单片机的智能交通控制系统硬件精品Word文档格式.docx
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1952年，美国科罗拉多州丹佛市首次利用模拟计算机和交通检测器实现了对交通信号机网的配时方案自动选择式信号灯控制，而加拿大多伦多市于1964年完成了计算机控制信号灯的实用化，建立了一套由IBM650型计算机控制的交通信号协调控制系统，成为世界上第一个具有电子数字计算机城市交通控制系统的城市。
这是道路交通控制技术发展的里程碑。
可以说，在近百年的发展中，道路交通信号控制系统经历了手动到自动，从固定配时到灵活配时，从无感应控制到有感应控制，从单点控制到干线控制，从区域控制到网络控制的长远过程。
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。
交通网络是城市的动脉，象征着一个城市的工业文明水平。
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。
1.3国内外研究现状及其发展
1.3.1国内外交通控制技术
当今，红绿灯安装在各个道口上，已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段。
但这一技术在19世纪就已出现了。
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。
这是世界上最早的交通信号灯。
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”。
1869年1月2日，煤气灯爆炸，使警察受伤，遂被取消。
电气启动的红绿灯出现在美国，这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成，1914年始安装于纽约市5号大街的一座高塔上。
红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通行”。
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。
红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时，它就能察觉到有人要过马路。
红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间，推迟汽车放行，以免发生交通事故。
从1868年英国伦敦首次使用燃汽色灯信号以来，城市交通信号机由手动到自
动，交通信号由固定周期到可变周期，系统控制方式由点控到面控，从无车辆检测器到有车辆检测器，经历了近百年的历史。
到1963年加拿大多伦多市建立了一套使用IBM650型计算的集中协调感应控制信号系统，从而标志着城市道路交通信号系统的发展进入了一个新的阶段。
各个时期典型交通信号系统得特征如附表所示。
之后，美国、英国、德国、日本、澳大利亚等多家相继建成数字电子计算机区域交通控制系统，这种系统一般还配备交通监视系统组成交通管制中心。
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。
表1.1交通信号系统发展状况
简称
时间
国别
城市
名称
控制路口数
信号周期
检测器
控制方式
点控
1868
英国
伦敦
燃气色灯
单
/
1914
美国
克利夫兰
电力色灯
1926
各城市
单点定周期自动信号机
定
自动
1928
感应式自动信号机
气压式
线控
1917
盐湖城
手控干道协调系统
6个
人工
1922
休斯顿
电子计时干道协调系统
12个
电动
步进式定时干道协调系统
多个（线）
变
面控
1952
丹佛市
模拟计算机交通信号控制系统
多个（网）
计算机
1963
加拿大
多伦多
数字计算机集中协调感应控制信号系统
电磁式
信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。
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。
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。
在此之前，美国称这类技术或相关研究项目为“智能车辆道路系统（IVHS）”（IntelligentVelIieleHighwaySystem）。
日本将这类技术称为UTMS、VICS等：
欧盟则称之为“道路交通信息技术（RTI）”。
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。
在国内，受客观条件的制约，ITS起步比较晚，在20世纪90年代初，我国的相
关学者开始意识到研究和开发ITS的重要性。
到90年代中期，由于受到国外ITS研发的影响，政府部门也开始重视对ITS的研究，随后，又得到中央部门和部分地方政府的支持。
1999年，我国成立了全国智能交通系统（ITS）协调指导小组及办公室，同年，
又成立了全国智能交通运输系统（ITS）专家咨询委员会，其中，同济大学、清华大学、北方交通大学、北京航空航天大学、吉林工业大学、东南大学等高校的有关专家为咨询委员，并启动了国家“九五”科技攻关课题和国家“十五”科技攻关课题。
目前，在对一些大中型城市引入的国外ITS进行研究的基础上已经逐渐开始摸索开发设计适合自己国情的ITS系统。
1.3.2交通控制存在的问题
我国城市交通运输的现状和存在的问题，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。
随着城市机动车增长速度的加快。
1994年卧轨城市机动车保有量已接近500完辆。
