智能交通信号灯控制系统设计.doc

编号:

毕业论文(设计)

题 目 智能交通信号灯控制系统设计
指导教师 xxx
学生姓名 杨红宇
学 号 201321501077
专 业 交通运输
教学单位 德州学院汽车工程系 （盖章）

二O一五年五月十日

德州学院毕业论文（设计）中期检查表

院(系)： 专业： 2015 年 月 日
毕业论文（设计）题目：
学生姓名

学 号

指导教师

职 称

计划完成时间：2015年5月10日
毕业论文（设计）的进度计划：
2014.12.30-2015.5.10期间内，分4个阶段。1.进行选题；2.撰写开题报告；3.撰写论文初稿；4.定稿论文，准备答辩。各指导教师在2014.12.30-2015.5.10期间内，可对前述4个阶段匹配相应的年月日期间及论文研究活动的说明。注意：各阶段的起止时间要与各个表格的填表的时间相协调。
完成情况：
对上述进度中，1—4阶段完成情况进行说明。
指导教师评议（指出优点和不足，如有其它建议，可另附页）

签 名： 2015年 月 日
备 注：

目 录

1 绪论 1
1.1交通信号灯简介 1
1.1.1 交通信号灯概述 1
1.1.2 交通信号灯的发展现状 1
1.2 本课题研究的背景、目的和意义 1
1.3 国内外的研究现状 1
2 智能交通信号灯系统总设计 1
2.1 单片机智能交通信号灯通行方案设计 1
2.2 功能要求 1
3 系统硬件组成 1
4 系统软件程序设计 2
5 结论和展望 2
参考文献 2

I

作者姓名：4号仿宋，1.5倍行距
文题 :小2号黑体，1.5倍行距
智能交通信号灯控制系统设计
作者单位：小5号楷体，1.5倍行距
杨红宇
（德州学院汽车工程系，山东德州 253023）
摘要：标题5号黑体，后空一格，正文宋体，单倍行距
摘 要： 随着我现代社会交通运输需求量的不断扩大，如何处理好如此庞大的群体，交通信号灯就就此诞生，但是传统的交通信号灯不已经不能满足于现代日益增长的交通压力，这些缺点体现在：红绿灯时间固定，不能随着车流量的需求来控制红绿灯的时间。
关键词：标题5号黑体，正文宋体，单倍行距 ，两关键词间空两格
本文运用单片机技术，以及车流量检测装置来实现交通信号灯的自控制，随着车流量来改变红绿灯的时间，达到智能控制。
一级标题：小三号黑体，序数顶格书写，后空一格接写标题
关键词： 单片机； 交通灯； 车流量； 智能控制；
1 绪论
二级标题：四号黑体，序数顶格书写，后空一格接写标题
1.1 交通信号灯的简介
1.1.1 交通信号灯的概述
三级标题：小四号黑体，空两格书写序数，后空一格书写标题标题
交通信号灯作为保障行人和车辆顺利顺畅通过的存在，伴随着社会以及人类发展，成为现代生活中必不可少的一部分。
引用观点，序号使用上标，times new roman 字体
序号应与文后参考文献序号一致。
交通信号灯用于道路交叉苦口，通过对行人和车辆发出进行或停止的指令，从而使车与车，人和人之间，人与车之间互不干扰，从而提高路口通过率，保障路口通畅和安全。在十字路口两条相交的道路中车流量较大的使主干道其次是支干道。在主次干道上四个方向上有设有红色、绿色、黄色的三色信号灯。红色代表禁止通行，绿色代表可以通行，黄色代表在停车线以外的禁止通行。正文用宋体小四号字（英文用12磅Times New Roman字）

