基于单片机的交通灯的智能控制.docx

基于单片机的交通灯的智能控制.docx

《基于单片机的交通灯的智能控制.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的交通灯的智能控制.docx（32页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于单片机的交通灯的智能控制

摘要

在人类的生活、工作环境中，交通扮演着极其重要的角色，人们的出行都无时不刻与交通打着交道，交通网络是城市的动脉，象征着一个城市的工业文明水平。

随着城市生活的不断发展，人口的快速增长，交通的拥堵已经成为人们面对的日益严峻的问题。

然而交通工具的爆炸性发展以及道路资源的有限性，交通灯的方便快捷的控制就应运而生。

本论文在讨论基于单片机的智能交通灯控制的过程中，仔细的分析了交通的模块以及改良后的问题，包括单片机的实现功能，车流量的采集，数据的分析和软件程序的读写；随后以两个路口的红绿灯为例，分析了再不同的模拟车流量的情况下，交通灯的持续时间，明确了对过去交通灯的改良和实用效果。

改良后的智能交通灯控制系统，可以通过来往方向的车流量的多少决定交通灯的持续时间，使交通更加方便快捷，最大程度的减缓交通压力。

让人们的出行生活更加美好。

关键词：

智能交通灯；车流量检测；单片机

Abstract

Inhumanlife,workingenvironment,transportplaysanimportantrole,peopletravelareallthetimeandtransportationdealtwith,thetransportationnetworkisthearteriesofthecity,asymbolofacityofindustrialcivilizationlevel.Withthecontinuousdevelopmentofcitylife,therapidpopulationgrowth,trafficcongestionhasbecomethepeoplefacetheseriousproblem.Buttransportationdevelopmentroadresourcesandexplosivethelimitationsofthetrafficlightconvenientcontrolismade.

Thisarticlediscussedtheintelligencebasedonsinglechipmicrocomputercontrolintheprocessofthetrafficlights,carefulanalysisofthetrafficofthemodulesandimproved,includingthefunctionofsinglechip,thetrafficacquisition,dataanalysisandasoftwareprogramofreadingandwriting;Aftertwoattrafficlightsforexample,analyzesthedifferentsimulationoftrafficflowagain,thedurationofthetrafficlights,madeclearthetrafficlightstothepasttheimprovementandpracticaleffect.Improvedintelligenttrafficcontrolsystem,cangothroughthedirectionoftraffictothedurationofhowmuchtrafficlights,trafficismoreconvenientquickly,thegreatestdegreeofslowtrafficpressure.Letpeople'slifebettertravel.

KeyWords：

Intelligenttrafficlights;Trafficdetection;Singlechip

目录

第1章绪论1

1.1国内外交通控制系统的发展及应用前景1

1.2本论文的研究内容3

第2章系统方案选型4

2.1智能交通灯控制系统的基本结构及原理4

2.2控制器选型5

2.2.1DSP控制器5

2.2.2FPGA控制器5

2.2.3单片机控制器6

2.3车流量检测技术选型6

2.3.1环形线圈检测器6

2.3.2地磁检测器7

2.3.3霍尔传感器7

2.4显示技术选型8

第3章系统硬件设计9

3.1单片机外围电路设计9

3.1.1单片机选型9

3.1.2AT89S51单片机简介10

3.1.3单片机外围电路11

3.2车流量检测电路12

3.3交通灯显示电路13

3.4电源电路设计14

第4章系统软件程序的设计17

4.1算法分析17

4.2倒计时程序设计18

4.3交通灯的转变程序设计19

4.4车流量计算程序设计20

第5章基于单片机智能交通灯的控制系统的测试22

第6章总结与展望23

参考文献24

致谢25

附录一整机电路图26

附录二系统程序27

第1章绪论

随着我国经济的不断发展，交通已成为人们所关注的问题由于交通灯与人们的日常生活有着密切的关系，是城市交通中的重要指挥系统。

随着人们生活水平的不断提高，对交通管制的要求也逐渐升高，因此，建立一个安全、可靠、便捷的交通灯智能控制系统是现实的必然要求。

本章对现有的交通控制系统做了简要介绍，通过分析现有交通控制系统的不足与缺陷，说明交通控制系统改良的必要性。

同时对本课题的研究目的、意义、主要内容及创新点作出了说明。

1.1国内外交通控制系统的发展及应用前景

1858年，在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红，蓝两色的机械扳手式信号灯，用以指挥马车通行。

