智能交通燈設(shè)計與實現(xiàn)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上智能交通燈設(shè)計與實現(xiàn) 摘要：智能的交通信號燈指揮著人和各種車輛的安全運行,實現(xiàn)紅、黃、綠燈的自動指揮是城鄉(xiāng)交通管理現(xiàn)代化的重要課題.在城鄉(xiāng)街道的十字交叉路口,為了保證交通秩序和行人安全,一般在每條道路上各有一組紅、黃、綠交通信號燈,其中紅燈亮,表示該條道路禁止通行; 黃燈亮,表示該條道路上未過停車線的車輛停止通行,已過停車線的車輛繼續(xù)通行; 綠燈亮,表示該條道路允許通行.交通燈控制電路自動控制十字路口兩組紅、黃、綠交通燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換,指揮各種車輛和行人安全通行,實現(xiàn)十字路口城鄉(xiāng)交通管理自動化. 本文為了實現(xiàn)交通道路的管理,力求交通管理先進性、科學化. 分析應(yīng)用了單片機實

2、現(xiàn)智能交通燈管制的控制系統(tǒng),以及該系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計方法,實驗證明該系統(tǒng)實現(xiàn)簡單、經(jīng)濟,能夠有效地疏導(dǎo)交通,提高交通路口的通行能力。 關(guān)鍵詞： 交通信號燈 單片機 一. 技術(shù)指標 1) 設(shè)計一個十字路口的交通燈控制電路，要求南北方向和東西方向兩個交叉路口的車輛交替運行。 2) 每次綠燈變紅燈時,要求黃燈先亮5S,才能變換運行車輛.3) 東西方向、南北方向車道除了有紅、黃、綠燈指示外，每一種燈亮的時間都用數(shù)碼管顯示器進行顯示（采用倒計時的方法）。4) 同步設(shè)置人行橫道紅、綠燈指示。5) 考慮到特殊車輛情況，設(shè)置緊急轉(zhuǎn)換開頭。 二. 智能交通燈的方案選擇1) 智能交通燈的研究現(xiàn)狀 其實,用紅黃綠三色

3、來作交通訊號和人的視覺機能結(jié)構(gòu)和心理反應(yīng)有關(guān)。 我們的視網(wǎng)膜含有桿狀和三種錐狀感光細胞。桿狀細胞對黃色的光特別敏感，三種錐狀細胞則分別對紅光、綠光及藍光最敏感。由于這種視覺結(jié)構(gòu)，人最容易分辨紅色與綠色。雖然黃色與藍色也容易分辨，但因為眼球，對藍光敏感的感光細胞較少，所以分辨顏色，還是以紅、綠色為佳。 顏色也有活動的含意，要表達熱或劇烈的話，最強是紅色，其次是黃色。綠色則有較冷及平靜的含意。因此，人們常以紅色代表危險，黃色代表警覺，綠色代表安全。 而且，由于紅光的穿透力最強，其他顏色的光很容易被散射，在霧天里就不容易看見，而紅光最不容易被散射，即使空氣能見度比較低，也容易被看見，不會發(fā)生事故。所

4、以我們用紅色表示禁止。2) 智能交通燈的設(shè)計方案針對道路交通擁擠，交叉路口經(jīng)常出現(xiàn)擁堵的情況。利用單片機控制技術(shù)提出了軟件和硬件由于AT89S51單片機自單帶有2計數(shù)器，6個中斷源，能滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。用單片機設(shè)計不但設(shè)計簡單，而且成本低，用其設(shè)計的交通燈也滿足了要求，所以本文采用單片機設(shè)計交通燈，系統(tǒng)構(gòu)圖如圖1所示：圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 3) AT89S51單片機的主要性能參數(shù)和主要引腳對交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計，首先應(yīng)對交通燈的核心控制芯片的基本結(jié)構(gòu)和特征以及主要引腳有比較詳細的了解。AT89S51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機，片內(nèi)含 4k bytes

5、的可系統(tǒng)編程的 Flash 只讀程序存儲器,器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準 8051 指令系統(tǒng)及引腳。它集 Flash 程序存儲器 既可在線編程（ISP）也可用傳統(tǒng)方法進行編程及通用 8 位微處理器于單片芯片中，ATMEL 公司的功能強大，低價位 AT89S51 單片機可為您提供許多高性價比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。、主要性能參數(shù)·與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容·4k字節(jié)在系統(tǒng)編程（ISP）Flash閃速存儲器·1000次擦寫周期·4.05.5V的工作電壓范圍·全靜態(tài)工作模式：0Hz33MHz

