基于单片机的智能交通控制系统设计

摘要

随着人们收入的增加，车辆的数量也在逐年增加。车辆的增多给交通带来了巨大的压力。城市交通拥堵随处可见，拥堵最为严重的区域就是各地区三岔口和十字路口。为了节省人们的时间，使用智能交通控制系统已迫在眉睫。

本文在基于单片机对于智能交通灯控制系统的研究与设计，提出了解决当前交通拥堵的问题，进而提出实现高效的交通通行设计。单片机通过定时器控制红绿灯的亮灭时间，使交叉口通行畅通。该交通灯控制系统选用了AT89C51单片机作为控制芯片，提高了交通灯的智能性、可靠性和实用性。

理论证明本系统能简单、经济、有效地疏通交通，提高交叉口的通行能力，最大限度的提高路口车辆的行驶速度。

　关键词：AT89C51单片机、智能交通灯、倒计时

第一章绪论

　　1.1课题的背景和意义

智能交通系统是充分利用当前的信息研究、数据处理、电子监控、数字控制以及计算机处理的有机融合，有效的实现无障碍的交通管理，提升交通管理的时效性、全面性、广泛性，最终通过信号灯终端，提升交通运输的效率以及降低交通拥堵的情况。

随着城市规划建设的发展，城镇化速度的加快，人均收入水平越来越高，车辆也越来越普及，城镇居民的出行要求也越来越高。所以，基于单片机的智能交通控制系统的研究与设计能够更好的满足城镇居民的出行要求的同时，也能够进一步提高汽车的使用效率，降低环境污染，减少车辆事故的发生，通过新型的交通控制系统能够有效的将城市道路系统规划、居民出行要求、交通拥堵治理等要素有机的融合在一起，进而发挥基础设施建设的最大功效。

在这种情况下，为了有效的分流交通，最大限度的利用道路资源，结合我国的实际情况开发一套适合我国自身特点的智能交通灯控制系统就成为了主要问题。而单片机技术已经成为一种应用广泛应用的技术。只有确保交通线路的畅通和安全，我们才能保证出行的便捷，甚至寿命的延长。

　1.2国内外研究现状

基于单片机的交通灯通常是指由红、黄、绿三色灯组成的指示交通的信号灯。绿灯亮时，允许车辆通行，黄灯亮时，已经过停车线的车辆继续通行；红灯亮时，禁止通行。

日本智能交通系统发达，早在日本做了一个实验称为动态路径诱导系统，在这种情况下，根据汽车司机可以加载显示道路拥堵和感应方向，选择最优的交通路线以及最佳的解决方案使得汽车驾驶人员能够更高效的利用好现有的交通设施，在后续的交通出行的研究中，交通智能系统、智能驾驶系统、道路安全系统、信息预警系统、交通管理系统已经得到了极大的完善，进而推动了整个国家的交通系统的全面提升。

基于单片机的智能交通控制系统的出现使得交通出行变得有效、有序，在道路控制、交通疏导、出行方案解决、道路安全等多个方面都有显著的提升和明显的效果。逐步将道路问题解决的人化拓展到解决方案的智能化，降低了人员对于交通的主观控制，实现以智能交通控制系统为核心的客观指导，将出行过程中的多个要素实现有机的结合，进一步降低人力资源成本，提高出行的效率和体验。

经过智能交通控制系统多年的发展历程，结合当前的城市规划实际，以及城镇居民对于出行的要求和体验越来越高，对于基于单片机的智能交通控制系统的控制也需要不断的实现更新，逐步满足城市发展实际，进而推动城市道路交通的高效发展。

图1.1交通灯

　第二章单片机简介

　　2.1单片机的发展历史

单片机也称为微控制器或内置控制器这是微型计算机发展的重要分支。随着大规模集成电路技术的发展,微控制器也随之有了很大的发展,各种新颖的微控制器层出不穷,并已广泛的应用到人类生活的各个领域,成为现代科学技术不可缺少的工具。

两者的连接结构如图2-1所示。

　　随着8位SCM的出现，SCM的发展逐步加快，在很长一段时间内加快了更新换代的速度，所以其发展历程如如表2.1.2所示。

表2.1.2单片机的发展阶段

第一阶段：初级阶段。在这个阶段间，由于单片机的技术发展不成熟，仅仅集成了一个8位CPU、8位并行I/O端口及8位定时器/计数器。在初级阶段的发展过程中，单片机还存在着很多实用性的问题，比如单片机存储器的RAM和ROM容量小，而且没有设置串行接口。

