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基于单片机的多路口交通灯控制系统设计摘 要在城市交通中，交通灯信号是管理交通网络的最重要元素。近年来城市交通车流量大幅增长，给交通带来巨大压力。提高十字路口的通行效率，对缓解交通阻塞具有十分重要的现实意义。传统固定信号配时控制方案已不能适应交通情况频繁变化的需求，因此迫切需要一种高效、灵活且智能的交通信号配时控制方案来保障车流在城市单交叉路口处的顺畅通行。这方面的研究与应用已成为智能交通系统(ITS)的重要组成部分。本文通过研究城市十字路口的交通流特性，建立了一种基于AVR单片机的交通信号逻辑控制模型。此模型以多路口各方向车流量为基础，得到各支路车流量，经过转换传输给单片机对交通信号进行相应的控制。在avr studio 4环境下编程，并在proteus软件上进行仿真实验，仿真结果表明该方法能有效提高十字路口的通行能力，减少车辆延误，降低通行车辆在十字路口的平均等待时间，达到了交通信号优化控制的目的，明显优于传统的固定配时控制方法。同时还进行了智能交通逻辑控制在线实验系统设计，模拟了十字路口的交通信号灯的控制，实验结果证明系统易于实现，很好的体现了智能交通的优越性。本文所设计系统的实验结果可以为解决城市十字路口交通信号控制问题提供一个合理而有效的方法，具有一定的实用价值。关键词：三路口，ATmega128，地感线圈，protues仿真ABSTRACTThe result of the system，with its practical value，is supposed to slove the problem oftraffic signals in crossroads ofbig citiesKey Words：Crossroads，ATmega128，protues目 录第1章 课题描述11.1 选题背景及研究意义11.2 国内外智能交通研究和发展现状21.3 单片机的发展状况21.4 本文研究的主要内容4第2章 智能交通控制系统方案设计52.1 总体方案设计概述52.2 三路口道路通行控制方案设计62.3 车流量检测方案8第3章 智能交通控制系统硬件设计以及程序设计143.1 AVR单片机的选择143.2 硬件模块简介163.3 系统硬件设计19第4章 程序设计214.1 程序设计.21第5章 程序调试234.1 PROTEUS仿真软件简介234.2 系统的模拟仿真23第6章 总结与展望26参考文献27致 谢28第一章 课题描述1.1选题背景及研究意义111 选题背景交通是经济和社会发展的基础性产业，是社会经济活动中人流、物流、资金流和信息流的主要载体。在现代社会中，没有高效运转的交通运输体系，就不可能有经济的持续发展。然而，随着社会经济的发展，机动车辆迅速增如，人们在赚取由机动车辆所带来的巨额利润以及充分享受汽车巨大便利的同时，也越来越受到交通拥堵、交通事故频发、环境污染加剧和燃油损耗上升所带来的诸多问题的困扰。在国外，特别是一些发达国家，由于经济发展较快，早在上个世纪60年代，交通问题就同渐突出；而我国，由于经济发展相对较晚，机动车辆拥有量相对较少，在改革开放前及初期，这一问题并不严重，但是近20多年来，随着我国经济的飞速发展，城市化、汽车化进程加快，机动车辆保有量迅猛增加，我国的交通状况日渐恶化，交通拥挤以及能源、环境问题日益严重，特别是一些大城市，交通拥挤已成为制约城市经济发展的瓶颈。交通拥挤以及由其导致的时间损失、能源消耗、交通事故和环境问题所造成的巨大损失已成为世界各国政府和人民所面临和必须解决的问题。近年来，理论和实践证明采用先进的信息技术、通信技术和控制技术等高新技术开发的智能交通系统可以大幅度提高交通网络的运行效率，是解决交通拥挤问题的最经济最有效的办法。据统计，智能交通系统(ITS)技术的应用可以减少10的废气排量，20的交通延时，30的停车次数。美国Los Angeles地区和Texas州在武汉理T大学硕+学位论文ITS技术方面投资的效益成本比率分别是16：1和22：1，收益非常显著。而这一切，都是在基本上没有进行道路建设和引入新的高速车道的情况下取得的。