智能交通灯控制 毕业设计.docx

iii智能交通灯控制摘 要本系统主要介绍了以89c51单片机为核心的新交通控制控制系统的设计。这个系统采用手动控制，定时控制，无线遥控和实时控制。实时控制是交通控制中的一种较新颖且有效的方法，该方法应用最优控制理论中的控制思想，动态、实时地控制当前绿灯时间，在保证交通安全的前提下最大限度地提高了交通效率。系统主要包括软件和硬件两个部分。硬件部分：cpu主控部分电路，交通灯信号的输出和驱动电路，车辆检测出入（包括违规车辆检测），键盘及显示电路，时钟电路，通信电路，电子警察系统。cpu是整个交通灯信号控制机的核心部件，通过它来控制个电路以实现信号机的各种功能。交通信号输出电路是把主机的交通灯控制信号送驱动器，控制交通灯的状态。车辆检测输入是将有无车辆和违规车辆的信号送入主机，产生相应的中断处理。时钟电路是为了显示车辆通行的剩余时间。通讯是主机和中央监控系统、路口基站和信号驱动部分的通讯。键盘主要设置控制方式和各个参数。软件部分主要是协助硬件完成各项功能。关键词： 89c51，定时控制，实时控制，遥控，紧急情况目 录摘 要iabstractii1 概述11.1 城市交通的作用11.2 国内外交通系统发展现状11.3 我国交通中存在的主要问题21.4 城市交通解决的主要途径31.5 论文研究的主要内容31.6 系统的主要特点42 交通信号控制系统的研究52.1 城市交通控制系统概述52.2 交通规则介绍52.3 常用交通标志简介62.4 交通信号控制硬件设备简介62.5 交通信号控制系统信息传输系统简介72.6 信号控制方式的分类72.7 交通信号控制原理83 交通控制方案设计93.1 系统设计目的93.2 技术框架93.3 十字路口交通信号相位设置93.4 不同相位配时方案103.5 交通信号灯的控制方法103.5.1 定时控制103.5.2 感应控制103.6 系统控制方案113.6.1感应定时信号控制方案113.6.2 红绿灯模糊控制113.7 总体方案设计123.8 十字路口交通信号亮灯的顺序设定144 控制系统硬件设计164.1 硬件系统设计的总体要求164.2 系统的组成164.3 该系统主要硬件164.3.1 主要芯片的性能介绍164.3.2 整个系统的组成框图204.3.3 交通灯cpu主控和存储部分系统原理框图214.4 驱动电路的设计214.5 键盘及显示电路224.6 时钟电路的设计244.7 遥控电路的设计254.8 车辆检测274.9 电子警察的设计304.10 串行通信接口的设计344.11 路口基站与中央监控中心的远程通信345 软件设计345.1 交通控制设计主要满足以下功能355.2 系统模块组成355.3 主要程序流程框图356 智能交通灯方案的局部仿真47致谢5.3 主要程序流程框图50参考文献51附录i 部分程序清单52附录ii6977智能交通灯控制1 概述1.1 城市交通的作用城市是人类从事各类社会、政治、经济和文化的活动中心，在社会发展中起了重要的作用。汽车是这一时代文明的产物，在给人们带来巨大便利的同时，也使人们面临交通拥挤的困惑和道路交通安全事故的烦恼。在我国，随着改革开放政策的贯彻实施，国民经济得到了迅猛发展，道路交通也得到了迅速得法展。与此同时，由于城市化进程的加速，城市规模不断膨胀，城市的经济贸易和社会的活动日益频繁，人员流动与社会交往日益增多，使得城市交通拥挤和交通安全事故问题更加透突出。城市交通作为城市基础设施重要组成部分，如何改善、完善和发展城市交通，越来越被人们所重视。城市交通作为支撑城市活动的主要基础设施，是城市的枢纽和命脉，如不及早实施综合治理，将严重的影响城市居民生活的提高和城市的经济发展。由于我国城市基础设施的发展滞后于城市建设的发展，严重影响了城市及周边地区的经济发展。因此，城市交通问题的解决，不但可以使人们的生命财产有保障，而且可以加快经济的发展和社会的进步。城市交通系统是城市大系统中非常重要的子系统之一。它与整个城市国民经济的发展和人民生活水平的提高密切相关，它连同社会生产的每个环节，维系着千家万户的日常生活。城市交通一方面受城市结构、经济状况、生产布局、人口分布等因素的制约；另一方面，它的有效性、安全性、可靠性、经济性又影响着城市的工作效率、经济效益和居民生活水平。