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智能交通信号灯控制系统设计

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智能交通信号灯控制系统设计

摘要：本文对交通灯控制系统进行了研究，通

过分析交通规则和交通灯的工作原理，给出了交

通灯控制系统的设计方案。本系统是以89C51

单片机为核心器件，采用双机容错技术，硬件实

现了红绿灯显示功能、时间倒计时显示功能、左、

右转提示和紧急情况发生时手动控制等功能。

关键词：交通灯；单片机；双机容错

0引言

近年来随着机动车辆发展迅速，给城市交通

带来巨大压力，城镇道路建设由于历史等各种原

因相对滞后，特别是街道各十字路口，更是成为

交通网中通行能力的“隘口”和交通事故的“多

发源”。为保证交通安全，防止交通阻塞，使城

市交通井然有序，交通信号灯在大多数城市得到

了广泛应用。而且随着计算机技术、自动控制技

术和人工智能技术的不断发展，城市交通的智能

控制也有了良好的技术基础，使各种交通方案实

现的可能性大大提高。城市交通控制系统是用于

城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导

的计算机综合管理系统，是现代城市交通监控指

挥系统中最重要的组成部分。本文设计的交通灯

管理系统在实现了现代交通灯系统的基本功能

的基础上，增加了容错处理技术（双机容错）、

左右转提示和紧急情况（重要车队通过、急救车

通过等）发生时手动控制等功能，增强了系统的

安全性和可控性。

1系统硬件电路的设计

该智能交通灯控制系统采用模块化设计兼

用双机容错技术，以单片机89C51为控制核心，

采用双机容错机制，结合通行灯输出控制显示模

块、时间显示模块、手动模块以及电源、复位等

功能模块。现就主要的硬件模块电路进行说明。

1.1主控制系统

在介绍主控制系统之前，先对交通规则进行

分析。设计中暂不考虑人行道和主干道差别，对

一个双向六车道的十字路口进行分析，共确定了

9种交通灯状态，其中状态0为系统上电初始化

后的所有交通灯初试状态，为全部亮红灯，进入

正常工作阶段后有8个状态，大致分为南北直

行，

送反映其工作正常的状态数据。当需要备份

的数据发生变化时，主机及时向备机发送已更新

的数据。此外，主机也定期接收来自备机的状态

数据，当发生接收超时时，主机认为备机已经发

生故障，并通过本单元的显示装置向用户给出通

知信号，以便及时对备机进行脱线维护。备机在

其工作过程中不完成应用功能，但定期接收来自

主机的状态数据，当发生接收超时，备机认为主

机已经发生故障，自动切换进入主机工作状态，

并通过本单元显示装置通知用户，以便对原主机

单元进行脱线维护。此外，备机还自动接收来自

主机的备份数据并进行存储备份。该方案摆脱了

纯粹依赖检测转换电路带来的瓶颈，且主备机之

间能够实时通讯备份，此外原来有检测转换电路

所附加不可靠因素也降到了最低。

1.2通行灯输出控制模块

根据系统运行过程中会出现的4种不同的车

道通行状况，需要八种不同性质的灯作为显示元

件，因此在设计中，利用P0的8个端口进行南

北向控制，P2的8个端口进行东西向控制。以

P0口为例，8个输出控制口对应的信号灯属性分

别为：P0.0——南北直行绿灯；P0.1——南北直

行黄灯；P0.2——南北直行红灯；P0.3——南北

左转行绿灯；P0.4——南北左转红灯；P0.5——

南北右转绿灯；P0.6——南北右转红灯；P0.7—

—南北左/右转黄灯。P2口的输出控制口对应信

号灯属性与P0口一致，流程可详见下文2.1交

通灯工作状态分析。

本系统设计的十字路口交通灯指示采用红绿

黄LED灯，LED选择共阴极，故当某端口输出

高电平时，对应的信号灯就会亮。其控制主要由

软件部分来完成。

1.3时间显示模块

十字路口通行剩余时间显示采用高亮7段

LED发光数码管，考虑到单片机端口有限，为

了满足二位数的数码显示要求，这里用到了

BCD译码器。在实际情况下，倒计显示时间均

低于50秒，且东西南北状态的数显个位变化是

同步的（仅仅在十位数上有差别）。因此用于代

表十位数显的L1和L3对应的BCD译码器的最

高位——D端口均接地，即L1和L3可以表示

数值0到7。而在个位显示上，L2和L4则共用

了BCD译码器的输出，实现南北与东西向的个

位同步显示功能