毕业设计（论文）-基于单片机的智能交通控制系统.doc

1 学学 年年 设设 计 论计 论 文 文 题目题目 基于单片机的智能交通控制系统基于单片机的智能交通控制系统 姓姓 名名 清 学学 号号 所所 在在 系系 信息与通信技术系 专业专业班班级级 08 级电子信息工程 1 班 指指导导教教师师 日日 期期 2011 年 1 月 20 日 I 学年论文 论文 任务书学年论文 论文 任务书 学 院指导教师职 称 学生姓名专业班级学 号 设计题目基于单片机的智能交通控制系统基于单片机的智能交通控制系统 设 计 内 容 目 标 和 要 求 设计内容目标和要求 设计进度等 指导教师签名 年 月 日 基层教学 单位审核 学 院 审 核 此表由指导教师填写学院审核 I 学年论文 论文 学生开题报告 课题名称基于单片机的智能交通控制系统 课题来源学校课题类型AY指导教师朱晓骏 学生姓名张孝清学 号0802094专业班级 08 电子信息工 程 1 班 一 本课题的研究现状 研究目的及意义一 本课题的研究现状 研究目的及意义 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 现代电子科学技术的发展和成熟能比较好的解决系统建立中硬软件方面要求的技术难 题 目前 交通控制方面的研究能完全实现自动智能化 甚至将整个区域整合成一个统一的 系统范围 还能根据正常时段以及特定突发时段的情况进行科学的自动调整 交通控制研究的发展 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 现在各大中城市交通建设已 初具规模 而部分小城市建设日益加快 交通控制的提高势在必行 研发交通控制技术是十 分有潜力的 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 物流及时到位 甚至是生命通道的延伸 本设计尝试模拟单个路口的交通控制 目前可以采用以单片机为核心来设计 也可以采 用EDA技术 数字集成电路等多种方案来实现 将各种方案进行比较 本课题采用以单片机 为核心的电子设计方法 充分了解控制方法以及运用相关知识加以实现 通过对本课题的研 究 我们将加深对交通控制电路的理解 为今后设计出更加精良的交通控制电路打好基础 课题类型 1 A 工程实践型 B 理论研究型 C 科研装置研制型 D 计算机软件型 E 综合应用型 2 X 真实课题 Y 模拟课题 1 2 均要填 如 AY BX 等 I 二 本课题的研究内容二 本课题的研究内容 1 分析目前交通路口的基本控制技术以及各种通行方案 并以此为基础提出自己的交 通控制的初步方案 2 确定系统交通控制的总体设计 包括十字路口具体的通行禁行方案设计以及系统应 拥有的各项功能 在这里 本设计除了有信号灯状态控制能实现基本的交通功能 还增加了 倒计时显示提示 基于实际情况 又要求了对车流量检测及自调整模拟功能 违规检测及处 理 紧急状况处理和键盘可设置等强大功能 3 进行智能传感器的硬件电路 显示电路等的设计和对各器件的选择及连接 大体分 配各个器件及模块的基本功能要求 4 进行软件系统的设计 I 三 本课题研究的实施方案 进度安排三 本课题研究的实施方案 进度安排 实施方案 本设计模拟基本的交通控制系统 硬件方面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提醒行驶者 车流量检测为单片机采集数据并进行调整 交通违规 处理和紧急处理等功能 据此 本设计系统以单片机为控制核心 连接成最小系统 由车流 量检测模块 违规检测模块 和按键设置模块等产生输入 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 在软件方面运用单片机汇编语言接受按键的输入设置并控制信号灯的基本变化 同时实 时处理各检查装置输入的数据 判断产生对信号灯的变化控制以实现交通灯的设计模拟 进度安排 第一阶段 撰写开题报告 第二阶段 着手进行方案的实施 并开始撰写论文初稿 第三阶段 在朱老师的指导下进行论文初稿的修改 第四阶段 将修改后的论文交给朱老师进行审阅 第五阶段 准备论文答辩工作 I 四 已查阅的四 已查阅的主要参考文献主要参考文献 1 张毅坤 单片微型计算机原理及应用 西安电子科技大学出版社 1998 2 余锡存 曹国华 单片机原理及接口技术 西安电子科技大学出版社 2000 3 雷丽文 等 微机原理与接口技术 电子工业出版社 1997 4 吴黎明 