1、本科生毕业论文（设计）题 目: 智能交通灯设计 姓 名: 陈 明 学 院: 数理与信息工程学院 专 业: 电子信息工程 班 级: 电信 111 学 号: 1665110104 指 导教师: 国海 职称: 副教授 2014 年 12 月 30 日安徽科技学院教务处制目 录1 设计意义 .41.1 研究意义 .41.2 国内外研究状况 .42 课题分析 .52.1 设计要求 .52.1.1 该设计分为三态工作模式 .62.1.2 正常工作模式 .62.1.3 紧急工作模式 .62.1.4 特殊工作模式 .62.2 设计目的 .82.2.1 智能交通灯的基本要求 .82.2.2 LED 的显示基本原
2、理 .82.3 方案论证与比较 .82.3.1 方案比较 .82.3.2 系统框图 .82.3.3 系统方案 .82.3.4 LD 环形传感器 .92.3.5 键盘控制 .92.3.6 LED 数码管 .92.3.7 蜂鸣器报警 .102.3.8 二极管显示 .103 智能交通设计原理概述 .103.1 正常 状态图分析 .103.2 非正常状态图分析 .133.3 LED 显示状态表 .144 硬件电路设计 .154.1 器件的选择 .154.2 模块电路介绍 .154.2.1 二位数码管 .154.2.2 7407.154.2.3 XOR 与 NOT.164.2.4 蜂鸣器电路 .164.
3、2.5 复位电路 .174.2.6 晶振电路 .184.2.7 C51 单片机 .185 软件设计 .195.1 流程图设计 .195.2 仿真电路 设计 .226 调试运行 .236.1 调试结果 .237 总结 .25谢辞 .25参考文献 .26附件 .271.电路总体设计图（PROTEL99SE 工 具） .272.程序设计 .28智能交通灯设计专业：电子信息工程专业 姓名： 陈 明指导老师：国海 职称：副教授摘要: 目前在中国，不管是发达地区还是发展中地区，汽车的数量将会变的越来越多，传统的交通灯显示已经不能满足这样子的一个发展趋势，智能交通灯设计将会迎来交通史上新的朝阳模式。它的设计
4、功能不仅包含传统的红绿黄和左转弯的基本功能，而且也会增添一些紧急状况和特殊状况的一些工作模式。其中智能交通设计的“智能”主要体现在 LD环形传感器感应车流量的状况，然后将感受的信息转化为数字信号传给控制器来进行控制。所以智能交通灯设计将是我本次的设计，该设计涉及到的是 51单片机，数电，模电，电路等一些本科类所学的知识。关键词：单片机；智能；交通灯；1 设计意义1.1 研究意义目前在中国，不管是发达地区还是发展中地区，交通灯是维持交通秩序必不可少的“交警” 。随着时代的高速发展，汽车的数量将变得越来越多，传统交通灯的设计已经无法满足现行交通的状况，因此，一系列智能交通灯的设计开始逐步的走上交通
5、道路的舞台。传统交通灯的基本功能包括红绿黄灯加上转弯，当遇到一些紧急情况或者是一些道路上的特殊情况的时候，传统交通灯就不能给交通进行一个正确的指引，除非调动大量的交警来维持交通方面的秩序。每逢国庆长假或是春节的时候，人流量，车流量将达到平时的好几倍。在一些有名的景点处，人流量，车流量将达到出其的多，因此，交通堵塞将是很难避免的，很多地方调动了大量的交警来维持交通秩序，但还是无法高效的解决这些交通问题。有的在一些不发达地区，特别是十字路口的交通灯设计很不合理，当遇到救护车的时候，这么紧急的情况，救护车还要看着绿灯才能行使，太耽误救护车救护病人的时间了，而且当十字路口东西方向亮红灯，南北方向亮绿灯
6、，如果这个时候南北的车流量不多，东西方向的车比较多，可是东西方向的车还要一直等待东西方向亮绿灯才能行使，这样车子可能会越聚越多，所以这样的设计可能就不太合理，必须要有这么一个方案的设计来解决此时交通方面遇到的这个问题。现在，中国和国外将大力开发一些智能交通灯，该交通灯不仅包括我们传统交通灯一些基本功能之外，而且还包括一些道路上的紧急情况和特殊状况的功能。比如当有紧急车辆通过时，智能交通灯将会做出感应，将十字路口所有的灯设置为红灯，方便紧急车辆通过，节省救护车救病人的时间。当十字路口东西或者南北某个方向的车比较多，而另一个方向的车又不多的时候，此时智能交通灯将会感应车流量将红灯设置为绿灯。当南北