第二阶段：高性能阶段。1978年之后，随着科学技术的快速发展以及市场的大量需求，对于单片机的的科技性的要求以及生产能力的要求不断增加。在市场的需求下，单片机的生产企业对不断加大科技投入，生产厂家不断扩大生产线，进而使得单片机的产品的技术含量以及生产能力实现了突飞猛进的发展。单片机增加了串行接口、将企业和生产厂家不断改进产品，使单片机的功能得到了极大的增强。

第三阶段：性能提升阶段。单片机的技术要求不得不继续提升性能，满足多方面的需求。当前的主要单片机的主流还是16位，主要是应用于便携式电子设备、智能化工业控制等多个方面。随着对于单片机技术的改进和发展，32为的单片机技术将更能满足未来之前的需求，对于虚拟技术，交互技术等多个方面有较大的发展前景。

8位单片机由于发展历史长，生产成本较低，生产技术成熟，能够基本满足多个生产领域的使用。随着制造工艺的的改善和提高，新技术的引进和实现，都使得8位单片机的性能不断的提升以及制造能力不断扩大。由于8位单片机的各项优势显著，其体积小、功耗低、功能强、抗干扰能力强、性能高/性价比高、易于推广应用的显著优势，所以在当前的单片机的使用和发展过程中，8位单片机占据了半壁江山。

　2.2单片机的发展趋势

由于科学技术发展的以及对单片机的技术要求的不断提高，在具备多种优势的情况下，也对单片机的制造技术和工艺提出了新的要求，其主要表现为：

1.对CPU技术发展提出新要求

CPU作为单片机设计、研究、生产的重要内容，对于CPU的处理速度和处理能力不断提出新的要求。在增加CPU处理速度的研究设计上，增加字节数，如将8位增加到16位、32位甚至在未来实现64位的设计和生产，都能够有效的提升CPU的处理速度和处理能力，进而改进单片机的性能，推动单片机的发展；除此之外，进一步提升时钟频率也是提升CPU处理速度的方法之一，在时钟频率提升到20MHz以后，能够有效的提升CPU的性能；以8051单片机为例，Cygnal公司的C8051FXXX系列采用了CIP-51微处理器内核，在增加处理速度方面只需要4条指令的执行需4个以上时钟周期，大大提升了处理速度。此外，还有部分8051单片机的生产商以增加单片机的运行速度为主要突破点，进而提高时序，提升单片机的性能。

　2.对存储器发展技术的新要求

初始单片机的芯片内存储器通常RAM为64-128B程序存储器ROM在1~2KB，新型单芯片内的RAM在256B以上芯片内程序存储器也采用高速闪存技术，可以5V电压对程序进行烧制容量在128KB以上。采用Flash技术，在线编程ISP和应用中编程技术得以实现。

3.加强片内输入/输出接口功能

在单片机技术不断发展成熟的过程中，相对而言比较简单的输入/输出接口功能在一定程度上只满足了日常的需要，存在稳定性差，不能满足多重需要的问题，在实际的应用中没有明显的效果和优势。然而，随着技术的不断更新和发展，逐步改善了接口的实用性和使用效率，从类型、数量等多个方面而言，都实现了较大的突破，在提升单片机应有的功能的同时，不断简化和优化了单片机的内部系统结构，从而提升了工作效率。

　4.半导体工艺技术的发展

半导体技术的发展、对提高单机的综合性能有很大的好处，主要有以下几个方面。

（1）提高集成度

早期为5um工艺，后来采用4~3um，当前大部分采用0.6以下的工艺，有的甚至采用0.13um的工艺，因此一块硅片上集成的部件更多。

（2）低功耗化

采用CMOS工艺制作的单片机具有低功耗的特点。为了进一步削减耗电量，很多单片机设定了待机、停止、睡眠等低耗电的动作。例如TI公司的MSP 430系列的单片机是具有LPM1、LPM3、LPM4三种低耗电的工作方式。工作电压为3V在动作方式为LPM1的情况下，CPU静止，振荡器为1~4MHz，周边电路有效的情况,只消耗约约50uA的电流。在工作方式为LPM4时，CPU、外围电路、振荡器都处于静止状态，只消耗约0.1uA的电流。

