1、交通信号智能控制系统1 引言1.1 本课题的意义城市交通控制系统主要是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它已经成为现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。因此，如何利用先进的信息技术改造城市交通系统已成为城市交通管理者的共识1。高效的交通灯智能控制系统是解决城市交通问题的关键。随着经济的快速发展，城市中的车辆逐渐增多，交通拥挤和堵塞现象日趋严重，引起交通事故频发、环境污染加剧等一系列问题。本设计采用单片机控制，实现交通信号灯的智能控制。系统根据东西和南北两个方向的车辆情况，自动进行定时控制和智能控制方式的切换，当某一方向没有车辆时，系统会自动切换使另一方向
2、车辆通行。当两个方向都有车辆时，按照定时控制方式通行。本设计与普通的交通信号控制系统相比，其优点是可根据路口情况的不同，对交通灯进行差异化控制，从而达到使道路更为通畅的目的，最大限度的缓解交通拥挤情况2。交通信号控制系统是现代城市交通控制和疏导的主要手段。而作为城市交通基本组成部分的平面交叉路口，其通行能力是解决城市交通问题的关键，而交通信号灯又是交叉路口必不可少的交通控制手段。随着计算机技术和自动控制技术的发展，以及交通流理论的不断发展完善，交通运输组织与优化理论、技术的不断提高，国内外逐步形成了一批高水平有实效的城市道路交通控制系统3。1.2 国内外发展状况交通信号控制系统是现代城市交通控
3、制和疏导的主要手段。而作为城市交通基本组成部分的平面交叉路口，其通行能力是解决城市交通问题的关键，而交通信号灯又是交叉路口必不可少的交通控制手段。随着计算机技术和自动控制技术的发展，以及交通流理论的不断发展完善，交通运输组织与优化理论、技术的不断提高，国内外逐步形成了一批高水平有实效的城市道路交通控制系统4。国外现状1 澳大利亚SCAT系统SCATS采取分层递阶式控制结构。其控制中心备有一台监控计算机和一台管理计算机，通过串行数据通讯线路相连。地区级的计算机自动把各种数据送到管理计算机。监控计算机连续地监视所有路El的信号运行、检测器的工作状况。地区主控制器用于分析路El控制器送来的车流数据，
4、确定控制策略，并对本区域各路口进行实时控制。SCATS系统充分体现了计算机网络技术的突出优点，结构易于更改，控制方案较易变换。SCATS系统明显的不足：第一，系统为一种方案选择系统，限制了配时参数的优化程度；第二，系统过分依赖于计算机硬件，移植能力差：第三，选择控制方案时，无实时信息反馈5。2 英国SCOOT系统SCOOT是由英国道路研究所在TRANSYT系统的基础上采用自适应控制方法于1980年提出的动态交通控制系统。SCOOT的模型与优化原理与TRANSYT相仿，不同的是SCOOT为方案生成的控制系统，是通过安装在交叉口每条进口车道最上游的车辆检测器所采集的车辆信息，进行联机处理，从而形成
5、控制方案，并能连续实时调整周期、绿信比和相位差来适应不同的交通流。SCOOT系统的不足是：相位不能自动增减，任何路E1只能有固定的相序；独立的控制子区的划分不能自动完成，只能人工完成；安装调试困难，对用户的技术要求过高6。国内城市交通控制系统研究状况国内应用和研究城市交通控制系统的工作起步较晚，20世纪80年代以来，国家一方面进行以改善城市市中心交通为核心的UTSM(urban traffic system manage)技术研究；另一方面采取引进与开发相结合的方针，建立了一些城市道路交通控制系统。以北京、上海为代表的大城市，交通控制系统主要是简易单点信号机、SCOOT系统、TRANSYT系统
6、和SCATS系统其中几个结合使用；而如湘潭、岳阳等国内中小城市，交通控制系统主要还是使用国产的简易单点信号机和集中协调式信号机。这些信号系统虽然取得了较好的效果，但我国实际情况决定了需要对这些系统进行改进7。(1)需要完善信号控制。现有的单点信号控制系统一般只能实现两相位控制，存在一定的局限性。而实际中，如果根据交叉路口的情况，适当采用多相位控制、变相序控制，可减少交叉路口的交通冲突，提高交通的安全性8。(2)需要合理解决混合交通流问题。现有信号控制系统对自行车流大多是与机动车同时开始，容易造成交通流冲突。因此，需要设计一种信号系统能对各个相位包括对自行车流单独进行控制9。(3)实现区域网络协
7、调控制。目前，虽然在我国的几个大城市，引进或研制了具有区域控制功能的集中式计算机控制系统，但对于中小城市来说，建立这样庞大的系统一方面代价高昂，另一方面实际利用效率不高。为了解决这一情况，在国内的中小城市应大量推广小型区域网络协调控制信号系统10。(4）对于小型的路口，应研制并设计能够对交通流量进行监测得交通信号灯系统，这样有利于交通的畅通运行10。1.3 课题要求交通信号智能控制系统应用范围极为广泛。根据路口情况的不同，需要对交通灯进行差异化控制，从而达到是道路更为通畅，最大限度的缓解交通拥挤情况。本系统采用单片机控制，实现交通信号灯的智能控制。系统根据东西和南北两个方向的车辆情况，自动进行
