单片机交通灯设计

I 智能交通灯控制系统的设计 黄秋花 吉首大学物理科学与信息工程学院 湖南 吉首 416000 摘 要 本设计介绍了一种智能型交通灯控制系统的设计方法 具体描述了系统控制方 案 硬件选择及单片机程序设计 该系统由车辆检测电路 主控制器 紧急通行请 求中断 指示灯及数码管显示等组成 依据车多通行时间长及可同时通行两车道不 冲突的原则 分四种交通通行状态方案进行设计 采用压电传感器检测车辆数 在 软硬件方面对现行交通灯控制进行改进 从而动态调节各方向的通行时间 大大提 高了交通灯配时的时效性和车道组合的灵活性 关键词 压电传感器 车流量检测 AT89S51 数码管显示 智能控制 Design of Intelligent Traffic Light Control System Huang Qiuhua College of Physics Science and Information Engineering Jishou University Jishou Hunan 416000 Abstract The design introduces a way of an intelligent light control system design Detailed description of the system control program hardware selection and microcontroller programming The system consists of vehicle detection circuit the main controller interrupt request for emergency access light and digital display and other components Based vehicles pass a long time and can also access two lane no conflict of principle the four sub state program designed traffic access the number of vehicles using piezoelectric sensors detected the hardware and software for the existing traffic light control improvements that can dynamically adjustThe direction of the passage of time greatly increased the traffic light with the timeliness and the Drive when the combination of flexibility Key Words Piezoelectric sensors Flow Rate of Vehicles detection AT89S51 Digital display Intelligent Control II 目录 第一章第一章 绪绪 论论 1 第二章第二章 系统设计方案系统设计方案 2 2 1 系统设计控制要求 2 2 2 系统方案分析与实现 3 第三章第三章 系统总体组成结构系统总体组成结构 4 3 1 系统总体描述及总体组成方框图 4 3 2 单片机概述 4 3 3 传感器选择 8 3 3 1 压电晶片的连接方式 8 3 3 2 压电式传感器的测量电路 8 3 3 3 电压放大器 阻抗变换器 9 3 4 LED 数码管的结构与原理 9 第四章第四章 系统硬件设计系统硬件设计 11 4 1 智能交通灯控制系统总电路原理图 11 4 2 交通灯的主体部分电路设计原理 12 4 3 车辆检测电路原理及实现 12 4 3 1 车流量检测工作原理方框图 12 4 3 2 传感器铺设 13 4 3 3 AD 转换器 13 4 4 车辆通行及人行通行情况指示及实现 16 4 5 紧急情况处理功能及实现 16 4 6 倒计时显示功能及实现 16 第五章第五章 系统软件设计系统软件设计 17 5 1 软件设计思路 17 5 2 软件设计程序流程图及程序 19 第六章第六章 系统功能说明与测试系统功能说明与测试 22 6 1 系统功能说明 22 6 2 状态灯显示测试 22 第七章第七章 结束语结束语 23 参考文献参考文献 24 附录附录 25 智能交通灯控制系统的设计 绪论 1 第一章 绪 论 随着社会经济的发展 人口 车辆数量不断增长 但是有限的可用土地以及经 济要素的制约却使得城市道路扩建有限 因此不可避免的带来一系列的交通问题 当今世界各地的大中小城市无不存在着交通问题 交通拥堵使得人们每天将大量的 宝贵时间消耗在路上 车中 同时也导致商业车辆在交通运输中的延误 增加了运 输成本 交通事故率也在不断地上升 每年都会带来巨大的人员伤亡和经济损失 据美国有关部门预测 到 2020 年 美国因交通事故 造成的经济损失将会超过 1500 亿美元 而日本东京目前因交通拥堵每年造成的经济损失为 1230 亿美元 为 解决日益严重的交通问题 各国政府采取各种措施 如对汽车加以重税以限制汽车 的数量 实施交通管制来加强管理 但是在做过各种尝试 花费了巨大的管理成本 