基于单片机的LED智能交通灯系统设计

1、河南大学 2014级学生工程项目训练 一 总结学 院专 业自动化姓 名性 别男学 号班级1班项目名称基于单片机的LED智能交通灯系统设计一 绪论1.1智能交通控制系统的研究背景和意义随着经济的增长和人口的增加，人们生活方式不断变化，人们对交通的需求不断增加。城市中交通拥挤、堵塞现象日趋严重，由此造成巨大的经济与时间损失。资料显示，对日本东京268个主要交叉路口的调查估计表明：每年在交叉路口的时间延误，折成经济报失为20亿美元；而在我国北京市，当早晚交通高峰时，交叉路口处的排队长度竟达1000多米，有的阻车车队从一个交叉路口延伸到另一个交叉路口，这时一辆车为通过一交叉路口，往往需要半个小时以上，

2、时间损失相当可观。 我国是一个历史悠久、人口众多的国家，城市数量随着社会的发展不断增多。随着城市化进程的大大加快，诱发的交通需求急剧增长，供需矛盾不断激化，严重的交通问题也随之而来。人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。 基于传统交通灯控制系统设计过于死板，红绿灯交替是间过于程式化的缺点，智能交通灯控制系统的设计就更显示出了它的研究意义，它能根据道路交通拥护，交叉路口经常出现拥堵的情况。利用单片机控制技术，提出了软件和硬件设计方案，

3、能够实现道路的最大通行效率。本系统由按键、BCD数码管、LED 显示、单片机系统组成。系统包括人行道、左转、右转、直行、以及基本的交通灯的功能。系统除基本交通灯功能外，还具有倒计时、紧急情况处理、白天夜晚不同时间根据具体情况手动控制等功能。本设计是单片机控制的交通灯控制系统。单片机即单片微型计算机。由RAM，ROM，CPU构成，其集定时、计数和多种接口与一体的微控制器。它体积小、成本低、功能强，广泛的应用于只能产业和工业自动化上。而51系列单片机是各类单片机中最为典型和富有代表性的一种。本设计的意义在于通过具体控制系统的设计，掌握微机控制系统设计的一般方法和处理问题的思路，特别是一些常用的技术

4、手段。使大家能在实践教学环节中，积累设计经验，开拓思维空间，全面提高个人的综合能力。 红绿灯控制是智能交通系统的一个重要部分，本文给出了一个用单片机控制的简易交通红绿灯自动控制系统。该系统适用于十字路口，并对放行和禁行时间进行倒计时显示（秒）。区分人行和车行道，区分黑天白天，行人增多时可以在人行道增加时间，这些都可以人为操控，方便简单。1.2 国外交通控制技术研究现状及其发展智能交通系统（ITS）在日本发展于70年代，从1973年到1978年，日本成功开展了一个叫动态路径诱导系统的实验，在这个试验中车上的驾驶员可以根据车上装载的显示器显示的道路拥堵情况及诱导方向，选择自己达到目的地的最佳路线。

5、从80年代中期至90年代中期这十年间,日本先后完成了道路与车辆之间的通信系统、交通信息通信系统、超智能车辆系统、安全车辆系统、新交通管理系统等方面的研究，在此基础上，1994年1月，由日本警察厅，通产省，运输省，邮电省等四个部门联合成立了日本道路车辆交通智能化推进协会用以推动ITS在日本的发展。美国交通系统的智能化是研究最早的，始于上世纪60年代末，那时叫做电子路径导向系统（ERGS）。中间暂停了十多年，到80年代中期后以加州交通部门研究的驾驶员寻路系统获得了成功为契机，在美国全国开展了被称为智能化车辆道路系统（IVHS）的研究，在1991年成立了美国智能交通系统协会,主要宗旨是帮助和加速智能

6、交通系统在政府和民间企业的发展，从而有力的促进美国智能交通系统的研究的发展。1991年美国总统签署了综合提高陆上交通效率法案，又称冰茶法案，把开发研究智能化车辆道路系统作为国策，并给与充足的财政支持。19945年将美国IVHS改名美国ITS以表明这方面的研究开发不仅限于车辆和道路，而推广到一切交通工具和交通中所组成的智能化系统。1.3 国内研究概况目前我国的城市道路交叉口的交通信号灯虽然是自动的，但是仔细的会发现红绿灯转换是定时状态的，即转换间隔时间是固定不变的，定时式的交通灯是不和实际要求需要的，如果东西和南北方向的车流量相差很大，而交通灯是平均分配导通时间，就会出现一方面车挤一方面车松的尴

