基于单片机的智能交通灯控制系统的设计3Word格式.docx

基于单片机的智能交通灯控制系统的设计3Word格式.docx

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在今天，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。

但这一技术在19世纪就已出现了。

1858年，在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红，蓝两色的机械扳手式信号灯，用以指挥马车通行。

这是世界上最早的交通信号灯。

1868年，英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上，安装了世界上最早的煤气红绿灯。

它由红绿两以旋转式方形玻璃提灯组成，红色表示“停止”，绿色表示“注意”。

1869年1月2日，煤气灯爆炸，使警察受伤，遂被取消。

1914年，电气启动的红绿灯出现在美国。

这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成，安装在纽约市5号大街的一座高塔上。

红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通行”。

而中国最早的马路交通灯却是诞生于1928年的上海英租界。

从最早的手牵皮带到20世纪50年代的电气控制，

从采用计算机控制到现代化的电子定时监控，交通信号灯在科学化、自动化上不断地更新、发展和完善。

但是，随着社会的不断进步，传统的交通灯的缺陷也日益出现，其中设计过于死板，达不到道路的最大通行效率是最明显的问题，红绿灯交替变换时间过于程式化。

随着我国经济的高速发展，人们对各种交通车辆的需求量不断增大，城市的交通拥护问题日益严重，目前，大部分城市的十字路口的交通控制灯，通常的做法是：

事先经过车辆流量的调查，利用传统的方法设计好红绿灯的延时，然而，实际上的车流量是不断变化的，有的路口在不同的时间段车流量的大小甚至有很大的差异，所以说，统计的方法己不能适应迅速发展的交通现状。

1.2基于间片机的智能交通灯控制系统设计的意义

目前，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．没有考虑紧急车通过时，两车道应采取的措施，臂如，消防车执行紧急任务通过时，两车道的车都应停止，让紧急车通过。

针对道路交通拥挤，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及两点改进措施：

1、根据各道路路口车流量的大小自动调节通行时间。

2、考虑特殊车辆通行情况，设计紧急切换开关。

1.3智能交通灯控制系统设计实现的功能

智能的交通信号灯指挥着人和各种车辆的安全运行,实现红、黄、绿灯的自动指挥是城乡交通管理现代化的重要课题.在城乡街道的十字交叉路口,为了保证交通秩序和行人安全,一般在每条道路上各有一组红、黄、绿交通信号灯,其中红灯亮,表示该条道路禁止通行;

黄灯亮,表示该条道路上未过停车线的车辆停止通行,已过停车线的车辆继续通行;

绿灯亮,表示该条道路允许通行.交通灯控制电路自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换,指挥各种车辆和行人安全通行,实现十字路口城乡交通管理自动化。

第二章智能交通灯控制系统的相关设计

2.1智能交通灯的选择方案

目前设计交通灯的方案有很多，有应用CPLD设计实现交通信号灯控制器方法;

有应用PLC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。

2.3.智能交通灯的技术指标

1）设计一个十字路口的交通灯控制电路，要求南北方向和东西方向两个交叉路口的车辆交替运行，两个方向能根据车流量大小自动调节通行时间，车流量大，通行时间长，车流量小，通行时间短

2）每次绿灯变红灯时,要求黄灯先亮5S,才能变换运行车辆.

3）东西方向、南北方向车道除了有红、黄、绿灯指示外，每一种灯亮的时间都用数码管显示器进行显示（采用倒计时的方法）。

4）同步设置人行横道红、绿灯指示。

5）考虑到特殊车辆情况，设置紧急转换开头。

第三章智能交通灯控制系统的硬件设计

3.1AT89S51单片机简介

AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes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。

3.1.1AT89S51单片机的主要性能参数

与单片机产品兼容8K字节在系统可编程Flash存储器、1000次擦写周期、全静态操作：

0Hz～33Hz、三级加密程序存储器、32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器八个中断源、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、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符。

