单片机智能交通灯控制系统设计

分类：交通运输论文发表 时间：2020-03-19 10:59 关注：(1)

　　智能交通灯控制系统硬件部分采用单片机作为核心控制器。在单片机的外围扩展按键电路，状态指示电路，倒计时显示电路等，使硬件电路能完成基本的控制功能。控制系统可以控制交通信号灯的状态变化,用LED灯表示,倒计时间在数码管上显示。在此基础上，增加传感器模块实现对车流量的检测，通过单片机控制改变交通信号灯的变化时间。控制系统可以实现夜间模式，紧急模式等功能。交通信号灯的状态变化时间可以根据车流量的改变而改变，提高了交通控制的效率。

　　关键词：单片机；智能交通灯；控制系统；STC89C52

　　随着我国城市建设的加快，机动车辆的数量越来越多[1]，机动车数量增多使城市的交通变得拥挤，降低了人们的出行质量。城市道路上车辆拥堵的原因有很多：比如车辆数目增加了而相应的道路建设却没有跟上，且有些道路建设的不够合理，造成城市平面交通居多而缺乏立体交通的局面，以及十字路口交通信号灯时间变化缺乏灵活性等[2-4]。容易拥堵的地点大多为十字路口，主要是由于十字路口车流量较大，交通灯时间设置多为固定时间,不能有效应对高峰时间的车辆通行。随着科学技术的发展，智能交通灯的出现及应用，使得主次干道、高峰时间等灯时间分配更加合理，使城市的交通压力得到了一定的缓解。因此智能交通灯控制系统应该具有有效、准确、及时分配红绿灯时间的特点。

　　1设计需求

　　针对目前十字路口红绿灯的时间固定，在高峰时间容易造成拥堵以及无法应对突发状况的现状，本设计拟设计一个智能交通灯控制系统，能够实现：1)夜间模式即四个方向黄灯闪烁；2)紧急模式即四个方向置红灯；3)同时能对车流量进行检测，实时改变红绿灯的等灯时间，东西和南北的时间改变互不影响即模拟主次干道的通行。控制系统同时应具有东西方向和南北方向单独通行，车流量的查看，系统的复位等基本功能。

　　2设计方案

　　选择单片机作为核心控制器件，可以通过加装传感器实现对车辆的检测，将检测到的信号送入单片机进行处理，再由单片机发出指令改变交通信号灯的变化周期。单片机具有体积小、结构简单、可靠性好、功耗低、价格便宜的优点，性价比较高。单片机也有一些缺点，比如有很多功能需要靠扩展来实现，使硬件和软件的设计复杂程度增加；I/O口使用比较方便，但在高电平时没有输出能力。

　　3设计原理及结构图

　　智能交通灯控制系统采用单片机控制红绿灯的状态变化以及时间周期，进而控制十字路口的通行，接入倒计时显示电路可以显示当前状态灯的时间，提醒行驶者注意交通信号灯的状态变化，更具人性化。本系统在此基础上，加入车流量检测模块，可以及时调整交通信号灯的时间，使通行时间更加合理，优化交通管理。按键电路可以设置系统的运行模式及具体的通行时间，当系统进入正常工作模式，交通信号灯开始工作，依据状态灯的变化指挥车辆通行，同时将倒计时时间输入到显示装置上实时显示。在此过程中控制系统可以进行闯红灯和紧急按键信号检测，以达到对异常情况进行及时控制的目的。

　　3.1单片机的选型及介绍

　　STC89C52单片机是宏晶科技推出的新一代单片机，具有运行速度快、抗干扰能力强的优点[5]。指令与传统的单片机通用，由于做了很多改进使得芯片具有比上一代单片机更完善的性能，STC89C52可以直接使用串口下载程序；有4个外部中断，以及更多的I/O；程序存储器擦写寿命长等。但是该单片机的功耗比较高；单片机内部可以直接利用的模块比较少等。STC89C52单片机引脚如图1所示。

