城市十字路口的自動化紅綠燈系統的設計

摘 要：設計中采用了AT89S51單片機作為中心控制器，通過傳感器對車流量進行數據采集，經過A/D轉換器將數據傳送給控制中心進行數據分析和比較，根據具體的車流量設計出信號燈時長控制系統，使交通信號燈可根據車流量大小來改變時長，并設計出一套硬件電路和對應的軟件程序。城市紅綠燈裝置能有效的改善十字路口的交通擁堵情況。

關鍵詞：A/D轉換；時長；AT89S51

中圖分類號：TN911 文獻標志碼：A

0 引言

隨著國民生活水平的提高，城市化進程不斷地加速，國內汽車的數量日益增長，車流量大，交通信號燈時間設置與安排不貼切實際等問題，使交通擁堵成為人們出行不可避免的問題，精確的紅綠燈設置也是有效的措施之一。

1 需求分析和系統目標

路上的汽車越來越多，技術工藝不斷地變革，交通燈裝置也需要不斷地創新，我國路面交通還是存在著擁堵的問題，對于交通信號燈的研究還存在著很大的空間。設計前期多次調查十字路口的車流量情況，利用傳感器對路面車輛情況進行多次數據采集與捕捉，將采集的數據傳送給控制中心進行分析。設計出系統所需要各項功能，尤其時長控制功能。

為此，我們提出系統設計的總目標，即“實用、可靠、穩定、環保”。能夠有效地管理道路交通情況，提高十字交叉路口的通行效率，降低因交通信號燈而導致的事故。同時，降低紅綠燈系統癱瘓的概率。

2 系統總體設計

根據需求分析，設計一個交通燈時長實時控制模擬裝置，采用AT89S51單片機作為主控芯片，直接控制紅綠燈3種信號燈的顯示、時間的顯示、LED狀態指示、蜂鳴電路、按鍵電路和時長控制模塊等功能部件，并且交通信號燈能根據路面交通的實際情況而自動調節通行時間，進而有效地控制路面通行情況。

3 系統硬件設計

3.1 顯示電路

硬件電路的顯示部分是由數碼管顯示電路與LED顯示電路共同組成，兩者皆是硬件電路中不可缺少的重要組成部分。LED是一種能夠將電能轉化為可見光的器件。可以選擇紅黃綠3種顏色作為十字路口交通燈，同時能使系統更具有展示效果，使人一目了然。硬件電路中安裝了4個數碼管顯示電路，分別為東西南北方向，相當于實際交通的紅綠燈，完成系統所實現功能的顯示作用。

3.2 蜂鳴器驅動電路

設計中采用了蜂鳴器作為驅動，主要用于發聲報警作用，通過單片機控制蜂鳴器電路，將蜂鳴器接上1.5V～15V直流電壓，蜂鳴器可以開始工作了，當有車輛或行人越過紅外傳感器時，輸出1.5kHz～2.5kHz的音頻信號，蜂鳴器便會發出警報。

4 軟件設計

4.1 程序整體流程

系統軟件的設計分為七大模塊：狀態燈控制程序，車流量計數程序，定時中斷程序，緊急模式程序，紅綠燈時間控制程序，鍵盤設置處理程序，LED顯示程序。如圖1所示。

當系統開始后，首先判斷是否是特殊情況，若是特殊情況，則東西南北方向均只有紅燈亮起；若不是特殊情況，則進入下一步驟。其次判斷是否為緊急情況，若是緊急情況，則再進行東西方向還是南北方向判斷；若不是緊急情況，則進入下一步驟。然后判斷是否為夜間模式，若是夜間模式，則東西南北各個方向均只有紅燈閃爍；若不是夜間模式，則進入下一步驟。最后進行時長控制，由傳感器收集到路面交通信息，通過傳感器傳送給單片機處理，處理完成后將具體的時長控制信息存儲起來，在下一輪交通燈循環中得以應用。將四大步驟處理完了之后，進入交通信號燈進入循環中。循環結束之后，再回到開始位置，重新執行整個系統程序。

4.2 車流量計數模塊

在軟件程序設計中，由傳感器組成最初的信號采集部分。首先通過傳感器輸出信號并送入A/D轉換器中，由模擬信號轉換成數字信號。然后由A/D轉換器將轉換完的數字送入AT89S51單片機中，進行分析與處理。最后將處理的結果保存在AT89S51單片機自身的微型計算機處理器中。