（3）工作电压范围加宽

在NMOS工艺制作的微控制器中，工作电压一般为4.5~5V。采用CMOS工艺的微控制器在一般情况下可以工作在3~6V的条件工作。当前单片机的工作电压较低，TI公司的MSP 430X11X系列单片机的工作电压为2.2V。④微控制器的外形包装初期的微控制器的外形包装都采用了两列直插式的包装。现在形状的包装有四边形的

（4）外形封装

早期采用双列直插式的封装，如今,有的采用贴片工艺封装方式,以减小体积。

为了提高单片机系统的抗电磁干扰能力，使产品适应恶劣的工作环境，在电磁兼容性方面满足了更高标准的要求，各单片机制造商在单片机内电路中采取了一些新的技术措施。例如摩托罗拉公司的MC68HC08系列微控制器采用了EFT的抗干扰技术。

在线编程技术（ISP）和应用内编程技术（IAP）是通过计算机的并口或串口下载微控制器并对其进行编程。由单片机引导的编程线和I/O线不添加单芯片机的附加管脚。ISP为开发和调试提供了便利，实现了单片系统的远程调试和升级。IAP可在应用中实现单片机的再编程,为智能仪器仪表的开发提供了重要的技术手段。

表2.2单片机的生产厂家和部分主要机型

其中INTEL公司的MCS-51系列及其强化型系列在8位MCU市中占有率最大。它是Intel公司继MCS-48系列之后开发的高级8位微控制器，总结了MCS-48系列单片机的应用功能MCS-48系列存储量小，计算功能弱提高了整机操作速度，扩大芯片存储器容量和外部存储器地址空间加强命令和地址功能，扩大并行I/O端口，新增全双工串行I/O端口，增加了中断源和优先级，添加了乘法除法、比较、位操作等强大功能指令。因为它比MCS-48系列的微控制器要贵得多,所以自从1980年MCS-51系列微控制器推出以来，这已是我国在控制领域中的首选机种和机型。

　2.3单片机的特点

单片机具有如下特点：

1)体积小，使用灵活方便

2)成本低，开发周期短，易于产品化

3)可靠性好，抗干扰能力强

4)低功耗，低电压

电源电压在5~3v范围内都能正常工作。

5)易于扩展

单片机外部的三总线结构可根据需要进行并行或者串行扩展。

　2.4单片机的基本结构

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS8位微机处理器。

AT89C51主要具有以下特性：

1）与MCS-51兼容

2）4K字节可编程FLASH存储器

3）数据保留时间:10年

4）全静态工作：0Hz-24MHz

5）三级程序存储器锁定

6）128×8位内部RAM

7）32可编程I/O线

8）两个16位定时器/计数器

9）5个中断电源

10）可编程串行信道

11）低功耗的空闲模式和关断模式

12）芯片内振荡器和时钟电路销的描述

如图所示：

图2.4引脚图

　　第三章智能交通灯控制系统的总体设计

　　3.1智能交通灯设计的基本要求

本文基于单片机的智能交通灯控制系统设计了AT89C51单片机智能交通灯控制系统。以6车道为例所设计的控制系统能实现左转、直行、以及人行道的正常通过，并能实现完整的十字路口通行工作循环。

　3.2智能交通灯通行方案的设计

假设在一个十字路口（东西向和南北方向）分别用1、2、3、4表示4个方向的主车道各主车道的左车道、直行车道、右车道及人行道分别用A、B、C、P来表示。用a、b、c、p分别表示左转、直行、右转、人行道的交通信号，在任何一个时刻中，设定一个方向能够通行，而另一个方向暂停通行，经过一段时间，将禁止通行的方向交换。具体如图3-1。

