毕业设计--智能交通信号灯设计 - 图文

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智能交通信号灯设计

THE DESIGN OF INTELLGENT TRAFFIC

LIGHT

学位论文原创性声明

本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。

本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

论文作者签名： 日期： 年 月 日

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论文作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日

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摘要

本论文的目的是设计一种能够根据路口的车流量自动调节时间长短的智能交通信号灯。智能交通信号灯能够有效地缓解我国交通极其拥挤的现象。它通过在路口下面埋设的地感线圈来检测车辆的通过情况，然后将这些数据传送给单片机，单片机通过计数器进行车流量的统计。然后根据监测值的大小自动分配路口红绿灯的时长。单片机还控制了红绿灯的亮灭和数码管进行显示倒计时。

关键词 智能交通信号控制系统；交通信号灯；单片机；控制

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Abstract

The purpose of this paper is to design a kind of can according to automatically adjust the length of traffic flows at intersections of intelligent traffic lights. Intelligent traffic lights can effectively alleviate traffic extremely crowded phenomenon in our country. It by crossing buried under the ground sense coil to detect vehicles by situation, then the data transmitted to MCU, MCU through the counter flow statistics. Then according to the size of the monitoring value is automatically assigned intersection traffic lights. Single chip microcomputer control the traffic lights light up or go out and digital tube display the countdown.

Keywords Intelligence Traffic Sign Control System Traffic lights Single-Chip Micro-computer Control

全套图纸 外文文献 扣扣 1411494633

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目 录

摘要 .................................................................................................................................................. I Abstract ........................................................................................................................................... II 目 录 .................................................................................................................................... I 1 绪论 ............................................................................................................................................. 1 1.1研究背景及意义 ................................................................................................................... 1 1.2交通信号灯简介 ................................................................................................................... 2 1.2.1交通信号灯的产生与发展 ............................................................................................ 2 1.2.2交通信号灯的规则 ........................................................................................................ 2 1.3国内外智能交通控制系统发展现状 ................................................................................... 3 1.4本论文的研究思路 ............................................................................................................... 4 1.5本章小结 ............................................................................................................................... 5 第2章 基于车流量的红绿灯时长的确定 ................................................................................. 6 2.1行人因素的影响 ................................................................................................................... 6 2.2车辆因素的影响 ................................................................................................................... 6 2.3路口红绿灯闪烁规律设计 ................................................................................................... 7 2.4本章小结 ............................................................................................................................... 8 第 3章 基于车流量的交叉口交通灯控制系统硬件实现 ........................................................ 9 3.1 交叉口车流量检测技术 ...................................................................................................... 9 3.1.1检测方式的选取 ............................................................................................................ 9 3.1.2地感线圈检测技术 ........................................................................................................ 9 3.1.3地感线圈检测电路的设计 .......................................................................................... 12 3.2信号转换部分 ..................................................................................................................... 13 3.3控制系统硬件的组成 ......................................................................................................... 13 3.3.1单片机型号的选取 ...................................................................................................... 13 3.3.2交通信号的输出部分 .................................................................................................. 14 3.3.3电源部分的设计 .......................................................................................................... 16 3.3.4“看门狗”技术和掉电保护在系统中的应用 ........................................................... 18 3.4本章小结 ............................................................................................................................. 18 第4章单片机程序的设计 ........................................................................................................... 19 4.1 建立项目 ............................................................................................................................ 19 4.2多任务的划分及程序的设计 ............................................................................................. 20 4.3本章小结 ............................................................................................................................. 23 结论 ............................................................................................................................................... 24

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致谢 ............................................................................................................................................... 25 参考文献 ....................................................................................................................................... 26

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1 绪论

1.1研究背景及意义

自改革开放以来，我国的社会经济得到了飞速发展，我国城乡居民的生活水平越来越高，于此同时私家车的数量也随之攀升，快速的发展虽然极大的推动了社会的进步，但也在某种程度上造成了道路交通的严重拥堵问题。随着我国城乡居民所拥有的机动车数量的不断攀升，在许许多多大中型城市都呈现出了道路交通的严重拥堵的状况。北京市，作为中国政治、经济、文化中心，它同样也是全中国最拥堵的城市。为了应对这一状况，北京市首创了能够综合性地反映城市道路交通网拥堵程度的概念性数值，这一数值简称为交通指数。它在数字0至10之间取值，它的规定为每隔2个数字分为为一个等级，它的对应情况为下表1-1所示 0--2 畅通 表1-1交通指数与拥挤程度的对应关系 2--4 4--6 6--8 基本畅通 轻度拥挤 中度拥挤 8--10 严重拥挤 在致力于减缓拥挤的国家新政策正式实施前，我国最为拥挤的城市——北京的拥堵指数一直显示为严重拥堵的级别，这充沛的表明了北京市交通拥挤的情况真的是非常的不容小觑，这种状况如果一直地持续下去势必会对我国的经济发展造成巨大的损失。在2014年9月17日，北京市的交通拥堵指数瞬间甚至达到了历史最高值9.68，这已经达到了严重拥堵的级别，对于一个城市的正常运行势必会产生极大的困难，对生活在北京的市民，正常的生活也增加了无形的压力。究其原因，一方面是交通量的快速增长，即上路的车辆数量太多，为了解决这一难题，北京市实施了单双号政策，但是这种做法实际上是治标不治本，并不能够从根本上解决拥堵难题。其次，我国的有些相干部门十分地缺少对高速道路的综合的探究和管制，只知道一味地规划新的城市高速道路，却没有使他们充足地表现出想象中的的功用。我国城市的高速道路在在构造上具有一个很大特点，即高速道路与普通道路结合点处特别地多，这使得路口就特别的多，如果车辆在每个路口处都要等待，这将直接导致车辆的拥堵。所以，相关部门的工作人员要想出一种更加好的管制方法，在最大的层面上，好好地利用花费很多金钱与精力建造好的城市高速公路。实际上，解决这个问题的关键是提高每个路口的通行效率，不浪费每个路口的宝贵的通行时间，只有做到这一点才能够真正地减轻现在很多城市出现的交通拥挤的情况。正确合理地协调人、车、路的关系日益成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的问题。

