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自适应型交通信号灯控制系统的设计

本科毕业设计

（2012届）

题目

自适应型交通信号灯控制系统的设计

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摘要

本毕业设计主要研制自适应型交通信号控制系统，本系统可以根据实时的道路车辆滞留量来对下一次的放行时间进行控制，从而实现交通灯的智能控制。

本系统设计以AT89S52单片机为路口控制核心、LED作为显示、驱动电路与部分模拟器件构成的一种电子产品。

AT89S52单片机为控制核心，能实时的进行控制；由于LED有高节能、安全性高、寿命长、快速响应、运行成本低等优点，所以用作显示很合理；驱动电路用于对LED的驱动；此系统可以长时间稳定的运行，可用于各种十字路口，进行自动的交通控制，由于留有其它接口，可以很方便的进行升级扩展。

89C51单片机的程序，使用keil编译器进行设计和调试完成，其主要功能是作为中央控制器。

系统成功实现了定时模式以及自适应模式，还留有升级接口，可根据实际应用对其进行升级扩展，对于现实应用有实际意义。

关键词：

单片机，交通信号，自适应，智能控制

ABSTRACT

ThisgraduationDesignismainlydevelopmentofadaptivetrafficsignalcontrolsystem,thesystemcanbebasedonreal-timeroadvehiclesretentionofcontroltothenextreleasetimeinordertoachieveintelligentcontroloftrafficlights.

ThesystemisdesignedtomicrocontrollerAT89S52junctionstothecore,theLEDasadisplaydrivecircuitpartofthesimulatorconsistingofanelectronicproduct.AT89S52MCUisveryreasonableforthecontrolofthecorereal-timecontrol;LEDhashighenergy,highsafety,longlife,fastresponse,lowoperatingcosts,sousedasanindicator;ThedrivecircuitfortheLEDdriver;Thissystemcanbealongrun,canbeusedforavarietyofcrossroads,automatictrafficcontrol,leavingotherinterfaces,youcaneasilyupgradeandexpansion.

Theprogramof89C51MCUisdesignedinkeilanddebuggedusingkeilcompiler.itsmainfunctionisasacentralcontroller.

Thesuccessfulimplementationofthetimingmodeandadaptivemode,alsolefttoupgradetheinterfaceupgradeandexpansion,accordingtothepracticalapplicationofitspracticalsignificanceforrealityapplications.

Keywords：

MCU,Trafficsignals,self-adaption,automaticcontrol

1引言

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。

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。

随着世界范围内城市化和机动化进程的加快，城市交通越来越成为一个全球化的问题。

简单的十字路口交通灯已经不能适应车流量越来越大的实际情况，所以这就需要一个更为合理和智能且成本不高的路口交通灯控制系统。

我国社会经济的发展，城市化、城镇化进程的加快，道路交通堵塞问题日趋严重，如何对交通进行合理的管理和调度而尽可能减少堵车现象成为目前我国很多地方尤其是特大城市急需解决的问题，显然交通灯在其中起着不可或缺的作用。

因此，一个好的交通灯控制系统，将给道路拥挤、违章控制等方面给予技术革新。

随着大规模集成电路及计算机技术的迅速发展，以及人工智能在控制技术方面的广泛运用，智能设备有了很大的发展，是现代科技发展的主流方向。

本文所研究的自适应型交通信号灯控制系统有一定的实际意义。

2概述

2.1自适应型交通信号灯控制系统

自适应型交通信号灯控制系统，可以根据实时的道路车辆滞留量来对下一次的放行时间进行控制，从而实现交通灯的智能控制。

自适应型交通信号灯控制系统以AT89S52单片机为路口控制核心、LED作为显示、驱动电路与部分模拟器件构成的一种电子产品。

2.2本设计方案思路

本设计以实现自适应型交通信号控制系统，为实现其功能对于中央控制器的所择极为重要。

设计思路首先是选择合理的中央控制器。

因为单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。

单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。

通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：

中央处理器、存储器和I/O接口电路等。

因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。

单片机经过1、2、3、3代的发展，目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展，它们的CPU功能在增强，内部资源在增多，引角的多功能化，以及低电压低功耗。

