1、 本科生毕业论文 (设计 ) 题 目： 交通信号智能控制系 统的研究与设计 学生姓名： 学 号： 专业班级： 通信工程 08102 班 指导教师： 完成时间： 2012 年 5 月 10 日 目 录 摘 要 .I Abstract . II 第 1 章 绪论 . 1 1.1 研究意义 . 1 1.2 交通灯研究现状 . 2 1.2.1 国内城市交通现状 . 2 1.2.2 国际先进成果 . 2 第 2 章 总体方案设计 . 3 2.1 方案的比较与选择 . 3 2.1.1 方案的比较 . 3 2.1.2 方案的选择 . 4 第 3 章 系统硬件 设计 . 6 3.1 单片机概述 . 6 3.2
2、 电源电路 . 11 3.3 检测电路 . 12 3.3.1 红外传感器的发展 . 12 3.3.2 常用的红外传感器 . 12 3.3.3 热释电红外传感器简介 . 14 3.3.4 检测车流量的方法 . 14 3.4 紧急按键 K1 电路 . 15 3.5 红绿灯显示电路 . 16 3.6 倒计时显示电路 . 17 3.7 振荡电路 . 19 3.8 复位电路 . 20 第 4 章 系统软件设计 . 22 4.1 主程序设计 . 23 4.2 延时子程序 . 26 4.2.1 计数器硬件延时 . 26 4.2.2 软件延时 . 28 4.3 计数器计数 . 29 4.4 数码管显示子程序
3、. 30 4.5 黄灯闪烁子程序 . 31 4.6 车流量算法子程序 . 31 4.7 紧急车辆子程序 . 32 第 5 章 系统实现 . 33 5.1 仿真软件简介 . 33 5.1.1 Proteus 软件简介 . 33 5.1.2 Keil 软件简介 . 35 5.2 仿真实现 . 37 结 论 . 40 参考文献 . 41 致 谢 . 42 附 录 . 43 摘 要 本文根据 AT89C51 单片机的特点及交通灯在实际控制中的特点，提出了一种用单片机自动控制交通灯以及时间显示的方法，同时给出了软硬件设计的方法。设计的过程包括硬件电路设计和程序设计两大步骤，对在单片机应用中可能遇到的重要
4、设计问题都有涉足。本系统采用单片机作为核心控制器，通过红外检测系统来测量东西方向和南北方向的车流量 大小，经过简单的算法得出红绿灯时间。然后分别用红、黄、绿灯的不同组合来指挥两个方向的通车与禁行，用 LED 数码管作为倒计时指示，实时地控制当前交通灯时间使 LED 显示器进行倒计时工作并与状态灯保持同步，在保持交通安全的同时最大限度地提高交通能顺畅交替运行，从而实现十字路口的智能交通控制。 关键词： 单片机；交通灯；红外检测；智能控制 Abstract According to the characteristics of the AT89C51 microcontroller and the
5、 characteristics of traffic lights in the actual control,the paper proposes a kind of automatic traffic lights with a single chip and method of time display and gives the hardware and software design methods. The process of design includes the hardware circuit design and programming two steps, and m
6、ight encounter important problems in the design of SCP application. The system uses the SCM as the core controller and measures the east-west and north-south direction of traffic flow size through the infrared detection system. The time of traffic lights is calculated through a simple algorithm. And
7、 command the different combinations of two direction and exclude traffic with red, yellow, and green .Then use the LED digital tube as the countdown instructions ,real-time control the time of the countdown instructionslet ,make LED display lights countdown work and keep pace with the state lamp . W
