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1、毕业论文(设计) 题 目 基于单片机的交通灯控制系统设计 学生姓名 王 义 爱 学 号 20061336043 院 系 信息与控制学院专 业 自动化指导教师 王玉芳二一年 五月二十日目 录1 绪论11.1研究意义11.2交通灯研究现状21.2.1 国内城市交通现状21.2.2 国际先进成果21.3研究内容22 总体方案设计33 硬件设计43.1 单片机概述43.2 电源电路73.3 检测电路83.3.1 红外传感器的发展83.3.2常用的红外传感器83.3.3 主动式红外传感器简介103.3.4 检测电路103.3 紧急按键K1电路113.4 红绿灯显示电路113.5 倒计时显示电路123.6
2、振荡电路143.7复位电路144 系统软件设计154.1 主程序设计164.2延时子程序194.2.1 计数器硬件延时194.2.2 软件延时214.3 计数器计数224.4 数码管显示子程序224.5 黄灯闪烁子程序234.6 车流量算法子程序234.7 紧急车辆子程序245 系统实现255.1 仿真软件简介255.1.1 Proteus软件简介255.1.2 Keil软件简介265.2 仿真实现285.3 实物设计296 结束语31参考文献32致谢34ABSTRACT35附录 程序清单36- II - 基于单片机的交通灯控制系统设计 基于单片机的交通灯控制系统设计王义爱 南京信息工程大学信
3、息与控制学院 南京 210044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
4、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1 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。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
5、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
6、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18。本系统利用AT89C51单片机1，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2，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
7、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
8、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”，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
9、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。1.3 研究内容 综合研究和分析国内外交通灯的研究技术以及方向，总结各类检测车流量技术
10、的特点和应用前景，利用现有的检测技术和控制技术设计一种基于51单片机的交通灯智能控制的装置。本次毕业设计设计一个主动式红外对射式传感器和单片机在交通系统中的应用设计，基本研究内容有以下几点： 1）学习并熟悉单片机的基本结构、引脚功能说明等硬件方面的知识。2）在传感器上，主要使用的是红外传感器，在这方面我们要了解传感器的工作原理，传感器是该系统的检测部分的核心之一，它关系到其它各个部分的运行和操作。3）学会利用多种语言编写单片机的程序，特别是高级语言的使用会极大地降低编写程序的复杂性。4）在电路方面，我们要了解电路的作用，电路的工作原理，电路的设计原理，加深我们对电路知识的学习。5）要熟悉系统设
11、计思路，组织电路的设计，了解整个电路的联系，将其组成一个整体，实现最终的设计思路。2 总体方案设计本文是采用了以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、绿三色的指示灯，指挥车辆安全通行。红灯亮
12、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）s3s（T2-3）s3s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
13、。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）。3 硬件设计本系统利用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
14、，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。系统的基本原理框图如图3-1所示：图3-1 系统的基本原理框图下面从各个电路分别加以说明，首先介绍一下单片机。3.1 单片机概述单片机3也被称为微控制器（Microcontroller），是因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z8016是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高
