【正文】 十字路口交通燈控制 系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 作者姓名： 專業(yè)名稱：電氣工程及其自動(dòng)化 指導(dǎo)老師： 摘 要 近年來隨著科技的飛速發(fā)展，單片機(jī)的應(yīng)用正在不斷深入，同時(shí)帶動(dòng)傳統(tǒng)控制檢測(cè)技術(shù)日益更新。在實(shí)時(shí)檢測(cè)和自動(dòng)控制的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機(jī)往往作為一個(gè)核心部件來使用，僅單片機(jī)方面知識(shí)是不夠的，還應(yīng)根據(jù)具體硬件結(jié)構(gòu)軟硬件結(jié)合，加以完善。 十字路口車輛穿梭，行人熙攘，車行車道，人行人道，有條不紊。那么靠什么來實(shí)現(xiàn)這井然秩序呢？靠的就是交通信號(hào)燈的自動(dòng)指揮系統(tǒng)。交通信號(hào)燈控制方式很多。本系統(tǒng) 采用 MSC51系列單片機(jī) ATSC51和可編程并行 I/O接口芯片 8255A為中心器件來設(shè)計(jì)交通燈控制器，實(shí)現(xiàn)了能根據(jù)實(shí)際車流量通過 AT89C51 芯片的 P1 口設(shè)置紅、綠燈燃亮?xí)r間的功能；紅綠燈循環(huán)點(diǎn)亮，倒計(jì)時(shí)剩 5秒時(shí)黃燈閃爍警示（交通燈信號(hào)通過 PA 口輸出，顯示時(shí)間直接通過 8255 的 PC 口輸出至雙位數(shù)碼管）；車輛闖紅燈報(bào)警；通過設(shè)置“看門狗電路”來防止單片機(jī)死機(jī)，提高單片機(jī)系統(tǒng)的抗干擾性；綠燈時(shí)間可檢測(cè)車流量并可通過雙位數(shù)碼管顯示。本系統(tǒng)實(shí)用性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、擴(kuò)展功能強(qiáng)。 關(guān)鍵詞 ： 單片機(jī) 交通燈 闖紅燈 檢測(cè)車流量 Abstract With the rapid development of science and technology in recent years, the application of MCU is a growing, while driving more traditional control detection technology updates. In realtime detection and automatic control of microputer application system, the microcontroller is often used as a core ponent, only the microcontroller is not enough knowledge, but also according to the specific bination of hardware architecture of hardware and software, to be improved. Crossroads shuttle vehicles, pedestrians bustling, car dealers lane, one pedestrian and orderly. Then rely on to achieve this discipline of the order it? Is the traffic lights by the automatic control system. Many traffic lights control. This system uses the MSC51 Series MCU ATSC51 and programmable parallel I/O interface chip 8255Acentered design of traffic light controller device to realize the actual traffic flow according to the P1 port through AT89C51 to set the red, green brighten time function。 