这充分说明了近年来发达国家竞相投资ITS技术的研发和应用的原因。目前国内已有一些自主开发的城市交通控制与管理系统，但整体性能与国外同类系统相比较仍有较大差距，只在一些中小城市得到部分应用。国内城市尤其是大城市引进的交通控制系统大部分为进口的SCOOT和SCATS系统。由于我国交通流是混合交通流，和国外的交通流大不相同，国外的交通控制系统在国内的使用效果不尽人意。所以迫切需要开发适合我国国情的、具有我国自主知识产权的能达到国际先进水平的智能交通系统。交通系统是一个非线性随机性都很强的开放的复杂大系统，系统维数太高，加上人的参与，对其进行有效的控制是一个非常复杂的问题。这也是现有不管是基于方案选择式的SCATS还是基于方案生成式的SCOOT系统都难于取得很好效果的原因。所以，必须采用先进的智能控制理论来解决复杂的交通系统的控制问题。本论文的研究目的就是针对城市交通问题的现状，从方法上对交通信号的优化与控制问题进行研究和探讨，以期为解决实际的城市交通问题提供有益的方法和途径。112 研究意义目前，缓解城市道路交通拥堵已到了刻不容缓的地步。解决交通拥堵问题的渠道也很多。比如控制机动车辆的发展，多修公路、多修地铁，大力发展公共交通。相信这些方法都能从一定程度上缓解交通压力，但我们不得不看到的是，汽车时代的来临将是无法避免的，这是城市进化一种状态。不论任何城市，可供修建路面交通的空间都是有限的，修建地铁又需要巨额资金且覆盖面过于狭小，同时，由于交通系统是一个相当复杂的大系统，单独从车辆方面考虑或者单独从道路方面考虑，都很难从根本上解决问题。在这种背景下，从系统的观念出发，把车辆和道路综合起来考虑，最大限度的利用现有资源，增加交通系统的技术含量，提高交通系统的、运作效率，才是一种节约成本，良性循环的发展之路。因此控制交通信号灯的交通信号控制机应运而生。然而，社会经济的高速发展，使得传统的交叉口红绿灯已不能满足目前的交通需求，其固定模式已不能适应现阶段的交通系统。交通拥挤产生的时间不同，白天又分为上下班高峰期的拥挤，在交通路口处经常会发生这样的情形：绿灯放行的一方没有车通行，而红灯禁行一方却有车在耐心等待放行，这不仅影响等待方的心情，而且增加车辆油耗及降低城市交通网的效率。这就是因为当前的红绿灯控制系统的发展滞后于交通发展的现实表现，所以就要求红绿灯能根据时间及流量做出相应的判断来进行人性化的服务疏导交通。因此就需要通过增加技术含量的方法提高现有道路的利用率，提高道路交通的安全程度和道路使用的舒适性，公路交通信号灯信号控制机系统的智能化的研究也因此应运而生。1.2城市交通控制理论研究现状122 国外的研究和发展现状自本世纪八十年代末以来，西欧、北美和日本竞相发展智能运输系统，成立了许多机构，制订并实施了开发计划。如美国ITS协会、欧洲共同体的交通信息与控制组织ERTICO，日本的路车交通智能协会VERTIS、以及ITS国际标准化机构ISO/TC204等。1986年，欧洲启动智能运输系统研究的第一批项目DRE和Prometheus，日本开始RACS试验研究，其后美国开始启动PATHFNDER和“2000年的交通模式”研究项目。到1995年，已经有难以计数的大小项目在开展，从理论规划到实际实施；从现场试验到形成产业，其发展规模和速度咄咄逼人。除了欧、美、日以外，新兴的工业国家和发展中国家也开始ITS的全面开发和研究，如韩国由交通部牵头制定了全面的ITS框架结构和发展计划，新加坡已经在全国开始推行不停车电子收费，中东的一些国家也开始讨论本国ITS(Intelligent Transportation，即ITS)的研究计划。下面对国际上有代表性一些产品迸行简单的介绍。美国ITERIS公司是一家专业开发先进的信息技术、软件及传感器设备的，处于行业技术领先地位的产品制造商。ITERIS公司早在1990年便涉足于ITS行业，开发出一系列用于解决当前智能交通问题的、开放性的解决方案，其中Vantage系列产品便是其中之一。Vantage视频交通数据采集系统，是专门为解决交通数据采集工作设计的。Vantage采用了先进的数字视频技术，它除了能够融入于道路交通数据采集系统，还能够无缝的整合到感应式十字路口信号灯控制系统、电子警察抓拍系统，其双重功用被广泛的应用于城市道路事故监控及交通诱导、高速公路交通数据采集，以及公路隧道、桥梁的意外事故监控系统中。