之后 交通状况依然难有根本改观 人们逐渐认识到 交通系统是一个复杂的综合 性系统 单独从道路或者车辆的角度来考虑 都将很难解决交通问题 必须把车辆 和道路综合起来 考虑如何在有限的道路资源条件下 提高道路资源的利用率 这 才是解决问题的关键 同时自 20 世纪后期以来信息技术的迅猛发展和广泛应用也 给以上解决思路提供了有效的技术手段支持 在这样的背景下 智能交通的概念应 用而生 并成为研究应用的热点 智能交通系统是指将先进的信息技术 自动控制技术 计算机技术以及传感器 技术等有机地运用于整个交通控制中而建立的一种控制系统除了通过修路改善交通 外 对交通信号灯的控制已成为现代城市交通监控指挥系统中重要的组成部分和技术 手段 现在交通灯一般设在十字路口 在醒目位置用红 绿 黄三种颜色的指示灯 加上一个倒计时的显示计时器来控制行车 对于一般情况下的安全行车 车辆分流 发挥着作用 传统的交通信号灯控制方法往往是以路口的状态 按丁字 十字与多路 口分时段进行红绿黄灯控制各路口依次通行 往往存在车多的路口绿灯通行时间短 无车或少车的路口却亮着绿灯 而且哪个路口在何时间段车多又比较随机 对交通信 号灯的控制不好人为预设定 没有考虑通过时 两车道应采取的措施 譬如 有消防 车通过执行紧急任务时 两车道的车都应停止 让紧急车 为克服这种少车路口绿 灯时无车通行或多车路口绿灯通行时间短而堵车等资源浪费的现象 出现了智能交通 灯控制系统 同时也解决了紧急车通行 目前的智能交通灯控制系统有以红外感应 车流量的 有按预定时间段改变通行时间的 有以电视监控信息来干预的等多种方 法与手段 各有特点 本设计是一个以车流量为核心且考虑紧急车通行情况的十字路 口智能交通灯控制系统 通过使用压电传感器检测车流量 中断控制紧急车辆通行 从而实现了十字路口交通灯的智能控制 智能交通灯控制系统的设计 系统设计方案 2 第二章 系统设计方案 目前设计交通灯的方案有很多 有应用 C P L D 实现交通信号灯控制器的 设计 有应用 P L C 实现对交通灯控制系统的设计 有应用单片机实现对交通信号灯 设计的方法 由于 A T 8 9 S 5 1 单片机自单带有 2 计数器 6 个中断源 能满足系 统的设计要求 用单片机设计不但设计简单 而且成本低 用其设计的交通灯也满 足了要求 所以本文采用单片机设计交通灯 采用 A T 8 9 S 5 1 单片机作为控制器 通行倒记时显示采用 L E D 数码管 通行指示灯采用发光二极管 L E D 显示采用 动态扫描 以节省端口数 特殊紧急车辆通行采用实时中断完成 车流量大小采用 压电传感器检测电路完成 按以上系统构架设计 单片机端口刚好满足要求 该系 统具有电路简单 设计方便 耗电较少 可靠性高等特点 2 1 系统设计控制要求 交通灯控制系统的要求是能实现 正常循环运行 急车强行控制 和 交通异 常状况处理 三种控制方式 1 正常循环运行控制正常循环运行控制 系统受一个启动开关控制 当开关启动时 系统开始工作 当启动开关断开时 所有信号灯熄灭 系统工作时 先东西绿灯亮 27s 且南北方向人行通道放行 同时 南北红灯维持 60s 黄灯亮 3 s 后亮红灯 30S 后东向北左转和西向南左转绿灯亮 27s 黄灯亮 3 s 后亮红灯 然后南北绿灯亮 27s 且东西方向人行通道放行 同时东 西红灯维持 60s 黄灯亮 3 s 后亮红灯 30S 后北向西左转和南向东左转绿灯亮 27s 黄灯亮 3 s 后亮红灯 如此循环 2 紧急车强行控制紧急车强行控制 急车强通信号受紧急开关控制 无急车时 信号灯按正常时序控制 有急车来时 将紧急开关接通 不管原来信号灯的状态如何 一律强制让急车来车方向的绿灯亮 使急车放行 直至急车通过为止 急车一过 将紧急开关断开 信号灯的状态立即转 为急车来车方向的绿灯闪亮 3 秒 随后按正常时序控制 急车强通信号同一时间只 能响应一路方向的急车 若两个方向先后来急车 则按先 后次序依次响应 若两个 方向同时来急车 则按东西 南北向依次响应 智能交通灯控制系统的设计 系统设计方案 3 3 交通异常状况处理 交通异常状况处理 当任何一方向路段传感器检测到东西 或南北 方向有车辆在 20 s 没有移动 而南北 或东西 方向交通状况正常 这时单片机将自动启动交通状况异常处理方式 强制东西方向 或南北方向 绿灯的点亮时间延长到 50 s 直至在这一方向上的传感 器不再返回对应信号 表明此路段的车辆排列长度小于 200m 2 2 系统方案分析与实现 考虑交通规则和车辆安全性 在同一时段内 仅允许其中不冲突的两车道通 行 由于本系统车道通行时间是根据待通行车辆数实时分配的 因此控制车道组合 会随之而改变 依照上述方案进行通道转换 能保证十字路口总有两车道通行 最 大限度地利用了道路资源 当然所用待通行时间都必须大于一个最小值 即行人 非机动车通行时间 且每次转换需 3 秒黄灯过渡时间 以保障交通的安全性车辆 车辆通过十字路口时有三种情况即左转 直行 右转 综合考虑车辆通行等各种情 况同时兼顾行人的通行 将实际通行状况控制为如下四种连续的情况 如图 5 所示 1 对应于东西向直行车流通行 2 对应于东西向左右转车流通行 同时为了 充分利用道路资源 允许南北向右转车流通行 3 对应于南北向直行车流通行 4 对应于南北向左右转车流通行 同时允许东西向右转车流通行 14 图 2 1 交通路口通行状态图 