traffic light cycle lights, countdown 5 seconds left when the yellow light flashing warning (traffic signal through the PA port output, display the time directly through the 825539。s PC port to doubledigit LED output)。 car runs a red light to alarm。 by setting the gatekeeper dog circuit to prevent crashes MCU, MCU system to improve noise immunity。 green time of traffic flow can be detected by doubledigit digital display. This system is practical, simple and strong extensions. Keywords: Single chip microputer Raffic light Running a red light Detection of traffic 前 言 交通運(yùn)輸是城市功能活動(dòng)的命脈，它直接影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)與生活的各個(gè)方面。我國(guó)機(jī)動(dòng)車輛發(fā)展迅速，而城鎮(zhèn)道路建設(shè)由于歷史等各種原因相對(duì)滯后。道路擁擠、阻塞現(xiàn)象及交通事故常有發(fā)生。如何利用當(dāng)今自動(dòng)控制技術(shù)，有效地疏導(dǎo)交通，提高城鎮(zhèn)交通路口的通行能力，提高車輛速度，減少交通事故是值得我們研究的新課題。交通燈是城市交通中的重要指揮系統(tǒng)，它與人們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)。隨著人們生活水平的提高，對(duì)交通管制也提出了更高的要求，因此提供一個(gè)可靠、安全、便捷的多功能交通燈控制系統(tǒng)有著現(xiàn)實(shí)的必要性。本設(shè)計(jì)旨在設(shè)計(jì)出一款良好的 交通燈控制系統(tǒng)來改善交通紊亂問題，目的性強(qiáng)，也具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)這一學(xué)科也早有研究，控制方案各種各樣，并且各有優(yōu)缺點(diǎn)。從 1868 年英國(guó)倫敦首次使用燃汽色燈信號(hào)以來，城市交通信號(hào)機(jī)由手動(dòng)到自動(dòng)，交通信號(hào)由固定周期到可變周期，系統(tǒng)控制方式由點(diǎn)控到面控，從無車輛檢測(cè)器到有車輛檢測(cè)器，經(jīng)歷了近百年的歷史。到 1963 年加拿大多倫多市建立了一套使用IBM650 型計(jì)算的集中協(xié)調(diào)感應(yīng)控制信號(hào)系統(tǒng)，從而標(biāo)志著城市道路交通信號(hào)系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新的階段。之后，美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、日本、澳大利亞等多家相繼建成數(shù)字 電子計(jì)算機(jī)區(qū)域交通控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)一般還配備交通監(jiān)視系統(tǒng)組成交通管制中心。在西方發(fā)達(dá)國(guó)家，交通控制系統(tǒng)基本上完成了由傳統(tǒng)的交通控制系統(tǒng)向智能交通控制系統(tǒng) ITS（ Intelligent Transport systems）的轉(zhuǎn)變。而在我國(guó)，智能交通系統(tǒng)則剛剛處于起步階段。在 20世紀(jì) 90 年代初，我國(guó)的相關(guān)學(xué)者開始意識(shí)到研究和開發(fā) ITS 的重要性。到 90 年代中期，由于受到國(guó)外 ITS 研發(fā)的影響，政府部門也開始重視對(duì) ITS 的研究。 基于整個(gè)交通控制系統(tǒng)的發(fā)展情況，本設(shè)計(jì)主要進(jìn)行如下方面的研究：用智能，集成，且功能強(qiáng)大 的 MCS51 系列單片機(jī)中的AT89C51 為控制中心，設(shè)計(jì)出一套十字路口的交通控制系統(tǒng)，以指揮該路口的實(shí)時(shí)通行狀態(tài)。