1、基于单片机的车辆闯红灯监控系统设计摘要近来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断深入，同时带动传统控制检测技术日益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构软硬件结合，加以完善。十字路口车水马龙，人来人往，有条不紊，靠的就是交通信号灯的自动指挥系统。本系统采用 MSC-51 系列单片机 AT89C51 和可编程并行 I/O 接口芯片 8255A 为中心器件来设计交通灯控制器，实现了能根据实际车流量通过 89C51 芯片的 P2 口设置红、绿灯燃亮时间的功能；红绿灯循环点亮，倒计时剩 5 秒时黄灯闪烁警示（交通
2、灯信号通过 P2 口输出，显示时间直接通过 74LS245 的 B 口输出至双位数码管）；车辆闯红灯报警；绿灯时间可检测车流量并可通过双位数码管显示。本系统实用性强、操作简单、扩展功能强。关键词：单片机，交通灯，闯红灯，检测车流量AbstractRecently，with the d rapid evelopment of science and technology, the application of SCM is unceasingly thorough, while traditional control testing technology is updated. In real-
3、time detection and automatic control of single-chip microcomputer application system, often used as a core component, knowledge is not only the MCU, still should according to specific hardware structure, software and hardware, the perfect combination.It is the traffic light automaticcommand system t
4、hat make the pedestrian crossing transports, bustling, garage, pedestrian humanitarian, orderly driveway，and operate inorder.There are many ways to control the traffic light. This system USES MSC - 51 series microcontroller AT89C51 and programmable parallel the I/O devices for the center 8255A inter
5、face chip to design the controller, lights, can according to actual traffic through the 8051 chips red, green, P2 mouth setting time function; the depth Traffic light, circulation for 5 seconds remaining countdown yellow lights flashing warning (when the traffic signal output by mouth that time, P2
6、directly through the mouth B of 74LS245 output to double a digital tube), Traffic police; red Green time can be detected by double bits of cars and digital tube display. This system is practical, simple operation and function expansion.Keywords: red lights, SCM, traffic, detection目录摘要ABSTRACT引言1 单片机