目前，Vantage视频车辆检测器全球已有30000个系的运用案例。比利时TRAFICON路畅通公司在1982年就开始着手有关研究，到现在为止已经有超过l0000个TRAFICON系统在世界各地被安装使用。澳大利亚是世界上较早从事智能交通控制技术研究的国家之一，著名的SCATS系统在澳大利亚几乎所有城市都有使用，目前在上海、深圳都有使用。SCATS系统的优点是其自动适应交通条件变化的能力，通过大量设在路上的地埋置线圈磁感应传感器随时获取道路车流信息，SCATS系统能够计算旅行时间并对交通网的运行情况进行判断。但是该系统也存在了很多缺陷：(1) SCATS系统的通讯方式 SCATS系统目前使用的通讯方式是BELL 103是70年代使用的通讯规约，只能做点对点的铜线通讯，无法使用现代的通讯方式(光纤、无线网络、卫星)。这种通讯方式也无法为路口机增加备用的通讯方式。而且该系统已使用多年，到了更新的时间，并且SCATS系统不是一个开放式系统，无法增加功能以满足现代交通管理的需求，甚至不能做到信息共享和信息交换。另一方面，在监察违章车辆方面也缺少必要的现代手段。所以SCATS讯方式目前根本无法满足现代城市交通管理现代化发展要求。(2)地埋线圈式磁感应检测器环形线圈检测器是传统的交通检测器，是目前世晃上用量最大的一种检测设备。车辆通过埋设在路面下的环形线圈引起线圈磁场的变化，检测器据此计算出车辆的流量、速度、时间占有率和长度等交通参数，并上传给中央控制系统，以满足交通控制系统的需要。但是此技术存在的问题如下：如果行人、非机动车乱穿马路，会导致车辆速度减慢，导致感应器数据失真，影响信号灯精确配时；线圈在安装或维护时必须直接埋入车道，这样交通会暂时受到阻碍：切割路面面积比较大，埋置线圈的切缝软化了路面，路面被雨水浸泡后容易出现路面下陷，使路基遭到破坏，容易造成整个路面的下陷；感应线圈易受冰冻、路基下沉、盐碱等自然环境的影响，容易损坏，使用寿命短；感应线圈由于自身的测量原理所限制，当车流拥堵，车间距小于3m的时候，其检测精度大幅度降低，甚至无法检测。(3)其价格昂贵国外产品的价格昂贵，尤其是技术产品的引进。在十字路口控制中经常会遇到交通状况变化或道路维修的时候，这时我们可能需要改变线圈的检测位置，就需要封路、重新切割路面，这样的维护工作需要大量的人力、财力，更甚者，如果感应线圈在使用过程中由于路面变形而断裂就更麻烦了，感应线圈的寿命大约在25年(根据交通量及路面温度而定)。122 国内的研究和发展现状我国的ITS研究和实施起步较晚，90年代中期以来，在交通部的组织下，我国交通运输界的科学家和工程技术人员开始跟踪ITS技术，并取得了长足进步。我国政府在继续加快基础建设的同时，已提出将智镌交通作为我国未来交通运输领域发展的重要方向和优先领域予以重点支持。1998年1月交通部批准成立了国家智能交通系统工程研究中心，依托单位为交通部公路科学研究所。在交通部的组织下，该中心承担了部重点科研项目”智能交通系统发展战略研究”。通过该项目的研究，提出我国智能交通系统发展的整体框架，为交通运输界提供指导性意见。在“十五”期间，由科学技术部牵头，国家智能交通系统工程技术研究中心承担、全国20余所高校和研究所参与的国家重大攻关项目“ITS体系框架”和“ITS标准体系及关键标准制定”已经通过国家鉴定。这将为我国顺利实施ITS打下良好的基础。由于ITS能取得巨大的社会效益和经济效益，国家政府部门的重视，以及产业化所带来的巨大利润，国内一些公司也纷纷介入其中。这些公司大致可以分为两类，一类是新兴1IT公司，一类是一直从事交通工程的公司。虽然这些公司在做这方面的产品，但还没有成熟完善的系统可以应用于实际1.3单片机的发展状况1.3.1单片机的发展阶段如果将8位单片机的推出作为起点，那么单片机的发展历史大致可分为以下几个阶段（1）第一阶段（1976-1978）：单片机的控索阶段。以Intel公司的MCS 48为代表。MCS 48的推出是在工控领域的控索，参与这一控索的公司还有Motorola 、Zilog等，都取得了满意的效果。这就是SCM的诞生年代，“单机片”一词即由此而来。