1868年，英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上，安装了世界上最早的煤气红绿灯。

它由红绿两以旋转式方形玻璃提灯组成，红色表示“停止”，绿色表示“注意”。

1918年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。

带控制的红绿灯，一种是把压力探测器安在地下，车辆一接近红灯便变为绿灯；另一种是用扩音器来启动红绿灯，司机遇红灯时按一下嗽叭，就使红灯变为绿灯。

到80年代初，全世界建有交通管制中心的城市有300多个，代表了未来交通控制的发展方向。

1968年，联合国《道路交通和道路标志信号协定》对各种信号灯的含义作了规定。

绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以直行，左转弯和右转弯，除非另一种标志禁止某一种转向。

左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。

红灯是禁行信号，面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车。

黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线，但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。

而我国城市交通运输的现状和存在的问题，是借鉴国外城市交通管理的先进经验，强调建立城市交通管理体制的重要性，提出加强城市交通研究的交通规划，建立稳定的交通基础设施建设的资金出道，实行公交优先政策，建立先进的交通信息系统等对策。

然而，城市道路建设规模正在加大，我国城市普遍存在道路密度，道路面积率偏低的问题。

近几年，国家虽不断加大城市道路建设的力度，但仍赶不上车辆的增长速度，且与世界其他国家相比，差距仍很大。

出租车以及公交的发展运营情况并不尽如人意，虽然车辆和线路长度增长，但运营速度成了瓶颈，新增的运力被运输效率低下所抵消，虽然有部分城市研究和引进一些国外先进的交通信号管理系统，但是由于交通管理设施不足等原因，我国交通事故率居高不下。

城市车流行驶速度逐年下降，目前不少城市交通运量年年增长，但运输速度普遍下降，这都源于交通通行不佳。

在西方发达国家，交通控制系统基本上完成了由传统的交通控制系统向智能交通控制系统ITS的转变，而在我国，智能交通系统则刚刚处于起步阶段。

对于传统的交通控制系统而言，对红绿灯一般采用定时控制，无法对实际的交通流进行识别优化，以至于不能适应交通量的不确定性和随机性的原因，往往造成交通资源的浪费和道路的梗阻。

而智能交通控制系统则在不产生大的硬件改动的情况下有效的提高效率。

ITS：

IntelligentTransportsystems。

这一国际性术语于1994年被正式认定。

国际标准化组织（ISO）为ITS设立的专项叫ISO／TC．204，使用的术语是“1rICS（交通运输信息与控制系统）”。

智能交通系统强调的是系统性、信息交流的交互性以及服务的广泛性，其核心技术是电子技术、信息技术、通信技术、交通工程和系统工程。

智能交通系统ITS是在较完善的道路设施基础上，将先进的电子技术、信息技术、传感器技术和系统工程技术集成运用于地面交通管理所建立的一种实时、准确、高效、大范围、全方位发挥作用的交通运输管理系统。

交通控制研究的发展，旨在解决人类交通因需求的增多而日益繁重带来的问题，局限于道路建设的暂时不足和交通工具的快速增长，就要使更多的车辆安全高效的利用有限的道路资源，避免因无序和抢行等无控制原因造成的不必要阻塞甚至瘫痪，另外，针对整个交通线路车辆的多少实时调整和转移多条线路的分流也十分必要。