虽然交通拥堵问题日益严重，但随着近年来的各种新型的科技技术，如信息技术、通讯技术、计算机技术等的飞速发展，凭借这些技术而不断地发展起来的智能交通系统可以从根本上有效地提高交通运输网络的运行效率，这被很多国家视为是解决当前的日益严重的交通拥堵问题的最好的方式。据统计，智能交通运输系统错误！未找到引用源。在拥挤的道路上能够发挥巨大的令人瞠目结舌的作用。据统计，在使用了智能交通系统的路口，

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道路上的车辆拥挤的情况减少了30%左右，汽油、柴油等石化燃料节省了10%左右，严重影响人们生活质量的雾霾、汽车尾气降低了四分之一以上，各种交通事故也减少了一半以上。由此可见，智能交通系统的应用不仅能够解决道路上的拥堵问题，还能够帮助节约能源、减轻污染，由此可见，在我国大中型城市大力推广与发展道路智能交通系统势在必行。

1.2交通信号灯简介

作为交通道路上的最基本的语言，交通信号灯在整个交通系统中的作用可以说是举足轻重的。交通信号灯由红色、绿色和黄色三种色彩各异的信号灯组成,这样做的目标是可以很醒目地提示人们，俗称为红绿灯。它们是按照事先规定好的一个顺序排列而成，用于显示交通信号、引导与指挥交通。交通信号灯按使用范围不同一般有以下几种的分类，即机动车的信号灯和人行横道的信号灯等。它们主要的用途是用于指挥司机、行人和各种车辆的通行，从而使交通更加地畅通,进而避免各种不必要的交通事故的发生。

1.2.1交通信号灯的产生与发展

在十九世纪的工业革命胜利后,城市不断地繁荣昌盛，社会经济也随之飞速地发展。人民群众的生活品质有了巨大的进步。然而，机动车数量的增加却使得十字路口的交通拥堵问题日益严重，为了解决这一问题，才逐渐发展出了交通信号灯，对于当时的车辆数量来说，按时的交通信号灯切实地在引导交通上发挥了伟大的作用，甚至说一直到很多年后还发挥着巨大的作用。但随着车辆数量的指数式爆发，定时的交通信号灯一直面临着效率较低的弊端。本论文中，我准备设计一种能够根据车流量而自动调节时间的交通灯，从而能够提高红绿灯的使用效率，减轻道路的拥堵状况。

1.2.2交通信号灯的规则

对于交通信号灯，世界上每个国家都有着各自的明文规定。但是，它基本的规则实际上是大致相同的，正如从小我们就接受到的教育“红灯停、绿灯行、黄灯亮了等一等”，这是交通信号灯的最简化的规则。交通灯的细致的规则是由《中华人民共和国道路交通安全法》和《中华人民共和国道路交通安全法施行条例》两部法律而具体规定的。其中第二部中的第十条是对于信号灯的具体规定，它是：

（一）当绿灯亮起时，允许机动车辆、非机动车辆和行人通过十字路口；

（二）当黄灯亮起时，不允许机动车辆、非机动车辆和行人通过路口，车辆和行人应当在停止线前面等待。但是如果有些车辆或者行人已经越过了终止线，他们能够接着往前走通过路口；

（三）红灯是非常具有警示作用的灯，当它亮起时，任何机动车辆、非机动车辆以及行人禁止通行；

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1.3国内外智能交通控制系统发展现状

随着近些年来计算机技术、电子管制技术、通讯技术、信息采集技术等的大力发展，各个国家为了解决自己国内的交通拥堵问题都做出了很多的尝试，很多国家也收获了巨大的成果，研发了适合自己国情的智能交通系统。

1. 美国作为世界上最发达的国家，它的各方面的研究都是超前于世界上的其他国家的，对于智能化交通系统的研究也不例外，它最早开始于20世纪60年代末，美国人将这个研究项目称之为电子路径导向系统ERGS错误！未找到引用源。。在研究过程中，因为某些原因研究不得已暂停了十多年的时间，一直到20世纪80年代中期后才最终获得了初步的成功。美国也以此为契机，再接再厉，在全国范围内展开了在以后被称为智能化道路车辆系统的研究。在1991年的时候，美国政府成立了一个协会，它的主要目的是在全国范围内大力推广多年的研究成果，即智能交通系统，这项举措为智能交通系统在美国的全面地发展打下了良好的根基。同年，美国总统老布什正式签署了可以从根本上综合地提高道路交通运行效率的法案ISTEA，又称为“冰茶法案”。这项法案充分地重视了研究智能化道路系统的重要性，并且将其作为了一项重要国策，还在研究资金方面给予了充足的财政支持。第二年，IVHS正式改名为ITS，这项举措充分地表明了智能化交通系统的研究与开发不仅仅局限于车辆和道路方面的研究，而是可以将其推广到由所有的交通工具和交通过程中的一切组成部分所组成的智能化系统。虽然就目前来讲智能交通系统的研究还是主要以道路交通为主要的研究对象，但是它最终必将会成为一个非常智能的系统。目前来说，智能交通系统还一直处在不断发展、不断进步的过程中。

