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单片机交通灯毕业设计一款交通灯控制系统的实现

添加时间:2020/05/18 来源:湖南大学 作者:姚琪琛
城市中的交通灯控制系统己经成为维持城市日常运转的重要工具之一,没有交通灯的支持,整个城市会成为混乱的停车场。
  以下为本篇论文正文:

  摘要

  现代城市的不断发展,使得城市规模呈现迅速膨胀的趋势,传统的交通灯控制系统已经不能满足城市发展的步伐,并且其弊端也在不断显现,尤其是红绿灯显示的时间不能根据车流量随时调整,只是采用固定时间的方式控制。

  本文以交通工程基本理论作为支撑,针对一个典型的小城市区域交通情况,在红外车辆检测器的车流量检测数据基础上,采用AT89C51单片机作为实验工具模拟实现了一款交通灯 控制系统,可以根据实际路况自动判断车流量情况,并将其反映到对交通灯的逻辑控制上。

  硬件设计方面,由于车流量在不同时段内有着比较明显的差距,高峰期与低峰期比较突出,本文利用时钟控制程序作为系统时间线索,进行了电路设计,并且借助AT89C51单片机的输出端与总线直接连接的方式控制相关显示点阵;软件设计方面,充分考虑到交通高峰期内对周期相位数的控制,本文使用排队算法尽量缓解车辆排队的长度,同时在信号周期内随着车辆数量的增加可以增加相位放行时间,从整体.上变相地增加了高峰期时单位相位的车辆通过数量。

  本文将以上方法使用Protues仿真软件进行了编程实现,并给出了仿真结果分析, 验证了本文的交通灯单交叉口多模式控制方法。

  关键词:车流量;交通灯; AT89C51单片机;智能控制

  Abstract

  With the continuous development of modem cities, the scale of the city shows the trend of rapid expansion. The traditional traffic light control system can not meet the pace of urbandevelopment, and its drawbacks are constantly emerging. In particular, trafiBc lights can not be adjusted at any time according to the traflBc flow, but simply by the way of fixed time control.

  city area traffic situation, A trafBc light control system is simulated in this paper. The ^stem uses the traffic detection data of infrared detector, and use AT89C51 microcontroller as theexperimental tool. According to the actual situation, the system can automatically judge the

  About hardware design, due to traffic in different periods have obvious gap, peak and low peak period is prominent, the clock control program as the system time clues, this papergives the circuit design, and with the help of the output side of the AT89C51 MCU and the bus directly connected to the way of controlling the display dot matrix. About software design;, taking full account of the control of the cycle phase in the peak period, tMs paper uses the queuing algorithm to alleviate the length of vehicle queue. At the same time, with the increase of the number of vehicles in the signal cycle, phase release time can be increased. Therefore, it can increase in the peak phase of the vehicle through the number of units from the overall.

  In this paper, the above methods are programmed using Protues simulation software, and the simulation results are given. The simulation results show that the multi mode controlmethod of traffic lights in this paper is verified.

  Key Words: Traffic Flow; Traffic Lights; AT89C51 single chip microcomputer; Intelligent Control

  目录

  第1章绪论

  1.1研究背景和意义

  随着现代经济的快速发展,城市的交通负荷也在随着机动车辆的增加而逐渐增大,很多城市己经处于超负荷运行状态.城市交通的发展是从二十世纪八十年代后期开始逐渐开始的,城市道路的快速建设在一定程度上为经济发展提供了硬件支持.但是随着交通压力的逐渐增加,车辆数量逐年膨胀,并且速度也在不断增加,交通问题己经成为当前所有城市亟待解决的问题之一.