交通关系着人们对于财产，安全和时间相关的利益。

具有优良科学的交通控制技术对资源物流和人们出行都是十分有价值的，保证交通线路的畅通安全，才能保证出行舒畅，物流准时到位，甚至是生命通道的延伸。

1.2本论文的研究内容

而今社会的飞速发展，车辆的不断增多，使得现有的交通控制系统不堪重负，现有的交通系统已经不能最好的满足社会的发展与交通压力之间的矛盾。

因此就必须在现有的交通控制系统上进行改革。

基于整个交通控制系统的发展情况，本设计主要进行如下方面的研究：

用智能，集成，且功能强大的单片机芯片为控制中心，设计出一套十字路口的交通控制系统，以指挥该路口的实时通行状态。

本论文是在现有的交通控制系统基础上加以改良，使其更加方便快捷、灵活，最大程度的减缓交通压力。

具体方案为：

在两路口通过多谐振荡电路模拟车流量的数量，然后将模拟的数据输送给单片机控制的软件程序，软件程序通过分析两路口的模拟数据决定交通灯的延缓时间，最大程度的解决因车辆过多给交通带来的压力，从而让人们的生活更加舒适。

总的原理框图如图1.1所示。

图1.1总框图

该系统主要是利用单片机为主导，组成部分分别有车流量检测电路和现实，倒计时显示和红绿灯的变换。

第2章系统方案选型

全国有多个城市，每个城市有多个交通路口，从长远，便利来看，可为每个城市设计一个独立的智能交通灯控制系统，将市内所有路口合理划分为N个子系统，每个系统独立工作，同时也可将路口信息反馈给远程主控制计算机，人们可从计算机上获得整个城市的各路口信息，进而可对智能交通灯控制系统进行更好的规划和完善。

智能交通灯控制系统是以单片机最小系统，模拟测流量检测电路，显示电路组成。

显示电路由红绿灯显示、倒计时显示、车流量显示组成。

模拟车流量检测电路产生脉冲送给单片机，单片机对车流量计数，单片机根据车流量大小对红绿灯和倒计时时间进行智能调整。

2.1智能交通灯控制系统的基本结构及原理

智能交通灯控制系统由SST51单片机，硬件部分和软件部分三个模块组成的。

硬件部分包括模拟车流量检测，交通灯显示、LED倒计时、数码管显示原理组成。

软件部分包括中断计数和消抖程序组成。

首先由模拟车流量检测出两路口车流量的多少，将所得数据传输给单片机，单片机分析数据后执行相应的程序，而显示部分将会显示出交通的通行状况。

据此，本设计系统以单片机为控制核心，连接成最小系统，由车流量检测模块，按键设置模块等产生输入，信号灯状态模块，LED倒计时模块状态模块接受输出。

系统的总体框图如上所示。

键盘设置模块对系统输入模式选择及具体通行时间设置的信号，系统进入正常工作状态，执行交通灯状态显示控制，同时将时间数据倒计时输入到LED数码管上实时显示。

倒计时显示可以提醒驾驶员在信号灯灯色发生改变的时间、在“停止”和“通过”两者间作出合适的选择。

车辆检测器作为智能交通系统的基本组成部分，在智能交通系统中占有重要的地位。

一般车流量检测器采用传感器+单片机+外围器件来实现。

2.2控制器选型

控制器按不同的结构可分为DSP、FPGA、单片机等。

它们是现有生活中控制器的主要代表，不管是实验，工业以及社会的发展大部分均使用以上三种控制器。

下面分别对这三种控制器进行论述。

2.2.1DSP控制器

DSP（digitalsignalprocessor）是一种独特的微处理器。

其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号。

再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。

它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。

　　DSP微处理器（芯片）一般具有如下主要特点：

（1）在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；

（2）程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；

　　（3）片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；

　　（4）具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；

（5）快速的中断处理和硬件I/O支持；

2.2.2FPGA控制器

FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（LogicCellArray）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（ConfigurableLogicBlock）、输出输入模块IOB（InputOutputBlock）和内部连线（Interconnect）三个部分。

与传统逻辑电路和门阵列（如PAL，GAL及CPLD器件）相比，FPGA具有不同的结构，FPGA利用小型查找表（16×1RAM）来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块。

FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程.

