1、 基于单片机的智能交通灯设计 摘 要由于经济的快速发展，导致了汽车数量的猛增，大中型城市的城市交通问题日益严重，为了确保十字路口的车辆顺利行驶，往往都采用交通信号灯的来进行现场的指挥。交通灯的常用功能包括：绿灯是通行信号；红灯是禁行信号；黄灯是警告信号。而本设计除了在常用的信号功能以外，还添加了紧急车辆通行以及自检测功能，使交通灯能够自行根据该路段的路况来改变红绿灯的延时通行时间。本系统采用MSC-51系列单片机AT89C52为中心器件来设计交通灯控制器，能根据实际情况通过AT89C52芯片的P2端口设置红、绿灯亮时间的功能，红绿灯循环点亮，黄灯警示，用双位数码管显示各方向的禁止或通行时间并且
2、在绿灯延时时间段里可检测车流量。系统由AT89C52作为主控芯片，利用单片机灵活的编程设计和丰富的I/O端口，及其控制的准确性。结合外围LED显示、中断、晶振、红外传感器以及驱动电路模块。实现实时的交通控制信号灯，在保证交通安全的前提下，提高交通通行效率。关键词：单片机；控制器；交通灯；检测AbstractDue to the rapid economic development, led to the soaring number of automobiles, city traffic problems in large and medium-sized city is becoming
3、more and more serious, in order to ensure the smooth running of the vehicles at the crossroads, is often used in traffic lights to the scene command. Common functions include: green traffic light is the traffic signal; the red signal is the cut-line; yellow is a warning signal. This design in additi
4、on to signal the commonly used functions, but also added the emergency vehicles and self testing function, traffic lights to change traffic lights according to the section of the road traffic time delay.The system centric devices to design the traffic light controller with MSC-51 series single chip
5、AT89C52, can according to the actual situation of AT89C52 chip through the P2 port set the red, the green light time function, the traffic light cycle of light, yellow light warning, double digital display of the direction of the prohibition or travel time and traffic flow can be detected in the lig
6、ht the delay time. The system is composed of AT89C52 as the main control chip, using a flexible programming microcontroller and I/O port is rich, and its control accuracy. Combining with the peripheral LED display, interruption, crystal, infrared sensor and drive circuit module. Realization of real-