6、·三級程序加密鎖·128×8字節(jié)內(nèi)部RAM·32個可編程IO口線·2個16位定時計數(shù)器·6個中斷源·全雙工串行UART通道·低功耗空閑和掉電模式·看門狗（WDT）及雙數(shù)據(jù)指針·掉電標識和快速編程特性·靈活的在系統(tǒng)編程（ISP字節(jié)或頁寫模式）、主要引腳功能·VCC：電源電壓·GND：地·P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I0口，也即地址數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能驅(qū)動8個TTL邏輯門電路，對端口寫“l(fā)”可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器

7、或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在F1ash編程時，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。·P1口：Pl 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向IO口，Pl的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“l(fā)”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（IIL）。Flash編程和程序校驗期間，Pl接收低8位地址。表1 具有第二功能的P1口引腳端口引腳第二功能：P1.5MOSI（用于ISP編程）

8、P1.6MOSI（用于ISP編程）P1.7MOSI（用于ISP編程）·P2 口：P2 是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向IO 口，P2 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（IIL）。在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVXDPTR指令）時，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行MOVXRi 指令）時，P2 口線上的內(nèi)容（也即特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中P2寄存器的

9、內(nèi)容），在整個訪問期間不改變。Flash編程或校驗時，P2亦接收高位地址和其它控制信號。·P3 口：P3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I0 口。P3 口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“l(fā)”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。P3口除了作為一般的I0口線外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示：表2 具有第二功能的P1口引腳端口引腳第二功能：P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2/INT0（外中斷0）P3.3/ INT1（外中斷1）P3.4T

10、0（定時計數(shù)器0外部輸入）P3.5T1（定時計數(shù)器1外部輸入）P3.6/ WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7/ RD外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3口還接收一些用于Flash閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。·RST：復(fù)位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復(fù)位。WDT 溢出將使該引腳輸出高電平，設(shè)置SFR AUXR的DISRT0 位（地址8EH）可打開或關(guān)閉該功能。DISRT0位缺省為RESET輸出高電平打開狀態(tài)。·ALE：當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE

11、 仍以時鐘振蕩頻率的16 輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖。對F1ash存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH 單元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。該位置位后，只有一條M0VX和M0VC指令A(yù)LE才會被激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置ALE無效。·程序儲存允許（）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89S51 由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次有效，即輸出兩個脈沖。當訪問外部數(shù)據(jù)存

12、儲器，沒有兩次有效的信號。·VPP：外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為0000HFFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接VCC端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。F1ash存儲器編程時，該引腳加上+12V的編程電壓Vpp。·XTAL1：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。·XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端2。四. 智能交通燈方案的實現(xiàn)根據(jù)設(shè)計任務(wù)和要求,可畫出該控制器的原理框圖, 為確保十字路口的交通安全，往往都采用交通燈自動控制系統(tǒng)來控制交通

13、信號。其中紅燈（R）亮，表示禁止通行；黃燈（Y）亮表示暫停；綠燈（G）亮表示允許通行。1) 控制器的系統(tǒng)框圖如圖2所示圖2 交通燈控制器系統(tǒng)框圖2) 電路圖智能交通燈電路圖如圖3所示。圖3 智能交通燈電路圖3) 智能交通燈系統(tǒng)的組成交通燈系統(tǒng)由四部分組成：車檢測電路，信號燈電路，時間顯示電路，緊急轉(zhuǎn)換開關(guān)。4) 工作原理大家都明白，綠燈的放行時間與車輛通過數(shù)量不成正比。比如說20秒內(nèi)每車道可以通過20輛車，40秒內(nèi)每車道卻可以通過45輛車。因為這有一個起步的問題，還有一個黃燈等待問題。也就是說，綠燈放行時間越長，單位時間通過車輛的數(shù)量就越多。我們來計算一下，每車道通行20秒內(nèi)可以通過20輛車，

14、一個紅綠燈循環(huán)是40秒(單交叉路口)，加上每次狀態(tài)轉(zhuǎn)換的黃燈5秒（一個循環(huán)要兩次轉(zhuǎn)換），即一個紅綠黃燈循環(huán)要50秒，即50秒內(nèi)通行的車輛為40輛。通過一輛車的平均時間是1.25秒。如果每次車輛通行的時間改為40秒，40秒內(nèi)每車道可以通過45輛，一個紅綠燈循環(huán)是80秒(單交叉路口)，加上每次狀態(tài)轉(zhuǎn)換的黃燈5秒（一個循環(huán)要兩次轉(zhuǎn)換），即一個紅綠黃燈循環(huán)要90秒，即90秒內(nèi)通行的車輛為90輛。通過一輛車的平均時間只需1秒。顯然在車輛擁擠的情況下綠燈的通行時間越長，單位時間內(nèi)通行的車輛越多，可以有效緩解車輛擁堵問題。當然綠燈時間也不可能無限長，要考慮到讓另一路口的等待時間不能過長。人們總是希望在交通燈

