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城市智能交通灯系统毕业设计论文
毕业论文（设计）
题目：
智能交通灯控制系统
（Title）：
Intelligenttrafficlightcontrolsystem
智能交通灯控制系统
摘要
本设计就是以单片机为架构的智能交通灯系统。
本系统由单片机系统、LED显示、交通灯演示系统组成。
系统包括直行、左转、右转、以及基本的交通灯的功能。
系统除基本交通灯功能外，还具有倒计时、时间设置、紧急情况处理、分时段调整信号灯的点亮时间以及根据具体情况手动控制等功能。
目前的交通灯闪烁周期固定，导致上下班高峰期主干道路等待时间长。
本设计增加高峰期模式，进入高峰期时间段，通过调节闪烁时间缓解车流量大的道路压力。
同时还增加了交通灯系统的人行道盲人提示功能、急车紧急通过功能，可有效防止上下班时交通堵塞和车辆、人员滞留。
比起普通交通灯控制系统，此系统提高了交通灯控制的效率，保证交通有序进行。
关键词：
AT89S52；交通灯；LED显示
Intelligentrafficlightcontrolsystem
Abstract
ThisdesignisbasedonSCMforintelligenttrafficlightsystemarchitecture.ThissystemconsistsofSCMsystem,LEDdisplay,trafficlightsdemonstrationsystem.Thesystemcomprisesastraightline,turnleft,turnright,andthebasictrafficlightsfunction.Inadditiontothebasictrafficlightsfunction,alsohasthelighttimecountdown,timesetting,emergencyhandling,sub-periodadjustmentofsignalandmanualcontrolfunctionsaccordingtothespecificcircumstances.
Atpresent,thetrafficlightsfixedperiod,resultingintherushhouroftrunkroadtowaitforalongtime.Increasethepeakpatterndesign,enterthepeakperiodoftime,byregulatingtheflashingtimerelievethepressurelargeflowofcar.Atthesametimealsoincreasedthetrafficlightsystemsidewalkblindpromptfunction,acuteemergencyvehiclesthroughthefunction,caneffectivelypreventthecommutingtrafficandvehicles,staffretention.Comparedwithordinarytrafficlightcontrolsystem,thesystemimprovestheefficiencyoftrafficlightcontrol,ensuretheorderlytraffic.
Keywords:
AT89S52；TRAFFICLIGHT；LEDDISPLAY
一、绪论
1.1城市交通的作用
城市是人类从事各类社会、政治、经济和文化的活动中心，在社会发展中起了重要的作用。
汽车是这一时代文明的产物，在给人们带来巨大便利的同时，也使人们面临交通拥挤的困惑和道路交通安全事故的烦恼。
在我国，随着改革开放政策的贯彻实施，国民经济得到了迅猛发展，道路交通也得到了迅速得法展。
与此同时，由于城市化进程的加速，城市规模不断膨胀，城市的经济贸易和社会的活动日益频繁，人员流动与社会交往日益增多，使得城市交通拥挤和交通安全事故问题更加透突出。
城市交通作为城市基础设施重要组成部分，如何改善、完善和发展城市交通，越来越被人们所重视。
城市交通作为支撑城市活动的主要基础设施，是城市的枢纽和命脉，如不及早实施综合治理，将严重的影响城市居民生活的提高和城市的经济发展。
由于我国城市基础设施的发展滞后于城市建设的发展，严重影响了城市及周边地区的经济发展。
因此，城市交通问题的解决，不但可以使人们的生命财产有保障，而且可以加快经济的发展和社会的进步。
城市交通系统是城市大系统中非常重要的子系统之一。