  城市中的交通灯控制系统己经成为维持城市日常运转的重要工具之一,没有交通灯的支持,整个城市会成为混乱的停车场.基于车流量控制的智能交通灯系统己经成为城市发展的重要支撑工具,迫切需要得到应用和发展.传统的交通灯由于受到定时分配通行时间的限制,主要存在以下几个缺点:首先,由于十字路口处会出现同一相位车流量较多的情况,定时分配的方式容易造成某一方向上的车辆堆积速度较快,从而影响下一个路口的交通状况.其次,当出现某一相位无车辆或少量通行时,无法控制另外相位的车辆优先通行,造成交通指挥盲点,影响交通指挥的效率.最后,无法根据某一相位车流量较大时的放行时间,导致大流量相位的车辆需要等待多个控制周期才能完全通过.

  本系统使用传感器检测车辆的流量情况,可以通过硬件及时统计车辆的数量,再通过逻辑处理程序可以更好地实现对交通情况的智能分析,再借助调整算法对交通灯进行设置.该交通系统的设计具有结构简单、可靠性高、成本低、实时性好、安装维护方便等优点,具有广泛的应用前景.

  本文设计的智能交通灯控制系统可以应用于多个或单个路口的情况,可以分析的相位可以覆盖十字路口的情况,可以在一定的交通网络中发挥智能控制的作用,辅助城市做好交通管理工作.网络的组建不需要太大的带宽,因此可以适用的网络范围也较广,也方便进行远距离数据传输,甚至可以实现对交通状况的实时检测工作.对基于车流量的智能交通灯控制系统进行设计目的在于对所学知识的综合运用,将理论知识与实际应用相结合.基于车流量的智能交通灯控制系统设计意义重大,特别在人口密度高度集中的中国,它起着更重要的作用.最直接的作用是改善干道的畅通通行,减少车辆的排队时间,从而解决交通拥堵的问题.同时,促进环保型、经济型、可持续发展的社会健康发展.

  此设计尤其适合中、小城市的十字路口交通控制,具有安装简单,使用方便,价格实惠等优点,毫无疑问具有广泛的应用前景.

  1.2国内外研究现状

  人类社会的发展给交通带来了前所未有的压力,同时,受到影响的还有人类活动本身,交通不仅仅是人类生产生活的必要支柱,还是给人们的发现带来希望的基础.人类社会经历了两次工业革命,对世界的交通格局产生了巨大的影响,交通运输的发现,使其成为了一项单独的领域,同时派生了多个研宄机构.

  在现代社会,对交通管理最为有效的工具是交通控制系统,这个系统对庞大的物流量及交通出行量产生了极大的控制功能.随着交通流量的加大,交通事故的频发,人们开始考虑交通安全问题,除了制定完善的交通规则,怎样让人们严格的执行这些交通规则,成为了同样重要的问题,为了解决该问题而研发的技术则成为了重中之重.技术实现中遇到的难题,特别是软硬件结合过程中遇到的困难,在随着电子科学技术的发展而被逐个突破.目前,交通控制系统实现了很好的自动智能化叫首先,这个系统解决了地理范畴问题,它可以将整个地理区域作为系统的统一范围,其次,这个系统可以随时调整技术方案,可以根据不同时段或不同状况选择不同的科学方案.

  无论是工业发展还是日常生活,人们都需要出行,因此,交通对人类社会来说极其重要.自动检测领域很长时间以来都比较滞后,主要是受技术方面的影响较大,其中在智能传感器方面也是在近几年才开始迅速发展的,随着成本的降低开始普遍采用,这将会对智能交通产生深远的影响.

  世界上第一个红绿灯的产生是在1858年的英国,当时为了指挥马车的通行而采用燃烧煤气的方法,共有红色和蓝色两种颜色,并且在信号切换的时候使用机械扳手操作.这是世界上首次真正意义上的交通灯.到1868年时,英国的工程师对交通灯进行了改进,首次使用了红绿灯作为交通灯,并且依然采用煤气作为光源的方法,通过该交通灯的作用,改善了伦敦威斯敏斯特区的部分交通状况.当时的交通灯只是用红色表示停止,绿色表示注意,以提醒直行的马车[2].

  以电气为光源的红绿灯最早于20世纪初出现在美国.这种红绿灯改变了形状,由方形变为了圆形,并且增加了黄色灯.最大的变化就是由原来的旋转式变成了投光式.红灯还是提醒车辆停止通行,绿灯则变为告知车辆通行.

