 Computer Science and Application 计算机科学与应用, 2013, 3, 349-353 http://dx.doi.org/10.12677/csa.2013.38061 Published Online November 2013 (http://www.hanspub.org/journal/csa.html) The Design and Implementation of Traffic Light Control System Based on Single Chip Microcomputer (SCM)* Jianliang Zhao1, Zhansheng Chen1,2#, Ming Zhang1 1School of Applied and Technology, Beijing Union University, Beijing 2School of Computer and Information Technology, Beijing Jiaotong University, Beijing Email: #ldtchenzs@buu.edu.cn, 11112085@bjtu.edu.cn Received: Oct. 17th, 2013; revised: Nov. 3rd, 2013; accepted: Nov. 12th, 2013 Copyright © 2013 Jianliang Zhao et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Abstract: Traffic lights control system is designed and developed based on AT89S51 single-chip microcomputer which acts as the core control unit, and integrated with sensor monitoring. Th is system has not only the basic function of traf- fic lights, but also has the functions of countdown display, manually-set communication time, vehicle flow detection, real-time adjustment of red and green traffic lights, and so on. Theory proves the system is simple, affordable and effec- tive to disperse road traffic, and thus it improves the traffic capacity of traffic crossing. Keywords: AT89S51 SCM; Countdown Display; Traffic Lights; Sensing; Veh icle Flow Detection 基于单片机的交通灯控制系统的设计与实现* 赵建良 1，陈战胜 1,2#，张 明1 1北京联合大学应用科技学院，北京 2北京交通大学计算机与信息技术学院，北京 Email: #ldtchenzs@buu.edu.cn, 11112085@bjtu.edu.cn 收稿日期：2013 年10 月17 日；修回日期：2013 年11 月3日；录用日期：2013 年11 月12 日 摘 要：以AT89S51 单片机为核心控制单元，结合传感器检测，设计并开发基于单片机的交通灯控制系统。本 系统不仅具备基本交通灯功能，而且兼有通信时间手动设置、倒计时显示、车流量检测、红绿交通灯实时调控 等功能。理论证明该系统能够简单、经济、有效疏导道路交通，从而提高交通路口的通行能力。 关键词：AT89S51 单片机；倒计时显示；交通灯；传感检测；车流量检测 1. 引言 随着经济的不断发展，工业技术的不断进步，越 来越多的小汽车开始走进千家万户，截至 2013 年中 国机动车数量已超 2.4 亿辆。与此同时，日趋严重的 交通拥堵问题已成为各大城市发展中亟待解决的问 题。为保证交通安全秩序，交通灯控制系统已成为保 证交通顺畅必不可缺的一部分。 目前，交通灯控制系统容易造成众多路口在高峰 时段出现拥堵现象，其缺陷主要表现在：程序中事先 设定好东西、南北方向灯亮的持续时间；不论车流量 大小与否，红绿灯的持续时间固定不变。虽然部分城 市交通灯控制系统可由人工方式改变灯亮的时间，但 操作方式不够便捷，使得城市交通车流量调节效果不 够显著。 *资助信息：北京联合大学新起点计划项目资助(zk10201303)；北 京 市职业院校优秀青年骨干教师选拔计划项目资助；北京联合大学 “启明星”大学生科技创新项目(No.12222994301)。 #通讯作者。 Open Access 349  基于单片机的交通灯控制系统的设计与实现 段宣翡[1]等人针对城市交叉路口信号灯等待时间 较长问题，提出了基于车流量的红绿灯实时配时算 法。覃娴[2]针对传统交通灯控制系统无法实时控制的 缺点，提出了一种新型智能交通灯控制系统，但文中 未给出相应测试数据。针对上述问题，本文以 AT89S51单片机为核心控制单元，结合传感器检测和 车辆通行时间实时调整算法，设计并开发基于单片机 的交通灯控制系统。本系统除具备基本的红绿灯控制 功能外，还可以根据车流量大小自行调节绿灯时间， 操作便捷、灵活，能够有效缓解交通压力。 2. 系统总体设计方案 基于单片机的交通灯控制系统由单片机、红黄绿 信号灯、按键控制电路、LED 数码管显示和最小系统 外围接口电路组成，系统总体框图如图 1所示。 系统工作原理是：用单片机直接控制信号灯的状 态变化，指挥机动车的通行，并辅以 LED 数码管显 示倒计时来警示行人安全通行，凸显系统人性化。其 中，按键控制电路模块用于选择系统输入模式、设置 通行时间，系统进入正常工作状态，执行交通信号灯 状态显示控制，同时将时间数据以倒计时方式输入到 LED 数码管上实时显示。 3. 系统通行方案设计 以东西向和南北向的十字路口为例，通行原则如 下，交通灯转换示意图如图 2所示。 1) 在任一时刻仅允许一个方向通行，另一个方向 禁行； 2) 持续一段时间后，经过短暂的黄灯过渡，将通 行方向兑换。 图2中黑色表示交通灯亮，白色代表交通灯灭。 东西南北 4个路口均有红绿黄3个交通信号灯和数码 单片机 LED数码管显示 按键控制电路 红黄绿信号灯 外围接口电路 Figure 1. Traffic light control system block diagram 图1. 交通灯控制系统框图 显示管 2个，任一路口均遇红灯禁行转绿灯通行，黄 灯亮起警告信号灯状态即将变换。 4. 系统功能需求分析 本文系统能够模拟基本交通信号灯控制系统，用 红绿黄信号灯表示禁行、通行和等待，并实现倒计时 显示功能，具体如下： 1) 实现东西、南北方向的红黄绿等按设定时间亮 灭，指引交通通行。 2) 倒计时显示功能，时间可调节。 3) 控制系统分为自动模式、高峰模式和紧急情况 三种运行模式。 4) 计时停止功能。 5. 系统硬件电路设计 系统选用 AT89S51 单片机及外围器件构成一个 处理、自动控制于一身的最小开环控制系统。以单片 机为核心，12 个发光二极管分成 4组红绿黄三色灯构 成交通信号灯指示模块，8个LED 以东西南北方向各 两个分成 4组构成倒计时显示模块，若干按键组成时 间设置、模式选择按钮等，总体设计框图如图3所示。 如图 3所示，系统上电或手动复位后，系统等待 模式选择设置键按下，其中 S键表示红绿灯时间设置 模式，F键表示红绿灯时间自动模式，F键表示确认， 该过程本质就是设置寄存器中的时间值。然后，系统 显示信号灯和 LED 数码管，数码管位选由 P2 口发送 Figure 2. Traffic signal state transition diagram 图2. 交通灯状态转换示意图 Open Access 350  基于单片机的交通灯控制系统的设计与实现 Open Access 351 东西方向 G Y R 南北方向 G Y R 时间显示 LED屏 时间显示 LED屏 系统控制电路按键 序，具体如图 5所示。 在按键扫描程序中，1表示没有键按下，0表示 有键按下，然后判断具体是 F键还是 S键。在状态灯 显示及判断模块中，实际控制信号灯有 6个，即东西 红灯、东西绿灯、东西黄灯、南北红灯、南北绿灯和 南北黄灯，组合状态如图 4中的 4种状态。在 LED 倒计时显示模块中，LED 计时每 1秒刷新一次。按键 扫描算法伪代码如下所示： Figure 3. System overall design block diagram 图3. 系统总体设计框图 至数码管，时间数值由 P0 口发送至数码管，以 50 ms 为周期软件方法计时，每一秒就将时间减 1，刷新 LED 数码管。 Init：3.6 S Port P ， ，3.2 J Port P3.7 F Port P 50 ms扫描按键 程序 Key 如果先按F键，表明为自动调整模式，进入倒计 时程序； 数码管显示模块的设计原理图，如图 4所示。 6. 算法及软件设计 如果先按 S键、J键，然后再按 F键就进入时间 设置模式，进入倒计时程序。 系统软件设计采用汇编语言编程实现。