1、基于单片机智能交通灯设计基于单片机的智能交通灯设廿摘要本文介鉛了一个基于PROTEUS的智能交通灯控制系筑的设计与仿真,系统能够根 弼十字胳口双车道车潦量的悄况控制交通信号灯按特定的规律变化。本文首先对智能交通灯的研究恵义和智能交通灯的研究现状进行了分析，福岀了现 状交通灯存在的缺点，并提出了改进方法。智能交通灯腔制系貌通常要实现自动腔制和 在紧急悄况下能够手动切換信号灯让特殊车輛优先通Rot文还对AT89S51单片机的结 构特贞和重要引脚功能进行了介鉛，同时对智能交通灯腔制系统的设it3 It T详细的分 ffio最后介给了 PROTEUS嵌人式系统仿真与开发平台的使用方法，利用Proteu
2、s 件对 交通灯控制系貌进行了仿真，仿真第果表明系统工作性能良好。关建词：单片机,智能交通灯控制系统,PROTEUS ffi真引言智能的交通信号灯指挥着人和各种车剧的安全运行，实现红、黄、绿灯的自动指挥是 城乡交通管理现代It的重要课題.在城乡術道的十字交叉路口，为了保证交通扶序和行人 安全，一股在毎条道路上各有一组红、黄、绿交通信号灯，其中红灯亮，表示该条ii路禁止 通行；黄灯亮，表示该条道路上未il停车线的车辆停止通行，已11停车线的车辆笊续通行; 绿灯亮,表示该条道路允许通交通灯控翎电路自动腔制十字路口两组纟I、黄、绿交通 灯的状态转换，指挥各种车辆和行人安全通行，实现十字路口城乡交通管
3、理自动化.本文为了实现交通道路的管理，力求交通管理先进性、科学化.分折应用了单片机 实现智能交通灯管制的腔制系貌，以及该系貌軟、硬件设廿方法，实騎込明垓系筑实观简 单、经济，能昵有效地疏导交通,提高交通路口的通行能力.一、绪论 31.1交通灯控翎系统的研究现状 31.2基于单片机的智能交通灯腔制系统设计的克义 31.3 $论文主要工作 4二、 曹能交通灯的相关设it 42.1智能交通灯的技术荷标 42.2智能交通灯设廿的方案选择 42.3 g能交通灯方案的实现 5三、 智能交通灯的设计 63.1 AT89S51单片机的till能参数和主要引脚功能 63.2各模块控制电路 93.3交通灯的軟件设
4、计流程图 12皿、智能交通灯方案的仿真 13五、系统分桥及改进措施 14结束培 15致谢 15参考文献 16一、绪论1.1交通灯控制系统的研究现状在今天，红绿灯安装在各f道口上，已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段。 但这一技术在19世纪就已出现了。1858年，在英国伦敦主嬰術头安装了以悠煤气为光源的红，蓝两色的机械扳手贰信 号灯，用以指挥马车通行。这是世界上最早的交通信号灯。1868年，英国机械工程加细 卩特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上，安装了世界上最早的煤气红绿灯。它 由红绿两色鹿转式方形玻朋提灯组成，红色表示“停止”，绿色表示“注意”。1869年1 月2日，煤气灯爆炸，使警
5、察受伤，遂被取消。1914年，电气启动的纟I绿灯岀观在美国。 这种红绿灯由红绿黄三色圜形的投光器组成，安装在纽约市5号大侨的一座高塔上。红 灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通行”。而中国最早的马路交通灯却是谨生于1928年 的XX英租界。从最早的手牵皮带到20世纪50年代的电气腔制，从采用计算机控制到现代化的电子定时监控，交通信号灯在科学化、自动化上 不斷地更新、发展和完善。但是，險着社会的不Bi进步，传统的交通灯的缺陷也 日益岀现，其中设廿过干死板，达不到道路的最大通行效率是最明显的问題，红 绿灯交替变换时间U于程it ItoPfif SB经济的高速发展，人们对各种交通车辆的需求量不Bi增大，