7、或者东西某个方向已经亮了绿灯，但如果在倒计时 10s 以外，车流量不多，为了节省时间，可以通过智能感应将绿灯的时间节省 10s。如果在 10s 以内倒计时，该方向的车突然变多，可以通过智能感应将绿灯增加 10s 的时间。所以，智能交通灯设计的出现，将大大的减少人力物力和财力，并且远远提高了交通安全质量问题。1.2 国内外研究状况我们知道，各个国家在随着经济的日趋发展的同时，人们在吃喝住行中的“行”也变得越来越好，交通道路这样的问题将会日趋的显现出来。车流量越来越多，交通事故和环境的污染问题也日益突出，这个问题已经不是我们中国一个国家所面临的问题了，而是全球将会面对的问题。为了解决交通的问题，我
8、想可以从两个方面来解决，第一方面就是：限制车流量的增加。第二个个方面就是：国家大力修建更多的交通道路。然而我们可以很清楚的看到，上面刚说的两个方面呢，都有着它的局限性，不管哪一个。交通这个问题是可以衡量一个国家的发展程度的，也就说一个国家发展成怎么样，一定要看它交通发展的怎么样。所以我们应该非常的重视。国内外都对交通的发展做了一系列的研究。目前，智能交通灯的设计不管是在国外还是国内都是人们热烈讨论的话题，他们讨论的重点就是：第一他的设计一定要合理实用，第二他的投入资金要少，第三他的设计更加智能化且方便易与操作。国内外主要围绕这些方面来设计。现在我们分别来讲讲国内外的研究状况。国外智能交通灯的研
9、究状况：我们知道日本的智能交通发展是从 70 代兴起，日本那时候研究了 ITS。这项研究中，所有的驾驶员都可以根据车子上显示的路段堵塞情况来诱导车子该行驶的方向，然后智能选择所要走的最佳选择路段。接着到了九几年中期，日本人就完成了道路上车辆之间的通信方面的一些研究。而美国在研究智能交通方面是最早的，他们一开始研究的那个叫 ERGS，可是中途停止研究十几年了，到了八几年中期的时候他们研究的导航系统获得了非常大的成功。后来又在他们国家开展了那个叫 IVHS 的研究，也获得了非常大的成功。当然，现在美国还是以道路为智能交通灯的研究方向。不管交通灯怎么发展，都离不开先进技术的发展。国内智能交通灯的研究
10、状况：中国传统交通灯存在很多方面的缺陷，传统交通灯的一些基本功能只包括红绿黄灯加上转弯，当车辆遇到一些交通的紧急情况或者是一些交通的特殊情况的时候，传统交通灯就不可以给道路进行一个正确的指引，除非交通部门调动大量的交警过来维持交通方面的秩序。所以我们可以看到中国将会进行一些智能交通方面的设计，中国智能交通灯的设计主要是针对道路上的一些紧急情况和特殊情况。中国检测车流量将会使用 LD 传感器，该传感器能够检测到交通上的车流量情况。当遇到紧急情况的时候，LD 传感器检测到道路上的车流量，所有的交通灯都应该进入切换状态 5 秒，即东南西北的方向全部是黄灯，然后东南西北全部是红灯，方便紧急车辆通过。当
11、遇到特殊状况的时候，LD 传感器检测到道路上的车流量，就会采取相应的转换模式，方便车辆通过。咱们可以看出，国内外对智能交通灯做的一些让大家都感觉很震撼的钻研，都离不开以“道路”为研究方向的。所以，道路的智能交通灯还是未来的主流研究方向。2 课题分析2.1 设计要求2.1.1 该设计分为三态工作模式三态工作模式是指交通灯正常的工作模式，交通灯特殊的工作模式，交通灯紧急的工作模式。交通灯运行的时间是以倒计时的模式来运行的，现在我分别从交通灯的三态模式来谈谈具体的情况。2.1.2 正常工作模式我们知道正常的工作模式，是不需要任何外界控制的，这个模式也就是我们所说的传统交通灯。该智能交通灯正常的运行模
