(完整版)基于单片机的智能交通灯控制系统设计毕业论文

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课题基于单片机的智能交通控制系统（硬件）

指导教师

2012年6月11日

基于单片机的智能交通控制系统

摘要

交通控制系统是近现代社会随着物流、出行等交通发展产生的一套独特的公共管理系统。要保证高效安全的交通秩序，除了制定一系列的交通规则，还必须通过一定的科技手段加以实现。本文在对目前交通控制进行深入分析的基础上，运用检测传感、实时调整智能化控制的实现技术，将传感器监测、实时调整车辆通行时间的算法与单片机控制作用相结合，提出了基于单片机的交通控制系统设计方案。

8051单片机的交通灯控制系统由8051单片机、交通灯显示、LED倒计时、车流量检测及调整、违规检测、紧急处理、时间模式手动设置等模块组成。系统除基本交通灯功能外，还具有通行时间手动设置、可倒计时显示、急车强行通过、车流量检测及调整、交通异常状况判别及处理等相关功能。理论证明该系统能够简单、经济、有效地疏导交通，提高交通路口的通行能力。

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，二是进行传感器的硬件电路、显示电路等的设计和基本功能要求。

关键词：交通控制，传感检测，AT89S51，倒计时显示

Abstract

Traffic control system is a modern society with logistics, travel etc of traffic development a unique set of public management system. To ensure the effective safety traffic, except for a series of traffic rules, still must through certain technological means to achieve. Based on analysis of traffic control, based on real-time detection sensor, adjust the implementation technology of intelligent control, real-time monitoring, sensor adjust vehicles time algorithm and single-chip microcomputer control function is proposed, which combines the traffic control system based on single chip design scheme.

The 8051 microcontroller control system consists of the traffic lights display, 8051 monolithic integrated circuits, and LED the countdown, traffic violation detection, emergency adjustment, manual mode, time as modules. In addition to the basic traffic function outside, still pass the countdown, car that forced through traffic, inspection and adjustment, transportation and processing abnormal discriminant functions. Theory shows that the system can simple, economic and effective relieves traffic, improve the crossroads capacity.

This design mainly do the following aspects: one is the work of the traffic control system design, including the crossroads, specific design and system should be restricted with each function, two is that the sensor, the of the circuit and the basic function and requirement.

Key Words: traffic control, sensing detection, displayand countdown ，AT89S51

目录

摘要....................................................................................................................................................... I A BSTRACT ...............................................................................................................................................II 1绪论 (1)

1.1单片机交通控制系统的选题背景 (1)

1.2单片机交通控制系统选题的现实意义 (1)

1.3国内外研究现状及其发展 (3)

1.3.1国内外交通控制技术 (3)

1.3.2交通控制存在的问题 (6)

1.4单片机交通控制系统主要研究的内容 (7)

2单片机交通控制系统总体设计 (8)

2.1单片机交通控制系统的通行方案设计 (8)

2.2单片机交通控制系统的功能要求 (9)

2.3单片机交通控制系统的基本构成及原理 (11)

3系统硬件电路的设计 (12)

3.1系统硬件总电路构成及原理 (12)

3.1.1系统硬件电路构成 (12)

3.1.2系统工作原理 (13)

3.2AT89S51单片机简介 (13)

3.2.1单片机的概述 (13)

3.2.2AT89S51芯片内部结构简介 (14)

3.2.3主要引脚功能 (16)

3.2.4AT89S51芯片最小系统 (18)

3.3其它硬件介绍及连接 (19)

3.3.1车流量检测电路及模拟 (19)

3.3.2违规检测电路及模拟 (22)

3.3.3八段LED数码管 (23)

3.3.4其它器件 (25)

4 系统软件程序的设计 (29)

4.1程序主体设计流程 (29)

4.2理论基础知识 (31)

4.2.1定时器原理 (31)

4.2.2软件延时原理 (31)

4.2.3中断原理 (32)

