城市十字路口的自动化红绿灯系统的设计

摘 要：设计中采用了AT89S51单片机作为中心控制器，通过传感器对车流量进行数据采集，经过A/D转换器将数据传送给控制中心进行数据分析和比较，根据具体的车流量设计出信号灯时长控制系统，使交通信号灯可根据车流量大小来改变时长，并设计出一套硬件电路和对应的软件程序。城市红绿灯装置能有效的改善十字路口的交通拥堵情况。

关键词：A/D转换；时长；AT89S51

中图分类号：TN911 文献标志码：A

0 引言

随着国民生活水平的提高，城市化进程不断地加速，国内汽车的数量日益增长，车流量大，交通信号灯时间设置与安排不贴切实际等问题，使交通拥堵成为人们出行不可避免的问题，精确的红绿灯设置也是有效的措施之一。

1 需求分析和系统目标

路上的汽车越来越多，技术工艺不断地变革，交通灯装置也需要不断地创新，我国路面交通还是存在着拥堵的问题，对于交通信号灯的研究还存在着很大的空间。设计前期多次调查十字路口的车流量情况，利用传感器对路面车辆情况进行多次数据采集与捕捉，将采集的数据传送给控制中心进行分析。设计出系统所需要各项功能，尤其时长控制功能。

为此，我们提出系统设计的总目标，即“实用、可靠、稳定、环保”。能够有效地管理道路交通情况，提高十字交叉路口的通行效率，降低因交通信号灯而导致的事故。同时，降低红绿灯系统瘫痪的概率。

2 系统总体设计

根据需求分析，设计一个交通灯时长实时控制模拟装置，采用AT89S51单片机作为主控芯片，直接控制红绿灯3种信号灯的显示、时间的显示、LED状态指示、蜂鸣电路、按键电路和时长控制模块等功能部件，并且交通信号灯能根据路面交通的实际情况而自动调节通行时间，进而有效地控制路面通行情况。

3 系统硬件设计

3.1 显示电路

硬件电路的显示部分是由数码管显示电路与LED显示电路共同组成，两者皆是硬件电路中不可缺少的重要组成部分。LED是一种能够将电能转化为可见光的器件。可以选择红黄绿3种颜色作为十字路口交通灯，同时能使系统更具有展示效果，使人一目了然。硬件电路中安装了4个数码管显示电路，分别为东西南北方向，相当于实际交通的红绿灯，完成系统所实现功能的显示作用。

3.2 蜂鸣器驱动电路

设计中采用了蜂鸣器作为驱动，主要用于发声报警作用，通过单片机控制蜂鸣器电路，将蜂鸣器接上1.5V～15V直流电压，蜂鸣器可以开始工作了，当有车辆或行人越过红外传感器时，输出1.5kHz～2.5kHz的音频信号，蜂鸣器便会发出警报。

4 软件设计

4.1 程序整体流程

系统软件的设计分为七大模块：状态灯控制程序，车流量计数程序，定时中断程序，紧急模式程序，红绿灯时间控制程序，键盘设置处理程序，LED显示程序。如图1所示。

当系统开始后，首先判断是否是特殊情况，若是特殊情况，则东西南北方向均只有红灯亮起；若不是特殊情况，则进入下一步骤。其次判断是否为紧急情况，若是紧急情况，则再进行东西方向还是南北方向判断；若不是紧急情况，则进入下一步骤。然后判断是否为夜间模式，若是夜间模式，则东西南北各个方向均只有红灯闪烁；若不是夜间模式，则进入下一步骤。最后进行时长控制，由传感器收集到路面交通信息，通过传感器传送给单片机处理，处理完成后将具体的时长控制信息存储起来，在下一轮交通灯循环中得以应用。将四大步骤处理完了之后，进入交通信号灯进入循环中。循环结束之后，再回到开始位置，重新执行整个系统程序。

4.2 车流量计数模块

在软件程序设计中，由传感器组成最初的信号采集部分。首先通过传感器输出信号并送入A/D转换器中，由模拟信号转换成数字信号。然后由A/D转换器将转换完的数字送入AT89S51单片机中，进行分析与处理。最后将处理的结果保存在AT89S51单片机自身的微型计算机处理器中。

