毕业设计（论文）-基于单片机的智能交通灯控制系统系统设计.docx

基于单片机的智能交通灯控制系统系统设计摘 要道路交通灯也就是我们常说的红绿灯，这是很常见的一种实时控制系统。我们日常出行的时候在路口都能看到。交通灯系统包括了一般的测控系统常用到的功能，它不但有利于道路的通畅，还可以减少交通事故发生。它主要由按键输入、时钟控制、显示和串口通信等组成。这里，我先对现在的交通系统的基础上进行分析，然后运用检测传感和实时调整的智能化技术，把传感器检测、车辆实时监测与单片机的作用相结合，设计出了基于单片机的智能交通灯控制系统的方案。 基于8051单片机的智能交通灯控制系统由8051单片机、交通灯显示、LED倒计时、车流量检测及调整、违规检测、紧迫处理、时间模式手动控制等模块构成。使用单片机控制的交通灯包括了车辆通行和等待时间的倒计时显示、正常的工作模式、限行模式、禁行模式等基础功能。该系统除交通灯具有的基本功能外，还具有通行时间手动设置、可倒计时显示、紧急车辆强行通过、车流量检测及调整、交通异常情况的判断和处理等相关功能。本文主要做了如下工作：先确定总的设计然后进行硬件电路和显示电路的设计。关键词：交通控制，/*传感检测*/，矩阵键盘，AT89S51，倒计时显示。AbstractTraffic control system is a modern society with logistics, travel etc of traffic development a unique set of public management system. To ensure the effective safety traffic, except for a series of traffic rules, still must through certain technological means to achieve. Based on analysis of traffic control, based on real-time detection sensor, adjust the implementation technology of intelligent control, real-time monitoring, sensor adjust vehicles time algorithm and single-chip microcomputer control function is proposed, whichcombines the traffic control system based on single chip design scheme.The 8051 microcontroller control system consists of the traffic lights display, 8051 monolithic integrated circuits, and LED the countdown, traffic violation detection, emergency adjustment, manual mode, time as modules. In addition to the basic traffic function outside, still have time to manually set, can pass the countdown, car that forced through traffic, inspection and adjustment, transportation and processing abnormal discriminant functions. Theory shows that the system can simple, economic and effective relieves traffic, improve the crossroads capacity.This design mainly do the following aspects: one