8、定时控制和智能控制方式的切换，当某一方向没有车辆时，系统会自动切换使另一方向车辆通行。当两个方向都有车辆时，按照定时控制方式通行。设计硬件系统和编制软件程序。1.4 系统设计的特点本文设计一种新型交通信号灯控制系统，就是一种可应用于智能交通系统的交通信号控制子系统。与传统的交通信号机相比，该控制系统有很强的控制能力及良好的控制接口，并且安装灵活，设置方便，模块化、结构化的设计使其具有良好的可扩展性，系统运行安全、稳定，效率高。2 系统硬件设计2.1 系统总体设计目标（1）当A、B道都有车时，A、B道（A、B道交叉组成十字路口，A是主道，B是支道）轮流放行，A道放行60秒（两个数码管从60秒开始
9、倒数，其中5秒用于警告），B道放行30秒（两个数码管从30秒开始倒数，其中5秒用于警告）。（2）当A道有车、B道无车时，使A道绿灯亮，B道红灯亮，A道绿灯亮的时间可根据实际的车流量来进行设定和调节；当B道有车、A道无车时，使B道绿灯亮，A道红灯亮，B道绿灯亮的时间可根据实际的车流量来进行设定和调节。（3）在上述一道有车，一道无车的情况中，若无车的道路来了车辆，此时有两种情况：当原来有车的车辆运行时间小于当两道都有车时的定时时间时，系统会继续让原来有车的车道上的车辆继续行驶，到了定时时间，切换到两道都有车时的运行状态；当原来有车的车辆运行时间大于当两道都有车时的定时时间时，系统会直接切换到当两道
10、都有车时运行状态。（4）利用按键控制，可直接完成东西南北方向的方向选择、时间设定、系统复位、灯颜色的选择，方便控制。（5）本系统可实现倒计时显示，方便行人和车辆的顺利通行。2.2系统框图及系统工作原理2.2.1 系统框图交通信号灯控制系统模块硬件系统框图如图2.1所示电源稳压模块图2.1 交通信号灯控制系统模块硬件系统框图系统各组成部分说明如下：(1)单片机模块 本系统采用AT89C51来作为主控电路的主要元件。(2)电源稳压模块 本系统专门设计了电源稳压模块，为电路系统提供稳定平滑的5V电压。(3)键盘控制模块 利用按键控制，可直接完成时间设定，灯颜色设定，方便控制。(4)驱动模块 用来做功
11、率驱动，提高控制信号的驱动能力，驱动LED模拟灯组。(5)路口交通灯模块 采用红、绿、黄发光二极管实时模拟被控制的路口交通灯。(6)车辆检测模块 应用电感式接近传感器实现对过路车辆的检测，并与单片机进行通信，实现信号的传递。(7)显示模块 本系统应用数码管可实现倒计时显示，方便行人和车辆的顺利通行。2.2.2系统工作原理(1) 开关键盘输入交通灯初始时间，通过AT89C51单片机P1输入到系统。 (2) 由AT89C51单片机的定时器每秒钟通过P1口送信息，显示红、绿、黄灯的灯亮情况；由P0口显示每个灯的燃亮时间。 (3) AT89C51各个信号灯亮时间通过键盘来进行设定和调节。 (4) 通过
12、AT89C51单片机的P30位来控制系统是工作或设置初值，当为0就对系统进行初始化，为1系统就开始工作。(5) 通过电感式接近传感器检测A道和B道的车辆情况，一道有车而另一道无车时，采用外部中断1方式进入与其相适应的中断服务程序，并设置该中断为低 优先级中断。使有车车道放行。2.3 单片机AT89C51芯片2.3.1 单片机简介单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。 通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和I/O接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件
13、及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。单片机经过1、2、3、3代的发展，目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展，它们的CPU功能在增强，内部资源在增多，引角的多功能化，以及低电压底功耗。本系统主控电路的主要元件应用的是AT89C51。AT89C51是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128 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，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的
14、解决方案11。2.3.2 AT89C51芯片说明 AT89C51是一个低功耗高性能单片机，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，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。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。管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。P0口： P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