3.1.2AT89S51芯片内部结构简介

·

中央处理器：

中央处理器（CPU）是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。

数据存储器（内部RAM）：

数据存储器用于存放变化的数据。

AT89S51中数据存储器的地址空间为256个RAM单元，但其中能作为数据存储器供用户使用的仅有前面128个，后128个被专用寄存器占用。

程序存储器（内部ROM）：

程序存储器用于存放程序和固定不变的常数等。

通常采用只读存储器，且其又多种类型，在89系列单片机中全部采用闪存。

AT89S51内部配置了4KB闪存。

定时/计数器（ROM）：

定时/计数器用于实现定时和计数功能。

AT89S51共有2个16位定时/计数器。

·

并行输入输出（I/O）口：

8051共有4组8位I/O口（P0、P1、P2或P3），用于对外部数据的传输。

每个口都由1个锁存器和一个驱动器组成。

它们主要用于实现与外部设备中数据的并行输入与输出，有些I/O口还有其他功能。

全双工串行口：

A89S51内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。

时钟电路：

时钟电路的作用是产生单片机工作所需要的时钟脉冲序列。

中断系统：

中断系统的作用主要是对外部或内部的终端请求进行管理与处理。

AT89S51共有5个中断源，其中又2个外部中断源和3个内部中断源。

图一AT89S51系列单片机的内部结构示意图

3.1.3主要引脚功能

AT89S51引脚图如图二所示：

图二引脚图

VCC：

电源电压

GND：

地

P0口：

P0口是一组8位漏极开路型双向I／0口，也即地址／数据总线复用口。

作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“l”可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

P1口：

Pl是一个带内部上拉电阻的8位双向I／O口，Pl的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“l”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

Flash编程和程序校验期间，Pl接收低8位地址。

表1具有第二功能的P1口引脚

端口引脚

第二功能：

P1.5

MOSI（用于ISP编程）

P1.6

P1.7

P2口：

P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I／O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。

在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@Ri指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。

Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。

P3口：

P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I／0口。

P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对P3口写入“l”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。

作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。

P3口除了作为一般的I／0口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示：

表2具有第二功能的P1口引脚

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

/INT0（外中断0）

P3.3

/INT1（外中断1）

P3.4

T0（定时／计数器0外部输入）

P3.5

T1（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）

P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。

WDT溢出将使该引脚输出高电平，设置SFRAUXR的DISRT0位（地址8EH）可打开或关闭该功能。

DISRT0位缺省为RESET输出高电平打开状态。

ALE／

：

当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1／6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。

要注意的是：

每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

对F1ash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。

如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。

该位置位后，只有一条M0VX和M0VC指令ALE才会被激活。

此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。

程序储存允许（

）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次

有效，即输出两个脉冲。

当访问外部数据存储器，没有两次有效的

信号。

／VPP：

外部访问允许。

欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H－FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。

需注意的是：

如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。

如EA端为高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。

F1ash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程电压Vpp。

XTAL1：

振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。

3.2控制器的原理框图

按任务和要求,可画出该控制器的原理框图,为确保十字路口的交通安全，往往都采用交通灯自动控制系统来控制交通信号。

其中红灯（R）亮，表示禁止通行；

黄灯（Y）亮表示暂停；

绿灯（G）亮表示允许通行。

1）控制器的系统框图如图三所示。

图三交通灯控制器系统框图

4.1电路图

智能交通灯电路图如图3所示。

图四智能交通灯电路图

大家都明白，绿灯的放行时间与车辆通过数量不成正比。

比如说20秒内每车道可以通过20辆车，40秒内每车道却可以通过45辆车。

因为这有一个起步的问题，还有一个黄灯等待问题。

也就是说，绿灯放行时间越长，单位时间通过车辆的数量就越多。

我们来计算一下，每车道通行20秒内可以通过20辆车，一个红绿灯循环是40秒（单交叉路口），加上每次状态转换的黄灯5秒（一个循环要两次转换），即一个红绿黄灯循环要50秒，即50秒内通行的车辆为40辆。

通过一辆车的平均时间是1.25秒。

如果每次车辆通行的时间改为40秒，40秒内每车道可以通过45辆，一个红绿灯循环是80秒（单交叉路口），加上每次状态转换的黄灯5秒（一个循环要两次转换），即一个红绿黄灯循环要90秒，即90秒内通行的车辆为90辆。

通过一辆车的平均时间只需1秒。

显然在车辆拥挤的情况下绿灯的通行时间越长，单位时间内通行的车辆越多，可以有效缓解车辆拥堵问题。

当然绿灯时间也不可能无限长，要考虑到让另一路口的等待时间不能过长。

人们总是希望在交通灯前等候的时间越短越好。

所以笔者设定了绿灯通行时间的上限为40秒。

在非拥挤时段绿灯的通行时间的下限为20秒，当交叉路口双方车辆较少时通行时间设为20秒，这样可以大大缩短车辆在红灯面前的等待时间。

当交叉路口双方车辆较多时通行时间设为40秒。

3.3各模块控制电路

交通灯系统由四部分组成：

车检测电路，信号灯电路，时间显示电路，紧急转换开关。

3.3.1、车检测电路

用来判断各方向车辆状况,比如：

20秒内可以通过的车辆为20辆，当20秒内南往北方向车辆通过车辆达不到20辆时，判断该方向为少车，当20秒内北往南方向车辆通过车辆也达不到20辆时，判断该方向也为少车，下一次通行仍为20秒，当20秒时间内南往北或北往南任意一个方向通过的车辆达20辆时证明该状态车辆较多，下一次该方向绿灯放行时间改为40秒，当40秒内通过的车辆数达45辆时车辆判断为拥挤，下一次绿灯放行时间改仍为40秒，当40秒车辆上通过车辆达不到45辆时，判断为少车，下次绿灯放行时间改为20秒，依此类推。