7、尬状况，就会造成城市间的道路交通拥挤局面，这就是机器自动控制不如现场人工指挥的差别。然而人工指挥劳动强度大，我们应该充分发挥计算机的作用，用计算机模拟人工智能来控制交通灯，从而提高社会效益和时间节约率。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

8、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。1.4 设计思路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。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，并基于实际情况，又增加了方向指示、黑天白天分时显示和人流量大的时候人行道多加时间这三项特特殊功能。进行倒计时显示电路，灯状态电路，特殊情况按键电路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。 进行软件系统的设计和仿真中，程序在KEIL软件

9、中用单片机c语言编写，电路的搭建和仿真实现是在proteus软件中实现的。在本次课程设计中通过对单片机内部结构和工作情况做了一定的研究，充分了解定时器，中断以及延时原理，为本次智能交通灯的设计提供了理论基础。1.5 需求分析与可行性分析国内的交通灯一般设在十字路门，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，车辆分流尚能发挥作用，但根据实际行车过程中出现的情况，还存在以下缺点：（1）两车道的车辆轮流放行时间相同且固定，在十字路口，经常一个车道为主干道，车辆较多，放行时间应该长些；另一车道为副干道，车辆较少，放行时间应该短些。（2）没有

10、考虑紧急车通过时，两车道应采取的措施，臂如，黑天白天车行道时间变化，人流量多了人行道见时间。因此需要一款智能型交通灯，来控制黑天人流量小车辆长时间等待问题，白天如上下班，学生上学方向人流量增多，人行道时间段问题。技术可行性主要考虑的是使用现有的技术，能否能在预定的时间内实现该系统的功能；所选择的技术是否先进，合理；在开发过程中存在哪些技术难点，能否克服；参与开发系统的成员所能达到的技术水平；所实现系统能否满足性能要求等。就本小组所开发的交通灯控制系统来说，本系统主要采用了LED的内在特征决定了它是最理想的光源去代替传统的光源，它有着广泛的用途。（1）体积小LED基本上是一块很小的晶片被装在环氧

11、树脂里面，所以它非常小，非常的轻。（2）耗电量低 LED耗电非常低，一般来说LED的工作电压是2-3.6V，工作电流是0.02-0.03A。这就是说：它消耗的电能不超0.1w；但是它的照明亮度是传统光源十多倍。（3）使用寿命长 在恰当的电流和电压下，LED的使用寿命可达10万小时以上。经济可行性主要包括：“成本-效益”分析和“短期-长期利益”分析。“成本-效益”是估算软件开发成本，系统交付后的运行维护成本及效益，确定系统的经济效益是否能超过各项花费。“短期-长期利益”是分析该软件的短期和长远利益，估算系统的整体经济效益是否满足要求。 本小组所开发的单片机模拟交通灯控制系统是在所有项目中相对比较

12、简单的系统之一，所运用的技术含量相对较低，实验设备也相对较少，主要运用了89c51单片机，LED发光二极管，BCD数码管设备，按键及电源灯，相对成本较低，而系统一旦开发出来，应用也比较广泛，也就是说“成本-效益”比较完美。系统可在短期内完成，相对于其他较大系统的开发来说，开发时间比较短，而应用时长久的，大部分都市的交通都不能少了交通灯的工作。因此，在“短期-长期利益”也是可行的。操作可行性主要是分析系的运行方式，操作规程在用户组织内是否可以有效，顺利实施等问题。本小组成员所开发的模拟交通灯控制系统是应用比较普遍的控制系统，在大都市繁忙的街道交通中都少不了的。因此，只要系统开发出来后，在各方面都

13、核查并调试无误后，便可以投入使用。系统操作简单方便，便于学习掌握。在操作上的可行性是相对较高的。二 硬件设计2.1 系统总框架单片机设计智能交通灯控制系统，可用单片机直接控制交通信号灯的状态变化，实现倒计时、紧急情况处理与时间调整等功能。据此，本设计系统以单片机为控制核心，连接成最小系统，由按键设置模块产生输入，信号灯状态模块、LED倒计时模块接受输出。系统的总体框图如图2-1所示。图2-1系统的总体框图单片机上电后，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。在此过程中随时通过键盘调用黑天白天键和人行道时间调节。 实现本设计要求的具体功能，