2. 然而，就目前来说，在整个地球上还属日本这个国家将这个智能交通系统利用地最为宽泛，日本智能交通系统称为新交通管理系统，简称为UTMS，这个系统是为了适应日本的交通需求日益增长情况下，为国民们创造更大的便利，减少社会的消耗，增加社会财富，充分发挥科学技术的优越性，发明一个平安、友好的交通环境。到目前为止，日本的新交通管制系统已经显示了巨大的优越性，社会效率达到相当高的水平。

3. 在其他欧美的发达国家，同样有着各自适应自己国情的智能交通系统。比如英国的UTE系统，这个系统又被称为SCOOT错误！未找到引用源。，即绿信比相位差优化技术,它是采用一种独特的算法进行系统的优化，这样做能够大大地提高系统的效率，这是一种非常先进的智能交通系统。还有意大利的UTOPIA系统、德国的M0TION系统等等。据统计，这些智能交通系统的使用都能够使道路上车辆的平均运行速度至少提高10—29%，在通过同等的路程下驾驶员驾车时间减少10—20%，这也减少了驾驶员长时间驾驶汽车的疲劳，能够有效地减少道路上的交通事故。换一个方面来说，由于比较聪明交通控制系统和车辆管制系统的使用，汽车也降低了大约有三分之一的有害气体(如一氧化碳、二氧化氮、硫化氢等)的排放，这项措施也使得很多城市的空气污染指数得到了极大的抑制。

4.面对城市道路交通严重拥堵这一现状，我国政府的解决方法一般有以下几种：

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1、拓宽道路 此方法虽是解决道路拥堵的最基本的方法，但实际上是治标不治本，只能增加道路的使用面积，但是由于车流量并未从根本上减少，城市的拥堵状况实际上没有得到很好地控制。甚至有时，拓宽道路等于是在无形之中，鼓励更多的驾驶员开车上路。但一味地发展道路，最终的后果还是道路一直在修但是拥挤、雾霾问题确实愈发地严重。

2、通过交通信号灯的控制 红绿灯作为世界上通用的一种控制交通的方式，它可以很好地控制交通流量，达到解决交通拥堵的目的。

但是就目前来说，在很多路口，交通灯仍是很原始的时长固定的交通信号灯。显然，对于目前我们国家的拥堵状况来说，传统的定时式红绿灯并不能很好地符合实际的需求。这是因为：假如在某一个方向和与其相垂直的方向上，两个方向上车辆每分钟的通行量差距非常的大，而红绿灯还是按照最初的设定按照两个方向车流量差不多来平等地分配车辆通行的时间，这种做法会导致在其中的一个方向的车辆的数量非常多，从而导致通车时间的不足，而车少的方向通车时间残余，形成一个方向车辆十分地拥挤成一条长龙，而另一方向车辆较少的不合适的场面。这反映了机器定时控制不能很好的根据实际情况来进行控制。有些地方的交管部门真切地认识到了这一问题，于是乎，他们将交通比较拥挤的上下班高峰、节假日高峰的时间进行了优化设置，但是这样的控制方式十分的不方便，完全不适合国家领导人所提倡的节能减排。为解决这一问题，在早晚上班的高峰期，政府部门安排了交通警察进行亲临现场的指挥。但是，交通警察亲临现场进行指挥，工作难度大，需要处理各种的突发状况。各种多变的天气状况抑或是汽车尾气都将是执勤交警的巨大威胁。所以，在信息技术高速发展的今天，咱们应充分发挥先进的计算机技术、通讯技术等的作用，经过计算机来仿真人的智能来管制交通灯，从而发展经济和社会效益。

为此，我国相关部门也及时地意识到了这一问题，于是从其他的国家学习建设先进系统的经验。从此，我们国家的智能交通系统发展地也十分的迅速，我国先后在许多的大城市建立了世界先进的智能交通控制系统。但是，与国外的先进的交通控制系统相比。我国目前的城市道路的交通控制依旧相对落后。究其原因，一方面，我国的机动车的数量井喷式地增长，而对于管理交通流量的控制系统却没有相应的随之与时俱进、共同发展；另一方面，监管不力、秩序混乱，行人不恪守交通信号灯规则的指引，最为我们所熟知的是中国式的过马路，很多人视信号灯的存在于无物，这种行为使信号灯失去了了它应有的作用，从而使道路多拥堵、多交通事故、车辆在路口的大量积压产生更加多的汽车尾气，消耗更多的汽柴油。

综上所述，落后的交通控制系统将是有百害而无一利。而先进的系统能够统筹道路交通信息，快速、准确地处理各类突发事故，从宏观上协调车辆的分流，提高各个路口的通行能力。

1.4本论文的研究思路

足够智能的道路车辆管理控制系统是现在钻研的目标，它也显示出了巨大的优越性。

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本论文研究的方向为智能交通灯，它能够根据上一次绿灯信号间通过的车辆数自动地调节红绿灯时长，达到初级的自动控制功能。它的具体操作模式为：我们可以通过事先埋设在路口的地感线圈来实时感知车流量的大小，而后单片机会依照路口车流量的大小来调理交通灯的闪烁工夫的长短，从而达到车流量的最优化配置。在面对突发的道路状况时，确保能够做出最好的调配措施，把处理效率达到最高。