选择8051单片机做为系统的控制器。

8051虽然有4个8位I/O端口,但真正能提供借用的只有P1口,因为P2和P0口通常用于传送外部传送地址和数据,P3口也有它的第二功能。

因此，8051通常需要扩展。

由于我们用外部输入设定红绿灯倒计时初值、数码管的输出显示、红绿黄信号灯的显示都要用到一个I/O端口，显然8051的端口是不够，需要扩展。

扩展的方法有两种：

（1）借用外部RAM地址来扩展I/O端口；

（2）采用I/O接口芯片来扩充。

我们用8255并行接口芯片来扩展I/O端口。

在选用单片机的基础上对系统进行设计。

2.3单片机概述2

单片机也被称为微控制器（Microcontroller），是因为它最早被用在工业控制领域。

单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。

最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。

单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。

最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。

STC单片机：

STC公司的单片机主要是基于8051内核，是新一代增强型单片机，指令代码完全兼容传统8051，速度快8~12倍，带ADC，4路PWM，双串口，有全球唯一ID号，加密性好，抗干扰强。

PIC单片机：

是MICROCHIP公司的产品，其突出的特点是体积小，功耗低，精简指令集，抗干扰性好，可靠性高，有较强的模拟接口，代码保密性好，大部分芯片有其兼容的FLASH程序存储器的芯片。

EMC单片机：

是台湾义隆公司的产品，有很大一部分与PIC8位单片机兼容，且相兼容产品的资源相对比PIC的多，价格便宜，有很多系列可选，但抗干扰较差。

ATMEL单片机（51单片机）：

ATMEL公司的8位单片机有AT89、AT90两个系列，AT89系列是8位Flash单片机，与8051系列单片机相兼容，静态时钟模式；AT90系列单片机是增强RISC结构、全静态工作方式、内载在线可编程Flash的单片机，也叫AVR单片机。

PHLIPIS51PLC系列单片机（51单片机）：

PHILIPS公司的单片机是基于80C51内核的单片机，嵌入了掉电检测、模拟以及片内RC振荡器等功能，这使51LPC在高集成度、低成本、低功耗的应用设计中可以满足多方面的性能要求。

HOLTEK单片机：

台湾盛扬半导体的单片机，价格便宜，种类较多，但抗干扰较差，适用于消费类产品。

TI公司单片机（51单片机）：

德州仪器提供了TMS370和MSP430两大系列通用单片机。

TMS370系列单片机是8位CMOS单片机，具有多种存储模式、多种外围接口模式，适用于复杂的实时控制场合；MSP430系列单片机是一种超低功耗、功能集成度较高的16位低功耗单片机，特别适用于要求功耗低的场合

松翰单片机（SONIX）：

是台湾松翰公司的单片，大多为8位机，有一部分与PIC8位单片机兼容，价格便宜，系统时钟分频可选项较多，有PMWAD内振内部杂讯滤波。

缺点RAM空间过小，抗干扰较好。

本系统设计选用的是STC系列单片机。

通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：

中央处理器、存储器和I/O接口电路等。

因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。

单片机经过1、2、3、3代的发展，目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展，它们的CPU功能在增强，内部资源在增多，引角的多功能化，以及低电压底功耗。

8051是MCS-51系列单片机的典型产品，我们以这一代表性的机型进行系统的讲解。

8051单片机包含中央处理器、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明：

·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（RAM）：

8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。

8051内部结构如图1所示：

图18051内部结构图

·程序存储器（ROM）：

8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。

·定时/计数器（ROM）：

8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。

·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。

·全双工串行口：

8051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。

·中断系统：

8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。

·时钟电路：

8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。

单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛（Harvard）结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿（Princeton）结构。

INTEL的MCS-51系列单片机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品16位的MCS-96系列单片机则采用普林斯顿结构。

下图是MCS-51系列单片机的内部结构示意图2。

图2MCS-51结构框图

MCS-51的引脚说明：

MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，右图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。

现在我们对这些引脚的功能加以说明：

MCS-51的引脚说明：

现在我们对这些引脚的功能加以说明：

如图3

图38051单片机引脚图

Pin9:

RESET/Vpd复位信号复用脚，当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。

初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指针写入07H，其它专用寄存器被清“0”。

RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。

然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态，8051的初始态。

8051的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，见下图4。

此外，RESET/Vpd还是一复用脚，Vcc掉电其间，此脚可接上备用电源，以保证单片机内部RAM的数据不丢失。

图4单片机复位电路

·Pin30:

ALE/

当访问外部程序器时，ALE（地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。

而访问内部程序存储器时，ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。

更有一个特点，当访问外部程序存储器，ALE会跳过一个脉冲。

如果单片机是EPROM，在编程其间，

将用于输入编程脉冲。

·Pin29:

当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令数据放到P0口上，由CPU读入并执行。

·Pin31:

EA/Vpp程序存储器的内外部选通线，8051和8751单片机，内置有4kB的程序存储器，当EA为高电平并且程序地址小于4kB时，读取内部程序存储器指令数据，而超过4kB地址则读取外部指令数据。

如EA为低电平，则不管地址大小，一律读取外部程序存储器指令。

显然，对内部无程序存储器的8031,EA端必须接地。

在编程时，EA/Vpp脚还需加上21V的编程电压。

2.48255可编程并行接口芯片概况：

8255可编程并行接口芯片有三个输入输出端口，即A口、B口和C口，对应于引脚PA7～PA0、PB7～PB0和PC7～PC0。

其内部还有一个控制寄存器，即控制口。

通常A口、B口作为输入输出的数据端口。

C口作为控制或状态信息的端口，它在方式字的控制下，可以分成4位的端口，每个端口包含一个4位锁存器。

它们分别与端口A／Ｂ配合使用，可以用作控制信号输出或作为状态信号输入。

8255可编程并行接口芯片方式控制字格式说明:

8255有两种控制命令字；一个是方式选择控制字；另一个是C口按位置位／复位控制字。

其中C口按位置位／复位控制字方式使用较为繁难，说明也较冗长，故在此不作叙述，需要时用户可自行查找有关资料。

方式控制字格式说明如表1：

表1

D7：

设定工作方式标志，1有效。

D6、D5：

A口方式选择

00—方式0

01—方式1

1×—方式2

D4：

A口功能（1=输入，0=输出）

D3：

C口高4位功能（1=输入，0=输出）

D2：

B口方式选择（0=方式0，1=方式1）

D1：

B口功能（1=输入，0=输出）

D0：

C口低4位功能（1=输入，0=输出）

8255可编程并行接口芯片工作方式说明:

方式0：

基本输入／输出方式。

适用于三个端口中的任何一个。

每一个端口都可以用作输入或输出。

输出可被锁存，输入不能锁存。

方式1：

选通输入／输出方式。

这时A口或B口的8位外设线用作输入或输出，C口的4条线中三条用作数据传输的联络信号和中断请求信号。

方式2：

双向总线方式。

只有A口具备双向总线方式，8位外设线用作输入或输出，此时C口的5条线用作通讯联络信号和中断请求信号。

2.474HC573概况

74HC573八进制3态非反转透明锁存器高性能硅门CMOS器件SL74HC573其管脚示意图如图5所示：

图574HC573引脚图

其中：

1D-8D为8个输入端。

1Q-8Q为8个输出端。

LE为数据打入端：

当LE为“1”时，锁存器输出

状态同输入状态；当LE由“1”变“0”时，数据

打入锁存器

OE为输出允许端：

当OE=0时，三态门打开；

当OE=1时，三态门关闭，输出高阻。

数据有效延迟后于时钟信号有效。

这意味着时钟信号先到，数据信号后到。

在某些运算器电路中有时采用锁存器作为数据暂存器。

所谓锁存器，就是输出端的状态不会随输入端的状态变化而变化，仅在有锁存信号时输入的状态被保存到输出，直到下一个锁存信号到来时才改变。

典型的锁存器逻辑电路是D触发器电路。

在某些应用中，单片机的I/O口上需要外接锁存器。

例如，当单片机连接片外存储器时，要接上锁存器，这是为了实现地址的复用。

假设，MCU端口其中的8路的I/O管脚既要用于地址信号又要用于数据信号，这时就可以用锁存器先将地址锁存起来。

8051访问外部存储器时P0口和P2口共做地址总线，P0口常接锁存器再接存储器。

以防止总线间的冲突。

而P2口直接接存储器。

因为单片机内部时序只能锁住P2口的地址，如果用P0口传输数据时不用锁存器的话，地址就改变了。

看看8051单片机总线操作的时序图。

由于数据总线、地址总线共用P0口，所以要分时复用。

先送地址信息，由ALE使能锁存器将地址信息锁存在外设的地址端，然后送数据信息和读写使能信号，在指定的地址进行读写操作。

使用锁存器来区分开单片机的地址和数据，8051系列的单片机用的比较多，也有一些单片机内部有地址锁存功能，如8279就不用锁存器了。

3总体设计

系统整体设计框图如图6所示。

图6系统框图

系统工作流程介绍：

（1）开关键盘输入交通灯初始时间，以及设置工作模式。

（2）紧急情况由紧急情况控制键触发全局中断实现。

（3）控制器通过读取键盘状态设置工作模式，以及绿、红灯的初始时间。

（4）以键盘设置的工作模式由8051的P0口向8255的数据口输出。

（5）当系统工作在定时模式下，队尾位置传感器处于关闭状态，交通信号灯以初始设置的时间进行循环切换。

（6）当系统工作在自适应模式下，红灯倒计时，判断位置传感器信号，感应队伍较长度是否超过设定值，超过则直接跳过红灯倒计时。

3.1定时模式下原理

十字路口模型如图7。

图7十字路口模型

东西、南北两干道交于一个十字路口，各干道有一组红、黄、绿三色的指示灯，指挥车辆和行人安全通行。

红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行。

黄灯亮提示人们注意红、绿灯的状态即将切换，且黄灯燃亮时间为东西、南北两干道的公共停车时间。

指示灯燃亮的方案如表2。

表2交通信号灯设计

……

东西道

红灯亮

黄灯亮

绿灯亮

黄灯亮

……

南北道

绿灯亮

黄灯亮

红灯亮

黄灯亮

……

表2说明：

（1）当东西方向为红灯，此道车辆禁止通行，东西道行人可通过；南北道为绿灯，此道车辆通过，行人禁止通行。

（2）黄灯闪烁5秒，警示车辆和行人红、绿灯的状态即将切换。

（3）当东西方向为绿灯，此道车辆通行；南北方向为红灯，南北道车辆禁止通过，行人通行。

（4）这样如上表的时间和红、绿、黄出现的顺序依次出现这样行人和车辆就能安全畅通的通行。

（5）此表可根据车流量设定红绿灯初始值。

3.2自适应模式下原理

自适应模式十字路口模型如图8所示。

图8自适应型交通十字路口

自适应型交通信号灯可以通过时间设置不同时断下，车辆排队的长度来进行自动的调整十字路口红绿灯的时间。

工作模式介绍：

当十字路口选择以自适应来控制交通红绿灯信号时，压力传感器开始启动工作，假设东西方向为红灯时，随着排队等候车辆的增加，东西方向道路上的压力传感器对队伍的长度反馈到处理器，当队伍长度大于设置的长度后，系统将直接停止红灯倒计时，跳到黄灯闪烁5秒后显示绿灯，使得东西方向车辆可以通行。

南北方向亦如是。

3.3其他说明

系统分为硬件部分和软件部分。

本论文主要设计制作硬件部分以及单片机程序。

4硬件设计

4.1主控制器部分设计

利用单片机设计主控部分。

本系统使用STC89c52。

STC89C52系列单片机是从引脚到内核都完全兼容标准8051的单片机，有PDIP（塑料双列直插式封装，芯片封装的形式之一）-40、PLCC（特殊引脚芯片封装，它是贴片封装的一种）-44、PQFP（塑料方块平面封装，一种芯片封装形式）-44三种封装形式。

STC推出的系列51单片机芯片是全面兼容其它51单片机的。

STC89C51/芯片分别含有4K／字节FLASHROM供用户编程使用。

STC89C系列单片机是高速/低功耗的新一代8051单片机，最高工作频率可分别达到25MHz～50MHz，具体在芯片上的型号名称后

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