（2）第二阶段（1978-1982）单片机的完善阶段。Intel公司在MCS 48 基础上推出了完善的、典型的单片机系列MCS 51。它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。完善的外部总线。MCS-51设置了经典的8位单片机的总线结构，包括8位数据总线、16位地址总线、控制总线及具有很多机通信功能的串行通信接口。 CPU外围功能单元的集中管理模式。 体现工控特性的位地址空间及位操作方式。 指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令。（3）第三阶段（1982-1990）：8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。Intel公司推出的MCS 96系列单片机，将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。随着MCS 51系列的广应用，许多电气厂商竞相使用80C51为内核，将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、多通道A/D转换部件、可靠性技术等应用到单片机中，增强了外围电路路功能，强化了智能控制的特征。（4）第四阶段（1990）：微控制器的全面发展阶段。随着单片机在各个领域全面深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8位/16位/32位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。1.2.2 单片机的发展趋势 目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。下面是单片机的主要发展趋势。（1）CMOS化：近年，由于CHMOS技术的进小，大大地促进了单片机的CMOS化。CMOS芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态。这也是今后以80C51取代8051为标准MCU芯片的原因。因为单片机芯片多数是采用CMOS（金属栅氧化物）半导体工艺生产。CMOS电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。采用双极型半导体工艺的TTL电路速度快，但功耗和芯片面积较大。随着技术和工艺水平的提高，又出现了HMOS（高密度、高速度MOS）和CHMOS工艺。CHMOS和HMOS工艺的结合。目前生产的CHMOS电路已达到LSTTL的速度，传输延迟时间小于2ns，它的综合优势已在于TTL电路。因而，在单片机领域CMOS正在逐渐取代TTL电路。（2）低功耗化：单片机的功耗已从Ma级，甚至1uA以下；使用电压在36V之间，完全适应电池工作。低功耗化的效应不仅是功耗低，而且带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化。（3）低电压化：几乎所有的单片机都有WAIT、STOP等省电运行方式。允许使用的电压范围越来越宽，一般在36V范围内工作。低电压供电的单片机电源下限已可达12V。目前0.8V供电的单片机已经问世。（4）低噪声与高可靠性：为提高单片机的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片厂家在单片机内部电路中都采用了新的技术措施。（5）大容量化：以往单片机内的ROM为1KB4KB，RAM为64128B。但在需要复杂控制的场合，该存储容量是不够的，必须进行外接扩充。为了适应这种领域的要求，须运用新的工艺，使片内存储器大容量化。目前，单片机内ROM最大可达64KB，RAM最大为2KB。高性能化 主要是指进一步改进CPU的性能，加快指令运算的速度和提高系统控制的可靠性。采用精简指令集（RISC）结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度。