20世纪90年代以来，经济的发展加快，从1985年到1995年，机动车增长率达13%左右，近几年更是增多。
然而，在此同时，城市道路建设规模也在加大，我国城市普遍存在道路密度，道路面积率偏低的问题，这是我国城市哟其是大城市有机的一个重要原因。
我国城市道路的密度只有6.8km每平方千米，而在20世纪80年代，世界发达国家就已到达20km每平方千米。
20世纪90年代，我国部分城市道路面积率，北京为5.9%，上海为6.4%，而国外东京为13.8%，巴黎为25%，普遍高于我国。
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。
交通管理方面水平还欠发展，随着交通需求越来越旺盛，而我国城市中小交通管理和交通安全的现代化设施却做得不足。
在车辆，道路和交通管理系统，城市交通信号控制系统，城市交通管制中应用人工智能技术，信息采集和信息提供技术等方面都与发达国家有很大差距。
近几年，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。
1.4单片机交通控制系统主要研究的内容
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。
本设计主要做了如下几方面的工作：
一是确定系统交通控制的总体设计，包括，十字路口具体的通行禁行方案设计以及系统应拥有的各项功能，在这里，本设计除了有信号灯状态控制能实现基本的交通功能，还增加了倒计时显示提示，基于实际情况，又要求了对车流量检测及自调整模拟功能，违规检测及处理，紧急状况处理和键盘可设置等强大功能。
二是进行智能传感器的硬件电路，显示电路等的设计对各器件的选择及连接，大体分配各个器件及模块的基本功能要求。
三是进行软件系统的设计，对于本系统，本人采用单片机汇编语言编写，对单片机内部结构和工作情况做了充足的研究，了解定时器，中断以及延时原理，总体上完成了软件的编写。
2单片机交通控制系统总体设计
2.1单片机交通控制系统的通行方案设计
设在十字路口，分为东西向和南北向，在任一时刻只有一个方向通行，另一方向禁行，持续一定时间，经过短暂的过渡时间，将通行禁行方向对换。
其具体状态如下图所示。
说明：
黑色表示亮，白色表示灭。
交通状态从状态1开始变换，直至状态6然后循环至状态1，周而复始，即如图2.1所示：
图2.1交通状态
通过具体的路口交通灯状态的演示分析我们可以把这四个状态归纳如下：
◆东西方向红灯灭，同时绿灯亮，南北方向黄灯灭，同时红灯亮，倒计时20秒。
此状态下，东西向禁止通行，南北向允许通行。
◆东西方向绿灯灭，同时黄灯亮，南北方向红灯亮，倒计时2秒。
此状态下，除了已经正在通行中的其他所以车辆都需等待状态转换。
◆南北方向红灯灭，同时绿灯亮，东西方向黄灯灭，同时红灯亮，倒计时20秒。
此状态下，东西向允许通行，南北向禁止通行。
◆南北方向绿灯灭，同时黄灯亮，东西方向红灯亮，倒计时2秒。
下面我们可以用图表表示灯状态和行止状态的关系如下：
表2.1交通状态及红绿灯状态
状态1
状态3
状态4
状态6
东西向
禁行
等待变换
通行
南北向
东西红灯
1
东西黄灯
东西绿灯
南北红灯
南北绿灯
南北黄灯
东西南北四个路口均有红绿黄3灯和数码显示管2个，在任一个路口，遇红灯禁止通行，转绿灯允许通行，之后黄灯亮警告行止状态将变换。
状态及红绿灯状态如表2.1所示。
0表示灭，1表示亮。
2.2单片机交通控制系统的功能要求
本设计能模拟基本的交通控制系统，用红绿黄灯表示禁行，通行和等待的信号发生，还能进行倒计时显示，车流量检测及调整，交通违规处理和紧急处理等功能。
（1）倒计时显示
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。
驾驶员和行人普遍都愿意选择有倒计时显示的信号控制方式，并且认为有倒计时显示的路口更安全。
倒计时显示是用来减少驾驶员在信号灯色改变的关键时刻做出复杂判断的1种方法，它可以提醒驾驶员灯色发生改变的时间，帮助驾驶员在“停止”和“通过”两者间作出合适的选择。
（2）车流量检测及调整
随着我国经济建设的蓬勃发展，城市人口和机动车拥有量在急剧增长，交通流量日益加大，交通拥挤堵塞现象日趋严重，交通事故时有发生。
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。
现阶段，车辆检测器检测方式有很多，各有其优缺点，如红外线检测器、地磁检测器、机械压电检测器，磁频检测器、波频检测器、视频检测器等。
一般车流量检测器采用传感器+单片机+外围器件来实现。
而且，目前国内使用的红绿灯都是固定的红绿灯时间，并自动切换。
红灯时间和绿灯时间，是根据道口东西向和南北向的车流量，利用统计方法确定的。
交通警察不断观察十字路口的两个方向，根据车辆密度和流速决定是否切换红绿灯，以保证最佳的道路交通控制状态。
（3）时间手动设置
除系统根据车流量自动控制调整，也可以通过键盘进行手动设置，增加了人为的可控性，避免自动故障和意外发生，并再紧急状态下，可设置所有灯变为红灯。
键盘是单片机系统中最常用的人机接口，一般情况下有独立式和行列式两种。
前者软件编写简单，但在按键数量较多时特别浪费I／0口资源，一般用于按键数量少的系统。
后者适用于按键数量较多的场合，但是在单片机I／0口资源相对较少而需要较多按键时，此方法仍不能满足设计要求。
本系统要求的按键控制不多，且I／0口足够，可直接采用独立式。
（4）紧急处理
交通路口出现紧急状况在所难免，如特大事件发生，救护车等急行车通过等，我们都必须尽量允许其畅通无阻，毕竟在这种情况下是分秒必争的，时时刻刻关系着公共财产安全，个人生死攸关等。
由此在交通控制中增设禁停按键，就可达到想此目的。
（5）违规检测
