智能交通灯毕业设计 2.docx
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智能交通灯毕业设计2
摘要
本系统主要介绍了以89C51单片机为核心的新交通控制控制系统的设计。
这个系统采用手动控制，定时控制，实时控制。
实时控制是交通控制中的一种较新颖且有效的方法，该方法应用最优控制理论中的控制思想，实时地控制当前绿灯时间，在保证交通安全的前提下最大限度地提高了交通效率。
系统主要包括软件和硬件两个部分。
硬件部分：
CPU主控部分电路，交通灯信号的输出和驱动电路，车辆检测出入（包括违规车辆检测），时钟电路。
CPU是整个交通灯信号控制机的核心部件，通过它来控制个电路以实现信号机的各种功能。
交通信号输出电路是把主机的交通灯控制信号送驱动器，控制交通灯的状态。
车辆检测输入是将有无车辆和违规车辆的信号送入主机，产生相应的中断处理。
时钟电路是为了显示车辆通行的剩余时间。
软件部分主要是协助硬件完成各项功能。
关键词：
89C51，定时控制，实时控制，遥控，
IntelligentTrafficLightControl
Abstract
Thesystemhasintroducedthatnewtrafficcenteringon89C51monolithicmachinecontrolssystematicdesignmainly.Thissystemusesthehandcontrol,timedcontrol,wirelessremotecontrolandreal-timecontrol.Thereal-timecontrolisinthetransportationcontrolonekindmorenovelalsoaneffectivemethod,inthismethodapplicationoptimumcontroltheorycontrolthought,thetendency,real-timecontrolsthecurrentgreenlighttime,maximumlimitenhancedthetransportationefficiencyinundertheguaranteetrafficsafetypremise.
Thesystemmainlyincludessoftwareandthehardwaretwoparts.Hardwarepartial:
TheCPUhostcontrolsthepartialelectriccircuits,thetrafficlightsignaloutputandtheactuationelectriccircuit,thevehiclesexaminationdifference（includingcontraryvehiclesexamination）,keyboardanddisplaycircuit,clockelectriccircuit,communicationcircuit,electronicpolicesystem.CPUistheentiretrafficlightsignalcontrolmachinecorepart,controlsanelectriccircuitthroughittorealizesemaphoreeachkindoffunction.Thetrafficsignaloutputcircuitisdeliversthemainenginetrafficlightcontrolsignalthedriver,controlsthetrafficlightthecondition.Whetherthereisthevehiclesexaminationinputsendsinthevehiclesandthecontraryvehiclessignalthemainengine,hasthecorrespondinginterruptprocessing.Theclockelectriccircuitisfordemonstratethevehiclesgeneralsurplustime.Thecommunicationisthemainengineandthecentralsupervisorysystem,thestreetintersectionfoundationstandandthesignalactuationpartialcommunications.Thekeyboardinterposesthecontrolmodeandeachparametersmainly.Softwarearepartialmainlyisassiststhehardwaretocompleteeachfunction.