is the work of the traffic control system design, including the crossroads, specific design and system should be restricted with each function, two is that the sensor, the hardware circuit design of the circuit and the basic function and requirement. Key Words: traffic control, sensing detection, displayand countdown ，AT89S511 绪 论1.1单片机交通控制系统的选题背景人们常说交通是一个都市的命脉，对城市的交通、经济、生活、发展都起着重要的作用。其实事实就是如此。近年来随着科技得进步和人口的增长，人们日常出行的交通工具越来越多，现在出门几乎都有自己的交通工具，所以道路的拥堵就显现出来了，尤其是上下班的高峰时期，拥堵特别的严重。尤其是近年来人们生活水平的快速提高，这一现象日益严重。那么怎么解决这一问题呢？那么便是交通灯。这就引出了交通控制系统。那么什么是交通控制系统呢？交通控制系统是近现代社会跟着物流、出行等交通进步产生的一套独特的公共管理系统。合理的交通系统可以有效的维护正常的交通秩序。合理的交通规则需要一定的技术手段加以实现。目前，交通控制方面的研究能完全实现自动化、智能化，能将整个区域合成一个总的系统。甚至还能根据突发时段的情况进行合理的调整。目前大多数的交通系统缺乏一种真正的交通响应控制策略。智能化和集成化毫无疑问是城市交通信号控制系统的发展趋势。因此，研究基于单片机的智能交通信号控制系统具有很高的实用价值。1.2 交通灯国内外发展概况如今，安装在各个街道上的红绿灯已经成为维护交通秩序最常见的手段。其实这一技术最早在19世纪就已出现在了伦敦的街头。世界上最早的红绿灯是在1858年，当时的英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红绿灯。它使用红蓝两色的机械扳手式信号灯，用以指挥交通。而后在1868年，英国的机械工程师纳伊特进行了改进，其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。它以旋转式方形玻璃提灯组成，红色代表“停止”，绿色代表“注意”。然而在1869年1月2日，这种煤气灯发生了爆炸，致使警察受伤，于是便被取消。紧接着电气时代的到来使得电气启动的红绿灯出现。最早的使用该技术红绿灯出现在1914年美国纽约市5号大街的一座高塔上。其由红绿黄三色圆形的投光器组成，红灯亮代表“停止”，绿灯亮代表“通行”。这种红绿灯使用起来并不是很方便，于是在1918年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。到了1963年加拿大多伦多市建立了一套使用IBM650型计算的集中协调感应控制信号系统，从而标志着交通信号系统的发展进入了一个新的阶段。之后，美国、英国、德国、日本、澳大利亚等多家相继建成数字电子计算机区域交通控制系统。到80年代初，全世界建有交通管制中心的城市有300多个，代表了未来交通控制的发展方向。各个时期典型交通信号系统得特征如附表所示。简称时间国别城市名称控制路口数信号周期检测器控制方式点控1868英国伦敦燃气色灯单/1914美国克利夫兰电力色灯单/1926英国各城市单点定周期自动信号机单定/自动1928美国各城市感应式自动信号机单定气压式自动线控1917美国盐湖城手控干道协调系统6个定/人工线控1922美国休斯顿电子计时干道协调系统12个定/电动1928美国各城市步进式定时干道协调系统多个（线）变/电动面控1952美国丹佛市模拟计算机交通信号控制系统多个（网）变气压式计算机1963加拿大多伦多数字计算机集中协调感应控制信号系统多个（网）变电磁式计算机在西方发达国家，交通控制系统已基本上完成了由传统的交通控制系统向智能交通控制系统ITS的转变，然而我国才刚刚处于起步阶段。