基于单片机的智能交通灯控制系统设计word格式.doc

1、闽南理工学院毕业设计基于单片机的智能交通灯控制系统设计摘要 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

2、置、可倒计时显示、急车强行通过、车流量检测及调整、交通异常状况判别及处理等相关功能。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。关键词：交通控制；传感检测；AT89C51/AT89S51；恒流二极管；倒计时显示BASED ON SINGLE CHIP MICROCOMPUTER INTELLIGENT TRAFFIC CONTROL SYSTEM DESIGNABSTRACT Traf

3、fic 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 con

4、trol, 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

5、. 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 manuall

6、y 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 follo

7、wing 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;sensi

8、ng detection; AT89C51/AT89S51;display and countdown目 录1 前言11.1 单片机交通控制系统的选题背景和现实意义11.2 国内外研究现状及其发展21.3 交通控制存在的问题21.4 单片机交通控制系统主要研究的内容32 单片机交通控制系统总体设计42.1 单片机交通控制系统的通行方案设计（共设计了两套模型）42.2 单片机交通控制系统的功能要求52.2.1 倒计时显示52.2.2 车流量检测及调整52.2.3紧急处理62.3 单片机交通控制系统的基本构成及原理63 系统硬件电路的设计73.1 AT89C51单片机简介73.1.1 AT89C5

9、1单片机的主要特性73.1.2 主要引脚功能83.1.3 MCS51的中断源113.2 系统硬件总电路构成113.3 系统电路其它硬件介绍123.3.1 八段LED数码管123.3.2 步进电机133.3.3 ULN2003143.3.4 车流量检测电路154 系统软件程序的设计164.1 程序主体设计功能164.2 定时器原理174.3 最终模拟仿真结果17结论19参考文献20附录21致谢32闽南理工学院毕业设计1 前言1.1 单片机交通控制系统的选题背景和现实意义英国工程师纳伊特于1868年，在伦敦某街口安装了第一台煤油驱动的红绿两色“交通信号灯”，控制交叉路口马车的通行。1914年，美国

10、的芝加哥和纽约出现了电力驱动的交通信号灯，其功能已经与现在的信号灯相差无几。到了1926年，第一个利用自动化的控制器实现信号控制的交通灯，在英国首次出现和使用，标志着城市交通进入了自动控制的阶段。 20世纪30年代，车辆感应式信号控制器在美国、英国等发达国家出现，以气动橡皮管作为检测器的主要材料。车辆感应控制器的特点是：能根据测量所得的交通流量，调整绿灯时间的长短，使绿灯时间更有效地被利用，减少车辆在交叉口的时间延误，其灵活性大大增强。在此基础上，雷达、光电、微波、环形线圈以及红外等检测器相继问世。当今在道路交通自动控制、监测、数据采集系统中，环形线圈车辆检测器应用最为广泛。在美国、日本等发达

11、国家，超声波检测器也逐步应用。 计算机技术的出现，实现了以一个城市或者更大地域的交通总体控制系统。加拿大多伦多市在1964年建立了一套由IBM650型计算机控制的交通信号协调控制系统，成为世界上首个利用计算机实现城市交通自动控制的城市，使得道路交通控制技术的发展达到了一个新的高度。 道路交通信号控制系统在其近百年的发展历程中，经历了固定配时到灵活配时，手动到自动，单点控制到干线控制，无感应控制到有感应控制，区域控制到网络控制等几个阶段。 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，因此交通控制技术的研究和发展有着非常重要的现实意

12、义。1.2 国内外研究现状及其发展 当前世界广泛使用的、最具代表性的城市道路交通信号控制系统有英国的TRANSYT与SCOOTS交通控制系统和澳大利亚的SCATS系统。目前美国的许多大学和研制机构，都在研制自适应交通信号控制系统，其中美国亚利桑那大学研制的RHODES最具代表性。 我国交通领域的发展起步比较晚，基本是从新中国建国之后，随着各方面的条件的成熟以及社会发展的要求，才建立及健全交通系统的。城市交通是一个高度综合而又复杂的问题，必须从政策，机构，体质，管理，收费价格，基础设施和投资各个方面同时入手解决。我国城市经济和社会的高速发展使得社会对交通的需求急剧增加，也对此提出了严峻的挑战。因

