交通信號燈控制系統(tǒng)

1、山西大學工程學院 第III頁摘 要隨著中國城鎮(zhèn)化速度的較快，交通事故也日趨發(fā)生，所以合理的交通控制方法能有效的緩解交通擁擠、減少尾氣排放及能源消耗、縮短出行延時，改善我國獨有的交通問題。而平面交叉口是城市交通的關鍵，它是整個城市道路的瓶頸地帶，對其進行交通信號控制方法的研究具有重大意義，所以交通信號燈是維護城市交通的主要設施。我們本次復雜的十字路口交通燈控制系統(tǒng)設計主要是利用AT89C51制作并仿真.并且在單片機的選擇上，考慮到電路的簡單和成本的削減，我們選擇性價比最好的AT89C51，而且能夠使程序簡單。可以添加恰當?shù)膫鞲衅?，實時監(jiān)控道路情況，對各種情況的處理實行緊急情況優(yōu)先級最高，其次行人

2、優(yōu)先通過，最后車流量高的方向，給予更多的通過時間，采用中斷的方法，由中斷根據(jù)各種不同的情況選擇合適的處理程序處理。通過單片機控制交通燈不僅能提高我們理論聯(lián)系實際的能力，而且能夠熟練掌握C語言的編程方法，掌握定時/計數(shù)器、外部中斷的使用方法和簡單程序的編寫，最終提高邏輯抽象能力和動手能力。關鍵字：AT89C51 中斷 交通信號控制目 錄課程設計說明書 第頁 1 社會需求12 設計目的13 設計思路及框圖13.1 交通燈設計13.2 交通燈定時控制23.3 傳感器智能控制34 硬件電路設計44.1 單片機電源電路44.2 單片機復位電路44.3 交通LED燈外圍驅動電路54.4 按鍵控制電路64.

3、5 單片機主電路74.6 整體電路圖設計85 軟件設計95.1 系統(tǒng)程序流程圖設計95.2 系統(tǒng)程序設計105.3 仿真顯示結果17總 結17參考文獻18山西大學工程學院 第19頁 1社會需求目前在世界范圍內，一個以微電子技術、計算機和通信技術為先導的，以信息技術和信息產業(yè)為中心的信息革命方興未艾。為使我國盡快實現(xiàn)經濟信息化，趕上發(fā) 達國家水平，必須加速發(fā)展我國的信息技術和信息產業(yè)。而計算機技術怎樣與實際應用更有效的結合并有效的發(fā)揮其作用是科學界最熱門的話題，也是當今計算機應 用中空前活躍的領域。本文主要從單片機的應用上來實現(xiàn)十字路口交通燈的管理，用以控制過往車輛的正常運作。2 設計目的本設計

4、首先從定時控制著手，解決交叉口交通控制過程中存在的問題，但是定時控制信號周期固定，不能根據(jù)實際的交通流狀況隨時調整信號控制參數(shù)，因此造成很多不必要的時間等待和資源浪費。對左轉車輛較少的單交叉口一般采用有固定左轉相位的定時控制方法，此信號控制中的左轉車輛通行對直行車輛影響很大。行人過街信號與上游交叉口的不協(xié)調導致車輛通過上游交叉口后遇到行人過街而再次停車?；谏鲜鼋徊婵谛盘柨刂拼嬖诘膯栴}，本設計進行了如下研究：介紹了常用定時信號控制算法和感應信號控制的基本工作原理，分析了傳統(tǒng)定時控制的優(yōu)越性和局限性。設計了一種自動信號控制方法，這種方法能使交叉口根據(jù)實際交通情況選擇合理的定時信號配時方案，不過這

5、個需要配備額外的感應器。本設計將要完成紅燈停，綠燈行，黃燈停3S的操作，并且如當一道有車而另一道無車是，交通燈控制系統(tǒng)能立即讓有車的車道放行，單人行道上人數(shù)較多時，智能轉換交通燈狀態(tài)，行人優(yōu)先通過，當有緊急車輛（如110、112、119等急救車）要求通過時，此系統(tǒng)應能禁止普通車輛通行，路口的信號燈全部變紅，以便讓緊急車輛通過。假定緊急車輛通過時間為2s，緊急車輛通過后，交通燈恢復先前狀態(tài)。3設計思路及框圖3.1交通燈設計首先了解實際交通燈的變化情況和規(guī)律。設有一個南北（SN）向和東西(WE)向的十字路口，兩方向各有兩組相同交通控制信號燈，每組各有四盞信號燈，分別為直行信號燈（S）、左拐信號燈（