智能交通灯控制系统的设计 系统总体组成结构 4 第三章 系统总体组成结构 3 1 系统总体描述及总体组成方框图 智能交通灯控制系统总体设计组成如图 3 1 整套系统由五部分组成 单片机 最小系统模块 交通流量检测模块 交通信号灯模块 倒计时显示模块 紧急控制 单片机最 小系统 接口电路 紧急控制 交通流量检测 LED 倒计时 显示模块 交通灯控制 显示模块 图 3 1 控制系统硬件电路总体方框图 3 2 单片机概述 1 主要特性 与 MCS 51 单片机产品兼容 4K 字节在系统可编程 Flash 存储器 1000 次擦写周期 全静态工作 0Hz 33MHz 32 个可编程 I O 口线 2 个 16 位定时器 计数器 6 个中断源 全双工 UART 串行通道 低功耗空闲和掉电模式 掉电后中断可唤醒 智能交通灯控制系统的设计 系统总体组成结构 5 看门狗定时器 双数据指针 灵活的 ISP 编程 字或字节模式 4 0 5 5V 电压工作范围 2 内部结构 图 3 2 是单片机 AT89S51 的内部结构总框图 它可以划分为 CPU 存储器 并行口 串行口 定时 计数器和中断逻辑几个部分 CPU 由运算器和控制逻辑构成 其中包括若干特殊功能寄存器 SFR AT89S51 时钟有两种方式产生 即内部方式和外部方式 如图 3 3 所示 AT89S51 在物理上有四个存储空间 片内 片外程序存储大路 片内 片外数 据存储器 片内有 256B 数据存储器 RAM 和 4KB 的程序存储器 ROM 除此 之外 还可以在片外扩展 RAM 和 ROM 并且和有 64KB 的寻址范围 AT89S51 内部有一个可编程的 全双工的串行接口 它串行收发存储在特殊 功能寄存器 SFR 的串行数据缓冲器 SBUF 中的数据 图 3 2 AT89S51 内部结构框图 智能交通灯控制系统的设计 系统总体组成结构 6 AT89S51 共有 4 个 P0 P1 P2 P3 口 8 位并行 I O 端口 共 32 个引脚 P0 口双向 I O 口 用于分时传送低 8 位地址和 8 位数据信号 P1 P2 P3 口 均为准双向 I O 口 其中 P2 口还用于传送高 8 位地址信号 P3 口每一引脚还 具有特殊功能 图 3 4 用于特殊信号的输入输出和控制信号 AT89S51 内部有两个 16 位可编程定时器 计数器 T0 T1 最大计数值为 216 1 工作方式和定时器或计数器的选择由指令来确定 中断系统允许接受 5 个独立的中断源 即两个外部中断 两个定时器 计数器 中断以及一个串行口中断 图 3 3 AT89S51 的时钟电路 图 3 4 P3 口引脚的特殊功能 智能交通灯控制系统的设计 系统总体组成结构 7 3 外部特性 引脚功能 AT89S51 芯片有 40 条引脚 双列直插式封装引脚如图 3 5 所示 Vcc 40 电源 5V Vss 20 接地 XTAL1 19 和 XTAL2 18 使用内部振荡电路时 用来接石英晶体和 电容 使用外部时钟时 用来输入时钟脉冲 P0 口 39 32 双向 I O 口 既可作地址 数据总线口用 也可作普通 I O 口用 P1 口 1 8 准双向通用 I O 口 P2 口 21 28 准双向口 既可作地址总线口输出地址高 8 位 也可作普 通 I O 口用 图 3 5 AT89S51 引脚图 P3 口 10 17 多用途口 既可作普通 I O 口 也可按每位定义的第二功 展能操作 ALE 30 地址锁存信号输出端 在访问片外丰储器时 若 ALE 为 PROG 有效高电平 则 P0 口输出地址低 8 位 可以用 ALE 信号作外部地址锁存信 号 公式 2 1 fALE 1 6fOSC 也可作系统中其它芯片的时钟源 第二功 能 PROG 是对 EPROM 编程时的编程脉冲输入端 RST VPD 9 复位信号输入端 AT89S51 接能电源后 在时钟电路作用 下 该脚上出现两个机器周期以上的高电平 使内部复位 第二功能是 VPD 即备用电源输入端 当主电源 Vcc 发生故障 降低到低电平规定值时 VPD 将为 RAM 提供备用电源 发保证存储在 RAM 中的信号不丢失 Vpp 31 内部和外部程序存储器选择线 EA 0 时访问外部 ROM EA 0000H FFFFH EA 1 时 地址 0000H 0FFFH 空间访问内部 ROM 地址 1000H FFFFH 空间访问外部 ROM 29 片外程序存储器选通信号 低电平有效 PSEN 智能交通灯控制系统的设计 系统总体组成结构 8 3 3 传感器选择 系统使用压力传感器检测通过各车道的车辆数 压力传感器的选择应使其具有 尽可能宽的工作范围 即能对在道路上行驶的各种机动车辆都敏感 经调研发现 一 般的机动车重量在 1000 kg 以上 2000 kg 以下 例如货车重量大部分在 1200 kg 左右 客车重量净重量也在 1500 kg 左右 但也存在如托车这样的重量只有 170 kg 左右的小 型机动车辆 和重量超过 10T 的特大型卡车 假设 170 kg 为最小机动车的净重 而中 华人民共和国国家体育总局统计成年男性的平均体重为 66 5 kg 成年女性的平均体 重为 56 8 kg 因此 压力传感器的敏感下限为 226 8 kg 压力传感器的另一个特性指 标是其承受压力的能力 在特大型卡车满载的压力下 压力传感器要能够正常工作 