13、此我国城市发展的规划，建设以及运行，在广泛借鉴和吸取国外先进经验的基础上应当建立并完善适合我国国情的城市交通系统。1.3 交通控制存在的问题 随着我国经济的快速发展，汽车数量也在迅速的猛增，大中型城市的城市交通，正面临着严峻的考验，从而导致交通问题日益严重，其主要表现如下：交通事故频发，对人类生命安全造成极大威胁；交通拥堵严重，导致出行时间增加，能源消耗加大；空气污染和噪声污染程度日益加深等。日常的交通堵塞成为人们司空见惯而又不得不忍受的问题，在这种背景下，结合我国城市道路交通的实际情况，开发出真正适合我们自身特点的智能信号灯控制系统已经成为当前的主要任务。随着电子技术的发展，利用单片机技术对

14、交通灯进行智能化管理，已成为目前广泛采用的方法。国内的交通灯一般设在十字路门，主要采用红、绿、黄三种颜色作为指示灯，再加上倒计时的显示器来控制车辆的运行。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，还存在很多缺点，比如车道的车辆轮流放行时间相同且固定、没有考虑特殊车辆（如救护车、消防车）通过时的应急措施等。 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，能够实现道路的最大通行效率。1.4 单片机

15、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，本设计主要进行如下方面的研究：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，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。 二是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，大体分配各个器件

16、及模块的基本功能要求。 三是进行软硬件系统的设计，对于本系统，本人采用单片机C语言程序编写和proteus硬件模拟仿真，对单片机内部结构和工作情况做了充足的研究，了解定时器，中断以及延时原理，总体上完成了软件的编写和硬件的模拟仿真。31闽南理工学院毕业设计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（共设计了两套模型）本次设计中，共设计了两种交通模型，并可根据客观需求进行切换。交通灯模型一：图2.1（交通灯模型一）交通灯模型二： 图2.2（交通灯模型二）2.2 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

17、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。 2.2.1 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 。 2.2.2 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

18、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。 2.2.3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等，我们都必须尽量允许其

19、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。 2.3 单片机交通控制系统的基本构成及原理 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。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。图2.3 系统的总体框图闽南理工学院毕业设计 图3.1 AT89C51系列单片机的内

20、部结构示意图 3.1.2 主要引脚功能图3.2 AT89C51引脚图u VCC：电源电压u GND：接地u P0口：P0口是一组8位双向I0口。P0口即可作地址数据总线使用，又可以作为通用的I/O口使用。当CPU访问片外存储器时，P0口分时先作低8位地址总线，后作双向数据总线，此时，P0口就不能再作I/O口使用了。在访问期间激活要使用上拉电阻。u P1口：Pl 是一个带内部上拉电阻的8准位双向IO口，P1作为通用的I/O口使用。u P2 口：P2 是一个带有内部上拉电阻的8 位准双向IO 口，P2即可作为通用的I/O口使用，也可以作为片外存储器的高8位地址总线，与P0口配合，组成16位片外存储

21、器单元地址。u P3 口：P3 口是一组带有内部上拉电阻的8 位准双向I0 口。P3 口除了作为通用的I/O口使用之外，每个引脚还具有第二功能，具体分配如表3.1 3.1.3 MCS51的中断源8051有5个中断源，它们是两个外中断INT0（P3.2）和INT1（P3.3）、两个片内定时/计数器溢出中断TF0和TF1，一个是片内串行口中断TI或RI，这几个中断源由TCON和SCON两个特殊功能寄存器进行控制,其中5个中断源的程序入口地址如表3.2所示：表3.2中断源程序入口：中断源的服务程序入口地址中断源入口地址外中断00003H定时/计数器0000BH外中断10013H定时/计数器0001B

22、H串行口中断0023H3.2 系统硬件总电路构成 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3.3所示。图3.3 总体设计电路图 其中P0用于送显两片LED数码管（数码管段控制），P2.0,P2.1用于控制数码管位控制，P2.5,P2.6,P2.7用于控制红绿黄发光二极管，P3.1,P3.2,P3.3,P3.4用于电机转动控制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

23、接紧停东西时间设置键J，P1.1，P1.2接车流量检测电路，P1.0交通意外紧急按键，P1.4 接蜂鸣器。P1.5交通灯模型1,P1.6交通灯模型2,P1.7整个交通灯系统进行初始化,P1.3车辆闯红灯。3.3 系统电路其它硬件介绍 3.3.1 八段LED数码管 LED（Light Emitting Diode），发光二极管，它是一种固态的半导体器件， 可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子和空穴就会被推向量子阱，在量子阱内电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，