1.5本章小结

本章主要介绍了我国的普遍的交通状况，指出了我国道路交通的主要问题。为了解决这一问题，我经过查阅资料了解到了国内外智能交通系统的发展状况和交通灯的规则和发展状况，并且指出了国内与其他很多国家的差距。最后，我根据自己所学的知识，确定了整个论文的研究思路。

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第2章 基于车流量的红绿灯时长的确定

在制定红绿灯的时长时，需要综合地考虑两方面的因素：一是车辆，二是行人。为使智能交通信号灯以最高的效率执行任务，我认为仅仅通过查阅资料是不够的，必须通过亲身进行实地的进行调研，从而得到车流量与红绿灯变换时间长短的第一手数据，从而获得它们的最佳关系。

2.1行人因素的影响

红绿灯的设置虽说是主要为了控制车辆的运行，但行人的因素也是至关重要的。如果红绿灯的时长没有让行人有足够的时间穿过马路，这对于车辆的运行是一个重大的阻碍，对于行人安全的重要作用也不容小觑。综合以上的描述后，还有我自己走人行横道的计时经历，还有我在路边统计老人、小孩等的过马路时间。统计如下：

我的过马路时间大致为18s左右；而对于老人来说，他们的行动可能稍微慢一些，时间大致为23s左右；小孩子的过马路时间大致为20s左右。考虑到当人行横道的绿灯刚刚亮起时，有些行人还未走到斑马线上，但是距离可能很近，他们是有机会通过马路的。因为在我国现行的交通法规中的规定是：当某个方向的绿灯在闪烁状态时，这显现出了这个方向不准许行人进入人行道，但已进入的行人，不用停止或者退回原点，他们是可以继续通行的。所以在通过马路的基础上我们应当稍稍加一些时间，以此来保证他们晚了几秒到达斑马线，一样可以在绿灯的时间范围内通过马路。再加上我走过的几个路口观察到的人行横道绿灯时间，所以我认为绿灯持续的时长起码应当不少于30s。

2.2车辆因素的影响

红绿灯的职能主要是为了控制车辆的运行，我亲自到某个路口进行了统计，在目前定时的交通灯的情况下，在确定的绿灯时间里路口等待的车辆能否全部通行，如果不能全部通行的话还有多少辆车在路口等待通行，如果能够全部通行有多少时间被浪费。我观察的路口的交通灯是定时的，它的时间设定是100s。我的观察时间是下午的三点半左右，经过我的统计，在这个交通不拥挤的时候，亮起绿灯后大约40s—60s左右路口的车辆就能够全部走完，而剩下的时间虽然可能偶尔开过几辆车，但实际上很多的时间被浪费掉了，太长的时间并没有太多的用处，而与之垂路口的车辆却排起了长龙在等待通行。所以，我们可以设定：在交通状况不是很拥挤的情况下，红灯的时间可以被设定为50s，在交通比较拥挤的情况下，红灯的时间可以设定为100s。经过统计，如果路口等待车辆为40辆以上定义为拥挤。在进行程序的设计时，单片机将测得的车流量与40这个数字进行比较，如果每分钟的车流量大于40时则选取路口绿灯时间为100s，如果每分钟的车流量小于40时则为50s。其中，具体的安排关系见表2-1和表2-2。

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表2-1每分钟车流量小于40时路口交通灯状况 时间/S 东西道 50 绿灯 3 黄灯 50 红灯 3 黄灯 表2-2每分钟车流量大于40时路口交通灯状况 时间/S 东西道 100 绿灯 3 黄灯 100 红灯 3 黄灯 车道状态 1 2 3 4 南北道 红灯 黄灯 绿灯 黄灯 车道状态 1 2 3 4 南北道 红灯 黄灯 绿灯 黄灯 在一般的十字路口，一般都会有互相垂直的两个方向，我们假定它们分别为东西向和南北向。我假定的是最为简单的情况，即在任意时刻只能允许一个方向通行。如果东西向为通行状态，那么南北向就禁止通行，反之亦然。在实际过程中，短暂的黄灯过渡时间后，应该进行对调。

2.3路口红绿灯闪烁规律设计

在上一节完成了交通灯的两种不同情况下时长的确定，在本小节，我将进行总体的红绿灯亮灭流程的设计，详细的流程如下图2-1、图2-2和图2-3所示。

图2-1 红绿灯整体设计流程图

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图2-2 东西方向红绿灯显示流程图

图2-3 南北方向红绿灯显示流程图

2.4本章小结

智能交通灯的智能体现在它的自动调节，但是由于知识水平的有限，我没有能够设计复杂的计算方式，而是根据自己到路口实际的记录了通过人行道的时间和道路车辆通行的大体情况，然后设定了交通灯的时间长短。

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第 3章 基于车流量的交叉口交通灯控制系统硬件实现

本论文将采用51系列单片机实现对车辆的计数功能和实时控制功能、七段数码管进行倒计时的显示以及红绿黄 LED 灯来搭建十字交叉路口交通灯智能控制的硬件系统，并利用c语言错误！未找到引用源。开发了相应的软件，达到了了根据不同的车流量，在道路交叉口实时地进行交通灯的控制。