8、hile maintaining safety , maximize traffic flow can alternate operation.So crossroads intelligent traffic control is implemented. Keywords: SCM,Traffic lights, Infrared detection, Intelligent Control 第 1 章 绪论 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。 1918 年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯
9、。信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。 1968 年，联合国道路交通和道路标志信号协定对各种信号灯 的含义作了规定：绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以直行，左转弯和右转弯，除非另一种标志禁止某一种转向。左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。红灯是禁行信号，面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车。黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线。 1.1 研究意义 随着社会经济快速发展，汽车数量的急剧增加，给城市交通带来了极大的压力。特别是在上下班高峰期，巨大的车流量使得道路拥挤，造成了不必要的时间浪费
10、与经济损失。由此可见，交通拥塞已成为一个国际性的问题。因此，设计 可靠、安全、便捷的智能交通灯控制系统有极大的现实必要性。而社会上正在使用的交通控制系统主要有两个缺陷 :1、车道放行车辆时，时间设定相同且固定，十字路口经常出现主车道车辆多，放行时间短，车流无法在规定时间内通过，而副车道车辆少，放行时间明显过长 ;2、未考虑急车强通（例如，消防车执行紧急任务时，两车道都应等待消防车通过 )。由于交通信号灯控制系统缺乏有效的应急措施，导致十字路口交通受阻，造成不必要的经济损失。 本系统利用 AT89C51 单片机，实现了根据区域车流量、红外检测或者人为操作进行十字路口交通信号灯智能控制 ，并在软硬
11、件方面采取一些改进措施，实现了根据十字路口车流、红外检测量进行交通信号灯智能控制，并且在紧急情况下，可以使用紧急按键使两路口都为红灯，让紧急车辆通过后再恢复正常通车，这样，交通信号灯现场控制灵活、有效，从一定程度上解决了交通路口堵塞、车辆停车等待时间不合理等问题，并可通过人为控制来解决紧急车辆强通问题。该系统具有结构简单、可靠性高、成本低、实时性好、安装维护方便等优点，并且具有良好的扩展完善特点，有广泛的应用前景。 1.2 交通灯研究现状 1.2.1 国内城市交通现状 汽车进入家庭步伐的加快 和城市汽车数量的增多 , 城市道路交通问题显得越来越重要。我们在马路上经常会看到这种现象 : 一旦整个
12、路口的交通信号灯出现故障 , 若没有交警的及时疏导 , 该路口就会塞得一塌糊涂。原交通信号控制大都采用继电器实现 , 存在着功能少、可靠性差、维护量大等缺点 ,越来越不能适应城市道路交通高速发展的要求。另外 , 根据人车流量的多少 , 可能随时增加路口的交通信号 , 比如增加转弯或人行道交通信号 , 原有系统的制约性就更明显了。交通问题在现在乃至将来的一段时间内仍是制约国内各大中城市发展的主要问题之一。 以北京为例， 开车没有 骑车快，坐车没有走路快 ，这种现象在北京交通高峰时段已是见怪不怪。当年，奥委会在申办城市手册中谈到交通问题时指出： 成功举办奥运会的关键因素是要有一个有效的交通系统 ，
13、而 北京正面临着经济发展和城市快速扩展而产生的交通需求挑战 ，从而可见一个有效的先进的交通系统的重要性。 目前各城市都在不断改善交通设施，改进各十字路口交通灯控制方式，都得到了很好的效果。 1.2.2 国际先进成果 智能控制交通系统是目前研究的方向，也已经取得不少成果，在少数几个先进国家已采用智能方式来控制交通信号，其中主要运用 GPS 全球定位系统等。出于便捷和效果的综合考虑，可以制作传感器探测车辆数量来控制交通灯的时长。具体如下 :在入路口的各个方向附近的地下按要求埋设感应线圈，当汽车经过时就会产生涡流损耗，环状绝缘电线的电感开始减少，即可检测出汽车的通过，并将这一信号转换为标准脉冲信号作