王桂棠 洪添胜 等 单片机原理及应用技术 科学出版社 2005 5 韩克 柳秀山 等 电子技能与 EDA 技术 暨南大学出版社 2004 6 周润景 张丽娜 基 PROTEUS 的电路及单片机系统设计与仿真 航空航天大 学出版社 2006 7 张毅坤 单片微型计算机原理及应用 西安电子科技大学出版社 1998 8 李鸿恩 熊国奎 数字电子技术 重庆大学出版社 1994 9 胡宴如 模拟电子技术 高等教育出版社 2004 10 R D Middlebrook Small Signal Modeling of Pulse Width Modulated Switched Mode PowerConverters Proceedings of the IEEE 1988 11 F DongTan R D Middlebrook A Unified Modelfor Current Programmed Converters IEEE Trans on Power Electronics 1995 I 指导教师意见 指导教师签名 年 月 日 摘 要 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 必须通过一定的科技手段加以实现 本文在对目前交通控制进行深入分析的基 础上 运用检测传感 实时调整智能化控制的实现技术 将传感器监测 实时 调整车辆通行时间的算法与单片机控制作用相结合 提出了基于单片机的交通 控制系统设计方案 8051 单片机的交通灯控制系统由 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 紧急处理 时间模式手动设置等模块组成 系 统除基本交通灯功能外 还具有通行时间手动设置 可倒计时显示 急车强行 II 通过 车流量检测及调整等相关功能 理论证明该系统能够简单 经济 有效 地疏导交通 提高交通路口的通行能力 本设计主要做了如下几方面的工作 一是确定系统交通控制的总体设计 包括 十字路口具体的通行禁行方案设计以及系统应拥有的各项功能 二是进 行传感器的硬件电路 显示电路等的设计和基本功能要求 三是进行软件系统 的设计 四是进行论文的撰写 关键词 关键词 交通灯 交通控制 传感检测 8051 倒计时显示 III Abstract Traffic 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 which combines 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 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 Three is software system design Key Words traffic light traffic control sensing detection 8051 display IV 目目 录录 摘要 I Abstract II 目录 III 1 绪论 1 1 1 单片机交通控制系统的选题背景 1 1 2 单片机交通控制系统选题的现实意义 1 1 3 主要研究内容2 1 3 1 国内外交通控制技术的发展 2 1 3 2 智能交通系统 4 1 3 3 交通控制存在的问题8 1 4 单片机交通控制系统主要研究的内容 8 2 单片机交通控制系统总体设计 10 2 1 单片机交通控制系统的通行方案设计 10 2 2 单片机交通控制系统的功能要求 11 2 3 单片机交通控制系统的基本构成及原理 13 3 系统硬件电路的设计 14 3 1 系统硬件总电路构成及原理 14 3 1 1 系统硬件电路构成 14 3 1 2 系统工作原理 15 3 2 AT89S51 单片机简介 15 3 2 1 单片机的概述 15 3 2 2 AT89S51 芯片内部结构简介 16 3 2 3 主要引脚功能 18 3 2 4 AT89S51 芯片最小系统 20 3 3 其它硬件介绍及连接 21 3 3 1 车流量检测电路及模拟 21 3 3 2 违规检测电路及模拟 24 3 3 3 八段 LED 数码管 25 3 3 4 其它器件 27 V 4 系统软件程序的设计 31 4 1 程序主体设计流程 31 4 2 理论基础知识 33 4 2 1 定时器原理 33 4 2 2 软件延时原理 33 4 2 3 中断原理 34 4 2 4 消抖动程序 34 结论 35 致谢 36 参考文献 