图3.1十字路口图

　　交通灯闪亮的过程：

路口1的车直行时的所有指示灯情况为：

3a3b2p绿3c红+4a4b4c 3p全红+1c绿1a1b4p红+2c绿2a2b1p红

路口2的车直行时的所有指示灯情况为：

4a4b3p绿4c红+1a1b1c 4p全红+2c绿2a2b1p红+3c绿3a3b2p红

路口3的车直行时的所有指示灯情况为：

1a1b4p绿1c红+2a2b2c 1p全红+3c绿3a3b2p红+4c绿4a4b3p红

路口4的车直行时的所有指示灯情况为：

2a2b1p绿2c红+3c3a3b2p全红+4c绿4a4b3p红+1c绿1a1b4p红

图3.2为通行顺序示意图，图3.3为交通灯示意图。

　　3.3智能交通灯控制系统的功能要求

本设计还具有倒计时显示、特殊事件紧急处理等功能。

　1.倒计时显示

本功能可以提醒行人信号灯发生改变的时间，以便选择是否继续前行。有倒计时显示的路口更能保障行人的安全。

　2.特殊车辆的紧急通行

在十字路口发生紧急事态是不可避免的。例如，发生特大事件时救护车和消防车等救护车通过等，必须尽量顺畅地通行。结果，在这种情况下需要争分夺秒。这关系到公共财产的安全和个人的生死。因此需要在交通控制系统上增设禁止停车按钮。

3.4智能交通灯的基本构成及原理

本设计把AT89C51单片机作为设计核心，以及设定LED数字管作为倒计时指示，通过各个功能模块的相关设计方案，并确定了最优方案。实现实时显示系统的各种状态，按照交通堵塞情况增设可分别设置主干街道和第二街道的通行时间提高运行效率，减小交通堵塞的情况。交通灯控制的框图如下图所示主要有控制电路、键电路、晶体振动电路、复位电路、显示电路、电源电路等电路构成图3-4为该系统的总体框。

　第四章智能交通灯硬件的设计

　　4.1智能交通控制系统硬件电路构成及原理

本设计可以分为单片机控制系统、键盘、状态显示、倒计时模块等几个功能模块。由单片电源电路、复位电路、晶振电路构成。系统采用双数码管倒计时计数功能，最大显示数字99。

4.2智能交通控制系统电源电路

模块的运行，需要可靠的电源。这次设计的电源方案为：

采用单片机控制模块提供电源。这个方案的优点是系统被简单概括，节约成本。缺点是输出功率不高。

　4.3智能交通控制系统晶振电路

单片机的晶体振动的作用是提供基本的时钟信号，便于各部分保持同步。

　　4.4智能交通控制系统复位电路

单片机的复位电路都是为了把电路初始化到一个确定的状态。

　　图4.4复位电路图

　4.5智能交通控制系统显示电路

单片机的显示电路利用了共阳LED数码管的动态扫描原理，并由三极管进行锁存，当显示电路控制数码管的IO口P20和P21为低电平时，三极管就会导通，VCC通过三极管向数字管供电，利用余辉和人眼“视觉暂时”的原理，数码管点亮数字软管看起来同时亮着。

　　从设计完成的任务和要求来看，显示通行时间需要2位数的数字软管；从硬件资源节约的观点来看，可以通过扫描的方式来处理，对于7段的数字管来说，占用单片机的7个I/O端口，并设置2个电子开关，使其与2位显示一致占据两个I/O端口，十字路口需要设置4组信号灯，包括转换黄色灯，一共12个灯，需要用到12个端口控制，必须加上2个方向的紧急通行按钮。由于占据两个I/O端口和一个蜂鸣器端口，实际占用的I/O端口为24个。

　4.6智能交通控制系统按键控制电路

图4.6按键控制电路图

　　4.7智能交通控制系统总电路

图4.7总电路图

　　第五章智能交通灯软件的设计

　　5.1软件设计应用环境

此软件的设计是在Keil C51的环境中设计编译的。Keil C51系统保留了汇编代码高效快速的特点，为8051微控制器的软件开发提供了设计环境。

本系统的主程序模块负责完成的主要工作包括对系统的初始化，发送显示数据，等待外部中断等，以及根据需要进行操作。根据交通灯的显示情况，此软件可以分为四种状态，可以通过定时控制每个状态的时间。其流程图如图所示。

图5.1主程序流程图

　　5.2交通灯定时器模块

AT89C51单片机中包含了T0、T1、T2三个计时器，在本次设计中，16位计时器，定时50ms时使用T0通过20次中断产生秒信号，来控制信号的点亮时间。

此次设计设定TMOD=0x01，即T0以方式0（16位计时器）动作。内部计数器作为定时器使用时，即对机器周期进行计数，每个机器周期的长度为12个振荡周期。定时常数的设置为：机器周期=12/12MHz＝1us（65536-定时常数）*1.0us＝50ms，故定时常数为50000。定时器T0的中断程序流程图如图5.2所示。