它与整个城市国民经济的发展和人民生活水平的提高密切相关，它连同社会生产的每个环节，维系着千家万户的日常生活。
城市交通一方面受城市结构、经济状况、生产布局、人口分布等因素的制约；另一方面，它的有效性、安全性、可靠性、经济性又影响着城市的工作效率、经济效益和居民生活水平。
城市交通系统的运行状况又可以从另一个侧面反映出城市的经济建设、科学技术和城市管理水平。
因此，在交通管理中应用先进的科学技术和管理方法保证道路的安全畅通，是经济发展的需要。
交叉路口是城市交通系统重要的组成部分，是城市道路网的咽喉，其通行能力制约着城市道路的通达，是影响道路畅通的瓶颈。
众所周知，提高交叉路口通行能力的最有效办法是修建立交桥。
鉴于我国道路基础设施现状以及从各个城市的经济水平情况，立交桥尚不能推广普及。
因此，人们更多的采用交通控制这一方式来充分利用交叉路口的时空资源，按照现实的交通流给予相应的最适宜的交通控制，最大程度的提高交叉路口的通行能力，不但能提高车辆通过交叉路口的速度、减少延误、节约人们的出行时间，同时能避免该交叉路口发生堵车，影响交叉路口临近路段及更远路段的顺利通行。
据有关的资料显示，机动车辆在其减速制动和起动期间所排放的有害物质是其正常行驶时的7倍左右。
因此，解决好城市交叉路口通行问题，减少机动车辆在交叉路口附近停车延误对提高社会的经济效益和环境保护都是具有重大意义的。
1.2国内外交通系统发展现状
随着现代社会对交通运输的日趋依赖，交通系统的控制越来越受到普遍的重视。
近年来，英国、美国等西方国家均在某些城市建立智能交通控制系统。
由各路口的控制设备或工作人员将交通控制参数通过电话线、电缆、光纤或是无线网络等方式输入到微处理器，用小型计算机控制。
尤其是伴随着信息技术的发展，交通控制的概念已从交通管理者的行为改变为交通管理者和道路使用者共同的行为，从而使得交通的最优化向全局最优发展。
在这些发展中，除了新设备的应用外，数据的采集、传输、处理、存储与发送等技术的发展也起了关键的作用。
新型的监测器，包括用摄像机采集图像信息和进行图像处理技术，为人们提供了大量的时变数据；新的通信技术，包括光纤通信、无线通信等技术，能使人们更快的传送数据。
而计算机技术的发展，使交通控制系统的发展又向前进了一大步。
这些控制技术与现代控制理论、现代的管理方法相结合，使交通控制系统日趋完善。
与国外相比，我国目前的交通控制很落后，目前中国城市的问题呈现如下些问题：
管理不力，秩序混乱；没有科学、合理、有效的城市交通监控系统。
由此带来的后果表现为道路的通行能力明显低于设计要求且波动性大、出行难，交通事故发生率高，交通环境恶化，出行者易疲劳等问题。
1.3我国交通中存在的主要问题
交通的发展，促进了人类社会的不断进步。
社会的进步，又促进了交通设施的建设、交通工具的改进。
然而，随着机动车辆的迅速增加，人们在专区由机动车辆所带来的巨大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挤、交通事故频发、环境污染加剧和燃油量上升所带来的困惑。
我国是一个发展中国家，经济还不是很发达，因而产生了具有中国特色的城市交通局面。
由于先天的不足，城市交通控制系统存在很多问题，如系统应用环境的变数大、系统适应性差等一些棘手的问题，这些问题可以说是我国城市交通系统的特点。
具体表现在如下几个方面：
（1）车型种类繁杂，混合交通严重。
为了适应不同人群和不同消费需求，各种车辆大量混杂在道路中。
目前世界上广泛使用的交通控制系统均对路网和流量有一定的要求，对于适应小汽车交通的效果不是很好。
（2）交通事故频发，对人类生命安全构成极大的威胁。
自从汽车问世以来，交通事故就伴随而来。
交通事故的产生与道路状况、环境、驾驶员素质等因素有关。
车辆多，道路窄，机动车辆和非机动车辆混行，部分司机和行人不遵守交通规则，构成了城市交通事故主要原因。
据统计，每年10万人中就有9人死于车祸，这个数字是和战争中死亡的人数差不多。
就西安来说，每年都有很多人死于车祸。
（3）交通拥挤严重，导致出行时间增加，能源消耗增大。
据报纸显示，全国城市的车速非常的低，形势非常的严峻。
我国国内百万人口以上的大城市，每年由于交通拥挤带来的直接经济损失多达1600亿，相当于国民生产总值的3.2%。
（4）空气污染和噪声污染严重，且日益加剧。
汽车尾气排放、噪声是当今世界上最严重的环境污染之一。
发达国家的调查表明：
汽车排放的污染物占大气污染物总量的60%以上；交通噪声占城市环境噪声的70%以上，这种污染物在车辆制动和起动的过程中更为严重。
