基于单片机的智能交通灯控制系统的设计研究

北京理工大学继续教育学院毕业设计(论文)北京理工大学继续教育暨现代远程教育学院 毕业设计（论文）毕业论文题目：基于单片机的智能交通灯系统设计指导教师姓名： 类别：专升本专业：电气工程及其自动化班级：1803姓名：2020年09月22日前言1.1交通灯控制系统的研究现状19世纪初期，红绿灯就作为交通运输中一个重要工具，在道路中得到了广泛的使用[1]。红绿灯的使用，大大降低了交通事故的发生概率，避免了交通堵塞情况的发生。红绿灯在1850年首先出现在英国，当时英国为了使道路的车辆和行人更有秩序，将具有红色和蓝色的信号灯悬挂在了道路旁边供行人作为通行或者禁止通行的依据[2]。这一阶段的信号灯通常是用煤油灯制成的，但是煤油灯具有一定的危险性，曾经发生爆炸并有行人因此受伤，因此这一阶段的交通信号灯没有得到快速的发展。直到进入20世纪初，随着科学技术的进一步发展，交通信号灯又重新回到了人们的视野范围。1910年，美国纽约的街头也逐渐出现了早期的红绿灯，这种红绿灯是三种颜色的圆形球体堆放在一起组成的，用于维持街道的秩序。通常，红灯表示停止，绿灯表示前进，黄灯表示红绿灯产生前的预备信号。当信号灯为红灯时，车辆和行人等都禁止通行，信号灯为绿灯的时候，车辆和行人恢复正常通行[3]。我国最早的红绿灯交通控制系统最早出现在20世纪初叶。不同的红绿灯控制系统中时间的设置是不同的，一般经济繁华地区的人流量和车流量较大，因此红绿灯时间较长；经济欠繁华地区的人流量和车流量相对较小，因此红绿灯的交替时间较短。但是传统的交通信号灯的交替时间，是安装的时候就决定好了的，使用过程中难以随着实际车流和人流量的具体情况做出改变，因此智能化程度较为低下。目前随着我国经济和技术水平的不断提升，交通灯控制系统也处于不断地发展阶段，红绿灯时间的控制通常是由自动控制系统实现[4]。传统的固定模式的红绿灯交替方式已经逐渐不适用于飞速发展的社会，人们的生活节奏不断加快，时间越来越宝贵，因此智能交通等控制系统能最大化的利用时间，缓解交通压力。因此设计出新型的、智能化的交通灯控制系统，有十分重要的作用和意义。1.2基于单片机的智能交通灯控制系统设计的意义交通灯通常在十字路口或者丁字路口设置，因为这种路口有两个方向的往来车辆和行人，需要维持一定的秩序，否则很容易造成交通拥堵，为人们的生活增添很多不方便[5]。目前常规的交通灯中红绿灯的交替时间都是固定的，安装好之后就确定了，不能根据实际情况进行调节。智能交通灯控制系统的核心控制器通常是单片机。单片机是一种用法简单、用途广泛的可编程控制器，适用于功能简单的自动控制系统。传统的交通灯控制系统实现的功能如下：红绿灯交替出现30秒或者60秒，从而使得十字路口中两个方向的行人和车辆交替通行[6]。但是随着经济的飞速发展，一些经济发达地区例如沿海地区、一线城市等的交通状况日益复杂，传统的交通灯控制系统实现的功能已经难以满足人们的需求。基于单片机的智能交通灯控制系统由于其具有智能化、功能多样化、外围电路简单、控制方便等诸多优点，逐渐进入了人们的视野[7]。本文在大量阅读了相关参考文献的基础上，设计了基于单片机AT89S51的智能交通灯控制系统，旨在提高交通灯控制系统的效率，方便人们的生产生活，为后续交通灯的控制提供相关的借鉴和指导。