依据这两个指标选择的压力传感器可以作为本系统的车流量检测工具 10 3 3 1 压电晶片的连接方式 在实际应用中 由于单片的输出电荷很小 因此 组成压电式传感器的晶片不 止一片 常常将两片或两片以上的晶片粘结在一起 粘结的方法有两种 即并联和 串联 并联方法两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上 正电荷集中在两侧的电 极上 传感器的电容量大 输出电荷量大 时间常数也大 故这种传感器适用于测 量缓变信号及电荷量输出信号 串联方法正电荷集中于上极板 负电荷集中于下极板 传感器本身的电容量小 响应快 输出电压大 故这种传感器适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的 信号 在上述两种接法中 并联接法输出电荷大 本身电容大 时间常数大 适宜用 在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的场合 而串联接法输出电压大 本身电 容小 适宜用于以电压作输出信号 并且测量电路输入阻抗很高的场合 3 3 2 压电式传感器的测量电路 由于压电式传感器的输出电信号很微弱 通常先把传感器信号先输入到高输入 阻抗的前置放大器中 经过阻抗交换以后 方可用一般的放大检波电路再将信号输 入到指示仪表或记录器中 其中 测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大器 前置放大器的作用 一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出 二是放大 传感器输出的微弱电信号 前置放大器电路有两种形式 一是用电阻反馈的电压放大器 其输出电压与输 智能交通灯控制系统的设计 系统总体组成结构 9 入电压 即传感器的输出 成正比 另一种是用带电容板反馈的电荷放大器 其输出 电压与输入电荷成正比 由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大 几乎可 以忽略不计 故而电荷放大器应用日益广泛 3 3 3 电压放大器 阻抗变换器 图 3 6 压电传感器接放大器的等效电路 a 放大电路 b 等效电路 压电式传感器的应用 图 3 7 压电式单向测力传感器的结构图 如图是压电式单向测力传感器的结构图 主要由石英晶体 绝缘套 电极 上 盖及基座等组成 传感器上盖为传力元件 它的外缘壁厚为 0 1 0 5mm 外力作用使它产生弹 性变形 将力传递到石英晶片上 石英晶片采用 XY 切型 利用其纵向压电效用 通过 du 纵向压电系数 实现力 电转换 3 4 LED 数码管的结构与原理 1 结构种类 七段 LED 数码管系发光器件的一种 常用的 LED 发光器件有两类 数码管和 点阵 数码管内部由七个条形发光二极管和一个小圆点发光二极管组成 根据各管 的亮暗组合成字符 常见数码管有 10 根管脚 管脚排列如下图所示 智能交通灯控制系统的设计 系统总体组成结构 10 图 3 8 七段 LED 数码管管脚排列图 其中 COM 为公共端 根据内部发光二极管的接线形式可分为共阴极和共阳极 两种 使用时 共阴极数码管公共端接地 共阳极数码管公共端接电源 每段发光 二极管需 5 10mA 的驱动电流才能正常发光 一般需加限流电阻控制电流的大小 这种数码管的每个线段都是一个发光二极管 因此也称 LED 数码管或 LED 七段显 示器 共阳数码管 c 在应用时应将公共极 COM 接到 5V 当某一字段发光二极 管的阴极为低电平时 相应字段就点亮 当某一字段的阴极为高电平时 相应字段 就不亮 共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极 COM 的 数码管 共阴数码管在应用时应将公共极 COM 接到地线 GND 上 当某一字段发 光二极管的阳极为高电平时 相应字段就点亮 当某一字段的阳极为低电平时 相 应字段就不亮 2 七段数码管为共阴极接法 段码采用同相驱动 输入端加高电平 选中的 数码管亮 七段数码管的字型代码表如下页表 表 3 1 七段 LED 数码管字型代码表 智能交通灯控制系统的设计 系统总体组成结构 II 智能交通灯控制系统的设计 系统硬件设计 12 第四章 系统硬件设计 4 1 智能交通灯控制系统总电路原理图 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0 0 AD0 39 P0 1 AD1 38 P0 2 AD2 37 P0 3 AD3 36 P0 4 AD4 35 P0 5 AD5 34 P0 6 AD6 33 P0 7 AD7 32 P1 0 T2 1 P1 1 T2EX 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 5 T1 15 P2 7 A15 28 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 U1 AT89S51 2 3 4 5 6 7 8 9 1 RP1 RESPACK 8 P2 0 P2 7 P2 6 P2 5 P2 4 P2 3 P2 2 P2 1 P1 0 P1 1 P1 2 P1 3 P1 4 P1 5 