7、time traffic signal lamp, in order to ensure traffic safety, improve traffic efficiency.Keywords: single chip; controller; traffic lights;detection设计说明本次毕业设计是要求基于单片机的原理来实现对交通灯的控制，需要设计出合理的交通管理方案。利用AT89C52芯片的P2口设置红、绿、黄灯点亮的功能，红绿灯循环点亮，黄灯点亮警示，绿灯时间可检测车流量并可通过双位数码管显示。本控制系统主要由时钟电路、主控制电路、倒计时控制电路、车流量自检测电路和交通灯信
8、号显示电路组成。时钟电路是本系统中定时器和控制器的标准时钟信号，发光二极管输出两组信号灯控制信号。主控制器是系统的主要部分，由它控制其他电路之间的协调工作。显示电路包括时间的显示和交通灯信号的显示。时间的显示由4片2位数码管显示器来实现。交通信号灯的控制与数码显示的控制源相同，以实现同步的显示。系统由AT89C52 作为主控芯片，利用单片机灵活的编程设计和丰富的I/O端口，及其控制的准确性，实现基本的交通灯功能。结合外围LED显示、中断、晶振、红外传感器以及驱动电路模块。该设计方案能实现以下功能：(1) 选用单片机89C52为核心， P2口连接到LED灯，分别有红绿黄三种颜色，P0口输出数码段
9、段选，P1口输出位选。(2) 编程使单片机控制红灯亮并持续58s，然后红灯灭，黄灯亮3s，然后黄灯灭。(3) 直行绿灯亮并持续35s后，绿灯灭，黄灯亮3s。(4) 左转绿灯亮并持续20s后，黄灯亮3s。(5) 用LED数码管接P0口，显示每种指示灯持续的时间。(6) 同时，通过红外传感器对主干道自动检测路段，若检测到车流量达到某一程度，红灯续时间变成73s，直行绿灯持续45s，左转为25s，黄灯为3s。(7) 若车流量减少了，红绿灯切换成原来的指示灯持续时间，并循环切换红绿黄信号灯。 (8) 若系统被切换至紧急状态，则红灯、黄灯同时亮，数码管灭。关键词：单片机；控制器；指示灯；检测30目 录1
10、 引言11.1 交通灯的发展背景及意义 11.2 交通控制系统21.2.1 概述21.2.2 交通信号控制原则22 交通控制方案设计42.1 设计目的42.2 交通灯设计思路42.3 交通灯各状态设计53 硬件设计部分83.1 系统整体设计83.2 AT89C52单片机的发展93.3 关于单片机AT89C52的介绍93.4 时钟与复位电路103.5 定时器的设定113.6 红外检测电路113.7 显示模块123.7.1 红绿黄信号灯123.7.2 七段LED数码管124 软件设计部分144.1 软件的介绍144.2 设计方案及功能144.3 系统软件及功能分析154.3.1 端口定义154.3
11、.2 定时器初值设定154.3.3 交通灯工作程序164.3.4 外部中断184.3.5 动态显示195 调试系统实验结果216 结语22参考文献23致谢24附录25附录A 系统原理图25附录B 程序代码261 引 言1.1 交通灯的发展背景及意义红绿灯这一技术在19世纪就已出现了。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。1868年，英国机械工程师纳伊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。它由红绿两以旋转式方形玻璃提灯组成，红色表示“停止”，绿色表示“注意”。1914年，电气启动的红绿灯出现在美国，这
12、种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成。红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通行”。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，红灯是禁行信号，黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线，但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口1。随着汽车的发明与发展，人类社会文明进入了新的阶段，也加快了城市化的发展，使得城市的规模不断膨胀，城市的经济贸易和社会的活动日益频繁，人员的流动和社会交往日益增加。与此同时，城市的交通问题也就渐渐呈现出来了，机车在带给人类