1999年，我国成立了全国智能交通系统(ITS)协调指导小组及办公室，同年，又成立了全国智能交通运输系统(ITS)专家咨询委员会，其中，同济大学、清华大学、北方交通大学、北京航空航天大学、吉林工业大学、东南大学等高校的有关专家为咨询委员，并启动了国家“九五”科技攻关课题和国家“十五”科技攻关课题。目前，在对一些大中型城市引入的国外ITS进行研究的基础上已经逐渐开始摸索开发设计适合自己国情的ITS系统。 2 单片机交通控制系统总体设计2.1单片机交通控制系统的通行方案设计 由于交通灯设计时有正常通行、东西限行、南北限行、全部禁行四种模式，每种模式的信号灯切换方式都不一样，因此我们下面分析这四种模式的信号灯切换方式。但是切换时有一个原则需要我们记住：先停止正在通行的方向，然后放行被停止的方向。一般的十字路口都分为东西方向和南北方向，在任一时刻只有一个方向通行，另一方向就会禁行，持续一定的时间，经过短暂的过渡时间后，将通行禁行方向对换。其具体的状态如下图所示。黑色代表灯亮，白色代表灯灭。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，如此循环。我们把这四个状态归纳如下图所示：图2.1 交通状态切换图（1）东西方向黄灯灭，同时红灯亮，南北方向红灯灭，同时绿灯亮，倒计时30秒。此状态下，东西向禁止通行，南北向允许通行。（2）东西方向红灯仍亮，南北方向红灯灭，黄灯亮，倒计时4秒。此状态下，东西方向仍然禁止通行，南北方向除了已经驶过停车线的车辆可继续前进外，其他所有的车辆都需停止前进。（3）东西方向红灯灭，绿灯亮，南北方向黄灯灭，同时红灯亮，倒计时30s。在此状态下，东西方向可以通行，南北禁止通行。（4）东西方向绿灯灭，黄灯亮，南北方向红灯仍亮，倒计时4秒。此状态下，东西方向除了已经驶过停车线的车辆可以继续前行外，其他所有车辆都需停止前进，南北东西方向任然禁止通行。如下表：表2.1 交通状态及红绿灯状态状态1状态3状态4状态6东西向禁行等待变换通行等待变换南北向通行等待变换禁行等待变换东西红灯1100东西黄灯0001东西绿灯0010南北红灯0011南北绿灯1000南北黄灯0100表中从左到右表示时间的流逝方向，在初始状态时东西方向绿灯亮30s，然后黄灯亮4s，最后红灯亮34s，而南北方向则从初始状态开始先红灯亮34s，然后绿灯亮30s，最后黄灯亮4s，接着周而复始。2.2 南北限行方式 按照交通运行规则，南北限行的方式应该是南北方向的红灯亮，禁止通行，东西方向的绿灯亮，可以通行。当南北限行的按键被按下后，先判断此时的交通状态，如果南北方向此时已经处于红灯状态，单片机肯定是发出让南北方向继续保持红灯，东西方向继续保持绿灯的指令，如果此时交通状态是南北方向在通行，则不着急，先单片机发出南北方向黄灯的信号，提示南北方向的信号灯即将转变，没有驶过停止线的车不要再前进，黄灯持续4s，让已经驶过停车线的南北方向车驶出十字路口，最后再点亮东西方向的绿灯。表2.2 南北限行模式信号灯状态限行钱南北方向处于红灯状态东西方向点亮绿灯，灭其他颜色的灯南北方向红灯保持限行前南北方向处于绿灯或黄灯状态东西方向保持红灯绿灯南北方向黄灯4s红灯 图2.2南北限行信号灯状态图2.3东西限行方式 东西限行模式下同样存在南北限行模式下的问题。 东西限行模式信号灯状态如下表：表2.3 东西限行模式信号灯状态限行前东西方向处于红灯状态东西方向红灯保持南北方向点亮绿灯，灭其他颜色的灯限行前南北方向处于绿灯或黄灯状态东西方向黄灯4s红灯南北方向保持红灯绿灯2.4禁止通行模式 禁止通行模式就不要了考虑上述问题，只有交通秩序是正常的，按下禁止通行行按键后，两个方向的信号灯即变为红灯，两个方向的车辆都必须立即停止前进。新号灯状态如下表：表2.4 禁止通行模式信号灯状态东西方向红灯亮南北方向红灯亮2.4单片机交通控制系统的功能要求该设计不但能模拟最基本的交通控制系统，还能进行倒计时显示，车流量检测及调整，交通违规处理和紧急处理等功能，做到智能化控制。（1）倒计时显示倒计时显示可以让驾驶员清楚的知道在信号灯发生变化前的时间。让驾驶员提前做出选择。