城市交通系统的运行状况又可以从另一个侧面反映出城市的经济建设、科学技术和城市管理水平。因此，在交通管理中应用先进的科学技术和管理方法保证道路的安全畅通，是经济发展的需要。交叉路口是城市交通系统重要的组成部分，是城市道路网的咽喉，其通行能力制约着城市道路的通达，是影响道路畅通的瓶颈。众所周知，提高交叉路口通行能力的最有效办法是修建立交桥。鉴于我国道路基础设施现状以及从各个城市的经济水平情况，立交桥尚不能推广普及。因此，人们更多的采用交通控制这一方式来充分利用交叉路口的时空资源，按照现实的交通流给予相应的最适宜的交通控制，最大程度的提高交叉路口的通行能力，不但能提高车辆通过交叉路口的速度、减少延误、节约人们的出行时间，同时能避免该交叉路口发生堵车，影响交叉路口临近路段及更远路段的顺利通行。据有关的资料显示，机动车辆在其减速制动和起动期间所排放的有害物质是其正常行驶时的7倍左右。因此，解决好城市交叉路口通行问题，减少机动车辆在交叉路口附近停车延误对提高社会的经济效益和环境保护都是具有重大意义的。1.2 国内外交通系统发展现状随着现代社会对交通运输的日趋依赖，交通系统的控制越来越受到普遍的重视。近年来，英国、美国等西方国家均在某些城市建立智能交通控制系统。在这些系统中，大部分都在路口附近装有车辆检测器，并由各路口的控制设备或工作人员将交通控制参数通过电话线、电缆、光纤或是无线网络等方式输入到微处理器，用小型计算机控制。尤其是伴随着信息技术的发展，交通控制的概念已从交通管理者的行为改变为交通管理者和道路使用者共同的行为，从而使得交通的最优化向全局最优发展。在这些发展中，除了新设备的应用外，数据的采集、传输、处理、存储与发送等技术的发展也起了关键的作用。新型的监测器，包括用摄像机采集图像信息和进行图像处理技术，为人们提供了大量的时变数据；新的通信技术，包括光纤通信、无线通信等技术，能使人们更快的传送数据。而计算机技术的发展，使交通控制系统的发展又向前进了一大步。这些控制技术与现代控制理论、现代的管理方法相结合，使交通控制系统日趋完善。与国外相比，我国目前的交通控制很落后，目前中国城市的问题呈现如下些问题：管理不力，秩序混乱；没有科学、合理、有效的城市交通监控系统。由此带来的后果表现为道路的通行能力明显低于设计要求且波动性大、出行难，交通事故发生率高，交通环境恶化，出行者易疲劳等问题。1.3 我国交通中存在的主要问题 交通的发展，促进了人类社会的不断进步。社会的进步，又促进了交通设施的建设 、交通工具的改进。然而，随着机动车辆的迅速增加，人们在专区由机动车辆所带来的巨大利润以及充分享受汽车巨大便利的同时，也越来越受到交通拥挤、交通事故频发、环境污染加剧和燃油量上升所带来的困惑。我国是一个发展中国家，经济还不是很发达，因而产生了具有中国特色的城市交通局面。由于先天的不足，城市交通控制系统存在很多问题，如系统应用环境的变数大、系统适应性差等一些棘手的问题，这些问题可以说是我国城市交通系统的特点。具体表现在如下几个方面：（1）车型种类繁杂，混合交通严重。为了适应不同人群和不同消费需求，各种车辆大量混杂在道路中。目前世界上广泛使用的交通控制系统均对路网和流量有一定的要求，对于适应小汽车交通的效果不是很好。（2）交通事故频发，对人类生命安全构成极大的威胁。 自从汽车问世以来，交通事故就伴随而来。交通事故的产生与道路状况、环境、驾驶员素质等因素有关。车辆多，道路窄，机动车辆和非机动车辆混行，部分司机和行人不遵守交通规则，构成了城市交通事故主要原因。据统计，每年10万人中就有9人死于车祸，这个数字是和战争中死亡的人数差不多。就西安来说，每年都有很多人死于车祸。（3）交通拥挤严重，导致出行时间增加，能源消耗增大。据报纸显示，全国城市的车速非常的低，形势非常的严峻。我国国内百万人口以上的大城市，每年由于交通拥挤带来的直接经济损失多达1600亿，相当于国民生产总值的3.2%。（4）空气污染和噪声污染严重，且日益加剧。汽车尾气排放、噪声是当今世界上最严重的环境污染之一。发达国家的调查表明：汽车排放的污染物占大气污染物总量的60%以上；交通噪声占城市环境噪声的70%以上，这种污染物在车辆制动和起动的过程中更为严重。以上这四个方面的问题集中体现了现阶段我国城市交通系统的突出问题，具体表现在车辆混杂、事故频发、拥挤严重、污染加重。