基于单片机的智能交通灯控制系统的设计.docx

1、基于单片机的智能交通灯控制系统的设计基于单片机的智能交通灯控制系统的设计 基于单片机的智能交通灯控制系统的设计 摘 要 毕业设计说明书 GRADUATE DESIGN 设计题目：基于单片机的智能交通灯控制系统的设计 学生姓名： 专业班级： 学 院：电气工程学院 指导教师： 摘 要 随着现代社会对交通运输的日趋依赖，交通灯成为了人们生活中不可或缺的一部分。 传统的交通灯控制系统虽然在一定程度上可以满足指挥路口交通的需要，但随着城市规模的不断扩大，原有的交通灯控制系统已经表现出明显的缺点：红绿灯时间相对固定，不能伴随车流量的改变而调整红绿灯的显示时间。 本设计以AT89S51单片机为核心，外接外围

2、电路构成基本电路，使硬件电路能适应所完成的控制功能。 在Keil软件中编写C语言程序，最后用Proteus软件进行仿真，基本实现了智能交通灯的模拟。 该系统可控制红、绿、黄灯按时间依次变换，并有倒读秒功能。 在此基础上，通过传感器对车流量的情况进行数据采集。 将采集的数据传送给控制中心，进行分析比较。 根据比较的结果，将具体的车流量转换成两相位车流量大小的比值。 根据比值转换成对红绿灯时间的控制，使交通信号灯时间可根据车流量改变，提高了交叉口的通行效率。 关键词：单片机；交通灯；倒计时显示；传感检测 -7- 目 录 Abstract As modern society increasingly

3、 rely on for transportation, traffic lights has become the indispensable part of people s life. Although to some extent, the traditional traffic light control system can meet the needs of command intersection traffic, but with the enlargement of city scale, the original traffic light control systems

4、 have shown obvious disadvantages: traffic light time is relatively fixed, not along with the change of the flow adjustment of traffic lights show time. This design uses AT89S51 microcontroller as the core, constitute the basic circuit, external peripheral circuit that can be adapted to control the

5、functions performed by hardware circuit. In Keil software written in C language program, and finally with the Proteus software simulation, the basic realization of the intelligent simulation of traffic lights. The system can control red, green, yellow light according to time, in turn, transform, and

6、 has function of seconds. On this basis, through the sensor to the situation of traffic data collection. Will collect the data transmitted to the control center, carries on the analysis comparison. According to the result of comparison, the specific traffic into two phase flow is the ratio of the si

7、ze. Translated into traffic lights time according to the ratio control, make the traffic lights time may be changed according to the number of cars, improving the efficiency of the intersection traffic. Key words: single chip microcomputer; The traffic light; The countdown display; Sensing detection

8、 目 录 目 录 摘 要I AbstractII 第1章 绪论1 1.1 课题背景1 1.2 课题研究的意义2 1.3 智能交通灯的研究背景2 1.4 国内外研究现状3 1.5 我国交通灯现状3 1.6 论文结构4 第2章 智能交通灯控制系统方案设计5 2.1 智能交通灯控制系统的通行方案设计5 2.2 智能交通灯控制系统的功能要求6 2.3 智能交通灯控制系统的基本构成及原理7 2.4 本章小结7 第3章 系统硬件电路的设计8 3.1 主要硬件的选型8 3.1.1 单片机的选型8 3.1.2 车流量检测传感器的选型8 3.1.3 电源电路的选型10 3.2 系统硬件总电路构成及原理10 3.