这一模块的设计尤其重要，通过对车流量的准确计数，可以判断当前交通状况，在这个模块中，传感器主要收集实时车流数据，通过传感器捕捉到信息，在实际应用中发挥着收集数据的作用，单片机接收传递过来的数据，进行分析处理，后台进行程序的编写，就好像是人类的大脑，能自动处理与分析数据，进而实现这个系统智能化的目的。

通过这一模块的设计，系统可以根据当前车数量多少，能够自动调整红、绿、黄3个灯的闪烁时间，以确保当前道路的畅通。

当来自传感器采集来的信息，将保存于AT89C51单片机储存器中，应用于下一轮的时间调控。第一轮红绿灯都结束后，第二轮交通灯的时长开始变化，通过这样的方式，便可让车辆多的方向通行时间增加，使得道路通行更加顺畅。比如：第一轮默认通行时间是20s，这时候等待车辆数大于等于10辆，第二轮通行时间将会增加5s，通行时间就变成为25s。通过这种方式使得交通信号灯的更加智能，而且道路通行方面更加顺畅，因此，红绿灯时间调整程序是车辆计数模块的重要组成部分之一。

4.3 红绿黄3个灯的设计模块

设计中路面交通情况分为东西南北4个方向，各个方向都在路口安装了显示灯。通过显示灯来实现单片机的处理结果，实现交通信号灯的智能效果。与实际交通路面一样，红灯表示禁止通行，绿灯表示允许通行，黄灯表示警示状态。红绿灯状态与通行情况，见表1。

在表1中，将实际交通状态分为4种情况，分别是状态1、状态2、状态3、状态4。同一时刻只有一个状态中通行，其他的3个状态中禁止通行和等待变换。在状态1下，南北方向通行，东西方向禁行，此时，东西方向的红灯亮，黄灯和绿灯灭；南北方向的绿灯亮，红灯和黄灯灭。其中状态3的原理同状态1一样。在状态2下，南北和东西方向都是等待转换状态，此时，东西的红灯亮，黄灯和绿灯灭；南北方向的黄灯亮，绿灯和黄灯灭。其中状态4的原理与状态2一样。通过以上这4种状态，把实际的十字路口交通状况模拟出来，并采取最优的处理方式。

状态灯时长控制部分是该模块设计的重要部分之一。状态灯时长控制程序就好比一座桥梁，状态灯才可以从一个状态跨越到另一个状态。同时要使设计更加贴合实际，就必须将转换灯有序地转。时长控制部分软件的设计必须和硬件结合，根据传感器检测到的车流量信息，经过单片机处理，再通过编写状态灯控制程序，控制状态灯能有序地转换，红黄绿灯都能有条有序的变换闪烁，进而使得设计更加智能化。

通過编写软件程序，准确设置了交通灯的方向，同时设定了默认初始值，东西方向为20s，南北方向为30s。当红绿灯装置开始启动时，首先是默认的3个灯的亮灯时间，然后根据系统接收到的车流量信息和交通情况进行调整。

4.4 特殊模块设计

设计中有六大开关功能模块：南北通行开关、东西通行开关、特殊模式开关、夜间通行开关、车辆检查开关、复位开关。在电路中由6个开关按键控制。其中，特殊模式开关尤为重要，当开启特殊模式时，全部交通灯置红灯，这项功能在实际交通中发挥非常重要的作用。例如，当消防车、110急救车、执行紧急任务的警车等紧急车辆通过时，特殊模式下，其他车辆全部停止，能使得紧急车辆快速地通过路口。在特殊模块下还有紧急模式、夜间模式等，这些模式在实际应用中起到了很大的作用。

结论

本文以C51为依托，结合proteus仿真电路和实物电路板，设计了一个交通信号灯时长控制的模拟装置。不但能根据道路车流量大小，为交通信号灯自动调配时间，还可以根据路面情况，选择不同控制模式。最大的亮点是设计了时长控制模块，可以根据实时路面车流量状况，自动调整红黄绿三个灯的转换时间，有效地改善了路面拥堵情况。这种装置不仅可以用在大城市的十字路口，还可以应用在小城市、县城的路口。今后在交通灯上还会继续研究。不断地进行改进和创新。

参考文献

[1]王英辉.智能加热器的设计[J].中国新技术新产品，2016（12）：6-7.

[2]麻振华，吴占兵.十字路口智能红绿灯的研究[J].河北建筑工程学院学报，2013（5）：8-15.