  之后,红绿灯又进行了改良,出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯.带控制的红绿灯主要是以某种信号源作为启动方式.一种信号源是压力,人们将压力计安装在规定的地表以下,车辆引起压力计数据变化后,触发红灯关闭绿灯打开;一种信号源为音量,当车辆到达后,按下扩音器,声音会触发红灯关闭,绿灯启动.共外线红灯可以使用感应装置对压过路面的行为和车辆进行感应,因此可以及时发现车辆经过.当出现车流量较大的情况时,红外线感应装置可以发送信息给信号灯控制系统,使得红灯延迟时间短一些,放行时间变长[3].

  信号灯的作用给交通管理带来很多便捷,尤其是在有效疏导车流量方面有着无法替代的作用,可以大幅度降低交通事故的发生率.早在1968年的时候,为了明确各种信号灯的含义,联合国就己经制定了《道路交通和道路标志信号协定》,其包含的范围比较广泛,有很多规定到目前为止还在使用中[4].绿灯是一种通行标识,在没有特定标志说明的情况下,表示车辆可以继续直行或者左右转弯.当然,处于向左右转弯的车辆在进行转弯时,依然需要注意其他车辆或行人,一旦发生交通事故,可以通行的车辆依然需要根据情况承担一定的责任.红灯是禁止通行的标志,遇到前方红灯的车辆必须无条件的停止在停车线后面,除个别特殊车辆以外.黄灯是一种警告信号,也是提醒信号,表示车辆不能超过停车线,但是当车辆速度较快时,可以进入交叉路口.

  在中国,城市交通普遍存在以下四个方面的问题:一是城市面积已由改革开放前的几十平方公里扩大到现在的上百平方公里甚至上千平方公里.城市的发展离不开劳动力的付出,大量务工人员开始涌向城市,尤其是新城,城市面积扩大的同时必然带来人口的增加.城市范围扩大的同时,如果没有相应警力的增加,会给城市交通带来非常大的压力,并且很容易造成混乱.省级管理部门的管理权限是一级级下放的,因此随着管辖范围的增加,交通管理也逐级递减.这也给交通管理工作带来一定的压力W.在一般的交通灯管理系统中,以十字路口为例,东西方向和南北方向均有两个数码管.交通灯一般按照以下显示和定时切换的方式工作,并且有的路口还可以在各自方向上显示倒计时信息.

  统的办法一般使用两种方法来解决交通拥堵问题.第一是拓宽现有的公共交通道路、修建高质量高等级公路、在城市中修建新公路,第二就是充分利用本文现有的交通资源,通过现代高科技手段GPS、嵌入式系统、神经网络系统等使其在一定道路的基础上发挥出更高的运转效率[6].

  目前在我国的大城市中,普遍使用各式各样的控制系统对交叉路口交通信号灯设施进行单点、干线或区域控制.据非官方统计,我国生产交通控制系统的厂家大约60家,产品种类基本上多为时段定时式、感应式、集中协调式.在这种行业无标准的大前提下,中华人民共和国公共安全行业标准GA47 - 2002《道路交通信号控制机》得以推出并执行[7].公共安全行业标准的实行使得各交通信号控制系统生产企业纷纷参照实施,它的出台使得交通控制信号机的技术水平、实用、可靠性、统一性方面大大增强.交通控制系统信号机的技术水平、实用性、可靠性决定了它在交通控制的有效性和科学性,并决定了它在实际运用中能否发挥高效率起到了关键性的作用.