智能交通灯控制系统概况2.1智能交通灯控制系统规划图2-1是智能交通灯控制系统的框图。从下面的框图中我们可以看出，智能交通灯控制系统主要由远程主系统计算机、各个十字路口的子系统计算机以及各个路口的交通信号灯构成[8]。其中，主系统计算机并不位于各个路口，而是通常设置在交通部门的中控室，完成这一个地区所有交通灯的管控工作，通过远程控制各个道路路口的子系统。路口子系统通常设置在固定的十字路口，只负责这一个路口的交通信号灯的控制[9]。远程主系统计算机远程主系统计算机路口子系统路口子系统路口子系统路口子系统路口子系统路口子系统……………A干道交通信号灯B干道交通信号灯B干道交通信号灯A干道交通信号灯A干道交通信号灯B干道交通信号灯B干道交通信号灯A干道交通信号灯图2-1智能交通灯控制系统框图2.2智能交通灯控制系统设计实现的功能智能交通灯控制的主要功能就是指挥十字路口的行人和车辆，保证行人和车辆安全通行，是交通管理中一项十分重要的内容。通常，交通灯包括红灯、绿灯、黄灯三种颜色。通常在十字路口的四个位置，都会安装有红绿灯。这一方向的行人和车辆只需要根据自己面前方向上的信号指示灯的颜色，判断是否能够通行。其中，绿灯亮，表示可以正常通行；红灯亮，表示禁止正常通行；黄灯亮，表示未通过警戒线的行人和车辆不得通行，已经通过警戒线的行人和车辆可以正常通行。智能交通灯控制系统的主要作用就是控制交通信号灯实现其经过设定时间后的自动转换，从而达到无人化指挥行人和车辆安全通行的目的[10]。基于单片机的智能交通灯控制系统主要能够实现以下几个功能：

（1）红绿灯交替变换的时间能够根据车流量和行人密度自动调节。当车流量或者行人密度超出一定阈值后，红绿灯交替变换时间变长；红绿灯交替变换前的剩余时间，通过8位数码管进行显示；

