基于單片機的車輛闖紅燈監(jiān)控系統(tǒng)

1、基于單片機的車輛闖紅燈監(jiān)控系統(tǒng)摘要基于整個交通控制系統(tǒng)的發(fā)展情況，本設計主要進行如下方面的研究：用智能，集成，且功能強大的單片機芯片為控制中心，設計出一套十字路口的交通控制系統(tǒng)，以指揮該路口的實時通行狀態(tài)。本設計主要做了如下幾方面的工作：一是確定系統(tǒng)交通控制的總體設計，包括，十字路口具體的通行禁行方案設計以及系統(tǒng)應擁有的各項功能，在這里，本設計除了有信號燈狀態(tài)控制能實現(xiàn)基本的交通功能，還有倒計時顯示提示，基于題目要求，又要求了具有智能調(diào)度功能，當偵測某一通道繁忙另一通道空閑時，能自動調(diào)整紅綠燈時間。緊急狀況處理：當有緊急通行車輛（如消防車、救護車、警車）要求通過時，能自動開通該通道而關閉另一通

2、道。違規(guī)檢測及處理，遙控可設置等強大功能。 二是進行軟件系統(tǒng)的設計，對于本系統(tǒng)，本團隊采用單片機C語言編寫，對單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作情況做了充足的研究，了解定時器，中斷以及延時原理，總體上完成了軟件的編寫。關鍵詞：交通燈，遙控器，led顯示，中斷1. 系統(tǒng)方案論證方案一：在十字路口四個干道處50米處安裝紅外對管，檢測車輛堵車時間，當紅外對管的信號屏蔽較長時間時，即判斷此路口為繁忙，自動切換為綠燈，以保障通行，同時紅外對管也可以用來作為車輛計數(shù)器。在四個干道的黃線外地下設置地感線圈，當該干道為紅燈狀態(tài)時，啟動地感線圈，如果有車闖紅燈時，由于車的金屬材質(zhì)引起線圈的振蕩頻率改變，送出一個電平變化給單片

3、機的判斷口，從而進入報警程序，發(fā)出聲光警報。方案二：設在十字路口，分為東西直行、東西左拐和南北直行、南北左拐，在任一時刻只有一個方向通行，另外三個方向禁行，持續(xù)一定時間，經(jīng)過短暫的過渡時間，依次進行通行禁行方向輪流轉(zhuǎn)換。其具體狀態(tài)如下所示。交通狀態(tài)從狀態(tài)1開始變換，直至狀態(tài)8然后循環(huán)至狀態(tài)1，周而復始，闖紅燈用微動開關的電平變化來模擬，設置二個按鍵，按鍵1為繁忙檢測，當按下為3秒時，啟動狀態(tài)轉(zhuǎn)換，該干道變?yōu)榫G燈，按鍵2為闖紅燈檢測，用下降沿觸發(fā)給單片機的中斷口一個中斷信號，觸發(fā)送出聲光警報，而設置加減倒計時則用遙控器實現(xiàn)。綜合比較方案，認為方案二更方便可行，方便功能實現(xiàn)。2單片機交通控制系統(tǒng)的

4、功能要求本設計能模擬基本的交通控制系統(tǒng)，用紅綠黃燈表示禁行，通行和等待的信號發(fā)生，還能進行倒計時顯示，自動檢測繁忙，交通違規(guī)處理和緊急處理等功能。（1）倒計時顯示和狀態(tài)顯示倒計時顯示可以提醒駕駛員在信號燈燈色發(fā)生改變的時間、在“停止”和“通過”兩者間作出合適的選擇。倒計時顯示是用來減少駕駛員在信號燈色改變的關鍵時刻做出復雜判斷的1種方法，它可以提醒駕駛員燈色發(fā)生改變的時間，幫助駕駛員在“停止”和“通過”兩者間作出合適的選擇 。狀態(tài)1狀態(tài)2狀態(tài)3狀態(tài)4狀態(tài)5狀態(tài)6狀態(tài)7狀態(tài)8東西直行通行等待變換禁行等待變換禁行等待變換禁行等待變換南北直行禁行等待變換通行等待變換禁行等待變換禁行等待變換東西左拐禁