24、这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。 LED显示屏作为大型显示设备的一种，具有亮度高、价格低、寿命长、维护 简便等优点。LED数码管的结构简单，分为七段和八段两种形式，也有共阳和共阴之分。以八段共阳管为例，它有8个发光二极管(比七段多一个发光二极管， 用来显示sP，即点)，每个发光二极管的阴极连在一起。这样，一个LED数码管就有1根位选线和8根段选线，要想显示一个数值，就要分别对它们的高低电平来加以控制。为方便起见，本文主要讨论共阳八段LED数码显示管，其他类形的显示管与其类似。图3.4 LED数码管LED 灯的显示原理:通过同名管脚上所加电平的高低

25、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，采用共阳极连接驱动代码，代码表如下表3.3所示。下所示：图3.5步进电机原理示意图表3.4 四相双四拍脉冲驱动表ABCDN1100N+10110N+20011N+31001 3.3.3 ULN2003ULN是集成达林顿管IC，内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。它是双列16脚封装,NPN晶体管矩阵,最大驱动电压=50V,电流=500mA,输入电压=5V,适用于TTL COMS,由达林顿管组成驱动电路。ULN2003是一个非门电路，包含7个单元，但独每个单元驱动电流最大可达350mA.

26、资料的最后有引用电路，9脚可以悬空。 比如1脚输入，16脚输出，你的负载接在VCC与16脚之间，不用9脚。ULN2003的作用：ULN2003是大电流驱动阵列, 可直接驱动继电器等负载，多用于单片机等控制电路中。其具有工作电压高、电流增益高、带负载能力强、温度范围宽等特点,适应于要求高速大功率驱动的系统。 闽南理工学院毕业设计4 系统软件程序的设计4.1 程序主体设计功能模型一主要功能：u 初始化时，东西南北电机转动，分别控制各通道车辆的通行。u 初始化后，东方向红灯亮60s，南方向绿灯亮20s，西方向红灯亮20s，北方向红灯亮40s；当南方向绿灯亮20s，西方向红灯亮20s后，南西方向电机转

27、动，南方向禁止通行，红灯亮60s，西方向通道放行，绿灯亮20s。此时，东方向红灯剩40s，北方向红灯剩20s；当西方向绿灯亮20s，北方向红灯亮20s后，西北方向电机转动，西方向禁止通行，红灯亮60s，北方向通道放行，绿灯亮20s。此时，东方向红灯剩20s，南方向红灯剩40s；当北方向绿灯亮20s，东方向红灯亮20s后，北东方向电机转动，北方向禁止通行，红灯亮60s，东方向通道放行，绿灯亮20s。此时，南方向红灯剩20s，西向红灯剩20s；如此依次循环（其模型见图一）。u 当发生意外事故时，东西南北方向电机转动，禁止各通道车辆通行，当事故处理完毕后，按初始化键重新开始工作。模型二主要功能：u

28、初始化时，东西南北电机转动，分别控制各通道车辆的通行。u 初始化后，东西方向红灯亮，南北方向绿灯亮。u 延迟30s后，东西南北电机转动，分别控制各通道车辆的通行，完毕后，东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮。u 延迟30s后，东西南北电机转动，分别控制各通道车辆的通行，完毕后，南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮。如此依次循环。u 当发生意外事故时，东西南北方向电机转动，禁止各通道车辆通行，当事故处理完毕后，按初始化键重新开始工作。u 当东西方向车流量较大时，可以增加东西方向绿灯的时间或减少东西方向红灯的时间；当南北方向车流量较大时，可以增加南北方向绿灯的时间或减少南北方向红灯的时间（其模型见图2.2）。

29、4.2 定时器原理定时器的实质就是一个16位的加1计数器，对不同的脉冲源进行计数，每来一个脉冲就进行加1计数。当加满溢出时，就会向CPU发出中断请求。对其送不同的初值，就可以改变加满溢出的计数脉冲个数。因此，我们可以把计数器计满溢出的值设定为M，初值设定为TC ，则计数值C=M-TC。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12倍，设要求的时间值为T，则有C=TT0。计算通式变为：T=（MTC）T0模值和计数器工作方式有关。在方式0时M为8192；在方式1时M的值为65536；在方式2和3为256。就此可以算出各种方式的最大延时。如

30、单片机的主脉冲频率为12MHZ，经过12分频后，若采用方式最大延时只有8.129毫秒，采用方式最大延时也只有65.536毫秒。这就是为什么扫描周期为50ms的原因，若使用软件则会耽搁程序流程，显然不可行。相反，时间计时方面却不可能 只用计数器，因为显然秒钟已经超过了计数器的最大定时间，所以我们还必须采用定时器和软件相结合的办法才能解决这个问题。4.3 最终模拟仿真结果闽南理工学院毕业设计结论 交通灯控制在交通运输领域有着非常重要的作用。本文完成了基于单片机的交通灯控制系统的设计与模拟。包括通行方案的设计，系统的硬件开发、软件编程与仿真调试等。在论文完成过程中，主要做的工作有： u 确定交通系统