3.1 交叉口车流量检测技术

3.1.1检测方式的选取

在车辆、路线智能交通系统中，交通信息的获取可以说是不可或缺的一个组成部分，而车流量信息作为交通信息中最基本的一个环节，很多的交通控制都需要以其作为依据，实际上它是智能交通控制的第一步，只有首先获取了车流量信息，才能进行进一步的控制。车辆检测器是信息获取的关键部件，它是以当前所经过路口的所有的机动车辆作为检测的对象，它通过检测车辆的通过或存在状况，实时地获取十字交叉路口的交通信息量，然后实时地将数据发送给单片机，从而实现对路口的交通状况进行自动地感应控制，能够有目的地实现监测梳理车流量数据、管制红绿灯时长、调配车辆和引导交通等智能化手段，对解决道路交通堵塞问题具有及其不可忽视的重要性。所以，对车流量检测系统进行研究具有很深的意义和价值。

就目前来说，能够进行道路交通信息检测的方法有很多种，它们各自的技术原理和实现方法也是各有千秋。其中，检测方式主要包括地感线圈错误！未找到引用源。检测、通过摄像头拍照检测、微波检测、激光检测、声波检测、超声波检测、磁力检测、红外线检测等。我国国土面积大，道路多，道路的情况也是相当的不简单，上述各种各样的检测方式都有运用。本论文将采取价格上比较便宜、使用范围上比较广泛、安装过程易于实现、检测误差也相对较小并且可以实现全天候监控的地感线圈检测方式。

3.1.2地感线圈检测技术

3.1.2.1检测原理

实际上所谓的“地感线圈”的原理是能够产生振荡电流。地感线圈需要外接电源供电，地感线圈被供电后，地感线圈的周围空间内就会构成一个磁场。当有金属物体从远处而来，进入到电感线圈形成的这个区域时，汽车的车体会进行切割磁感线运动，结果是发生了能量的损耗。这时，地感线圈的电感值会发生下降。假如金属物恰好位于这个磁场区的上面时，电感值会变成最小。而当汽车离开了这个地感线圈产生的区域的时候，数值则会逐渐地不断增加，直到回复到原始的高电感的形态。由于感应器材会按照监测信号发生的各种变化来感应汽车的通过与否。因此，只要在地感线圈的起始端连接上能够检测高频电流的

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相位或振幅变化的检测器，我们就能够获取被检测物体经过的模拟信号。我们工作是设计振荡电路，从而获取监测信号。

进行车辆检测的最为主要的元器件是和地感线圈联系在一起的车辆感应器。车辆感应器采纳的是优秀的锁相环技术。如果没有车辆经过地感线圈的上方时，一个中间点就会形成于车辆感应器和地感线圈的电感值之间，这时车辆感应器会持续地将一个低电平传送到单片机的CPU。详细的检测原理图如下图3-1所示

图3-1地感线圈检测车辆的基本原理

3.1.2.2采用地感线圈检测车流量的优点

1、它的使用方法和现场施工比较简单，车辆感应器只要求220V 的城市交流供电或者12V的直流供电；

2、它的检测准确度比较的高，这是因为检测的主要部件车辆感应器采用了非常先进的锁相环技术；

3、它进行检测时的灵敏度比较高，而通过查询资料可知，在具体的使用过程中，它的灵敏度可根据实际需要开始调理；

4、它使用的可靠性是比较高的，采用该方式进行检测基本上不受恶劣的天气状况等外界不可预知因素的影响；

5、它的安装成本低，与雷达检测、视频检测、声波检测、红外线检测等检测方式相比，采用线圈进行检测具有成本低廉的优势，对于需要大量安装的城市来说选取地感线圈进行检测非常的实惠。 3.1.2.3地感线圈的选型与埋设

当车辆通过地感线圈中磁感线密度较大的的部分时，磁通量的改变率也会逐步提高，因而会迸发出巨大的感应电动势，这也提高了车流量侦查的细致程度，我们应当选取合适的方法尽量提高检测的灵敏度。因此，在实际的安装过程中，咱们应该多思考使车辆经过时能够引发比较大的磁场变动的埋设方法。依照它的特点来说，我们可以从以下两个层面

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上来思考这个成果，一方面尽最大努力使被监测物体可以经过线圈的角落等磁场密度非常密集的区域，另一方面尽最大努力提高经过磁场区域时车体所笼罩的磁场部分，如下图3-2所示，两条蓝色所包围的阴影部分代表的是实际的接触面积，也就是车辆覆盖在线圈上的有效面积，线圈形状不同，相对切割面积也不同。为此，咱们必须思考把线圈设计成菱形以增加汽车识别的准确率。

图3-2矩形线圈和菱形线圈的有效切割面积对比

为了使车辆检测器能够在最好的状态下进行工作，我们应当让系统的正常的电感量维持在100uH－300uH这个范围内。为了使线圈的电感能够保持在这一范围内，我们可以选择不同的周长与缠绕数。而线圈的缠绕数与线圈的缠绕周长又有着极其重要的关系，即地感线圈的总的缠绕的长度就应当越小，那么它的缠绕数目就应当越多，反之亦然。为了确定最终的埋设方法，我根据查询相关资料得知，一般可参照下表3-1： 表3-1线圈周长与线圈匝数的对应关系 线圈周长 线圈匝数 3米以下 无具体要求，根据实际情况选择 3--6米 5--6匝 6--10米 4--5匝 10--25米 3匝 25米以上 2匝 综上所述，为了能够发挥它的最大检测效果，我决定选取菱形线圈进行埋设安装，地感线圈的整个长度选择为6—10米，线圈缠绕数为4—5匝。但是在实际的路况可能不是想象中的那么的简单，比如道路下可能会有各种各样的管线、下水道盖等一些金属类的物体，这些都可能会是不小的隐患，它们都可能会对线圈的电感值产生巨大的影响，因而影响检测到的车流量数据。所以在实际的施工过程中，上面的表格中的数据仅仅作为参考而已。在具体的操作过程中间，施工人员必须采取能够测试线圈电感的仪器来实际测试线圈的电感值，从而来明确最终的缠绕圈数，只需确保最后的数值在正常的运行区域之内即可。