5、行等待變換禁行等待變換通行等待變換禁行等待變換南北左拐禁行等待變換禁行等待變換禁行等待變換通行等待變換（2）闖紅燈檢測現(xiàn)階段，車輛檢測器檢測方式有很多，各有其優(yōu)缺點，如紅外線檢測器、地磁檢測器、機械壓電檢測器，磁頻檢測器、波頻檢測器、視頻檢測器等。一般闖紅燈采用傳感器+單片機+外圍器件來實現(xiàn)。 因為闖紅燈的速度快，所以用下降沿觸發(fā)的中斷信號。（3）時間手動設置 除系統(tǒng)根據(jù)車流量自動控制調(diào)整，也可以通過遙控進行手動設置，增加了人為的可控性，避免自動故障和意外發(fā)生，并再緊急狀態(tài)下，可設置所有燈變?yōu)榧t燈。鍵盤是單片機系統(tǒng)中最常用的人機接口，一般情況下有獨立式和行列式兩種。前者軟件編寫簡單，但在按鍵數(shù)

6、量較多時特別浪費I0口資源，一般用于按鍵數(shù)量少的系統(tǒng)。后者適用于按鍵數(shù)量較多的場合，但是在單片機I0 口資源相對較少而需要較多按鍵時，此方法仍不能滿足設計要求。本系統(tǒng)創(chuàng)造性的用了遙控器來控制，省掉了按鍵的煩惱。（4）緊急處理 交通路口出現(xiàn)緊急狀況在所難免，如特大事件發(fā)生，救護車等急行車通過等，我們都必須盡量允許其暢通無阻，畢竟在這種情況下是分秒必爭的，時時刻刻關系著公共財產(chǎn)安全，個人生死攸關等。由此在交通控制中增設禁停遙控，就可達到當有緊急通行車輛（如消防車、救護車、警車）要求通過時，能自動開通該通道而關閉另一通道。（5）違規(guī)檢測 如闖紅燈等，也時有發(fā)生，交警等交通管理人員雖然可以進行實時監(jiān)管

7、，但是耗費精力，在路口設置檢測傳感器就可以進行自動的警報提示。除了紅燈警報，為了超越視覺指揮的局限性，同時接上蜂鳴器，在聽覺上加強了指揮提醒作用。據(jù)此，本設計系統(tǒng)以單片機為控制核心，由車流量檢測模塊，違規(guī)檢測模塊，和遙控設置模塊等產(chǎn)生輸入，信號燈狀態(tài)模塊，LED倒計時模塊和蜂鳴器狀態(tài)模塊接收輸出。系統(tǒng)的總體框圖如上所示。遙控設置模塊對系統(tǒng)輸入模式選擇及具體通行時間設置的信號，系統(tǒng)進入正常工作狀態(tài)，執(zhí)行交通燈狀態(tài)顯示控制，同時將時間數(shù)據(jù)倒計時輸入到LED數(shù)碼管上實時顯示。在此過程中還要實時捕捉違規(guī)檢測和緊急按鍵信號，以達到對異常狀態(tài)進行實時控制的目的。急停按鍵和違規(guī)檢測隨時調(diào)用中斷。在模式選擇上

