杨伟宁智能交通灯方案设计书.docx

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杨伟宁智能交通灯方案设计书

东莞职业技术学院

毕业论文

基于单片机的智能交通灯控制系统的设计

学生姓名：

杨伟宁

学号：

200902010413

年级专业：

2009级电子信息工程技术

指导老师：

张依群

系部：

电子系

广东·东莞

提交日期：

2012年3月

第一章引言…………………………………………………

（1）

1.1传统交通灯控制系统的发展现状简介…………………

（2）

1.2智能交通灯控制系统设计的意义…………………（3）

1.3智能交通灯控制系统设计实现的功能

1.4智能交通灯控制系统设计原理

1.5本论文主要工作

第二章智能交通灯控制系统的相关设计……………………（7）

2.1智能交通灯的方案设计………………………………（13）

2.2智能交通灯的技术指标………………………………（13）

第三章智能交通灯控制系统的硬件设计

3.1AT89S51单片机的简介……（15）

3.1.1主要性能参数简介…………………………………（15）

3.1.2主要内部结构简介

3.1.3主要引脚功能简介…………………………………（15）

3.2系统硬件总结构图

3.3各模块电路图

3.3.1信号灯电路………………………………（22）

3.3.2时间显示电路……………………………（23）

3.3.3紧急转换电路……………………………（25）

第四章智能交通灯控制系统的软件设计

4.1智能交通灯的软件设计流程图…………………（27）

4.2控制器的软件设计

第五章智能交通灯的仿真……………………………………（30）

第六章系统分析及改进措施………………

第七章结束语……………………………………………………（32）

参考文献…………………………………………………（35）

致谢………………………………………………………（38）

第一章引言

1.1：

传统交通灯的简介

在今天，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。

1914年，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，安装在纽约市5号大街的一座高塔上。

红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通行”。

而中国最早的马路交通灯却是诞生于1928年的上海英租界。

从最早的手牵皮带到20世纪50年代的电气控制，

从采用计算机控制到现代化的电子定时监控，交通信号灯在科学化、自动化上不断地更新、发展和完善。

但是，随着社会的不断进步，传统的交通灯的缺陷也日益出现，其中设计过于死板，达不到道路的最大通行效率是最明显的问题，红绿灯交替变换时间过于程式化。

随着我国经济的高速发展，人们对各种交通车辆的需求量不断增大，城市的交通拥护问题日益严重，目前，大部分城市的十字路口的交通控制灯，通常的做法是：

事先经过车辆流量的调查，利用传统的方法设计好红绿灯的延时，然而，实际上的车流量是不断变化的，有的路口在不同的时间段车流量的大小甚至有很大的差异，所以说，统计的方法己不能适应迅速发展的交通现状。

1.2基于间片机的智能交通灯控制系统设计的意义

目前，国内的交通灯一般设在十字路门，在醒目位置用红、绿、黄三种颜色的指示灯。

加上一个倒计时的显示计时器来控制行车。

对于一般情况下的安全行车，车辆分流尚能发挥作用，但根据实际行车过程中出现的情况，还存在以下缺点：

1．两车道的车辆轮流放行时间相同且固定，在十字路口，经常一个车道为主干道，车辆较多，放行时间应该长些；另一车道为副干道，车辆较少，放行时间应该短些。

2．没有考虑紧急车通过时，两车道应采取的措施，臂如，消防车执行紧急任务通过时，两车道的车都应停止，让紧急车通过。

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。

1.3智能交通灯控制系统设计实现的功能

智能的交通信号灯指挥着人和各种车辆的安全运行,实现红、黄、绿灯的自动指挥是城乡交通管理现代化的重要课题.在城乡街道的十字交叉路口,为了保证交通秩序和行人安全,一般在每条道路上各有一组红、黄、绿交通信号灯,其中红灯亮,表示该条道路禁止通行;黄灯亮,表示该条道路上未过停车线的车辆停止通行,已过停车线的车辆继续通行;绿灯亮,表示该条道路允许通行.交通灯控制电路自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换,指挥各种车辆和行人安全通行,实现十字路口城乡交通管理自动化。

1.4本论文主要工作

本文为了实现交通道路的管理,力求交通管理先进性、科学化.分析应用了单片机实现智能交通灯管制的控制系统,以及该系统软、硬件设计方法,实验证明该系统实现简单、经济,能够有效地疏导交通,提高交通路口的通行能力.

