1、单片机在智能交通控制方面的运用摘要: 单片机，是一种芯片，是由运算器、存储器、控制器、输入输出设备这五个部分组成，是运用超大规模的集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器 CPU、随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、中断系统、中断系统和多种 I/O 口、定时/计数器等功能（有可能还包括显示脉宽调制电路、驱动电路、A/D 转换器等电路、模拟多路转换器）集成到一个小型硅片上构成的一个微小而完善的计算机系统。它在家用电器、仪器仪表、医用设备、航空航天、智能交通控制方面、专用设备的智能化管理及过程控制等等领域都有广泛应用。本文首先分析了我国交通控制的现状，得出传统的交通控制系统不能满足日益复杂的
2、交通状况，基于单片机的智能交通控制系统对复杂条件下的交通控制更为有效，因而受到广泛关注。主要介绍了单片机的历史以及在智能交通控制方面中的运用，随后对基于单片机的智能交通控制系统从硬件设备、功能、优缺点和发展前景等方面做了简短的介绍。 关键词: 单片机；智能交通控制；发展前景 中图分类号： TB381 文献标识码： A 文章编号： 前言 近年来，随着我国经济的越来越快发展，人们对生活质量的要求越来越高，小汽车也逐渐进入了千家万户，但是越来越多的城市交通问题暴露在人们面前，例如城市的拥挤堵车问题。因此人们开始考虑把单片机应用于智能交通控制中，这样单片机在交通中的何种运用能最大程度上解决城市交通问题
3、就成为了重中之重，在经过人们一系列探讨之后，人们觉得在交通灯方面应用单片机，可以根据实时车流量对各个路口的红绿灯时间进行动态调节，以保证城市车流的调节达到最优。 伴随着电子技术的快速发展，特别是随着后计算机时代和大规模集成电路的到来，微处理器及其芯片也得到了迅猛发展，使微机更广发的应用到人类生活的各个方面。单片机又称作单片微处理器，英文缩写MCU，是微型计算机的一个重要分支，是现代电子技术和计算机技术的新兴领域。单片机技术的广泛使用，大大提高了诸多领域的自动化水平、智能化水平和技术水平。鉴于我国交通车辆随机性大、种类繁多和影响因素较多的交通现状，我国研发了许多基于单片机的自适应智能交通控制系统
4、。 一、我国城市交通信号灯的现状和存在的不足 1.1 我国城市交通信号灯的现状 在我国的各个城市中，十字路口处的交通秩序在绝大多数情况下是由交通信号灯控制的，交通信号等已经成为行人和司机在路上行驶的行为准则，因此，城市十字路口处的交通灯是保证道路畅通和行车安全的关键因素。在目前条件下，我国大多数城市的交通信号等采用的是“自动”红绿交通灯，它的特点是红绿灯变换的时间间隔是固定不变的。它的组成一般包括方向指示灯、红黄绿三色信号灯和禁止与通行时间显示器三部分。这种交通灯在对十字路口的交通实行控制时，一般是两个车道各放行 50 秒，或者是根据交通车流量的大小，车流量大的车道放行 60秒，车流量小的车道
5、放行 40 秒，不论采用哪种控制方法，放行与禁止时间都是固定不变的，信号也是以固定的频率做周期性的更替。这种交通控制方法与实际的交通状况有很大差异。实际中，不同的时刻道路的车流量是复杂多变的，具有很高的随机性和非线性，并且受到人为因素的影响十分明显。由上述情况可以看出，我国现在采用的定时的交通信号控制系统与实际的交通状况很不相符，当道路状况发生改变时，该系统不能满足路人和司机的实际需求，车流量少的车道绿灯亮，车流量多的车道红灯亮的情况会经常发生，严重影响道路的使用效率，造成交通系统的拥挤和经济损失。 1.2 我国城市交通信号灯的不足 我国现在使用的信号交通灯的不足之处主要有： （1）信号更替频
