智能交通信号灯的设计和实现 计算机专业.docx

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智能交通信号灯的设计和实现计算机专业

智能交通信号灯的设计

[摘要]：

随着现代社会人们越来越多地喜欢交通运输,私人汽车已经逐渐成为现代人们日常生活中必不可少的组成部分。

现有的传统型交通照明控制系统架构和功能已经基本上实现当前现实道路交通的基本诉求，但我国都市在不断发展和扩张，人口及其他建筑等配套密度和复杂度越来越大，传统型交通照明控制系统明显暴露出薄弱和不足之处。

此种情况下，依托交通工程原理并以之为基础，与智能交通灯控制系统中涉及到的技术进行对接和结合，对其中存在的不足和问题展开探讨。

针对单片机交通自控系统基本组成及其原理,制定硬件组成和程序设计思路。

该系统以AT89C51单片机为控制核心，设计硬件电路，使用仿真软件，分析电路结构。

画出程序的功能流程图，然后编写程序代码，并在搭建好的硬件平台进行功能测试，根据调试结果进一步完善程序。

[关键词]：

交通灯，单片机，车流量检测

Designofintelligenttrafficsignallamp

[Abstract]:

Withmoreandmorepeopleliketransportationinmodernsociety,privatecarshavegraduallybecomeanindispensablepartofmodernPeople'sDailylife.Thestructureandfunctionoftheexistingtraditionaltrafficlightingcontrolsystemhavebasicallyrealizedthebasicdemandsofthecurrentrealityofroadtraffic.However,withthecontinuousdevelopmentandexpansionofcitiesinChina,thesupportingdensityandcomplexityofpopulationandotherbuildingsaregettinglargerandlarger,andthetraditionaltrafficlightingcontrolsystemisobviouslyexposedtoweaknessesanddeficiencies.Inthiscase,relyingontheprincipleoftrafficengineeringandbasedonit,thetechnologyinvolvedintheintelligenttrafficlightcontrolsystemisdockedandcombined,andtheexistingshortcomingsandproblemsarediscussed.Accordingtothebasiccompositionandprincipleofsingle-chiptrafficautomaticcontrolsystem,thehardwarecompositionandprogramdesignthoughtareformulated.ThissystemtakesAT89C51MCUasthecontrolcore,designsthehardwarecircuit,usesthesimulationsoftware,analyzesthecircuitstructure.Drawthefunctionflowchartoftheprogram,andthenwritetheprogramcode,andinthebuilthardwareplatformforfunctionaltesting,accordingtothedebuggingresultstofurtherimprovetheprogram.

[Keywords]:

trafficlight，Vehicleflowmeasurement

1绪言

交通信号灯系统是我们在日常生活中每一次出行过程中都会经常遇到的一种设备,随着现代科技的进步和发展，交通信号灯已经逐渐开始走向智能化,能够根据各种道路上实时车况来控制信号灯的持续时间,这样才能实现各种交通路口的行人以及其他车辆顺畅地通行,从而有效地提高了人们的生活和出行效率,减少因为道路交通拥挤而给车辆造成的损失和交通事故,保障和维护了人们的生活和出行安全。

与普通交通信号灯相比，智能交通信号灯突出的是智能二字，需要根据实时车况来实时反馈，实现这一功能。

1.1研究背景及意义

自从我们中国进入二十一世纪以来,我国的经济社会和政治经济文明建设更是发展迅速,汽车也已不再仅仅是“稀罕物”，走进了大多数普通中国老百姓的家庭和生活。

随着当前我国私人汽车拥有量的不断增加，日益严重的交通拥堵问题成了当前我国路政部门急需解决的问题。

各地都出台了一些缓解交通拥堵的方法，如限制外地车牌、单双号限行以及限制汽车牌照发放等，近几年各地都开始发展起智能交通信号灯，传统的交通信号灯都是根据设定好的红、绿、黄三色灯的时间交替变换，设定好各灯亮的时间后便无法更改，更无法根据实时路况对红绿灯的时间进行合理调整规划，因此不能有效的对拥堵路段进行红绿灯时间的实施优化，从而缓解拥堵。