Keywords:
89C51,Timedcontrol,Real-timecontrol,Remotecontrol,Emergencycase
1概述
1.1城市交通解决的主要途径
针对城市交通拥挤，有人提出修建新的城市道路或是修建新的立交桥。
可是，过不了多长的时间，道路又恢复到原来的拥挤状态。
一般来说修建新的道路不会改变原来的拥挤，诱发的交通量将很快占据新增的道路设施，这部分潜在的交通量是由于以前受道路供给短缺的制约而未能得到实现的。
由于修建道路并不能从根本上解决城市交通拥挤的问题，人们开始寻求新的解决途径。
随着人们对控制理论的认识和利用的不断深入以及计算机技术的发展，利用控制理论和计算机技术来解决交通问题显得越来越重要了。
各国相继开发了不同的交通控制系统，为缓解交通问题做出了很大的贡献。
随着人工智能这一新兴的科学的兴起，人们开始将其引入到城市交通控制中来。
经过大量的探索和研究实践，人们相信智能控制是解决城市交通问题的强有力的工具。
1.2交通系统的主要特点
（1）采用实时检测控制系统，可以更加灵活的根据道路车辆的流量来调节红、绿灯的延迟时间。
（2）具有手动控制、定时控制和实时控制，可以远距离无线遥控。
（3）采用串行通信，节省电缆，有利于降低成本和安装的难度。
（4）采用标准的接口，有利于模块化设计。
（5）当有紧急车辆通过是，可通过微波遥控路口的红灯以让紧急车辆通过。
1.3交通控制方案设计
1.3.1系统设计目的
系统设计目标包括：
改善控制区域的交通秩序；增加现有道路设施的通行能力；减少交通事故；减少交叉口停车次数和提高交叉口行驶速度（从而减少废气和噪音污染）；创造更整洁文明的现代化交通环境。
1.3.2交通灯控制方案选择
作为交通信号灯控制系统的微型以有多种选择。
因而实现的方案有多种。
方案一：
标准数字编程逻辑控制控制器可器件、可编程控制器PLC、嵌入式控制器ARM等控制器作为主控制器。
这些控制器要么在控制上要求专业知识较高，要么价格相对较高。
一方面给系统设计的调试带来一定困难，另一方面则增加了生产成本。
方案二：
单片机控制。
价格相对较低，控制设计技术相当成熟的AT89C51单片机作为系统的主控制器。
该型号单片机具有简单实用，高可靠性和性价比高等优点。
而且这种单片机已经在国内外的各个领域中得到了很好的运用，可参考资料多，使得设计人员在设计过程中遇到技术困难时，可以找到相关的参考方案来辅助解决。
1.3.3方案的确定
有鉴于此，通过综合考虑后，本设计最终选择了单片机控制。
本设计系统由主机控制系统和从机控制系统两部分组成。
其中，主机控制系统可以实现控制通行时间的倒计时显示、直走、左拐、绿灯、红灯、黄灯以及行人道通行信号灯等状态。
时间显示使用两位一体LED数码管显示器，信号灯则采用发光二极管，在时间和信号灯的指示下，指挥机动车辆和人群有序地通过交叉路口，实现道路通行顺畅。
另外，从机控制系统负责检测道路的实时车流量，进而反馈到主机控制系统，主机控制系统根据收到的信息做出是否增加通行时间的调整控制。
本系统设计运行的交通规则如图1.1所示。
具体控制是:
（1）南北车道B车道指示直走，同时指示左拐，A车道红灯亮，东西车道亮红灯。
（2）南北车道A、B同时指示直走。
（3）南北B车道红灯亮，A车道指示直走，同时指示左拐。
（4）南北车道红灯亮，东西C车道指示直走，同时指示左拐，D车道红灯亮。
（5）东西C、D车道同时指示直走。
（6）东西C车道红灯亮，D车道同时指示直走、左拐。
如此类推循环运行。
此外，当一车道正在通行时，且此时从机控制系统检测到该车道50米处还有车辆停滞，则向主机控制系统发出增加通行时间的信息，实时调整通行时间。
这样可以减少车辆堵塞，优化道路交通状况。
图1.1交通运行图
1.4交通信号控制硬件设备简介
交通信号灯的硬件设备。
其构成可分为以下五部分：
（1）信号灯：
就是悬挂在道路上空或设置在路侧灯柱上的发光装置，内装彩色信号灯；
（2）车辆检测器：
车辆通过检测器时，由感应原理可以检测交通参数的设施，是感应式信号控制系统的必要设施；
（3）无线遥控装置：
启闭信号灯，控制紧急车辆通过时的红灯；
（4）单片机系统：
整个信号灯控制的核心；
（5）附属设施：
包括装置信号控制机的底座与基础，埋设或悬挂传输线路的管道等。
