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目 录
摘要———————————————————————————- I
ABSTRACT————————————————————————- 1
1 绪论—————————————————————————— 1
1.1 研究背景及意义——————————————————— 1
1.2 国内外研究现状——————————————————— 1
1.3 研究内容及结构安排—————————————————- 2
2 系统方案论证——————————————————————- 3
2.1 系统设计方案———————————————————— 3
2.2 主控模块选型———————————————————— 3
2.3 显示模块选型———————————————————— 4
2.4 设计语言的选择——————————————————— 5
2.5 车辆流量检测器的选择————————————————- 6
3 系统硬件设计——————————————————————- 8
3.1 主控模块—————————————————————– 8
3.1.1 单片机最小系统————————————————– 8
3.1.2 系统时钟电路—————————————————– 9
3.1.3 系统复位电路————————————————— 10
3.1.4 中断系统——————————————————— 11
3.2 显示模块—————————————————————- 11
3.3 按键模块—————————————————————- 12
3.4 车流量检测模块——————————————————- 13
4 系统软件设计—————————————————————— 14
4.1 设计软件简介———————————————————– 14
4.1.1 Altium Designer————————————————– 14
4.1.2 Proteus———————————————————– 14
4.1.3 Keil C51———————————————————- 14
4.2 系统程序设计———————————————————– 14
4.2.1 主程序设计流程图———————————————- 14
4.2.2 车流量检测子程序设计—————————————– 15
4.2.3 正常模式子程序设计——————————————- 16
5 系统测试———————————————————————– 18
6 总结与展望——————————————————————— 23
6.1 总结——————————————————————— 23
6.2 展望——————————————————————— 23
参考文献————————————————————————— 24
致谢——————————————————————————— 26
附录——————————————————————————— 27
摘要
随着车辆的增多和交通的飞速发展，在道路交通管理与控制中对交通信息的
需求越来越多。实时准确地检测道路车辆的交通流信息并预测未来道路交通状况，进而将预测信息提供给交通控制中心，这样，就能够有效地引导交通避免交通阻塞，减少出行时间和交通事故的发生。并且，交通数据检测在交通控制系统中也是十分重要的，精确和可靠的检测数据是在交通控制中进行合理的信号配时优化的基础，实时准确地对交通流预测，即有效地利用实时的交通数据预测未来的交通状况，是实现有效的交通控制和交通诱导的关键所在，也为了在应急情况下可以对道路通行状态进行改变。
本设计采用了一套可用于智能交通灯的方案。该套设计方案采用51单片机作为系统的主控芯片，使用LED数码管，红黄绿三种颜色的发光二极管。通过对定时器的设置和中断的控制，实现交通信号灯的功能。本设计引入了车流量检测，通过在地面铺设环形线圈传感器，测量车辆通过数量，检测车流量的大小，来自动调节红绿灯的显示时间。还设置了按键模块，在紧急情况时可通过按键模块实现任一方向的可持续通行的效果，经过仿真对本文方案进行验证。测试结果表明，所设计的智能信号交通灯微机控制系统符合设计要求。
关键词：城市道路 智能交通灯 车流量检测 紧急持续通行
ABSTRACT
With the increase of vehicles and the rapid development of traffic, the traffic information in the road traffic management and control of demand is increasing. Real-time and accurate detection of road vehicle traffic flow information and predict the future road traffic conditions, and then provide the predicted information to the traffic control center, so that the traffic can be effectively induced to avoid traffic congestion, reduce travel time and traffic accidents. Moreover, traffic data detection is also very important in traffic control systems, accurate and reliable detection data is the basis for reasonable signal timing optimization in traffic control, real-time accurate traffic flow prediction, that is, effective use of real-time traffic data to predict future traffic conditions, is the key to achieve effective traffic control and traffic guidance, but also in order to emergency situations can be the road traffic the state of the road can be changed in emergency situations.