2.2.3单片机控制器

单片微型计算机简称单片机，又称微控制器，嵌入式微控制器等，属于第四代电子计算机。

它把中央处理器、存储器、输入/输出接口电路以及定时器/计数器集成在一块芯片上，从而具有体积小、功耗低、价格低廉、抗干扰能力强且可靠性高等特点，因此，适合应用于工业过程控制、智能仪器仪表和测控系统的前端装置。

单片机的主要特点有：

1）具有优异的性能价格比。

2）集成度高、体积小、可靠性高。

3）控制功能强。

4）低电压，低功耗。

通过以上的分析，DSP控制器功能很强大性能也很好，但是对于本设计来说，有些很好的功能可能用不上而且DSP成本较高，而FPGA的性能同样很好，但本设计有些功能FPGA不能很好的满足。

因此控制器的选择为单片机。

2.3车流量检测技术选型

在本系统中车流量检测的技术在理论知识方面有很多可行的方法，例如环形线圈检测器、地磁检测器、霍尔传感器等一系列检测方法，但是如何更好的用于本系统中，还要进一步分析各检测器方法之间的区别。

2.3.1环形线圈检测器

环形线圈检测器是目前国内外使用最广泛的车辆检测器。

采用每一车道的地面下的一定深度挖槽埋入流量检测线圈，当车辆通过环型线圈时，使环型线圈的电磁感应发生变化，从而引起谐振回路的谐振频率发生变化，通过从地下引出信号连线连接道路旁边的检测计数器进行计数。

环型线圈检测器具有成本低，安装方便，灵敏度高，受气候影响小等优点。

其缺点是：

线圈一次性埋入地下不可移动，安装成本高，维护难度大，基本上是一次性工程；道路施工会破坏线圈，增加施工成本；为获取流量信息，对埋入地下的线圈在安装上有较高的工艺要求；对于交通流的数据提取也十分有限，一般仅能检测车辆速度、行驶方向、车辆分类等。