37 附录一附录一 总电路图总电路图38 附录二附录二 英文文献资料及翻译英文文献资料及翻译 39 1 1 1 绪论绪论 1 11 1 单片机交通控制系统的选题单片机交通控制系统的选题背景背景 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 人们的出行都无时无刻不与交通打着交道 随着我国经济的高速发展 人 们对私家车 公交车的需求越来越大 相应地 我国进入 WTO 以后 我国经 济贸易与世界接轨 汽车业关税大大降低 使很多人都能负担得起 买私家车 不再是梦想 但是 私家车 公交车的大增无疑会对我国交通系统带来沉重的 压力 放眼现在的中国 如广州 香港 上海等大都市 无不受到交通堵塞的 困扰 中国要发展 交通事业决不能停步不前 有及于此 我国交通管制系统 应当以人性化 智能化为目的 作出相应的改善 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 1 21 2 单片机交通控制系统选题的现实意义单片机交通控制系统选题的现实意义 近几年来随着机动车辆发展迅速 给城市交通带来巨大压力 城市道路建 设由于历史等各种原因相对滞后 特别是街道个十字路口 更是成为交通网中 通行能力的 隘口 和交通事故的 多发源 为保证交通安全 防止交通阻塞 使城市交通井然有序 交通信号灯在大多数城市得到了广泛应用 传统的交通 信号灯控制一般采用电子线路和继电气控制 结构复杂 可靠性低 故障率高 因此研究单片机技术 设计新型的交通灯控制系统 对缓解交通阻塞 提高畅 通率具有十分现实的意义 随着计算机技术的发展和控制系统中的广泛应用 以及设备小型化 智能化 的发展 作为高新技术之一的单片机以其体积小 功能强 价格低 使用灵活 等特点 显示出很强的生命力 可以认为 单片机技术已经成为现代电子技术 的十分重要的技术之一 可以使设计的电子产品更具智能化和先进性 进入 21 世纪以来 开发推出单片机的公司很多 各种高性能单片机芯片市场也异常活 跃 新技术的不断采用 更加使单片机的种类 性能以及应用领域不断扩大和 提高 2 城市道路交通自动控制系统的发展是以城市交通信号控制技术为前导 与 汽车工业并行发展的 在其各个发展阶段 由于交通的各种矛盾不断出现 人 们总是尽可能地把各个历史阶段当时的最新科技成果应用到交通自动控制中来 从而促进了交通自动控制技术的不断发展 交通控制研究的发展 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 31 3 主要研究内容主要研究内容 1 3 1 国内外交通控制技术的发展 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 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 在西方发达国家 交通控制系统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 而在我国 智能交通系统则刚刚处于起步阶段 对 于传统的交通控制系统而言 对红绿灯一般采用定时控制 无法对实际的交通 流进行识别优化 以至于不能适应交通量的不确定性和随机性的原因 往往造 成交通资源的浪费和道路的梗阻 而智能交通控制系统则在不产生大的硬件改 3 动的情况下有效的提高效率 ITS Intelligent Transport systems 这一国际性术语于1994年被正式认定 在此之前 美国称这类技术或相关研究项目为 智能车辆道路系统 IVHS Intelligent Vehicle Highway System 日本将这类技术称为UTMS VICS等 欧 盟则称之为 道路交通信息技术 RTI 国际标准化组织 ISO 为ITS设立的专项 叫ISO TC 204 使用的术语是 1rICS 交通运输信息与控制系统 智能交通系统强调的是系统性 信息交流的交互性以及服务的广泛性 其 核心技术是电子技术 信息技术 通信技术 交通工程和系统工程 智能交通 系统ITS是在较完善的道路设施基础上 将先进的电子技术 信息技术 传感器 技术和系统工程技术集成运用于地面交通管理所建立的一种实时 准确 高效 大范围 全方位发挥作用的交通运输管理系统 在国内 受客观条件的制约 ITS起步比较晚 在20世纪90年代初 我国的 相关学者开始意识到研究和开发ITS的重要性 到90年代中期 由于受到国外 ITS研发的影响 政府部门也开始重视对ITS的研究 