6、率固定适应不了复杂的交通情况；（2）经改进的模糊控制系统不能用数字进行精确控制；（3）在发生突发情况，比如交通事故时，不能很好的协调两个车道的行车，很容易造成交通拥堵；（4）当有车辆需要紧急通过时，目前的交通控制系统没有办法为其开辟一条绿色通道。 二、单片机简介 2.1 单片机定义 单片机，是单片微型计算机的简称，是具有典型代表的嵌入式微控（Microcontroller Unit） ，常用英文字母的缩写 MCU 来表示。单片机又可以称单片微控制器，它并不是一个芯片仅仅为了完成某一个逻辑功能，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上，相当于一个微型的计算机，和计算机相比而言，单片机只缺少了 I/O
7、 设备。总的来讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。 2.2 单片机的历史发展 它最早是被用在工业控制领域。单片机于 1971 年诞生，经过了SCM、MCU、SOC 三大阶段。最初的 SCM 型单片机都是 8 位或 4 位的，这其中最成功的莫过于当时 INTEL 的 8031，从那以后在 8031 上衍生出了MCS51 系列的 MCU 系统。而这一 MCU 系统现在都还在广泛应用。到了 90年代，随着消费电子产品的飞跃式发展，单片机技术得到了巨大提高。伴随着 INTEL i960 系列
8、的出现，尤其是后来的 ARM 系列在各领域的应用广泛，32 位单片机迅速成为市场主流。而传统的 8 位单片机的性能也得到了很大程度的提高，处理能力相对于以前来讲提高了数百倍。就目前来讲，最高端的 32 位 SOC 单片机主频已经比 300MHz 还要大，性能也很好。单片机是由专用处理器发展而来，它的芯片内仅有 CPU。最早的单片机设计理念是把大量外围设备和 CPU 集成在一个芯片中，这样会使计算机系统更小，更易集成复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。然而现在的单片机系统摆脱了那种只在裸机环境下开发和使用的模式，大量专用的嵌入式操作系统在全系列的单片机上得到了广泛应用。而在作为掌上电脑和手机核
9、心处理的高端单片机甚至可以在专用的 Windows 和Linux 操作系统直接使用。 三、智能交通灯控制 3.1 控制系统组成 应用于交通灯当中的单片机，它主要由主机模块、从机模块、通行时间显示模块和红绿灯显示模块组成。 （1）主机是整个单片机控制系统的核心，它根据从机模块发送过来的车辆数量，调整时间间隔，以实现与从机之间的串行通信。 （2）从机在东西南北方向各设一个，总共有四个，它们主要是对车辆进行实时检测、计数、识别，实现与主机之间的串行通信。 （3）交通灯通行时间显示是用来表示红色显示的余下时间，车主们可以由此来调整车子的速度。 （4）红绿灯显示是用来显示目前的交通运行状态。 3.2 单
10、片机控制器 作为整个智能交通灯控制系统中的重心，在考虑价格和性能的基础上，我们选择使用具有良好性能且价格适宜的 AT89C52 单片机。它内部包括：32 条 I/0 线、8KB 闪速存储器、256 个字节 RAM、3 个 16 位定时/计数器、六源两级中断结构、全双工串行口、片内振荡器及时钟电路等硬件资源。它还是以静态逻辑原理设计而成的，时钟频率在 0HZ24MHZ范围内。 3.3 采集车辆信号 3.3.1 普通车辆信号的采集 对于车辆在红灯方向排队等候的数量，车辆通过绿灯道口的数量和在此期间从后面过来的排队车辆数量这三种情况，我们把八个传感器设置在十字路道口四侧，所用的传感器是振荡器，它的谐