该程序主 要包括键盘设置处理程序、状态灯控制程序、LED 显 示程序、消除抖动延时程序、状态判断及处理程序、 中断服务子程序、红绿灯时间调整程序等。 在红绿灯的控制程序中，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。由 P3.2~P3.7 端口控制，其中均 是低电平有效。 整个程序主要分为按键处理程序和 50 ms扫描程 Figure 4. Digital display design principle diagram 图4. 数码管显示模块设计原理图  基于单片机的交通灯控制系统的设计与实现 否 开始 时钟初始化程序 东西绿--南北红 剩余时间 东西20S？ 东西黄--南北红 剩余时间 东西3S？ 东西红--南北绿 剩余时间 南北20S？ 东西红--南北黄 剩余时间 南北3S？ 否 否 否 Figure 5. System process flow chart 图5. 系统程序流程图 红绿灯系统共有 4种状态：东西红灯亮，南北绿 灯亮(11011101/DDH)；东西红灯亮，南北黄灯亮 (10111101/BDH )；东西绿灯亮，南北红灯亮(11101101/ EDH)；东西黄灯亮，南北红灯亮(11100111/E7 H)。红 绿灯 4种状态是依次变换的，括号中的值为 P2 端口 8 个引脚 P2.7、P2.6、P2.5、P2.4、P2.3、P2.2、P2.1、 P2.0 一一对应的值。在用于显示发光二极管时，直接 由MOV 指令将十六进制码送入 P2 口。红绿灯四种状 态转换伪代码如下： Display one R/G traffic light status Run Down-Time Pr ogram R/G traffic light transform Porgram …… 为了根据车流量的大小，进行红绿交通灯的实时 调控，车流量的红绿灯时间调整原理简述如下：应用 传感器实时检测单位时间内通过车流量的大小，根据 公式(1)和公式(2)进行东西向、南北向红绿交通灯的时 长调控。 1 1 in j j R j n 第 周期内车流量大小 周期内车流量大小 (1) 如公式(1)中， i取值 0表示东西向，1表示南北 向。 1 1 1 1 n j n j j n K j n 周期内车流量大小 东西 周期内车流量大小 南北 (2) 从实用角度出发，本文将红绿交通灯时间调控划 分为 3个等级，如表 1所示。 从表 1可知，当 01 0,0 .7RR ，1 K 时，东 西向交通压力较小，而南北向交通较为拥堵；当 01 0.8, 1.4RR，1 K 时，东西向和南北向车流量 的比例波动不大，基本持衡；当01 1.4 K RR，时， 东西向交通压力较大，而南北向交通压力较小。在程 序软件实现中，仅仅是将暂存在寄存器中的时间调控 值作为参数传递给倒计时子程序。 1 7. 系统性能测试 本系统性能测试表明，系统能够指挥由东西向和 南北向的十字路口的交通指示，可以进行通行时间的 手动设置，可倒计时显示通信时间。系统操作简单， 经济，测试结果表明本系统具备基本交通信号灯功 能，同时能够满足根据车流量变化自动调整绿灯亮的 时间，从而能够更高效的提供导道路交通的能力。 在文[2]中仅仅考虑了采样值与设定值之间偏差 的对比，文[3]仅仅考虑了单位时间内东西向和南北向 车流量的比值，本文既通过公示(1)考虑了在单位时间 Table 1. R/G traffic light time adjustment table 表1. 红绿交通灯时间调控表 东西时间 南北时间 01 0,0.7RR，1K 20 40 01 0.8,1.4RR，1K 30 30 01 1.4RR， 1K40 20 Open Access 352  基于单片机的交通灯控制系统的设计与实现 内车流量激增的态势，又通过公式(2)考虑了参考车流 量样本值，具有科学性。 8. 结论 基于单片机的交通信号灯控制系统能够有效疏 导现实生活中拥堵的道路交通，具有实用价值。 本系统实现了基本的交通信号灯功能和倒计时 显示通行时间，并且能够根据交通路口车流量的拥塞 程度进行红绿交通灯显示时间的实时调控，从整体上 大大提高交通路口的通行能力。今后，本文将继续研 究如何有效增加紧急情况下急车强行通过等功能。 参考文献 (References) [1] 段宣翡, 唐泽杭 (2013) 基于车流量的红绿灯实时配时算法 . 硅谷 , 13, 52-53. [2] 覃娴 (2012) 基于单片机的新型智能交通灯控制系统. 福建 电脑 , 4, 153-154. [3] 蒲翠萍, 张立明 (2011) 基于 PLC 的智能交通灯控制系统. 机电技术 , 2, 2-3. Open Access 353 |