7、控制交通灯的背景11.1 交通灯的背景11.2 单片机简介12单片机车辆闯红灯监控系统总体设计2.1 单片机车辆闯红灯监控系统通行方案设计2.2 单片机车辆闯红灯监控系统的功能要求3 系统硬件电路的设计3.1 系统硬件总电路图3.2 系统硬件总电路构成及原理3.3 其它硬件介绍及连接4 系统软件程序的设计4.1 程序主体设计流程4.2 理论基础知识4.3 子程序模块设计结论致谢参考文献引言城市交通是城市活动的重要组成部分，犹如人体的动脉，维系着整个城市的正常运转。随着人口的增多、科技的进步和城市规模的扩大，交通方式由原来简单的车马舟船，演变为现在的火车、汽车、地铁、飞机等各种综合型的运输方式。
8、交通作为现代城市的重要体现和标志，见证着每一个城市的历史与文明、发展与兴衰。随着城市经济的飞速发展、城市化进程的加快，大量的人口涌入城市，造成市区人口稠密，社会经济发展、城市化和机动化进程的加快， 使许多中心城市的交通在飞速发展的同时也对交通设施的建设提出了更高的要求。以前普通的交通控制器能根据事先给定的时间进行通道的通禁控制，以达到自动控制的目的，但由于如今车辆的迅速增多，给城市交通增加了严重的负担，而交通灯在其中正扮演着越来越重要的角色。因此，要求寻找一种可以随时针对通道上车辆的密集程度来控制和调节主支干道的通禁时间，从而减少不合理的堵车现象的发生。目前单片机技术发展迅速，单片机技术使得电
9、子电路设计者的工作仅限于利用硬件描述语言和单片机软件平台来完成对系统硬件功能的实现，极大地提高了设计效率，缩短了设计周期，节省了设计成本。因此，在设计中采用单片机技术，应用目前广泛应用的 VHDL 硬件电路描述语言，实现交通灯系统控制器的设计，利用 MAX+PLUS集成开发环境进行综合、仿真,并下载到 CPLD 复杂可编程逻辑器件中，完成系统的控制作用。1 单片机控制交通灯的背景1.1 交通灯的背景1.1.1 交通灯的历史19 世纪初，在英国中部的约克城，红、绿装分别代表女性的不同身份。其中，着红装的女人表示我已结婚，而着绿装的女人则是未婚者。后来，英国伦敦议会大厦前经常发生马车轧人的事故，于
10、是人们受到红绿装启发，1868 年 12 月 10 日，信号灯家族的第一个成员就在伦敦议会大厦的广场上诞生了，由当时英国机械师德哈特设计、制造的灯柱高 7 米，身上挂着一盏红、绿两色的提灯-煤气交通信号灯，这是城市街道的第一盏信号灯。在灯的脚下，一名手持长杆的警察随心所欲地牵动皮带转换提灯的颜色。后来在信号灯的中心装上煤气灯罩 ，它的前面有两块红、绿玻璃交替遮挡。不幸的是只面世 23 天的煤气灯突然爆炸自灭，使一位正在值勤的警察也因此断送了性命。从此，城市的交通信号灯被取缔了。直到 1914 年，在美国的克利夫兰市才率先恢复了红绿灯，不过，这时已是“电气信号灯”。稍后又在纽约和芝加哥等城市，相
11、继重新出现了交通信号灯。1.1.2 交通灯的出现随着各种交通工具的发展和交通指挥的需要，第一盏名副其实的三色灯 (红、黄、绿三种标志)于 1918 年诞生。它是三色圆形四面投影器，被安装在纽约市五号街的一座高塔上，由于它的诞生，使城市交通大为改善。黄色信号灯的发明者是我国的胡汝鼎，他怀着“科学救国”的抱负到美国深造，在大发明家爱迪生为董事长的美国通用电器公司任职员。一天，他站在繁华的十字路口等待绿灯信号，当他看到红灯而正要过去时，一辆转弯的汽车呼地一声擦身而过，吓了他一身冷汗。回到宿舍，他反复琢磨，终于想到在红、绿灯中间再加上一个黄色信号灯，提醒人们注意危险。他的建议立即得到有关方面的肯定。于
12、是红、黄、绿三色信号灯即以一个完整的指挥信号家族， 遍及全世界陆、海、空交通领域了。1.2 单片机简介1.2.1 单片机的发展历程单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。在 MCS-51 系列单片机中，有两个子系列：51 子系列和 52 子系列。每个子系列有诺干中型号。51 系列有 8051、8751 和 8031 三个型号，后来经过改进产生了 80c51、87c51、80c31 三个型号；52 系列有 5021、8752、8032 三个型号，改进后的型号是 80c52/87c52、80c32。改进后的