4.2.4消抖动程序 (32)

结论 (33)

致谢 (34)

参考文献 (35)

附录英文文献资料及翻译 (36)

1 绪论

1.1单片机交通控制系统的选题背景

随着人口快速的增多，交通工具的爆炸性的发展，以及道路资源的有限性，交通控制就应运而生，在人类的生活、工作环境中，交通扮演着极其重要的角色，人们的出行都无时不刻与交通打着交道。自18世纪工业革命以来，工业发展带动整个交通运输的发展，从而催生了单独的交通控制学问与管理机构。

交通控制系统是近现代社会随着物流、出行等交通发展产生的一套独特的公共管理系统。要保证高效安全的交通秩序，除了制定一系列的交通规则，还必须通过一定的技术手段加以实现。现代人类科学技术，特别是电子科学技术的发展和成熟能比较好的解决系统建立中硬软件方面要求的技术难题。目前，交通控制方面的研究能完全实现自动智能化，甚至将整个区域整合成一个统一的系统范围，还能根据正常时段以及特定突发时段的情况进行科学的自动调整。

交通对于社会的工业经济和人们的生活生产中有着十分重要的意义。随着单片机和传感技术的迅速发展，自动检测领域发生了巨大变化，交通自动监测控制方面的研究有了明显的进展，并且必将以其优异的性能价格比，逐步取代传统的交通控制措施。

1.2单片机交通控制系统选题的现实意义

城市道路交通自动控制系统的发展是以城市交通信号控制技术为前导，与汽车工业并行发展的。在其各个发展阶段，由于交通的各种矛盾不断出现，人们总是尽可能地把各个历史阶段当时的最新科技成果应用到交

通自动控制中来，从而促进了交通自动控制技术的不断发展。

早在1850年，城市交叉口处不断增长的交通就引发了人们对安全和拥堵的关注。世界上第一台交通自动信号灯的诞生，拉开了城市交通控制的序幕，1868年，英国工程师纳伊特在伦敦威斯特敏斯特街口安装了一台红绿两色的煤气照明灯，用来控制交叉路口马车的通行，但一次煤气爆炸事故致使这种交通信号灯几乎销声匿迹了近半个世纪。1914年及稍晚一些时候，美国的克利夫兰、纽约和芝加哥才重新出现了交通信号灯，它们采用电力驱动，与现在意义上的信号灯已经相差无几。1926年英国人第一次安装和使用自动化的控制器来控制交通信号灯，这是城市交通自动控制的起点。

早期的交通信号灯使用“固定配时”方式实行自动控制，这种方式对于早期交通流量不大的情况曾起过一定的作用。但随着汽车工业的发展、交通流量增加、随机变化增强，采用以往那种单一模式的“固定配时”方式已不能满足客观需要，于是一种多时段多方案的信号控制器开始出现并逐步取代了传统的只有一种控制方案的控制器。

20世纪30年代初，美国最早开始用车辆感应式信号控制器，之后是英国，当时使用的车辆检测器是气动橡皮管检测器。车辆感应控制器的特点是它能根据检测器测量的交通流量来调整绿灯时间的长短，使绿灯时间更有效地被利用，减少车辆在交叉口的时间延误，比定时控制方式有更大的灵活性。车辆感应控制的这一特点刺激了车辆检测器技术的发展。继气动橡皮管式检测器之后，雷达、超声波、光电、地磁、电磁、微波、红外以及环形线圈等检测器相继问世。当今在城市道路交通自动控制、交通监测和交通数据采集系统中，应用最广的是环形线圈车辆检测器。超声波检测器主要在日本等少数国家得到广泛应用。