第二章智能交通灯控制系统的相关设计

2.1智能交通灯的选择方案

目前设计交通灯的方案有很多，有应用CPLD设计实现交通信号灯控制器方法;有应用PLC实现对交通灯控制系统的设计;有应用单片机实现对交通信号灯设计的方法。

目前，国内的交通灯一般设在十字路门，在醒目位置用红、绿、黄三种颜色的指示灯。

加上一个倒计时的显示计时器来控制行车。

对于一般情况下的安全行车，车辆分流尚能发挥作用，但根据实际行车过程中出现的情况，还存在以下缺点：

1．两车道的车辆轮流放行时间相同且固定，在十字路口，经常一个车道为主干道，车辆较多，放行时间应该长些；另一车道为副干道，车辆较少，放行时间应该短些。

2．没有考虑紧急车通过时，两车道应采取的措施，臂如，消防车执行紧急任务通过时，两车道的车都应停止，让紧急车通过。

2.3.智能交通灯的技术指标

1）设计一个十字路口的交通灯控制电路，要求南北方向和东西方向两个交叉路口的车辆交替运行，两个方向能根据车流量大小自动调节通行时间，车流量大，通行时间长，车流量小，通行时间短

2）每次绿灯变红灯时,要求黄灯先亮5S,才能变换运行车辆.

3）东西方向、南北方向车道除了有红、黄、绿灯指示外，每一种灯亮的时间都用数码管显示器进行显示（采用倒计时的方法）。

4）同步设置人行横道红、绿灯指示。

5）考虑到特殊车辆情况，设置紧急转换开头。

第三章智能交通灯控制系统的硬件设计

3.1AT89S51单片机简介

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。

3.1.1AT89S51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。

3.1.2AT89S51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内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。

·时钟电路：

时钟电路的作用是产生单片机工作所需要的时钟脉冲序列。

·中断系统：

中断系统的作用主要是对外部或内部的终端请求进行管理与处理。

AT89S51共有5个中断源，其中又2个外部中断源和3个内部中断源。

图一AT89S51系列单片机的内部结构示意图

3.1.3主要引脚功能

AT89S51引脚图如图二所示：

图二引脚图

·VCC：

电源电压

·GND：

地

·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。

作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“l”可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

·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。

对端口写“l”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

Flash编程和程序校验期间，Pl接收低8位地址。

表1具有第二功能的P1口引脚

端口引脚

第二功能：

P1.5

MOSI（用于ISP编程）

P1.6

MOSI（用于ISP编程）

P1.7

MOSI（用于ISP编程）

·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。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。

在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@Ri指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。

Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。

·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。

对P3口写入“l”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。

作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。

P3口除了作为一般的I／0口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示：

表2具有第二功能的P1口引脚

端口引脚

第二功能：

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

/INT0（外中断0）

P3.3

/INT1（外中断1）

P3.4

T0（定时／计数器0外部输入）

P3.5

T1（定时／计数器1外部输入）

P3.6

/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7

/RD外部数据存储器读选通）

P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

·RST：

复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。

WDT溢出将使该引脚输出高电平，设置SFRAUXR的DISRT0位（地址8EH）可打开或关闭该功能。

DISRT0位缺省为RESET输出高电平打开状态。

·ALE／

：

当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1／6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。

要注意的是：

每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

对F1ash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。

如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。

该位置位后，只有一条M0VX和M0VC指令ALE才会被激活。

此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。

·

程序储存允许（

）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次

有效，即输出两个脉冲。

当访问外部数据存储器，没有两次有效的

信号。

·

／VPP：

外部访问允许。

欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H－FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。

需注意的是：

如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。

如EA端为高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。

F1ash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程电压Vpp。

·XTAL1：

振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。

3.2控制器的原理框图

按任务和要求,可画出该控制器的原理框图,为确保十字路口的交通安全，往往都采用交通灯自动控制系统来控制交通信号。

其中红灯（R）亮，表示禁止通行；黄灯（Y）亮表示暂停；绿灯（G）亮表示允许通行。

1）控制器的系统框图如图三所示。

图三交通灯控制器系统框图

4.1电路图

智能交通灯电路图如图3所示。

图四智能交通灯电路图

大家都明白，绿灯的放行时间与车辆通过数量不成正比。

比如说20秒内每车道可以通过20辆车，40秒内每车道却可以通过45辆车。

因为这有一个起步的问题，还有一个黄灯等待问题。

也就是说，绿灯放行时间越长，单位时间通过车辆的数量就越多。

我们来计算一下，每车道通行20秒内可以通过20辆车，一个红绿灯循环是40秒（单交叉路口），加上每次状态转换的黄灯5秒（一个循环要两次转换），即一个红绿黄灯循环要50秒，即50秒内通行的车辆为40辆。