In this paper, a scheme for intelligent traffic lights is designed. The design scheme uses 51 single chip as the system’s main control chip, using LED digital tube, red, yellow and green color light-emitting diode. Through the setting of the timer and interrupt control, traffic lights to achieve the function. In this paper, the traffic flow detection is introduced, which can automatically adjust the display time of traffic lights by laying ring coil sensors on the ground to measure the number of vehicles passing and to detect the volume of traffic flow. A key module is also set up, which can be used to achieve the effect of sustainable traffic in any direction in case of emergency. The scheme is verified by simulation. The test results show that the intelligent signal traffic light microcomputer control system designed in this paper meets the design requirements.
Keywords:urban roads intelligent traffic lights Traffic flow detection emergency continuous traffic
1 绪论
1.1 研究背景及意义
一个现代化的文明城市，必然有着与其匹配的交通脉络[1]。但城市人口越来越多，也使得了参与交通的数量增长剧烈。在这种背景下，交通控制尤为重要……
1.2 国内外研究现状
红绿灯技术出现较早，在各个交通路口都可看到，可以说是最有效的交通疏导手段。1858年，伦敦政府便采用机械手扳式的信号灯来指挥交通，以燃煤气作为光源，可产生红和蓝两种颜色。但燃煤气交通灯不够安全，出现过爆炸产生伤亡的情况，……
国内对交通控制技术的研究相比于发达国家起步较晚，但在90年代中期，政府也开始重视起了对交通控制系统的研究。在各大高校和科研场所，一系列科技攻坚课题被启动，……
1.3 研究内容及结构安排
本课题主要研究内容是设计一款基于51单片机的智能信号交通灯微机控制系统，系统通过单片机对交通灯同行方向及时间进行控制，并能根据道路的车流量自动调整放行时间，……
本文的主要结构分为六个章节：
第一章主要是对本文所研究的智能交通灯系统的背景及意义进行了描述；
第二章从如何设计该课题开始，首先对系统进行了总体架构的描述，……
第三章开始从硬件电路入手，对主控芯片以及各个模块进行介绍，……
第四章描述了该项目在软件方面的设计，包括介绍了本项目中用到的开发软件和系统流程图等；
第五章对项目成果进行展示和实验，主要是对系统的实际效果进行测试，……
第六章是针对本文的一个总结与展望。
2 系统方案论证
2.1 系统设计方案
本课题基于单片机的智能信号交通灯微机控制系统的设计，系统可以分为主控模块、车流量检测模块、显示模块、指示灯模块和按键模块灯。……系统硬件组成框图如图2-1所示。
图2-1 系统硬件组成框图
2.2 主控模块选型
在本系统的设计与实验中，主控模块作为核心器件相当于人类的大脑一样负责指令的发出与转发功能，所以主控芯片的选型尤为重要，既要考虑到资源够用又要考虑到价格成本。……
方案一：FPGA全称为现场可编程逻辑门阵列，属于专用集成电路中的半定制电路，……
方案二：STM32系列芯片是上世纪八十年代被ST公司首先提出的一种新兴处理器芯片的概念，而这种芯片的内部核心以ARM公司的芯片作为内核。在STM32概念被提出之后，……。
方案三：51单片机所有工科专业接触的第一类单片机，这是一类泛称，指……
通过对上述几种类型的简述51单片机有性能全、价格低、功耗小等方面的优点，结合本项目实际使用情况，决定选择51系列芯片作为本项目的主控芯片。
2.3 显示模块选型
为了满足系统设计要求且能够直观看到系统运行的当前状态，需要通过…..
方案一：LED通常用作指示灯使用，其功耗低驱动简单。随着单片机性能和人们需求的增加，……
方案二：OLED液晶显示屏是近几年在电子设计上流行起来的一种显示方式。……
方案三：LCD液晶显示屏，这种显示屏又常常被成为LCD1602，其功能如名字一样，…..