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3.1.3地感线圈检测电路的设计

本论文所设计的地感线圈侦测电路，它采纳的是电容响应三点式LC振荡器错误！未找到引用源。。在实际的使用过程中，它的优点还是比较突出的。首先，振荡电路输出的振荡形状好，它的每分钟振荡的次数可以达到非常的多，只需缩小电容，就能增高每分钟地振荡次数。但是缺点还是不容忽视的，表现在：它的调理过程非常的不便利，因为调理电容1、电容2能够使振荡频率发生变化，但是这样做的话同时会造成正反馈量发生变化，干扰发生振动的条件，使最后的信号广度产生变动，最严重的话可以停止电路的振动。此外，和电容1、电容C并在一起的三极管的输入和输出电容是不坚定的，将造成振荡频率发生不可预料的变化。详细的进行侦测的电路的电路图如下图3-3所示：

图3-3地感线圈检测电路

在本论文的设计中，我们设定在没有车的情况下，地感线圈的电感量比较高，大致为100uH-150uH左右，而如果有车辆通过时，电感量会产生一定程度的减少，大致会变为60uH上下。于是，检测电路的输出波形的频率会发生明显的变化。从上述的振荡电路输出的波形是不规则的，因此，还必须要经过一个整形电路将波形变换为方波，这样做是为了便于单片机进行检测。我设计的对电压进行形状更改的电路由一个电压比较器组成。它的工作原理是：如果进来的电压高于同相端电压的出去的高电平，少于同相端电压时输出为低电平，则进行输出，这样做便完成了将正弦波信号变换为方波信号。经过整形电路输出的方波信号会被送入单片机的 CCP 口，单片机中的CCP口错误！未找到引用源。指的是单片机的脉宽捕捉模块，这一模块有三种工作模式可供选择，在这里，我们采纳的是它的输入捕捉的性能。

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3.2信号转换部分

检测车流量的传感器输出信号为电信号，即所谓的模拟信号，而作为系统控制核心的单片机，它所接收的信号是数字信号。因此，为了在两者之间进行通信，我们必须考虑在这两者之间加上能够进行转换的装置，我们可以选用电压比较器。

经过模拟信号到脉冲信号的转换过程后得到的数据应该马上由输出端口传送给单片机进行进一步地处置，但是应当首先确认模拟信号到数字信号的转换是否已经完成，因为必须在保证转换结束后，才可以进行数据的传递。为了解决这个问题，可以采用定时传送方式、方式查询方式、中断方式三种方式进行。不论利用以上提到的哪种形式，万一保证了数据变换这个进程已经结束，即可采用具体的操作程序来进行数据的传送。

3.3控制系统硬件的组成

3.3.1单片机型号的选取

单片机错误！未找到引用源。（Single Chip Micro-computer , SCM）是单片微型计算机的简称，它的结构是集合在一起的微型电路芯片，它采纳的是非常大的范围的集成电路功能，单片机将具有强大的数据分析处理功能的中央处理器，简称为CPU；随机存储器，简称为RAM；只读存储器，又称为程序存储器，简称为ROM；多种输入或输出接口以及中断系统、定时器或者计数器等功能综合到一块芯片上而构成的一个虽然很小但却很强大的微型计算机系统，它虽然简单，但是在工业控制领域它足以满足工业生产过程中的各种控制要求，因而在工业管制范畴内被大量的采用。单片机的发展非常的迅速，它由最初的4位或者是8位的单片机，不断地进步到现在的速度超高的单片机。所有的单片机均具有高集成度、体积小、功耗较低、使用的可靠性高、使用起来非常的灵活方便、性能价格比高和开发研究非常地方便等特点，我们通过一定的学习，就可以充分地利用单片机可以较方便快捷地构成控制系统，实现我们想要的控制功能。

在现在流行的各种的单片机中，51系列单片机占据了大半江山，它能够拥有如此的地位，主要是因为它具有高超的性能、高速运行、所占体积较小、购买的价格比较低廉、ROM可以多次的擦写，即它可以进行重复编程，并且它非常地方便进行各种功能的扩展等优点，这些优点充分使得它在工业管制范畴等市场上得到了普遍的运用。所谓的51系列单片机，指的是所有能够兼容英特尔8031错误！未找到引用源。的指令控制系统的单片机的总称。该系列单片机的最初的版本是英特尔公司的型号为8031的单片机，但是随着闪存技术的高速的进步，英特尔的8031单片机取得了巨大的进步空间。它也因此成为了但是应用在各种控制领域的最广泛的8位单片机。51系列单片机的代表型号为ATMEL公司的AT89系列。虽然目前的计算机技术如此快速的发展，也有其他的公司研发了51系列的兼容机型，它们仍将在从今往后很长的一段时间广泛地占据工业控制范畴的市场。51单片机又是比较简单基础的一种单片机，非常的方便初学者进行学习。AT89系列单片机一般常用的型号有