13、型号更加省电。52 系列比对应的 51 系列增加了定时器 T2 并将内部程序存贮器增加到 8KB。Inter 公司停止生产 MCS-51 系列单片机之后将生产权转让给了许多其他公司，于是出现了许多与 Mcs-51 兼容的单片机。现在生产 mcs-51 兼容单片机的公司对其进行了不同程度的改进和提高。我们现在使用比较的多的是 AT89C51/AT89s51 等。通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和 I/O 接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。单片机经过 1、2、3、3 代的发展，目前单片机正朝
14、着高性能和多品种方向发展，它们的 CPU 功能在增强，内部资源在增多，引角的多功能化，以及低电压底功耗。1.2.2 单片机的特点（1） 性价比高，开发周期短，易于产品化，（2） 集成度高，可靠性好，抗干扰性强，（3） 功能完善，接口多样，（4） 低功耗、低电压一般电源供电电压在 53V 范围内单片机都能正常工作，供电的下限可达12V。（5） 总线多样，易于扩展单片机外部的典型三总线结构,方便系统构扩展,构成各种规模的应用系统。外部总线增加了 I2C 及 SPI 等串行总线方式, 可根据需要进行并行或者串行扩展。1.2.3 MCS51 单片机内部结构有 8 大部分.一个 8 位的中央处理器 CP
15、U（又称为微处理器）中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是 8 位数据宽度的处理器，能处理 8 位二进制数据或代码，CPU 负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。有 128 字节 的片内数据存储器 RAM。8051 内部有 128 个 8 位用户数据存储单元和 128 个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的 RAM 只有 128 个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。.4KB 片内 程序存储器 ROM 或 EPROM8051 共有 4096
16、 个 8 位掩膜 ROM，用于存放用户程序，原始数据.片内 18 个 特殊功能寄存器（SFR）.4 个 8 位 的并行输入输出 I/O 口（PIO）8051 共有 4 组 8 位 I/O 口(P0、 P1、P2 或 P3)，用于对外部数据的传输P0 口P0.0P0.7输入与输出分时的传送地址低 8 位与数据线P1 口P1.0P1.7输入与输出无第二功能P2 口P2.0P2.7输入与输出传送地址的高 8 位P3 口P3.0P3.7输入与输出P3.0RXD：串行口输入端P3.1TXD：串行口输出端P3.1TXD：串行口输出端P3.2：外部中断 0 中断请求输入端P3.3：外部中断 1 中断请求输入
17、端P3.4T0：定时器/计数器 0 外部输入端P3.5T1：定时器/计数器 1 外部输入端P3.6：外部数据存储器写选通信号P3.7 ：外部数据存储器读选通信号.1 个 串行口 I/O（SIO/UART）完成单片机与其他微机的之间的串行通信.2/3 个 16 位 定时器/计数器（TIMER/COUNTER）.可处理 5 个中断源，两级可程序优先级的中断系统其中含有 MCS-51 指令集含 111 条指令，按照指令操作功能话费有五类：数据传送指令（28）算术运算指令（24）逻辑运算及转移指令（25）控制转移指令（22）位操作指令（12）1.2.4 单片机的内部结构图除去图中的存储电路和 I/O
18、部件，剩下的是 CPU，它可以分为运算器和控制器两部分。运算器功能部件包括算术逻辑运算单元 ALU、累加器 ACC、寄存器B、暂存寄存器 TMP1、TMP2、程序状态字寄存器 PSW 等。控制器功能部件包括程序计数器 PC、指令寄存器 IR、指令译码器 ID、定时控制逻辑电路 CU、数据指针寄存器 DPTR、堆栈指针 SP 及时钟电路等。图 1-1 单片机内部结构图2单片机车辆闯红灯监控系统总体设计2.1 单片机车辆闯红灯监控系统通行方案设计方案一：在十字路口四个干道处50米处安装红外对管，检测车辆堵车时间，当红外对管的信号屏蔽较长时间时，即判断此路口为繁忙，自动切换为绿灯，以保障通行， 同时