6、L）、紅燈（R）和黃燈（Y），交通控制信號燈布置如圖1所示。根據(jù)交通流量不同，交通信號燈的控制可實現(xiàn)手動、自動兩種控制。平時使用自動控制，高峰區(qū)可使用傳感器智能化控制。智能控制時，傳感器通過檢測道路交通情況對交通信號燈進行實時控制；自動控制時，交通信號燈控制規(guī)律用圖2狀態(tài)轉換圖來描述。圖1 紅綠燈顯示系統(tǒng)框圖3.2交通燈定時控制圖2 紅綠燈系統(tǒng)控制流程圖定時控制系統(tǒng)控制流程圖如上圖2，初始狀態(tài)0為SN直行WE紅燈，然后轉狀態(tài)1為SN黃燈WE紅燈。過一段時間后，轉狀態(tài)2為SN左拐WE紅燈。再轉狀態(tài)3，SN黃燈WE紅燈。過一段時間后轉狀態(tài)4，SN紅燈WE直行。然后狀態(tài)4，SN紅燈WE直行。狀態(tài)5為

7、SN紅燈WE黃燈。狀態(tài)6為SN紅燈WE左拐。狀態(tài)7為SN紅燈WE黃燈。又循環(huán)至狀態(tài)0，重復循環(huán)上述狀態(tài)。3.3傳感器智能控制圖3 磁檢測器方框圖交通燈在采用智能化控制時，采用磁感應車輛檢測器.這種環(huán)形線圈檢測器是傳統(tǒng)的交通檢測器，是目前世界上用量最大的一種檢測設備。這些埋設在道路表面下的線圈可以檢測到車輛通過時的電磁變化進而精確地算出交通流量。交通流量是交通統(tǒng)計和交通規(guī)劃的基本數(shù)據(jù)，通過這些檢測結果可以用來計算占用率(表征交通密度)， 在使用雙線圈模式時還可以提供速度、車輛行駛方向、車型分類等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對于交通管理和統(tǒng)計是極為重要的，可通過分析這些數(shù)據(jù)，然后通過外部中斷動態(tài)控制交通燈的狀態(tài)

8、，實現(xiàn)道路交通燈的智能化控制，讓交通燈根據(jù)實際情況轉換狀態(tài)。原理框圖如上圖圖3所示。對于交通信號燈來說，應該有東西南北共四組燈，但由于同一道上的兩組的信號燈的顯示情況是相同的，所以可以用一個I/O控制相同的兩燈，因此，采用單片機內部的I/O口上的P0口中的8個引腳即可來控制16個信號燈。通過編寫程序，實現(xiàn)對發(fā)光二極管的控制，來模擬交通信號燈的管理。每延時一段時間，燈的顯示情況都會按交通燈的顯示規(guī)律進行狀態(tài)轉換。通過定時器精確延時送顯，在原有的交通信號燈系統(tǒng)的基礎上，增添其倒計時間的顯示功能，實現(xiàn)其功能的擴展。通過添加感應器檢測車流量、人行道情況通過外部中斷動態(tài)調節(jié)人、車流量，使交通更加智能，提

9、高道路運行速率。4 硬件電路設計4.1單片機電源電路圖4 電源電路如上圖圖4所示是電源電路，這里開關用的雙路開關，雙路開關并聯(lián)能更好的確保給后級提供更大電流。電容C4、C5，都是隔離斷開直流的，在這里添加了一個發(fā)光二極管指示燈，在我們打開開關的時候，這個二極管會亮，下面的R12為限流電阻，給發(fā)光二極管提供合適的電流。4.2 單片機復位電路單片機的復位操作有上電自動復位和手動按鍵復位兩種方式。本次設計采用手動按鍵復位設計，如下圖5所示。圖5 按鍵復位電路當這個電路處于穩(wěn)態(tài)時，電容起到隔離直流的作用，隔離了+5V，而左側的復位按鍵是彈起狀態(tài)，下邊部分電路就沒有電壓差的產生，所以按鍵和電容 C1 以

10、下部分的電位都是和GND 相等的。按鍵復位有 2 個過程，按下按鍵之前，RST 的電壓是 0V，當按下按鍵后電路導通，同時電容也會在瞬間進行放電，會處于高電平復位狀態(tài)。當松開按鍵后，先是電容充電，然后電流逐漸減小直到 RST 電壓變 0V 的過程。按下按鍵的瞬間，電容兩端的 5V 電壓會被直接接通，此刻會有一個瞬間的大電流沖擊，會在局部范圍內產生電磁干擾，為了抑制這個大電流所引起的干擾，在電容放電回路中串入一個 18 歐的電阻來限流。4.3 交通LED燈及外圍驅動電路圖6交通LED燈電路將NS道上的兩個同色燈連在一起，WS道上的同色燈也彼此相連(此處用發(fā)光二極管模擬實際的交通燈，各發(fā)光二極管的