11、振电感埋在道路的中央。传感器的输出引脚接至单片机，一旦有车辆通过，电感的量变导致震荡频率也发生改变，这是单片机的计数器记录一次。埋在斑马线旁边一端的是近端传感器，另一端是远端传感器，相距大约 50m 的“等待距离” 。当有红灯时，由远端传感器记录进入“等待距离”的车辆数量，当有绿灯时，一方面近端传感器这时开始计数，因而知道在有绿灯期间通过道口的车辆数量，进而判断在同一时间到达的车辆是否已经完全疏散；另一方面在亮绿灯时，因为这时候后面的车辆仍然会进入“等待距离” ，故在此期间远端传感器同时也在计数，一直到下一次绿灯期间置为0。 3.3.2 紧急车辆信号的采集 当有警车、消防车、救护车等紧急车辆到
12、来时，采用 LM567 音频检测器，这样系统就可以辨别。LM567 称为通用音频译码器，是由一片锁相环电路组成。当有紧急车辆到来时，比如说消防车，音频传感器把消防车产生的声音信号采集起来，再通过放大器放大，然后输入到 LM567 的3 引脚。由于消防车的声音忽高忽低，我们根据这一特点，需要分别通过调整 R 设置 3 种高低不同的中心频率，因此就得在系统中设置 3 个LM567 音频译码器。当 3 个 LM567 的 8 脚均由高电平降至低电平，这就说明此时有消防车到来。这时系统就会将所有红绿灯置为红灯显示，让消防车十分顺利通过路口。 四、基于单片机控制的交通智能控制系统 4.1 控制系统的主要
13、硬件设备 主要硬件有：（1）8051 单机片，采用 HMOS 工艺制造的双列直插式芯片， 由因特尔公司推出，各项性能都完全能满足系统对芯片的要求；（2）接口芯片 8255，它是一种可编程输出输入芯片，有 3 个 8 位的并行I/O 接口，拥有三种运行方式，通用性相对较强，灵活方便，是外围设施与单片机连接的中间接口电路的最佳选择；（3）AT89C51 的 P1 口作为整个系统的键盘控制模块；（4）8255 芯片的 PA 接口可以作为交通信号灯的显示模块，以发光二极管作为交通信号灯。 4.2 交通控制系统的主要功能 该交通控制系统的主要功能有：在交通异常或者有紧急车辆强制性通过时，能够自行作出判断
14、及处理；能够倒计时显示出车辆的通行时间；在夜间行人和车流量都比较少的情况下，可以实现十字路口两个方向的黄灯闪烁，进入夜间控制模式；在发生交通事故的十字路口，可以利用手动控制模式，人工调整每个方向交通信号灯的时间。 按下键盘上的 A 键，系统启动，刚刚启动时东西方向绿灯先亮，南北方向红灯先亮，信号灯点亮的时间可以由键盘输入，点亮时间的范围为 0 秒到 99 秒。当信号灯上显示的时间为 0 时，东西方向的绿灯和南北方向的红灯同时熄灭，黄灯同时点亮，点亮时间为两秒钟，随后东西方向的红灯和南北方向的绿灯同时点亮，点亮时间仍然为设定值，当倒计时为 0 时，东西方向的红灯和南北方向的绿灯同时熄灭，两个方向
15、的黄灯同时点亮，时间为两秒。当黄灯倒计时为 0 时，该控制系统的一个工作周期结束，之后会重复前一个周期的工作。该系统还提供了修改设定时间的功能，在任何时候，只要按下键盘上的 B 键，系统的倒计时会消失，等待重新设定时间。 在道路的十字路口处，经常会出现一个方向的车流量非常大，但是另一个方向的车流量却很小的情况。在传统的交通控制系统中，交通灯时间的设定比较固定，就会造成该路口处交通的拥挤和混乱，但是基于8051 单机片控制的交通控制系统，可以根据实际路况调整两个车道的通行时间。其原理为该系统的传感器可以感应到每个方向车流量的多少，当传感器检测到一个方向有车但是另一个方向车道没有车时，交通异常状况
16、处理方式会自动启动，在这种模式下，系统会强制有车的车道放行5 秒，然后无车的车道继续放行。 在有紧急车辆通过的情况下，可以通过紧急车辆强通开关来控制交通。在正常情况下系统的信号灯按照正常模式运行，当有紧急车辆需要通过时，可以按下紧急车辆强通开关，此时，无论原来交通信号等处于何种状态，系统都会点亮两个方向的红灯，禁止其他车辆行驶，对紧急车辆放行 20 秒。 4.3 该系统优点和不足之处 该系统采用 8051 单片机，对单片机性能做了充分的利用，使系统的可靠性和稳定性得到明显的提升，同时系统的电路图简单易懂，硬件安装不复杂，体积小巧，为系统的维护和调试带来了极大的方便。该系统还具备了人机交互功能，