19、红外对管也可以用来作为车辆计数器。在四个干道的黄线外地下设置地感 线圈，当该干道为红灯状态时，启动地感线圈，如果有车闯红灯时，由于车的 金属材质引起线圈的振荡频率改变，送出一个电平变化给单片机的判断口，从 而进入报警程序，发出声光警报。方案二：设在十字路口，分为东西直行、东西左拐和南北直行、南北左拐，在任一时刻 只有一个方向通行，另外三个方向禁行，持续一定时间，经过短暂的过渡时间， 依次进行通行禁行方向轮流转换。其具体状态如下所示。交通状态从状态 1 开始变换，直至状态 8 然后循环至状态 1，周而复始，闯红灯用微动开关的电平变化来模拟，设置二个按键，按键 1 为繁忙检测，当按下为 3 秒时，
20、启动状态转换，该干道变为绿灯，按键 2 为闯红灯检测，用下降沿触发给单片机的中断口一个中断信号，触发送出声光警报，而设置加减倒计时则用遥控器实现。综合比较方案，认为方案二更方便可行，方便功能实现。基于整个交通控制系统的发展情况，本设计主要进行如下方面的研究：用智能，集成，且功能强大的单片机芯片为控制中心，设计出一套十字路口的交通控制系统，以指挥该路口的实时通行状态。本设计主要做了如下几方面的工作：一是确定系统交通控制的总体设计，包括，十字路口具体的通行禁行方案设计以及系统应拥有的各项功能，在这里，本设计除了有信号灯状态控制能实现基本的交通功能，还有倒计时显示提示，基于题目要求，又要求了具有智能
21、调度功能，当侦测某一通道繁忙另一通道空闲时，能自动调整红绿灯时间。紧急状况处理：当有紧急通行车辆（如消防车、救护车、警车）要求通过时，能自动开通该通道而关闭另一通道。违规检测及处理，遥控可设置等强大功能。二是进行软件系统的设计，对于本系统，本团队采用单片机 C 语言编写， 对单片机内部结构和工作情况做了充足的研究，了解定时器，中断以及延时原理，总体上完成了软件的编写。2.2 单片机车辆闯红灯监控系统的功能要求本设计能模拟基本的交通控制系统，用红绿黄灯表示禁行，通行和等待的信号发生，还能进行倒计时显示，自动检测繁忙，交通违规处理和紧急处理等功能。（1） 倒计时显示和状态显示倒计时显示可以提醒驾驶
22、员在信号灯灯色发生改变的时间、在“停止”和“通过”两者间作出合适的选择。倒计时显示是用来减少驾驶员在信号灯色改变的关键时刻做出复杂判断的 1 种方法，它可以提醒驾驶员灯色发生改变的时间，帮助驾驶员在“停止”和“通过”两者间作出合适的选择 。状态 1状态 2状态 3状态 4状态 5状态 6状态 7状态 8东西直行通行等待变换禁行等待变换禁行等待变换禁行等待变换南北直禁行等待变通行等待变禁行等待变禁行等待变行换换换换东西左拐禁行等待变换禁行等待变换通行等待变换禁行等待变换南北左拐禁行等待变换禁行等待变换禁行等待变换通行等待变换（2） 闯红灯检测现阶段，车辆检测器检测方式有很多，各有其优缺点，如红外
23、线检测器、地磁检测器、机械压电检测器，磁频检测器、波频检测器、视频检测器等。一般闯红灯采用传感器+单片机+外围器件来实现。 因为闯红灯的速度快，所以用下降沿触发的中断信号。（3） 时间手动设置除系统根据车流量自动控制调整，也可以通过遥控进行手动设置，增加了人为的可控性，避免自动故障和意外发生，并再紧急状态下，可设置所有灯变为红灯。键盘是单片机系统中最常用的人机接口，一般情况下有独立式和行列式两种。前者软件编写简单，但在按键数量较多时特别浪费 I0 口资源，一般用于按键数量少的系统。后者适用于按键数量较多的场合，但是在单片机 I0 口资源相对较少而需要较多按键时，此方法仍不能满足设计要求。本系统
24、创造性的用了遥控器来控制，省掉了按键的烦恼。（4） 紧急处理交通路口出现紧急状况在所难免，如特大事件发生，救护车等急行车通过等， 我们都必须尽量允许其畅通无阻，毕竟在这种情况下是分秒必争的，时时刻刻关系着公共财产安全，个人生死攸关等。由此在交通控制中增设禁停遥控，就可达到当有紧急通行车辆（如消防车、救护车、警车）要求通过时，能自动开通该通道而关闭另一通道。（5） 违规检测如闯红灯等，也时有发生，交警等交通管理人员虽然可以进行实时监管，但是耗费精力，在路口设置检测传感器就可以进行自动的警报提示。除了红灯警报，为了超越视觉指挥的局限性，同时接上蜂鸣器，在听觉上加强了指挥提醒作用。据此，本设计系统以
25、单片机为控制核心，由车流量检测模块，违规检测模块， 和遥控设置模块等产生输入，信号灯状态模块，LED 倒计时模块和蜂鸣器状态模块接收输出。车流量传感器8段LED数码管显示最小系统外围接口电路按键控制蜂鸣器红黄绿信号灯单片机系统的总体框图如上所示。遥控设置模块对系统输入模式选择及具体通行时间设置的信号，系统进入正常工作状态，执行交通灯状态显示控制，同时将时间数据倒计时输入到 LED 数码管上实时显示。在此过程中还要实时捕捉违规检测和紧急按键信号，以达到对异常状态进行实时控制的目的。急停按键和违规检测随时调用中断。在模式选择上，若为自动模式，将不断调用车流量检测模块对车流量进行检测统计，到达一定时