现指令速度最高者已达100MIPS（Million Instruction Per Seconds，即兆指令每秒），并加强了位处理功能、中断和定时控制功能。这类单片机的运算速度比标准的单片机高出10倍以上。由于这类单片机有极高的指令速度，就可以用软件模拟其I/O功能，由此引入了虚拟外设的新概念。（6）小容量、低价格化：与上述相反，以4位、8位机为中心的小容量、低价格化也是发展动向之一。这类单片机的用途是把以往用数字逻辑集成电路组成的控制电路单片化，可广泛用于家电产品。（7）外围电路内装化：这也是单片机发展的主要方向。随着集成度的不断提高，有可能把众多的各种处围功能器件集成在片内。除了一般必须具有的CPU、ROM、RAM、定时器/计数器等以外，片内集成的部件还有模/数转换器、DMA控制器、声音发生器、监视定时器、液晶显示驱动器、彩色电视机和录像机用的锁相电路等。（8）串行扩展技术：在很长一段时间里，通用型单片机通过三总线结构扩展外围器件成为单片机应用的主流结构。随着低价位OTP（One Time Programble）及各种类型片内程序存储器的发展，加之处围接口不断进入片内，推动了单片机“单片”应用结构的发展。特别是IC、SPI等串行总线的引入，可以使单片机的引脚设计得更少，单片机系统结构更加简化及规范化。随着半导体集成工艺的不断发展，单片机的集成度将更高、体积将更小、功能将列强。在单片机家族中，80C51系列是其中的佼佼者，加之Intel公司将其MCS 51系列中的80C51内核使用权以专利互换或出售形式转让给全世界许多著名IC制造厂商，如Philips、 NEC、Atmel、AMD、华邦等，这些公司都在保持与80C51单片机兼容的基础上改善了80C51的许多特性。这样，80C51就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百品种的大家族，现统称为80C51系列。80C51单片机已成为单片机发展的主流。专家认为，虽然世界上的MCU品种繁多，功能各异，开发装置也互不兼容，但是客观发展表明，80C51可能最终形成事实上的标准MCU芯片。1.4本文研究的主要内容经历了几十年的发展，智能交通系统在各个领域都取得了巨大的成就，各种先进技术也取得了突破性的进展。到目前为止，市场上也出现了各种智能交通系统的产品，他们的功能强大，性能优良，智能化程度高，也在各大城市进行了实验性试用，并取得了较为理想的效果。 先进的交通管理系统实施主要是配合交通部门管理好城市的交通，最终目的就是为了尽量保证城市交通的畅通，减少车辆的行程时间，减小事故发生率等等。从先进的交通管理系统以及交通管理部门的最终想法来考虑， 对于我们现有的智能交通系统就还有很多值得我们考虑并改进的地方。首先，针对现有系统的实现工程庞大的问题，本论文AVR单片机来简单实现一个智能交通管理系统。研究三路口交通特点，确定三路口智能交通系统的总体方案，研究交通控制逻辑，车流量检测方法及数字显示的方式等。第二，主要研究AVR单片机及其选择，通过了解ATmege128的各项指标和工作原理，构成控制系统的各部分硬件配置，根据智能交通控制方案，确定连接，为软件设计以及编程做好充分准备。 第三，学习编程软件的使用方法，了解该软件的工作环境及工作界面，熟悉编程语言，学习结构化设计思路，研究设计本课题的交通控制程序结构，按照各程序模块进行程序流程设计。并进行编程。 第四，学习并掌握Proteus仿真软件的使用方法，了解Proteus仿真软件的工作界面，通过进行系统仿真，找出程序中存在的错误，调试程序至正常运行第2章 智能交通控制系统方案设计2.1总体方案设计概述随着生活水平的提高，家庭汽车拥有量越来越多，城市交通堵塞问题越来越严重，解决城市的交通拥挤问题越来越紧迫。交通灯在这个交通环境中起着一个重要的角色，是交通管理部门管理交通的重要工具。国内的交通灯一般设在十字路口，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行车。而目前绝大多数交通灯的时间都是设定好的，还存在以下缺点：1）两车道的车辆轮流放行时间相同且固定， 在十字路口，经常一个车道为主干道，车辆较多，放行时间应该长些；另一车道为副干道，车辆较少，放行时间应该短些。