随后 又得到中央部门和 部分地方政府的支持 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 三联集团在这方面也进行了深入研究 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 IT S 系统 Vehicle Information and Communication System 简称 VICS VIC S 是日本在智能交通 ITS 领域的一套应用产品 该系统通过 GPS 导航设备 无线数据传输 FM 广播系统 将实时路况信息和交通诱导信息即时传达给 交通出行者 从而使得交通更为高效便捷 该系统已覆盖日本全国 80 的地区 所有高速公路及主干道均能收到 VICS 信息报道 在日本 VICS系统的服务是免费的 使用者只需购买带有VICS系统的车载 导航器 便可享受VICS系统提供的无偿服务 之后的日常使用中不再需要交其 4 他的费用 VICS是日本ITS应用的一部分 交通管理者和道路管理者 道路公 团等 无偿提供交通信息 经日本道路交通信息中心集中到VICS中心 然后这 些信息再由VICS中心通过多种方法传送给驾驶员和车载装置 1 3 21 3 2 智能交通系统智能交通系统 智能交通系统 Intelligent Transport System 简称 ITS 将先进的信息技术 数据通讯传输技术 电子传感技术 电子控制技术以及计算机处理技术等有效 地集成运用于整个交通运输管理体系 而建立起的一种在大范围内 全方位发 挥作用的 实时 准确 高效的综合运输和管理系统 1 1 ITS 发展背景及动因发展背景及动因 a a 汽车发展的社会化汽车发展的社会化 工业化国家在市场经济的指导下 大都经历了经济的发展促进汽车的发展 而汽车产业的发展又刺激经济发展的过程 从而这些国家尽早实现了汽车化的 时代 汽车化社会带来的诸如交通阻塞 交通事故 能源消费和环境污染等社 会问题日趋恶化 交通阻塞造成的经济损失巨大 使道路设施十分发达的美国 日本等也不得不从以往只靠供给来满足需求的思维模式转向采取供 需两方面 共同管理的技术和方法来改善日益尖锐的交通问题 这些建立在汽车轮子上的 工业国家在探索既维护汽车化社会 又要缓解交通拥挤问题的办法中 旨在借 助现代化科技改善交通状况达到 保障安全 提高效率 改善环境 节约能源 的目的的 ITS 概念便逐步形成 b 人类环境的可续化人类环境的可续化 工业化国家在工业化 城市化发展的进程中面临着日益严重的资源短缺与 环境恶化问题 这一问题在发展中国家同样存在 20 世纪 50 年代以来 生存 与发展问题成为人类社会面临的最紧迫的任务 1972 年联合国人类环境会议上 通过了 人类环境宣言 城市化生产力发展的一个必然结果 按世界经济发展的规律 城市化水平 达到 30 以上 将出现经济的飞速发展阶段 美国 日本 英国等发达国家 在 1990 年城市化水平达到了 75 77 89 这些国家针对交通发展对资源 和环境的影响 逐步调整交通运输体系与结构 这些国家都经历了为满足车辆 发展的需求 而大力开发建设交通基础设施 如美国 1944 年规划的 7 万 km 高 5 速公路规划 经过 50 年一基本完成 但仍产生拥挤和阻塞 在大量土地 燃 油等资源占用和消耗的同时 不但交通需求没有完全满足 而且还造成汽车尾 气由于道路拥挤排放量剧增 不仅经济造成巨大损失 而且给环境带来恶劣影 响 60 70 年代以来 由于石油危机及环境恶化 工业化国家开始采取以提高 效益和节约能源为目的的交通系统管理 TSM 和交通需求管理 TDM 同时 大力发展大运量轨道及实施工交优先政策 在社会可持续化发展的目标下调整 运输结构 建立对能源均衡利用和环境保护最优化的交通运输体系 ITS 作为 综合解决交通问题 保护社会经济可持续发展和与环境相协调的新一代交通运 输系统 随着信息技术的迅速发展在发达国家孕育发展 90 年代以后 成为世 界范围内的重要发展趋势 c 信息技术智能化信息技术智能化 交通管理的科学化 现代化 一直是人们综合治理 解决交通问题而追寻 的目标 早期的交通信号控制系统装置采用了电子 传感 传输等技术实现科 学管理 随着科学技术的发展 尤其是计算机技术科学以及 GPS 信息通讯的 普及和应用 交通监视控制系统 交通诱导系统 信息采集系统等在交通管理 中发挥了很大作用 但这些技术单纯是对车辆或道路实施科学化管理 范围单 一 局限性 系统性不强 80 年代后期以来 