26、间将修正通行时间以满足不同路况的需要。3 系统硬件电路的设计3.1 系统硬件总电路图原理图设计PCB 设计3.2 系统硬件总电路构成及原理实现本设计要求的具体功能，可以选用 AT89C52 单片机及外围器件构成最小控制系统，16 个发光二极管分成 4 组红绿黄蓝四色灯构成信号灯指示模块，两位数码管构成倒计时显示模块，堵车繁忙检测，闯红灯信号检测，采用遥控控制时间设置和紧急情况调控等，以及用 1 个蜂鸣器和 1 个红灯进行报警,因时间紧迫，传感器和光敏接收器用按键触动来模拟。3.2.1 系统硬件电路构成本系统以单片机为核心，组成一个集车流量采集、处理、自动控制为一身的闭环控制系统。系统硬件电路由
27、车流量检测电路、单片机、违规检测电路，状态灯，LED 显示，按键，遥控器，蜂鸣器组成。其中 P0，P2，用于送显两片 LED 数码管，组成动态扫描电路，P0 用于控制红绿黄蓝发光二极管，XTAL1 和XTAL2 接入晶振时钟电路，REST 引脚接上复位电路，P3.2 即 INT1 接违规检测电路和紧停东西时间设置键 J，P3.3 即 INT0 接车流量检测电路，P2.6 接警示灯，P2.7 接蜂鸣器。3.2.2 系统工作原理系统上电或手动复位之后，系统等待模式选择设置键按下，模式分两种：红绿灯时间自动和红绿灯时间设置。首先显示 00，接着由遥控器进行加计数，接着按遥控器的确认键，开始倒计时，同
28、时状态灯开始按规律进行显示。时间到达一个状态所要全部时间，则要进行下一状态判断及衔接，并装入次状态的相应状态码值以及时间值，当然，还要开启两个外部中断，其一为违规信号或禁停信号输入，一旦主干道 红灯信号有效，中断开始，进入中断服务子程序，开启蜂鸣器禁止全部通行， 当断开按键，中断结束返回。其二为车流量检测信号输入，若检测到车辆经过， 进入相应的中断子程序，将存储车流量的寄存器加 1，然后中断结束返回。每满一个状态循环周期，若为自动模式，则须将检测到的车流量数据处理一次， 判断两个方向的交通轻重缓急状况，再调整下次状态循环的红绿灯时间，以达 到自动控制的目的。3.3 其它硬件介绍及连接3.3.1
29、 车辆繁忙检测电路及模拟为了达到对红绿灯的时间控制，需要对道路上的车流量进行检测。当前比较流行的车流量检测器件，是一种自感式的车辆传感器。其工作原理是当车辆经过传感器时，引起其自感的变化，考虑到单片机系统的便利性，本次设计用一种手动的操作方式，即车流量的检测电路用微动开关代替。其基本思路为：当车流量大时，由微动开关送出一个高低电平变化，引起状态灯进行切换。3.3.2 违规检测电路及模拟在红灯和黄灯期间，车辆是禁行的，为了对那些违反规则的车辆进行检测，可使用超声波车辆传感器。但是，用于受到条件的限制，本系统设计中只是使用了微动开关模拟。因为时间有限制，我们团队用开关模拟闯红灯的操作，即在主干道红
30、灯时，开关给个电平变化给单片机的中断入口，进行判断，从而进行相应操作。3.3.3 两位 LED 数码管我们采用的是两位的共阳 LED 数码管，一个 LED 数码管就有两根位选线和 8 根段选线，要想显示一个数值，就要分别对它们的高低电平来加以控制，用动态扫描显示两位数字。显示数值g,f,e,d,c,b,a,dp驱动代码01000000181H111110011F3H20100100149H30110000161H40011001133H50010010125H60000010105H711110001F1H80000000101H90010000121H表 3.1驱动编码表3.3.4 其它器件（1）发光二极管根据本设计的特点，红绿灯的显示不可少，红绿灯的显示采用普通的发光二极管。每个方向上设置红绿黄蓝灯，总共 4 组。如果东西红灯亮，那南北方向就是绿灯亮，反之亦然，所以在硬件上连接图上也是对称分布的，如下图 3.8 所示。2）蜂鸣器本设计采用一般蜂鸣器，蜂鸣器使用 PNP 三极管进行驱动控制，当 P2.7 引脚输出为低电平，PNP 导通，蜂鸣器蜂鸣；当 P2.7 引脚输出高电平时，PNP 截止， 蜂鸣器停止蜂鸣。如下图 3.9 所示（3）按键控制图 3.9 蜂鸣器