方案四：LED数码管，也是电子类学生最先接触的电子元器件类型之一，……
通过对几种显示器件的分析，LED数码管在白天强光条件下显示更加清晰，结合本设计中仅需要对数字进行显示，所以选择LED数码管显示屏作为本设计的显示设备。
2.4 设计语言的选择
（1）汇编语言
汇编语言是一种面向机器的传统程序设计使用语言，该语言也存在较多优点，如：……
（2）C语言
C语言于上世纪八十年代在贝尔实验室被开发出来，是一种面向过程的编程语言。……
由于在校期间对C语言进行了系统学习，所以在本文设计中采用C语言来对整个硬件系统的软件编程进行设计。
2.5 车辆流量检测器的选择
车辆检测器的种类很多，根据其检测原理的不同，可分为超声波检测器、激光检测器、雷达检测器、视频检测器、环形线圈检测器等。各式车辆检测器中，……
地感线圈的基础是电磁感应原理。电磁感应是指因磁通量变化产生感应电动势的现象。……
如下图2-2所示在距离红绿灯一百米处安装电感线圈，…….
图2-2 电感线圈安装示意图
地感线圈埋设首先要用切路机在路面上切出槽来，在四个角上进行45°倒角处理，防止尖角破坏地感线圈线圈采用Φ0.75mm的漆包线绕制2匝，外部用绝缘材料封装。…..
线圈安装时，应该尽量避免焊接点，万不得已则必须良好接触并做好绝缘，……
3 系统硬件设计
3.1 主控模块
单片机的起源可以追溯到上世纪八十年代，当时的单片机只有4位或8位，种类也仅有数十种，可选择性较低，且功能较弱。纵观现在300M的高速单片机已然成为主流。目前，……单片机的结构框图如图3-1所示。
图3-1 单片机结构框图
3.1.1 单片机最小系统
单片机想要进行正常工作，最小系统是必须具备的，最小系统指的是存在主控芯片的情况下系统应当具备计数电路，晶振电路和复位电路，本文系统的最小系统电路图如图3-2所示。
图3-2 单片机最小系统电路图
由图3-2可以看出，本文采用的51单片机的具体型号为STC89C52，该器件共有40个引脚，…….
3.1.2 系统时钟电路
晶振电路一般又叫时钟电路，该电路对整个系统运转提供时钟参考，因此也被叫做主控时钟。在单片机系统中，单片机想要执行操作必须经过取指令、……本项目的时钟电路如图3-3所示。
图3-3 系统时钟电路
由图3-3可以看出，系统的时钟电路由12MHz的晶振和两个33pF的电容组成。…….
3.1.3 系统复位电路
复位电路是用来对电路工作状态进行还原的电路，由51单片机电路原理图可知，该系列单片机为高电平复位，一般情况下是将RST端向上接一个10uF的电容接高电平，……本项目复位电路如图3-4所示。
图3-4 系统复位电路
由图3-4可以看出，该系统的复位电路通过10uF电容与电源相连，通过2K电阻与地相连，……
3.1.4 中断系统
中断系统的作用是在程序运行时对当前正在执行的程序或指令进行打断。在实际系统运行或调试过程中，常常存在由于不同原因导致必须中断当前程序的执行查看……
引起中断的源头被称为中断源，也叫中断信号，在实际使用中主要为内部中断和类，……
在强制由正常模式切换到常绿模式时会用到内部中断，当按下s4时，……
3.2 显示模块
显示模块在本设计是对红绿灯时间进行倒计时，本设计中显示模块采用LED数码管，LED数码管也是我们常说的八段数码管，即采用8段对一个数字进行显示，…..LED显示电路如图3-5所示。
图3-5 显示模块电路图
从图3-5中可以看出，每组数码管旁均存在四个发光二极管用来表示交通信号灯，……
3.3 按键模块
本设计中按键模块的作用分别用来控制自动模式和单一方向持续通行的作用，因此需要三个按键，其电路图如图3-6所示。
图3-6 按键模块电路图
图3-6所示，本文设计的按键模块从上至下功能分别为S2自动模式切换、……
3.4 车流量检测模块
车辆检测模块采用电容三点式振荡的原理来检测车流量，主要由三极管、两个电容和一个电感组成振荡电路。系统正常状态下即无车经过时。…..其电路如图3-7所示。
图3-7 整形电路图