目前看来，除了扩大车道数量、修高架等需要大量资金投入的方法，我们还可以通过智能交通信号灯来提高道路利用率、缓解交通拥堵，有效的提高人们的出行效率。

1.2交通信号灯简介

早在上个世纪六十年代联合国就对各交通信号灯进行的相关规定，我国也一直沿用这种规定。

一般性规则是如果显示绿色信号灯就意味着此时是道路处于暂时通行状态，而对面车道上行使通过路口的车辆依据各自车道和需要根据车道标识指引进行左转、掉头、直行、右转等行进选择；红灯是不能通行的信号灯，因为红波长较长、渗入性强，方便车辆在远处就能观察到红灯，提前进行减速操作，保证交通安全，红灯对面车道的车辆必须在将车辆停在指示线后。

黄灯是警示灯，一般在绿灯红灯交替期间作为过渡，提醒人们绿灯时间快过去，应该减速确保安全，有些路口会有黄灯一直闪亮，提醒车辆通过该路口需减速慢行，但无需停车等待。

当前，国内诸多城市还在广泛应用旧式的交通路灯自控系统，但随着现代化都会成市的不断建设，基于行驶流量的智能交通信号路灯自动控制系统必回由于其效率性和便捷性而广受民众及社区欢迎。

道路上应用的旧式交通信号灯，其使用的控制方式一般都是预先就已经经过充分考虑和衡量后的定时分配制，主要有以下不足：

（1）当一个方向没有车辆时，是该方向的绿灯时间，在此期间存在交通控制盲点。

当看到信号灯改变，车辆启动驶离车道，但优先于不同相位的约束，各个车辆所能利用到的驶离时间都保持相当的一致性，因此，在道路方向上车流较为密集的一侧就会出现车辆聚集的情况，导致下一个交叉口出现交通堵塞。

（2）当一个路口车流量较为密集时，如果此时路口的交通灯绿灯信号依然维持原有时间范围，不会根据情况进行自动调整和延长，那么在车流高峰消失前，会让路口车辆扎堆聚集，不能实现效率化通过。

 为了解决以上所出现的问题，将采用红外传感器检测交通车辆流动的状态，将使用AT89C51单片机对十字路口交通流动的状况进行对应性和针对性计数，并实现程序化，从而设计和开发出智能化交通灯自控系统。

该设计具有结构单一、不复杂，可靠度较高的优点，而且还具有宽阔的应用前景和未来。

2.系统控制器及外围数字电路

2.1单片机交通灯控制系统通行方案设计

在设计方案中，将设置在车辆的行驶车道处,划分为东西向和南北向,在一个的时间段内,只存在一个特定通行方向，允许通行实现，而另一通行方向，在此时就处在禁止通行状态，持续一定时间周期，之后会出现一个较短持续时间的缓冲过渡期，之后通行实现方向与通行禁止方向根据系统设置进行方向调换操作。

具体细节展示如下：

状态a状态b

状态c状态d

图2-1交通状态

为了能够更明确表述指示灯当前状态与通行情况当前状态的关系，进行表格化展示，详情见下图：

说明：

图片中的黑色圆点其代表含义为灯光处在亮起状态，白色圆点其代表含义灯光处在灭掉状态。

0表示灯光灭掉，1表示灯光亮起.