1.5交通信号控制原理
交通信号控制原理是按照一定的控制程序，在交叉路口的每个方向上通过红、黄、绿三色灯循环显示，指挥交通流，在时间上实施隔离。
交通规则规定：
红灯——停止通行，绿灯——放行，黄灯——清尾，即允许已过停车线的车辆继续通行，通过交叉路口。
信号相位方案是指交通信号灯轮流给某些方向的车辆或行人分配交通权的一种顺序安排。
我们把每一种控制（即对各进口道不同方向所显示的不同色灯的组合）称为一个信号相位。
而一个相位又对应多个步伐，每一步伐对应该时刻不同灯色的状态。
路口的交通灯总在进行着一系列的相变以控制车辆的运动，一系列的相就组成了周期，如附表所示。
交通灯优化控制问题，就是通过改变这些相的持续时间以及相邻路口交通灯的相的周期，使目标达到最优。
1.6交通信号灯的控制方法
1.6.1定时控制
交叉口信号控制机按事先设置的配时方案运行,称为固定周期控制。
一天只用一个配时方案的称为单段式定时控制;一天按不同时段的交通量采用几个配时方案的称为多段式定时控制。
1.6.2感应控制
感应控制是在交叉口的进口道上设置车辆检测器,信号灯配时方案可随检测器检测到的车流信息而随时改变的一种配时控制方式。
感应控制包括半感应控制和全感应控制。
前者是指只在交叉口部分进口道上设置检测器的感应控制;后者则是指在交叉口全部进口道上设置检测器的感应控制。
实时感应实时控制
其工作原理是:
任一相开始绿灯,感应信号控制机内设一个初始绿灯时间Gmin。
当绿灯开放一段时间到Gs时,开始检测后边有无后续车辆到达。
若有,则增加一个单位绿灯延长时间G；若无车辆则继续检测,当达到最大极限绿灯时间Gmax时,即使后边有来车,也不再增加绿灯时间。
实际绿灯时间G大于等于初始时间Gmin,而小于极限延长时间Gmax。
1.6.3红绿灯模糊控制
一般的感应式控制是检测车辆数据,通过分析做出下一时刻的配时方案,即不是实时控制当前的交通信号,而是要经过一定的延时。
这样可能会造成“空等待”现象,且需要编制较复杂的计算程序。
因此我们设计了一种红绿灯模糊控制方案,它能根据交叉口两个方向上车辆的动态状况,自动判断红绿灯的时间间隔,以保证最大车流量,减少道口交通堵塞,实现自动红绿灯的最佳控制。
为了采集绿灯方向的车流量数据,在十字路口的四个方向各安置两个压力传感器,在“斑马线”近端的为近端传感器,在距其50～100米处为远端传感器。
绿灯期间,由近端传感器记录通过道口的车辆数量。
将红绿交通灯自动系统每一方向的绿灯时间分成两部分:
其一为固定的10秒,作为路口状态参数采集时间;其二为根据当前状态,由模糊逻辑决策的延时时间。
最大延时时间是随道口交通情况而变化的,假设为20秒,结果每一方向绿灯间隔时间为10～30秒。
2控制系统硬件设计
2.1系统的组成
本系统采用单片机来控制交通信号灯，具有编程灵活、电路简单、工作稳定和功能多等特点，其硬件框图如图4-1所示。
从各路车辆检测器采集过来的车流量经输入板，送入主板中的CPU进行分析处理、控制运算，并转化成控制策略，实现对路口交通信号的控制。
在主板中我选用89C51单片机作为主处理器。
交通信号控制机的硬件电路主要有主板、交通信号输出板、车辆检测输入板、键盘及显示板。
主板是整个交通信号控制机的硬件核心，它通过对各个电路板的操控，来实现交通信号控制机的各种功能；交通信号输出板是将主板发送过来的交通信号灯控制策略进行分析处理，将当前控制信息发送到交通灯信号驱动器，进而控制相应的交通信号灯；车辆检测输入板是将各路车辆检测器检测出的车流量信息依次送入主板中，使主板CPU能够制定出现实路口交通的控制；如图2.1
图2.1系统组成框图
2.2该系统主要硬件
2.2.1芯片的性能介绍
（1）89C51基本介绍如下：
内部程序存储器（FLASH）4K字节
外部程序存储器（ROM）64K字节
内部数据存储器（RAM）256字节
外部数据存储器（RAM）64K字节
P0口：
（P0.0~P0.7）是一个8位漏极开路双向输入输出端口，当访问外部数据时，它是地址总线（低8位）和数据总线复用。
外部不扩展而单片应用时，则作一般双向I/O口用。
P0口每一个引脚可以推动8个LSTTL负载。
P2口：
（P2.0~P2.7）口是具有内部提升电路的双向I/O端口（准双向并行I/O口），当访问外部程序存储器时，它是高8位地址。
外部不扩展而单片应用时，则作一般双向I/O口用。
每一个引脚可以推动4个LSTL负载。
P1口：
（P1.0~P1.7）口是具有内部提升电路的双向I/O端口（准双向并行I/O口），其输出可以推动4个LSTTL负载。
