单片机完成交通灯控制系统的设计与实现(编辑修改稿)

单片机完成交通灯控制系统的设计与实现(编辑修改稿)内容摘要：

灯控制，而加拿大多伦多市于 1964 年完成了计算机控制信号灯的实用化，建立了一套由 IBM650 型计算机控制的交通信号协调控制系统，成为世界上第一个具有电子数字计算机城市交通控制系统的城市。 这是道路交通控制技术发展的里程碑。 可以说，在近百年的发展中，道路交通信号控制系统经历了手动到自动，从固定配时到灵活配时，从无感应控制到有感应控制，从单点控制到干线控制，从区域控制到网络控制的长远过程。 交通控制研究的发展，旨在解决人类交通因需求的增多而日益繁重带来的问题，局限于道路建设的暂时不足和交通工 具的快速增长，就要使更多的车辆安全高效的利用有限的道路资源，避免因无序和抢行等无控制原因造成的不必要阻塞甚至瘫痪，另外，针对整个交通线路车辆的多少实时调整和转移多条线路的分流也十分必要。 永城职业学院毕业设计（论文） 交通信号灯 控制系统设计 4 交通网络是 城市的 动脉 ，象征着一个城市的 工业文明水平。 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 ， 保证交通线路的畅通安全，才能保证出行舒畅，物流准时到位，甚至是生命通道的延伸。 国内外研究现状及其发展 国内外交通控制技术 当前世界各国广泛使用的 最具代表性却有实施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。 在信号机的发展历程中，自适应理论一直受到各研究机构的欢迎，比如上面所述的 SCOOTS 和 SCATS 系统。 最近几年，国外仍偏向于引进自适应理论来对交通信号控制系统进行研制，特别是美国有十几个大学或研制机构正在研制自适应交通信号控制系统，具有代表性的有美国亚利桑那大学研制的 RHODES。 我国交通领域的发展起步较晚，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 全交通控制系统的。 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，体制，管理，收费价格，基础设施建设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，一句城市发展的规划，建设以及运行原照，在广泛借鉴和吸取国外先进经验的基础上，建立并完善适合我国国情的城市交通系统 交通控制存在的问题 我国城市交通运输的现状和存在的问题，借鉴国外城市交通管理的先进经验，强调建立城市交通管理体制的重要性，提出加强城市交通研究的交通规划，建立稳定的交通 基础设施建设的资金出道，实行公交优先政策，建立先进的交通信息系统等对策。 随着城市机动车增长速度的加快。 1994 年卧轨城市机动车保有量已接近 500 完辆。 20 世纪 90 年代以来，经济的发展加快，从 1985 年到 1995 年，机动车增长率达 13%左右，近几年更是增多。 然而，在此同时，城市道路建设规模也在加大，我国城市普遍存在道路永城职业学院毕业设计（论文） 交通信号灯 控制系统设计 5 密度，道路面积率偏低的问题，这是我国城市哟其是大城市有机的一个重要原因。 我国城市道路的密度只有 ，而在 20 世纪 80年代，世界发达国家就已到达 20km 每平方千米。 20 世纪 90 年代，我国部分城市道路面积率，北京为 %，上海为 %，而国外东京为 %，巴黎为 25%，普遍高于我国。 近几年，国家虽不断加大城市道路建设的力度，但仍赶不上车辆的增长速度，且与世界其他国家相比，差距仍很大。 出租车以及公交的发展运营情况并不尽如人意，虽然车辆和线路长度增长，但运营速度成了瓶颈，新增的运力被运输效率低下所抵消。 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。 单片机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，大体分配各个器件及模块的基本功能要求。 三是进行软件系统设计，对本系统，本人采用单片机汇编语言编写，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。 永城职业学院毕业设计（论文） 交通信号灯 控制系统设计 6 第二章 单片机交通控制系统总体设计 单片机交通控制系统 通行方案设计 设在十字路口，分为东西向和南北向，在任一时刻只有一个方向通行，另一方向禁行，持续一定时间，经过短暂的过渡时间，将通行禁行方向对换。 其具体状态如下图所示。 说明：黑色表示亮，白色表示灭。 交通状态从状态 1 开始变换，直至状态 6然后循环至状 1， 周而复始，即如图 所示：直至状态 6然后循环至状态 1， 通过具体的路口交通灯状态的演示分析我们可以把这四个状态归纳如下： 图 交 通状态 ◆东西方向红灯灭，同时绿灯亮，南北方向黄灯灭，同时红灯亮，倒计时 20秒。 此状态下，东西向禁止通行，南北向允许通行。 ◆东西方向绿灯灭，同时黄灯亮，南北方向红灯亮，倒计时 2 秒。 此状态下，除了已经正在通行中的其他所以车辆都需等待状态转换。 ◆南北方向红灯灭，同时绿灯亮，东西方向黄灯灭，同时红灯亮，倒计时 20秒。 