本設(shè)計(jì)除了有紅、黃、綠信號(hào)燈狀態(tài)控制能實(shí)現(xiàn)基本的交通功能外，還增加了倒計(jì)時(shí)顯示提示，基于實(shí)際情況，又要求了對(duì)車流量檢測(cè)功能，“看門狗芯片”保護(hù)功能，違規(guī)檢測(cè)及處理、鍵盤可設(shè)置等強(qiáng)大功能，以方便人們的生活需求。 1 系統(tǒng)總體方案 交通管理的方案論證 方案設(shè)想 東西、南北兩干道交于一個(gè)十字路口，各干道有一組紅 、黃、綠三色的指示燈，指揮車輛和行人安全通行。紅燈亮禁止通行，綠燈亮允許通行。黃燈亮提示人們注意紅、綠燈的狀態(tài)即將切換，且黃燈燃亮?xí)r間為東西、南北兩干道的公共停車時(shí)間。設(shè)東西道比南北道的車流量大，指示燈燃亮的方案見表 。 表 指示燈的燃亮方案 60S 5S 80S 5S ?? 東西道 紅燈亮 黃燈亮 綠燈亮 黃燈亮 ?? 南北道 綠燈亮 黃燈亮 紅燈亮 黃燈亮 ?? 表 說明： （ 1）當(dāng)東西方向?yàn)榧t燈，此道車輛和行人禁止通行；南北道為綠燈，此道車輛和行人通過。時(shí)間為 60 秒。 （ 2）黃燈 閃爍 5 秒，警示車輛和行人紅、綠燈的狀態(tài)即將切換。 （ 3）當(dāng)東西方向?yàn)榫G燈，此道車輛通行；南北方向?yàn)榧t燈，南北道車輛禁止通過。時(shí)間為 80 秒。東西方向車流大通行時(shí)間長(zhǎng)。 （ 4）這樣如上表的時(shí)間和紅、綠、黃出現(xiàn)的順序依次出現(xiàn)這樣行人和車輛就能安全暢通的通行。 鍵盤控制方案 鍵盤分為獨(dú)立式鍵盤和行列式鍵盤。本次設(shè)計(jì)考慮了這兩種鍵盤方案： 方案一：采用行列式鍵盤。 行列式鍵盤每條行線與列線在交叉處不直接相通，而是通過一個(gè)按鍵加以連接，當(dāng)按鍵較多時(shí)可采用行列式鍵盤以節(jié)省 I/O接口。 方案二：采用獨(dú)立式鍵盤 。 獨(dú)立式鍵盤接口電路配置靈活，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠但每個(gè)按鍵必須占用一跟 I/O 接口線， I/O 接口線浪費(fèi)較大，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，有時(shí)只需要幾個(gè)簡(jiǎn)單的按鍵向系統(tǒng)輸入信息，可將按鍵直接在一根 I/O 接口線上，故只在按鍵數(shù)量不多時(shí)采用。本設(shè)計(jì)應(yīng)用的接口數(shù)量不多，故選擇此方案。 看門狗保護(hù)方案 在單片機(jī)系統(tǒng)中，看門狗的設(shè)計(jì)一般采用硬件和軟件兩種方式。本次設(shè)計(jì)考慮了這兩種方案： 方案一：采用軟件看門狗。 軟件看門狗是利用單片機(jī)片內(nèi)閑置的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器單元作為看門狗，在單片機(jī)程序中適當(dāng)?shù)牟迦氡O(jiān)控指令，當(dāng) 程序出現(xiàn)異?；蜻M(jìn)入死循環(huán)時(shí)，利用軟件將程序計(jì)數(shù)器 PC 賦予初始值，強(qiáng)制性的使程序重新開始運(yùn)行。軟件看門狗的最大特點(diǎn)是無須外加硬件電路，經(jīng)濟(jì)性好。但可靠性差，需要占用系統(tǒng)內(nèi)存。當(dāng)然，如果片內(nèi)的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器被占用，就需要尋求其它的設(shè)計(jì)方式了。 方案二：采用硬件看門狗。 硬件看門狗是指一些集成化的或集成在單片機(jī)內(nèi)的專用看門狗電路，它實(shí)際上是一個(gè)特殊的定時(shí)器，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到時(shí)，發(fā)出溢出脈沖。從實(shí)現(xiàn)角度上看，該方式是一種軟件與片外專用電路相結(jié)合的技術(shù)，硬件電路連接好后，在程序中適當(dāng)?shù)夭迦胍恍┛撮T狗復(fù)位的指令，保證程序正 常運(yùn)行時(shí)看門狗不溢出。而當(dāng)程序運(yùn)行異常時(shí)，看門狗超時(shí)發(fā)出溢出脈沖，通過單片機(jī)的 RESET 引腳使單片機(jī)復(fù)位。