1.1.2 交通信号灯的发展现状
目前交通信号灯的种类多种多样，有的应用了CPLD设计实现交通信号灯的控制；有的应用了PLC实现交通信号灯的控制；有的应用单片机实现对交通信号灯的控制。我国的交通信号灯一般情况下设置在十字路口，在醒目的地方用红色、绿色、黄色三种指示灯，加上一个倒计时开控制人车通行。在一般情况下这种信号灯能保障安全，车辆分流也能发挥不错的作用，但是根据现在车流量日益增加的现状还存在着许多不足。比方说车辆放行时间固定，在十字路口经常出现东西和南北方向的车流量相差甚大的情况，这样如何给车流量较多的干道给予较多的放行时间就成了问题。
1.2 本课题研究的背景、目的和意义
随着城市机动车辆的不断增加，在我国许多的大城市出现了交通超负荷状况。自八十年代后期，这些城市修建了高速道路来缓解压力，在刚建好的初期这个决策很好的解决了交通超负荷着状况。但是随着经济的发展，交通量的增长和高速路高昂的费用，高速路没有发挥人们本来预期的效果。如何用合理的方法在大限度的缓解交通压力成为交通管理者和城市规划部门的主要问题。
目前我国城市依然采用的是传统的交通信号灯控制模式，随着城市的不断发展，车流量的不断扩大，传统的交通信号灯出现了缺陷：一是车辆放行时，十字路口经常出现不同车流量干道放行时间相同，易造成车辆堆积，造成交通堵塞；二是当某干道上无车时，正好是干道的通车时间，在这时间内就造成了指挥盲点；三是当这一干道车流量很大时，不能够改变红绿灯的时间来延长这干道的通过时间，造成这干道的车辆不能通过造成堆积。
为了更好的解决这些问题，本文介绍的系统通过传感器检测车流量，用单片机对路口的车流量进行统计，并执行处理程序，来实现智能交通信号灯的控制，达到可以根据车流量来实时控制信号灯。该系统成本低、实用性好、安全可靠、安装方便等优点，具有广泛前景。
1.3 国内外的研究现状
国外发展状况：伦敦首先发明了信号灯，然后由美国进行改造用电脑及其软件使其智能化，国外已经研究出使用红外线，电磁感应等多种方式来让交通灯智能化，发展相对于我国要早很多。
国内发展状况：我国在交通管理方面水平还欠发展，随着交通需求越来越旺盛，而我国城市交通管理智能化不足。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，虽然有专人研究，但是应用效果不明显，成本高收益小成了难题。目前我国交通事故仍然频发，城市车辆逐渐增加，运输速度却普遍下降，这需要进一步提高城市交通智能化的强度，疏通城市心脏的血液。
2 智能交通信号灯系统总设计
2.1 单片机智能交通信号灯通行方案设计