（2）红绿灯交替变换的时间中，有5秒的黄灯闪烁时间，用于车辆和行人前进和停止的预警和缓冲；

智能交通灯控制系统的硬件设计3.1AT89S51单片机简介AT89S51单片机是由美国ATMEL公司生产的低功耗单片机，具有功耗低、运行可靠、功能齐全、价格低廉、性价比高等优点，目前已经广泛应用在了功能需求简单、精度要求较低、性价比高等自动控制场合，例如交通灯控制、报警系统、水位控制系统等场合[11]。3.1.1AT89S51芯片内部结构简介如图3-1所示是AT89S51型号单片机的结构图，从该结构图中可以看出，AT89S51型号单片机主要包含中央处理器、程序地址寄存器、缓冲器、程序计数器、PC、DPTR、EPROM、ROM、通道驱动器、锁存器、定时器、中断等[12]。其中中央处理器是单片机的核心部件，负责全部数据的处理，将外围电路输入到其中的数据按照用户定义的逻辑，通过处理后输出。数据存储器是为中央处理器储备数据的模块。中央处理器直接读取数据存储器中的数据，可以大大节省读取时间，提高程序快速性和响应时间。定时器和计数器能够实现技术功能，每一个开关周期计数一次。I/O口是单片机与外部电路进行数据交换的重要途径，AT89S51型号单片机根据封装不同主要分为40管脚和44管脚。本文选用40管脚型号的单片机。中断是单片机中十分重要的一个环节，当单片机内部或者外部发出中断请求的时候，中央处理器会根据已经设定好的中断响应优先级判断是否处理。中断功能是单片机中一个十分重要的功能。图3-1AT89S51型号单片机的结构图3.1.2主要引脚功能图3-2AT89S51引脚图如图3-2所示，是AT89S51型号单片机的引脚图，该型号单片机具有40个管脚。其中VCC和GND分别表示电源和地，通常单片机的供电电压是5V的直流电压。从图中可以看出，AT89S51型号单片机的I/O引脚有40个，分为4组，分别是P0、P1、P2、P3。其中每组I/O口有八个引脚，分别是Px0.0-Px0.7。但是这四组I/O引脚并不是完全一致的，从图中可以看出，P0.0-P0.7是八个双向复用引脚，即一些引脚除去数据传输功能外，还具有其他功能，表3-1是复用的P1组I/O口引脚功能；P1.0-P1.7是8位双向I/O口，内部有上拉电阻提升其驱动能力。表3-2是复用的P3组I/O口引脚功能。表3-1具有第二功能的P1口引脚端口引脚第二功能：P1.5MOSI（用于ISP编程）P1.6MOSI（用于ISP编程）P1.7MOSI（用于ISP编程）表3-2具有第二功能的P1口引脚端口引脚第二功能：P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外中断0）P3.3/INT1（外中断1）P3.4T0（定时／计数器0外部输入）P3.5T1（定时／计数器1外部输入）P3.6/WR（外部数据存储器写选通）P3.7/RD外部数据存储器读选通）除去P0-P3四组32个管脚，AT89S51型号单片机还有另外8个管脚，分别是RST、ALE／、、·／VPP、XTAL1等，这些管脚也具有不同功能。例如9号引脚RST表示复位引脚，该引脚上出现两个周期及其以上的高电平，就会使点单片机恢复到初始状态。30号引脚ALE／能够实现地址锁存功能。3.2控制器的原理框图如图3-3是基于单片机的智能交通灯控制系统的框图，其中R表示红灯，Y表示黄灯，G表示绿灯。从图中可以看出，东西方向和南北方向的红绿灯时间都会显示在两个8位的数码管上，并且红绿灯的交替时间和车辆密度有关。通过安装车辆检测摄像头或者传感器，将这一时刻通过该路口的车辆信息传入到系统控制电路，通过编程实现红绿灯交替时间的变化。南北方向NSGYR南北方向NSGYR东西方向EWGYR系统控制电路系统控制电路紧急转换车辆检测紧急转换车辆检测图3-3控制器的系统框图如图3-4是基于单片机的智能交通灯控制系统的电路图。从图中可以看出，AT89S51型号单片机是控制系统核心单元，其中P0组I/O口接8段数码管，P3组I/O口接了控制开关。单片机中烧写的程序，用于进行时间计数和车辆检测，通过输出高低电平控制数码管和控制开关的通断，从而实现智能交通信号灯的控制。图3-4智能交通灯电路图3.3各模块控制电路基于AT89S51型号单片机的智能交通灯控制系统主要包括车辆自动检测电路、交通灯显示电路、数码管显示电路。3.3.1车辆自动检测电路车辆自动检测电路是用来判断十字路口车辆密集程度的电路，程序中的设定为：如果20秒内通过的车辆超过20辆，则判断为车多，此时红绿灯交替时间应当从20秒增加到40秒，如果20秒内通过的车辆少于20辆，则判断为车少，此时红绿灯交替时间应当保持20秒不变。如图5所示是十字路口车辆通行顺序。其中红灯和绿灯的最短时间都是20秒，最长时间是40秒。车辆的通过密度，是决定红绿灯交替时间的依据。数码管显示时间选择如下表3-3所示。南往北通行北向南通行东往西通行西往东能行图3-5十字路口车辆通行顺序表3-3显示时间选择车辆情况本次该方向通行时间下次该方向通行时间本次该方向通行时间本次该方向通行时间南往北少车，北往南少车20秒20秒40秒20秒南往北少车，北往南多车20秒40秒40秒40秒南往北多车，北往南少车20秒40秒40秒40秒南往北多车，北往南多车20秒40秒40秒40秒东往西少车，西往东少车20秒20秒40秒20秒东往西少车，西往东多车20秒40秒40秒40秒东往西多车，西往东少车20秒40秒40秒40秒东往西多车，西往东多车20秒40秒40秒40秒3.3.2交通灯显示电路交通灯显示电路用于显示红绿灯交替变换前的剩余时间，如图3-6所示是红绿灯运行状态显示。每个路口的交通灯的显示顺序依次是：红黄绿红黄绿……。其中，绿灯亮，表示可以正常通行；红灯亮，表示禁止正常通行；黄灯亮，表示未通过警戒线的行人和车辆不得通行，已经通过警戒线的行人和车辆可以正常通行。车流量大的时候红灯和绿灯的显示时间都为40秒，车流量少的时候红灯和绿灯的显示时间都为20秒，黄灯的显示时间都为5秒，不随车流量的变化而变化。红黄绿绿黄红红黄绿红黄绿绿黄红绿黄红红黄绿绿黄红红黄绿红黄绿红黄绿绿黄红红黄绿绿黄红绿黄红红黄绿红黄绿绿黄红红黄绿红黄绿绿黄红绿黄红红黄绿绿黄红红黄绿红黄绿红黄绿绿黄红红黄绿绿黄红绿黄红红黄绿图3-6交通信号灯运行状态3.3.3数码管显示电路如图3-7所示是数码管显示电路。从图中可以看出，每个方向的时间显示是通过两个8段数码管组成的，数码管的每一位都是由高电平点亮的，每一个数码管都可以显示0-9中的任意数字，因此两个数码管安装在一起就可以显示0-99中的任意数字。本次基于单片机的智能交通等系统设计中的数字主要是0-40之间，因此数码管符合本次设计需求。两组数码管通过单片机的I/O口进行控制，其中21、22管脚以及23、24管脚是片选管脚，片选管脚的高低电平决定了芯片的选择，P0.0-P0.7是位选信号，位选信号的高低电平决定了数码管中数字的显示，片选信号和位选信号相结合，最终实现选择某个数码管显示指定数字的功能。图3-7数码管连接方法

