基于单片机的智能交通灯控制系统

摘 要 本文提出了一种基于单片机的智能交通灯控制系统方案。该方案采用STC89C52作为微处理器，超声波传感器为车流量检测器件，红绿灯和倒计时显示模块为控制对象。通过超声波传感器对道路车流量进行检测，并将其检测数据送与单片机控制系统处理，从而实时分配各道路车辆通行的时间。灵活的智能交通控制系统能够改善交通状况，提高道路的通行效率。

【关键词】车辆检测 超声波传感器 单片机 交通灯

随着我国现代化进程的不断加快，城市规模不断扩大，庞大的汽车保有量造成的交通拥堵和混乱已经成为影响我国社会经济发展的一个重要问题。路通灯控制系统在时间上给交通流分配通行权，是保证城市交通秩序的关键。而我国目前采用交通灯控制系统大多红绿灯转换时间固定，这种缺乏灵活性的时间设置经常造成道路拥堵，通行效率严重降低。因此智能交通灯控制系统的研究就显得尤为重要。

本文提出的智能交通灯控制系统能够依据道路车流量变化情况灵活配置通行时间，从而有效地缓解十字路口的车辆拥堵现象，实现通行权地最优控制。智能交通灯控制系统的提出与应用，能够更加方便人们的出行，更好地服务于人们的生活，更是为了尽可能的处理由于不确定因素造成的复杂的道路交通状况，更加智能化地解决问题。

1 系统总体设计

本智能交通灯控制系统由单片机系统、超声波发射/接收器、红绿灯和倒计时显示模块组成。该系统不仅具有常规的倒计时显示功能，还具有车流量检测和通行时间调整功能。系统具体组成框图如图1所示。

系统在东西南北四个方向上分别架设两个超声波传感器，来检测当前道路的车流量。每个方向架设的两个传感器间隔一定的距离。当超声波传感器检测到车辆时，输出低电平。单片机通过对每个方向传感器输出电平来判定该方向的车流量情况。

南北向通行时间由南向车道与北向车道传感器采集到的数据共同决定，经单片机处理后便可根据车流量实时分配通行时间。东西向通行时间的分配也是如此。

2 硬件设计

2.1 STC89C52单片机

STC89C52单片机是一种低功耗、高性能CMOS8位微处理器，实际工作频率可达48MHZ。片上资源包括512Byte RAM，8K字节Flash，32个通用I/O端口，3个16位定时器/计数器，通用异步串行口（UART）。STC89C52具有ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程）技术。

2.2 传感器

2.2.1 传感器的选择

方案一：感应线圈

感应线圈车辆检测器是一种基于电磁感应原理的车辆传感器，它的传感器是一个埋在路面下，通有一定工作电流的环形线圈。当车辆通过环形地埋线圈或停在环形地埋线圈的上方时，由于互感作用，在以铁制为材料的车上产生涡流，使得环形线圈的电感量变小。车辆检测器通过检测该线圈的电感量来检测出车辆的存在。

优点：感应线圈测量精度好，性能稳定，不受天气的影响。缺点：由于感应线圈铺设在地下，工程量较大，成本高，破坏路面的完整性。

方案二：视频检测

基于视频的交通流量检测系统，一般采用视频方式得到实时交通图像序列，再经过分析处理以获得各种交通参数。通过对图像的分析即可判定车辆的存在。

优点：安装方便，不破坏路面，检测精度高，同时稳定度高，故障率低。缺点：恶劣天气能见度低、夜晚光线较差时，严重影响视频检测的正确率。

方案三：超声波检测

超声波发射器发射出超声波时开始计时，接收器接收到回波后结束计时。这段时间差乘以声速即为所测距离的两倍。通过与预先设定的阈值比较，即可判定车辆的存在。

优点：体积小，重量轻，铺设方便，适用于短距离测量。缺点：方向性差，精度低。

总结：从工程角度考虑，方案一感应线圈埋设造价高，对路面影响大；方案二视频检测在能见度较低和光线较差时，视频对车辆存在的检测辨识度不高。因此选择超声波传感器，造价低且易于架设。