8、，若為自動模式，將不斷調(diào)用車流量檢測模塊對車流量進行檢測統(tǒng)計，到達一定時間將修正通行時間以滿足不同路況的需要。3系統(tǒng)硬件電路的設計3.1系統(tǒng)硬件總電路圖原理圖設計PCB設計3.2系統(tǒng)硬件總電路構(gòu)成及原理實現(xiàn)本設計要求的具體功能，可以選用AT89C52單片機及外圍器件構(gòu)成最小控制系統(tǒng)，16個發(fā)光二極管分成4組紅綠黃藍四色燈構(gòu)成信號燈指示模塊，兩位數(shù)碼管構(gòu)成倒計時顯示模塊，堵車繁忙檢測，闖紅燈信號檢測，采用遙控控制時間設置和緊急情況調(diào)控等，以及用1個蜂鳴器和1個紅燈進行報警,因時間緊迫，傳感器和光敏接收器用按鍵觸動來模擬。3.2.1系統(tǒng)硬件電路構(gòu)成本系統(tǒng)以單片機為核心，組成一個集車流量采集、處理、

9、自動控制為一身的閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件電路由車流量檢測電路、單片機、違規(guī)檢測電路，狀態(tài)燈，LED顯示，按鍵，遙控器，蜂鳴器組成。其中P0，P2，用于送顯兩片LED數(shù)碼管，組成動態(tài)掃描電路，P0用于控制紅綠黃藍發(fā)光二極管，XTAL1和XTAL2接入晶振時鐘電路，REST引腳接上復位電路，P3.2即INT1接違規(guī)檢測電路和緊停東西時間設置鍵J，P3.3即INT0接車流量檢測電路，P2.6接警示燈，P2.7接蜂鳴器。3.2.2系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)上電或手動復位之后，系統(tǒng)等待模式選擇設置鍵按下，模式分兩種：紅綠燈時間自動和紅綠燈時間設置。首先顯示00，接著由遙控器進行加計數(shù)，接著按遙控器的確認鍵，開始倒計

10、時，同時狀態(tài)燈開始按規(guī)律進行顯示。時間到達一個狀態(tài)所要全部時間，則要進行下一狀態(tài)判斷及銜接，并裝入次狀態(tài)的相應狀態(tài)碼值以及時間值，當然，還要開啟兩個外部中斷，其一為違規(guī)信號或禁停信號輸入，一旦主干道紅燈信號有效，中斷開始，進入中斷服務子程序，開啟蜂鳴器禁止全部通行，當斷開按鍵，中斷結(jié)束返回。其二為車流量檢測信號輸入，若檢測到車輛經(jīng)過，進入相應的中斷子程序，將存儲車流量的寄存器加1，然后中斷結(jié)束返回。每滿一個狀態(tài)循環(huán)周期，若為自動模式，則須將檢測到的車流量數(shù)據(jù)處理一次，判斷兩個方向的交通輕重緩急狀況，再調(diào)整下次狀態(tài)循環(huán)的紅綠燈時間，以達到自動控制的目的。3.3其它硬件介紹及連接車輛繁忙檢測電路及

11、模擬為了達到對紅綠燈的時間控制，需要對道路上的車流量進行檢測。當前比較流行的車流量檢測器件，是一種自感式的車輛傳感器。其工作原理是當車輛經(jīng)過傳感器時，引起其自感的變化，考慮到單片機系統(tǒng)的便利性，本次設計用一種手動的操作方式，即車流量的檢測電路用微動開關代替。其基本思路為：當車流量大時，由微動開關送出一個高低電平變化，引起狀態(tài)燈進行切換。違規(guī)檢測電路及模擬在紅燈和黃燈期間，車輛是禁行的，為了對那些違反規(guī)則的車輛進行檢測，可使用超聲波車輛傳感器。但是，用于受到條件的限制，本系統(tǒng)設計中只是使用了微動開關模擬。因為時間有限制，我們團隊用開關模擬闖紅燈的操作，即在主干道紅燈時，開關給個電平變化給單片機的

12、中斷入口，進行判斷，從而進行相應操作。兩位LED數(shù)碼管我們采用的是兩位的共陽LED數(shù)碼管，一個LED數(shù)碼管就有兩根位選線和8根段選線，要想顯示一個數(shù)值，就要分別對它們的高低電平來加以控制，用動態(tài)掃描顯示兩位數(shù)字。顯示數(shù)值g,f,e,d,c,b,a,dp驅(qū)動代碼01000000181H111110011F3H20100100149H30110000161H40011001133H50010010125H60000010105H711110001F1H80000000101H90010000121H表3.1 驅(qū)動編碼表3.3.4其它器件（1）發(fā)光二極管根據(jù)本設計的特點，紅綠燈的顯示不可少，紅綠燈的