世界范围内的冷战结束 工业化国家用于军事和国防 领域的卫星导航系统 信息采集与提供系统 计算机控制与管理系统 电子与 电子通讯技术等高新技术转向民用化 军事上的投入也大部分转移到民用技术 的开发和应用上 与此同时 包括我国在内的广大发展中国家借助和平 稳定 的国际环境加快本国的经济发展 发展中国家经济的迅速发展促进了世界范围 内产业结构发生巨大的变化 工业化国家的传统工业领域由于劳动力密集型的 产业向发展中国家集中而失去明显竞争优势 开始酝酿开辟高新技术含量的产 业市场 在这种国际环境背景下 代表一场信息革命到来的信号 引起全球的 极大关注 这就是 信息高速公路 信息技术得到飞速发展 尤其是国际信息网 络 internet 建立 加快了全球经济一体化的进程 1994 年开始 世界经济逐步 进入信息革命阶段 6 信息产业应运而生 ITS 以信息技术为先导 融其它相关技术应用到运输 智 能管理上有其广大市场 工业化国家和民营企业纷纷投入到这一新兴产业 美 国政府于 1991 年开始投资对 ITS 的开发研究 仅美国高速公路安全局 1993 年 的投资预算就达 2010 万美元 欧洲 19 个国家投资 50 亿美元到 EUREKA 项目 2 ITS 所包括的几个方面所包括的几个方面 a 交通信息采集系统 交通信息采集系统 人工输入 GPS 车载导航仪器 GPS 导航手机 车辆通行电子信息卡 CCTV 摄像机 红外雷达检测器 线圈检测器 光学检测仪 b 信息处理分析系统 信息处理分析系统 信息服务器 专家系统 GIS 应用系统 人工决策 c 信息发布系统 信息发布系统 互联网 手机 车载终端 广播 7 路侧广播 电子情报板 电话服务台 3 ITS 应用现状应用现状 智能交通系统目前世界上应用最为广泛的地区是日本 如日本的 VICS 系 统相当完毕和成熟 其次美国 欧洲等地区也普遍应用 在中国 北京 上海 等地也已广泛使用 中国 ITS 发展历程 时间 2004 11 1 1994 年我国部分学者参加了在法国巴黎召开的第一届 ITS 世界大会 为 中国 ITS 的开展揭开了序幕 1996 年交通部公路科学研究所开展了交通部重点项目 智能运输系统发 展战略研究 工作 1999 年 智能运输系统发展战略研究 一书正式出版发行 1999 年由交通部公路科学研究所牵头 全国数百名专家学者参加的 九 五 国家科技攻关重点项目 中国智能交通系统体系框架研究 工作全面展开 2001 年课题完成 通过国家科技部验收 2002 年出版 中国智能交通系统体系 框架 一书 2000 年由科技部主办 全国 ITS 协调指导小组办公室协办的第四届亚太 地区智能交通 ITS 年会在北京举行 2002 年 4 月科技部正式批复 十五 国家科技攻关 智能交通系统关键技术 开发和示范工程 重大项目正式实施 北京 上海 天津 重庆 广州 深圳 中山 济南 青岛 杭州十个城市作为首批智能交通应用示范工程的试点城市 2002 年 9 月 由中国科技部和交通部共同举办的 第二届北京国际智能 交通系统 ITS 技术研讨暨技术与产品展览会 在北京举行 2003 年 11 月 科技部马颂德副部长第一次率中国政府代表团参加在西 班牙马德里举办的第十届 ITS 世界大会 科技部联合交通部 建设部 公安部 和北京市政府联合申办 2007 年第十四届 ITS 世界大会 获得成功 标志着中国 的智能交通系统建设将在更加开放 竞争与合作并存的环境中加速发展 2004 年 10 月 科技部第一次大规模组团参加第十一届在日本名古屋举办 8 的第十一届 ITS 世界大会 中国政府展览团在 ITS 大会的首次展览 获得成功 1 3 31 3 3 交通控制交通控制存在的问题存在的问题 我国城市交通运输的现状和存在的问题 借鉴国外城市交通管理的先进经 验 强调建立城市交通管理体制的重要性 提出加强城市交通研究的交通规划 建立稳定的交通基础设施建设的资金出道 实行公交优先政策 建立先进的交 通信息系统等对策 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 完辆 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 这是我国城市哟其是大城市有机的一个重要原因 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 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 