  然而,从整个生产链来看,企业都是一些小规模的生产厂家,国家对这些企业的关注力度和投入力度不够,使得企业的规模不能壮大;科研经费不足,科研团队人手不足,更是导致创新能力不强、开发能力较弱的特点明显.现在己有的产品大多为单一模式信号机为主流,常常在上下班交通高峰期形成交通拥堵,能开发生产多模式、系统协调式信号机的企业少得可怜.另外有一定数量的交通管理部门为了节约成本选择了自主开发的控制灯,使得它的交通控制系统功能简单、稳定性较差.21世纪初公安部交通安全产品质量监督检测中心对国内自主生产企业的交通信号控制机进行了质量监督抽样检查,得出的结果令人吃惊,产品抽样合格率仅为36.4%W.虽然只是抽样检查不能完全充分地反映情况,但也反映出了整个行业的大概面貌;也体现出我国交通灯的质量是较差的,生产研究都是一个薄弱环节.

  近十年来,我国东部沿海地区交通出现拥堵情况严重,西部地区的大开发给交通行业发展带来前所未有的良机.公路运输在东部主要会向城郊移动,伴随经济的快速增长,其运输的辐射面也增广;在西部城市面积增长迅速,今后很长一段时间内呈现出明显的上升势态.但是另一方面,我国交通运输领域存在非常严重的安全隐患问题:比如在20世纪末中国机动车保有量为全世界第n位,而交通事故死亡人数却高居世界第一;到2009年底汽车拥有量为全球第2位,仅次于美国,交通死亡人数还是高居世界第一.由此可见,我国交通安全显得非常迫切,急需改善道路安全性能的系统和产品;这也是智能交通系统(Intelligent TransPort System,简称ITS)研究的一个重要方向.最近这些年,私家车大量增长,加之驾驶人员素质不一;多数驾驶人员只是通过了驾校的学习,没有驾驶经验;我国道路交通情况复杂,在西南地区多为山高坡陡的路段;这些都是造成死亡人数居高不下的原因.

  无疑对现有的交通状况来说,拓宽或者是新建道路是不理想的,因此只能通过开发利用改善道路通行性能的产品,才能有助于解决交通拥堵日益严重这个问题.伴随着城市交通的迅速发展以及城市的规模日益扩大,交通灯呈现出发展的良好势头.特别是进入21世纪以来,国家和政府的畅通工程全面深入地展开,市、县、区政府的交通部门分别引进先进的各种管理手段来提高交通道路的管理水平,同时在交通的基础设施建设方面投入成倍增长,在这样的大前提下我国的交通信号灯制造业迎来前所未有的良好势头.另外,在全国多个城市实施畅通工程,以实现城市交通智能控制为主要内容,并逐步推广到全国.

  交通拥堵使得汽车通行时间无限延长,汽车耗油量增加,汽车尾气排放成倍增长,自然环境被污染.一个全球性的问题,土地资源不断被城市所占用,要想通过拓宽路面来解决问题是行不通的.如今以欧洲、美国和日本发达国家为代表,己经逐步实现从依靠扩大路网规模加宽公路来解决交通拥堵问题,转移到用高科技手段来改良已有的交通路网、改进交通指挥系统、完善交通控制系统设施等方面上来,从而提高路网通行能力、减少交通事故、优化生活环境、节约不可再生的石油资源.在这样的全球大环境下被人们认识并提出来,也随着运输业的发展不断发展.

  在美国,20世纪60年代开始ITS开发研究,虽然起步比日本、欧洲的发达国来说较晚一些,但是在此之后美国几乎集中了本国的经济、科技力量于一点,并在政府和国会的参与下成立了ITS的领导和协调机构,并于1991年制定了综合路上运输效率化法,使得交通管理部门的交通控制系统飞速发展,美国公路系统由于得到了巨额的投资,在时间上和金额上都是前所未有的,财政部门从1998年起至2003年6年的时间拨款总金额为2178.9亿美元.从1991年开始,美国先后对ITS研宄与开发进行投资共七百多个项目,美国先后诞生了多个先进的交通控制管理系统、先进的出行信息系统、芝加哥的"超越"、以及洛杉矶的"开拓者"这些先进的系统不仅向驾驶员提供道路信息,而且也提供旅馆和饭店、实时交通信息和优化的出行路径等信息.从1992年至1997年进行了多项融合实验,取得很多的先进技术,获得了宝贵的经验.其中于1996年提出将在全美国主要的大城市中实施智能交通构建(简称ITI)计划,由于资金投入量大,现在已经处于世界领先水平[9].