计算机技术的出现为交通控制技术的发展注入了新的活力，更是实现

了以一个城市或者更大地域，而非简单的一个路口的交通总体控制系统。1952年，美国科罗拉多州丹佛市首次利用模拟计算机和交通检测器实现了对交通信号机网的配时方案自动选择式信号灯控制，而加拿大多伦多市于1964年完成了计算机控制信号灯的实用化，建立了一套由IBM650型计算机控制的交通信号协调控制系统，成为世界上第一个具有电子数字计算机城市交通控制系统的城市。这是道路交通控制技术发展的里程碑。

可以说，在近百年的发展中，道路交通信号控制系统经历了手动到自动，从固定配时到灵活配时，从无感应控制到有感应控制，从单点控制到干线控制，从区域控制到网络控制的长远过程。

交通控制研究的发展，旨在解决人类交通因需求的增多而日益繁重带来的问题，局限于道路建设的暂时不足和交通工具的快速增长，就要使更多的车辆安全高效的利用有限的道路资源，避免因无序和抢行等无控制原因造成的不必要阻塞甚至瘫痪，另外，针对整个交通线路车辆的多少实时调整和转移多条线路的分流也十分必要。

交通网络是城市的动脉，象征着一个城市的工业文明水平。交通关系着人们对于财产，安全和时间相关的利益。具有优良科学的交通控制技术对资源物流和人们出行都是十分有价值的，保证交通线路的畅通安全，才能保证出行舒畅，物流准时到位，甚至是生命通道的延伸。

1.3国内外研究现状及其发展

1.3.1国内外交通控制技术

当今，红绿灯安装在各个道口上，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。

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”。1869年1月2日，煤气灯爆炸，使警察受伤，遂被取消。

电气启动的红绿灯出现在美国，这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成，1914年始安装于纽约市5号大街的一座高塔上。红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通行”。

1918年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。带控制的红绿灯，一种是把压力探测器安在地下，车辆一接近红灯便变为绿灯；另一种是用扩音器来启动红绿灯，司机遇红灯时按一下嗽叭，就使红灯变为绿灯。红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时，它就能察觉到有人要过马路。红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间，推迟汽车放行，以免发生交通事故。

从1868年英国伦敦首次使用燃汽色灯信号以来，城市交通信号机由手动到自

动，交通信号由固定周期到可变周期，系统控制方式由点控到面控，从无车辆检测器到有车辆检测器，经历了近百年的历史。到1963年加拿大多伦多市建立了一套使用IBM650型计算的集中协调感应控制信号系统，从而标志着城市道路交通信号系统的发展进入了一个新的阶段。各个时期典型交通信号系统得特征如附表所示。之后，美国、英国、德国、日本、澳大利亚等多家相继建成数字电子计算机区域交通控制系统，这种系统一般还配备交通监视系统组成交通管制中心。到80年代初，全世界建有交通管制中心的城市有300多个，代表了未来交通控制的发展方向。

表1.1 交通信号系统发展状况

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，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。

在西方发达国家，交通控制系统基本上完成了由传统的交通控制系统向智能交通控制系统ITS的转变，而在我国，智能交通系统则刚刚处于起步阶段。对于传统的交通控制系统而言，对红绿灯一般采用定时控制，无法对实际的交通流进行识别优化，以至于不能适应交通量的不确定性和随机性的原因，往往造成交通资源的浪费和道路的梗阻。而智能交通控制系统则在不产生大的硬件改动的情况下有效的提高效率。

ITS：Intelligent Transport systems。这一国际性术语于1994年被正式认定。在此之前，美国称这类技术或相关研究项目为“智能车辆道路系统(IVHS)”(Intelligent VelIiele Highway System)。日本将这类技术称为UTMS、VICS等：欧盟则称之为“道路交通信息技术(RTI)”。国际标准化组织(ISO)为ITS设立的专项叫ISOTC．204，使用的术语是“1rICS(交通运输信息与控制系统)”。

智能交通系统强调的是系统性、信息交流的交互性以及服务的广泛性，其核心技术是电子技术、信息技术、通信技术、交通工程和系统工程。智能交通系统ITS是在较完善的道路设施基础上，将先进的电子技术、信息技术、传感器技术和系统工程技术集成运用于地面交通管理所建立的一