6、城市的 交通拥护问題日益严重，目前，大甜分城市的十字路口的交通控制灯，通常的做 法是：事先经过车辆流量的嗚査，利用传貌的方法设it好红绿灯的延时，然而， 实际上的车流量是不Bfi变化的，有的路口在不同的时间段车流量的大小甚至有很 大的差异，所以说，统廿的方法己不能适应迅速发展的交通现状。1.2基于单片机的智能交通灯控制系统设廿的意义国内的交通灯一般设在十字路门，在醉目位置用纟I、绿、黄三种颇色的指示灯。加 上一f倒廿时的显示廿时器来控翎行车。对干一股悄况下的安全行车，车辆分流尚能发 挥作用，但根据实际行车il程中岀现的悄况，还存在以下缺点：1.两车道的车辆轮流 ttliM间相同且同定，在十字胳
7、口，经常一个车道为主干道，车辆较多，朋行时间应 该长些；另一车道为副干道，车辆较少，赦行时同应该短些。2.没有考虑紧急车通il 时，两车道应釆取的措施，臂如，消肪车执行紧急任务通过时，两车道的车都应停止， 让紧急车通13。基干传统交通灯控翎系统设廿过于死极，红绿灯交替是间il干程式化的缺虑，智能 交通灯控制系貌的设it就更显示出了它的研究总义，它能根据谊胳交通拥护，交叉路口 经常出现拥堵的悄况。利用单片机控射技术.提出了软件和硬件设廿方案,能够实现逋 路的最大通行效率。1.3本论文主要工作本文为了实现交通道路的管理，力求交通管理先进性、科学化.分折应用了单片机实 现智能交通灯管翎的控翎系紀以员
8、该系貌軟、硬件设it方法,实騎込明该系统实观简单、 经济，能够有效地说导交通,提高交通路口的通行能力.首先对智能交通灯的研究恵义和智能交通灯的研究现状进行了分析，指岀了现状交通 灯存在的缺点，并提出了改进方法。智能交通灯腔制系貌通常要实现自动腔制和在紧急 悄况下能够手动切换信号灯It特殊车辆优先通行。本文还对AT89S51单片机的緒构特点 和重要引脚功能进行了介鉛，同时对智能交通灯控制系筑的设廿进行了详细的分析。最 后介鉛了 PROTEUS嵌入武系貌仿真与开发平台的使用方法，利用Proteus 件对交通灯 控翎系统进行了仿真二、智能交通灯控胃系竦的相关按廿2.1智能交通灯控制系统的技术指标1、
9、 设廿一个十字路口的交ii灯控制电路,要求南北方向和东西方向两个交叉路口的 车辆交替运行，两个方向能根据车流量大小自动调节通行时同,车浦量大,通行时 间长,车渣量小，通行时间短。2、 每次绿灯变红灯叭要求黄灯先亮5S,才能变换运行车辆。3、 东西方向、南北方向车道除了有红、黄、绿灯指示外，每一种灯亮的时间都用 数侶管显示器进行显示（釆用個it时的方法）。4、 同步设置人行横道红、绿灯指示。5、 考唸到特殊车辆悄况，设置紧急转换开头。2.2智能交通灯控別系统设廿的方案选择it对道路交通拥挤，交叉路口经常岀现拥堵的悄况。利用单片机腔制技术.提出了 軟件和硬件设it方案及两农改进措施：1、根折各11
10、路路口车流量的大小自动iS节通行时间。2、考虑特殊车辆通行悄况，设it紧急幼换开关。由于AT89C51单片机自单带有2廿数器，6个中飾源，能满足系统的设廿要求。用 单片机设廿不但设廿简单，而目成本低，用其设廿的交通灯也满足了要求，所以本文采 用单片机设计交通灯，系统构图如图1所示：南北検测点紧急曲|开关S1系统给构框图2.3智能交通灯方案的实現根据设it任务和要求，可ii岀该腔制器的原理框图，为确保十字路口的交通安全，往 往都采用交通灯自动控樹系貌来控制交通信号。其中红灯（R ）亮，表示禁止通行；黄 灯（Y）亮表示暂停；绿灯（G）亮表示允许通行。1）控制器的系鋭16图如图2所示。2）电路图图2
11、交通灯控制器系统框图智能交通灯电路图81图3所示。图3智能交通灯电路图3）工作原理大家都明白，绿灯的放行时间与车辆通过数量不成正比。比如说20杪内毎车道可 以通11 20车，40枚内毎车道却可以通1145车。因为迪有一个起步的问题，还有一 个黄灯等侍冋題。也就是说，绿iTttllMIO长，单位时间通11车辆的数量就越名。我 1来计算一下，毎车道通行20枚内可以通过20辆车，一个红绿是40杪（单交叉 路口），加上毎次状态转换的黄灯5枚（一个循坏要两次转换），即一个纟I绿黄tTffiJI要 50杪，即50枚内通行的车辆为40辆。通ii-ffi车的平均时间是1.25杪。如果毎次车 辆通行的时间改为4