9、2.1 系统硬件电路构成10 3.2.2 系统工作原理11 3.3 AT89S51单片机简介12 3.3.1 单片机的概述12 3.3.2 AT89S51主要引脚功能12 3.3.3 AT89S51芯片最小系统15 3.4 车流量检测模块介绍16 3.4.1 光电开关的工作原理17 3.4.2 光电开关的分类17 3.4.3 光电开关的应用18 3.5 其它硬件介绍19 3.5.1 发光二极管19 3.5.2 七段LED 数码管19 3.5.3 电源电路设计20 3.5.4 蜂鸣器21 3.6 本章小结21 第4章 软件设计23 4.1 主程序设计23 4.2 车流量采样程序设计23 4.3

10、显示程序设计27 4.4 理论基础知识27 4.4.1 定时器原理27 4.4.2 软件延时原理28 4.5 本章小结28 第5章 智能交通灯的仿真29 5.1 Proteus软件介绍29 5.2 仿真过程介绍29 5.2.1 用PROTEUS绘制原理图29 5.2.2 PROTEUS对单片机内核的仿真30 5.2.3 仿真结果与分析31 5.3 本章小结37 结束语38 参考文献39 谢 辞40 附 录41 第1章 绪论 第1章 绪论 1.1 课题背景 随着人口快速的增多，交通工具的爆炸性的发展，以及道路资源的有限性，交通控制就应运而生。 在人类的生活、工作环境中，交通扮演着极其重要的角色，

11、人们的出行都无时不刻与交通打着交道。 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

12、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

13、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。 交通对于社会的工业经济和人们的生活生产中有着十分重要的意义。 交通控制系统是近现代社会随着物流、出行等交通发展产生的一套独特的公共管理系统。 要保证高效安全的交通秩序，除了制定一系列的交通规则，还必须通过一定的技术手段加以实现。 随着单片机和传感技术的迅速发展，自动检测领域发生了巨大变化，智

14、能交通灯控制系统方面的研究有了明显的进展，并且必将以其优异的性能价格比，逐步取代传统的交通灯控制措施。 1.2 课题研究的意义 科学技术的进步推动了交通工具的现代化，社会经济的发展则导致了交通量的急剧增长并进而加剧了交通拥挤与阻塞的严重程度，城市交通的规模与复杂特征、传统交通控制和交通拥挤一直是困扰世界各国的一大难题，目前美国每年由于交通拥挤造成的直接经济损失达2370亿美元以上，而我国国内百万人以上的大城市每年由交通阻塞造成的直接间接经济损失约计1600亿元以上，相当于国内生产总值的3.2%。 解决城市交通问题的根本路径大致有两条：一是加快交通基础设施建设；二是加强交通管理。 前者是发展城市

15、交通，满足各种交通需求的物质基础，而后者则为合理使用现有交通设施。 保证人车的安全，在良好的交通环境下，使现有设施的能力得以发挥。 二者相比，由于在大城市新建和扩建道路的可能性受空间制约越来越小。 当前城市交通管理的重点也侧重于加强交通管理，对平面交叉口的研究一般都是应用交通信号在时间上给车辆分配通行权，从而实现车辆在时间上的分离。 智能的交通信号灯指挥者人和车辆的安全运行，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、绿、黄交通信号灯。 其中红灯亮，表示该条道路禁止通行；黄灯亮，则表示该条道路上未

16、经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，则表示该条道路上允许通行。 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，从而实现十字路口城乡交通管理自动化。 智能交通灯控制系统研究的发展，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

17、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 智能交通灯的研究背景 智能交通灯是智能交通领域的一个分支。 智能交通系统，简称ITS(Intelligent Transport Systems)，作为一个概念性名词出现于20世纪90年代初，但其思想早在20世纪30年代已有萌芽，当时美国通用汽车公司和福特汽车公司倡导和推广过“现代化公路网”的构想，而20世纪60年代出现的静态路径诱导、计算机交通控制技术等都可谓是ITS的雏形，不过当时其重要性并不明显，没有受到人们足够的重视。

18、 因此，近几年来世界各国都竞相投资ITS的研发和应用。 智能交通灯的应用是解决智能交通系统的关键之一。 1.4 国内外研究现状 目前国内外较为完善的交通信号控制系统主要有英国的TRANSYT（Traffic Net work Study Tool）和SCOOT（Split,Cycle and Of set Optimization Technique,绿信比、周期和相位差优化技术）系统和澳大利亚的SCATS（Sydney Coordinated Adaptive Traffic System）,悉尼协调自适应交通系统，以及美国、日本等国家开发的一些系统，其中以英国的SCOOT系统和澳大利亚的S