通过一辆车的平均时间是1.25秒。

如果每次车辆通行的时间改为40秒，40秒内每车道可以通过45辆，一个红绿灯循环是80秒（单交叉路口），加上每次状态转换的黄灯5秒（一个循环要两次转换），即一个红绿黄灯循环要90秒，即90秒内通行的车辆为90辆。

通过一辆车的平均时间只需1秒。

显然在车辆拥挤的情况下绿灯的通行时间越长，单位时间内通行的车辆越多，可以有效缓解车辆拥堵问题。

当然绿灯时间也不可能无限长，要考虑到让另一路口的等待时间不能过长。

人们总是希望在交通灯前等候的时间越短越好。

所以笔者设定了绿灯通行时间的上限为40秒。

在非拥挤时段绿灯的通行时间的下限为20秒，当交叉路口双方车辆较少时通行时间设为20秒，这样可以大大缩短车辆在红灯面前的等待时间。

当交叉路口双方车辆较多时通行时间设为40秒。

3.3各模块控制电路

交通灯系统由四部分组成：

信号灯电路，时间显示电路，紧急转换开关。

3.3.1信号灯电路

信号灯用来显示车辆通行状况，下面以一个十字路口为例，说明一个交通灯的四种状态见图5。

每个路口的信号的的转换顺序为：

绿——>黄——>红绿灯表示允许通行，黄灯表示禁止通行，但已经驶过安全线的车辆可以继续通行，是绿灯过渡到红灯提示灯。

红灯表示禁止通行。

绿灯的最短时间为20秒，最长时间为40秒，红红最短时间为25秒，最长时间为45秒，黄灯时间为5秒。

红黄绿

绿黄红

红黄绿

绿黄红

绿黄红

红黄绿

红黄绿

红黄绿

红黄绿

绿黄红

绿黄红

红黄绿

绿黄红

绿黄红

红黄绿

红黄绿

图六交通信号灯运行状态

3.3.2时间显示电路

在交通信号灯的正上方安装一个可以显示绿灯通行时间，红灯等待时间的显示电路，采用数码管显示电路是一种很好的方法。

由于东往西方向和西往东方向显示的时间相同，南往北方向和北往南方向显示的时间也相同，所以只需要考虑四位数码管显示电路，其中东西方向两位，南北方向两位，两位数码管可以时间的时间为0-99秒完全可以满足系统的要求，数码管连接方法如图七所示

图七数码管连接方法

下面我们用这种方法显示交通灯的时间，南北方向要显示20秒，东西方向要显示25秒，那么我们先给P0口送2的共阴极码即5BH，让第一位2要显示的位码GND段为低电平，其它三位的控制端都接高电平，那么第一位就显示2，其它三位不亮。

让其显示1MS后再给P0口送0的共阴极码即3FH，让第二位要显示0的位码GND段为低电平，其它三位的控制端都接高电平，那么第二位就显示0，其它三位不亮。

依此类推分别送完第一位2，第二位0，第三位2，第四位5，每一位点亮1MS一个扫描周期为4MS，一秒时间就要扫描250次其程序如下：

MOVR6,#250;显扫描次数

LOOP：

MOVP0,#5BH;送2的共阴极码

CLRP2.0；第一位显示2

ACALLD1MS;延时1MS

SETBP2.0;灭第一位

MOVP0,#3FH;送0的共阴极码

CLRP2.1；第二位显示0

ACALLD1MS;延时1MS

SETBP2.1;灭第二位

MOVP0,#5BH;送2的共阴极码

CLRP2.2；第三位显示2

ACALLD1MS;延时1MS

SETBP2.2;灭第三位

MOVP0,#6DH;送5的共阴极码

CLRP2.3；第四位显示5

ACALLD1MS;延时1MS

SETBP2.3;灭第四位

DJNZR7，LOOP；不够一秒，继续扫描

NEXTNUMBER；到一秒显示下一个数

D1MS:

;1MS延时程序

STAT1：

MOVR4，#2

MOVR3,#250

DJNZR3,$

DJNZR4，STAT1

RET

3.3.3紧急转换电路

一般情况下交通灯按照车流量大小合理分配通行时间，按一定规律变化，但考虑紧急车通行车况，设计紧急通行开关,下面简述单片机的中断原理。

    ⅰ）Mcs—51的中断源

8051有5个中断源，它们是两个外中断INT0（P3.2）和INT1（P3.3）、两个片内定时/计数器溢出中断TF0和TF1，一个是片内串行口中断TI或RI，这几个中断源由TCON和SCON两个特殊功能寄存器进行控制,其中5个中断源的程序入口地址如表4所示：