2.3.2地磁检测器

地磁检测器是把一个具有高导磁率铁芯和线圈装在一个保护套内，里面填满了非导电的防水材料，形成一根磁棒。

把磁棒埋在路面下，当车辆驶过这个线圈时。

通过线圈的磁通量发生变化，在线圈中产生一个电动势，这个电动势经过放大器放大后去推动继电器，发出一个车辆通过的信息。

具有安装容易，不易损坏，价格便宜等优点。

缺点是对慢速车辆不能检测，有时会出现误检，且材料容易老化，灵敏度会逐年衰减。

2.3.3霍尔传感器

霍尔电流传感器具有精度高、线性好、频带宽、响应快、过载能力强和不损失被测电路能量等诸多优点，是一种先进的、能隔离主电路回路和电子控制电路的电检测元件。

它综合了互感器和分流器的所有优点，同时又克服了互感器和分流器的不足（互感器只适用于（"23工频测量；分流器无法进行隔离测量）。

利用同一只霍尔电流传感器既可以检测交流也可以检测直流，甚至可以检测瞬态峰值，因而是替代互感器和分流器的新一代产品。

根据本设计所需要的功能和显示出的特点，霍尔传感器相比其他检测器表现的更加优越。

因此对于车流量检测部分的硬件模块选用霍尔传感器进行检测。

2.4显示技术选型

显示单元是计算机系统开发时使用的主要设备之一，它可将计算机的运算结果、中间结果、存储器地址以及存储器、寄存器中的内容显示出来，从而实现人机对话。

可以做显示器的有：

LED,LCD,CRT等。

CRT就是常见的显像管式的显示器。

优点是颜色视觉效果好，视角宽，可靠性高，便宜；缺点是体积大耗电多，有微量的X射线辐射。

LED就是发光二极管。

LED一般适合做大屏幕的显示设备，最突出的优点那就是屏幕尺寸可以不受限制，亮度可以做的很高，其他的如显色性、对比度等都不如CRT显示器。

而根据本论文的实际需要和实践的相关功能，显示部分只需要LED发光二级管和数码管。

数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。

共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数码管。

共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。

当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。

共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极（COM）的数码管。

共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。

当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。

因本设计应用于实际的需要，对于数码管的选择，这里所选的是八段共阴极数码管，位数为两位。

第3章系统硬件设计

智能交通灯控制系统的硬件部分由单片机最小系统，模拟车流量检测电路，红绿灯显示电路，倒计时显示电路，车流量显示电路，紧急暂停开关组成。

倒计时显示与车流量显示原理一样，在下面将放在一起介绍。

单片机最小系统由单片机、晶振和复位电路构成。

单片机最小系统给了单片机正常工作和运行的条件。

以下将具体介绍单片机和其他硬件功能特点。

3.1单片机外围电路设计

对于单片机外围电路的分析，首先要明确单片机的种类，以及要各个单片机的主要功能，这样才能更好完成相关设计

3.1.1单片机选型

单片机又分为很多种类，例如AVR、凌阳单片机和51单片机等等，下面对单片机进行进一步的分析论述。

1．AVR单片机介绍

AVR单片机是ATMEL公司研制开发的一种新型单片机，PIC单片机相比具有一系列的优点：

（1）运行速度较快；

（2）芯片内部的Flash、EEPROM、SRAM容量较大；

（3）所有型号的Flash、EEPROM都可以反复烧写、全部支持在线编程烧写；

（4）多种频率的内部RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，零外围电路也可以工作；

（5）IO口可以以推换驱动的方式输出高、低电平，驱动能力强；

（6）内部资源丰富，一般都集成AD、DA模数器；PWM；SPI、USART、TWI、I2C通信口；丰富的中断源等。

2.凌阳单片机介绍

（1）它整合了多个常用的功能模块，让我们在进行系统开发的时候不用外加过多的硬件就可方便的完成一个系统的设计。

（2）耗电少，可以满足很多手提设备、掌上设备低能耗的需求。

（3）可方便的用来实现声音录制、播放，Midi音乐合成和语音识别。

（4）可方便的完成一系列乘加的运数，实现一些数据处理比较容易。

（5）芯片里具备在线仿真调试电路，使调试和程序下载更加方便，也把仿真器和烧录器的成本给节省下来了。

3.51单片机的介绍

（1）有优异的性价比。

（2）集成度高、体积小、有很高的可靠性。

（3）控制作用强。

（4）扩展性能好，非常容易构成各种应用系统。

以上三种单片机的开发过程和编程思维都是相似的。

AVR单片机功能强大，功耗低，一般小型都可以满足。

而凌阳单片机是一款功能强大的语音处理单片机。

51单片机比较基础、成熟，一般教学都用这种单片机。

因此，对于本系统的功能特点和要求，在此选用51单片机作为本系统的控制核心。

3.1.2AT89S51单片机简介

1.AT89S51单片机的主要性能参数

与单片机产品兼容8K字节在系统可编程Flash存储器、1000次擦写周期、全静态操作：

0Hz～33Hz、三级加密程序存储器、32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器八个中断源、全双工UART串行通道低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符。

中央处理器（CPU）是整个单片机的核心部件，AT89S51是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码。

AT89S51中数据存储器的地址空间为256个RAM单元，但其中能作为数据存储器供用户使用的仅有前面128个，后128个被专用寄存器占用。

2.主要引脚功能

AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可系统编程的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。

它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中。

AT89S51弹片机引脚图如图3.1所示。

图3.1单片机引脚

P0口：

P0口是一组8位漏极开路型双向I／0口，也即地址／数据总线复用口。

P1口：

Pl是一个带内部上拉电阻的8位双向I／O口，Pl的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

P2口：

P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I／O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

P3口：

P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I／0口。

P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

3.1.3单片机外围电路

单片机最小系统由单片机、晶振和复位电路构成。

单片机最小系统给了单片机正常工作和运行的条件。

单片机最小系统电路图如图3.2所示。

图3.2单片机最小系统

在外部振荡电路中，单片机的XTAL1和XTAL2管脚分别接至由12MHZ晶振和两个30PF电容构成的振荡电路两侧，为电路提供正常的时钟脉冲。

在复位电路中，单片机RESET管脚一方面