該方案可靠性高，不需要占用系統(tǒng)內(nèi)存。但需要外加硬件電路，經(jīng)濟(jì)性較差。由于本設(shè)計(jì)中的安全性要求較高，所以采用硬件看門狗方案。 顯示控制方案 這里同樣討論了兩種方案： 方案一：采用靜態(tài)顯示。 靜態(tài)顯示由于占用較多的接口，在單片機(jī)設(shè)計(jì)中常采用串行擴(kuò)展來完成。該方案占用接口資源多，顯示亮度由保證，但硬件開銷大，電路復(fù)雜，信息刷新速度慢，實(shí)用于并行接口資源較少以及對(duì)顯示沒有要求的場(chǎng)合。 方案二：采用 動(dòng)態(tài)顯示。 LED 動(dòng)態(tài)顯示硬件連接簡(jiǎn)單，比較節(jié)省 I/O 接口，但其亮度不如靜態(tài)顯示方式，且動(dòng)態(tài)掃描的顯示方式在顯示位數(shù)較多時(shí)，CPU 要依次掃描，需占用 CPU 較多的時(shí)間。在該系統(tǒng)中由于單片機(jī)除了掃描 89C51 芯片外沒有太多的實(shí)時(shí)測(cè)控任務(wù)，故本設(shè)計(jì)中采用動(dòng)態(tài)掃描方式。 2 交通燈控制的功能要求 本設(shè)計(jì)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(hào)發(fā)生，還能進(jìn)行倒計(jì)時(shí)顯示，車流量檢測(cè)及調(diào)整，交通違規(guī)處理等功能。 （ 1）倒計(jì)時(shí)顯示 倒計(jì)時(shí)顯示可以提醒駕駛員在信號(hào)燈燈色發(fā)生改變的時(shí)間、在“停止”和“通 過”兩者間作出合適的選擇。駕駛員和行人普遍都愿意選擇有倒計(jì)時(shí)顯示的信號(hào)控制方式，并且認(rèn)為有倒計(jì)時(shí)顯示的路口更安全。倒計(jì)時(shí)顯示是用來減少駕駛員在信號(hào)燈色改變的關(guān)鍵時(shí)刻做出復(fù)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(shí)間，幫助駕駛員在“停止”和“通過”兩者間作出合適的選擇。 （ 2）車流量檢測(cè)及調(diào)整 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的蓬勃發(fā)展，城市人口和機(jī)動(dòng)車擁有量在急劇增長(zhǎng)，交通流量日益加大，交通擁擠堵塞現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，交通事故時(shí)有發(fā)生。車輛檢測(cè)器作為智能交通系統(tǒng)的基本組成部分，在智能交通系統(tǒng)中占有重要的地位?，F(xiàn)階段，車輛 檢測(cè)器檢測(cè)方式有很多，各有其優(yōu)缺點(diǎn)，如紅外線檢測(cè)器、地磁檢測(cè)器、機(jī)械壓電檢測(cè)器，磁頻檢測(cè)器、波頻檢測(cè)器、視頻檢測(cè)器等。一般車流量檢測(cè)器采用傳感器 +單片機(jī) +外圍器件來實(shí)現(xiàn)。而且，目前國(guó)內(nèi)使用的紅綠燈都是固定的紅綠燈時(shí)間，并自動(dòng)切換。紅燈時(shí)間和綠燈時(shí)間，是根據(jù)道口東西向和南北向的車流量，利用統(tǒng)計(jì)方法確定的。交通警察不斷觀察十字路口的兩個(gè)方向，根據(jù)車輛密度和流速?zèng)Q定是否切換紅綠燈，以保證最佳的道路交通控制狀態(tài)。 （ 3）時(shí)間手動(dòng)設(shè)置 除系統(tǒng)根據(jù)車流量自動(dòng)控制調(diào)整，也可以通過鍵盤進(jìn)行手動(dòng)設(shè)置，增加了人為的可控性，避免 自動(dòng)故障和意外發(fā)生。鍵盤是單片機(jī)系統(tǒng)中最常用的人機(jī)接口，一般情況下有獨(dú)立式和行列式兩種。前者軟件編寫簡(jiǎn)單，但在按鍵數(shù)量較多時(shí)特別浪費(fèi) I/O 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(chǎng)合，但是在單片機(jī) I/O 口資源相對(duì)較少而需要較多按鍵時(shí)，此方法仍不能滿足設(shè)計(jì)要求。本系統(tǒng)要求的按鍵控制不多，且 I/O口足夠，可直接采用獨(dú)立式。