13、巨大的便利的同时，也使得人们面临交通拥挤带来的困惑和道路交通安全事故造成的伤害。交通灯的方案有很多，有应用PLC实现对交通灯控制系统的设计，有基于单片机实现对交通信号灯设计等方法。目前，国内的交通灯一般设在十字路门，在醒目位置用红、绿、黄三种颜色的指示灯。加上一个倒计时的显示计时器来控制提醒行车。对于一般情况下的安全行车，车辆分流尚能发挥作用，但根据实际行车过程中出现的情况，还存在道路上的红绿灯延时时间不能随车流量的改变而修改的缺点。也就是在某些时间段比如有时候东西方向车辆远远多于南北方向的车辆，那么在南北方向的通行时间停留就白白浪费了，而另一方面东西方向的车辆尚不能在规定时间疏散完毕，后面的
14、车辆就必须等待下一轮通行时间显示的到来，又或者两个方向的车辆在下班高峰期间都剧增，而时间设置仍然是先前预设的固定值，由此势必产生交通堵塞，导致城市交通效率的下降。随着现代社会对交通运输的日趋依赖，交通系统的控制越来越受到普遍关注。近年来汽车的数量在不断增加，许多大城市如广州、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况，同时，交通事故也频发了，对人类生命安全造成极大威胁；交通拥堵严重，导致出行时间增加，能源消耗加大；空气污染和噪声污染程度日益加深等。日常的交通堵塞成为人们司空见惯而又不得不忍受的问题。在这种背景下，结合我国城市道路交通的实际情况，开发出真正适合我们自身特点的智能信号灯控制系统已经成为
15、当前的主要任务3。1.2 交通控制系统1.2.1 概述交通控制系统，其实是利用控制器控制交通信号灯，对道路上来往的车辆和行人进行指挥和疏导。根据国家交通管理部门法规的相关规定，对道路上向车辆和行人发出通行、停止或停靠的信息。交通信号灯取代了以往的人工交通指挥，提高了道路的交通效率，减少了能量的消耗，强化了执法部门对交通的管理，便于收集各种信息，对现代化交通现状起到了极其重大的作用。1.2.2 交通信号控制原则我国道路交通是实行右行制的，并且交通法规规定：红灯时停止通行；绿灯时放行；黄灯时清尾，即允许已过停车线的车辆继续通过交叉路口。为了协调通行，常用交通控制系统来控制指示车辆每个方向的行动。对
16、于一般的城市道路交通来说，都会有右转的分流车道，且可以与直行同时进行，如图1.1所示，所以本设计中不再考虑右转的车辆情况。一个实际的十字路口，按方位划分可分为东、西、南、北四个方向。每一个方向上，对于车辆而言，有直行、左转、右转三种通行方式，而左转弯时，车辆必然挡住直行车辆的行进，所以，左转是不能与直行同时进行。也就是说，当南北方向车辆允许通行时，东西方向的车辆应禁止通行。而且，当南北方向车辆允许直行时，此方向上的左转应当禁止；反之，当南北方向车辆允许左转时，此方向上的直行应当禁止。南北方向车辆的直行通行时间与左转通行时间之和即为此方向的车辆通行总时间，也是东西方向车辆的禁止通行时间。当火警或
17、救护车辆通行时，为了能使这些紧急的车辆到达十字路口，还设定了一个紧急状态，确保紧急救援车辆能够顺利通行4。图1.1 十字路口示意图2 交通控制方案设计2.1 设计目的城市交通中，对于交通具有时段性的差异，正常时间段，道路的车流量适中，所以在预设的绿灯通行延时时间里，车辆可以得到较完全的疏通，道路段自然也就畅通。但是，当遇到上下班时间段，或者是节假日时，就会出现车流量猛增的现象，如果绿灯通行时间不能随车流量的改变而改变的话，那么在预设定的绿灯延时时间里，车辆不能全部通过，以此循环累计，就可能造成该路段的路况堵塞，所以适时的分配交通信号灯的通行时间，可以很好的缓解交通阻塞。另外，在很多时候，都会有
18、警车，火警或救护车辆通行，为了能使这些紧急的车辆到达十字路口时，不必因为等待红灯的延时时间而耽误救援的任务，所以，还设定了一个紧急状态，确保紧急救援车辆能够顺利通行。本设计提出一套以单片机控制的交通控制系统，来解决这类问题。为了改善该控制区域的交通秩序；增强现有道路设施的通行能力，提高交通的通行效率；减少交通事故，创造更文明的现代化城市交通环境。2.2 交通灯设计思路十字路口的红绿灯控制对保证交通安全和道路畅通起到了关键性的作用。所以合理的预设定红、绿灯的延时时间也至关重要，在依据控制器的指令和转换间隔，进行自动切换并且循环显示各信号灯的延时时间。本设计是由通行或禁止时间显示、红灯、直行、左转
19、、黄灯等部分组成。而交通灯通行或禁止时的延时时间分为两种模式，即交通不繁忙和繁忙。交通不繁忙时，也就是车辆量检测装置不输出时，东西、南北两方向的红灯延时时间58秒，直行绿灯的延时时间为35秒，左转绿灯的延时时间为20秒，黄灯的延时时间为3秒。并且交通不繁忙的时候，在该模式下各状态循环显示。而当交通繁忙时，也就是车流量检测装置检测到车流量超过了一定数量时，交通灯的延时时间将自动进入另一种模式，东西、南北两方向的红灯延时时间73秒，直行绿灯的延时时间为45秒，左转绿灯的延时时间为25秒，黄灯的延时时间为3秒。当遇到紧急车辆需要通行时，转到紧急状态：数码管灭，红灯和黄灯同时亮。2.3 交通灯各状态设