仅供用户作为输入输出用的端口。
P3口：
（P3.0~P3.7）口是具有内部提升电路的双向I/O端口（准双向并行I/O口），它还提供特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部随机存储器内容的读取或写入控制等功能。
其特殊功能引脚分配如下：
P3.0RXD串行通信输入
P3.1TXD串行通信输出
P3.2INT0外部中断0输入，低电平有效
P3.3INT1外部中断1输入，低电平有效
P3.4T0计数器0外部事件计数输入端
P3.5T1计数器1外部事件计数输入端
P3.6WR外部随机存储器的写选通，低电平有效
P3.7RD外部随机存储器的读选通，低电平有效
VCC：
AT89C51电源正极输入，接+5V电压
GND：
电源接地端
XTAL1：
接外部晶振的一个引脚。
在单片机内部，它是一反相放大器输入端，这个放大器构成了片内振荡器。
它采用外部振荡器时，些引脚应接地。
XTAL2：
接外部晶振的一个引脚。
在片内接至振荡器的反相放大器输出端和内部时钟发生器输入端。
当采用外部振荡器时，则此引脚接外部振荡信号的输入。
RST：
AT89C51的复位信号输入引脚，高电位工作，当要对芯片又时，只要将此引脚电位提升到高电位，并持续两个机器周期以上的时间，AT89C51便能完成系统复位的各项工作，使得内部特殊功能寄存器的内容均被设成已知状态。
ALE/PROG：
ALE是英文"ADDRESSLATCHENABLE"的缩写，表示允许地址锁存允许信号。
当访问外部存储器时，ALE信号负跳变来触发外部的8位锁存器（如74LS373），将端口P0的地址总线（A0-A7）锁存进入锁存器中。
在非访问外部存储器期间，ALE引脚的输出频率是系统工作频率的1/16，因此可以用来驱动其他外围芯片的时钟输入。
当问外部存储器期间，将以1/12振荡频率输出。
EA/VPP：
该引脚为低电平时，则读取外部的程序代码（存于外部EPROM中）来执行程序。
因此在8031中，EA引脚必须接低电位，因为其内部无程序存储器空间。
如果是使用AT89C51或其它内部有程序空间的单片机时，此引脚接成高电平使程序运行时访问内部程序存储器，当程序指针PC值超过片内程序存储器地址（如8051/8751/89C51的PC超过0FFFH）时，将自动转向外部程序存储器继续运行。
此外，在将程序代码烧录至8751内部EPROM、89C51内部FALSH时，可以利用此引脚来输入提供编程电压（8751为2lV、AT89C51为12V、8051是由生产厂方一次性加工好）。
PSEN：
此为"ProgramStoreEnable"的缩写。
访问外部程序存储器选通信号，平有效。
在访问外部程序存储器读取指令码时，每个机器周期产生二次PSEN信号。
在执行片内程序存储器指令时，不产生PSEN信号，在访问外部数据时，亦不产生PSEN信号。
2.3系统的组成框图
针对道路交通拥挤，交叉路口经常出现拥堵的情况。
利用单片机控制技术．提出了软件和硬件设计方案及两点改进措施：
（1）根据各道路路口车流量的大小自动调节通行时间。
（2）考虑特殊车辆通行情况，设计紧急切换开关。
由于AT89S51单片机自单带有2计数器，6个中断源，能满足系统的设计要求。
用单片机设计不但设计简单，而且成本低，用其设计的交通灯也满足了要求，所以本文采用单片机设计交通灯，系统构图如图2.2所示：
图2.2系统原理框图
2.4驱动电路的设计
由于十字路口SN（南北）和WE（东西）方向路口各有相同的四盏灯，只需要四个功率开关，两个方向只用八个功率开关，用P1口作为输出口，输出数字量来达到控制功率开关，从而来控制交通灯的目的。
选用光电隔离和双向大功率可控硅作为功率开关。
驱动器选74LS244，该驱动器为八同相三态单相驱动器。
同时再利用三八译码器扩展P1口，用来控制摄像机的开启和关闭。
表2.1逻辑功能表
2G^1G^
功能
00
1A1-4→1Y1-42A1-4→2Y1-4
01
1A1-4三态2A1-4→2Y1-4
10
1A1-4→1Y1-42A1-4三态
11
1A1-42A1-4三态
P1口的八个输出，通过74LS244驱动器后，使发光二极管发光，通过光电藕合器件MOC3041驱动。
它可以将交流高压和单片机低压系统进行电气隔离，提高装置的抗干扰能力；该器件是双向可控硅的配套控制产品，输入端驱动电流为15mA，所以单片机的输出需经74LS244驱动。