　　3.2基于单片机的外围电路设计

　　3.2.1状态显示电路LED交通信号灯与普通白炽灯相比，优点是即使在恶劣的气象条件下仍能保持较好的可见度，且可以直接发出不同颜色的光。不同颜色的LED灯可以区分道路的不同通行状态，另外LED灯还具有使用时间长、发光强度大、污染与功耗比较低等优点。本设计采用LED灯来表示不同的通行状态。其电路如图2所示。3.2.2倒计时显示电路本设计采用数码管来显示指示灯的倒计时时间。数码管是一种以发光二极管为基本单元半导体发光器件。由于它的价格比较便宜、使用也比较简便，使得数码管在电子产品中得到了更多的应用，具体如图3所示。3.2.3信号驱动电路在本设计中整个芯片只是起增加数码管驱动电流的作用，只需要将芯片的1脚接电源，19脚接地就可以实现其作用，芯片输出端不改变其输入端的电平状态。如图4所示。3.2.4键盘输入电路单片机按键电路可以选择独立式按键或者矩阵式按键，独立式按键是在每一个I/O口上只接一个按键，另一端接地，这种接法的优点是需要的程序比较简单且系统比较稳定；而矩阵式按键接法需要的程序比较复杂，但是需要使用的I/O比较少。考虑到本设计的需要选择独立式按键。硬件电路如图5所示（详见第213页）。3.2.5报警电路报警电路采用蜂鸣器作为报警元件。蜂鸣器的驱动由一个三极管和一个限流电阻完成。当三极管的基极为低电平时，三极管为导通状态，蜂鸣器发声；当三极管的基极为高电平时，三极管为关断状态，蜂鸣器不工作。蜂鸣器电路如图6所示。3.2.6车流量检测电路车流量检测可以采用装设地感线圈、有对射式样的光电传感器等。结合本设计的需求，采用红外接近传感器对车流量进行检测。红外接近传感器是根据通过的车辆会对光线产生遮挡或反射来检测是否有车辆通过。红外接近传感器具有响应快，稳定性比较好，在复杂的环境中也能工作的优点，而且红外传感器的安装比较简单。当有车辆通过红外接近传感器时，传感器将输出一个开关信号送入单片机，单片机接收到信号以后利用相应的程序对输入的开关信号进行统计，实现对车流量的计数。其电路如图7所示。

　　3.3整体结构原理图

　　根据对单片机外围电路的设计，绘制智能交通灯控制系统的整体结构原理图，如图8所示（详见第213页）。

　　4基于单片机的智能交通灯控制系统软件设计

　　根据任务需求本设计拟实现对车流量的检测以控制红绿灯时间，实现高峰时间的优化管理，同时具有夜间模式及紧急模式。利用东西和南北方向时间改变互不影响模拟主次干道的通行，实现控制系统的任务需求。根据以上需求完成程序流程图的设计以及程序的编写，如图9所示。

　　5结语

　　虽然本设计实现了智能交通灯控制系统的控制要求，但仍存在一些可以进一步优化的方面。1）本设计只考虑了常见的十字路口，对三岔口或者更复杂的道路岔口不具备有效的控制能力，可以通过改变传感器的数量以及对应的程序来解决。2）本设计不能满足当前城市越来越复杂的城市交通控制需求，可以考虑增加单一控制系统的数量，利用上位机来综合处理城市交通信息，以期达到更加合理、更加优化的控制效果。

　　参考文献：

　　[1]杨洁，毛嘉玲，翁永妍，等.机动车尾气污染物健康风险评价综述与展望[J].苏州科技大学学报(自然科学版)，2019，36(4)：1-10.

　　[2]程小丹.基于Veins平台的城市路口交通信号灯智能控制技术优化研究[J].机械设计与制造工程，2019，48(11)：32-35.

　　[3]陈嘉.基于单片机的交通灯控制系统设计探讨[J].中国新通信，2019，21(21)：76.

　　[4]杨萍，赵悦.基于ZigBee的智能交通系统[J].物联网技术，2019，9(10)：107-109.

　　[5]朱晓辉，来婷.单片机原理与接口技术[M].北京：北京理工大学出版社，2018.

　　作者：石广召 李杰 单位：石河子大学机械电气工程学院 国网尼勒克县供电公司