图5.2定时器模块流程图

　　5.3PCB板设计与制作

PCB，中文名为印刷线路板或者是印制电路板，因其采用了电子印制工艺，所以又被称作“印刷”板，按电路层的数量将其划分为单面板、双板板和多层板。常用的多层板通常是四层或六层，多层复合板可以达到数十层。

依照生成的PCB图进行制作，在制作过程中，要按照PCB板的尺寸来放置元器件，并尽可能地确保各部件的导线不会交叉。安装好元件后，进行DRC检测，排除导线或导线在配线过程中产生的交叉误差，排除故障后，开始调试元件，调试完毕，再进行接线，接线时不能有90度以下的角度，以免针头产生过多的腐蚀。在接线完毕后，可以对电路板进行电路图的检验，确保没有问题，然后进行电路板的转印，腐蚀，钻孔等操作。此次设计制作的PCB图如图5.3所示。

图5.3 PCB图

　　5.4电路板制作

在此次设计的电路板制造中，将元器件按由左至右、由上至下、由内至外、由小至高依次排列。安装完毕后，用焊具进行焊接，并检查焊料有无短路、漏焊等情况。完成后的实物图如图5.4所示。

图5.4焊接实物图

　　5.5系统调试

当所有零件都焊好后，就可以进行调试了，首先要检查电路板的焊接情况，然后检查电源线，看看电源线路能否满足整个系统的要求。具体如图5.5.1所示

图5.5.1 LED显示图

　　东西和南北方向各有两个数码管分别显示时间，东西和南北的时间相差五秒，这个五秒的相差是黄灯闪烁的时间。具体如题5.5.2所示

图5.5.2黄灯显示时间图

　　当遇到特殊情况时，需要人工按键来控制交通灯，将一些特殊情况下的交通灯闪亮情况进行调整，具体按键图如下所示：

图5.5.3按键控制图

第六章总结

本文的设计以单片机的智能交通灯控制系统为基础，选择了AT89C51单片机作为控制芯片，从而完成了系统的硬件设计和制作，并介绍了系统硬件设计宇制作的过程。结合软件系统完成了整个系统的软、硬件联调，系统工作良好，实现了基本功能。首先，它设计简单，成本较低。其次，适用于中小城市的智能交通控制，对中小城市的交通控制具有较好的控制精度

通过此次毕业设计，使我在各个方面都有了很大的提高。学到了很多曾经疏忽导致拉下的各种知识。同时也学会了更好地利用身边的资源来查阅自己所需要的资料。在设计过程中遇到很多困难的时候，要准确地找资料，向老师和其他同学虚心请教。

另外，本设计考虑了特殊车辆的通行问题，这样可以有效地节约时间，保障了人们的生命和财产安全。

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致谢

写到这里,不禁思绪万千,论文写作的完成,我的学习生涯也将告一段落。时间如白驹过隙一般匆匆而逝，转眼间我就从刚进入大学的大一新生到即将踏入社会的老学长了。在大学的学习生涯里，有许多难忘的经历，有开心、有难过也有激动。感谢在大学期间遇见的所有任课老师们，正是他们无私的奉献，不仅教会了我技能知识，也教会了我人生的道理。回顾这四年的学习和生活,需要感谢的人太多,很多老师和同学在学习和生活上给予我无私帮助。在此要特别感谢我的论文导师，循循善诱伴随了我的整个大学生涯，为我们的学习生活与成长付出很大的心血，时时刻刻都在传授我们人生的道理，特别幸运能在大学时光里遇见这样一位令人尊敬爱戴的好老师，感恩！在此向在大学里遇见的所有老师、同学和朋友道一声谢谢，因为有你们，才有了我大学生涯中无数精彩的回忆。人生路远，江湖再见！诸君珍重！

最后，由于本人学术水平实在有限，若本文中有出现不足或错误的地方，恳请各位评委老师多多谅解，感谢！

基于单片机的智能交通控制系统设计

价格 ¥9.90 发布时间 2024年4月2日

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