以上这四个方面的问题集中体现了现阶段我国城市交通系统的突出问题，具体表现在车辆混杂、事故频发、拥挤严重、污染加重。
这要求我们找出根本原因，分析问题，找出解决的办法，采用积极的措施，以期彻底改善城市的交通问题。
1.4城市交通解决的主要途径
针对城市交通拥挤，有人提出修建新的城市道路或是修建新的立交桥。
可是，过不了多长的时间，道路又恢复到原来的拥挤状态。
一般来说修建新的道路不会改变原来的拥挤，诱发的交通量将很快占据新增的道路设施，这部分潜在的交通量是由于以前受道路供给短缺的制约而未能得到实现的。
由于修建道路并不能从根本上解决城市交通拥挤的问题，人们开始寻求新的解决途径。
随着人们对控制理论的认识和利用的不断深入以及计算机技术的发展，利用控制理论和计算机技术来解决交通问题显得越来越重要了。
各国相继开发了不同的交通控制系统，为缓解交通问题做出了很大的贡献。
随着人工智能这一新兴的科学的兴起，人们开始将其引入到城市交通控制中来。
经过大量的探索和研究实践，人们相信智能控制是解决城市交通问题的强有力的工具。
[1]
1.5论文研究的主要内容
目前城市十字路口的红绿灯，一般根据路口车辆的多少预设固定的红绿灯转换周期。
但固定配会导致有些方向车辆早已通行完，而另外方向车辆排长队等待绿灯，致使交通效率大大降低。
该设计是一种新型交通灯智能控制系统。
该系统依据车多通行时间长及同时通行两车道不冲突的原则，在软硬件方面对现行交通灯控制进行改进，从而动态调节各方向的通行时间，大大提高了交通灯配时的灵活性和实时性。
[1]
二、单片机控制交通系统总体设计
2.1单片机交通控制系统通行方案设计
2.1.1设计路线
智能交通灯系统的设计路线主要分为：
LED的选择、数码管显示控制、计时控制和软件总体的设计。
交通灯由12个带指示箭头的LED灯来作为四个方向的车行指示灯，各人行路口的指示灯为红绿灯来指示通行禁行。
数码管受I/O口等因素的限制，故采用四个两位共阴数码管，以74ls245芯片来控制数码管与I/O端口的连接和74ls138芯片控制个位十位显示，这样差不多占用1组I/O口。
交通灯的计时控制是利用单片机内部的定时器/计数器进行定时，配合软件延时实现到计时。
[2]
2.1.2方案比较、设计与论证
（1）电源提供方案
为使模块稳定工作，须有可靠电源。
我们考虑了两种电源方案。
方案一：
采用独立的稳压电源。
此方案的优点是稳定可靠，且有各种成熟电路可供选用；缺点是各模块都采用独立电源，会使系统复杂，且可能影响电路电平。
方案二：
采用单片机控制模块提供电源。
改方案的优点是系统简明扼要，节约成本；缺点是输出功率不高。
经过综合比较，选择第二种方案。
[4]
（2）显示界面方案
该系统要求完成倒计时、状态灯等功能。
基于上述原因，我们考虑了三种方案：
方案一：
完全采用数码管显示。
这种方案只显示有限的符号和数码字符，无法胜任题目要求。
方案二：
完全采用LED显示。
这种方案实现复杂，且须完成大量的软件工作；但功能强大，可方便的显示各种英文字符，汉字，图形等。
方案三：
采用数码管与LED相结合的方法因为设计既要求倒计时数字输出，又要求有状态灯输出等，为方便观看并考虑到现实情况，用数码管与LED灯分别显示时间与提示信息。
这种方案既满足系统功能要求，又减少了系统实现的复杂度。
权衡利弊，第三种方案可互补一二方案的优缺，所以决定采用方案三以实现系统的显示功能。
[6]
（3）输入方案：
题目要求系统能手动设灯亮时间、紧急情况处理，讨论了两种方案：
方案一：
采用8155扩展I/O口及键盘，显示等。
该方案的优点是：
使用灵活可编程，并且有RAM,及计数器。
若用该方案，可提供较多I/O口,但操作起来稍显复杂。
方案二：
直接在I/O口线上接上按键开关。
因为设计时精简和优化了电路，所以剩余的口资源还比较多，我们使用四个按键，分别是K1、K2、K3、K4。
由于该系统对于交通灯及数码管的控制，只用单片机本身的I/O口就可实现，且本身的计数器及RAM已经够用，故选择方案二。
[7]
2.1.3智能交通灯运行规则
※智能交通灯运行规则1（常规交通运行）
状态S1：
东西方向可左右转弯，南北方向可右转弯;40s
状态S2：
东西方向可直行，南北方向禁止通行;20s
状态S3：
东西方向禁止通行，南北方向可直行;20s
状态S4：
东西方向可右转弯，南北方向可左右转弯.40s
※智能交通灯运行规则2（交通高峰期运行）
状态S1：
东西方向可左右转弯，南北方向可右转弯;30s
状态S2：