12、式是红绿黄灯加上转弯的功能。当南北绿灯东西红灯时，LED 将会倒计时亮 30 秒，这个时候南北方向的车将会正常通过，并且南北方向的车可以进行右转弯，但东西方向的车子却禁止不能通行。当南北亮蓝灯东西亮红灯时，LED 将会倒计时亮 15 秒，这个时候南北的车子可以进行左转弯，同时南北方向那条道路的东西方向人行道是是可以进行人行道通过 15 秒的，但东西方向的车子是禁止不能通过的。当南北黄东西红时，这个时候，南北方向是警告时间，LED 灯将会倒计时 5 秒警告，而东西方向却依旧是禁止通行。当南北红东西绿时，南北方向的车子是禁止通过的，而东西方向的车子是可以自由通过的，并且东西方向的车子可以进行右转弯
13、。当南北红东西蓝时，这个时候，南北的车子是禁止通行的，而东西方向的车子这个时候是进行左转弯，并且东西方向的南北人行道是可以进行人行道通过 15秒倒计时的。当南北红东西黄时，这个时候南北方向的车子依然是禁止通行的额，而东西方向的车子这个时候将会进行 5 秒的倒计时警告。2.1.3 紧急工作模式以前的传统交通灯的设计存在严重的缺陷，比如，当交通道路上出现一些紧急车俩像救护车，救火车，救电车之类的车子的时候，如果这些车还去遵守交通规则的话，将会太浪费这些紧急车俩的救护时间了，但如果不去遵守这些交通规则的话，可能就会引发一些交通事故，这样可能就会更加麻烦，更加增加了交通救助的时间，反而适得其反。如果调
14、用大量的交警，也是增加了人力物力，同时对这个紧急车俩的通过也无济于事。现在，我们设计的这个紧急模式就是专门针对紧急车俩通过所设计的。当有一些紧急车辆通过时，LD 传感器将会感受到这样子的一个信号，于是将该模拟信号转化为数字信号传给控制器，由控制器控制切换到一个中断模式，进入中断模式，这个时候十字路口东西南北方向所有的灯都会变成黄灯，同时蜂鸣器会发生报警一下，黄灯倒计时 5 秒，这个时候全部亮黄灯是为了警告大家，有紧急车辆将要通过，所以这个全部亮黄灯是为了作切换模式，接着所有的灯将会亮红灯，所有的红灯将会倒计时亮20 秒，这个时候，东西南北方向的车子除了紧急车辆可以通过之外，其他的车子是不可以通
15、过的。等到了 20 秒倒计时结束的时候，十字路口东西南北方向的交通灯又会回到正常的工作模式。2.1.4 特殊工作模式当我们听到五一劳动节，十一国庆长假周，春运这些词的时候，给我们的第一印象就是拥挤堵塞，我们可以很容易的想象到在一些小长假的那段时间里，交通堵塞应该会很严重。我们有没有思考过，为什么在这些小长假会造成这种现象呢？我想着应该是这几天，由于来自四面八方的游客变多，而且很多私家车将会变得很多，很多时候这种情况就打破了这个传统交通的工作模式。我们这个智能交通灯的设计就是为了解决这样子的一些特殊状况。具体情况是这样子的，下面我来详细介绍一下这个特殊模式。如果南北和东西这两个方向的交通灯分别亮
16、的是绿灯和红灯的期间，我们知道这个时刻南北和东西方向灯的状态指示功能分别是正常通行加右转弯，禁止车辆通行这两个。可是万一这个时候南北方向几乎没有车通过，而这个时候东西方向有很多车子已经在等待了，排了一个长条。我们可以想象，如果这个时候东西方向的车越积越多，还在等待东西方向的灯亮绿灯再通行，我想到时候可能就会出现交通堵塞，或者一些交通事故。所以这个时候就应该有个特殊状态模式，当 LD 传感器感应到车流量的变化的时候，将这样子的信号经过A/D 转化之后传给控制器，控制器将会进入中断模式，这个时候南北方向变成红灯，东西方向变成绿灯，当然在进行变换之前，交通灯要有个警告的状态，那就是所有灯变成黄灯，倒
17、计时 5 秒警告。如果南北和东西这两个方向的交通灯分别亮的是红灯和绿灯期间，同样和上述的道理一样，如果，南北方向的车子很多，越积越多，而东西方向没有什么车通过时，我们为了方便车子节省时间通行，同时也为了防止堵塞，我们的 LD传感器将会感受到这样子的一个车流量，将信号进行 A/D 转换传给控制器，并进入中断模式，那么首先进行 5 秒的黄灯切换模式，接着呢，南北和东西方向的灯分别亮绿灯和红灯。如果南北和东西方向的灯分别亮绿灯和红灯期间，当数码管倒计时在 10 秒以内，当南北方向的车却越积越多，东西方向的车也不是太多，没有多少。这个时候 LD 传感器将会感受到这样子的一个车流量变化，将这个模拟信号同