11、陽極通過保護電阻接到+5v的電源上，發(fā)光二極管的陰極接到單片機的P0口)用AT89C51單片機的P0.0P0.7共8根輸出線控制各色交通燈的點亮與熄滅；為了更加直觀的顯示紅綠燈的情況，用了共陽極數(shù)碼管顯示倒計時，數(shù)碼管顯示有動態(tài)掃描和靜態(tài)顯示，由于靜態(tài)顯示需要占用過多的IO口，這里用動態(tài)掃描，用P1控制數(shù)碼管的斷選信號端，P2.6、P2.7控制數(shù)碼管的位選信號端，可以顯示出每個燈的倒計時。緊急車輛通過時，采用外部觸發(fā)按鍵實時中斷方式進行處理。根據(jù)該系統(tǒng)的功能要求及所用元器件，設計硬件電路，電路原理圖如圖6所示。由于單片機的輸出電流有限，需要用到芯片驅動LED，使LED可以正常使用，這里使用74

12、LS245，74LS245是一個雙向緩沖器，引腳AB是方向引腳，這個引腳為高電平的時候，右側所有的電壓都等于左側對應編號的電壓，所以這里AB引腳接的+5V電源，即高電平。圖中還有排阻RP1做為上拉電阻。引腳OE為輸出使能端，低電平有效。在74LS245輸出端有R3R10的限流電阻，給LED燈提供恰當?shù)碾娏?。在LED的陽極接有PNP三極管，可以通過單片的P2.5控制所有的LED的通斷，只有P2.5端電平為高時LED才能正常工作，通過單片機的P0口控制LED的狀態(tài)。數(shù)碼管的顯示也需要大電流，這里外接上拉電阻可以提供足夠的電流，原理圖中用了排阻RP2，可以使數(shù)碼管正常工作。交通LED燈驅動電路如圖7

13、所示。圖7 交通LED燈驅動電路4.4 按鍵控制電路圖8 按鍵控制LED電路圖智能化控制中使用到傳感器，傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)分析，然后反饋到單片機外部中斷，通過中斷程序選擇合適的處理程序。整個交通燈控制系統(tǒng)通過按鍵模擬控制LED的狀態(tài)，SW1控制LED是定時循環(huán)還是智能控制，SW2控制LED燈是順序切換狀態(tài)還是手動選擇LED狀態(tài)。SW1按下觸發(fā)外部中斷0進去中斷程序，在中斷程序中可以通過查詢方式判斷P3.7是否按下，如果檢測到P3.7為低電平則SW2按鍵按下，系統(tǒng)進入只能控制LED狀態(tài)模式，單片機通過檢測P2.0P2.3的電平狀況確定LED燈要顯示的狀態(tài)，例如：若單片機檢測到端口P2.0

14、電平為低，則要求交通燈要WE方向左拐，系統(tǒng)調用左拐子程序，使單片機控制LED燈先NS黃燈閃3下，然后NS紅燈亮，WE左拐指示燈變綠。如果系統(tǒng)監(jiān)測到P3.7為高電平則SW2彈起，系統(tǒng)進入只能順序切換模式，單片機檢測P2.4的電平情況，檢測到一次說明按鍵按下一次，交通的按照定時方式的順序變換狀態(tài)，使交通燈穩(wěn)定順次執(zhí)行。如果遇到十字路口發(fā)生交通事故，可以觸發(fā)緊急逼停按鍵，這樣四個方向都為紅綠燈，等突發(fā)情況處理完畢后，然后根據(jù)實際情況選擇合適的處理程序。這樣可以根據(jù)實際的車、人流量動態(tài)調節(jié)交通燈，智能解決各種突發(fā)情況，按鍵控制電路如圖8所示。按鍵消抖有兩種方式：硬件消抖和軟件消抖，硬件消抖需要引進RS

15、觸發(fā)器或者單穩(wěn)態(tài)電路，這需要額外的硬件開支，而軟件消抖只需要用延時函數(shù)就可以完成，因此這里選擇軟件消抖。4.5 單片機主電路采用這款芯片及克服了采用8031需要添加外部外部程序存儲器導致電路復雜的缺點，又克服了采用8751導致電路制作成本高的缺點，AT89C51單片機芯片具有以下特性：1）指令集合芯片引腳與Intel公司的8051兼容；2）4KB片內在系統(tǒng)可編程FLASH程序存儲器；3）時鐘頻率為033MHZ；4）128字節(jié)片內隨機讀寫存儲器（RAM）；5）6個中斷源，2級優(yōu)先級；6）2個16位定時/記數(shù)器；圖9 單片機引腳結構圖4.6 整體電路圖設計圖10 AT89C21單片機交通燈控制電路