交通规则必须人人遵守，但是违反规则，如闯红灯等，也时有发生，交警等交通管理人员虽然可以进行实时监管，但是耗费精力，在路口设置检测传感器就可以进行自动的警报提示。
2.3单片机交通控制系统的基本构成及原理
单片机设计交通灯控制系统，可用单片机直接控制信号灯的状态变化，基本上可以指挥交通的具体通行，当然，接入LED数码管就可以显示倒计时以提醒行使者，更具人性化。
本系统在此基础上，加入了违规检测电路和车流量检测电路为单片机采集数据，单片机对此进行具体处理，及时调整控制指挥，为了超越视觉指挥的局限性，同时接上蜂鸣器，在听觉上加强了指挥提醒作用。
图2.2系统的总体框图
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，违规检测模块，和按键设置模块等产生输入，信号灯状态模块，LED倒计时模块和蜂鸣器状态模块接受输出。
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。
在此过程中还要实时捕捉违规检测和紧急按键信号，以达到对异常状态进行实时控制的目的。
急停按键和违规检测随时调用中断。
在模式选择上，若为自动模式，将不断调用车流量检测模块对车流量进行检测统计，到达一定时间将修正通行时间一满足不同路况的需要。
3系统硬件电路的设计
3.1系统硬件总电路构成及原理
实现本设计要求的具体功能，可以选用AT89S51单片机及外围器件构成最小控制系统，12个发光二极管分成4组红绿黄三色灯构成信号灯指示模块，8个LED东西南北各两个构成倒计时显示模块，车流量检测传感器采集流量数据，光敏传感器捕获违规信号，若干按键组成时间设置和模式选择按钮和紧急按钮等，以及用1个蜂鸣器进行报警。
3.1.1系统硬件电路构成
本系统以单片机为核心，组成一个集车流量采集、处理、自动控制为一身的闭环控制系统。
系统硬件电路由车流量检测电路、单片机、违规检测电路，状态灯，LED显示，按键，蜂鸣器组成。
其具体的硬件电路总图如图3.1所示。
图3.1总体设计电路图
其中P0，P2，用于送显两片LED数码管，P1用于控制红绿黄发光二极管，XTAL1和XTAL2接入晶振时钟电路，RESET引脚接上复位电路，P3.3即INT1接违规检测电路和P3.2即INT0接紧停／东西时间设置键J，P0.6，P0.7接车流量检测电路，P3.6接南北时间设置键S，P3.7接自动模式选择／返回键F，P3.4接蜂鸣器。
3.1.2系统工作原理
系统上电或手动复位之后，系统等待模式选择设置键按下，模式分两种：
红绿灯时间自动和红绿灯时间设置。
若此时F键按下，则设置为自动模式，若此时按下的是S键，则设置为时间设置模式，依次按S若干次，J键若干次可设置好两个方向的红绿灯时间，再按F键确认。
其实这个过程就是将存储时间值的寄存器进行设置，以及标志是否要进行车流量检测及调整。
接下来，系统必须先显示状态灯及LED数码管，将状态码值送显P1口，将要显示的时间值送显P0口和用P2口来选通LED数码管的显示导通，在此同时以50ms为周期，用软件方法计时1秒，到达1s就要将时间值减1，刷新LED数码管。
时间到达一个状态所要全部时间，则要进行下一状态判断及衔接，并装入次状态的相应状态码值以及时间值，
当然，还要开启两个外部中断，其一为违规信号或禁停信号输入，一旦信号有效，中断开始，进入中断服务子程序，开启蜂鸣器禁止全部通行，当按下F键，中断结束返回。
其二为车流量检测信号输入，若检测到车辆经过，进入相应的中断子程序，将存储车流量的计数器加1，然后中断结束返回。
每满一个状态循环周期，若为自动模式，则须将检测到的车流量数据处理一次，判断两个方向的交通轻重缓急状况，再调整下次状态循环的红绿灯时间，以达到自动控制的目的。
3.2AT89S51单片机简介
3.2.1单片机的概述
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。
正是由于这一原因，国际上逐渐采用微控制器（MCU）代替单片微型计算机（SCM）这一名称。
“微控制器”更能反映单片机的本质，但是由于单片机这个名称已经为国内大多数人所接受，所以仍沿用“单片机”这一名称。
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。
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,ATMEL公司的功能强大，低价位AT89S51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
3.2.2AT89S51芯片内部结构简介
·
中央处理器：
中央处理器（CPU）是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。
数据存储器（内部RAM）：
数据存储器用于存放变化的数据。
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。
程序存储器（内部ROM）：
程序存储器用于存放程序和固定不变的常数等。
通常采用只读存储器，且其又多种类型，在89系列单片机中全部采用闪存。
AT89S51内部配置了4KB闪存。
定时/计数器（ROM）：
定时/计数器用于实现定时和计数功能。
AT89S51共有2个16位定时/计数器。
·
并行输入输出（I/O）口：
8051共有4组8位I/O口（P0、P1、P2或P3），用于对外部数据的传输。
每个口都由1个锁存器和一个驱动器组成。
它们主要用于实现与外部设备中数据的并行输入与输出，有些I/O口还有其他功能。
全双工串行口：
A89S51内置一个全双工
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