图2-1交通状态及红绿灯

在的任意一个交叉路口东南西北方向处,分别出现有红、绿、黄3盏交通指示灯,跳到红灯时则表示该方向车辆必须暂停行车，此时处于禁止通行周期内，当跳到绿灯，则表示该方向车辆允许行车，此时处于允许通行周期内，随后挑动到黄灯，警告行车的状态将会发生转换。

2.2单片机交通控制系统的基本构成及原理

该路口道路繁忙，人流车流都密集拥挤，车行道和人行道各走各的道路,互不干扰。

所以需要依靠某些方式来维持秩序。

所依靠的方式就是对于交通运输信号灯进行自动指示的系统。

能够大幅增强道路路口的通行效率，并在根据上下班高峰期进行针对性设计，立足现场实际，以AT89C51控制单元来调节十字路口的车辆通行的效率，降低车辆不能行驶的现象。

如果是出现了紧急或特殊的情况,可以让南北方向或东西方向均亮起红灯,以便于救护车和消防汽车及时地通过。

车辆通过后,恢复原来状态。

该单片机是一种对交通车道灯进行自动控制的系统,能够直接地控制信号灯运行的状态和速度变化,基本上能够实现对特定情况下的交通。

同时,由于该系统的设计不仅需要倒计时进行数字输入,还需要状态管进行输出,方便观察,兼顾虚拟现实,所以采用了数码管与点阵led相结合。

如图2-2所示：

图2-2系统的总体框图

所以,本数控系统的硬件设计以单片机为主要的信号控制处理中心,与最小化的系统接口进行了直接相连,并且系统具有自动按键生成控制启动模块、车流量计和红外线信号检测模块传感器自动生成车辆状态显示输入、传统颜色对标的三色信号灯显示输入控制模块、LED显示控制模块和能够实现自动接受信号输出的功能设置和模块等。

3系统设计

3.1系统硬件总电路构成

该控制系统以数控单片机为核心设计,构成了一个整流式加工及全自动化控制于三位一体的智能全封闭式过程控制管理系统。

该控制系统的主要硬件控制电路由AT89C51、状态指示灯、发光控制二极管显示器、驱动控制电路、按键、红外线传感器等六个部分组成。

为了能够更好地准确实现预期控制功能诉求，有必要对系统展开针对性设备和功能设计，选择合适的设备及进行程序开发等，其中器件设备主要涉及的是AT89C51单片机，以及其他各具功用的外围非核心控制设备和器件，2个发光控制二极管按照一定等级进行划分为4组,红灯、绿色和黄灯组成了一个发光信号提示控制模块。

倒计时闪光信号显示控制模块由八个led灯组成,分别指的是东、西、南、北方向各两个。

多个设置按键分别直接构成了，根据时间顺序配置与工作模式的自动选择设置按钮及紧急状态控制设置按钮。

两个红外线传感器,交通流量自动检测模块。

3.2AT89C51单片机简介

在现阶段我国的工业生产中AT89C51单片机是使用较为广泛的单片机之一。

在本系统的设计中使用ATMEL公司生产的8位AT89C51单片机。

从实际功能诉求来看，AT89C51能够有效满足，其具备16位自动计数器且数量个数为2个符合设计需要，及五个定时自动中断源,以便在用户在检查指定流量时能够进行自动中断。

i/o线有32条,所以我们需要有一个足够多的一个i/o口来驱动一个数码管和驱动红绿灯。

外存中的存储地址分别为rom和ram64k,方便整个系统的运行扩展。

t0和t1这两个端口分别可以实时自动检测统计外部交通脉冲,方便系统通过输入端在运行数据过程对其中的实际交通流量进行自动检测。

综上所述，AT89C51是一种适配度高和实用性强的微控制器，且具有价格低廉这一显著性优势，对于具备一定智能化功能诉求的涉科学仪器来说具有非常高的适用性，同时也为诸多嵌入式控制系统供给了一种具备价格优势同时又兼一定效能的控制设备解决路径。

3.3LED显示器

LED数码管显示器的结构原理

LED实质上而言就是一类以PN结来完成并实现能量转换过程的固体发光器件设备，此处所说的是电能对光能的转换，不同的制造材料就能实现不同颜色可见光束的出现和显示。

该器件设备在伏安表达上并具有特殊性，具有和一般二极管同样的性质，正向压通常下将维持到了2V这个取值上，而工作电流通常维持取值区间在10到20mA这个范围内，这种情况下可以维持8段LED运行条件。