种实时、准确、高效、大范围、全方位发挥作用的交通运输管理系统。

在国内，受客观条件的制约，ITS起步比较晚，在20世纪90年代初，我国的相

关学者开始意识到研究和开发ITS的重要性。到90年代中期，由于受到国外ITS研发的影响，政府部门也开始重视对ITS的研究，随后，又得到中央部门和部分地方政府的支持。

1999年，我国成立了全国智能交通系统(ITS)协调指导小组及办公室，同年，

又成立了全国智能交通运输系统(ITS)专家咨询委员会，其中，同济大学、清华大学、北方交通大学、北京航空航天大学、吉林工业大学、东南大学等高校的有关专家为咨询委员，并启动了国家“九五”科技攻关课题和国家“十五”科技攻关课题。目前，在对一些大中型城市引入的国外ITS进行研究的基础上已经逐渐开始摸索开发设计适合自己国情的ITS系统。

1.3.2交通控制存在的问题

我国城市交通运输的现状和存在的问题，借鉴国外城市交通管理的先进经验，强调建立城市交通管理体制的重要性，提出加强城市交通研究的交通规划，建立稳定的交通基础设施建设的资金出道，实行公交优先政策，建立先进的交通信息系统等对策。

随着城市机动车增长速度的加快。1994年卧轨城市机动车保有量已接近500完辆。20世纪90年代以来，经济的发展加快，从1985年到1995年，机动车增长率达13%左右，近几年更是增多。

然而，在此同时，城市道路建设规模也在加大，我国城市普遍存在道路密度，道路面积率偏低的问题，这是我国城市哟其是大城市有机的一个重要原因。我国城市道路的密度只有6.8km每平方千米，而在20世纪80

年代，世界发达国家就已到达20km每平方千米。20世纪90年代，我国部分城市道路面积率，北京为5.9%，上海为6.4%，而国外东京为13.8%，巴黎为25%，普遍高于我国。近几年，国家虽不断加大城市道路建设的力度，但仍赶不上车辆的增长速度，且与世界其他国家相比，差距仍很大。

出租车以及公交的发展运营情况并不尽如人意，虽然车辆和线路长度增长，但运营速度成了瓶颈，新增的运力被运输效率低下所抵消。

交通管理方面水平还欠发展，随着交通需求越来越旺盛，而我国城市中小交通管理和交通安全的现代化设施却做得不足。在车辆，道路和交通管理系统，城市交通信号控制系统，城市交通管制中应用人工智能技术，信息采集和信息提供技术等方面都与发达国家有很大差距。近几年，虽然有部分城市研究和引进一些国外先进的交通信号管理系统，但是由于交通管理设施不足等原因，我国交通事故率居高不下。城市车流行驶速度逐年下降，目前不少城市交通运量年年增长，但运输速度普遍下降，这都源于交通通行不佳。

1.4单片机交通控制系统主要研究的内容

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，还增加了倒计时显示提示，基于实际情况，又要求了对车流量检测及自调整模拟功能，违规检测及处理，紧急状况处理和键盘可设置等强大功能。

二是进行智能传感器的硬件电路，显示电路等的设计对各器件的选择及连接，大体分配各个器件及模块的基本功能要求。

三是进行软件系统的设计，对于本系统，本人采用单片机汇编语言编写，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 单片机交通控制系统总体设计

2.1单片机交通控制系统的通行方案设计

设在十字路口，分为东西向和南北向，在任一时刻只有一个方向通行，另一方向禁行，持续一定时间，经过短暂的过渡时间，将通行禁行方向对换。其具体状态如下图所示。说明：黑色表示亮，白色表示灭。交通状态从状态1开始变换，直至状态6然后循环至状态1，周而复始，即如图2.1所示：