14、可以选用AT89C51单片机32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，4红灯和绿灯构成方向指示模块，两组人性横道模块，倒计时显示模块，两个按键组成黑天白天选择和人行横道选择模块。2.2 系统硬件电路构成 本系统以单片机为核心，系统硬件电路由状态灯，LED显示，按键，组成。其中P0、P1用于送显两片数码管，P1用于控制红绿黄发光二极管，P3.2为人行横道处理按键，P3.7为黑天白天选择按键。在进行仿真调试过程中，程序运行正确，三个部分就同时工作，从而实现了交通灯的基本功能及调时功能。本系统还在数码管和单片机之间加了二极管，正是利用二极管的单项导通性，可以对我们的单片机起到一定的保护

15、作用。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，可操控性强。其具体的硬件电路如下图：图2-2 硬件电路图2.3系统硬件功能本设计的交通灯以十字路口为模型，在实现基本的功能前提下增加了高低峰分时管理机制和人工干预机制。基本有四个状态，状态如下：当该系统启动时当按键K3.7按下时：S1：南北方向车辆通行，东西方向、南左转到西、北左转到东、西左转北、东左转南禁行，东西方向人行道通行、南北方向人行道禁行。S2：东西方向车辆通行，南北方向、南左转到西、北左转到东、西左转北、东左转南禁行，南北

16、方向人行道通行、东西方向人行道禁行。当该系统启动时当按键K3.7松开时：S3：南左转西、北左转东车辆通行，南北方向、东西方向、西左转北、东左转南车辆禁行，南北方向、东西方向人行道禁行。 S4：西左转北、东左转南车辆通行，南北方向、东西方向、南左转西、北左转东车辆禁行，南北方向、东西方向人行道禁行。表2-3白天状态车型显示表状态东西方向南北方向有效时间 (S)红黄绿红黄绿S110000125S2100005S300110025S40010052.4 BCD数码管发光二极管(LED)由特殊的半导体材料砷化镓、 磷砷化镓等制成，可以单独使用，也可以组装成分段式或点阵式LED显示器件(半导体显示器)。

17、 分段式显示器(LED数码管)由7条线段围成8型，每一段包含一个发光二极管。外加正向电压时二极管导通，发出清晰的光，有红、黄、绿等色。只要按规律控制各发光段的亮、灭，就可以显示各种字形或符号。 图2-4(a)是共阴式LED数码管的原理图，图2-4(b)是其表示符号。使用时，公共阴极接地，7个阳极ag由相应的BCD七段译码器来驱动(控制)，如图2-4(c)所示：图2-4 数字显示译码器LED 灯的显示原理:通过同名管脚上所加电平的高低来控制发光二极管是否点亮而显示不同的字形，如 dp，g,f,e,d,c,b,a全亮显示为8。例如，当输入8421码DCBA=0100时，应显示 ， 即要求同时点亮b

18、、c、f、g段， 熄灭a、d、e段，故译码器的输出应为FaFg=0110011，这也是一组代码，常称为段码。同理，根据组成09这10个字形的要求可以列出8421BCD七段译码器的真值表如下：表2-4 8421码转十进制数字8421码显示数字000000001100102001130100401015011060111710008100192.5 发光二级管根据本设计的特点，红绿灯的显示不可少，红绿灯的显示采用普通的发光二极管。才用共阴极连接方法。由于本系统的LED发光二极管过多，下图是部分LED发光二极管：图2-5 LED共阴极连接图2.6 按键控制 本系统设计设置了有2个键：每个按

19、键一端接地，另一端接对应的P3端口。低电平有效，当按键按下端口接地，单片机捕获到低电平，从而知道相应的输入信息。按键连接如下图：图2-6系统按键图三 软件系统设计3.1设计思路及关键技术一个完整的交通灯相当于一个简单的单片机系统，该系统有交通灯设置电路、单片机、显示电路等构成。单片机是集成的IC芯片，只需根据实际设计要求选型。其他部分都需要根据应用要求和性能指标自行设计。首先了解实际交通灯的变化规律。假设一个十字路口为东西南北走向。初始转状态S1南北绿灯通车，东西红灯。过一段时间转状态S2，南北绿灯闪几次转亮黄灯，延时几秒，东西仍然红灯。再转状态S3，东西绿灯通车，南北红灯。过一段时间转状态S