  在欧洲,ITS的研究起步比日本和美国都要晚一些,包括到了现在ITS的使用方面也是在美国与日本之后.早在20世纪80年代中期,欧洲以英国、德国、法国为主的国家投资约50亿美元,目的是要想修缮交通道路设施,提高交通管理部门的服务质量和水平.在ITS科研方面也是重金打造多个项目,仅从1984开始至1998年14年的时间其开发的预算高达280亿欧元.如今,虽然过去有些年头,但投资开发的项目一点也没有减少.2009年开始欧洲各国正在建立专门交通无线数据通信网,是著名的Telematics第二阶段的研发计划.欧洲民间组织也积极参与ITS的科学研究,他们提了一个叫做Prometheus的计划;这些民间组织主要关心的问题是交通的高效率和交通的安全两个方面.这样高额的资金支持和民间强烈的改革欲望也快速地推动欧洲ITS的飞速发展,正在开发的有出行信息服务系统、车辆控制系统,先进的商业车辆运行系统等.大家有理由相信这些先进的智能系统很快就会问世,而使得欧洲大陆的交通得到有效的控制;欧盟也会随着它的到来而获益良多[10].

  在日本,一个地薄人密的岛国,但永远都不要忽视了他的经济实力和科研能力.在ITS研究方面我国是远远地落后于我们的邻居了.日本早在20世纪70年代开始组织这方面的科学实验,其中"动态路径诱导系统" M最为出名;在它的带动下大约以后的10年时间,先后研发出了多个系统有:道路车辆通信系统、交通信息交换系统等.20世纪90年代中期路车交通智能协会成立,紧接着政府成立了道路交通信息通信系统中心,1999年4月正式启动VICS,日本按照世界第一的水准在首都东京完成了ITS的实地应用的第一步,后来逐步推广到了大阪、名古屋等地,到了1998年全日本几乎完成了它的使用;这样也使得日本成为了第一个也是唯一一个在20世纪就完成了 VICS使用的国家,日本在这一领域居于世界领先水平.

图2.1光电开关工作原理简图


图2.2 ULN2003内部结构图


图2.3 共阳极数码管结构图


图2.4 数码管各段对应代码图



图2.5 +5V三端稳压电源


图2.6 磁检测器方框图


图3.3单片机最小系统


图3.2 电源电路

 

  1.3主要研宄内容

  1.4课题研%方案

  第2章 系统设计方案

  2.1单片机概述

  2.1.1单片机发展

  2.1.2光电开关概述

  2.1.3 ULN2003芯片简介

  2.1.4七段数码管

  2.1.5电源电路设计

  2.2系统解决方案

  2.2.1车流量检测方案

  2.2.2主控制器选择

  2.2.3显示方案选择

  2.3单元电路设计

  2.4本章小结

  第3章系统硬件设计

  3.1系统设计

  3.2电源电路

  3.3单片机最小系统

  3.4数码管显示部分

  3.5信号灯部分

  3.6键盘部分

  3.7本章小结

  第4章系统软件开发

  4.1编程语言环境

  4.1.1编程语言的选择

  4.1.2系统语言开发环境

  4.2主程序解析

  4.3键盘扫码程序解析

  4.4中断程序

  4.4.1定时器Is中断

  4.4.2看门狗中断

  4.4.3重设时间中断

  4.5倒计时显示程序

  4.6交通灯显示程序

  4.7看门狗程序

  4.8本章小结

  第5章系统仿真与调试

  5.1 Protues仿真软件简介

  5.2仿真原理图

  5.3仿真结果分析

  5.4本章小结

  结论

  本系统采用光电开关结合单片机对车流量进行计数,具有很多优点.首先,它设计简单,成本较低.其次,适用于中小城市的智能交通控制,对中小城市的交通控制具有较好的控制精度.另外,它可以直接安装在道路的护栏或者柱子上,安装、维护方便.