15、在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P
16、2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2
17、 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：
18、每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
19、在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。其引脚图如图2.2所示： 图2.2 AT89C51引脚图 AT89C51的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，上电自动复位、手动复位电路分别如图2.3、图2.4所示，内部时钟方式和外部时钟方式分别如图2.5、2.6所示。此外，RESET/Vpd还是一复用脚，Vcc掉电其间，此脚可接上备用电源，以保证单片机内部RAM的数据不丢失。 图2.3 上电自动复位 图2.4 手动复位电路 图2.5 内部时钟方式 图2.6 外部时钟方式2.4 键盘
20、控制电路2.4.1 键盘控制电路工作过程键盘工作过程为:单片机从8155的PA口送出全O，然后从8155的PC口读人数据，当PCO一PC3不为全0时，表明有键按下。然后逐行从PAO一P7送0，再从PC口读入数据，最终确定按键位置和键值。此后，转人相应的按键处理程序，修改定时数据区内容12。本系统中共使用了9个键:方向选择键：1键按下选择东西方向，2键按下选择南北方向。灯颜色选择键：3键按下红灯亮，4键按下黄灯亮，5键按下绿灯亮。时间增加1秒键：6键按下时间增加1秒。时间减少1秒键：7键按下时间增加1秒。红灯长亮键：8键按下东西方向红灯长亮，9键按下南北方向红灯长亮。2.4.2 8155芯片说明
21、8155有40个引脚，采用双列直插封装，其引脚图如下图2.7所示。 图2.7 8155引脚图在此对8155的引脚分类说明如下： (1) 地址/数据线AD0AD7（8条）：是低8位地址线和数据线的共用输入总线，常和51单片机的P0口相连，用于分时传送地址数据信息，当ALE=1时，传送的是地址。(2) I/O口总线（22条）：PA0PA7、PB0PB7分别为A、B口线，用于和外设之间传递数据；PC0PC5为C端口线，既可与外设传送数据，也可以作为A、B口的控制联络线。 (3) 控制总线（8条）：RESET：复位线，通常与单片机的复位端相连，复位后，8155的3个端口都为输入方式。WR, RD：读/
22、写线，控制8155的读、写操作。ALE：地址锁存线，高电平有效。它常和单片机的ALE端相连，在ALE的下降沿将单片机P0口输出的低8位地址信息锁存到8155内部的地址锁存器中。因此，单片机的P0口和8155连接时，无需外接锁存器。CS：片选线，低电平有效。IO/M：RAM或I/O口的选择线。当=0时，选中8155的256 B RAM；当=1时，选中8155片内3个I/O端口以及命令/状态寄存器和定时/计数器。TIMERIN、TIMEROUT：定时/计数器的脉冲输入、输出线。TIMERIN是脉冲输入线，其输入脉冲对8155内部的14位定时/计数器减1；为输出线，当计数器计满回0时，8155从该线
23、输出脉冲或方波，波形形状由计数器的工作方式决定。作片外RAM使用：当CE=0，IO/M=0时，8155只能做片外RAM使用，共256 B。其寻址范围由以及AD0AD7的接法决定，这和前面讲到的片外RAM扩展时讨论的完全相同。当系统同时扩展片外RAM芯片时，要注意二者的统一编址。对这256 B RAM的操作使用片外RAM的读/写指令“MOVX”。 作扩展I/O用：当 CE=0，IO/M=1时，此时可以对8155片内3个I/O端口以及命令/状态寄存器和定时/计数器进行操作。与I/O端口和计数器使用有关的内部寄存器共有6个，需要三位地址来区分。2.4.3 74LS373芯片说明74LS373芯片是一
24、种带三态门的8D锁存器。其中：1D-8D为8个输入端，1Q-8Q为8个输出端。 LE为数据打入端：当LE为“1”时，锁存器输出状态同输入状态；当LE由“1”变“0”时，数据打入锁存器。 OE为输出允许端。其管脚示意图如下图2.8所示： 图 2.8 74LS373引脚图2.4.4 键盘控制电路图键盘控制电路如图2.9所示：图2.9 键盘电路2.5 车辆检测电路2.5.1 电感式接近传感器的工作原理 接近传感器是一种具有感知物体接近能力的器件。它利用位移传感器对所接近物体具有的敏感特性达到识别物体接近并输出开关信号的目的，因此，通常又把接近传感器称为接近开关13。电感式接近传感器由高频振荡电路、检
25、波电路、放大电路、整形电路及输出电路组成。检测用敏感元件为检测线圈，它是振荡电路的一个组成部分，在检测线圈的工作面上存在一个交变磁场，当金属物体（车辆）接近检测线圈时，金属物体就会产生涡流而吸收振荡能量，使振荡减弱以至停振。振荡与停振这两种状态经检测电路转换成开关信号输出。电感式接近传感器专门用于检测金属物体。电感式接近传感器本质上由振荡器组成，线圈组成了检测面，交变磁场在线圈周围产生。当一个金属物体处于传感器产生的磁场内，感应电流形成一个附加磁场，阻止线圈磁场交变，振荡停止。这引起输出驱动器动作，按传感器类型，产生一个常开(NO)或常闭(NC)的输出信号。电感式接近传感器可以在不接触金属物体