X1 CRYSTAL C1 1uF R1 10k C2 30p C3 30p R2 10k D25LED RED R3 10k D1 LED GREEN D2 LED GREEN D3 LED GREEN D4 LED GREEN D5 LED RED D6 LED RED D7 LED RED D8 LED RED D9 LED YELLOW D10 LED YELLOW D11 LED YELLOW D12 LED YELLOW D13 LED GREEN D14 LED RED D15 LED YELLOW D16 LED GREEN D17 LED GREEN D18 LED GREEN D19 LED RED D20 LED RED D21 LED RED D22 LED YELLOW D23 LED YELLOW D24 LED YELLOW P2 0 P2 2 P2 1 P2 5 P2 3 P2 4 P0 0 P0 2 P0 3 P0 1 P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 P1 0 P1 2 P1 1 P1 4 P1 5 P1 3 P1 4 P1 5 P1 3 P2 4 P2 5 P2 3 P2 1 P2 2 P2 0 P1 0 P1 2 P1 1 P0 1 P0 2 P0 3 P0 1 P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 T0 0 T0 2 T0 3 T0 1 T0 4 T0 5 T0 6 T0 7 T0 0 T0 2 T0 3 T0 1 T0 4 T0 5 T0 6 T0 7 北北 南南 西西 东东 东东南南左左转转 南南西西左左转转 西西北北左左转转 北北东东左左转转 P1 6 P1 7 P1 7 P1 6 P2 7 P2 6 P1 7 P1 6 P2 7 P2 6 D0 34 D1 33 D2 32 D3 31 D4 30 D5 29 D6 28 D7 27 RD 5 WR 36 A0 9 A1 8 RESET 35 CS 6 PA0 4 PA1 3 PA2 2 PA3 1 PA4 40 PA5 39 PA6 38 PA7 37 PB0 18 PB1 19 PB2 20 PB3 21 PB4 22 PB5 23 PB6 24 PB7 25 PC0 14 PC1 15 PC2 16 PC3 17 PC4 13 PC5 12 PC6 11 PC7 10 U2 8255A P0 7 P0 5 P0 4 P0 3 P0 1 P0 2 P0 O P0 6 T0 7 T0 5 T0 4 T0 3 T0 1 T0 2 T0 O T0 6 P3 7 P3 7 P3 6 P3 6 车车流流量量控控制制标标志志灯灯 东东西西紧紧急急车车手手动动开开关关 模模拟拟开开关关 R5 10k C4 33p 南南北北方方向向紧紧急急车车手手动动开开关关 图 4 1 总电路原理图 智能交通灯控制系统的设计 系统硬件设计 13 4 2 交通灯的主体部分电路设计原理 本系统控制的是一个实际的普通十字路口交通灯 由东西向和南北向两条道路组 成 每个方向都有三个车道 即直行车道 左转弯车道和右转弯车道 每个路口均设有 红 黄 绿色直行和红 黄 绿色转弯方向灯 选用设备 AT89S51 单片机一片 一片 8255 接口芯片 两位七段数码管四个 红 黄 绿交通灯 24 个 按键开关 连 线若干 主控制器采用 AT89S51 它是美国 ATMEL 公司生产的低功耗 高性能的 CMOS 8 位单片机 片内含 4k bytes 可编程 Flash 只读程序存储器 该存储器件采 用 ATMEL 公司的高密度 非易失性存储技术生产 同时兼容标准的 8051 指令系 统 它的 Flash 程序存储器既可用在线编程 ISP 也可用传统的方法进行编程 总之 AT89S51 单片机能为我们提供许多性价比高的应用场合 能灵活应用于各 种控制领域 AT89S51 单片机的 P1 口和 P2 口 用于控制南北和东西方向及各方 向左转的通行灯 P0 口用于对 LED 记时器的控制 T1 作为东西方向和南北方向 车流量的控制 INT0 和 INT1 用于东西方向和南北方向紧急转换控制 4 3 车辆检测电路原理及实现 4 3 1 车流量检测工作原理方框图 车辆数量检测 以上控制方案中最关键的参数即为每车道允许通行的配时 它 与待通行的车辆数成正比 因此检测每段时间路面待通行的车辆数是非常必要的 该智能控制系统采用压电传感器 放大器电路 模数转换芯片 可编程单片机实 现对车辆数量的检测 车辆检测电路方框图如下 图 4 2 车流量检测方框图 智能交通灯控制系统的设计 系统硬件设计 14 4 3 2 传感器铺设 本系统所选用的传感器为简单使用 低成本的压电式传感器 此传感器在受外 界压力位于 100 40000kg 时就会有模拟信号输出 称重精度为 10 及 95 的可信 度 由于交通状况问题 在十字路口的单方向上有车辆停在距十字路口 200m 埋有 传感器的路段上的时间超过一定范围 程序中设定为 50s 时 说明在这一方向上 的车流量过大 信号灯控制满足不了实际的需要 单片机对信号灯的控制将自动改 变为交通状况异常控制方式 每个方向第 1 第 2 和第 3 车道分别为右转 直行和左转车道 在每个车道的 