12、0枚，40枚内每车道可以通il 45辆，一个纟I绿是80杪（单交 叉胳口），加上毎次状态转换的黄灯5枚（一个循坏要两次转换），即一个纟I绿黄tTBif 要90杪，即90枚内通行的车辆为90辆。通过一辆车的平均时间只需1杪。显然在车 辆拥挤的悄况下绿灯的通行时间極长，单位时间内通行的车辆越名，可以有效缓解车捕 拥堵冋題。当然绿灯时间也不可能无限长，要考虑到It另一路口的等待时间不能过长。 人们总是希望在交通灯前等候的时间強短越好。所以笔者设定了绿灯通行时间的上限为 40枚。在非拥挤时段绿灯的通行时间的下限为20枚，当交叉路口双方车辆较少时通行 时间设为20杪，这样可以大大编姬车辆在纟I灯面前的等
13、侍时间。当交叉路口双方车辆 较多时通行时间设为40枚。三、智能交通灯的设廿3.1 AT89C51单片机的主嬰牲能参数和主要引脚对交通灯控制系统的设廿，首先应对交通灯的核心腔制芯片的基本结购和特征以员 主要引脚有比较洋细的了解。AT89C51是美国ATMEL公司生产的K U ft ,高性能 CMOS 8位单片机,片内含4k bytes的可系统编程的Flash只读程序存储器,器件呆用 ATMEL公司的高密度、非易失性存BI枝术生产，兼容标准8051指令系貌及引脚。t 集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8 SIS处 理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强t,
14、KtE AT89C51单片机可为您提哄许名 高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。I、主要性能参数与MCS-51产晶荷令系统完全兼容4k字节在系统编程（ISP ） Flash闪速存储器1000次擦写周期4.0 - 5.5V的工作电压X围全静态工作模武：OHz-33MHz三级程序加密锁128x8字节内部RAM32个可编程I/O 口线2个16 定时/廿数器6个中斷源全双UART通道Itttttt空俐和掉电模贰看门W （ WDT ）及双数据指针掉电标识和快速编程特性灵活的在系统编程（ISP字节或页写模式）II、主要引脚功能vcc：电源电压GND：地P0 口： P0 口是一组8位漏枚开胳里双向
15、I/O 口，也即地址/数据总线复用口。作为 输出口用时,每位能驱动8个TTL逆辑门电路，对端口写“I”可作为高皿抗输人端用。 在诉冋外部数据存慵器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线 夏用，在诉冋期间激活内部上拉电皿。在Flash编程时，P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输岀指令字节，校验时，要求 外接上应电恤。P1 口： PI是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O 口, PI的输出缓冲级可驱动（吸收 或输出电流）4个TTL遐辑门电路。对竭口写“I”，通11内部的上拉电01把常口拉到高 电平，此时可作输入口。作输入口使用时,因为内部存在上U电IB,某个引脚被外部信 号U低