图1 交通信号灯设计简图
该实时交通监控系统主要由车辆检测电路、数码显示电路、电源、以及交通灯控制系统等几个部分组成。交通灯控制模块作为本系统的核心部分, 采用 AT89C51 为CPU, 对整个系统进行控制和管理。本模块从车辆检测模块接收车流量信息, 并对接收到的信息进行综合分析和处理,产生相应控制信息控制倒计时显示电路、状态灯显示电路。当有紧急情况产生时,可及时中断当前的控制状态, 对意外情况进行特殊处理。
1、 采用AT89C51单片机作为控制器。其具有两个十六位定时器/计数器，五个中断源，便于对车流量模块的中断检测。32个I/O借口，使具有足够的借口来驱动数码管及交通灯。外存储器寻址范围ROM、RAM64K，方便系统扩展。其中T0，T1口可以对外部外冲进行实时的计数操作，所以可以方便车流量的检测信号的输入。
2、 采用数码管与点阵LED结合的办法，因为设计要求既要倒计时数字输出，又要有状态灯输出，考虑实际情况又方便观看，用数码管和LED灯分别显示时间和状态信息。
3、 市面上车流量检测的方法多种多样，主要有遥感微波检测器、电磁感应检测器、红外线检测器三种。只是第一张精度虽高，但是受环境影响大，而且造价昂贵，随意不选用。第二种需要将感应器埋于地下，对已经建设好的道路需要重修，施工量大而且对交通影响很大，所以也不采用。第三种设计比较简单，而且造价不高，权衡之下，红外线检测仪器是不错的选择。红外线检测器是利用检测物对光束的遮挡或反射，通过同步回路检测的物体有无。物体不仅仅限于金属，只要能反射光线的物体都可以被检测。光电开关把输入电流在发射器上转换光信号发射出，接收器再根据接收的光线强弱或者有无对目标物体进行探测。当汽车经过光扫描区域的时候，部分或者全部光束被遮挡，来实现对汽车辆数据的检测。红外线扫描装置提供了车辆的轮廓扫描解决方案，并提供车辆的分离信号，并且还能同时检测挂钩是否存在以及其位置，由于光产品的高速响应，当汽车速低于100公里/小时的时候，系统可以对车辆间距0.3米的车辆实现可靠的分离检测并抓取到车辆的轮廓数据，当车速低于200公里/小时的时候，对车辆的间距0.6米的车辆实现可靠的分离检测并抓取到轮廓数据，系统可以自动分类超过100种车辆的类型，车辆自动分类准确度超过99%。
2.2 功能要求
实现单片机智能交通信号灯系统的正常启动有如下功能要求：
1、 倒计时显示是体香驾驶员在信号灯发生改变的时间、在“通行”和“停止”之间作出合适的选择。行人和驾驶员都愿意选择有倒计时的显示方式控制交通灯的信号改变，并且一直认为有倒计时的路口更加安全。倒计时显示是减轻驾驶员在信号灯颜色改变时做出错误判断的机率，它能提醒驾驶员颜色即将发生改变，在“通行”和“停止”之间作出适当的选择。
2、 车流量检测模块作为单片机智能交通系统的足本组成，在智能交通系统中有着举足轻重的地位。这个系统采用单片机、车流量传感器、外围器件来实现。
3、 手动设置时间模块，系统可以跟据车流量来自动调整以外还能根据键盘来调整，增加了人为可控性，可以避免意外情况的发生。在特定情况下可以把所有灯都设置成为红灯。
3 系统硬件组成
1、实现这个系统单片机是必不可少的，下面就来介绍一下AT89C51单片机：AT89C51单片机包含中央处理器、程序存储器、数据存储器、定时器等组成。
a) 中央处理器：中央处理器也叫CPU，使整个部件的核心，是8位数据宽度处理器，能对8位二进制位数据和代码进行处理，CPU负责指挥、调度和控制整个系统协调工作，完成数据运算和信号的输入输出等。
b) 程序存储器：AT89C51共有4KB容量，用于存放用户的程序，原始数据和表格。
c) 数据存储器：AT89C51内部有128个8位存储单元和128个专门的寄存单元，他们统一编址，专用的只能存放控制指令，用户只能访问不能修改和存放，因而用户能够使用的只有128个，可存放可读可写的数据。
d) I/O口：AT89C51共有4组8位I/O口分别是P1、P2、P3、P4，用于对外部数据的传输。
e) 定时器/计数器：AT89C51共有两个16位的可编程的定时器/计数器，实现计数或者定时产生的中断，用于控制程序的转向。
f) 全双工串行接口：AT89C51内置一个这样的接口，用于和其他设备间的数据传递。
g) 中断系统：AT89C51共有两个外中断、两个定时器/计数器中断和一个串行中断，可以满足不同控制的要求。
h) 时钟电路：AT89C51内置最高频率达12MHz时钟电路，用来整个单片机运行的脉冲的时序，但AT89C51单片机需要外置振荡电容。
单片机结构有两种，一种是数据存储器和程序存储器分开的，即哈佛结构，另一种是采用计算机的程序存储器和数据存储器合为一体的结构，即普林斯顿结构。AT89C51单片机是哈佛结构形式。
AT89C51引脚：采用40Pin封装的双列直接DIP结果，40个引脚，其中正电源线和地线两根，外置振荡时钟线两根，4组8位一共32个I/O口，中断口的线与P3口的线重复用。
2、红外线传感器这里用的是其中的光传感器，也就是光电开关，是光电接近开关的简称。它利用的就是被检测物体对光的遮挡和反射，由同步回路选择通路，进而检测物体有无。通过同步回路检测的物体有无。物体不仅仅限于金属，只要能反射光线的物体都可以被检测。光电开关把输入电流在发射器上转换光信号发射出，接收器再根据接收的光线强弱或者有无对目标物体进行探测。如图2所示：

图2 光电接近开关工作原理简图
发送器对目标发射光束，发射的一般来源于半导体光源，发光二极管、激光二极管以及红外发射二极管。通过不间断发射的光束或者改变的脉冲宽度，接收器由光电二极管、光电三极管、光电池组成。接收器前面装有光学元件等，后面是检测电路，能过滤出哪些是有效信号。
光电开关分类如果按检测方式分可以分为反射式、对射式和镜面反射式三种。对射式检测的距离比较远，可以检测半透明的物体。反射式工作距离被限定在光的聚焦处附近，受到的背景影响大。镜面反射式反射距离远，适合远距离检测，可以检测半透明物体。
光电开光随着我国工业的发展，光电开光被广泛的采用。应用领域也在日益扩大，采用集成电路技术和SMT表面安装工艺制作的最新光电开关，具有展宽、延时、外同步、可靠性强等功能。这种新的光电开光所使用的冷光源有红色光、红外光、蓝色光等，可无损的检测和控制。现在的光电开关具有体积小，功能多、精度高、检测距离远以及抗干扰能力强等优点。
3数码管：是一种半导体材料的发光器件，基本单元式发光二极管。分段式的数码管由分布在同个平面上的若干个发光笔画组成。其基本结构是PN结，用发光二极管来拼成显示数字。数码管的每个线段都是一个发光二极管，所以这种数码管也叫做LED数码管或则LED七段数码显示管。
4、 电源电路：选取三端稳压器来作为电路电源，其种类主要有两种：一种是输出稳压是固定不变的，称之为固定输出三端稳压器；另一种输出的电压是可以调节的，称之为可调输出三端稳压器。其实基本原理相同，都是采用串联型的稳压电路。在线性集成的稳压器中，由于三端稳压器只有三个端子，具有外接元件比较少，性能稳定，价格适中等优点，所以得到了广泛的应用。
5、 系统设计