此状态下，东西向允许通行，南北向禁止通行。 ◆南北方向绿灯灭，同时黄灯亮，东西方向红灯亮，倒计时 2 秒。 此状永城职业学院毕业设计（论文） 交通信号灯 控制系统设计 7 态下，除了已经正在通行中的其他所以车辆都需等待状态转换。 下面我们可以用图表表示灯状态和行 止状态的关系如下： 表 交通状态及红绿灯状 态 东西南北四个路口均有红绿黄 3 灯和数码显示管 2 个，在任一个路口，遇红灯禁止通行，转绿灯允许通行，之后黄灯亮警告行止状态将变换。 状态及红绿灯状态如表 所示。 说明： 0 表示灭， 1 表示亮。 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。 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。 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 状态 1 状态 3 状态 4 状态 6 东西向 禁行 等待变换 通行 等待变换 南北向 通行 等待变换 禁行 等待变换 东西红灯 1 1 0 0 东西黄灯 0 0 0 1 东西绿灯 0 0 1 0 南北红灯 0 0 1 1 南北绿灯 1 0 0 0 南北黄灯 0 1 0 0 永城职业学院毕业设计（论文） 交通信号灯 控制系统设计 8 检测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。 时间手动设置 除系统根据车流量自动控制调整，也可以通过键盘进行手动设置，增加了人为的可控性，避免自动故障和意外发生，并再紧急状态下，可设置所有灯变为红灯。 键盘是单片机系统中最常用的人机接口，一般情况下有独立式和行列式两种。 前者软件编写简单，但在按键数量较多时特别浪费 I／ 0口资源，一般用于按键数量少的系统。 后 者适用于按键数量较多的场合，但是在单片机 I／ 0 口资源相对较少而需要较多按键时，此方法仍不能满足设计要求。 本系统要求的按键控制不多，且 I／ 0 口足够，可直接采用独立式。 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。 违规检测 交通规则必须人人遵守，但是违反规则，如闯红灯等，也时有发生，交警等交通管理 人员虽然可以进行实时监管，但是耗费精力，在路口设置检测传感器就可以进行自动的警报提示。 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，及时调整控制永城职业学院毕业设计（论文） 交通信号灯 控制系统设计 9 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。 单 片 机车 流 量 传 感 器最 小 系 统外 围 接 口 电 路8 段 L E D 数 码 管 显 示红 黄 绿 信 号 灯蜂 鸣 器按 键 控 制 图 系统的总体框图 据此，本设计系统以单片机为控制核心，连接成最小系统，由车流量检测模块，违规检测模块，和按键设置模块等产生输入，信号灯状态模块， LED倒计时模块和蜂鸣器状态模块接受输出。 系统的总体框图如上所示。 键盘设置模块对系统输入模式选择及具体通行时间设置的信号，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。 在此过程中还要实时捕捉违规检测和紧急按键信号，以达到对异常状态进行实时控制的目的。 急停按键和违规检测随时调用中断。 在模式 选择上，若为自动模式，将不断调用车流量检测模块对车流量进行检测统计，到达一定时间将修正通行时间一满足不同路况的需要。 永城职业学院毕业设计（论文） 交通信号灯 控制系统设计 10 第三章 系统硬件电路的设计 系统硬件总电路构成及原理 实现本设计要求的具体功能，可以选用 AT89C52 单片机及外围器件构成最小控制系统， 12 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， 8 个LED东西南北各两个构成倒计时显示模块，车流量检测传感器采集流量数据，光敏传感器捕获违规信号，若干按键组成时间设置和模式选择按钮和紧急按钮等，以及用 1 个蜂鸣器进行报警。 系统硬件电路构成 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 所示。 其中 P0， P1，用于送显两片 LED 数码管， P2 用于控制红绿黄发光二极管， XTAL1 和 XTAL2 接入晶振时钟电路， REST 引脚接上复位电路， 即INT1 接违规检测电路和紧停／东西时间设置键 J， 即 INT1 接车流量检测电路， 接南北时间设置键 S， 接自动模 式选择／返回键 F， 接蜂鸣器。 系统工作原理 系统上电或手动复位之后，系统等待模式选择设置键按下，模式分两种：红绿灯时间自动和红绿灯时间设置。 若此时 F 键按下，则设置为自动模式，若此时按下的是 S 键，则设置为时间设置模式，依次按 S 若干次， J 键若干次可设置好两个方向的红绿灯时间，再按 F 键确认。 其实这个过程就是将存储时间值的寄存器进行设置，以及标志是否要进行车流量检测及调整。 接下来，系统必须先显示状态灯及 LED 数。