26、的情况下进行检测。它们的应用范围很广泛，包括：机器零件的监控(凸轮、停止，等等。)、监控金属物体移动、计数等等。2.5.2电感式接近传感器的电路组成电感式接近传感器的电路组成如图2.10所示：被测物体检测线圈Uout检波电路整形电路放大电路输出电路振荡电路图2.10 电感式接近传感器的电路组成2.5.3电感式接近传感器检测车辆的工作原理示意图车辆检测原理图及检测电路电压脉冲输出波形如图2.11所示： 电感(uH)磁通电感环脉冲输出1009590图2.11车辆检测原理图及检测电路电压脉冲输出波形电感式接近传感器检测车辆的工作原理示意图如图2.12所示：感应线圈脉冲输出比较鉴别电路感应线圈电流检测
27、电路60Hz正弦信号源图2.12车辆存在与监测电路原理框图2.5.4 感应检测的优点（1）不需要直接接触被检测物体，因此可防止磨损并且可以检测易碎和刚被涂色的对象。（2）工作效率高、快速响应。（3）具有较强的耐工业环境性能(坚固的产品完全封装在树脂中)。（4）固态技术：没有活动部分，因此传感器的使用寿命与操作循环次数无关。2.5.5 ADC0809芯片说明ADC0809是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。1主要特性1）8路输入通道，8位AD转换器，即分辨率为8位。 2
28、）具有转换起停控制端。 3）转换时间为100s4）单个5V电源供电 5）模拟输入电压范围05V，不需零点和满刻度校准。 6）工作温度范围为-4085摄氏度 7）低功耗，约15mW。 2内部结构ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式AD转换器，内部结构如图1322所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型DA转换器、逐次逼近 3外部特性（引脚功能）ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图1323所示。下面说明各引脚功能。 IN0IN7：8路模拟量输入端。2-12-8：8位数字量输出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路
29、ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 START： AD转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。 EOC： AD转换结束信号，输出，当AD转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当AD转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。 REF（+）、REF（-）：基准电压。 Vcc：电源，单一5V。 GND：地。其管脚图如图2.13所示： 图2.13 ADC0809管脚图2.5.6车辆
30、检测电路图车辆检测电路图如图2.14所示 图2.14 车辆检测电路图2.6 路口交通灯电路2.6.1 发光二极管的选择发光二极管简称为LED。由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管，在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。 它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；常简写为LED。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分
31、别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。 发光二极管的反向击穿电压约5伏。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。限流电阻R可用下式计算： 公式R（EUF）IF 式中E为电源电压，UF为LED的正向压降，IF为LED的一般工作电流 发光二极管的两根引线中较长的一根为正极，应按电源正极。有的发光二极管的两根引线一样长，但管壳上有一凸起的小舌，靠近小舌的引线是正极。 与小白炽灯泡和氖灯相比，发光二极管的特点是：工作电压很低（有的仅一点几伏）；工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光）；抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。由于有这些特点，发光二极管在一些光电控制设备中用作光源，在许多电子设备中用作信号显示