這一模塊的設計尤其重要，通過對車流量的準確計數，可以判斷當前交通狀況，在這個模塊中，傳感器主要收集實時車流數據，通過傳感器捕捉到信息，在實際應用中發揮著收集數據的作用，單片機接收傳遞過來的數據，進行分析處理，后臺進行程序的編寫，就好像是人類的大腦，能自動處理與分析數據，進而實現這個系統智能化的目的。

通過這一模塊的設計，系統可以根據當前車數量多少，能夠自動調整紅、綠、黃3個燈的閃爍時間，以確保當前道路的暢通。

當來自傳感器采集來的信息，將保存于AT89C51單片機儲存器中，應用于下一輪的時間調控。第一輪紅綠燈都結束后，第二輪交通燈的時長開始變化，通過這樣的方式，便可讓車輛多的方向通行時間增加，使得道路通行更加順暢。比如：第一輪默認通行時間是20s，這時候等待車輛數大于等于10輛，第二輪通行時間將會增加5s，通行時間就變成為25s。通過這種方式使得交通信號燈的更加智能，而且道路通行方面更加順暢，因此，紅綠燈時間調整程序是車輛計數模塊的重要組成部分之一。

4.3 紅綠黃3個燈的設計模塊

設計中路面交通情況分為東西南北4個方向，各個方向都在路口安裝了顯示燈。通過顯示燈來實現單片機的處理結果，實現交通信號燈的智能效果。與實際交通路面一樣，紅燈表示禁止通行，綠燈表示允許通行，黃燈表示警示狀態。紅綠燈狀態與通行情況，見表1。

在表1中，將實際交通狀態分為4種情況，分別是狀態1、狀態2、狀態3、狀態4。同一時刻只有一個狀態中通行，其他的3個狀態中禁止通行和等待變換。在狀態1下，南北方向通行，東西方向禁行，此時，東西方向的紅燈亮，黃燈和綠燈滅；南北方向的綠燈亮，紅燈和黃燈滅。其中狀態3的原理同狀態1一樣。在狀態2下，南北和東西方向都是等待轉換狀態，此時，東西的紅燈亮，黃燈和綠燈滅；南北方向的黃燈亮，綠燈和黃燈滅。其中狀態4的原理與狀態2一樣。通過以上這4種狀態，把實際的十字路口交通狀況模擬出來，并采取最優的處理方式。

狀態燈時長控制部分是該模塊設計的重要部分之一。狀態燈時長控制程序就好比一座橋梁，狀態燈才可以從一個狀態跨越到另一個狀態。同時要使設計更加貼合實際，就必須將轉換燈有序地轉。時長控制部分軟件的設計必須和硬件結合，根據傳感器檢測到的車流量信息，經過單片機處理，再通過編寫狀態燈控制程序，控制狀態燈能有序地轉換，紅黃綠燈都能有條有序的變換閃爍，進而使得設計更加智能化。

通過編寫軟件程序，準確設置了交通燈的方向，同時設定了默認初始值，東西方向為20s，南北方向為30s。當紅綠燈裝置開始啟動時，首先是默認的3個燈的亮燈時間，然后根據系統接收到的車流量信息和交通情況進行調整。

4.4 特殊模塊設計

設計中有六大開關功能模塊：南北通行開關、東西通行開關、特殊模式開關、夜間通行開關、車輛檢查開關、復位開關。在電路中由6個開關按鍵控制。其中，特殊模式開關尤為重要，當開啟特殊模式時，全部交通燈置紅燈，這項功能在實際交通中發揮非常重要的作用。例如，當消防車、110急救車、執行緊急任務的警車等緊急車輛通過時，特殊模式下，其他車輛全部停止，能使得緊急車輛快速地通過路口。在特殊模塊下還有緊急模式、夜間模式等，這些模式在實際應用中起到了很大的作用。

結論

本文以C51為依托，結合proteus仿真電路和實物電路板，設計了一個交通信號燈時長控制的模擬裝置。不但能根據道路車流量大小，為交通信號燈自動調配時間，還可以根據路面情況，選擇不同控制模式。最大的亮點是設計了時長控制模塊，可以根據實時路面車流量狀況，自動調整紅黃綠三個燈的轉換時間，有效地改善了路面擁堵情況。這種裝置不僅可以用在大城市的十字路口，還可以應用在小城市、縣城的路口。今后在交通燈上還會繼續研究。不斷地進行改進和創新。

參考文獻

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