15、前等候的時間越短越好。所以筆者設(shè)定了綠燈通行時間的上限為40秒。在非擁擠時段綠燈的通行時間的下限為20秒，當交叉路口雙方車輛較少時通行時間設(shè)為20秒，這樣可以大大縮短車輛在紅燈面前的等待時間。當交叉路口雙方車輛較多時通行時間設(shè)為40秒。、車檢測電路用來判斷各方向車輛狀況,比如：20秒內(nèi)可以通過的車輛為20輛，當20秒內(nèi)南往北方向車輛通過車輛達不到20輛時，判斷該方向為少車，當20秒內(nèi)北往南方向車輛通過車輛也達不到20輛時，判斷該方向也為少車，下一次通行仍為20秒，當20秒時間內(nèi)南往北或北往南任意一個方向通過的車輛達20輛時證明該狀態(tài)車輛較多，下一次該方向綠燈放行時間改為40秒，當40秒內(nèi)通過的

16、車輛數(shù)達45輛時車輛判斷為擁擠，下一次綠燈放行時間改仍為40秒，當40秒車輛上通過車輛達不到45輛時，判斷為少車，下次綠燈放行時間改為20秒， 依此類推。綠燈下限時間為20秒，上限值為40秒，初始時間為20秒。這樣檢測，某次可能不準確，但下次肯定能彌補回來，累積計算是很準確的，這就是人們常說的“模糊控制”。因為路上的車不可能突然增多，塞車都有一個累積過程。這樣控制可以把不斷增多的車輛一步一步消化，雖然最后由于每個路口的綠燈放行時間延長而使等候的時間變長，但比塞車等候的時間短得多。本系統(tǒng)的特點是成本低，控制準確。十字路口車輛通行順序如圖4所示： 圖4 十字路口車輛通行順序由于南往北，北往南時間顯

17、示相同，所以只要一個方向多車，下次時間就要加長東往西，西往東也一樣，顯示時間選擇如表3.表3 顯示時間選擇車輛情況本次該方向通行時間下次該方向通行時間本次該方向通行時間本次該方向通行時間南往北少車，北往南少車20秒20秒40秒20秒南往北少車，北往南多車20秒40秒40秒40秒南往北多車，北往南少車20秒40秒40秒40秒南往北多車，北往南多車20秒40秒40秒40秒東往西少車，西往東少車20秒20秒40秒20秒東往西少車，西往東多車20秒40秒40秒40秒東往西多車，西往東少車20秒40秒40秒40秒東往西多車，西往東多車20秒40秒40秒40秒、信號燈電路信號燈用來顯示車輛通行狀況，下面以

18、一個十字路口為例，說明一個交通燈的四種狀態(tài)見圖5。每個路口的信號的的轉(zhuǎn)換順序為：綠>黃>紅 綠燈表示允許通行，黃燈表示禁止通行，但已經(jīng)駛過安全線的車輛可以繼續(xù)通行，是綠燈過渡到紅燈提示燈。紅燈表示禁止通行。綠燈的最短時間為20秒，最長時間為40秒，紅紅最短時間為25秒，最長時間為45秒，黃燈時間為5秒。紅黃綠綠黃紅紅黃綠綠黃紅綠黃紅紅黃綠紅黃綠紅黃綠紅黃綠綠黃紅綠黃紅紅黃綠綠黃紅綠黃紅紅黃綠紅黃綠圖5交通信號燈運行狀態(tài) 、時間顯示電路在交通信號燈的正上方安裝一個可以顯示綠燈通行時間，紅燈等待時間的顯示電路，采用數(shù)碼管顯示電路是一種很好的方法。由于東往西方向和西往東方向顯示的時間相同

19、，南往北方向和北往南方向顯示的時間也相同，所以只需要考慮四位數(shù)碼管顯示電路，其中東西方向兩位，南北方向兩位，兩位數(shù)碼管可以時間的時間為0-99秒完全可以滿足系統(tǒng)的要求，數(shù)碼管連接方法如圖6所示圖6 數(shù)碼管連接方法下面我們用這種方法顯示交通燈的時間，南北方向要顯示20秒，東西方向要顯示25秒，那么我們先給P0口送2的共陰極碼即5BH，讓第一位2要顯示的位碼GND段為低電平，其它三位的控制端都接高電平，那么第一位就顯示2，其它三位不亮。讓其顯示1MS后再給P0口送0的共陰極碼即3FH，讓第二位要顯示0的位碼GND段為低電平，其它三位的控制端都接高電平，那么第二位就顯示0，其它三位不亮。依此類推分別