20、计由于交通信号控制包含有红灯、直行绿灯、左转绿灯和黄灯的循环显示，所以必须通过将其分成多种状态来设计。在依据控制器的指令和转换间隔，进行自动切换并且循环显示各信号灯的延时时间。各状态如表2.1所示，共设有八种状态，“1”表示在该状态下灯亮，“0”表示在该状态下灯灭。表2.1 各状态逻辑状态表状 态一二三四五六七八紧急东西红灯111000001东西直行000010000东西左转000000100东西黄灯000101011南北红灯000011101南北直行100000000南北左转001000000南北黄灯010100011状态一状态二状态三状态四 图2.1 状态示意图1交通不繁忙时，各状态分析如
21、下：状态一：如图2.1所示，东西方向红灯亮，东西方向禁止通行，延时时间为58秒；南北方向直行绿灯亮，允许直行，延时时间为35秒。状态二：如图2.1所示，东西方向红灯继续亮，东西方向禁止通行，并继续倒计时；南北方向直行绿灯灭，黄灯亮，延时时间为3秒。状态三：如图2.1所示，东西方向红灯继续亮，东西方向禁止通行，并继续倒计时；南北方向黄灯灭，左转绿灯亮，允许左转弯，延时时间为20秒。状态四：如图2.1所示，东西方向红灯灭，黄灯亮，延时时间为3秒；南北方向左转绿灯灭，黄灯亮，延时时间为3秒。状态五状态六状态七状态八图2.2 状态示意图2状态五：如图2.2所示，南北方向红灯亮，南北方向禁止通行，延时时
22、间为58秒；东西方向直行绿灯亮，允许直行，延时时间为35秒。状态六：如图2.2所示，南北方向红灯继续亮，南北方向禁止通行，并继续倒计时；东西方向直行绿灯灭，黄灯亮，延时时间为3秒。状态七：如图2.2所示，南北方向红灯继续亮，南北方向禁止通行，并继续倒计时；东西方向黄灯灭，左转绿灯亮，允许左转弯，延时时间为20秒。状态八：如图2.2所示，南北方向红灯灭，黄灯亮，延时时间为3秒；东西方向左转绿灯灭、黄灯亮，延时时间为3秒。紧急状态：东西、南北方向红灯都亮，东西、南北方向黄灯亮，数码管显示灭。3 硬件设计部分3.1 系统整体设计本系统设计以单片机为控制核心，采用主从双MCU结构，模块化设计，主要有以
23、下几个功能模块：主控制系统模块、时钟电路模块、方向指示模块、复位模块、车流量检测、倒计时模块和紧急车辆通行模块等，如图3.1所示。（1）单片机既是协调整机工作的控制器，又是数据处理器。主控制系统由单片机、时钟电路、复位电路等组成。（2）时钟电路是外接在单片机的两个时钟信号端的，时钟产生电路是该系统中定时器和控制器工作的标准时钟信号源。（3）行车方向指示采用三色的发光二极管，有红绿黄三种颜色，可提示放行与禁止，形象直观。（4）车流量检测电路是外接在单片机中断接口的，当信号到来时，对信号标记，直到车流量超过一定数量。（5）倒计时模块是利用单片机内设的时钟定时器，预设每10ms对程序进行时间中断服务
24、，计满100次后，为1s时间。系统还采用数码管将实时倒计时时间显示出来，最大显示数字99。（6）紧急车辆通行开关控制外接在单片机另一个外设中断接口。有紧急车辆时，程序外部中断，执行中断服务子程序。人性化的人机界面、灵活的控制方式、优化的物理结构以及丰富的功能是本设计的亮点。详细系统总体设计原理图见附录A7。图3.1 系统设计图3.2 AT89C52单片机的发展硬件的设计是整个系统的基础，在各个部分都必须要考虑周到，除了能够实现交通灯基本功能以外，还要考虑到系统稳定性要良好，抗干扰性能要好；器件的选用要具备通用性；软件编程与硬件之间的易实现性；系统其它功能及性能指标的可行性。因此硬件的设计至关重
25、要，硬件的设计直接影响到各部分功能的实现以及软件编程的灵活性。所以在购买和组装硬件之前必须合理、仔细地分析和熟悉各电路元件。自20世纪80年代以来，为满足社会的发展需求，单片机投入市场的品种也有数十个系列，数百个品种。包括Intel公司的MCS-48和MCS-51，Motorola公司的6801和6802，Zilog公司的Z8系列等。单片机的种类繁多，而MCS-51系列就是最早进入我国的单片机之一，而该系列的其他单片机也是在8051的基础上进行功能的增减的。但由于Intel公司转变精力在CPU芯片的研发上，渐渐放弃了单片机的生产。就在这时，出现了众多的MCS-51单片机及其各种增强型、扩展型衍