  如何通过使用智能化的交通灯管理系统进行交通辅助管理是目前学术界研究的一个重要课题之一,其应用价值也得到普遍认同,一般情况使用地磁感应线圈或视频技术都是造价比较高的设计.本文使用光电开关的方法在一定程度上可以节约成本,方便部署.本文的研究设计采用AT89C51单片机作为实验工具模拟交通灯控制系统,可以根据实际路况自动判断车流量情况,并将其反映到对交通灯的逻辑控制上,实现一定程度的智能交通控制功能.并且本文的设计注重实用性与操作性兼顾的要求,对系统的可扩展性也有一定的要求.

  本文针对三级县市的繁华区域交通情况来进行分析,发现车流量存在明显的高峰和低峰期,如上下班的早中晚三个时段通行量非常大,而上午9点30分至10点30分,下午3点30分至4点30分,晚上9点至11点,凌晨2点至4点等时间段的通信量则指数下降,差距非常明显,且高峰期与低峰期比较固定.因此,本文在设计智能交通灯控系统的时候,是利用时钟控制程序作为系统时间线索,对硬件进行设计,并且借助AT89C51单片机的输出端与总线直接连接的方式控制相关显示点阵.另一方面,本文在进行软件设计时,充分考虑到交通高峰期内对周期相位数的控制,使用排队算法尽量缓解车辆排队的长度,同时在信号周期内随着车辆数量的增加可以增加相位放行时间,从整体上变相地增加了高峰期时单位相位的车辆通过数量.本文将以上方法通过开发板的编程实现模拟仿真,实现了交通灯的单交叉口多模式控制方法.通过这种模式的控制,用户还可以选择多种策略,从而验证本文设计的交通灯智能控制系统的实用性.

  由于本文设计光电开关的应用时是从实验室条件角度出发,因此没有对市场上的其他同类产品进行对比试验,对交通状况进行实地测试时也是比较简单的.基于车流量的智能交通灯控制系统的研宄将会成为众多电子工程师的研究方向,如何设计一个既简单,又高效的交通灯控制系统将是现代交通发展的迫切需求.

  在下一步的研究中,部分工作需要进一步补充和完善:一是对默认时间算法的进一步研宄,对路口的信号灯配时方案作更为有效地调整.二是针对硬件设计方面简化其设计,增加更多的功能模块.生产方面还没有完成的实现部分功能还有近一步的测试.三是中、小城市必然会发展演变成更大的城市,要使系统更智能化方向发展在本系统中对交通的区域控制还属空白,希望下一步的工作能做出更理想的方式来解决可能会出现的趋势.

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  致谢

  四年的研究生生涯即将划上一个句号,在论文完成之际,我思绪万千,心情久久不能平静,借此表达一二.

  感谢我的导师杨贯中教授.课题研究和论文撰写过程中,我在杨教授的精心指导和严格要求下,获得了丰富的理论知识和实践经验,并翻阅了大量的科技文献,对单片机领域的专业知识进行了认真细致的学习和操作.杨教授严谨的治学态度、开拓进取的精神和髙度的责任心使我受益终生.

  感谢企业导师罗英高级工程师,罗髙工主要在硬件设计方面给予了帮助和指导.在我论文完成过程中,罗高工也提出了相关建议.

  感谢杨柳老师,杨柳老师在论文撰写过程中不断给予我指导和帮助,让我少走不少弯路.杨老师踏实细致的工作风格深深地影响了我,正是她的一丝不苟,使我能够顺利完成学位论文.

  感谢单位领导的亲切关心和爱护,感谢他们对我的工作和学习的支持

  感谢学院的领导和老师们的教导,给予了我不少支持和帮助,在湖南大学软件学院学习的时光是我人生中的一笔宝贵财富.

  感谢论文盲审专家和答辩老师的指正和赐教,谢谢您们!

  感谢我的家人、领导和同事们!

  硕士求学阶段结束在即,谨向四年来给予我帮助和支持的各位良师益友致以最衷心的感谢!

  姚琪琛

  2015年4月

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  

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