2）没有考虑紧急车通过时，两车道应采取的措施，臂如，消防车或急救车执行紧急任务通过时，两车道的车都应停止，让紧急车通过。这些缺点的存在，决定了传统交通灯不能适应当前城市交通的要求，不能使城市车流的调节达到最优。针对道路交通拥挤，交叉路口经常出现拥堵的情况，提出使用智能交通灯的要求。与传统交通灯比较，智能交通灯作以下两点的改进措施：1）根据各道路路口车流量的大小自动调节通行时间。2）考虑特殊车辆通行情况，设计紧急切换开关。事实证明，智能的交通灯能有效地缓解城市的交通压力，减少交通事故；为人民节省大量出行时间，创造出更多的社会价值。 2.1.1 智能交通灯的设计要求1）设计一个具有主干道的三路口的交通灯控制系统，要求主干道和其他支干道道路交叉路口的车辆交替运行。车辆通行主要以主干道为主，在检测主干道车流量后，才会检测支干道车流量。根据车流量大小自动调节通行时间，车流量大，通行时间长，车流量小，通行时间短。2）在交通灯显示方面，经过红黄绿黄红的这种逻辑状态。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码管显示器进行显示（采用倒计时的方法）。4）考虑到特殊车辆情况，设置紧急转换开关。对整个系统的设计控制图如下:主干道交通流量检测 ATmega128LED显示器支干道交通流量检测紧急控制交通灯显 示2.1.2 智能交通灯的方案论证目前设计交通灯的方案有很多， 有应用CPLD实现交通信号灯控制器的设计，有应用PLC 实现对交通灯控制系统的设计。有应用单片机实现对交通信号灯设计的方法。本文采用AVR单片机作为控制器，通行倒记时显示采用LED 数码管，通行指示灯采用发光二极管，LED显示采用译码器控制，以节省端口数。特殊紧急车辆通行采用实时中断完成，车流量大小采用地感线圈检测电路完成。按以上系统构架设计，由于ATmega128单片机自单带有3计数器，多个中断源，端口很好的满足要求。该系统具有电路简单，设计方便，耗电较少，可靠性高等特点。整个电路。考虑到车辆检测器，采用地感线圈传感技术，则主干大和其他道路都得有2个地感线圈传感器，主干道有4个地感线圈传感器，其他三路口道路共需要6个地感线圈传感器，共16个地感线圈。地感线圈传感器通过接收端检测到的电流变化，通过转换电路和放大电路，将信号转换成可识别的信号并传输给单片机进行时时处理。在显示方面，则采用数码管显示器为保证系统在复杂环境下工作的可靠性，增强系统的抗干扰能力是必须要解决的问题。结合实际情况，本文从硬件、软件两方面对系统进行可靠性设计并取得了满意的效果。2.2 三路口道路通行控制方案设计三路口道路通行控制的基本设计思路是：首先对多路口控制方案的研究要有层次，先从单路口控制开始，然后将三路口控制整合起来，作为一个系统去考虑，这是一个明智的选择。所以如果把三路口道路干线上所有路口看作一个系统，在相邻路口的绿灯起始时刻建立一种时间关系，从而使车辆每到达一个路口时，正好遇到绿灯。这样，在干线上行驶的车辆就可以获得连续的通行权，那么，车辆的停车次数、排队长度以及延误时间就会大大减少。1控制流程分析 ( 1 ) 从循环图分析可知：东西方向和南北方向信号灯控制是中心对称的，即无论是主十道还是支干道两侧系统对同方向的信号灯控制是同步的。( 2 ) 从循环图分析可知：人行道无论哪个方向，系统对两侧4 个信号灯的控制也是同步的，且人行道的红绿灯变化和行车道的红绿灯变化应该是一致的。（ 3 ）实现三个路口的协调工作模式，经过对三路口车辆的检测，并且对各交通灯进行协调做出适当的控制。通过对以上整体思路的分析，以用地感线圈传感器检测车辆、单片机进行控制、锁存芯片和显示译码芯片的配合来实现控制L E D灯和数码管。通过锁存芯片实现单片机口的分时复用，简单易行，且编程简单，能实现数据的快速交换以及单片机的资源的充分利用。看下图：各车辆探测器电源输 单 输入 片 出端 机 端口 口锁存芯片显示译码芯片各信号灯及显示器通过AVR单片机实现对智能交通的控制。2.3 车流量检测方案2.3.1地感线圈地感线圈是本智能交通自控系统中的最主要的检测元件，主要由埋设在地表面下的线圈和信号提取与输出装置构成。