表4中断源程序入口

中断源的服务程序入口地址

中断源

入口地址

外中断0

0003H

定时/计数器0

000BH

外中断1

0013H

定时/计数器0

001BH

串行口中断

0023H

 ⅱ）中断的处理流程

CPU响应中断请求后，就立即转入执行中断服务程序。

不同的中断源、不同的中断要求可能有不同的中断处理方法，但它们的处理流程一般都如下所述：

（１）现场保护和现场恢复：

  中断是在执行其它任务的过程中转去执行临时的任务，为了在执行完中断服务程序后，回头执行原先的程序时，知道程序原来在何处打断的，各有关寄存器的内容如何，就必须在转入执行中断服务程序前，将这些内容和状态进行备份——即保护现场。

我们举个例子，在看书时，电话玲响需传去接电话时，必须在书本上做个记号，以便在接完电话后回来看书时，知道从哪些内容继续往下看。

计算机的中断处理方法也如此，中断开始前需将有关寄存器的内容压入堆栈进行保存，以便在恢复原来程序时使用。

中断服务程序完成后，继续执行原先的程序，就需把保存的现场内容从堆栈中弹出，恢复积存器和存储单元的原有内容，这就是现场恢复。

 如果在执行中断服务时不是按上述方法进行现场保护和恢复现场，就会是程序运行紊乱，程序跑飞，自然使单片机不能正常工作。

（２）中断打开和中断关闭：

在中断处理进行过程中，可能又有新的中断请求到来，这里规定，现场保护和现场恢复的操作是不允许打扰的，否则保护和恢复的过程就可能使数据出错，为此在进行现场保护和现场恢复的过程中，必须关闭总中断，屏蔽其它所有的中断，待这个操作完成后再打开总中断，以便实现中断嵌套。

（３）中断服务程序：

  既然有中断产生，就必然有其具体的需执行的任务，中断服务程序就是执行中断处理的具体内容，一般以子程序的形式出现，所有的中断都要转去执行中断服务程序，进行中断服务。

（４）中断返回：

  执行完中断服务程序后，必然要返回，中断返回就是被程序运行从中断服务程序转回到原工作程序上来。

在MCS-51单片机中，中断返回是通过一条专门的指令实现的，自然这条指令是中断服务程序的最后一条指令。

ⅲ）交通灯中的中断处理流程

（１）现场保护和现场恢复：

有特殊车辆要通过时就要进行中断，在中断之前，先将交通灯中断前情况保护好，当中断执行后再恢复现场，包括信号灯和时间显示电路。

（２）中断打开和中断关闭：

为了使特殊车辆通行按一下打开中断开关就可以打开中断，关闭中断开关就关闭中断。

（３）中断服务程序：

有中断产生，就必然有其具体的需执行的任务，中断服务程序就是执行中断处理的具体内容：

即如果南北方向有特殊车辆要求通过，南北方向转换为绿灯，东西方向为红灯；如果东西方向有特殊车辆要求通过，东西方向转换为绿灯，南北方向为红灯。

（４） 中断返回：

执行完中断服务程序后，必然要返回，即回交通灯信号回到中断前状态，显示时间也和中断前一样。

3.2智能交通灯系统的组成

第四章智能交通灯控制系统的软件设计

4.1智能交通灯的软件设计流程图如图7所示：

图八交通灯的软件设计流程图

控制器的软件设计

5.1.1每秒钟的设定

延时方法可以有两种一中是利用MCS-51内部定时器产生溢出中断来确定1秒的时间，另一种是采用软件延时的方法。

计数器硬件延时

.a计数器初值计算

定时器工作时必须给计数器送计数器初值，这个值是送到TH和TL中的。

他是以加法记数的，并能从全1到全0时自动产生溢出中断请求。

因此，我们可以把计数器记满为零所需的计数值设定为C和计数初值设定为TC可得到如下计算通式：

TC=M-C

式中，M为计数器模值，该值和计数器工作方式有关。

在方式0时M为213；在方式1时M的值为216；在方式2和3为28

.b计算公式

T=（M－TC）T计数

或TC＝M-C／T计数

T计数是单片机时钟周期ＴＣＬＫ的12倍；TC为定时初值

如单片机的主脉冲频率为ＴＣＬＫ12MHZ　，经过12分频

方式0　　　　TMAX＝213　＊１微秒＝8.912毫秒

方式1　　　　TMAX＝216　＊１微秒＝65.536毫秒

　显然１秒钟已经超过了计数器的最大定时间，所以我们只有采用定