结构详情见图2-3。

图2-38段数码管结构图

它一般是由8个发光二极管制造,各段依次标注为a、b、c、d、e、f、g、dp,其中dp用来代表一个小数点（没有一个小数点的称为7段led）。

8段led具有共阴极与共阳极两种结构,分别见于图2-4共阴极结构图图2-5共阳极结构图所示：

图2-4共阴极结构图图2-5共阳极结构图

共阳极发光数码管在实际应用中一般要求直接+5v。

例如,当某一次场led中的阴极导线处于一个接近低电平线的位置时,相应场的灯将会自动点亮。

例如,当一个场的极性阴极电平处于一个场的高电平时,它所有对应的场的灯并不亮。

把所有的led阴极都呈现出连接的状态，或者这些led呈现组合形态，而此时它们的阴极也变成了组合状态，实现了公共阴极数码管的转化和功能实现。

当我们需要采用公共阴极数码管时,公共导线电极上的com都应该与我们连接至同一条公共地面导线上的gnd。

例如,当某一次场led的阳极场处于一个高电平面的位置时,它们所有相对应的场就可能会被点亮。

当一个场的阳极处于低电平时,他所对应的场不亮。

led各个段不同时间点亮的数字组合分别能够显示0~9、a~f等十六进制值

3.4信号显示驱动电路

一般情况下，74HC245解码器在功能实现上，可以进行二进制加权地址输入，而且其接受数目可以达到3位，具体可以在图形中用A0、A1和A2进行符号表示，当出现允许信号时，该器件设备可以实现数个低电平有效输出，具体可以在图形中用Y0一直到Y7这些符号进行表示，这些低电平其通用特性是互斥性，另外数目通常是8个。

74HC245可以存在三个允许信号输入实现，具体来说有两个低电平有效（e1和e2）,一个高电平有效（e3）。

除非e1和e2设置为低,e3设定为高,否则将会出现的情况是74hc138将一直持续维持输出的高。

因为这一特殊性的使能方式和类型方面的特性，74HC245芯片数目只要达到四个，同时还具备一个反相器器材设备，就可以轻易实现解码器功能和设备扩展，升级转成为1-32解码器。

如果在过程中，能量数据送出输入并不进行其他类型选择，而是以有效性一般化或偏低化的多路使使用能量作为选择类型对象，那么这就意味着其余的多路使使用能量也可以进行同样的有用性选择，也即一个有可选通道的端子,74hc245也就是说它们都可以直接作为担任8输出的多路信号分解器,并且没有被广泛使用过的所有多路使使用能量和数据输入都需要维持原有输出状态，也就是原来具有高有效则继续维持高有效，而原来具有低有效则继续维持低有效。

图3-574HC245电路图

由此可见，在解调器使用中，使能输入在一定条件和程度上也可以当做数据输入。

在开发中，引脚1进行连接，并与VCC实现对接，与此同时，引脚19则不进行任何连接，直接进行接地使用。

整个芯片呈现出的状态表现是高输入时也同样出现结果高输出，低输入时也同样出现结果是低输出，意味着这类似驱动。

3.5键盘输入电路

通常来说，单片机由于使用功能不同具有两种不同键盘类型，一类是独立型键盘，一类是更具特殊性的矩阵型键盘。

具体情况而言，独立键盘在方案设计时，每个I/O口只能实现和完成与一个按钮进行对接，而该按钮通常又与电源进行连接，通常来说是进行接地。

独立键盘的优点是其实现过程较为简单，连接过程简单易懂且容易上手，系统稳定性也更为显著；矩阵键盘的数据连接处理过程很复杂,但它们在整个I/O中空间占用相对较少。

根据本文键盘设计的技术特点和实际需求,这里我们分别选择了一个独立的键盘按钮或者键盘键来进行无线连接。

独立式触控键盘通过直接利用单芯片I/O控制端口上的数据读取器和端口输出电平以便自动判断用户是否已经按了上下键而不能进行键盘操作。

将正常程序打开的一个按钮与另一端端口进行自动接地,将I/O输出端口自动连接到其他按钮一端,在整个应用程序启动时使此I/O端口处于高电平,通常无钥匙保护I/O端口到高电平。