19、CATS系统相较为著名。 它们在中国的城市（如：上海、杭州、宁波等用的是SCATS系统；成都、大连、北京等用的是SCOOT系统）也得到了较好的应用。 但由于这些系统多为交通信号控制专用系统，因此开放性较差，难于同其它系统连接和协调控制，系统带有一定的局限性，并且价格比较昂贵，没有充分考虑我国现有的国情（如自行车交通流和行人的交通流等）。 我国近几年经过深入研究，也开发出了一些适用于我国交通状况的交通控制系统，主要有上海交通大学的SUATS系统和南京、深圳等地研制的系统。 这些系统在深入研究国外先进系统的基础上，融合了大量交警实际控制经验，以开放性为前提，增加了符合国情的特殊功能。 但还不成熟，

20、控制效果也不是非常好，没有得到广泛应用。 因此，结合我国国民经济，建立一个相对廉价、获取信息多且准确、工作可靠、具有智能交通控制系统势在必行。 1.5 我国交通灯现状 随着城市机动车增长速度的加快，1994年我国城市机动车保有量已接近500万辆。 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。 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，

21、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。 目前我国城市街道交叉路口的交通信号灯虽然是自动的，但是仔细观察就会发现红绿灯的交替转换是定时式的，即转换的间隔时间是固定不变的。 定时式并不符合实际要求。 因为，如果东西和南北两方向车流量相差很大，而信号灯还是平均分配导通时间，就会出现这样的问题：车多的方向导通时间不足，而车少的方向导通时间剩余，造成一方向车挤另一方向车松的不合理的局面，这就是机器自动控制不如人工现场指挥的差别。 然而人工指挥劳动强度大，我

22、们应充分发挥计算机的作用，用计算机模拟人的智能来控制交通灯，从而提高经济和社会效益。 1.6 论文结构 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，以指挥路口的实时通行状态。 在绪论部分讲述了本课题的研究背景与意义、国内外智能交通控制系统的研究现在以及我国交通灯的现状。 在第二章中，基于绪论部分对单片机智能交通灯控制系统的部分了解以及现实生活中的需要，根据设计要求提出总体设计方案论证与选择，介绍了智能交通灯控制系统的基本构成及原理。 在一、二章的基础上，第三章完成了硬件的选型以及硬件电路的设计。

23、 第四章首先根据软件设计流程图简要介绍了软件设计，并介绍了各个程序模块的基本设计思想。 第五章简要介绍了proteus软件及电路绘制并且详细叙述了如何实现电路的仿真。 最后是对本课题的总结与展望，概述了系统实现的功能，前景及致谢、附录、参考文献等关于本次毕业设计的后续工作。 附录为系统的程序清单以及整体电路图供阅读参考。 第2章 智能交通灯控制系统方案设计 第2章 智能交通灯控制系统方案设计 2.1 智能交通灯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：

24、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4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： （1）南北绿灯亮，东西红灯亮。 此状态下，南北允许通行，东西禁止通行。 （2）南北黄灯亮，东西保持红灯亮。 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。 （3）东西绿灯亮，南北红灯亮。 此状态下，东西允许通行，南北禁止通行。 （4）东西黄灯亮，南北保持红灯亮。 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。 下面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

25、灯状态 状态1 状态2 状态3 状态4 南北向 通行 等待变换 禁行 等待变换 东西向 禁行 等待变换 通行 等待变换 南北红灯 0 0 1 1 南北绿灯 1 0 0 0 南北黄灯 0 1 0 0 东西红灯 1 1 0 0 东西绿灯 0 0 1 0 东西黄灯 0 0 0 1 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。 说明：0表示灭，1表示亮。 2.2 智能交通灯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