31、具体的通行方案，规定东西向和南北向车辆的行止状态和时间分配，以及要求其他多功能的实现。 u 以ATMEL公司的AT89C51单片机为核心进行系统硬件设计，输入包括：车流量，按键状态和违规处理；输出控制交通信号灯亮灭状态及时间，以及LED数码管倒计时显示。 u 在车流量检测系统中采用模糊控制方法，这需要知道被控对象的数学模型，进行清晰化，具体化。因此，必须实施调查确定车流量少，中，多所要求的具体数量，然后经过单片机控制器的相关算法及处理确定红绿灯亮灭时间。闽南理工学院毕业设计参考文献【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】雷丽文.微机原理与接口技术.电子工

32、业出版社，1997 【3】李鸿恩，熊国奎数字电子技术重庆大学出版社，1994 【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】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 【7】胡宴如模拟电子技术高等教育出版社，2004 【8】房小翠.单片机实用系统设计技术.国防工业出版社，1999【9】付家才.单片机控制工程实践技术.化学工业出版社，2004【10】潘新民.微型计算机控制技术.人民邮电出版社，1999【11】曹国华.单片机原理及接口技术.西安电子科技大学出版社

33、，2004【12】吴仲城.传感器的发展方向-网络化智能传感器.电子技术应用，2001【13】彭介华.电子技术课程设计指导.高等教育出版社，1997【14】胡汉才.单片机原理及接口技术.清华大学出版社，1996【15】RD.Middlebrook, Small-Signal Modeling of Pulse-Width Modulated Switched-Mode PowerConverters，Proceedings of the IEEE,1988. 闽南理工学院毕业设计附录本设计程序代码：#include #define unint unsigned int#define unchar

34、 unsigned charint redTime,greenTime,shi,ge,model_run_flag=1;unint displayflag,motorflag,soundflag=0,time1_count_1s,time1_count_3s,time2_count_1s,time2_count_100ms,i;unint trafficModel=0,changeRedTime=29,changeGreenTime=30;unchar code table=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90;unchar cod

35、e F_Rotation4=0x0c,0x18,0x12,0x06;/双向通电正转表格unchar code R_Rotation4=0x12,0x18,0x0c,0x06;/双向通电反转表格void delay(unint z);void init();void init2();void run();void run2();void display_run(unint display,unchar shi,unchar ge);void main() while(1) if(trafficModel=0) init(); while(model_run_flag) run(); else i

36、f(trafficModel=1) init2(); while(!model_run_flag) run2(); void run() if(P1_0=0) P2_5=1; P2_6=0; P2_7=0; P0=0xff; ET0=0; time2_count_1s=0; motorflag=1; while(P1_7) if(time2_count_1s=20) motorflag=0; if(P1_6=0) ET0=0; time1_count_1s=0; time2_count_1s=0; i=0; trafficModel=1; model_run_flag =0; return;

37、if(P1_7=0|P1_5=0) ET0=0; time1_count_1s=0; time2_count_1s=0; i=0; init(); return; display_run(displayflag,shi,ge); if(redTime0&greenTime=20) motorflag=0; if(P1_1=0) if(changeRedTime10&changeGreenTime5) redTime=redTime-5; changeRedTime=changeRedTime-5; else if(redTime0) greenTime=greenTime+5; changeG

38、reenTime=changeGreenTime+5; while(!P1_1) if(P1_2=0) if(changeRedTime10&changeGreenTime0) redTime=redTime+5; changeRedTime=changeRedTime+5; else if(redTime5) greenTime=greenTime-5; changeGreenTime=changeGreenTime-5; while(!P1_2) if(P1_5=0) ET0=0; time1_count_1s=0; time2_count_1s=0; i=0; trafficModel=0; model_run_flag =1; return; if(P1_7=0|P1_6=0) ET0=0; time1_count_1s=0; time2_count_1s=0; i=0; init2(); return; display_run(displayflag,shi,ge); if(redTime0&greenTime0) P2_5=1; P2_6=0; if(redTime0) if(greenTime5)P2_6=1; else P2_6=P2_6; P2_5=0; P2_7=0; if(shi=0) P0=0xff; elseP0=tableshi;