出租车以及公交的发展运营情况并不尽如人意 虽然车辆和线路长度增长 但运营速度成了瓶颈 新增的运力被运输效率低下所抵消 交通管理方面水平还欠发展 随着交通需求越来越旺盛 而我国城市中小 交通管理和交通安全的现代化设施却做得不足 在车辆 道路和交通管理系统 城市交通信号控制系统 城市交通管制中应用人工智能技术 信息 采集和信息 提供技术等方面都与发达国家有很大差距 近几年 虽然有部分城市研究和引 进一些国外先进的交通信号管理系统 但是由于交通管理设施不足等原因 我 国交通事故率居高不下 城市车流行驶速度逐年下降 目前不少城市交通运量 年年增长 但运输速度普遍下降 这都源于交通通行不佳 1 41 4 单片机交通控制系统主要研究的内容单片机交通控制系统主要研究的内容 基于整个交通控制系统的发展情况 本设计将主要进行如下方面的研究 9 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 以指挥该路口的实时通行状态 本设计主要要做如下几方面的工作 一 确定系统交通控制的总体设计 包括 十字路口具体的通行禁行方案 设计以及系统应拥有的各项功能 在这里 除了信号灯状态控制实现基本的交 通功能 还想增加倒计时显示提示 基于实际情况 又要求对车流量检测及自 调整模拟功能 违规检测及处理 紧急状况处理和键盘可设置等强大功能 二 进行智能传感器的硬件电路 显示电路等的设计对各器件的选择及连 接 大体分配进行软件系统的设计 对于本系统 将采用单片机汇编语言编写 还要对单片机内部结构和工作情况进行研究 了解定时器 中断以及延时原理 三 进行软件系统的设计 对于本系统 本人将采用单片机汇编语言编写 对单片机内部结构和工作情况进行研究 了解定时器 中断以及延时原理 四 我将考虑如何借助太阳能板对交通灯进行充电 这样既节能 又环保 五 还需要考虑到工艺问题 交通灯是户外物品 日晒风吹雨淋 需要提 高 防水防晒能力 六 无线网络技术在交通信号控制系统中的应用 目前 从交通指挥控制 中心对路口多台交通信号控制机进行控制已成为发展趋势 而有一些还未铺设 光缆的路口则考虑应用无线通讯的方式进行联网控制 10 2 单片机交通控制系统总体设计单片机交通控制系统总体设计 2 12 1 单片机交通控制系统的通行方案设计单片机交通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 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 6 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 东西方向红灯灭 同时绿灯亮 南北方向黄灯灭 同时红灯亮 倒计时 20 秒 此状态下 东西向禁止通行 南北向允许通行 东西方向绿灯灭 同时黄灯亮 南北方向红灯亮 倒计时 2 秒 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 南北方向红灯灭 同时绿灯亮 东西方向黄灯灭 同时红灯亮 倒计时 20 秒 11 此状态下 东西向允许通行 南北向禁止通行 南北方向绿灯灭 同时黄灯亮 东西方向红灯亮 倒计时 2 秒 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 下面我们可以用图表表示灯状态和行止状态的关系如下 表表 2 12 1 交通状态及红绿灯状态交通状态及红绿灯状态 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 22 2 单片机交通控制系统的功能要求单片机交通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 车流量检测及调整 交通违规处理和紧急处 理等功能 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 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 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 12 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 如红外线检测器 地磁检 测器 机械压电检测器 磁频检测器 波频检测器 视频检测器等 一般车流 量检测器采用传感器 单片机 