4 系统软件设计
4.1 设计软件简介
4.1.1 Altium Designer
目前用于电路设计的软件主要有AD、PADS和Cadence，由于学校学习一般使用AD，……
4.1.2 Proteus
Proteus是英国公司出版的一款EDA设计工具，除了EDA的设计功能以外，该软件还可以对电路和功能进行仿真，随着版本的不断更新换代，……
4.1.3 Keil C51
Keil是由美国一家公司开发的而成，并在2005时被ARM收购，因此目前的Keil还可以用于STM32程序的编写。丰富的库函数和强大的集成式开发环境使得Keil软件被广大爱好者爱不释手，……
4.2 系统程序设计
4.2.1 主程序设计流程图
程序包括初始化定时器，开启定时中断，外部中断等，给一些变量赋值。进入while循环，首先通过三种模式匹配当前是什么模式，在正常模式中，…..主函数设计流程图如图4-1所示。
图4-1 主程序设计流程图
4.2.2 车流量检测子程序设计
传感器检测车流量，如果检测车辆超过十辆则绿灯自动延长10秒，……车流量检测子程序设计流程图如图4-2所示。
图4-2 车流量检测子程序流程图
4.2.3 正常模式子程序设计
在正常模式下，红绿灯的亮灭情况是根据时间进行控制的。首先初始南北方向直行绿灯亮，人行横道绿灯亮，初始时间是30s，车流量检测若通过车辆超过十辆绿灯延长10s，……设计流程图如图4-3所示。
图4-3正常模式子程序流程图
5 系统测试
本课题是基于单片机的智能交通灯的设计，系统需要实现的功能前文已经进行了详细描述，本章节主要对设计出的仿真系统进行功能验证，本系统的仿真模块包括数码管显示电路、……仿真界面图如图5-1所示，图中对各个模块均进行了文字说明，可以更直观的看出本仿真中各个模块的功能。
图5-1 系统仿真电路图
图5-1所示为系统中十字路口的状况，其智能控制的原理为：正常情况下南北方向直行放行时，通行时间为15s，此时南北方向左转进入15s倒计时，南北方向直行结束，南北方向左转放行，此时东西方向直行进入15s倒计时，南北方向左转结束，东西方向直行放行，……效果如图5-2所示。
图5-2 系统启动测试图
由图5-2可以看出，系统启动后符合上述描述，此时南北向的绿灯亮表示可以通行，…..效果如图5-3所示。
图5-3 禁止通行前警示功能测试图
由图5-3可以看出，在禁止通行前3s黄灯亮表示提醒，当3s倒计时结束后左转灯亮，……测试效果图如图5-4所示。
图5-4 南北方向左转通行功能测试
由图5-4可以看出，当南北直行通行结束后，南北向左转变道进入15s倒计时，同样在还剩3s时黄灯亮，东西向同理再此就不在进行阐述，下面开始对手动控制通行功能进行测试，……其效果图如图5-5所示。
图5-5 南北方向持续可通行测试图
由图5-5可以看出，按下南北方向持续通行按钮后，南北向保持常绿，并且停止倒计时，…..效果如图5-6所示。
图5-6 东西方可持续通行功能测试
由上述功能测试可以看出，本文所设计的仿真智能交通灯控制系统符合设计要求，并可实现手动对可通行方向的控制。
6 总结与展望
6.1 总结
本文通过对国内外交通灯技术问题展开研究，针对智能交通灯技术的国内外现状进行了较为详细的阐述，并对常用的几种设计方案进行介绍并对每种方案的优缺点进行了分析。通过方案论证、资料的查阅、当前新兴技术以及实际使用情况，提出了基于单片机的智能信号交通灯控制系统……
首先，根据项目需求，了解交通灯发展史以及当前的发展现状，…..
其次，为了提高系统的可扩展能力，采用单片机作为主控芯片，……
由于同一检测模块需对两路4个线圈进行检测，如何更好的避免……
6.2 展望
功能的进一步完善，在本系统的应用中主要测了车数量，但是在后续的工作中还可以……
综上所述，本文通过单片机对智能交通灯系统进行了设计，验证了方案的可行性，……
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