远侧和近侧分别埋设一个压力传感器检测车流量数据 两个检测器之间为各车道的检 测区 设定这一距离为 100 m 远侧检测器执行通行车辆数加操作 近侧检测器执行减 操作 这样任意时刻检测区获得的数据即为该方向等待放行的车辆数 当某一通行 状态绿灯亮时 系统将该车道收集的数据存储 作为判断交通状态和决定下一周期通 行时间的依据 10 传感器在道路中的铺设如图 4 1 图 4 3 压电传感器铺设图 4 3 3 A D 转换器 车流量检测电路采用 ADC0809 转换器 其主要性能如下 1 ADC0809 是带有 8 位 A D 转换器 8 路多路开关以及微处理机兼容的控制 逻辑的 CMOS 组件 它是逐次逼近式A D 转换器 可以和单片机直接接口 智能交通灯控制系统的设计 系统硬件设计 15 1 ADC0809 的内部逻辑结构 图 4 4 ADC0809 的内部逻辑结构图 由上图可知 ADC0809 由一个 8 路模拟开关 一个地址锁存与译码器 一个 A D 转换器和一个三态输出锁存器组成 多路开关可选通 8 个模拟通道 允许 8 路 模拟量分时输入 共用 A D 转换器进行转换 三态输出锁器用于锁存 A D 转换完 的数字量 当 OE 端为高电平时 才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据 图 4 5 ADC0809 的引脚图 2 引脚结构 IN0 IN7 8 条模拟量输入通道 ADC0809 对输入模拟量要求 信号单极性 电压范围是 0 5V 若信号太小 必须进行放大 输入的模拟量在转换过程中应该保持不变 如若模拟量变化太快 智能交通灯控制系统的设计 系统硬件设计 16 则需在输入前增加采样保持电路 地址输入和控制线 4 条 ALE 为地址锁存允许输入线 高电平有效 当 ALE 线为高电平时 地址锁存 与译码器将 A B C 三条地址线的地址信号进行锁存 经译码后被选中的通道的 模拟量进转换器进行转换 A B 和 C 为地址输入线 用于选通 IN0 IN7 上的一 路模拟量输入 通道选择表如下表所示 表 4 1 通道选择表 CBA选择的通道 000IN0 001IN1 010IN2 011IN3 100IN4 101IN5 110IN6 111IN7 数字量输出及控制线 11 条 ST 为转换启动信号 当 ST 上跳沿时 所有内部寄存器清零 下跳沿时 开始 进行 A D 转换 在转换期间 ST 应保持低电平 EOC 为转换结束信号 当 EOC 为高电平时 表明转换结束 否则 表明正在进行 A D 转换 OE 为输出允许信号 用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据 OE 1 输出转换得到的 数据 OE 0 输出数据线呈高阻状态 D7 D0 为数字量输出线 CLK 为时钟输入信号线 因 ADC0809 的内部没有时钟电路 所需时钟信号必 须由外界提供 通常使用频率为 500KHZ VREF VREF 为参考电压输入 2 ADC0809 应用说明 1 ADC0809 内部带有输出锁存器 可以与 AT89S51 单片机直接相连 2 初始化时 使 ST 和 OE 信号全为低电平 3 送要转换的哪一通道的地址到 A B C 端口上 4 在 ST 端给出一个至少有 100ns 宽的正脉冲信号 5 是否转换完毕 我们根据 EOC 信号来判断 6 当 EOC 变为高电平时 这时给 OE 为高电平 转换的数据就输出给单片机了 4 4 车辆通行及人行通行情况指示及实现 由于右转通行不受控制 现只考虑左转 直行信号灯的控制情况 因条件不足 智能交通灯控制系统的设计 系统硬件设计 17 左转情况也只能考虑用信号灯显示 因此每一个十字路口有八组信号灯 南北方向 和东西方向各两组 四个左转方向分别一组 每组有三种信号灯 分别为红 黄 绿信号灯 每个路口的信号转换顺序为 绿 黄 红 绿灯表示允许通行 黄 灯表示禁止通行 但已经驶过安全线的车辆可以继续通行 是绿灯过渡到红灯提示 灯 红灯表示禁止通行 绿灯的最短时间为 2 0 秒 最长时间为 50 秒 红灯最短时 间为 30 秒 最长时间为 90 秒 黄灯时间为 3 秒 人行道放行与直行车通过一致 依次放行顺序南 东 西 北 按绿灯指 示方向行驶 向左和直行 人行道在南面车辆放行时 东面人行道放行 依此类推 顺 序为东 北 南 西 由数码管显示绿灯的放行剩余时间或红灯等候时间 绿灯 的放行时间初始设定值为 27 秒 时间结束后绿灯熄灭 黄灯亮三秒后红灯亮 这时 数码管的时间为红灯等候时间 4 5 紧急情况处理功能及实现 一般情况下交通灯按照车流量大小合理分配通行时间 按一定规律变化 但考 虑紧急车通行情况 设计紧急车通行开关 即如果南北方向有特殊车辆要求通过 南北方向转换为绿灯 东西方向为红灯 如果东西方向有特殊车辆要求通过 东西方 向转换为绿灯 南北方向为红灯 4 6 倒计时显示功能及实现 在每个正方向交通信号灯的正上方安装一个可以显示绿灯通行时间 红灯等待 时间的显示电路 采用数码管显示电路是一种很好的方法 由于东往西方向和西往 东方向显示的时间相同 南往北方向和北往南方向显示的时间也相同 所以只需要 考虑四位数码管显示电路 其中东西方向两位 南北方向两位 两位数码管可以显示 的时间为 0 9 9 秒完全可以满足系统的要求 