16、时会输出一个电 （HL）o Flash编程和程序校验期同,PI接收K81J地址。表1貝有第二助能的P1 口引聊端口引H第二功能:P1.5MOSI （用于ISP编程）P1.6MOSI （用于ISP编程）P1.7MOSI （用于ISP编程）-P2 : P2是一个带有内部上拉电皿的8位双向I/O 口，P2的输出缓冲级可軀动 （吸收或输出电8）4个TTLgftn电路。对端口写“1”，通过内部的上应电险把常口 拉到高电平，此时可作输人口，作输人口使用时，因为内部存在上也电皿，某个引卿被 外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。在诉冋外部程序存储器或16 R地址的外部数据 存储器（例如执行MOVXDPTR
17、指令）时,P2 口送出高8位地址数摇。在诉冋8位地址 的外US数据存储器（如执行MOVXRi指令）时,P2 口线上的内容（也即特殊助能寄存 器（SFR）区中P2寄存器的内容）,在整f ffilOJ间不改变。Flash编程或校验时，P2 亦接收高位地址和其它控歟信号。P3 : P3 口是-组带有内册上拉电曲的8位双向I/O 口。P3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输岀电流）4个TTLg辑f电路。对P3 口写人T时,它们被内部上应电皿应高并可作为输入端口。作输人常时，被外SlififK的P3 口将用上拉电阻输出电渣（HL ）o P3 口除了作为一般的I/O 口线外，更重要的用途是它的第二助能，如下表所
18、示:表2具有第二助能的P1 口引啣端口引脚第二功能：P3.0RXD （串行输人口）P3.1TXD （串行输出口）P3.2/INTO （外中 Bi 0 ）P3.3/INT1 （外中）P3.4TO （定时/计数器0外部输人）P3.5T1 （定时/计数器1外部输入）P3.6/WR （外部数据存储器写选通）P3.7/RD外部数摇存Hi器读选通）P3 口还接收一些用T Flash闪速存棒器编程和程序校验的控制信号。RST：夏位输人。当振蒲器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片 机夏位。WDT隘出将使该引脚输出高电平，设置SFR AUXR的DISRT0位（地址8EH ） 可打开或关冈该功能
19、。DISRT0位缺省为RESET输岀高电平打开状态。ALE/：当诉冋外部程序存储器或数据存储器时,ALE （地址锁存允许）输岀脉冲用干 锁存地址的低8位字节。即使不诉冋外91存储器,ALE仍以时外振蒲頓率的1 /6输岀 固定的正脉冲信号，因此它可对外输岀时外或用于定时目的。要注恿的是：每当前问外 部数据存储器时将践过-个ALE脉冲。对Flash存惦器编程期间，该弓|脚还用于输入编 程脉冲（PROG ）o如有必要，可通il对特殊功能寄存器（SFR ） E中的8EH单元的DO位 置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条M0VX和M OVC指令ALE才会被激活。 此外，该引関会被撤弱拉高,单片机
20、执行外部程序时,应设置ALE无效。程序储存允许（）输出是外部程序存储器的读选通信号,3 AT89S51由外部程序存 棒器取指令（或数据）时，毎个机器周期两次有效，即綸出两个脉冲。当前间外部数据 存8!器，没有两次有效的信号。/VPP：外部前问允许。做使CPU仅诉冋外部程序存储器（地址为0000H - FFFFH ）, EA竭必须保持IK电平（接地）。需注意的是：如果加密ELB1 编程，IEW内部会锁 存EA端状态。如EA常为高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存68器中的指令。 Flash存储器编程时，複引Will +12 V的编程电压Vpp。XTAL1:振務器反相放大器艮内部时押发生器