20、4，东西绿灯闪几次转亮黄灯，延时几秒，南北仍然红灯。最后循环至状态S1。当有白天晚上按键按下时，转而执行新的时间状态程序，当人流量多的时候执行中断，人行道加时间程序，程序执行完毕，跳转回来接着执行新一轮的程序。3.2 程序主体设计流程图整个软件程序方面主要分两大部分：主程序部分、中断处理程序。分别对应分别用按键选择。图3-2 主程序流程图当该系统启动时当按键K3.7按下时：S1：南北方向车辆通行30s，东西方向、南左转到西、北左转到东、西左转北、东左转南禁行，东西方向人行道通行、南北方向人行道禁行。S2：东西方向车辆通行30s，南北方向、南左转到西、北左转到东、西左转北、东左转南禁行，南北方向

21、人行道通行、东西方向人行道禁行。当该系统启动时当按键K3.7松开时：S3：南左转西、北左转东车辆通行60s，南北方向、东西方向、西左转北、东左转南车辆禁行，南北方向、东西方向人行道禁行。 S4：西左转北、东左转南车辆通行60s，南北方向、东西方向、南左转西、北左转东车辆禁行，南北方向、东西方向人行道禁行。3.3按键程序if(K1=0) i=30; else i=60; for(;i>0;i-) 3.4交通指示灯控制程序 if (i>5) P1_0=0; P1_1=0; P1_2=1; P1_3=1; P1_4=0; P1_5=0; P1_6=1; P1_7=1; P3_1=0; P

22、3_3=0; P3_4=1; P3_5=1; P3_6=0;四 调试仿真结果4.1 白天模式下的系统仿真当按键K3.7按下时，执行白天模式，红灯亮30s，绿灯亮25s，黄灯闪烁5s，仿真结果如下图：图4-1白天模式仿真图4.2 夜晚模式下的系统仿真当按键K3.7松开时，执行黑天模式，相比较白天模式下，绿灯时间延迟，避免夜间行人少，车辆等待时间长问题。黑天模式下红灯亮60s，绿灯亮55s，黄灯闪烁5s，仿真结果如下图：图4-2黑天模式仿真图4.3人流量增多模式下的系统仿真当按键K3.2按下时执行人流量增多模式，在按下该按键，为了安全问题，车行道禁止通行，先执行完人行道在先前状态下增加10s，结束

23、时候返回新一轮的状态，仿真结果如下图：图4-3 人流量增多模式仿真图参考文献l边海龙，孙永奎. 单片机开发与典型工程项目实例详解J.电子工业出版社，2008 2王为青，邱文勋. 51单片机开发案例精选J.人民邮电出版社，2001 3张鑫，华臻，陈书谦. 单片机原理及应用J.电子工业出版社，2008 4张洪润，张亚凡.单片机原理及应用J. 清华大学出版社，20055黄智伟，阳单片机课程设计指导J. 北京航空航天大学出版社，2007 6蒋辉平，周国雄. 基于Proteus的单片机系统设计与仿真实例M.机械工业出版社，2009心得体会在本次智能交通信号灯的设计中，我主要负责的是软件部分，和仿真调试。

24、主要是编写代码。本次程序的编写我用的是C语言，一是因为之前在大一有上过C语言的课，对C语言不会感到很陌生，二是学习过程中，教材也都是C语言教程。一开始我们计划仅实现普通模式下的智能交通信号灯的控制。同时我们参考了单片机自带的程序，后来经过深入学习，发现只有普通模式太过简单，所以我们就打算尝试一下能否实现黑天白天和人流量大了增加人行道时间。本次设计还存在一些问题如下： （1） 由于我主要负责软件部分，所以在后期的联合调试部分出了很多问题，主要是由于 我对硬件部分不够熟悉，这是本次实验中我主要需要改进的地方； （2） 在编写代码的过程中，我还发现了一些自身存在的问题，比如说主函数写的过长， 容易造成里面的括号丢失，代码后面不加注释，代码没有层次感，使程序看起来很乱，而且在查找问题时也不方便，还有就是对语句运用不够熟悉，容易犯一些语法错误，这一点还需要加以改进。经过两个多星期的不断努力最终做出自己预想的的结果。本学期工程实训课接近尾声，从一开始根本不了工程实训是什么，需要做什么，到确定题目，一起学习，编