16、本次設計采用AT89C51單片機，其中P0.0P0.8共8根輸出線控制各色交通燈的點亮與熄滅，通過外部中斷0控制交通燈的切換方式，端口P3.7控制在智能模式下是順次轉換狀態(tài)還是動態(tài)選擇，在順序轉換模式下P2.4控制交通燈的狀態(tài)轉換。在動態(tài)模式下，根據(jù)傳感器分析數(shù)據(jù)結果，通過P2.0P2.3控制交通的的各種狀態(tài)。P1和P2.7、P2.6控制數(shù)碼管的顯示，可以直觀的看到交通燈的狀態(tài)。在傳感器檢測某一方向車流量過多，或者人行道上滯留行人過多，或有緊急車輛通過時，采用外部觸發(fā)中斷實時中斷方式進行處理，這時可按下SW1、SW2兩按鍵，然后智能選擇交通燈的狀態(tài)，選擇合適的交通燈，讓滯留過多的方向通過時間長

17、點，讓道路更加通暢。上圖10為整個交通燈控制系統(tǒng)的整體電路圖。5 軟件設計5.1 系統(tǒng)程序流程圖設計圖11 交通控制系統(tǒng)程序流程圖根據(jù)硬件電路原理圖，并按系統(tǒng)的功能畫出程序流程圖。由于此系統(tǒng)較為簡單，故采用自上而下的設計方法，進行程序設計；對傳感器分析的數(shù)據(jù)處理，采用中斷的方法，由中斷選擇合適的處理程序處理，在傳感器不工作的時候，可以返回主程序執(zhí)行。程序流程如下圖11所示。設計中斷處理程序時，最主要的地方是如何保護進入中斷前的狀態(tài)(信號燈、P口、單片機寄存器的狀態(tài))，使得中斷程序執(zhí)行完畢后能問到交通燈中斷前的狀態(tài)。除了保護累加器ACC、標志寄存器PSW外，還要注意主程序中的延時程序和中斷處理程

18、序中的延時程序不能混用。5.2 系統(tǒng)程序設計如下所示為整個系統(tǒng)控制程序：#include<reg52.h>unsigned int count=0; /延時計數(shù)unsigned int count1=0; /按鍵次數(shù)計數(shù)unsigned char count2=0; /數(shù)碼管顯示數(shù)值unsigned char count3=0; /定時1秒計數(shù)unsigned char table=0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,0x7f;/共陽極數(shù)碼管顯示編碼unsigned char disdata4;sbit NSL=P00

19、;/NS左拐指示燈sbit NSS=P01;/NS直行指示燈sbit NSR=P02;/NS紅燈指示燈sbit NSY=P03;/NS黃燈指示燈sbit WEY=P04;/WE黃燈指示燈sbit WER=P05;/WE紅燈指示燈sbit WES=P06;/WE直行指示燈sbit WEL=P07;/WE左拐指示燈sbit P2_5=P25;/控制所有LED的滅sbit P2_6=P26;/數(shù)碼管位選端sbit P2_7=P27;/數(shù)碼管位選端sbit Key_1=P24; /手動切換LED燈狀態(tài)sbit Key_2=P23; /選擇NS直行sbit Key_3=P22; /選擇WE直行sbit

20、Key_4=P21; /選擇NS左拐sbit Key_5=P20; /選擇WE左拐sbit Key_6=P37; /選擇順序、隨機切換sbit Key_7=P36; /突發(fā)情況，四個方向全部紅燈void Time0_Int() /定時器0初始化TMOD=0x01;TR0=1;EA=1;ET0=1;IT0 = 0;EX0 = 1;TH0=(65536-50000)/256;TL0=(65536-50000)%256;void Delay(unsigned int m) /延時 m 毫秒unsigned int i,j;for (i=m; i>0; i-)for (j=110; j>0

21、; j-);void NS_stra() /NS直行，WE紅燈NSL=1;NSS=0;NSR=1;NSY=1;WEL=1;WES=1;WER=0;WEY=1;void NS_turn() /NS左拐，WE紅燈NSL=0;NSS=1;NSR=1;NSY=1;WEL=1;WES=1;WER=0;WEY=1;void NS_stop() /NS黃燈，WE紅燈NSL=1;NSS=1;NSR=1;NSY=0;WEL=1;WES=1;WER=0;WEY=1;void WE_stra() /WE直行，NS紅燈NSL=1;NSS=1;NSR=0;NSY=1;WEL=1;WES=0;WER=1;WEY=1;vo