智能交通灯控制系统的设计 系统软件设计 18 第五章 系统软件设计 5 1 软件设计思路 1 系统的主控制程序设计成功能模块式 由正常运行模块 紧急车强通 模块 交通异常状况处理模块组成 正常运行模块 正常情况下各个路口的各个时间段的车流量基本相等 各个 信号灯按照程序所设定的固定时间运行 当某路口的车流量发生变化 检测到路口存 在的车辆数达到设定值时 自动调用车流量信号智能处理子程序 当某个路口发生紧 急事件 人要紧急通过时 按下该路口的紧急按钮 程序自动调用紧急按钮信号子程序 执行完子程序后 主程序自动返回继续检索各种运行条件与参数的状态 正常时序控 制流程如图 启动 东西绿灯亮 27S 南北黄灯闪烁 3S东西红灯亮 60S 东西黄灯闪烁 3S南北绿灯亮 27s 南北红灯亮 60S左转绿灯亮 27s 左转红灯亮 60S 左转黄灯闪烁 3S 图 5 1 正常运行控制方式时序流程图 紧急车强通模块 系统在人行道上安装了紧急按钮 具有优先权 如在人行道上发 生了突发事件 只要按一下该方向的紧急按钮 5 秒钟后此通道不可通行 紧急事故通 过后 又恢复到正常的状态 其时序控制流程如图 智能交通灯控制系统的设计 系统软件设计 19 图 5 2 紧急车强通控制方式时序流程图 交通异常状况处理模块 程序根据在不同的时间段检测的各车道的实际车流量 数 决定通行时间的长短 也就是根据各路口的实际车流量 智能地处理各路口的通行 时间 其时序控制流程如图 图 5 3 异常情况控制方式时序流程图 智能交通灯控制系统的设计 系统软件设计 20 2 设计要求实现的功能主要包括计时功能 动态扫描以及状态的切换等几 部分 计时功能 要实现计时功能则需要使用定时器来计时 通过设置定时器的初始值来 控制溢出中断的时间间隔 再利用一个变量记录定时器溢出的次数 达到定时 1 秒 中的功能 当计时每到 1 秒钟后 东西 南北信号灯各状态的暂存剩余时间的变量 减 1 当暂存剩余时间的变量减到 0 时 切换到下一个状态 同时将下一个状态的 初始的倒计时值装载到计时变量中 开始下一个状态 如此循环重复执行 动态扫描 需要使用 8 个数码管分别显示东西 南北的倒计时数字 将暂存各状态 剩余时间的数字从变量中提取出 十位 和 个位 用动态扫描的方式在数码管中显 示 整个程序依据定时器的溢出数来计时 每计时 1S 则相应状态的剩余时间减 1 一直减到 0 时触发下一个状态的开始 3 依据上述设计方案可以得出交通信号灯显示控制状态表如下 表 5 1 交通信号灯显示控制状态表 状态持续时间东西直行西 北东 南南北直行北 东 127绿红红红红 23黄红红红红 327红绿绿红红 43红黄黄红红 527红红红绿红 63红红红黄红 727红红红红绿 83红红红红黄 5 2 软件设计程序流程图及程序 1 由于用外部中断控制紧急车辆通行 所以主程序图中无需判断紧急车按键 故交通灯主程序流程图如 5 4 智能交通灯控制系统的设计 系统软件设计 21 开始 初始化 i 1 进入状态 i 并点亮相关信号灯 开始中断计数 i 状态时间是 否到已经到 进入下一个状态 中断计数器清零 Y N 在前 20s 内车流 量按键是否按下 i 状态时间延长到 50s N Y 动态显示子程序 图 5 4 主程序流程图 智能交通灯控制系统的设计 系统软件设计 22 2 外部中断服务子程序用来控制紧急车辆转换 其中断服务程序流程图如 5 5 进入中断服务子程序 现场保护及关中断 进入紧急状态 延时 10s 现场恢复及开中断 中断返回 图 5 5 中断服务子程序 3 采用动态扫描的方法进行显示 其显示子程序流程图如 5 6 开始 判断当前状态 i 读取计时量 轮流显示 4 组显示位 子程序返回 图 5 6 动态显示子程序 智能交通灯控制系统的设计 系统功能说明与测试 23 第六章 系统功能说明与测试 6 1 系统功能说明 智能化 根据各路口车流量的大小自动调节各路口信号灯的通行时间 在传统十 字路口交通灯控制基础上 克服了传统系统的少车路口绿灯无车通行或多车路口绿灯 时间短而堵车等资源浪费的缺点 提高了通行效率 减轻路口的交通堵塞压力 人性化 系统在各个路口都设有人行通道的紧急通行按钮 能灵活地控制系统实 现实时 延时切换 并具有一定的优先权 方便紧急事故中的人通行 6 2 状态灯显示测试 将写好的汇编程序导入 kceil 软件 编译成 hex 文件 再将编译好的文件烧入控 制器中 在 protues 中运行 测试交通灯显示状态 智能交通灯控制系统的设计 结束语 24 第七章 结束语 系统就是充分利用了 8051 引脚功能来设计交通灯控制器 实现了能根据实际 车流量通过 8051 芯片的 P0 口设置红 绿灯点亮时间的功能 红绿灯循环点亮 倒 计时剩 3 秒时黄灯闪烁警示 交通灯信号通过 P1 P2 口输出 显示时间直接通过 P0 口经过 8255 接口芯片输出至双位数码管 绿灯时间可检测车流量并可通过双 位数码管显示 这种以车流量为目标的智能交通灯控制系统 突破了传统的红绿灯固 定配时模式 根据实时交通状况灵活地切换红绿灯 以提高车辆通行效率 该控制 系统只需在原系统基础上增添传感器 集成单片机等硬件 软件也容易实施 具有 一定的实际开发意义 由于使用的是单片机作为核心的控制元件 使得电路的可靠性比较高 功能也 比较强大 而且可以随时的更新系统 进行不同状态的组合 但是在设计过程中 