14、为单片机的控制输入，并用单片机的计数器计数，按一定控制规律自动调节红绿灯的时长。比较传统的定时交通灯控制与智能交通灯控制，可知后者的最大优点在于减缓滞流现象，也不会出现空道占时的情形，提高了公路交通通行率。 目前，基于单片机的智能交通系统在国内外还处于 研究发展阶段，但已取得了很大的研究成果，得到了丰富的理论知识。 第 2 章 总体方案设计 2.1 方案的比较与选择 2.1.1 方案的比较 方案一 ：基于 PLC 的交通智能控制系统 本系统利用 EPM240TC100C5 核心板控制模块为核心控制部件，加入振荡电路 、 车流量检测电路 、紧急按键电路、红绿灯显示电路以及倒计时显示电路组成功系统
15、，实现对十字路口交通信号灯的 智 能控制，系统基本原理框图如图 2.1 所示： 图 2.1 基于 PLC 的交通智能控制系统 基本原理框图 方案二：基于单片机的交通信号智能控制系统 本系统利用 AT89C51 单片机作为系统的核心控制部件，利用其定时器 /计数器作为红外传感器的接收端，通过高低电平的变化来统计通过检测区域的车流量，然后通过软件计时来控制接在 P0 端口的红绿灯的点亮 与熄灭状态，并在 8 段数码管（接在 P1 和P2 端口）上显示倒计时。 系统的电路图主要由电源电路、遮光式红外传感器检测电路 、红绿灯显示电路、红绿灯时间倒计时电路以及紧急按键 K1 电路等电路组成。系统的基本原
16、理框图如图 2.2 所示： A T 8 9 C 5 1单 片 机紧 急 按 键 K 1报 警 电 路红 外 传 感 器检 测 电 路红 绿 灯 显 示电 路数 码 管 倒 计 时 显示 电 路振 荡 电 路复 位 电 路图 2.2 基于单片机的交通信号智能控制系统框图 2.1.2 方案的选择 由于该设计的系统比较简单，单片机完全能胜任该设计，而且从经济角度来说，单片机更为便宜，且本人所学知识有限对于单片机更加熟悉，所以决定采用方案二来完成本次设 计。 为了实现了根据区域车流量、红外检测或者人为操作进行十字路口交通信号灯智能控制，并在软硬件方面采取一些改进措施，实现了根据十字路口车流、红外检测量
17、进行交通信号灯智能控制，这样，交通信号灯现场控制灵活、有效，从一定程度上解决了交通路口堵塞、车辆停车等待时间不合理等问题。 本文是采用了以 AT89C51 单片机为核心的控制方案。方案中通过遮光式的红外传感器来检测东西方向和南北方向的车流量大小，再经过一定的简单算法算出各方向上的红绿灯时间并在数码管显示器上显示倒计时，同时通过路口上的红绿灯的点亮与 熄灭控制车辆的通行与停止。另外，方案中还设计一个紧急车辆通行按键，每当有紧急车辆需要通过时，操作员按下按键，东西方向和南北方向上均为红灯，并发出警报禁止普通车辆的通行，先让紧急车辆通过。 东西、南北两干道交于一个十字路口，各干道有一组红、黄、绿三色
18、的指示灯，指挥车辆安全通行。红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行。黄灯亮提示人们注意红、绿灯的状态即将切换，且黄灯燃亮时间为东西、南北两干道的公共停车时间，指示灯燃亮的方案如表 2.1。 表 2.1 指示灯的燃亮方案表 （ T1-3） s 3s （ T2-3） s 3s 东西道 红灯亮 黄灯亮 绿灯亮 黄灯亮 南北道 绿灯亮 黄灯亮 红灯亮 黄灯亮 表 2.1 说明： （ 1）当东西方向为红灯，此道车辆禁止通行；南北道为绿灯，此道车辆通过。时间为（ T1-3）秒。 （ 2）黄灯闪烁 3 秒，警示车辆红、绿灯的状态即将切换。 （ 3）当东西方向为绿灯，此道车辆通行；南北方向为红灯，南北道车辆禁止通过。时间为（ T2-3）秒。 （ 4）这样如上表的时间和红、绿、黄出现的顺序依次出现这样车辆就能安全畅通的通行。另外，在紧急情况下，操作员可以通过紧急按键 K1，使两路口均是红灯，禁止普通 车辆通行，先让紧急车辆（例如救护车等）通过。 注：时间 T1 和 T2 均由红外传感器检测电路测的。另外，在交通灯的燃亮指示表中，东西（南北）方向绿灯的点亮时间为（ T1-3）（南北方向绿灯为（ T2-3），这是因为循环时间段 T1（ T2）包括绿灯和黄灯的时间，扣除的 3 秒钟为黄灯的点亮时间，所以从时间段 T1（ T2）扣除黄灯的 3 秒钟即为东西方向的绿灯点亮时间（南北方向的绿灯点亮时间）。