它可以显著减少驾驶员违反交通规则的次数。/*（2）车流量检测及调整智能交通灯控制系统最基本的作用就是检测车流量。 目前我国正在使用的红绿灯大多都是固定时间的红绿灯。红灯和绿灯的时间，是根据东西方向和南北方向的实际路况，采用统计的方法来确定的。*/ 使用注释符号，表示删除，同下（3）时间手动设置 除系统根据车流量自动控制调整，也可以通过键盘进行手动设置，增加了人为的可控性，避免自动故障和意外发生，并再紧急状态下，可设置所有灯变为红灯。键盘是单片机系统中最常用的人机接口，一般情况下有独立式和行列式两种。前者软件编写简单，但在按键数量较多时特别浪费I0口资源，一般用于按键数量少的系统。后者适用于按键数量较多的场合，但是在单片机I0口资源相对较少而需要较多按键时，此方法仍不能满足设计要求。/*本系统要求的按键控制不多，且I0口足够，可直接采用独立式。*/ 改为:本系统使用了矩阵键盘，每个按键对应相应的功能（4）紧急处理 流量大的路口经常会出现拥堵等紧急情况，比如救护车或发生交通事故等，那么遇到这种情况我们也要尽量保持交通的畅通。因此，我们在控制中加设禁停按键，就可以解决此问题。/*（5）违规检测 人人出行都需要遵守交通规则，但是现实社会中总有那么些人不遵守交通规则，所以我们就需要检测到他们，对他们进行应有的处罚。在路口设置检测器就可以及时的发现违规的现象，并记录违规的车辆的信息，以便交警后期的处理。*/2.3单片机交通控制系统的基本构成及原理基于单片机的智能交通灯控制系统，是利用单片机控制信号灯的状态变化来指挥交通。系统的总体框图如下：图2.2 系统的总体框图如上图可以看出系统的核心是单片机，由车流量检测模块、违规检测模块、按键设置模块、信号灯模块、LED倒计时模块/*凤鸣器*/等组成。 按键输入模块分为正常通行、南北限行、东西限行、禁止通行四个按键。倒计时显示模块共有8个共阴极的数码管组成，每两个一组，每个方向分为两组，每个方向的两组数码管显示的内容相同，用来显示前进或等待剩余时间。红绿灯由红绿黄三色的发光二极管组成，每三个一组，每个方向有两组二极管，每个方向显示的颜色一致。/*若选择自动模式，系统会不断通过车辆检测模块来检测车流量，到达一定的时间将会调整时间来适应各种路况的需求。 */3 系统硬件电路的设计3.1系统硬件总电路构成及原理本文所述智能交通灯系统所涉及的主要器件有：a，单片机最小系统所需器件b，AT89S51单片机C，三色LED灯d，按键/*e，车流量检测传感器、光敏传感器、蜂鸣器 */3.1.1系统硬件电路构成智能交通灯系统是一个以单片机为核心，/*集车流量采集*/、处理、自动控制为一体的闭环控制系统。硬件电路图如下图所示：图3.1 总体设计电路图具体功能见下表：接口作用P0、p2送显两片LED数码管P1控制红绿黄发光二极管XTAL1、XTAL2接入晶振时钟电路RESET接复位电路P3.3接违规检测电路P3.2接紧停东西时间设置键JP0.6、P0.7接车流量检测电路P3.6接南北时间设置键SP3.7接自动模式选择返回键FP3.4接蜂鸣器3.1.2系统工作原理系统上电或手动复位之后，系统等待模式选择设置键按下，模式分两种：红绿灯时间自动和红绿灯时间设置。若此时F键按下，则设置为自动模式，若此时按下的是S键，则设置为时间设置模式，依次按S若干次，J键若干次可设置好两个方向的红绿灯时间，再按F键确认。其实这个过程就是将存储时间值的寄存器进行设置，以及标志是否要进行车流量检测及调整。接下来，系统必须先显示状态灯及LED数码管，将状态码值送显P1口，将要显示的时间值送显P0口和用P2口来选通LED数码管的显示导通，在此同时以50ms为周期，用软件方法计时1秒，到达1s就要将时间值减1，刷新LED数码管。时间到达一个状态所要全部时间，则要进行下一状态判断及衔接，并装入次状态的相应状态码值以及时间值，/*当然，还要开启两个外部中断，其一为违规信号或禁停信号输入，一旦信号有效，中断开始，进入中断服务子程序，开启蜂鸣器禁止全部通行，当按下F键，中断结束返回。其二为车流量检测信号输入，若检测到车辆经过，进入相应的中断子程序，将存储车流量的计数器加1，然后中断结束返回。 */每满一个状态循环周期，若为自动模式，则须将检测到的车流量数据处理一次，判断两个方向的交通轻重缓急状况，再调整下次状态循环的红绿灯时间，以达到自动控制的目的。3.2 AT89S51单片机简介3.2.1单片机的概述单片机其实就是在一片半导体硅片上集成了中央处理单元、存储器、并行I/O口、串行I/O口、定时器/计数器、中断系统、系统时钟电路及系统总线的微型计算机。单片机主要应用于测控领域。我们通常把单片机称为嵌入式控制器或微控制器。只是在我国我们习惯把它称为单片机。按照功能我们可以把单片机分为通用型和专用型两种。单片机的主要具有以下特点：1)具有很高的性能与价格比。2)集成度超高、体积比较小、可靠性很高。3)控制功能很强。4)电压与功耗低。AT89S51单片机是美国ATMEL公司推出的一款单片机，其在我国8位单片机市场上占有很大的比例。其内部的4KB的FLASH存储器可以在线编程或者使用编程器重复编程，而且价格很低。3.2.2 AT89S51芯片内部结构简介 功能部件描述中央处理器8位微处理器（运算器和控制器）数据存储器128B的RAM程序存储器4KB的Flash ROM定时/计数器2个16位的定时器/计数器并行输入/输出口4组8位的I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用来对外部数据的进行传输。全双工串行口一个全双工的异步串行口，有4种工作方式时钟电路产生时钟脉冲序列中断系统5个中断源和中断向量 3.2.3 主要引脚功能AT89S51 引脚图如图3.3 所示： 图3.3 引脚图主要引脚功能：VCC：接5V的电源。GND：接数字地RST：复位信号的输入端，只对高电平有效。ALE：ALE为CPU访问外部程序存储器或外部数据存储器提供一个地址锁存信号，将8位地址锁存在片外的地址锁存器中。为该引脚的第二功能，可以对片内的Flash存储器编程时，作为编程脉冲输入端。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：是这个引脚的第一个功能，外部程序存储器访问允许控制端。Vpp是第二功能，在片内Flash进行编程时，Vpp引脚要接入编程电压。XTAL1：片内振荡器反相放大器和时钟发生器电路的输入端。XTAL2：片内振荡器反相放大器和的输出端。3.2.4 AT89S51芯片最小系统一个最简单的单片机系统包括晶振、复位、电源、系统的输入控制、输出显示，以及其他外围模块(如通信、数据采集等)。（1）时钟电路首先介绍一下单片机的晶振电路，即时钟电路。单片机的工作流程，就是在系统时钟的作用下，一条一条地执行存储器中的程序。单片机的时钟电路由外接的一只晶振和两只起振电容，以及单片机内部的时钟电路组成，晶振的频率越高，单片机处理数据的速度越快，系统功耗也会相应增加，稳定性也会下降。单片机系统常用的晶振频率有6MHz、110592MHz、12MHz、本系统采用110592MHz晶振，电容选22pF或30pF均可。/*在这里添加晶振电路截图，做相关说明，介绍下图中的单片机晶振电路，以及晶振电路的作用，原理等，请参考：晶振电路原理介绍参考原则，能看懂的觉得重要的就改写抄下来，看不懂的就不看。（2）复位电路系统刚上电时，单片机内部的程序还没有开始执行，需要一段准备时间，也就是复位时间。一个稳定的单片机系统必须设计复位电路。当程序跑飞或死机时，也需要进行系统复位。复位电路有很多种，有上电复位，手动复位等。 /*在这里添加相关截图，等，做相关说明，介绍下图中的单片机复位电路，以及复位电路的作用，原理等，请参考：介绍下复位电路的作用：参考单片机复位电路原则同上。（3）EA脚的功能及接法单片机的EA脚控制程序从内部存储器还是从外部存储器读取程序。由于现在单片机内部的flash容量都很大，因此基本都是从内部的存储器读取程序，即不需要外接ROM来存储程序，因此，EA脚必须接高电平。本设计中复位方式采用上电按键手动复位方式，时钟采用内部时钟。如下图3.4所示。