2.2.2 传感器的架设

如图2所示，超声波传感器分别架设在东南西北四个车道上，每个方向设置2个。

2.2.3 检测思路

超声波模块将检测数据送入单片机处理，若距离小于所设置的阈值，即可判断车辆的存在。当检测到车辆时，输出低电平。

系统启动后，整个系统全部初始化（东西方向绿灯时间10s，黄灯时间5s，南北方向红灯时间15s）。当东西方向为黄灯时，单片机系统开始循环检测南北向的传感器，并将传感器s1数据与s3数据作“与”运算，s2数据与s4数据作“与”预算。

当结果为“11”时，南北方向无车；结果为“01”时，南北方向少车；结果为“00”时，南北方向多车，分配绿灯时间分别为10s，20s，30s。南北向车流量状态与绿灯时间如表1所示（1为高电平，0为低电平）。

当南北方向为黄灯时，工作流程与东西方向黄灯时相同。

2.3 显示部分

显示部分由红绿灯显示模块与倒计时显示模块两个部分。红绿灯显示使用LED灯组，单片机P1.0-P1.5端口控制灯组的亮灭。由于单片机I/O端口无法驱动灯组，所以使用ULN2803达林顿阵列作为功率驱动，增加控制信号的驱动能力。

倒计时显示模块使用两位八段共阴数码管，两位八段数码管可以显示的时间为0―99s，可以满足系统最长35s的时间显示要求。单片机P2.0-P2.5端口控制南北东西方向的红绿黄灯显示。P2.6-P2.7端口则是数码管个位和十位位选信号。当位选信号为低电平时，表示选中该数码管。

3 软件设计

在keil uvision4环境下编译并调试程序，包括主程序、初始化程序，传感器检测程序、数码管与LED灯组显示程序、中断服务子程序。主程序根据车流量对南北东西方向红绿灯时间进行分配以及数码管的显示。初始化程序在系统启动时对各个寄存器值进行设置。传感器检测程序主要是对每个车道车流量的判断，在道路黄灯时传感器进行数据采集。中断服务子程序包括定时器中断与串行口中断。程序流程图如图3。

主程序的关键在于对东西南北方向车流量的判断，从而分配通行时间，这也是智能交通控制系统的核心所在。下面给出东西向车流量判断程序：

while（1） //南北向停，东西向行

{

sensor=P3；

switch（sensor&0x03）// 读取东西向传感器数据

{

case 0x03： //无感应时

ii=15； //此时东西向为无车状态，绿灯时间15s

break；

case 0x01： //第一个传感器感应

ii=25； //此时东西向为少车状态，绿灯时间25s

break；

case 0x00： //第一第二个传感器同时感应

ii=35； //此时东西向为多车状态，绿灯时间35s

break；

default： //其它

ii=15；

break；

}

4 改进方向

本文提出的基于单片机的智能交通灯控制系统在检测误差和精度上有许多不足，后期可做如下改进：

（1）超声波在空气中随着传播距离的增大，能量逐渐衰减，当检测较远距离时会出现很大的误差。故可通过提高超声波模块的发射功率来增加可靠的检测距离，从而减小由于能量衰减造成的检测误差。

（2）超声波受温度的影响会导致传播速度的变化，这会降低测试的精确度。而在本系统中并未增加相应的修正措施。后期可以通过增加温度传感器来实时检测温度的变化，并对声速进行修正，提高系统的精确度。

5 结语

在城市化进程中，与日俱增的车辆数目给城市的交通带来的巨大的挑战。目前我国交通灯系统大多时间固定，不能根据路口车辆的滞留的情况灵活地改变各方向道路的通行时间，给人们的出行和生活带来的极大的不便，这已经成为影响我国社会经济发展的一个重要的问题。因此如何改善城市交通，突破传统交通灯控制系统成为当下一个热门的研究方向。智能交通灯的思想也就应运而生。

本文提出的基于单片机的智能交通灯控制系统稳定性高，这对于交通控制至关重要。与此同时传感器架设方便，不需破坏路面，成本较低，实用性较高。智能交通灯系统能够改善道路通行状况，灵活地红绿灯时间分配能够较好地解决十字路通堵塞问题，提高了通行效率，在城市交通控制系统中会有很好的应用前景。

参考文献

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作者简介

陆海全（1994-），男，江苏省涟水县人。现为扬州大学信息工程学院大学本科在读学生。研究方向为通信工程。

作者单位

扬州大学信息工程学院 江苏省扬州市 225127