东西方向可直行，南北方向禁止通行;10s
状态S3：
东西方向禁止通行，南北方向可直行;30s
状态S4：
东西方向可右转弯，南北方向可左右转弯.50s
2.2智能交通控制系统的功能要求
2.2.1交通通行模式
通过具体的路口交通灯状态的演示分析我们可以把这四个状态归纳如下：
图1交通状态
设在十字路口，分为东西向和南北向，东西、南北两干道交于一个十字路口，各干道有一组向左、直行、向右的指示灯（绿色亮表示可以通行，绿色灭表示禁止通行），设出行高峰期南北道比东西道的车流量大。
交通灯智能控制方案设A1、B1、C1、D1分别表示东南西北向的直行车道，A2、B2、C2、D2则表示相应的左转车道。
考虑在交通规则和车辆安全性基础上，实现在最短的时间内达到最大的车流量。
本次设计在同一时间段内达到四个方向都能通车，这种状态能在一定的时间内达到较大的车流量，效率特别高。
如状态S1和S4。
[11]
2.2.1急车紧急通行功能
交通路口出现紧急状况在所难免，如特大事件发生，救护车等急行车通过等，我们都必须尽量允许其畅通无阻，毕竟在这种情况下是分秒必争的，时时刻刻关系着公共财产安全，个人生死攸关等。
由此在交通控制中增设禁停按键，就可达到想此目的。
通过编程，构建系统急车强通功能模块。
实现交通灯在状态S1、S2、S3、S4的通行规则循环下，任意时间下能通过按键实现急车强通控制。
即是当急救车到来时南北东西路口全部绿灯先闪烁五秒，随后全亮红灯，行人和车辆都禁止行走，只允许急救车通过，急救车通过的时间为10秒钟，急救车通过后，交通信号灯恢复先前状态。
2.2.2盲人指示功能
红绿灯对盲人毫无便利可言，因无法弄清车辆通行状况，盲人常常在路口迟疑不前，甚至冒闯红灯。
目前的经济现状、残疾人事业发展的水平以及广大盲人的需求，应推行带声音提示的红绿灯。
通过声音提示盲人停止或者通行。
盲人听到“滴滴”声就可以放心地穿越路口。
通过加装盲人提示音器件，构建系统盲人指示功能模块。
盲人过街交通安全问题及部分行人故意不遵守信号灯的情况，在每个红绿灯路口设有行人过街信号灯的基础上，在人行路口安装了语音盲人提示器。
该提示器当绿灯亮时会发出清脆的提示声，提醒行人可以通过；当绿灯快转换成红灯时，提示器会发出紧促且稍大声音，提醒行人不能通过。
语音盲人提示器的安装使用，不仅加强了对路口行人违章的管理，而且为盲人过街提供了方便。
2.2.3交通灯系统双模式
针对实现交通灯的双模式控制的目的，采用以C语言编写程序，设计电路的软件部分和以89C52单片机为核心，连同交通灯显示模块和其他元器件，设计电路的硬件部分的软硬件相结合的方法。
即软件部分：
在KEIL环境中编写并验证C程序。
硬件部分：
通过单片机控制交通灯和数码管的显示，同时可利用按键切换运行模式，即普通模式和上下班高峰模式。
此系统可保证在平时，车辆与行人有较长时间穿过马路。
通过切换运行模式，此系统可有效防止上下班时交通堵塞和车辆、人员滞留。
比起普通交通灯控制系统，此系统提高了交通灯控制的效率，保证交通有序进行。
2.3系统控制方案
定时控制虽不太适于交通流量有很大变化的交叉口的控制,但能用数字显示器显示当前灯色剩余时间,以便于驾驶员随时掌握自己的驾驶动作,及时停车或启动。
感应控制虽能适合各种交叉口的控制,但不易联合控制,又不便于数字显示器显示当前灯色剩余时间。
为使控制机既适合各种交叉口,又能在需要时联机控制,因此在系统中同时采用两种控制方法。
在相位方面,四相位控制具有很高的安全性,但只能在各种车道分离的交叉口使用,且在轻交通流的情况下交通效率较低。
二相位控制其安全性稍低,但能在各种交叉口运行,且交通效率高。
因此,为适应不同的实际情况,在系统中选用二相位和四相位控制两种方式。
第一相位第二相位
第三相位第四相位
图2十字路口四相位信号控制示意图
交叉路口交通信号控制中，由于交叉路口车道窄，车流量较小，一般只采用两个相位，即两相制，如东西向放行，显绿灯，则南北向禁止，显红灯，这是第一相。
第二相时，南北放行，显绿灯，东西向禁止通行，显红灯。
几何特性一定的条件下，交叉路口的信号配时是提高交叉路口通行能力、减少车辆在交叉路口的排队延误和停车次数最为重要的决定因素。
交叉路口的信号配时包括三个方面的内容：
信号周期、绿信比和信号周期的起始时间。
交通路口的交叉路口控制中，由于车道加宽，车流量也比以前大大增加了，这时为了保障交通安全，及车流的顺利畅通，就需要再增加相位的设置，例如可增加适当的左转、右转相位，使每一方向的车流都可在通过交叉路口时不受其它方向车辆的干扰，提高了交叉路口的交通安全和通行率。