按下这个控制键时,此I/O接地端口和电源接地端的电平都会发生较大短路,I/O接地端口就会变成一个低位。

释放这个按钮后,单片硅电机内部的一个小型上压下拉稳压电阻器就会把整个I/O输出端口正常维护在一个高电平。

我们现在需要首先必须做的一件事情就是在这个应用程序中手动去快速查找这个新的I/O控制端口的当前等级运行状态,以便能够知道我们这个应用程序中目前按钮动作状态。

通常情况下，如果要利用单片机功能来实现对键盘的一些操作或者处理，意味着这中间要经历一个复杂化和重大化程序，换言之，键盘出现抖动。

需要注意的是，这里的抖动从本质上展开观察，会发现其是机械性抖动，是一种由于电压出现不稳定而导致出现的现象，并不具有非正常性，其发生环境和场所是手指没有按动的暂停区域内的键盘中出现的，由于其存在正常性因此也就难以避免或提前预防。

该电压脉冲抖动持续时间通常局限在10到200ms范围内，而且这种买脉冲抖动持续时间和出现规律都具有高度稳定性，对于一些脉冲为微秒的小型计算机来说都是低速度的,对人类来说是高速的。

因此，在此选择软件抖动，首先，如果出现低等级，则延迟时间限定在10到200ms范围内，通常标准值一般取值都在20ms，抖动避免或消失，此次延迟后需要再进行一次有效I/O端口值读取，本次值为1的话，低电平时间不满10～200毫秒的话视为干扰信号。

。

硬件电路如图3-7所示：

图3-7键盘控制电路图

3.6车流量检测电路

针对道路车流量检测需求，本次系统设计利用了精准性和效率性都能得到较好保障的红外线车辆检查仪。

该仪器其主要应用原理是建立在让被检测对象出现反射反应或者直接将之遮盖隐蔽的反应等，之后用经过特殊设计能够精准表达检查反馈的同步电路来实现对物体位置的显示或对物体有无的显示等。

这里所涉及的被检测对象不光局限在金属类物质，还能够涉及到具有反射光谱功能或效果的被检测物体。

光电开关把输入的电流变化转换成信号送到发送器上的光信号,并根据发送器的高低和频率来检测。

例如,在一辆车辆经由激光扫描区域时,一部分或全部被切断,实现车辆数据的综合检测。

它具有快速响应、强烈干扰天气和物体色度不受影响的显著优势，并且安装非常简便快捷，不具有高技术难度。

在本文系统方案，对于该方面的器件设备使用的是红外光电控制开关，型号选择具体是e18-d50nk，因为其价格区间合适且性能符合诉求，以此来展开莫宁红外检测。

该型号开关通常所需要的工作电压取值具体是5vdc，与此同时工作电流范围限定取值范围在10到15ma之间，另外，检测所能覆盖到的范围根据现场情况不同取值表达在3到50cm范围内，通常情况下温度为-25℃~55℃。

当车辆通过光电开关时，输出端输出开关信号，传送给单芯片微计算机。

单芯片微计算机执行对应的程序，同时对输入信号进行自动计算，从而实现通行车辆的计算，得到相应统计数值。

图3-8红外检测电路图

3.7蜂鸣器驱动电路

很多情况下，蜂鸣器系统采用了一个小型集成式的高频电子驱动发声器,由一个DC的高电压电流供应运行所需的驱动力。

该器件设备应用场景极为广泛，从我们日常所见的计算机、打印机等等到较为专业化的电子器材、报警仪等等诸多不同类型电子设备和配件，在其中作为发音控制等功能器件和设备而进行装置和利用。