21、的输人端。XTAL2：振蒲器反相放大器的输出端。3.2各模块控制电路交通灯系貌由呱部分组成：车检测电胳，信号灯电胳，时间显示电胳，紧急转换开 关。I、车检測电路用来乳断各方向车辆状况，比如：20秒内可以通过的车辅为20辆，当20秒内南往北方 向车辆通过车辆这不到20辆时，判斷该方向为少车,当20杪内北往南方向车辆通11车辆也这不到20辆时，判断该方向也为少车，下一次通行仍为20秒,当20秒时间内南往北或 北往南任意_个方向通过的车辆达20辆时证明该狀态车辆较多，下一次该方向绿tTffili 时间改为40枚，当40枚内通11的车辆数达45辆时车辆判斷为拥挤，下一次绿灯赦行时间 改仍为40枚，当4
22、0枚车辆上通过车辆这不到45辆时，判斷为少车，下次绿灯笊行时间改 为20枚，依此类推。绿灯下限时间为20枚，上限值为40枚，初始时间为20枚。这样检 測，某次可能不准晞，（S下次肯定能弥补回来，累枳廿算是很准确的，这就是人们常说 的“模刪控制”。因为路上的车不可能突然增多，塞车部有一个累枳过程。这样腔制可 以把不撕增多的车辆一步一步消化，虽然最后由干毎个路口的绿tTfi时间延长而使等 候的时间变长，但比塞车等候的时间短得多。本系统的特点是成本低，控制准晞。十字 路口车辆通行噸序如图4所示：图4十字路口车辆通斤顺序由于南往北,北柱南时同显示相同，所以只要一个方向多车，下次时间就要加长东住西，西往
23、东也一样，显爪时间选择如表3.表3显示时间选择南往北少车，北往南多车20枚40杪40枚40秒南往北多车,北往南少车20枚40杪40枚40秒南往北多车,北往南多车20枚40秒40枚40秒东往西少车，西往东少车20枚20杪40枚20枚东往西少车，西往东多车20杪40杪40枚40秒东往西多车,西往东少车20杪40枚40枚40秒东往西多车,西拄东多车20杪40秒40秒40秒IK信号灯电路信号灯用来显示车辆通行狀况，下面以一个十字路口为例，说明一个交通灯的四种状态见图5。每f路口的信号的的转换魚序为：绿一黄一纟1绿灯表示允许通行, 黄灯表示禁止通行，但已经般ii安全线的车辆可通行，是绿灯过渡到红灯提示灯
24、。红灯表示禁止通行。绿灯的最短时间为20枚，最长时间为4 0枚，红红最短时间为25枚，最长时间为45秒，黄灯时间为5秒。OOO红黄绿图5交通信号灯运行状态III、时间显示电路在交通信号灯的正上方安装一个可以显示绿灯通行时间，红灯等侍时间的显示电 路,采用数码管显示电胳是一种很好的方法。由于东往西方向和西往东方向显示的时風 相同，南往北方向和北往南方向显示的时间也相同,所以只需要考虑01位数码管显示电 路,其中东西方向两位，南北方向两位，两位数侶管可以时间的时间为0-99杪完全可 以满足系统的要求下面我1用这种方法显示交通灯的时间，南北方向要显示20杪,东西方向要显 示25杪，册么我们先给P0
25、口送2的共明极码即5BH, it第一位2要显示的位码GND 段为低电平，其它三位的控制端部接高电平，那么第一位就显示2,其它三位不亮。让 其显示1MS后再给P0 口送0的共阴18同即3FH, il第二位要显示0的位码GND段为低 电平，其它三位的控翎端都接高电平，那么第二位就显示0,其它三位不亮。依此类推 分别送完第一位2,第二位0,第三位2,第皿位5,毎一位点亮1 MS -个扫描周期为 4MS, 一枚时间就要甘描250次其程序如下：MOV R6/250;显扫描次数LOOP：MOV P0/5BH ;送2的共明极码CLR P2.0；第一位显示2ACALLD1MS;延时 1MSSETB P2.0
26、；灭第一位MOV P0/3FH ;送0的共明极码CLR P2.1 ；第二位显示0ACALL DIMS; gBJ 1MSSETB P2.1 ；灭第二位MOV P0/5BH ;送2的共阴极码CLR P2.2；第三位显示2ACALLD1MS;延时 1MSSETB P2.2 ；灭第三位MOV P0/6DH ;送5的共明极码CLR P2.3；第四位显示5ACALL D1MS;g 时 1MSSETB P2.3 ；灭第四位DJNZ R7, LOOP；不够一枚，集续扫描NEXTNUMBER；到一枚显示下一个数DIMS: ;1MS延时程序STAT1: MOV R4, #2MOV R3/250DJNZ R3,$D