地感线圈的技术规格由车道的大小和埋设的深度决定，地感线圈主要由内径，外径，线径和匝数四大因素组成，一旦这四大因素确定，线圈的规格型号即可确定。地感线圈工作在最佳状态下，线圈的电感量应保持在100uH-300uH之间，在线圈电感不变的情况下，线圈的匝数与周长有关系，周长越小、匝数就越多，线圈匝数参考表1。表1 线圈匝数参考表线圈周长 线圈匝数300cm， 电感lOOuH-3OOuH 5-6匝3006OOcm 4-5匝600-1000cm 4-5匝10002500cm 3匝25OOcm以上 2匝由于道路下可能埋设有各种电缆管线、钢筋、下水道盖等金属物质，这些都会对线圈的实际电感值产生很大影响，在实际施工时应使用电感测试仪实际测试地感线圈的电感值来确定施工的实际匝数，只要保证线圈的最终电感值在合理的工作范围之内(如在100uH-300uH之间)，否则，应对线圈的匝数进行调整。在理想状况下(不考虑一切环境因素的影响)，地感线圈只考虑面积的大小(或周长)和匝数，可以不考虑导线的材质。但在实际工程中，必须考虑导线的机械强度和高低温抗老化问题，在某些环境恶劣的地方还必须考虑耐酸碱腐蚀问题。在实际的工程中，建议采用01cm以上铁氟龙高温多股软导线。以一个60X6ocrn的模拟十字路口交通模型为例，根据实际十字路口的尺寸按比例缩放，得到的车道大小约为3cm。设计时选择的线圈内径为1.8*2.3 cm、外径为2.0*2.5 cm、线径为0.05cm、匝数为180n。2.3.2信号转换装置地感线圈的工作原理基于振荡电路原理，信号转换装置是由一种基于电磁感应原理的信号转换线路构成，该转换电路主要由两只三极管组成共射极振荡器和地感线圈(电感元件)、电阻、电容等元件组成的耦合振荡电路组成，信号转换装置的电路原理如图2所示。图2 信号转换装置的电路原理图Ul和U2组成共射极振荡器，电阻R3是两只三极管的公共射极电阻，并构成正反馈，地感线圈T作为检测器谐振电路中的一个电感元件，与振荡回路一起形成LC谐振。当有大的金属物(汽车)通过时，由于空间介质发生变化引起了振荡频率的变化(有金属物体时振荡频率升高)，将会使线圈中单位电流产生的磁通量增加，从而导致线圈电感值发生微小变化，进而改变LC谐振的频率，这个频率的变化就作为有汽车经过地感线圈的路面时的输入信号，再将此信号通过由R7和C3组成的LC滤波电路，输出稳定的直流电压，此电压即可输入到ATmega128控制系统。2.3.3 地感线圈的埋设方法以十字路口中个方向的道路为例，考虑到右行通道车辆可以直接通过，只在直行通道和左行通道上埋设地感线圈。在每个通道上均埋设了两个地感线圈，具体埋设位置参考图3。前一个紧挨停车线，检测驶离该车道的车量数；后一个埋设在距停车线5-lOcm处，一般考虑埋设在预计可正常停车数量所占位置的l-2倍处，检测驶入该车道的车量数；二者之差，既是该车道还存在的车辆数，也是等待通行的车辆数，此数据也是控制该路口交通灯状态的依据。图3 地感线圈埋设平面位置图地感线圈埋设首先要用切路机在路面上切出槽来，在四个角上进行45 角处理，防止尖角破坏线圈电缆；切槽宽度一般为0.4-0.8cm，深度3-5cm，同时还要为线圈引线切一条通到路边的槽，将双绞好的输出引线通过引出线槽引出。地感线圈埋设是在车道路面铺设完成后或铺设路面的同时进行的，在线圈埋好以后，了加强保护，用沥青或软性树脂将切槽封上。线圈安装时，应该尽量避免焊接点，万不得已则必须良好接触井敞好绝缘；为避免电磁干扰，馈线使用屏蔽电缆，屏蔽电缆的屏蔽线在信号转换器端良好接地；使用双绞线，防止两个相邻线圈的馈线或与电源220v之间的相互干扰。第3章 智能交通控制系统硬件设计3.1 AVR单片机的选择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。 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代的发展，目前单片机正朝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。