但是相位又不能设置太多，如果太多，就会使单方向的车辆等待通过时间加长，造成交通堵塞。
因此，根据交叉路口的车流量信息，相理设置也是至关重要的环节。
本系统十字路口的相位及步伐设置为四相位：
第一相位为东西向直行，禁止左转及南北直行；第二相位为东西左转，禁止直行及南北左转；第三相位是南北直行，禁止左转及东西直行；第四相位是南北左转，禁止直行及东西左转。
而在这四个相位运行中，右转是不被禁止的，可以随时通过的。
其相位方案见图2
图3十字路口交通控制信号灯布置示意图
设有一个南北（SN）向和东西（WE）向的十字路口，两方向各有两组相同交通控制信号灯，每组各有四盏信号灯，分别为直行信号灯（G）、左拐信号灯（L）、红灯（R）和黄灯（Y），交通控制信号灯布置如图3所示。
2.4 原理分析
2.4.1交通灯显示时序的理论分析
图4状态周期示意图
共四种状态，分别设定为S1、S2、S3、S4，交通灯以这四种状态为一个周期，循环执行如下图所示：
依据上述车辆行驶的状态图，可以列出各个路口灯的逻辑表如下表所示（其中逻辑值“1”代表直行通行，逻辑值“0”代表禁止通行，逻辑值“L”代表左拐通行）：
表1状态1图
S1的状态
E
S
W
N
逻辑值
0
1
0
1
显示时间
正常模式下为40S
表2状态2图
S2的状态
E
S
W
N
逻辑值
0
L
0
L
显示时间
正常模式下为20S
表3状态3图
S3的状态
E
S
W
N
逻辑值
1
0
1
0
显示时间
正常模式下为40S
表1状态4图
S4的状态
E
S
W
N
逻辑值
L
0
L
0
显示时间
正常模式下为20S
程序就是在上述四种状态下循环转化的。
一个周期四个状态，在正常模式下共花费2分钟。
2.4.2交通灯显示的理论分析
（1）倒计时显示的理论分析
利用定时器中断，设置TH0=TH1＝（65536-50000）/256，即每0.05秒中断一次。
每到第20次中断即过了20*0.05秒＝1秒时，使时间的计数值减1，便实现了倒计时的功能。
[9]
（2）状态灯显示的理论分析
黄灯闪烁同样可以利用定时器中断。
每到第10次中断即过了10*0.05秒＝0.5秒时，使黄灯标志位反置，即可让黄灯1秒闪烁一次。
[10]
三、系统硬件电路
3.1单片机AT89C52
3.1.1AT89C52简介
AT89C52是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。
AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。
[1]
AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程（S系列的才支持在线编程）。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
兼容MCS51指令系统 · 8k可反复擦写（>1000次）Flash ROM
· 32个双向I/O口 · 256x8bit内部RAM
· 3个16位可编程定时/计数器中断 · 时钟频率0-24MHz
· 2个串行中断 · 可编程UART串行通道
· 2个外部中断源 · 共6个中断源
· 2个读写中断口线 · 3级加密位
· 低功耗空闲和掉电模式 · 软件设置睡眠和唤醒功能
AT89C52的P为40 脚双列直插封装的8 位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。
功能包括对会聚主IC 内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。
主要管脚有：
XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。
RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。
VCC（40 脚）和VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。
P0~P3 为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0 端口（32~39 脚）被定义为N1 功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连
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