13、顯示采用普通的發(fā)光二極管。每個方向上設置紅綠黃藍燈，總共4組。如果東西紅燈亮，那南北方向就是綠燈亮，反之亦然，所以在硬件上連接圖上也是對稱分布的，如下圖3.8所示。2）蜂鳴器本設計采用一般蜂鳴器，蜂鳴器使用PNP三極管進行驅(qū)動控制，當P2.7引腳輸出為低電平，PNP導通，蜂鳴器蜂鳴；當P2.7引腳輸出高電平時，PNP截止，蜂鳴器停止蜂鳴。如下圖3.9所示圖3.9 蜂鳴器連接（3）按鍵控制獨立按鍵一端接地，另一端接上拉電阻。低電平有效，當按鍵按下端口接地，單片機捕獲到低電平，從而知道相應的輸入信息。4 系統(tǒng)軟件程序的設計4.1程序主體設計流程全部控制程序?qū)嶋H上分為若干模塊：遙控設置處理程序，狀態(tài)

14、燈控制程序，LED顯示程序，消抖動延時程序，次狀態(tài)判斷及處理程序，緊?；蜻`規(guī)判斷程序，中斷服務子程序，車流量計數(shù)程序，紅綠燈時間調(diào)整程序等。首先是初始化處理程序，89C51通過對遙控器掃描，進行初始值的加減，按遙控器的確認鍵后，狀態(tài)燈按規(guī)定狀態(tài)進行亮滅顯示，想重新設置則要按下復位鍵。掃描程序開始后，先刷新顯示模塊，然后掃描緊停信號和違規(guī)信號，若捕獲則調(diào)用中斷，中斷服務子程序主要啟動蜂鳴器，直至恢復鍵按下。50ms已到則重新掃描。掃描20次之后計時到達1s則時間數(shù)據(jù)減1，在顯示模塊中修改顯示緩沖區(qū)內(nèi)容。接著進入紅綠燈時間調(diào)整程序，更新紅綠燈時間。當前狀態(tài)時間已到，則判斷次狀態(tài)裝入相應數(shù)據(jù)，然后進

15、入下一狀態(tài)。4.2理論基礎知識（1）定時器原理定時器工作的基本原理其實就是給初值，讓它不斷加1直至減完為模值，這個初值是送到TH0和TL0中的。它是以加法記數(shù)的，并能從全1到全0時自動產(chǎn)生溢出中斷請求。因此，我們可以把計數(shù)器記滿為零所需的計數(shù)值，即所要求的計數(shù)值設定為C，把計數(shù)初值設定為TC 可得到如下計算通式：式中，M為計數(shù)器模值。計數(shù)值并不是目的，目的是時間值，設計1次的時間，即定時器計數(shù)脈沖的周期為T0，它是單片機系統(tǒng)主頻周期的12倍，設要求的時間值為T，則有C=TT0。計算通式變?yōu)椋篢=（MTC）T0模值和計數(shù)器工作方式有關。在方式0時M為8192；在方式1時M的值為65536；在方式

16、2和3為256。就此可以算出各種方式的最大延時。如單片機的主脈沖頻率為12MHZ，經(jīng)過12分頻后，若采用方式最大延時只有8.129毫秒，采用方式最大延時也只有65.536毫秒。這就是為什么掃描周期為50ms的原因，若使用軟件則會耽擱程序流程，顯然不可行。相反，時間計時方面卻不可能只用計數(shù)器，因為顯然秒鐘已經(jīng)超過了計數(shù)器的最大定時間，所以我們還必須采用定時器和軟件相結(jié)合的辦法才能解決這個問題。具體程序中：TH0=(65536-50000)/256 TL0=(65536-50000)%256 這樣大概計時50ms（2）軟件延時原理MCS-51的工作頻率為12MHZ，機器周期與主頻有關，機器周期是主