由于ATmega128具有较多的I/O口，便于对多路口交通灯以及显示控制有一定优势，所以本文中我们采用较为先进的AVR单片机中Atmega128单片机，对Atmega128产品特点： 高性能、低功耗的 AVR 8 位微处理器 先进的 RISC 结构 133 条指令 大多数可以在一个时钟周期内完成 32 x 8 通用工作寄存器 + 外设控制寄存器 全静态工作 工作于16 MHz 时性能高达16 MIPS 只需两个时钟周期的硬件乘法器 非易失性的程序和数据存储器 128K 字节的系统内可编程Flash寿命: 10,000 次写/ 擦除周期 具有独立锁定位、可选择的启动代码区通过片内的启动程序实现系统内编程真正的读- 修改- 写操作 4K字节的EEPROM寿命: 100,000 次写/ 擦除周期 4K 字节的内部SRAM 多达64K 字节的优化的外部存储器空间 可以对锁定位进行编程以实现软件加密 可以通过SPI 实现系统内编程 JTAG 接口( 与IEEE 1149.1 标准兼容) 遵循JTAG 标准的边界扫描功能 支持扩展的片内调试 通过JTAG 接口实现对Flash, EEPROM, 熔丝位和锁定位的编程 外设特点 两个具有独立的预分频器和比较器功能的8 位定时器/ 计数器 两个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器/ 计数器 具有独立预分频器的实时时钟计数器 两路8 位PWM 6路分辨率可编程（2 到16 位）的PWM 输出比较调制器 8路10 位ADC8 个单端通道7 个差分通道2 个具有可编程增益（1x, 10x, 或200x）的差分通道 面向字节的两线接口 两个可编程的串行USART 可工作于主机/ 从机模式的SPI 串行接口 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器 片内模拟比较器 特殊的处理器特点 上电复位以及可编程的掉电检测 片内经过标定的RC 振荡器 片内/ 片外中断源 6种睡眠模式: 空闲模式、ADC 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby 模式以及扩展的Standby 模式 可以通过软件进行选择的时钟频率 通过熔丝位可以选择ATmega103 兼容模式 全局上拉禁止功能 I/O 和封装 53个可编程I/O 口线 64引脚TQFP 与 64 引脚 MLF 封装 工作电压 2.7 - 5.5V ATmega128L 4.5 - 5.5V ATmega128 速度等级 0 - 8 MHz ATmega128L 0 - 16 MHz ATmega128 3.2 硬件模块简介3.2.1 中央处理器：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。AVR ATmega128存储器： AVR结构两个主存储器空间：数据寄存器和程序寄存器。此外，ATmega还有EEPROM存储器以保存数据。这三个存储器空间都是线性的。定时/计数器：ATmega128有8位的可编程定时/计数器和16的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向，定时/计数器可以进行PWM、异步操作。并行输入输出(I/O)口：作为通用数字I/O使用时，所有的AVR I/O端口 都具有真正的读-修改-写的功能。这意味着用SBI和CBI指令改变某些管教的方向（或者是端口电平、禁止/使能上拉电阻）时不会无意的改变其他管脚的方向（或者是端口电平、禁止/使能上拉电阻）。输出缓冲器具有对称的驱动能力，可以输出或吸收大电流，直接驱动LED。所有的端口引脚都具有与电压无关的上拉电阻。并保护二极管与VCC 和地连接。通讯接口：1串行通讯接口SPI：串行外设接口SPI允许ATmega128和外设之间进行高速的同步数据传输。2USART：通用同步异串行接收器和转发器（USART）是一个高度灵活的串行通信设备。3两线串行接口TWI：两线接口TWI很适合于典型的处理器应用。中断系统：ATmeg128具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。3.2.2 8255芯片简介8255可编程并行接口芯片简介: 8255可编程并行接口芯片有三个输入输