图2.1 交通状态

通过具体的路口交通灯状态的演示分析我们可以把这四个状态归纳如下：

◆东西方向红灯灭，同时绿灯亮，南北方向黄灯灭，同时红灯亮，倒计时20秒。此状态下，东西向禁止通行，南北向允许通行。

◆东西方向绿灯灭，同时黄灯亮，南北方向红灯亮，倒计时2秒。此状态下，除了已经正在通行中的其他所以车辆都需等待状态转换。

◆南北方向红灯灭，同时绿灯亮，东西方向黄灯灭，同时红灯亮，倒计时20秒。此状态下，东西向允许通行，南北向禁止通行。

◆南北方向绿灯灭，同时黄灯亮，东西方向红灯亮，倒计时2秒。此状态下，除了已经正在通行中的其他所以车辆都需等待状态转换。

下面我们可以用图表表示灯状态和行止状态的关系如下：

表2.1交通状态及红绿灯状态

东西南北四个路口均有红绿黄3灯和数码显示管2个，在任一个路口，遇红灯禁止通行，转绿灯允许通行，之后黄灯亮警告行止状态将变换。状态及红绿灯状态如表2.1所示。说明：0表示灭，1表示亮。

2.2单片机交通控制系统的功能要求

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，车流量检测及调整，交通违规处理和紧急处理等功能。

（1）倒计时显示

倒计时显示可以提醒驾驶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。驾驶员和行人普遍都愿意选择有倒计时显示的信号控制方式，并且认为有倒计时显示的路口更安全。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。

（2）车流量检测及调整

随着我国经济建设的蓬勃发展，城市人口和机动车拥有量在急剧增长，交通流量日益加大，交通拥挤堵塞现象日趋严重，交通事故时有发生。车辆检测器作为智能交通系统的基本组成部分，在智能交通系统中占有重要的地位。现阶段，车辆检测器检测方式有很多，各有其优缺点，如红外线检测器、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。一般车流量检测器采用传感器+单片机+外围器件来实现。而且，目前国内使用的红绿灯都是固定的红绿灯时间，并自动切换。红灯时间和绿灯时间，是根据道口东西向和南北向的车流量，利用统计方法确定的。交通警察不断观察十字路口的两个方向，根据车辆密度和流速决定是否切换红绿灯，以保证最佳的道路交通控制状态。

（3）时间手动设置

除系统根据车流量自动控制调整，也可以通过键盘进行手动设置，

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。本系统要求的按键控制不多，且I0口足够，可直接采用独立式。

（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按键，就可达到想此目的。

（5）违规检测

交通规则必须人人遵守，但是违反规则，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。

2.3单片机交通控制系统的基本构成及原理

单片机设计交通灯控制系统，可用单片机直接控制信号灯的状态变化，基本上可以指挥交通的具体通行，当然，接入LED数码管就可以显示倒计时以提醒行使者，更具人性化。本系统在此基础上，加入了违规检测电路和车流量检测电路为单片机采集数据，单片机对此进行具体处理，及时调整控制指挥，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。

图2.2 系统的总体框图

据此，本设计系统以单片机为控制核心，连接成最小系统，由车流量检测模块，违规检测模块，和按键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受输出。系统的总体框图如上所示。

键盘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，到达一定时间将修正通行时间一满足不同路况的需要。

3 系统硬件电路的设计

3.1系统硬件总电路构成及原理

实现本设计要求的具体功能，可以选用AT89S51单片机及外围器件构成最小控制系统，12个发光二极管分成4组红绿黄三色灯构成信号灯指示模块，8个LED东西南北各两个构成倒计时显示模块，车流量检测传感器采集流量数据，光敏传感器捕获违规信号，若干按键组成时间设置和模式选择按钮和紧急按钮等，以及用1个蜂鸣器进行报警。

3.1.1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。系统硬件电路由车流量检测电路、单片机、违规检测电路，状态灯，LED显示，按键，蜂鸣器组成。其具体的硬件电路

总图如图3.1所示。