楷体 ，1.5倍行距
4系统软件程序设计
4.1主程序流程图
状态显示
执行状态1
执行状态3
执行状态2
车流量小于20？
车流量大于30？
车流量初始值25
开始
初始化

4.2程序设计
程序清单：
ORG 0000H
LJMP 100H
ORG 000BH
LJMP T0_INTERUPT
ORG 100H
EAST_GREEN DATA 70H
EAST_YELLOW DATA 71H
EAST_RED DATA 72H
CAR_NUMBERS DATA 73H
MOV 73H,#20 ;车流量初值
START: MOV DPTR,#TAB
MOV P3,#00H
MOV SP,#60H
MOV R3,#250 ;中断延时15S
MOV R4,#00H ;
MOV TMOD,#01010001B
MOV TH0,#15H
MOV TL0,#0A0H ;60MS初值
MOV TH1,#00H
MOV TL1,#00H
MOV IE,#82H ;开放T0中断
SETB TR0
SETB TR1
SETB P3.5 ;I/O口输入数据前需将其先置1
LOOP: CLR P3.7 ;中断检验位清0
MOV A,CAR_NUMBERS
CJNE A,#25,LOOP1
LOOP1: JNC STATE1
CJNE A,#15,LOOP2
LOOP2: JC STATE3
LJMP STATE2
STATE1: MOV EAST_GREEN,#40 ;车流量大于25时，显示状态1
MOV EAST_YELLOW,#5
MOV EAST_RED,#25
LJMP STATE
STATE2: MOV EAST_GREEN,#30 ;车流量处于15和25之间，显示状态2
MOV EAST_YELLOW,#5
MOV EAST_RED,#25
LJMP STATE
STATE3: MOV EAST_GREEN,#50;车流量小于15时，显示状态3
MOV EAST_YELLOW,#5
MOV EAST_RED,#45
LJMP STATE
STATE: MOV R0,EAST_GREEN ;东西绿灯，南北红灯
MOV P1,#11011110B
STATE_1: LCALL T0_BCD
LCALL DISPLAY
LCALL DELAY_1S
DJNZ R0,STATE_1
STATE_2: MOV R0,EAST_YELLOW ;显示黄灯
MOV P1,#11101110B ;低电平有效，东西由绿灯变为红灯时才需要亮黄灯，南北继续红灯
STATE_22: LCALL T0_BCD
LCALL DISPLAY
LCALL DELAY_1S
MOV P1,#11111110B
MOV 74H,#100
WAIT1: DJNZ 74H,WAIT1
MOV P1,#11101110B
DJNZ R0,STATE_22
STATE_3: MOV R0,EAST_RED ;东西红灯，南北绿灯
MOV P1,#11110011B
STATE_33: LCALL T0_BCD
LCALL DISPLAY
LCALL DELAY_1S
DJNZ R0,STATE_33
STATE_4: MOV R0,EAST_YELLOW ;显示黄灯，南北由绿灯变为红灯时才需要亮黄灯，东西继续红灯
MOV P1,#11110101B
STATE_44: LCALL T0_BCD
LCALL DISPLAY
LCALL DELAY_1S
MOV P1,#11110111B
MOV 74H,#100
WAIT2: DJNZ 74H,WAIT2
MOV P1,#11110101B
DJNZ R0,STATE_44
LJMP LOOP
T0_BCD: MOV A,R0;BCD转换
MOV B,#10
DIV AB
MOV R1,B ;个位数值
MOV R2,A ;十位数值
RET
DISPLAY: ;静态显示
LOW_DIS:MOV A,R1
MOVC A,@A+DPTR
MOV P0,A
HIGH_DIS:MOV A,R2
MOVC A,@A+DPTR
MOV P2,A
RET
T0_INTERUPT:PUSH ACC
DJNZ R3,AGAIN
MOV R3,#250
INC R4
CJNE R4,#4,AGAIN ;车流量检测周期15*4=60S
SETB P3.7 ;检验中断是否发生
MOV R4,#00H
MOV CAR_NUMBERS,TL1
MOV TL1,#0
MOV TH1,#0
AGAIN:MOV TH0,#15H
MOV TL0,#0A0H
POP ACC
NOP
NOP
RETI
DELAY_1S:MOV R7,#10;延时1s程序
DEL1:MOV R6,#200
DEL2:MOV R5,#248
DJNZ R5,$
DJNZ R6,DEL2
DJNZ R7,DEL1
RET
TAB:DB 3fh,06h,5bh,4fh,66h,
DB 6dh,7dh,07h,7fh,6fh
END

