5南北红灯，东西蓝灯
图3-5表示的是南北方向为红灯，东西方向为蓝灯，这个时候，南北方向的车子是被禁止通行的，东西方向的车子可以进行左转弯，并且这个时候，东西方向的南北人行道是可以自由通人的。
图3-6南北红灯，东西黄灯
图3-6的意思是南北方向是红灯，东西方向是黄灯，这个时候，南北方向的车子是被禁止通过的，东西方向的车子如果没有越界，那么车子是被警告禁止通行的，但如果车子已经越界了，那么这个时候车子是可以在警告的时间里面进行通过的。
3.2非正常状态图分析
图3-7东西南北全黄灯
图3-7是十字路口东西南北方向的交通灯全部是黄色的，这个时候的状态表示的是四个方向的车子处于警告状态，这个状态的另一种意思就是接下来将会有特殊状态或者紧急状态出现，提前做好倒计时5秒的切换时间，请大家注意了。
图3-8东西南北全红灯
图3-8表示的是十字路口东西南北方向的车子全部是红灯，这个状态表示的是将会有紧急的车辆通过，也提醒所有不是紧急车辆的车子现在停止通行。
3.3LED显示状态表
具体LED显示的状态表如下表3-1.
表3-1LED显示状态表
状态
P0^7
P0^6
P0^5
P0^4
P0^3
P0^2
P0^1
P0^0
P0口控制码
南北绿
东西红
1
0
1
1
0
1
1
1
0xb7
南北蓝
东西红
1
0
1
1
1
1
1
0
0xbe
南北黄
东西红
1
0
1
1
1
0
1
1
0xbb
南北红
东西绿
1
1
1
0
1
1
0
1
0xed
南北红
东西蓝
0
1
1
1
1
1
0
1
0x7d
南北红
东西黄
1
1
0
1
1
1
0
1
0xdd
南北红东西红
1
0
1
1
1
1
0
1
0xbd
4硬件电路设计
4.1器件的选择
电容（各类电容），电阻，三极管（PNP），红黄绿蓝二极管（LED），晶振（CRYSTAL），蜂鸣器（BUZZER），按键（BUTTON），单片机（AT89C51），驱动（7407），异或（74LS86），非门（74LS04），两位的数码管（7SEG-MPX2-CA-BLUE）。
4.2模块电路介绍
4.2.1二位数码管
图4-1数码管
如图4-1，本设计采用的是2位7段数码管，位选对应的是脚1，2,。
段选对应的脚是A,B,C,D,E,F,G,H.本设计采用的是共阳极数码管，所以只要给该数码管每个引脚为低电平时则数码管有效。
具体的数码管真值表见表2-2。
4.2.27407
图4-27407
如图4-2，该芯片为7407，该芯片的主要功能是起到缓冲驱动和输出更大电流的作用，如果发光二极管不接7407驱动的话，可能因为电流过小而导致发光二极管不能点亮，所以发光二极管与单片机控制器相连的时候，一定要接7407.
4.2.3XOR与NOT
图4-3XOR与NOT
如图4-3，上述的模块电路，是由四个按键，电阻，XOR和NOT组成，图4-3中的XOR和NOT只是芯片的一个实例化。
该功能最终的目的是为了进入中断，而为了能够让多个按键控制一个中断，这个时候就要接XOR这个芯片，然后在按键负的另一端牵一个导线到单片机控制器的一个引脚中，只要判断单片机的这个引脚是不是为低电平，如果为低电平则为有效。
其中，中断为低电平时为有效状态。
4.2.4蜂鸣器电路
图4-4蜂鸣器电路
图4-4是蜂鸣器电路，三极管基极b这个脚是和紧急状态下单片机中断0的一边相连，当有紧急车辆通过时，这个时候进入中断0，则三级管的基极b为低电平，三极管的集电极c也为低电平，这个时候三极管发射极e电位要高于基极b的电位和集电极c的电位，所以蜂鸣器导通，然后会叫响。
这里的PNP三极管的作用是相当于开关控制的作用。
4.2.5复位电路
图4-5复位电路
如图4-5所示，我们知道，对于任何单片机上电的时候都是需要复位的。
对于这个MCS51单片机，只要在复位管脚出现10ms以上高电平的话，单片机就可以实现复位的功能了。
单片机复位电路一般包括内部形式和外部形式的。
外部复位的电路就是为了使内部复位电路提供2个机器周期以上的高电平。
51单片机（C51MCU）呢，通常采用的是自动上电的复位形式和自己手动复位的形式。
我的智能交通采用的就是后者，自己手动复位的方式。
常用的复位芯片有哪些呢，接下来我来用一个表格的形式来介绍一下。
如表4-1所示。
表4-1芯片类型
芯片的类型
厂商
复位电平
手动复位输入
电压的检测
看门狗
Max707
Maximm
0
YES
YES
NO
Tps705
Ti
0
YES
YES
YES
Tcm810
Microchip
1
NO
YES
NO
X5045
Xicor
1
NO
YES
YES
4.2.6晶振电路
图4-6晶振电路
如图5-6所示，该图为晶振电路，另名为时钟电路。
该电路中的晶振是很重要的，他的晶振频率有很多种，常用的有6兆和12兆的石英晶体。
单片机的里面很多部件的运作都是要晶振电路为基础来控制的，我们事先要选好那种晶振。
4.2.7C51单片机
图4-751单片机
在一块硅集成电路芯片上面焊有Cpu、Rom、Ram、I/O口、定时和计数器、中断控制器、A/D、D/A、调制解调器、以及一些其他零部件的系统称做单片机，英文名叫做MCU。
该控制器有4个I/O口，每个口有8位，这些输入输出口的命名分别是P0输入输出口，P1输入输出口，P2输入输出口，P3输入输出口。
P0口的8个脚可以使用在2种不同的情况下，当不接片外存储器和不扩展的I/O口时，这时可以把它看作准双相I/O口，用来传输输入输出来的数据。
当连接外部存储器和外扩输入输出口时。
那么这个处理器开始访问接在外部的存储器的时候，应该先传输接在外部存储器低八位的这个地址，然后再传送处理器对接在外部的存储器的读写数据，这个时候P0口就为地址，数据分时复用。
P1口不仅可以作为准I/O口，而且有的引脚还可以作为定时器和计数器的功能。
P2不仅可以作为输入输出口，并且还可以与P0这个口互相组合，当接上外部的存储器或者输入输出口且可以寻地址高出256bit的时候。
P2端口就可以成为接在外部的存储器高八位的地址了。
P3不仅可以作为输入输出端口，并且又可以用于第2个功能，他的第2个功能我使用一个表来表示，如表4-2所示。
表4-2P3引脚第二功能
引脚
功能
P3^0
Rxd
P3^1
Txd
P3^2
-Into
P3^3
-Int1
P3^4
T0
P3^5
T1
P3^6
-Wr
P3^7
-Rd
该设计采用的C51单片机所用的引脚有Vdd，Vss，P0所有口，P1所有口，P2^6，P^7,中断0，中断1，晶振口，复位口，还有P3一些口。
下面我来大致介绍一下用这些引脚的作用是什么。
其中P0口是用来接四种LED灯，其中每种LED灯需要接上驱动，驱动的作用是防止LED灯因为电流过大而烧毁。
P1口是用来控制
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