外围器件来实现 而且 目前国内使用的红绿 灯都是固定的红绿灯时间 并自动切换 红灯时间和绿灯时间 是根据道口东 西向和南北向的车流量 利用统计方法确定的 交通警察不断观察十字路口的 两个方向 根据车辆密度和流速决定是否切换红绿灯 以保证最佳的道路交通 控制状态 3 时间手动设置 系统除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 并在紧急状况下 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 I 0 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 I 0 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 I 0 口足够 可直接采用独立式 4 紧急处理 交通路口出现紧急状况在所难免 如特大事件发生 救护车等急行车通过 我们都必须尽量允许其畅通无阻 毕竟在这种情况下是分秒必争的 时时刻刻 关系着公共财产安全 个人生死攸关等 由此在交通控制中增设禁停按键 就 可达到想此目的 5 违规检测 交通规则必须人人遵守 但是违反规则 如闯红灯等 也时有发生 交警 等交通管理人员虽然可以进行实时监管 但是耗费精力 在路口设置检测传感 器就可以进行自动的警报提示 2 32 3 单片机交通控制系统的单片机交通控制系统的基本构成及原理基本构成及原理 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 13 本上可以指挥交通的具体通行 当然 接入 LED 数码管就可以显示倒计时以提 醒行驶者 更具人性化 本系统在此基础上 加入了违规检测电路和车流量检 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 蜂鸣器 按键控制 红黄绿信号灯 车流量检测电路 最小系统外围接口 电路 8 段 LED 数码管显示 图 2 2 系统的总体框图 据此 本设计系统以单片机为控制核心 连接成最小系统 由车流量检测 模块 违规检测模块 和按键设置模块等产生输入 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 系统的总体框图如上所示 键盘设置模块对系统输入模式选择及具体通行时间设置的信号 系统进入 正常工作状态 执行交通灯状态显示控制 同时将时间数据倒计时输入到 LED 数码管上实时显示 在此过程中还要实时捕捉违规检测和紧急按键信号 以达 到对异常状态进行实时控制的目的 急停按键和违规检测随时调用中断 在模式选择上 若为自动模式 将不断调用车流量检测模块对车流量进行 检测统计 到达一定时间将修正通行时间满足不同路况的需要 14 3 3 系统硬件电路的设计系统硬件电路的设计 3 13 1 系统硬件总电路构成及原理系统硬件总电路构成及原理 实现本设计要求的具体功能 可以选用 AT89S51 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 光敏传感器捕获违规信号 若干按键组成时间设置和模式选择按钮和紧急按钮 等 以及用 1 个蜂鸣器进行报警 3 1 13 1 1 系统硬件电路构成系统硬件电路构成 本系统以单片机为核心 组成一个集车流量采集 处理 自动控制为一身 的闭环控制系统 系统硬件电路由车流量检测电路 单片机 违规检测电路 状态灯 LED 显示 按键 蜂鸣器组成 其具体的硬件电路总图如图 3 1 所示 E A V P 31 X 1 19 X 2 18 R ES ET 9 R D 17 W R 16 IN T 0 12 IN T 1 13 T 0 14 T 1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSE N 29 A LE P 30 T XD 11 R XD 10 8051 C RY ST A L 11 0592M HZ C 1 C 2 220v交交交交交交 0 22 f0 1 f 交交C5 1 2 3 4 D 1 V in 1 GND 2 V out 3 L M7805 5v 21 6v G Y R Y G R R G Y Y G R 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp 9 G ND a bf c g d e dp A MB E RC C 