蜂鸣器根据需要和性质可以进行多种分类，通用的有高频直流压电类型的微波蜂鸣器，另外也具有相当适用度的低频高压电磁类型的微波蜂鸣器。

通常来说，蜂鸣器驱动电路会具有几个主要组成部件，一个必须具备的是电流电阻，另外还需要基干构件也就是蜂鸣器，与此同时还必须具备三极管等。

蜂鸣器其主要功能实现是一种发生元件，具体功能实现途径是在器件两端提供和赋予DC电压，此时所应用的类型是有源蜂鸣器，或者用方波（一个无缘体的蜂鸣器）把它发出来。

这些器件可以按照用户需要音量来进行选择的声响参数，此一参数涉及到声响的方方面面，从声响形状到驱动方向，甚而包括声响持续时间等等。

系统中采用有源蜂鸣器作为发声元件。

三极管电流q1用于高工作电流开关,其基极处的的最低电平视为会导通使二极三级管电流达到完全饱和,导通,当三极产生噪声蜂鸣器发出噪声时的基极处的最高电平视为会导通使得三极的导管被自动截止时，蜂鸣器此时自动暂停鸣叫回复到静默状态。

图3-9蜂鸣器驱动电路

4系统软件程序的设计

4.1程序主体设计流程

很多情况下，在进行设计时，控制程序会进行模块化区分设置，分成若干个子模块分别进行配置和设计，本文所涉及的子模块包括键盘控制程序子模块、指示灯控制程序子模块、LDE显示控制程序子模块、去延迟设置程序子模块、子状态判断程序子模块、中断服务设置程序子模块、紧急停止等设置程序子模块等等。

本文所涉及软件设计主要囊括两大方面，一个是涉及按键处理的软件设计，一个是50ms扫描器所需要的实现程序设计等。

工作过程框图如下：

图4-1系统总的流程图

4.2子程序模块设计

对于按键模块控制的具体实现路线是调用中断，详细原理是单片机读取端口当时所呈现出来的电平情况来进行实现控制判断，也就是是否按键。

常开键的一段通常情况下会进行接地接连，而另一端则采取相反的做法进行连接到输入/输出端口。

程序启动时，读取端口通常会被设置成保持高电平状态中，不案件时，则一直进行高电平维持和保护。

当按下键时，会出现电路短路，强迫读取端口进入低电平状态。

之后稳定按钮依照程序设定实现释放，单片机一个小型上压下拉稳压电阻器就会把整个i/o输出端口正常维护到一个高电平。

我们通常需要首先必须做的一件事情就是在一个应用程序中手动去快速查找这个位于i/o控制端口的一个等级控制状态,以便能够知道我们到底之前是否已经进行过一个关键按钮的控制动作。

图4-2中断子程序

对于定时器而言，在对其展开详细方案设计时，中断子程序重要性就尤为凸显。

计时器启动运行，开始将原来的值添加为1。

当程序启动前的开头不分别设置th0和tl0时,默认值设定为0。

假设一个时钟的频率为12mhz并且12个脉冲时钟循环只会持续一个周期,则这个机器的循环为1us,并且216-1的编号对于同时记录th0和tl0来说也是必须的,并且另一个脉冲计数器会呈现出显著溢出状态，并且还会由于脉冲时钟而呈现出中断的情况。

此种情况下，溢出需要合计计算，并且那个大约是65.6ms。

根据这个初始值记录了50000个数字后,溢出。

此时,在系统需要自动调度1s的情况下,在编写程序的时候,在发生50ms的定时器故障中断的20倍时候就会认为是1s,所以系统才能够正确控制设置的定时时间。

负责刷新，进行数据输出实现和操作及对各种状态进行对应性处置和调整转换等。

中断程序的流程图如图所示

图4-3定时中断流程图

5系统调试与结果分析

5.1 Protues仿真软件简介

Proteus是LabCenter公司开发的电路解析和仿真模拟软件。

Proteus是模拟单芯片微计算机外围设备的最佳工具。

它可以模拟周围电路，例如51系列、AVR、PIC等常用的MCU及其外围电路（LCD、RAM、ROM、键盘、马达、