27、JNZ R4, STAT1RETIV、累急转换开关电路一般悄况下交通灯按照车渣量大小合理分配通行时间，按一定规律变化，但考虑紧 急车通行车况，设it紧急通行开关，下面简述单片机的中斷原理。i ) Mcs51的中斷源8051有5个中Bi,它们是两个外中断INTO ( P3.2)和INT1 ( P3.3 )、两个片内定时/it数器隘出中Bi TFO和TP1, f是片内串行口中Bfi TI或Rl,ji几个中Bi源由TCON和SCON两个特殊功能寄存器进行控嗣，其中5个中斷源的程序人口地址如表4所示：表4中斷源程序人口中Bi源的服务程序入口地址ii)中Bfi的处理流程CPU响应中斷请求后，就立即转入执
28、行中断服务程序。不同的中斷源、不同的中断 要求可能有不同的中Bfi处理方法，但t II) St理渣程一般都如下所述：(1 )现场保护和观场恢夏：中斷是在执行其它任务的过程中转去执行临时的任务，为了在执行完中斷服务 程序后，回头执行原先的程序时，知道程序原来在何处扌TBi的，各有关寄存器的内容如 何,就必须在转入执行中US服务程序前，將这些内容和状态进行备价一即保护现场。 我m举个片子,在看书时,玲响需传去接时，必须在书本上做个记号，以便在接完后回 来看书时，知道从郦些内容加续住下看。廿算机的中断处理方法也am,中Bi开始前需 將有关寄存器的内容压入唯找进行保存，以便在恢夏原来程序时使用。中斷服
29、务程序完 成后，继续执行原先的程序，就需把保存的现场内容从堆枝中弹岀，恢夏枳存器和存馆 单元的原有内容，迪就是现场恢夏。血果在执行中斷服务时不是按上述方法进行现场 保护和恢夏现场，就会是程序运行紊乱，程序昭飞，自笊使单片机不能正常工作。(2 )中 BJiflff fll 中 Bi关 IS：在中撕处理进行il程中，可能Q有新的中Bfi请求到来，这里规定，现场保护和现场 恢复的操作是不允许打折的，否処保护和恢夏的11程就可能使数据出錯，为此在进行现 场保护和现场恢夏的过程中，必须关冈总中Bi,屏敍其它所有的中Bi, inf操作完成 后再打开总中断，以便实现中Bfi敲套。(3 )中断服务程序:既然有
30、中Bfi产生，就必於有其具体的需执行的任务,中断服务程序就是执行中 Bfi处理的具体内容，一般以子程序的形式岀现，所有的中Bi都要转去执行中Bi服务程序, 行中US服务。(4 )中Bii 11：执行完中Bfi服务程序后，必然要返BI,中就是被程序运行从中Bfi服务程 序转II到原工作程序上来。在MCS-51单片机中，中Bii是通过一条专门的指令实观 的，自然这条常令是中Bfi服务程序的最后一条指令。iii)交通灯中的中断处理潦程(1 )现场保护和现场恢复:有特殊车辆要通il时就要进行中Bi,在中Bfi之前，先将交通灯中Bi前悄况保护好， 当中Bfi执行后再恢夏现场，包柘信号灯和时同显示电路。(
31、2 )中飾打开和中Bi关Bh为了使特殊车辆通行按一下打开中斷开关就可以打开巾Bfi,关冈中Bfi开关就关闲中 Bfio(3 )中断服务程序：有中斷产生，就必然有其具体的需执行的任务，中Bi服务程序就是执行中Bi处理的 具体内容：即如果南北方向有特殊车辆耍求通过,南北方向转换为绿灯,东西方向为红 灯;如果东西方向有特殊车辆要求通过，东西方向转换为绿灯,南北方向为红灯。(4 )中Bfiigll：执行完中Bil务程序后，必烈要返回，即回交通灯信号II到中断前狀态，显示时同 也和中Bi前一样。3.3、交通灯的软件设廿流程图智能交通灯的軟件设it流程图如图6所示:图6交通灯的狀件设廿流程图ffl智能交通灯方案的仿真PROTEUS敲入貳系筑仿真软件在设廿时已经注意到和单片机各种编译程序的整合 T,这里釆用“Proteus+Keil”的仿真方法进行仿真。选择用Keil创建好的ss.asm文件，即完成了文件的侨建。就这样当用Keil对s