26、量检测及调整，错误报警等功能。 （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）红绿灯显示 红绿灯显示可以直观的告诉驾驶员禁行，通行和等待的信号。 本设计红绿灯有四种状态：首先南北绿灯亮，东西红灯亮。 一定时间后，南北黄灯开始闪烁，持续5s，东西向保持红灯亮。 接着南北向红灯

27、亮，东西绿灯亮。 一定时间后，东西黄灯闪烁，持续5s，南北向保持红灯亮。 （3）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，如遥感微波检测器、磁感应车辆检测器、红外线车辆检测器等。 通过比较南北向和东西向的车流量，调节红绿灯的间隔时间。 2.3 智能交通灯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

28、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。 单片机 LED数码管显示 蜂鸣器 车流量检测电路 红黄绿信号灯 最小系统外围检测电路 图2.2 系统的总体框图 本设计系统以单片机为控制核心，由车流量检测模块产生输入，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。 系统的总体框图如图2.2所示。 2.4 本章小结 本章主要对智能交通灯控制系统方案设计进行了介绍，概述了智能交通灯控制系统的功能要求以及系

29、统的总体框架。 第3章 系统硬件电路的设计 第3章 系统硬件电路的设计 3.1 主要硬件的选型 实现本设计要求的具体功能，可以用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，1个蜂鸣器进行报警。 3.1.1 单片机的选型 采用AT89S51单片机作为主控制器。 AT89S51具有两个16位定时器/计数器，5个中断源，便于对车流量进行定时中断检测。 32根I/O线，使其具有足够的I/O口驱动数码管及交通灯。 外部存贮器寻址范围ROM、RAM64K，便于系统扩展。 其T0，T1口可

30、以对外部脉冲进行实时计数操作，故可以方便实现车流量检测信号的输入。 选用AT89S51单片机跟其他单片机相比，经济实惠，满足设计要求，故选用AT89S51单片机作为主控制器。 3.1.2 车流量检测传感器的选型 车流量检测传感器有三种方案如下： 方案一： 采用遥感微波检测器(RTMS)。 微波交通检测器是利用雷达线性调频技术原理，通过发射中心频率为10.525GHz或24.200GHz的连续频率调制微波(FMCW)；在检测路面上，投映一个宽度为3-4米，长度为64米的微波带。 每当车辆通过这个微波投映区时，都会向RTMS反射一个微波信号，RTMS接收反射的微波信号，并计算接收频率和时间的变化参

31、数以得出车辆的速度及长度，提供车流量、道路占有率、速度和车型等实时信息。 为了检测出车道上车的数量，RTMS在微波束的发射方向上以2M为一个层面分展探测物体，微波束在15度范围内投影形成一个分为32个十层面的椭圆形波束，(椭圆的宽度取决于仪器选择的工作方式)，通过这种方式可检测出车量数RTMS具有两种基本的使用模式，分别是路边侧向模式和前方正向模式。 路边侧向模式可以使用一台RTMS同时检测多至8条车道，并提供每条车道的交通信息。 前方正向模式，用一台RTMS实时检测一条单一车道的交通情况。 RTMS的检测精度高，且是一个全天候的车辆检测器。 方案二： 采用磁感应车辆检测器.这种环形线圈检测器

32、是传统的交通检测器，是目前世界上用量最大的一种检测设备。 这些埋设在道路表面下的线圈可以检测到车辆通过时的电磁变化进而精确地算出交通流量。 交通流量是交通统计和交通规划的基本数据，通过这些检测结果可以用来计算占用率(表征交通密度)， 在使用双线圈模式时还可以提供速度、车辆行驶方向、车型分类等数据，这些数据对于交通管理和统计是极为重要的。 原理方框图如下： 环形检测器1 环形检测器n 自定义总线 控制单元 调制解调器 监控中心 图3.1 磁检测器方框图 该方案测量精度较好，且性能稳定。 方案三： 利用红外线车辆检测器。 红外线车辆检测器是利用被检测物对光束的遮挡或反射，通过同步回路检测物体有无。 物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。 光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。 如当汽车通过光扫描区