MOC3041的输出端是带有过零触发控制器的硅光敏双向可控硅，它直接接入交流220V的工作电流，能触发大功率的双向可控硅TRIAC器件的通断；光电藕合器中的过零检测器可以保证在工作电压为零时触发双向可控硅TRIAC。
图中R、C为吸收电路，可用于防止感性负载时，与电流不同步的过电压；MY是双向稳压管，可防止交流电路中出现的雷电和操作过电压。
驱动部分电路图2.3。
图2.3驱动电路
2.5键盘及显示电路
使用89C51的P0和P2口利用8155驱动6个LED数码显示器和十个键的键盘，LED用于显示交通灯的状态及时间，各个路口的剩余时间显示经串行通信后到AT89C2051输出驱动LED显示剩余时间。
键盘用于设置交通路口各灯的延长时间。
显示器用动态扫描的方式，8155的A口输出数字量，经驱动器后，作为灯的段选；8155的C口输出经反向器后作为位选。
图2.4键盘及显示电路
键盘为非编码键盘，由6*2的矩阵组成，PB0和PB1为行输入，PC0—PC5为列扫描线。
各键的定义如下表2.2：
表2.2键盘功能定义
按键
名称
功能描述
K1
K2
K3
K4
K5
K6
K7
K8
K9
K10
MODE
SN
WE
R
Y
G
L
+
-
设置方式
南北操作
东西操作
操作红灯
操作黄灯
操作绿灯
操作左拐灯
时间加
时间减
备用
显示器的各位功能定义：
图2.5显示器个功能位
2.6时钟电路的设计
本系统的实时时钟电路采用一片MC146818实时时钟电路芯片，该芯片是24脚封装的CMOS型集成电路，它具备完备的时钟、年、月、日、时、分、秒和润年自动补偿及百年历等功能，可向系统提供年、月、时、分、秒。
其主要特点是：
（1）低功耗。
工作电压为3～6V，工作电流小于50μA,振荡时钟频率为3.2MHZ.
（2）芯片内部含有可以借给用户的50个字节的静态RAM,用于长期保存时间设置。
MC146818与89C51的连接如图4-6：
MC146818的D0～D7是双向数据/地址总线，用于访问芯片内部的各控制存储器及静态RAM。
电源用两部分电源，当系统正常工作时，+5V的主要电源向CPU及MC146818供电，同时向3.6V可充电电源B1充电；当系统断电后，后备电池B1向MC146818供电，保证实时时电路的不间断工作。
为减小系统掉电后时钟芯片的功耗，利用使能端CE,该引脚是进入MC146818内部总线环的控制端，当CPU对芯片读写操作时，该引脚为低电平；当CE引脚置高电平时，使多功能总线端输出为高阻，且CPU系统的所有总线输入：
地址总线，数据总线，AS和R/W等的输入端都不与MC146818的内部电路连接，从而达到节电的目的。
上电时，必须使时钟芯片的PS引脚在PLH时间的低电平，以建立一个过渡状态。
上电后，应升高PS引脚电平到VCC，以允许通过读写存储器把VRT置位。
将时钟芯片的AD0—AD7与单片机P0口数据/地址复用总线相连，并将单片机的ALE、WR、RD、INT1信号线一一对应接到时钟芯片的引脚上，即可完成硬件接口，通过片选CS,选中时钟芯片，然后对其进行读/写操作。
图2.6时钟芯片和单片机的连接图
2.7十字路口交通信号亮灯的顺序设定
由于交叉路口不仅是车辆通过，而且行人也一样要穿越马路，有些较大的十字路口都设有人行地下通道或过街天桥，这样避免了行人与车辆抢道现象，提高了交叉路口的通行率。
但是目前还有许多路口还没有修建地下通道，这样在步伐设定中就要考虑对行人绿灯的控制，本系统交通灯灯色分为：
直行绿灯、左转绿灯、黄灯、红灯和人行道红、绿灯。
图2.7十字路口交通控制信号灯顺序示意图
2.8遥控电路的设计
工作原理：
整个系统有两部分组成，发射电路和接收解码电路。
遥控发射器的核心电路为编码器VD5026及发射模块T630。
编码器VD5026共设八个地址码，即A1～A8,4个数据编码器D1～D4。
8个地址端可以任意接电源正、负端或悬空，并可任意组合。
当按下遥控器上东西红灯（南北黄灯闪）或南北红灯（东西黄灯闪）时，相应的地址与数据编码调制器调制信号，送入无线电集成发射模块T630，由T630向外发射经VD5026编码调制的无线电波，接收部分由T631，VD5027及单片机组成。
T631及T630配对使用的无线电接收集成电路。
它在接收到编码信号后送入与VD5026配对使用的解码器VD5027,当它的地址与VD5026的地址编码一致时，解码器有效端VT输出高电平。
当单片机查询到该电平信
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