22、id WE_turn() /WE左拐，NS紅燈NSL=1;NSS=1;NSR=0;NSY=1;WEL=0;WES=1;WER=1;WEY=1;void WE_stop() /WE黃燈，NS紅燈NSL=1;NSS=1;NSR=0;NSY=1;WEL=1;WES=1;WER=1;WEY=0;void Opera_NS_stra() /手動選擇NS直行if(Key_2=0)Delay(10);if(Key_2=0)WE_stop();Delay(3000);NS_stra(); while(Key_2=0);void Opera_WE_stra() /手動選擇WE直行if(Key_3=0)Delay

23、(10);if(Key_3=0)NS_stop();Delay(3000);WE_stra(); while(Key_3=0);void Opera_NS_turn() /手動選擇NS左拐if(Key_4=0)Delay(10);if(Key_4=0)WE_stop();Delay(3000);NS_turn(); while(Key_4=0);void Opera_WE_turn() /手動選擇WE左拐if(Key_5=0)Delay(10);if(Key_5=0)NS_stop();Delay(3000);WE_turn(); while(Key_5=0); void Opera_Red(

24、) /手動選擇WE左拐if(Key_7=0)Delay(10);if(Key_7=0)NSY=0;WEY=0;Delay(3000);WER=0;NSR=0; while(Key_7=0);void Choose() /數(shù)碼管顯示初值判斷程序if(count=10|count=470|count=930|count=1390)count2=20; /判斷為綠燈，數(shù)碼管倒計時初值為20秒if(count=410|count=870|count=1330|count=1790)count2=3; /判斷為黃燈，數(shù)碼管倒計時初值為3秒if(count3=20) /定時1秒，每隔一秒倒計時減一coun

25、t2-;count3=0; void Ledshow() /數(shù)碼管顯示程序 disdata0=(count2%10); /十位顯示的數(shù)值 disdata1=(count2/10); /個位顯示的數(shù)值 P2_6=0;P2_7=1;P1=0x00; P1=tabledisdata0; Delay(10); P2_7=0;P2_6=1;P1=0x00; P1=tabledisdata1; Delay(10);void Auto() /自動轉換LED燈狀態(tài)，綠燈20秒，黃燈3秒if(count>10&&count<410) /NS直行指示燈顯示20秒，數(shù)碼管倒計時顯示NS_

26、stra();Ledshow();if(count>410&&count<470) /NS黃色指示燈顯示 3秒，數(shù)碼管倒計時顯示NS_stop();Ledshow();if(count>470&&count<870) /NS左拐指示燈顯示20秒，數(shù)碼管倒計時顯示NS_turn();Ledshow();if(count>870&&count<930) /NS黃色指示燈顯示 3秒，數(shù)碼管倒計時顯示NS_stop();Ledshow();if(count>930&&count<1330)/

27、WE直行指示燈顯示20秒，數(shù)碼管倒計時顯示WE_stra();Ledshow();if(count>1330&&count<1390)/WE黃色指示燈顯示 3秒，數(shù)碼管倒計時顯示WE_stop();Ledshow();if(count>1390&&count<1790)/WE左拐指示燈顯示20秒，數(shù)碼管倒計時顯示WE_turn();Ledshow();if(count>1790&&count<1850)/WE黃色指示燈顯示 3秒，數(shù)碼管倒計時顯示WE_stop();Ledshow();if(count>1

28、850)count=0;void main() /主函數(shù)Time0_Int();P2_5=1;while(1)Auto();Choose();void Time0() interrupt 1 /定時50msTH0=(65536-50000)/256;TL0=(65536-50000)%256;TR0=1;count+;count3+;void Interrput0() interrupt 0 /外部中斷0，用按鍵手動切換LED燈狀態(tài)while(Key_6=0) /判斷是順序，隨機顯示Delay(10);while(Key_6=0)Opera_NS_stra();Opera_WE_stra();Opera_NS_turn();Opera_WE_turn(); Opera_Red();P2_7=0;P2_6=0;if(Key_1=0) /檢測按鍵按下次數(shù)Delay(10);if(Key_1=0)count1+;while(Key_1=0);switch(count1) /根據(jù)按下的次數(shù)選擇顯示狀態(tài)case 1 :NS_stra();break;case 2 :NS_stop();break;case 3 :NS_turn();break;case 4 :NS_stop();break