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp 9 G ND a bf c g d e dp A MB E RC C 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp 9 G ND a bf c g d e dp D S A MB E RC C 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp 9 G ND a bf c g d e dp D S A MB E RC C 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp 9 G ND a bf c g d e dp D S A MB E RC C 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp 9 G ND a bf c g d e dp D S A MB E RC C 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp 9 G ND a bf c g d e dp D S A MB E RC C 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp 9 G ND a bf c g d e dp D S A MB E RC C vcc vcc A 1104 交交交交交交交交交交交交 vcc vcc J F S R 2R 3 R 4 R 5 交交交交 vcc R 8 1K V CC R 9 A 7 B 1 C 2 D 6 L T 3 B I R BO 4 R BI 5 a 13 b 12 c 11 d 10 e 9 f 15 g 14 U 7448 vcc A 1104 交交交交交交交交交交交交 vcc 0 3K 0 3K 0 3K 0 3K 0 3K 0 3K 0 3K0 3K0 3K 0 3K0 3K0 3K p10 p11 p12 p13 p14 p15 p10 p11 p12 p13p14p15 p10 p11 p12 p13p14p15 vccvccvcc vcc vcc vcc vccvccvcc P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27 P20P21 P22P23 P24P25 P26P27 vcc R 1 C 3 vcc vccvcc vcc 图 3 1 总体设计电路图 其中 P0 P2 用于送显两片 LED 数码管 P1 用于控制红绿黄发光二极管 XTAL1 和 XTAL2 接入晶振时钟电路 RESET 引脚接上复位电路 P3 3 即 INT1 接违规检测电路和 P3 2 即 INT0 接紧停 东西时间设置键 J P0 6 P0 7 接车流量检测电路 P3 6 接南北时间设置键 S P3 7 接自动模式选择 返回键 15 F P3 4 接蜂鸣器 3 1 23 1 2 系统工作原理系统工作原理 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 23 2 AT89S51AT89S51 单片机简介单片机简介 3 2 13 2 1 单片机的概述单片机的概述 单片微型计算机简称单片机 又称微控制器 嵌入式微控制器等 属于第四 代电子计算机 它把中央处理器 存储器 输入 输出接口电路以及定时器 计数 器集成在一块芯片上 从而具有体积小 功耗低 价格低廉 抗干扰能力强且可 靠性高等特点 因此 适合应用于工业过程控制 智能仪器仪表和测控系统的前 端装置 正是由于这一原因 国际上逐渐采用微控制器 MCU 代替单片微型计算 16 机 SCM 这一名称 微控制器 更能反映单片机的本质 但是由于单片机这个名称 已经为国内大多数人所接受 所以仍沿用 单片机 这一名称 单片机的主要特点有 1 具有优异的性能价格比 2 集成度高 体积小 可靠性高 3 控制功能强 4 低电压 低功耗 AT89S51 是美国 ATMEL 公司生产的低功耗 高性能 CMOS8 位单片机 片内含 4k bytes 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 处理器于单片机芯片中 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 2