18、样经过 A/D 转化，传输给控制器，进入中断模式。为了避免车子堵塞，那么这个时候南北方向的通行时间将会增加 10 秒的倒计时通行时间。如果南北和东西方向的灯分别亮的是红灯和绿灯的期间，和上述的道理是相同的，当数码管倒计时在 10 秒以内，这个时候如果东西方向的车越积越多，而南北方向的车流量也不是太多，没有多少的时候。LD 传感器将会感受到车流量的变化，将这个信号同样经过 A/D 转化，传输给控制器，进入这个中断模式。为了避免车子交通堵塞，这个时候东西方向的通行时间就会增加 10 秒的通行时间。2.2 设计目的2.2.1 智能交通灯的基本要求该交通灯设计有四种灯，绿灯点亮的时候表明车辆可以通过，
19、黄灯亮的时候表示车辆已经被警告，但如果车辆已经通过停止线，那么车子是可以通过的，红灯亮的时候，所有的车将被禁止通行，蓝灯亮的时候，车子可以进行左转弯。交通灯的核心控制器件为单片机，检测车流量的为 LD 环形传感器，这些使得交通灯能够正常的运行。2.2.2 LED 的显示基本原理该设计采用的显示器件是 2 位 7 段共阳极数码管，它总共有 10 个脚，其中有两个角是位选，还有 8 个脚分别是 a b c d e f g dp 段选。2.3 方案论证与比较2.3.1 方案比较方案一：采用 FPGA 为控制的核心器件来控制智能交通灯，FPGA 具有设计的灵活性和通用性而使的成为很多电子产品的控制器，
20、但它的芯片价格有点昂贵，并且编程难度有点大，并且还需要考虑时序问题。方案二：采用单片机为控制的核心器件来控制那个智能交通灯，单片机控制器方便操作，且可以用 C 语言对其进行编程，简单易操作，且可移植性强，它的芯片价格也很便宜，所以我们选择单片机为我们这次设计的主控制器2.3.2 系统框图图 2-1 系统总体框图设计2.3.3 系统方案上述的图 2-1 是系统的总体款图结构，以咱们所熟知的单片机（MCU）作为我们本次设计的主控制器件。LD 环形传感器感受到车流量变化之后，将其信号经过 A/D 转换器转化为数字信号传给单片机，由单片机来控制 LED 数码管的显示，蜂鸣器的报警，二极管的显示。上面有
21、键盘控制，是因为我们的设计虽然是智能交通控制，不需要人为控制，但由于我们的那个 LD 传感器是我们理论的设想结果，而智能那部分暂且还是有人的控制来完成，也就是说我们人为的对键盘的控制来代替 LD 传感器的感应。2.3.4 LD 环形传感器LD 环形传感器，它的部件全部埋在那个十字路口的道路以下几厘米的地方的绝缘电线。如果各种各样的车子经过 LD 传感器的时候，LD 传感器的电感量产生一系列的变化，他的电感量的变化主要是什么引起的呢，这个就像水里面漩涡形式的“涡流效应”那样。也就是说当各种各样的车子靠近那个 LD 环形传感器的那个瞬间，他的电感量就会减少。这些车子如果慢慢的经过了那个 LD传感器
22、之后，电感量就会随着这些车子的离去，慢慢的又还原了以前的那个刚开始的值。所以啊，我们通过 LD 传感器检测电感量值得变化及可以知道车辆通过的一些情况。假如我们在震荡电路的谐振回路中加上 LD 传感器，这个时候如果 LD 传感器的电感产生变化，相应的他的震荡频率也会跟着发生相对应的改变，所以，我们只要测量这个频率的改变就会知道这些车子经过十字路口的情况。2.3.5 键盘控制总共有五种键盘控制，具体如下表 2-1。表 2-1 键盘位定义键 位 功能KeyNB 将南北的红灯调为绿灯KeyDX 将东西的红灯调为绿灯KeyDXZEN 将东西进行加十秒KeyNBZEN 将南北进行加十秒中断 0 将东西南北的灯都点为红灯2.3.6 LED 数码管共阳极数码管管的真值表为如下表 2-2表 2-2 数码管真值表显示的值 代码值0 0xc0,1 0xf9 ,2 0xa4 ,3 0xb0,4 0x99, 5 0x92,6 0x83,7 0xf8,8 0x80,9 0x98,2.3.7 蜂鸣器报警当遇到紧急状况的情形下，这个时候 LD 传感器将会感受到这样的一个信