绿灯下限时间为20秒，上限值为40秒，初始时间为20秒。

这样检测，某次可能不准确，但下次肯定能弥补回来，累积计算是很准确的，这就是人们常说的“模糊控制”。

因为路上的车不可能突然增多，塞车都有一个累积过程。

这样控制可以把不断增多的车辆一步一步消化，虽然最后由于每个路口的绿灯放行时间延长而使等候的时间变长，但比塞车等候的时间短得多。

本系统的特点是成本低，控制准确。

十字路口车辆通行顺序如图五所示：

图五十字路口车辆通行顺序

由于南往北，北往南时间显示相同，所以只要一个方向多车，下次时间就要加长东往西，西往东也一样，显示时间选择如表3.

表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

南往北少车，北往南少车

20秒

40秒

南往北少车，北往南多车

南往北多车，北往南少车

南往北多车，北往南多车

东往西少车，西往东少车

东往西少车，西往东多车

东往西多车，西往东少车

东往西多车，西往东多车

3.3.2信号灯电路

信号灯用来显示车辆通行状况，下面以一个十字路口为例，说明一个交通灯的四种状态见图5。

每个路口的信号的的转换顺序为：

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20秒，最长时间为40秒，红红最短时间为25秒，最长时间为45秒，黄灯时间为5秒。

红黄绿

绿黄红

图六交通信号灯运行状态

3.3.3时间显示电路

在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，两位数码管可以时间的时间为0-99秒完全可以满足系统的要求，数码管连接方法如图七所示

图七数码管连接方法

下面我们用这种方法显示交通灯的时间，南北方向要显示20秒，东西方向要显示25秒，那么我们先给P0口送2的共阴极码即5BH，让第一位2要显示的位码GND段为低电平，其它三位的控制端都接高电平，那么第一位就显示2，其它三位不亮。

让其显示1MS后再给P0口送0的共阴极码即3FH，让第二位要显示0的位码GND段为低电平，其它三位的控制端都接高电平，那么第二位就显示0，其它三位不亮。

依此类推分别送完第一位2，第二位0，第三位2，第四位5，每一位点亮1MS一个扫描周期为4MS，一秒时间就要扫描250次其程序如下：

MOVR6,#250;

显扫描次数

LOOP：

MOVP0,#5BH;

送2的共阴极码

CLRP2.0；

第一位显示2

ACALLD1MS;

延时1MS

SETBP2.0;

灭第一位

MOVP0,#3FH;

送0的共阴极码

CLRP2.1；

第二位显示0

SETBP2.1;

灭第二位

CLRP2.2；

第三位显示2

SETBP2.2;

灭第三位

MOVP0,#6DH;

送5的共阴极码

CLRP2.3；

第四位显示5

SETBP2.3;

灭第四位

DJNZR7，LOOP；

不够一秒，继续扫描

NEXTNUMBER；

到一秒显示下一个数

D1MS:

;

1MS延时程序

STAT1：

MOVR4，#2

MOVR3,#250

DJNZR3,$

DJNZR4，STAT1

RET

3.3.4紧急转换电路

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，但考虑紧急车通行车况，设计紧急通行开关,下面简述单片机的中断原理。

ⅰ）Mcs—51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4所示：

表4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0

0003H

定时/计数器0

000BH

外中断1

0013H

001BH

串行口中断

0023H

ⅱ）中断的处理流程

CPU响应中断请求后，就立即转入执行中断服务程序。

不同的中断源、不同的中断要求可能有不同的中断处理方法，但它们的处理流程一般都如下所述：

（１）现场保护和现场恢复：

中断是在执行其它任务的过程中转去执行临时的任务，为了在执行完中断服务程序后，回头执行原先的程序时，知道程序原来在何处打断的，各有关寄存器的内容如何，就必须在转入执行中断服务程序前，将这些内容和状态进行备份——即保护现场。

我们举个例子，在看书时，电话玲响需传去接电话时，必须在书本上做个记号，以便在接完电话后回来看书时，知道从哪些内容继续往下看。

计算机的中断处理方法也如此，中断开始前需将有关寄存器的内容压入堆栈进行保存，以便在恢复原来程序时使用。

中断服务程序完成后，继续执行原先的程序，就需把保存的现场内容从堆栈中弹出，恢复积存器和存储单元的原有内容，这就是现场恢复。

如果在执行中断服务时不是按上述方法进行现场保护和恢复现场，就会是程序运行紊乱，程序跑飞，自然使单片机不能正常工