基于单片机的智能交通灯控制系统的研究与设计

何玲，吴恒玉，唐民丽

（海南软件职业技术学院 电子工程系，海南 琼海 571400）

随着社会经济快速发展，汽车数量的急剧增加，给城市交通带来了极大的压力。特别是在上下班高峰期，巨大的车流量使得道路拥挤，造成了不必要的时间浪费与经济损失。所以设计可靠、安全、便捷的智能交通灯控制系统有极大的现实必要性。正在使用的交通控制系统主要有两个缺陷：1）车道放行车辆时，时间设定相同且固定，十字路口经常出现主车道车辆多，放行时间短，车流无法在规定时间内通过，而副车道车辆少，放行时间明显过长；2）未考虑急车强通。由于交通信号灯控制系统缺乏有效的应急措施，导致十字路口交通受阻，造成不必要的经济损失。

本系统利用AT89C51单片机[1]，实现了根据区域车流量、红外检测或人为操作进行十字路口交通信号灯智能控制[2]，并在软硬件方面采取一些改进措施，实现了根据十字路口车流检测量进行交通信号灯智能控制，并且可以使用紧急按键使两路口都为红灯，让紧急车辆通过后再恢复正常通车。该系统结构简单、可靠性高、成本低、实时性好、安装维护方便，并且具有良好的扩展完善特点，有广泛的应用前景。

1 总体方案设计

文中是采用了以AT89C51单片机为核心的控制方案。方案中通过车流量检测电路检测东西方向和南北方向的车流量大小，东西、南北两干道交于一个十字路口，各干道有一组红、黄、绿3色的指示灯，指挥车辆安全通行。实现本设计要求的具体功能，可以选用AT89C51单片机及外围器件构成最小控制系统，20个发光二极管分为2组:东西南北两个路口车行道的红、绿、黄以及人行道的红、绿灯构成信号灯指示模块，4个LED东西南北各两个构成倒计时显示模块，车流量检测传感器采集流量数据，光敏传感器捕获违规信号，若干按键组成时间设置和模式选择按钮和紧急按钮等，以及用1个蜂鸣器进行报警。系统总体框图如图1所示。

图1 系统的总体框图Fig.1 System block diagram

2 系统硬件电路设计

本系统以单片机为核心，组成一个集车流量采集、处理、自动控制为一身的闭环控制系统。系统硬件电路由车流量检测电路、单片机、违规检测电路，交通信号灯，LED显示，按键，蜂鸣器组成。

2.1 车流量检测电路

在每车道车辆等待线的前方和后方都安装一个地质线圈，当车辆通过该线圈或者停在该线圈上时，车辆本身上的铁质将会改变线圈内的磁通量，引起线圈回路电感量的变化，根据监测到的电感量引起的电流变化，通过检测放大电路的处理，最终实时显示有无车辆通过，并可以累计某段时间内车流量的大小[3]。

2.2 违规检测电路及模拟

在红灯和黄灯期间，车辆是禁行的，为了对那些违反规则的车辆进行检测，可使用超声波车辆传感器。但是，用于受到条件的限制，本系统设计中只是使用了普通光敏二极管。

其基本设计思想是：将光敏二极管放在停车线上，当车辆行驶过将光敏二极管遮住，这样，光敏二极管就不导通，单片机检测到这一信号执行警报操作。违规检测电路如图2所示。

图2 违规检测电路Fig.2 Traffic violation detection circuit

但是除了使用光敏二极管，还需使用三极管，三极管的型号是9031。由于普通光敏二极管的开关特性不太好，所以设计在电路中加入了三极管作为开关。由于普通光敏二极管在导通的情况下的电阻都能达到0.5～1 kΩ，所以在设计中将光敏二极管直接连到了电源上。同时三极管还可以起到一定的隔直作用。当光敏二极管关闭时，三极管的基极为低电平，基极与发射基之间的电压为零，三极管关断，检测口的电压为高电平。同理，当光敏二极管导通时，三极管的基极电压为高，基极与发射极之间的电平为高，三极管导通，检测口的电压为低电平。基于此就可以检测是否有违规车辆了。

2.3 电源电路

电源采用输出为+5 V直流电压的稳压电源电路[4]。IC采用集成稳压器7805三端稳压器。当输出电流较大时，7805应配上散热板。C3为输入端滤波电容，C5为输出端滤波电容，如图3所示。本系统采用220 V交流电电源，经过5 V适配器滤波后，在固定式三端稳压器LM7805的Vin和GND两端形成一个并不十分稳定的直流电压（该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化）。此直流电压经过LM7805的稳压和电容的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。