26、生品种的兼容机中，美国推出了AT89C5x系列，其中AT89C52就是该系列的单片机。主要以嵌入式形态嵌入到各种测控设备中，应用十分广泛，占据相当大的市场份额2。3.3 关于单片机AT89C52的介绍在一个完整的控制系统中，控制器是非常重要的，其控制器的性能对控制系统起着决定性的作用。控制器的主要任务是识别指令，同时自动的协调各其他的系统组成部分，实现各部分的功能。本设计中使用的主控制器芯片是AT89C52，如图3.2所示。AT89C52是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。 AT89C52是一种低电压，高性能CMOS 8位的单片机，片内含8KB的Flash只读程序存储器（RO
27、M），允许在线擦除、电写入或使用编程器对其多次编程和擦除，速度很快。还有256 B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用了ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。AT89C52有40个引脚，包括32个外部双向输入/输出（I/O）端口分别为P0、P1、P2、P3，可以方便的实现CPU与外部设备的信息交换。同时内含2个外部中断口（INT0 和INT1），3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写接口线等。其工作电源为5伏直流电源，工
28、作频率为12MHz9。 图3.2 AT89C52引脚分配图3.4 时钟与复位电路时钟与复位电路又称最小系统电路，如图3.3所示。对于单片机AT89C52来说，各功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准的，通过接受和识别时钟信号，一拍拍地执行工作，所以单片机的工作速度直接受时钟频率的影响8。XTAL2XTAL1图3.3 时钟电路图时钟输入端XTAL1和输出端XTAL2分别为端口P3.2和P3.3的第二功能。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，其中电容均选用30pF左右，晶体振荡器的频率为12MHz。复位是对单片机工作初始化的操作。在系统中，只需对单片机的复位引脚RST输入高电平，就可以对其初始
29、化。初始化后，单片机将从头开始执行指令。一般单片机首次开始工作时，或经过一段时间的运行出现不稳定甚至操作错误时，就需要对该系统复位操作，让单片机重新恢复正常的工作状态。3.5 定时器的设定系统设计中，对于系统的检测和控制都要用到计数或定时功能。89C52单片机内部有3个可编程的定时器/计数器，同时具有定时和计数两种工作模式，还包括4种工作方式：方式0、方式1、方式2和方式3。其控制字均在相应的特殊功能寄存器中，通过对它的特殊功能寄存器编程，可以方便的选择工作方式。在本系统中，选择工作方式1，其最长的定时时间为131.072ms。因为在定时器里是做加运算的，当计数器溢出时就产生中断，表示定时时间
30、到，所以要对定时器赋初值。当初值定为3CH时，定时100ms，也就是每隔100ms中断一次，中断10次就为1s。3.6 红外检测电路红外检测是红外辐射光子在半导体材料中激发非平衡载流子(电子或空穴)，引起电学性能变化。因为载流子不逸出体外，又称内光电效应。量子光电效应灵敏度高，响应速度比热探测器快得多，是选择性探测器。本系统的光电探测器是光导型的，又称光敏电阻。其原理是让入射光子激发均匀半导体中越过禁带进入导带并留下空穴，使其电导增加，其属于本征激发。从禁带中的杂质能级也可激发光生载流子进入导带，为杂质光电导。而量子效率低于本征光导，而且要求更低的工作温度。此检测信号是连接到INT0，INT0口是低电平有效，当允许直行时，对接收到的下降沿计数，从而判断该路段是否繁忙。若判断该路段不繁忙，则不改变交通灯的显示模式；反之，则将其定为繁忙，交通灯的控制系统转换到繁忙模式11。3.7 显示模块3.7.1 红绿黄信号灯本设计选用的是三种不同颜色的发光二极管作为红、绿、黄三种交通信号灯，其中直行绿的和左转绿的选用的是相同颜色、相同型号的绿色发光二极管。对于控制信号的输出，是使用单片机AT89C52的P2口作为交通信号的输出信号，把四组颜色为红、绿、绿、黄的发光二极管分别接到P2.0-P2.3和P2.4-P2.7，也就是每个输出引脚都并联一个相同颜色的发光二极管，作为