也发现了一些问题 譬如红灯和绿灯的切换还不够迅速 红绿灯规则的效率还不是 很高等等 这需要在实践中进一步完善 通过这次毕业设计 使我得到了一次用专业知识 专业技能分析和解决问题全 面系统的锻炼 经过这么长时间的失败到成功的过程 让我更加清楚的明白单片机 的运用就是对其端口的控制 同时对外围电路的设计以及了解 让我对以前学过的 知识更加了解和认识 比如 电子技术 单片机技术 电路板设计应用与传感器的 使用以及在常用编程设计思路技巧 特别是汇编语言 的掌握方面都能向前迈了一 大步 为日后成为合格的应用型人才打下良好的基础 智能交通灯控制系统的设计 参考文献 25 参考文献 1 张淑英 传感器原理及应用 M 天津 天津大学出版社 2 张友德 赵志英 单片机微型原理 应用与实验 第五版 M 上海 复旦大学出版社 3 童诗白 华成英 模拟电子技术基础 M 北京 高等教育出版社 2000 4 阎石 数字电子技术基础 M 北京 高等教育出版社 2005 5 微型计算机原理与接口技术 第二版 M 北京 高等教育出版社 2008 6 尹宏宾 徐建闽编 道路交通控制技术 第一版 华南理工大学出版社 2000 7 蔡军 曹慧英 智能交通灯控制系统的设计和实现 J 重庆邮电学院学 报 2004 16 3 129 132 8 温志达 梁桂荣 陈碧铭 高素萍 基于车流量的智能交通灯控制系统 J 自动化技术与 应用 2009 28 6 115 118 9 黄毅 智能交通灯控制系统的设计和实现 J 科技资讯 2008 28 125 128 10 王灿 智能交通灯控制系统的设计和仿真 J 重庆工商大学学报 2009 26 1 84 87 11 周润景 基于 PROTEUS 的电路及单片机系统设计与仿真 北京航空航天大学出版社 12 何立民 MCS 51 系列单片机应用系统设计 M 西安 西安电子科技大学出版社 2006 13 孙宇尖 基于 MCS 51 单片机交通灯实时控制研究 J 科技信息 2009 15 67 68 14 程向红 基于 PLC 的交通灯控制系统的研究 J 机器与电子学报 2008 15 智能交通灯控制系统的设计 附录 26 附录 系统控制总程序 ORG 0000H 主程序的入口地址 LJMP MAIN 跳转到主程序的开始处 ORG 0003H 外部中断 0 的中断程序入口地址 ORG 000BH 定时器 0 的中断程序入口地址 LJMP T0 INT 跳转到中断服务程序处 ORG 0013H 外部中断 1 的中断程序入口地址 A BIT EQU 20H 数码管个位数存放内存位置 B BIT EQU 21H 数码管十位数存放内存位置 TEMP EQU 22H 计数器数值存放内存位置 MAIN MOV SP 50H MOV IE 8EH CPU 开中断 允许 T0 中断 T1 中断和外部中断 1 中断 MOV TMOD 51H 设置 T1 为计数方式 T0 为定时方式 且都工作于模式 1 MOV TH1 00H T1 计数器清零 MOV TL1 00H SETB TR1 启动 T1 计时器 SETB EX1 允许 INT1 中断 SETB IT1 选择边沿触发方式 MOV DPTR 0003H MOV A 80H MOVX DPTR A 给 8255 赋初值 8255 工作于方式 0 四种状态信号灯显示程序 STATE1 MOV TEMP 1EH 初始化计数器 从 30 开始 SETB P1 1 南北方向红灯亮 SETB P2 1 南北方向左转红灯亮 SETB P2 4 东西方向左转红灯亮 SETB P1 3 东西方向绿灯亮 STLOP1 ACALL DISPLAY1 调用显示子程序 DEC TEMP 对计数器减 1 MOV A TEMP CJNE A 0 STLOP1 判断计数器是否满 0 CLR P1 3 东西方向绿灯灭 ACALL SHAN1 调用东西方向黄灯闪烁程序 SETB P1 4 东西方向红灯亮 STATE2 MOV TEMP 1EH 初始化计数器 从 30 开始 SETB P2 3 东西方向左转绿灯亮 STLOP2 ACALL DISPLAY1 调用显示子程序 DEC TEMP 对计数器减 1 MOV A TEMP CJNE A 0 STLOP2 判断计数器是否满 0 CLR P2 3 东西方向左转绿灯灭 ACALL SHAN2 调用东西方向左转黄灯闪烁程序 智能交通灯控制系统的设计 附录 27 SETB P2 4 东西方向左转红灯亮 STATE3 MOV TEMP 1EH 初始化计数器 从 30 开始 SETB P1 0 南北方向绿灯亮 STLOP3 ACALL DISPLAY2 调用显示子程序 DEC TEMP 对计数器减 1 MOV A TEMP CJNE A 0 STLOP3 判断计数器是否满 0 CLR P1 0 南北方向绿灯灭 ACALL SHAN3 调用南北方向黄灯闪烁程序 SETB P1 1 南北方向红灯亮 STATE4 MOV TEMP 1EH 初始化计数器 从 30 开始 SETB P2 0 南北方向左转绿灯亮 STLOP4 ACALL DISPLAY2 调用显示子程序 DEC TEMP 对计数器减 1 MOV A TEMP CJNE A 0 STLOP4 判断计数器是否满 0 CLR P2 0 南北方向左转绿灯灭 ACALL SHAN4 调用东西方向左转黄灯闪烁程序 S