图3.4 本系统复位与时钟方式/*下面继续讲述各个部分的电路作用*/1、矩阵键盘的作用及其原理:详细介绍矩阵键盘的实现原理 和 独立按键做比较，然后做总结介绍下电路图中各个部分的按键的作用，*请参考第六讲_独立键盘.ppt和 /link?url=irHa8Xlc_UmlccIeGsDDn6JrTXjQegjDmlWGYnuPUJaITBCnCNnhPC6bWQHgsKqNg5PPEhZaoBIa_XVTFhbsyKmt0tMSVJdQEq12pZRPizi（1）独立按键简单，容易实现，接线少，使用IO口扫描或者中断检测的方式，按键较少时可以这么使用.图片：（2）矩阵键盘 适合多按键使用，可以实现较少接线实现多按键。图片：（3）选择矩阵键盘的原因：（4）按键如何消除抖动，按键消除抖动有两种方法，（1）硬件，成本高，不够方便（2）软件 实现简单，使用与多种场合。/link?url=r4q8tYewgtESNyjcCLfLBRhCxXxNezppj64nkm7JK8yQVDTndkP_xU4d53tVbwDGOV0hT789oPHwCn-Cukp8kztzaQw7MI4WKYpA1sTH9S7本设计中采用延时消除抖动的方法.2、介绍下LED显示的原理 数码管显示数字的原理等等，（1）LED显示发光的原理*/s/blog_4e8581890102e6jk.html（2）数码管显示数字的原理/link?url=XmwRGFPc02ORhJLL-0-fyhTJoZb8pYy2pCW1xpdnySOATMKhj3tJ9VRQEFZ1ueBUXRsSlukdyvN75iaQtIsDz9lsmVTOI1fxpePxCSPHKmS（3）数码管驱动的方式，静态扫描和动态扫描静态扫描：优点，缺点，动态扫描：优点，缺点，/link?url=Cw456PJpikNY07kvEZyETGEk95Sm1m4TecQQ6ws3tcNOEwqh7Bsf4vSk2pGd_SMlsXkfZvYRCqTJe1ehT7dCO3oqL-OkMAWurhWOv_GkpAC本设计采用动态扫描的方式。第四章节 软件设计 1、软件设计流程图 概述下程序设计的流程* 参考PDF文档*2、 讲述下51单片机中断和定时器如何设置正常工作，以及定时器的原理请参考文档：/view/cc77bd00e518964bcf847ce6.html?from=search/view/b6e3d157ad02de80d4d840b5.html?from=search/*吧你参考的这个文档 这部分抄下来就行了*/*一定要自己改写，不能直接复制*/全部控制程序实际上分为若干模块：键盘设置处理程序，状态灯控制程序，LED显示程序，消抖动延时程序，次状态判断及处理程序，紧停或违规判断程序，中断服务子程序，车流量计数程序，红绿灯时间调整程序等。整个软件程序方面主要分两大部分：按键处理程序和50ms扫描程序。流程图如图4.1所示。首先是按键处理程序，89S51通过对IO扫描，确定是否有键按下，再判断具体是那个键按下，根据键值跳转到按键处理程序。按键处理结果可设置两种工作模式：红绿灯时间设置模式和红绿灯时间自动模式，次程序相当于系统的模式设置，若想重新设置则要按下复位键。设置过后进入50ms扫描程序。50ms扫描程序开始后，先刷新显示模块，若为自动模式则接下来要计数车流量，然后扫描紧停信号和违规信号，若捕获则调用中断，中断服务子程序主要启动蜂鸣器，直至恢复键按下。50ms已到则重新扫描。扫描20次之后计时到达1s则时间数据减1，在显示模块中修改显示缓冲区内容。在半个状态对换时，车流量计数程序在一个状态变换循环先后计数两个方向的车流量，然后调用红绿灯时间调整程序，更新红绿灯时间。当前状态时间已到，则判断次状态装入相应数据，然后进入下一状态。4.2理论基础知识4.2.1定时器原理定时器工作的基本原理其实就是给初值，让它不断加1直至减完为模值，这个初值是送到TH和TL中的。它是以加法记数的，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，即所要求的计数值设定为C，把计数初值设定为TC 可得到如下计算通式：TC=M-C式中，M为计数器模值。计数值并不是目的，目的是时间值，设计1次的时间，即定时器计数脉冲的周期为T0，它是单片机系统主频周期的1