17、可以依据实际需要，对程序中的参数做出相应的修改，使系统能够应对各种复杂的情况，适应性大大增强。应用传感器和键盘实行实时监控，能够对两个车道的通行时间灵活控制，可以人工中断，为紧急车辆开辟绿色通道。整个智能交通控制系统对城市交通的车辆分流、行车安全、减少交通事故的发生都有很大的促进作用。当然整个系统也有许多不足之处等待设计者完善，比如人工控制时间的调节、摄像机对交通控制系统的作用、向右转和向左转的检验、语音提示等功能还需要进一步完善。 五、基于单片机交通灯的发展及前景 单片机的各项性能指标正在迅速提升，完全能够适应现在的智能交通控制系统的要求。现在的单片机已经采用了先进的三核结构形式，此结构是建
18、立在系统芯片概念的基础上，三核分别是外围专用集成电路、程序和数据存储器核、微控制器和 DPS 核。将其与传统的单片机结合，可以很大程度上提高单片机的性能。由于单片机可以很容易地被嵌入到任何小型甚至是微型的设备或者仪器当中，所以它也被称作嵌入式微控制器。目前形势下，将互联网和单片机嵌入式系统连接已经成为一种趋势。但是将单片机与互联网连接还存在一些要解决的技术问题。众所周知，互联网技术通常情况都拥有强大的服务器，对用户终端的要求比较低。这种技术比较适用于在互联网上存储和访问大量的数据，要利用其对嵌入式仪器或设备进行控制，会使该系统的成本大大提高，造成巨大的浪费。到目前为止，已有多家公司在研究将以单
19、片机为核心的嵌入系统同互联网连接的技术，在这方面研究成果比较突出的两家公司分别是TASKING 公司和 EmWare 公司，同时嵌入式联网联盟（英文缩写为 ETI）也在加紧开发潜入式 INTERNET 的解决方案。以上研究都已取得突破性的进展，很快会有成果公布出来。由此可见，将单片机应用于交通控制，开发出一种智能的交通控制系统的条件已经完全具备，同时由于此种智能控制系统较传统交通控制系统有诸多优点，必将会有广阔的市场。 现在人类生活中所用的几乎所有电子和机械产品中都会或多或少存在着集成单片机。就好像手机、计算器、电话、电子玩具、家用电器、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有 1 到 2 部单片机
20、。汽车上一般配备 40 多部单片机，而在复杂的工业控制系统上数百台单片机在同时工作都有可能。单片机的数量不仅远超过 PC 机和其他机器的总和，更甚者比人类的数量还要多。现在单片机已经渗透到各个领域了，范围大到导弹的导航装置，飞机上仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，小到广泛使用的各种智能 IC 卡，民用豪华轿车的安全保障系统，摄像机、录像机、全自动洗衣机的控制，以及电子宠物、摇控玩具等领域，这些都离不开单片机。因此对单片机的了解和学习是社会发展的必然需求。就目前来说，我国对单片机设计人才需求很大。单片机领域的人才缺口相当大，据调查，我国目前单片机从业人员只有 140 万人，而随着社会经济的发展，单片机的从业人员将更为抢手。据专家不完全统计，我国单片机设计从业人员缺口还有 160多万人，对单片机人才的需求只多不会少。目前我国单片机设计人才培养途径有三个：第一个是像北大、清华、浙大、上海交大等高校，一个学校一年也只能培养出百十来人，而培养出来的学生不能做到一毕业就马上上岗，得经过一段时间的实习培训，人才相当有限。二是设计公司自己培养。三是国外留学归来的人才。现在单片机的品种繁多，各具特色，但是仍以 80C51 为核心的单片机占据着市场主流，具有代表性的是PHILIPS 公司、ATMEL 公司和中国台湾的 Winbond 系列单片机。在此之外