图3 电源电路Fig.3 Power supply circuit

2.4 红绿灯显示电路

交通灯最基本的功能是信号灯的显示，每个路口均需红、黄、绿灯各一盏。20个发光二极管分为2组:东西南北两个路口车行道的红、绿、黄以及人行道的红、绿灯构成信号灯指示模块.本系统选用P0口作为输出LED数码管的段选信号；P1口作为东西、南北方向的车行道信号灯的控制信号；P2口作为人行道信号灯的控制信号以及数码管的位选信号，红绿灯与单片连接如图4所示。

图4 红绿灯与单片机接线图Fig.4 Connection of red/green light to MCU

2.5 倒计时显示电路

倒计时显示系统的主要功能是对红、黄、绿灯的延时时间进行倒计时，给车辆驾驶员以提示。这里使用共阴极的7段数码管作为显示设备，各个路口上两个数码管，一个显示十位，一个显示个位采用动态扫描方式[5]。文中时间的倒计时是通过软件来实行的，将在软件部分进行具体的说明。

2.6 蜂鸣器电路

本设计采用一般蜂鸣器，蜂鸣器使用PNP三极管进行驱动控制，当连接到单片机上的引脚输出为低电平，PNP导通，蜂鸣器蜂鸣；当连接到单片机上的引脚输出高电平时，PNP截止，蜂鸣器停止蜂鸣，其连线图如图5所示。紧停按键和违规信号传感器连接到外部中断引脚INT1，P3.6捕获到一个低电平，则进入该中断，中断程序中先把蜂鸣器P3.7端口置0，启动蜂鸣。并且等待恢复键S3键按下，然后关闭蜂鸣返回。

图5 蜂鸣器连接图Fig.5 Buzzer connection

2.7 按键控制电路

本设计设置了3个键：S1键，S2键，S3键。S1键设置系统的输入模式，分红绿灯时间自动和红绿灯时间设置，S2键是紧停按键和违规信号，S3键是复位键。每个按键一端接地，另一端接上拉电阻。低电平有效，当按键按下端口接地，单片机捕获到低电平，从而知道相应的输入信息，如图6所示。

3 系统软件程序设计

全部控制程序实际上分为若干模块：键盘设置处理程序，红绿灯控制程序，LED显示程序，消抖动延时程序，次状态判断及处理程序，紧停或违规判断程序，中断服务子程序，车流量计数程序，红绿灯时间调整程序等。

图6 按键示意图Fig.6 Diagram of buttons

3.1 延时子程序

单片机的1秒钟延时可以有两种方法[6]，一种是利用AT89C51单片机内部定时器溢出中断来确定1 s的时间；另一种是采用软件延时来确定1 s的时间。

3.2 数码管倒计时显示子程序

数码管倒计时显示程序如下：

3.3 紧急车辆子程序

本设计用到两个中断服务例程：INT0、T0。其中INT0实现紧急车通行时，东西南北各个路口都亮红灯；T0在执行倒计时子程序的同时，实现数码管精确倒计时。

1）紧急车中断服务例程的设计。紧急车中断服务例程流程图如图7所示。

2）定时器T0中断服务例程的设计

本系统计数器/定时器0采用工作方式1，计数初值后，将初值转换成16进制数，高8位装入TH0中，低8位装入TL0中。定时器T0中断服务例程流程图如图8所示。

4 结束语

图7 紧急车中断服务流程图Fig.7 Emergency car interrupt program

图8 定时器T0中断服务流程图Fig.8 Timer T0 interrupt program

本系统采用了单片机作为核心控制器，提高了系统的可靠性和稳定性，并且系统的调试和维护方便。另外，本系统由于采用了车流量检测系统，红绿灯的显示时间是动态的，使十字路口更加畅通，避免了现有的交通灯系统的红绿灯显示时间固定所带来的不便；还引用了外部中断技术，使紧急车辆得以计时顺利通过。而且，本系统中的交通灯可用型号较大的指示灯，传感器在实际中也很容易实现。本系统今后还要进一步完善，增加更强的功能。

[1]孙育才.MCS-51系列单片微型计算机及其应用[M].南京：东南大学出版社，2004：78-91.

[2]林军.用单片机控制的交通信号灯 [J].电脑学习，2001，8（4）:25-28.LIN Jun.Traffic signal lights controlled by MCU[J].Computer Study，2001，8（4）:25-28.

[3]李宁.一种感应线圈车辆检测器的抗干扰方法[J].现代电子技术，2001（12）:74-75.LI Ning.An induction loop vehicle detector interference method[J].Modern ElectronicsTechnique，2001（12）:74-75.

[4]楼然苗，李光飞.单片机课程设计指导[M].北京：北京航天航空大学出版社，2007：115-130.

[5]余锡存，曹国华.单片机原理及接口技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2000：74-88.

[6]丁向荣，贾平.单片机应用系统与开发技术[M].北京：清华大学出版社，2009，117-142.