20、送完第一位2，第二位0，第三位2，第四位5，每一位點亮1MS一個掃描周期為4MS，四、緊急轉(zhuǎn)換開關(guān)電路一般情況下交通燈按照車流量大小合理分配通行時間，按一定規(guī)律變化，但考慮緊急車通行車況，設(shè)計緊急通行開關(guān),下面簡述單片機的中斷原理。     1) Mcs51的中斷源 8051有5個中斷源，它們是兩個外中斷INT0（P3.2）和INT1（P3.3）、兩個片內(nèi)定時/計數(shù)器溢出中斷TF0和TF1，一個是片內(nèi)串行口中斷TI或RI，這幾個中斷源由TCON和SCON兩個特殊功能寄存器進行控制,其中5個中斷源的程序入口地址如表4所示：表4中斷源程序入口中斷源的服務(wù)程序

21、入口地址中斷源入口地址外中斷00003H定時/計數(shù)器0000BH外中斷10013H定時/計數(shù)器0001BH串行口中斷0023H  2) 中斷的處理流程CPU響應(yīng)中斷請求后，就立即轉(zhuǎn)入執(zhí)行中斷服務(wù)程序。不同的中斷源、不同的中斷要求可能有不同的中斷處理方法，但它們的處理流程一般都如下所述：（）現(xiàn)場保護和現(xiàn)場恢復(fù)：  中斷是在執(zhí)行其它任務(wù)的過程中轉(zhuǎn)去執(zhí)行臨時的任務(wù)，為了在執(zhí)行完中斷服務(wù)程序后，回頭執(zhí)行原先的程序時，知道程序原來在何處打斷的，各有關(guān)寄存器的內(nèi)容如何，就必須在轉(zhuǎn)入執(zhí)行中斷服務(wù)程序前，將這些內(nèi)容和狀態(tài)進行備份即保護現(xiàn)場。我們舉個例子，在看書時，電話玲響需傳去接

22、電話時，必須在書本上做個記號，以便在接完電話后回來看書時，知道從哪些內(nèi)容繼續(xù)往下看。計算機的中斷處理方法也如此，中斷開始前需將有關(guān)寄存器的內(nèi)容壓入堆棧進行保存，以便在恢復(fù)原來程序時使用。中斷服務(wù)程序完成后，繼續(xù)執(zhí)行原先的程序，就需把保存的現(xiàn)場內(nèi)容從堆棧中彈出，恢復(fù)積存器和存儲單元的原有內(nèi)容，這就是現(xiàn)場恢復(fù)。 如果在執(zhí)行中斷服務(wù)時不是按上述方法進行現(xiàn)場保護和恢復(fù)現(xiàn)場，就會是程序運行紊亂，程序跑飛，自然使單片機不能正常工作。（）中斷打開和中斷關(guān)閉：在中斷處理進行過程中，可能又有新的中斷請求到來，這里規(guī)定，現(xiàn)場保護和現(xiàn)場恢復(fù)的操作是不允許打擾的，否則保護和恢復(fù)的過程就可能使數(shù)據(jù)出錯，為此在

23、進行現(xiàn)場保護和現(xiàn)場恢復(fù)的過程中，必須關(guān)閉總中斷，屏蔽其它所有的中斷，待這個操作完成后再打開總中斷，以便實現(xiàn)中斷嵌套。 （）中斷服務(wù)程序：  既然有中斷產(chǎn)生，就必然有其具體的需執(zhí)行的任務(wù)，中斷服務(wù)程序就是執(zhí)行中斷處理的具體內(nèi)容，一般以子程序的形式出現(xiàn)，所有的中斷都要轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)程序，進行中斷服務(wù)。 （）中斷返回：  執(zhí)行完中斷服務(wù)程序后，必然要返回，中斷返回就是被程序運行從中斷服務(wù)程序轉(zhuǎn)回到原工作程序上來。在MCS-51單片機中，中斷返回是通過一條專門的指令實現(xiàn)的，自然這條指令是中斷服務(wù)程序的最后一條指令。3) 交通燈中的中斷處理流程（）現(xiàn)場保護和現(xiàn)場恢復(fù)：有特殊車輛要通過時就要進行中斷，在中斷之前，先將交通燈中斷前情況保護好，當中斷執(zhí)行后再恢復(fù)現(xiàn)場，包括信號燈和時間顯示電路。（）中斷打開和中斷關(guān)閉：為了使特殊車輛通行按一下打開中斷開關(guān)就可以打開中斷，關(guān)閉中斷開關(guān)就關(guān)閉中斷。（）中斷服務(wù)程序：有中斷產(chǎn)生，就必然有其具體的需執(zhí)行的任務(wù)，中斷服務(wù)程序就是執(zhí)行中斷處理的具體內(nèi)容：即如果南北方向有特殊車輛要求通過，南北方向轉(zhuǎn)換為綠燈，東西方向為紅燈；如果東西方向有特殊車輛要求通過，東西方向轉(zhuǎn)換為綠燈，南北方向為紅燈。（） 中斷返回：執(zhí)行完中斷服務(wù)程序后，必然要返回，即回交通燈信號回