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作者：内蒙古科技大学展黎明 卢振坤 刘巍
指导教师：郭宇

产品简介

1.1课题背景
　　交通控制系统是近现代社会随着物流、出行等交通发展产生的一套独特的公共管理系统。要保证高效安全的交通秩序，除了制定一系列的交通规则，还必须通过一定的技术手段加以实现。现代人类科学技术，特别是电子科学技术的发展和成熟能比较好的解决系统建立中硬软件方面要求的技术难题。目前，交通控制方面的研究能完全实现自动智能化，甚至将整个区域整合成一个统一的系统范围，还能根据正常时段以及特定突发时段的情况进行科学的自动调整。
　　城市道路交通自动控制系统的发展是以城市交通信号控制技术为前导，与汽车工业并行发展的。在其各个发展阶段，由于交通的各种矛盾不断出现，人们总是尽可能地把各个历史阶段当时的最新科技成果应用到交通自动控制中来，从而促进了交通自动控制技术的不断发展。

1.2结构说明
　　根据系统的设计要求，作品主要分为5个模块，具体如下图1.2所示。　　

　　1.3功能与使用说明　　

　　(1)功能：本文根据AT89C51单片机的特点及交通灯在实际控制中的特点，提出了一种用单片机自动控制交通灯以及时间显示的方法，同时给出了软硬件设计的方法。设计的过程包括硬件电路设计和程序设计两大步骤，对在单片机应用中可能遇到的重要设计问题都有涉足。本系统采用单片机作为核心控制器，通过红外检测系统来测量东西方向和南北方向的车流量大小，经过简单的算法得出红绿灯时间。然后分别用红、黄、绿灯的不同组合来指挥两个方向的通车与禁行，用LED数码管作为倒计时指示，实时地控制当前交通灯时间使LED显示器进行倒计时工作并与状态灯保持同步，在保持交通安全的同时最大限度地提高交通能顺畅交替运行，从而实现十字路口的智能交通控制。(此外我们采用的是双色LED点阵屏，它不在像单色屏那样单调，颜色无法变化，它可以实现三种颜色的任意变化和显示，在给人带来新奇的同时也增加了一份色彩的视觉享受，这是本作品的亮点所在。)
　　(2)使用说明：本作品采用5V开关电源，在使用前先连接上电源，本文是采用了以STC15单片机为核心的控制方案。方案中通过遮光式的红外传感器来检测东西方向和南北方向的车流量大小，再经过一定的简单算法算出各方向上的红绿灯时间并在数码管显示器上显示倒计时，同时通过路口上的红绿灯的点亮与熄灭控制车辆的通行与停止。另外，方案中还设计一个紧急车辆通行按键，每当有紧急车辆需要通过时，操作员按下按键，东西方向和南北方向上均为红灯，并发出警报禁止普通车辆的通行，先让紧急车辆通过。东西、南北两干道交于一个十字路口，各干道有一组红、黄、绿三色的指示灯，指挥车辆安全通行。红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行。黄灯亮提示人们注意红、绿灯的状态即将切换，且黄灯燃亮时间为东西、南北两干道的公共停车时间

平台选型说明

2.1 主控制模块
　　主控部分采用比赛组委会提供的以C8051F020为核心的单片机，其原理图和实物图如2.2.1(1)、2.2.1(2)所示　　

　　1，采用宏晶公司最新STC15系列IAP15F2K61S2芯片。ISP/IAP,在系统可编程/在应用可编程，无需编程器，无需仿真器。可当仿真器使用。
　　2.增强型8051CPU，1T,单片机/机器周期，速度比普通8051快8-12倍
　　3.61K字节片内片外Flash程序存储器，擦写次数10万次以上
　　4.片内大容量2048字节的SRAM
　　5. 大容量片内EEPROM。擦写次数10万次以上
　　6.共8通道10位告诉ADC，速度可达30万次/秒，3路PWM还可当3路D/A实用
　　7.共3通道捕获/比较单元(CCP/PWM/PCA)
　　8.内部高可靠复位，8级可选复位门槛电压，彻底声带内外部复位电路
　　9.内部高精度R/C时钟，内部时钟从5MHz~35MHz可选，相当于普通8051的60MHz~420MHz
　　10.两组告诉异步串行通信端口(可同时使用)，可在5组管脚之间进行切换，分时复用可当5组串口实用
　　11.一组高速异步串行通信端口SPI
　　12，各种接口扩张设备齐全
　　13.一根优质USB线实现系统供电、程序下载、通信功能

设计说明

　3.1设计要求
　　(1)LED显示部分实现在各种情况下不同颜色等的亮灭和数码管技术的显示，显示没有缺点，坏点，线路整洁美观。
　　(2)违规车辆检测部分做到精确检测，在违规情况可以精确使蜂鸣器发生，从而模拟当时的现场实景。
　　(3)车流量监测部分做到用本开发板的红外线检测实现最基本的检测，能够模拟场景路况，是作品的功能能可用性进一步加强
　　(4)主控部分引脚接线工整，易于操作。