智能交通灯控制系统的软件设计4.1交通灯的软件设计流程图如图4-1所示是基于AT89S51型号单片机的交通灯控制系统软件设计流程图。首先从第一状态执行，程序首先判断在第一状态的显示时间，执行递减操作，直至减到0，从而进行下一个状态的时间显示。进入到第二状态之后，执行和第一状态中相同的递减操作，直至减到0。第三状态和第四状态也和前面两个状态相似，最终实现红绿灯等交通信号灯的交替点亮和熄灭，从而实现控制车辆和行人的通行。图4-1交通灯的软件设计流程图4.2控制器的软件设计4.2.1每秒钟的设定单片机中的延时，可以通过两种方法来实现，第一种是通过计数器硬件实现延时，这种方法通过单片机内部的定时器溢出中断实现延时，第二种是通过编写相应的软件延时程序从而实现延时。计数器硬件延时.a计数器初值计算计数器是定时器中的重要单元，如果要定时器正常工作，那么定时器中的计数器是必须要正常工作的，而计数器的正常工作离不开计数器的初值，计数器的初值往往存储在TH和TL当中。计数器通过加法进行计数，从0计数到溢出。其中溢出时候的计数器的值和计数器的位数相关，二进制数的位数决定了它能表示的数字的上限。因此，我们可以把计数器记满为零所需的计数值设定为C和计数初值设定为TC可得到如下计算通式：TC=M-C式中，M为计数器模值，该值和计数器工作方式有关。在方式0时M为213；在方式1时M的值为216；在方式2和3为28.b计算公式T=（M－TC）T计数TC＝M-C／T计数其中T计数是单片机时钟周期ＴＣＬＫ的12倍；TC为定时初值如单片机的主脉冲频率为ＴＣＬＫ12MHZ，经过12分频方式0TMAX＝213＊１微秒＝8.912毫秒方式1TMAX＝216＊１微秒＝65.536毫秒显然１秒钟已经超过了计数器的最大定时间，所以我们只有采用定时器和软件相结合的办法才能解决这个问题。4.2.21秒的方法相应程序代码（１）主程序定时器需定时50毫秒，故T0工作于方式1。其中初值：TC＝M-T／T计数＝２１６－50ms/1us=15536=3CBOHORG1000HSTART:MOVTMOD,#01H;令T0为定时器方式１MOVTH0,#3CH;装入定时器初值MOVTL0,#BOH;MOVIE,#82H;开Ｔ0中断SEBTTRO；启动Ｔ0计数器MOVRO,#14H;软件计数器赋初值LOOP:SJMP$；等待中断（２）中断服务子程序ORG00BHAJMPBRT0ORG00BHBRT0：DJNZR0，NEXTAJMPTIME;跳转到时间及信号灯显示子程序DJNZ：MOVR0，＃14H;恢复R0值MOVTH0,#3CH;重装入定时器初值MOVTL0,#BOH;MOVIE,#82HRET1END4.2.3软件延时软件延时程序如下所示：DELAY:MOVR4,#08H延时1秒子程序DE2:LCALLDELAY1DJNZR4,DE2RETDELAY1:MOVR6,#0；延时125ms子程序MOVR5,#0DE1:DJNZR5,$DJNZR6,DE1RETMOVRN，#DATA；字节数数为2，机器周期数为1

第五章总结交通灯通常在十字路口或者丁字路口设置，因为这种路口有两个方向的往来车辆和行人，需要维持一定的秩序，否则很容易造成交通拥堵，为人们的生活增添很多不方便。目前常规的交通灯中红绿灯的交替时间都是固定的，安装好之后就确定了，不能根据实际情况进行调节。随着人们的生活节奏不断加快，时间越来越宝贵，因此传统的固定模式的红绿灯交替方式已经逐渐不适用于飞速发展的社会，智能交通等控制系统能够最大化的利用时间，缓解交通压力。随着经济和技术水平的不断提升，交通灯控制系统也处于不断地发展阶段。传统的固定模式的红绿灯交替方式已经逐渐不适用于飞速发展的社会，因此设计出新型的、智能化的交通灯控制系统，有十分重要的作用和意义。基于单片机的智能交通灯控制系统由于其具有智能化、功能多样化、外围电路简单、控制方便等诸多优点，逐渐进入了人们的视野。本文在大量阅读了相关参考文献的基础上，对智能交通灯控制系统进行了详细的分析与介绍。首先介绍了背景与意义，其次介绍了智能交通灯控制系统概况，从系统规划和系统功能两部分介绍。接着介绍了智能