17、頻的12倍，所以一個機器周期的時間為12*（1/12MHZ）=1us。我們可以知道具體每條指令的周期數(shù)，這樣我們就可以通過指令的執(zhí)行條數(shù)來確定1秒的時間，但同時由于單片機的運行速度很快其他的指令執(zhí)行時間可以忽略不計。我們設定一個初值為20的軟件計數(shù)器和使T0定時50毫秒。這樣每當T0到50毫秒時CPU就響應它的溢出中斷請求，進入他的中斷服務子程序。在中斷服務子程序中，CPU先使軟件計數(shù)器減，然后判斷它是否為零。為零表示秒已到。設定定時器需要定時50毫秒，故T0必須工作于方式。要求初值：TC=M-T*T0=216-50ms/1us=15536=3CBOH， （3）中斷原理本系統(tǒng)主要使用了外部中斷

18、，中斷信號有引腳INT0和INT1輸入，低電平有效，CPU每個時鐘周期都會檢測INT0和INT1上的信號，8051允許外部中斷以電平方式或負邊沿方式兩種中斷方式輸入中斷請求信號，可由用戶通過設置TCON中IT0和IT1位的狀態(tài)來實現(xiàn)。在優(yōu)先級的允許下，一旦有外部中斷信號產(chǎn)生，單片機CPU首先保護斷點，PC值進棧，然后執(zhí)行相應的中斷服務子程序，執(zhí)行完后，用RETI指令返回，此時CPU會從堆棧中取保存的斷點地址，送回PC，程序再正常執(zhí)行。4.3子程序模塊設計（1）led燈初始值設定 通過對遙控器的按鍵輸出進行編碼，在單片機內(nèi)部用程序解碼，實現(xiàn)用遙控器進行加減顯示設置，以及確定鍵。（2）狀態(tài)燈顯示及

19、判斷在本設計中，實際控制的燈只有8個，即：東西紅燈，東西綠燈，東西黃燈，南北紅燈，南北綠燈，南北黃燈。定義IO端口如下，其中均是低電平有效。共有8種狀態(tài)：東西紅燈亮，南北綠燈亮；東西紅燈亮，南北黃燈亮；東西綠燈亮，南北紅燈亮；東西黃燈亮，南北紅燈亮。P2.7,P2.6,P2.5,P2.4,P2.3,P2.2,P2.1,P2.0以及對應的十六進制碼。在用于顯示發(fā)光二極管時，直接將編碼尋址送入P2口。剛才的8個狀態(tài)是依次變換的，這就要涉及到狀態(tài)的判斷和銜接了。先把P2端口的值與所有的8個狀態(tài)碼比較，若相同則判斷成功當前狀態(tài)，再把下一狀態(tài)的狀態(tài)碼送顯P2即可。（3）LED倒計時顯示LED計時每1秒都要刷新1次，那么計時滿1秒時就要將存儲時間的工作寄存器R4減1，然后送入LED顯示程序中顯示。下面要將時間數(shù)據(jù)R4的十位，個位分開送顯P1，P0端口，首先將R4除以10，整數(shù)即十位放在A中，余數(shù)即個位放在B中，設置7段LED顯示數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)表，用數(shù)據(jù)指針寄存器DPTR指向數(shù)據(jù)表的首地址，再加上A中的偏移量，就可以指向十位數(shù)字，然后送顯即可，個位顯示同理。（4）車輛繁忙檢測中斷服務子程序車輛繁忙檢測檢測是用外部中斷引腳P3.2即INT1捕獲到一個低電平，則進入相應的中斷服務子程序，控制狀態(tài)燈進行相應狀態(tài)切換。（5）緊停及違規(guī)中斷服務子程序緊停按鍵和違規(guī)信