3.2系统硬件电路设计
　　3.2.1车流量检测模块
　　本系统充分利用了主控板的功能，将其自带的红外传感器进行了很好的利用作为本系统的车流量检测。通过加长引线设置在道路中央，这样当有车经过时就能够实现对车流量大小的检测。检测到的信息传输到主控板，进而实现对红绿灯时间的智能调整，以达到预期的理想效果。
　　本模块采用的是一种对射型光电传感器，即主动红外探测器。主动红外探测器由红外发射机、红外接收机和报警控制器组成。分别置于收、发端的光学系统一般采用的是光学透镜，起到将红外光束聚焦成较细的平行光束的作用，以使红外光的能量能够集中传送。红外光在人眼看不见的光谱范围，有人经过这条无形的封锁线，必然全部或部分遮挡红外光束。接收端输出的电信号的强度会因此产生变化，从而启动报警控制器发出报警信号。主动式红外探测器遇到小动物、树叶、沙尘、雨、雪、雾遮挡则不应报警，人或相当体积的物品遮挡将发生报警。由于光束较窄，收发端安装要牢固可靠，不应受地面震动影响，而发生位移引起误报，光学系统要保持清洁，注意维护保养。因此主动式探测器所探测的是点到点，而不是一个面的范围。其特点是探测可靠性非常高。但若对一个空间进行布防，则需有多个主动式探测器，价格昂贵。主动式探测器常用于博物馆中单体贵重文物展品的布防以及工厂仓库的门窗封锁、购物中心的通道封锁、停车场的出口封锁、家居的阳台封锁等等。
　　主动式红外探测器有单光束、双光束、四光束之分。以发射机与接收机设置的位置不同分为对向型安装方式和反射式按装方式，反射型安装方式的接收机不是直接接收发射机发出的红外光束，而是接收由反射镜或适当的反射物(如石灰墙、门板表面光滑的油漆层)反射回的红外光束。当反射面的位置与方向发生变化或红外发射光束和反射光束之一被阻挡而使接收机无法接收到红外反射光束时发出报警信号。
　　3.2.2 LED显示模块
　　LED显示模块分为两个部分，一部分是LED点亮部分，另一部分是数码管部分，它们的原理图和实物图分别如图　　

　　根据本设计的特点，红绿灯的显示不可少，红绿灯的显示采用普通的发光二极管。每个方向上设置红绿黄灯，总共4组。在本设计中，实际控制的灯只有6个，即：东西红灯，东西绿灯，东西黄灯，南北红灯，南北绿灯，南北黄灯,其中均是低电平有效。LED显示屏作为大型显示设备的一种，具有亮度高、价格低、寿命长、维护简便等优点。LED数码管的结构简单，分为七段和八段两种形式，也有共阳和共阴之分。以八段共阴管为例，它有8个发光二极管(比七段多一个发光二极管，用来显示sP，即点)，每个发光二极管的阴极连在一起。这样，一个LED数码管就有I根位选线和8根段选线，要想显示一个数值，就要分别对它们的高低电平来加以控制。
　　交通灯最基本的功能是颜色灯的显示, 每个路口均需红、黄、绿灯各一盏,东、西道上的两组同色灯蝉联在一起，南、北道的两组同色也彼此互联。这6盏灯分别接在单片机的P0.0-P0.5口,如图3-6所示。D1、D2、D3分别代表的是东西方向的绿、黄、红灯;N1、N2、N3分别代表的是南北方向的绿、黄、红灯。当东西方向为绿灯时，P0.0口输出低电平，绿灯D1点亮;对应地，P0.6口也输出低电平，南北方向的红灯N3点亮。当东西方向为红灯时，P0.2口输出低电平，红灯D3点亮;对应地，P0.3口也输出低电平，南北方向的绿灯N1点亮。而当东西方向和南北方向均为黄灯时，黄灯会以2HZ的频率闪烁(通过软件来实现的)，提醒车辆的驾驶员注意红绿灯的转换。具体的指示灯的燃亮时间表见表2-1,下面是红绿灯与单片机的接线图：　　

　　3.2.3按键控制模块
　　当有紧急车辆通过时，操作员可以按下紧急按键K1，K1接在单片机的P3.1端口上，这样就产生了一个高电平。而单片机通过软件程序检测到P3.1口为高电平后，再通过软件调用一段子程序，使东西和南北方向都为红灯，并接通蜂鸣器警告普通车辆禁止通行，先让紧急车辆通过。待紧急车辆通过后，交通控制系统会恢复中断前的现场。其电路原理图如图3-5所示。　　

　　3.2.4报警模块　　

　　3.3系统软件设计　　

产品特色

　　4.1实用性
　　本作品的实用性很强，它可以作为城市道路系统的控制，在通常情况下进行红绿灯的转换和数码关机时的显示，可以精确控制路况，可以在紧急情况下做出相应的调整，还可以对车流量进行检测，以便对通车时的情况有一个了解，而报警系统则提高了人们的法律意识。

　　4.2创新性
　　现在市面上比较流行的显示屏一般都是有限的的，看起来杂乱无章，而我们的作品则可以用无线控制各个模块的使用，既减少了布线的需要，也使得整个系统看起来更加美观，还可以外加模块对系统进行控制，比如说系统可以装置一点阵式LED中文显示屏，用以显示温度、天气情况、空气指数等，方便对外界情况的了解，还可以拓展基于wifi或zigbee无线收发模块的无线传输，使用Openzv对道路状况进行检测和调控。

系统演示视频：http://v.eepw.com.cn/video/play/id/2596