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AT89C51、AT89S51、AT89C52、AT89S52等,它们的性能如下表3-2所示 型号 AT89C51 AT89C52 AT89S51 AT89S52 Flash ROM 4K 8K 4K 8K RAM 128B 256B 128B 256B 表3-2 ATMEL公司四种型号的单片机配置的对比 I/O口 UART 中断源 定时/计工作频数器 率 32 1 5 2 24MHz 32 1 5 3 24MHz 32 1 5 2 33MHz 32 1 5 3 33MHz A/D通道 0 0 0 0 其他特性 / / WDT/ISP WDT/ISP 为避免写程序时单片机的ROM空间不足以装下所写的程序，故选择ROM和RAM都比较大并且具有ISP可在线编程功能以及具有看门狗功能的AT89S52单片机作为主机。AT89S52芯片具有的特点如下：可以对I/O口进行编程并且具有两个串行输入输出口，从而使得采集的数据信号可以根据系统所需要的波特率进行数据传输，稳定可靠性较高，可以很方便地进行在线调试与开发。如图3-4所示为40引脚的AT89S52的双列直插式的引脚配置。

图3-4 AT89S52单片机的引脚配置

AT89S52单片机拥有32个输入/输出端口，可以接32根线，其中P3口还具有第二性能。它的几个主要接口有RST复位输入信号端口，输入高电平有效。Vcc为电源电压输入引脚，它的一般输入值为+5V，GND为接地端。XTAL1和XTAL2为外部晶振引线。

3.3.2交通信号的输出部分

3.3.2.1七段位数码管

无论什么样的交通灯，主要应该由显示倒计时的模块、红黄绿灯模块组成。对于交通信号灯的管制系统,我采用七段数码管错误！未找到引用源。进行显示和继电器驱动，七段数码管可以显示非常醒目的红色，它可以构成显示倒计时的模块，主要负责显示倒计时，方便提醒司机和行人。如图3-5所示为七段位数码管的工作原理：

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图3-5七段位数码管的工作原理图

七段位数码管是一种比较常见的半导体的通电后能够变亮的器件，大街小巷均可见到它的身影，实际上它的基本组成部分是一段又一段的普通发光二极管。分段式数码管是由按照一定的规律散步在一个平面上的许多段发光的笔划所构成。它的基本结构是 PN 结，即采用普通发光二极管的点亮来形成字型来显示数字。这种数码管上的每一个线段都是一个发光二极管，所以它们也被称为也称七段位数码管。其中，如若是共阳极数码管的话，在实际的使用时我们应将公共的端口连接到正5伏的高电平，需要哪一个字段点亮，只需将发光二极管的某一字段的阴极端送低电平。然而如果，某一字段的阴极接收的电平为高电平时，那么它的对应字段就不能点亮。代码与显示段的对应关系如下表3-3所示。

代码位 显示段 D7 dp D6 g 表3-3 代码与显示段的对应关系 D5 D4 D3 D2 f e d c D1 b D0 a 数码管的每一段发光二极管被点亮时，仅仅要求5毫安左右的电流，但是电流不能够太大，不然的话，会毁坏发光二极管。因为单片机的输入或者输出端口不能够输送出这么巨大的电流量，因而数码管与单片机连接中间需要附带有驱动电路，也可以采取上拉电阻的方式抑或是使用专门的驱动芯片。为此，我们可以选用74HC573芯片，它的内部具有4 线BCD 输入，并且还有上拉电阻。

由于显示的倒计时是双位数，我们可以选用共阴极的双位数码管来实现。双位数码管在单位数码管的基础上增加了一个数码管，它的引脚A-DP为公用的引脚，这是一个共阴极双位的数码管，它的接地端GND端口有两个引脚，它们可以分别地接一个I/O端口实现动态扫描，实现逐位的进行显示。数码管是利用人类眼睛的视觉暂留效应，足以满足现实的显示数字的需要。我们采用这种显示方式既可以节约功耗，同样又可以达到很好的显示效果。

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3.3.2.2 LED彩灯

路口的红绿灯我们可以采用LED彩灯来实现，它的主要特点是功耗低、可靠性高、易于使用。它是通过LED的阵列来组成各种不同颜色不同形状的显示图形，可以达到显示允许同性禁止通行等不同的交通信息提示。

由此，在路口的控制部分、显示部分已经分配完成，路口的交通控制示意图可由下图3-6所示。

图3-6十字路口的交通示意图

3.3.3电源部分的设计

输出电压在经过整流滤波后，尽管它的波动程度非常细微，但这会招致输出电压极端地不正常。究其原因，首先，当交流电源电压发生一定程度的波动时，输出直流电压会随之而产生一定的波动。其次，当负载发生变化时，作用在变压器和整流电路错误！未找到引用源。等内部的电阻上的压降会发生变化，从而输出直流电压也会随之改变。输出的直流电压如果不稳定，对于设备的正常工作来说是十分不利的。因而为避免供电的各种不稳定的发生，我们必须采用稳压电路。