第4章 系统仿真与调试
4.1 系统仿真
4.1.1 Protues仿真软件简介
Proteus是英国Labcenter公司开发的电路分析与仿真软件。Proteus是目前最好的模拟单片机外围器件的工具，它可以仿真51系列、AVR，PIC等常用的MCU及其外围电路（如LCD，RAM，ROM，键盘，马达，LED，AD/DA，部分SPI器件，部分IC器件）。本文基于Proteus6.7SP3和KEIL uVision3软件。运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)数字电路、模拟电路、数模混合电路，是目前唯一能实现对51、PIC、AVR、HC11等处理器的仿真软件。该软件的特点是：
(1)集原理图设计、仿真和PCB设计于一体，实现从概念到产品的完整开发工具。
(2)具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真，是独一无二的支持处理器与外围电路的协同仿真电路设计软件。
(3)具有全速、单步、设置断点等多种形式的调试功能。
(4)具有各种信号源和电路分析所需的虚拟仪表，是电类教学实验与创新的平台。
(5)支持Keil C51 uVision2、MPTLAB等第三方的软件编译和调试环境。
(6)具有强大的原理图到PCB板设计功能，可以输出多种格式的电路设计报表。
4.1.2 仿真原理图
Proteus软件具有仿真功能，要仿真首先要绘制原理图。点击图标打开Proteus软件，进入绘图界面后点击按扭，点击出现的元件列表框上方的按扭，在出现的“pick device”中的“keywords”下面的框中输入元器件的名字，或者在category中找到元器件的名字；双击元器件名称或者点击，在元件列表框中就会出现所选的元器件。再点击按扭，在元件列表框中选择地线和电源。选好所有的元器件后单击元件列表中的图标就可以把所需要的元件放入编辑窗口中，调整元件的位置，并把地线和电源放入编辑窗口中，最后进行连线。通过在T1口接入一个开关，模拟光电开关信号，手动控制开关的脉冲数，即为需要模拟的车流量，从而达到仿真效果。系统仿真图如下：

4.1.3 加载仿真程序
单击“Debug”菜单，在下拉菜单中单击“Go”选项，（或者使用快捷键F5），然后再单击“Debug”菜单，在下拉菜单中单击“Stop Running”选项（或者使用快捷键Esc）；再单击“View”菜单，再在下拉菜单中单击“Serial Windows #1”选项，就可以看到程序运行后的结果。
单击“Project”菜单，在下拉菜单中单击“”单击“Output”中单击“Create HEX File”选项，使程序编译后产生HEX代码，供下载器软件使用，把程序下载到AT89C51单片机中[4]。
4.1.4 系统仿真
单击仿真界面左下方的开始按扭，仿真就开始了。具体仿真过程如下：
①当交通灯开始工作后，执行默认状态，系统自动进入状态Ⅱ：东西方向绿灯，南北方向红灯，倒计时30秒，然后东西黄灯5秒，南北保持红灯5秒，紧接着东西红灯，南北方向绿灯，倒计时25秒后，南北亮黄灯5秒，东西保持红灯状态5秒后，重新扫描；仿真结果如图所示：

图4.2 默认状态仿真图
②当手动按下开关，频率小于15次/分时，执行状态Ⅲ：东西方向绿灯，南北方向红灯，倒计时50秒，然后东西黄灯5秒，南北保持红灯5秒，紧接着东西红灯，南北方向绿灯，倒计时45秒后，南北亮黄灯5秒，东西方向保持红灯状态5秒后，
重新扫描；仿真结果如图所示：

图4.3 状态Ⅲ仿真图
③当手动按下开关，频率大于15次/分，小于或等于25次/分，执行状态Ⅱ：东西方向绿灯，南北方向红灯，倒计时30秒，然后东西黄灯5秒，南北保持红灯5秒，紧接着东西红灯，南北方向绿灯，倒计时25秒后，南北方向亮黄灯5秒，东西方向保持红灯状态5秒后，重新扫描；仿真结果如图所示：

图4.4 状态Ⅱ仿真图
④当手动按下开关，频率大于25次/分，执行状态Ⅰ：东西方向绿灯，南北方向红灯，倒计时40秒，然后东西黄灯5秒，南北保持红灯5秒，紧接着东西红灯，南北方向绿灯，倒计时25秒后，南北亮黄灯5秒，东西保持红灯状态5秒后，重新扫描；仿真结果如图所示：