经过考虑，我认为电源部分的工作原理图如下图3-7所示：

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图3-7电源部分工作原理图

为解决这一重要问题，经过查阅资料，我认为可以采用固定三端稳压器错误！未找到引用源。来解决这一问题。它是采用串联型稳压电路，顾名思义，它的输出电压是恒定的，这对于系统的正常运行是十分重要的，固定三端的稳压器在类别上属于固定三端稳压电路，因此它的工作过程与串联型稳压电路相似。它整体被线性地综合地位于稳压器中，因为三个端子的稳压器只存在三个能够导出来的接口，并且它的外部接通的元器件非常地少，使用起来特别地便利，而且它功能上比较稳固，购买时比较便宜，正是因为这些其他芯片所不具有的长处，从而被大量地采用。通过进一步地进行查阅资料，我们得知三端稳压器的通用产品有78系列（正电源），输出电压因型号的不同而变化，常用的有5伏和24伏等各种不同的档位。输出电流则以数字后面的英文字母来分别，L表示0.1安培,M表示0.5安培，无字母则表示1.5安培。在我设计的系统中，我需要的是一个双向直流稳压电源，这个电源能够输出正、负电压的。再加上单片机的正常工作电压的要求是+5V，而且当输出的电流达到1安培时可以达到需要。这样的话我选择的型号分别是LM7805错误！未找到引用源。。它们的具体参数是作为滤波电路的电容均采取1000ｕF。

由于进行整流的电路输出的电压还会有一定水平的动摇，因此我们必须要在进行整流操作后进行滤波操作。因此，我们选择的电容分别为：电容C1 、电容C3均采用1000 ｕF，它们均是能够耐压50V的电容。而电容C2、电容C4均是防震电容，因此在使用集成稳压器时，需要它们能够提高电源的稳压性能，并且能够减小输出波纹，它们的主要作用是调整集成稳压器的内部的电路，因此我们选取它们为防震电容，并且使它们的电容值取得很小。一般来说，我们选取为0.1微法的电容即可。因此我们选取电容C2、电容C4均为0.1ｕF。电源电路的设计图如图3-8所示。

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图3-8 单片机供电电路设计图

3.3.4“看门狗”技术和掉电保护在系统中的应用

在实际的工作过程中，由于设备的工作环境会不尽相同，设备可能会面临比较复杂的天气状况抑或是其他各种因素的影响，再加上单片机本身的抵抗各种干扰的才能相当的差，由此会造成内部程序的一直在一个错误的程序上不同的循环，这个过程我们称之为死循环。由此单片机可能会呈现出由于受到外部的打扰干扰而造成机器卡住的现象，导致系统不可以按照常规执行任务，这将严重影响社会秩序的正常运转，造成交通混乱，甚至会造成交通事故的发生，我们应当尽自己所能，在设备的研发或者是调试运行阶段想办法避免这种情况的发生。为了避免单片机产生死机的景象，而且同时增强单片机自身系统的抵抗外界打扰的才能，我们可以使用单片机AT89S52自身带有的“看门狗错误！未找到引用源。（WDT）”功能。我们可以采用“软件看门狗”来实现这个功能，与其他的方式相比，它的最突出的优点是它根本不需要外部的硬件电路，这样的话使用起来比较便宜。然而，如果所用的单片机片内的定时器/计数器已经被其他程序所占用了，我们就需要考虑其他的设计方式了。具体的对于看门狗的控制都体现在了后面的程序部分。

3.4本章小结

本章采用的是信号传输的先后顺序讲述了单片机硬件电路的各个主要的组成部分，在实际的接线中还要具体考虑单片机与上位机的通讯功能以及为了保证单片机传输信号的稳定性所采用的各种不同的芯片，由于篇幅有限没有全部进行介绍，具体接线方法在图纸中有具体的体现。

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第4章单片机程序的设计

为了进行单片机程序的设计，我准备使用Keil ｕVision2错误！未找到引用源。这个软件进行程序的书写，其中程序是用C语言编制，其中使用了RTX—51 Tiny的实时多任务操作系统。

4.1 建立项目

我们知道，无论是什么软件，首先都是要新建一个文件的。但是keil软件的操作确实稍有不同。具体操作步骤如下：

（1）打开Keil ｕVision2软件，选择“project→new→ｕVision project”，输入新建的项目的名字。在弹出的对话框中选择ATMEL公司的89S52芯片，如下图4-1所示。

图4-1 选择芯片

（2）进行设置，执行“project→option for target ‘target1’”,弹出对话框，在target的选项卡中打开Operaing下拉菜单，从中选择RTX-51 Tiny实施多任务操作系统。

（3）新建一个c语言文件，执行“file→new”，在左边栏中在Source Group 1上右击选择“Add Files to Group ‘Source Group 1’,选择刚刚新建的“交通灯控制系统程序.c”的文件，点击Add。如下图4-2所示。于是，就完成了一个新文件的建立。

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致谢

在花费了将近两个月的时间后，我终于完成了这篇关于智能交通灯的论文。在开始正式的论文之前，实际上我对智能交通灯没有任何的了解，最后我不得已请教了指导老师熊教授，熊教授认真的给我讲解了它的工作原理，让我对于论文的写作有了更深的了解和信心。在图纸和说明书的编制过程里，我也碰上了数不胜数的压力和阻碍，主要是一些关于单片机结构、工作原理方面的问题，在熊老师的大力帮助下，我最终还是成功地解决了这些难题。另外，还在学校图书馆查找了很多的资料，这些对于我来说也是莫大的帮助。在论文的编制过程和0号图纸的绘制过程中，我参考了一些书籍和论文，在此我还要真诚地感谢这篇论文所涉及到的各位作者，假如说没有以前的研究人员们的辛苦的钻研结果的帮忙和启示，我完全不可能在这么短的时间里结束这篇论文。

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参考文献

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