这要求我们找出根本原因，分析问题，找出解决的办法，采用积极的措施，以期彻底改善城市的交通问题。1.4 城市交通解决的主要途径针对城市交通拥挤，有人提出修建新的城市道路或是修建新的立交桥。可是，过不了多长的时间，道路又恢复到原来的拥挤状态。一般来说修建新的道路不会改变原来的拥挤，诱发的交通量将很快占据新增的道路设施，这部分潜在的交通量是由于以前受道路供给短缺的制约而未能得到实现的。由于修建道路并不能从根本上解决城市交通拥挤的问题，人们开始寻求新的解决途径。随着人们对控制理论的认识和利用的不断深入以及计算机技术的发展，利用控制理论和计算机技术来解决交通问题显得越来越重要了。各国相继开发了不同的交通控制系统，为缓解交通问题做出了很大的贡献。随着人工智能这一新兴的科学的兴起，人们开始将其引入到城市交通控制中来。经过大量的探索和研究实践，人们相信智能控制是解决城市交通问题的强有力的工具。1.5 论文研究的主要内容随着我国经济的发展，汽车工业也在迅速发展，如果我们做不好城市规划和城市交通控制，那么随之而来的城市交通将会面临严峻的形式。而现有的比较成熟的交通控制系统存在有上节中所讲的诸多问题，针对这些问题，本文把单片机控制引入到城市交通控制系统中,利用其不需要建立精确数学模型和它吸收了人工控制的经验，使得控制过程简化，而且能满足实时性和控制精度的要求。在城市交通控制中，定周期控制在交通不大且稳定的情况下是简单有效的，与感应控制没什么区别。担当交通量大且拥挤车流变化快的时候，为减少车辆延误，这时就需要采用动态反馈控制系统，本设计采用单片机系统，动态检测，电子警察，当遇到紧急情况，需四面都是红灯的时候，可以进行无线遥控。1.6 系统的主要特点（1）采用实时检测控制系统，可以更加灵活的根据道路车辆的流量来调节红、绿灯的延迟时间。（2）具有手动控制、定时控制和实时控制，可以远距离无线遥控。（3）采用串行通信，节省电缆，有利于降低成本和安装的难度。（4）电子警察系统采用高清晰图像采集系统，在图像的抓拍中，只有在红灯亮的期间才拍摄。当检测到是红灯时，紧急启动拍摄系统；当遇到紧急车辆通过时不拍摄，这样有利于节省电能和存储资源。（5）电子警察拍摄系统还采用补光系统，当光检测器检测到光线不足时，拍摄时启动闪光灯，使拍摄系统基本不受天气的影响。（6）采用标准的接口，有利于模块化设计。（7）当有紧急车辆通过是，可通过微波遥控路口的红灯以让紧急车辆通过。2 交通信号控制系统的研究本章对城市交通信号控制系统的组成、控制方式、控制的基本结构等方面进行详细的介绍。论述的重点是城市交通的信号控制方式。2.1 城市交通控制系统概述交通信号控制是利用交通信号，对道路上运行的车辆和行人进行指挥和疏导。所谓交通信号则是指交通管理部门根据国家有关法律规定，在道路上向车辆和行人发出通行、停止或停靠的具有法律效力的信息。交通信号自动控制的重要组成部分，是科学交通管理的一种有效手段。 现代化的交通信号控制系统具有如下功能： 提高现有道路的交通效率； 改善道路交通安全； 减少能量消耗和环境污染； 收集交通信息，提供交通情报； 强化交通执法和指挥交通诱导，为整个社会提供综合的经济效益。事实证明，现代化的交通控制是缓解城市交通问题的重要措施之一。2.2 交通规则介绍通行制是道路交通规则中的最基本原则，不然的话，人们在道路上随意走动，必然造成交通的无秩序，车辆和行人各行其道是交通秩序的重要表现。 世界现存有两种通行制：一是左行制，另一是右行制。全世界大约有90%的国家实行右行制，将来全世界有可能统一采用右行制。我国也是采用右行制。现将一些基本的交通规则介绍如下：（1）驾驶人员必须对两边的斑马线让道，除非中间有隔离岛。 （2）如果进入转盘左拐弯或右拐弯，必须分别打左右指示灯进入；如果是经过转盘直行，则不要打指示灯。当你进入转盘时，必须让路给所有右边来的车流。 出转盘时，必须顺着进入转盘时的车道打左转向灯。（3）当在十字路口有禁止左转灯时，不能左转。（4）若经转盘左拐弯，进入和拐弯知道离开转盘都必须一直打左转向灯。（5）自行车道仅供自行车使用;公车道仅供自行车、摩托车和公交巴士使用。 其他驾驶人士可以穿越这两种特殊车道借道拐弯或停车（如果标志许可的话），但必须让路给正在合法使用这两种车道的车辆。2.3 常用交通标志简介 交通标志是交通系统中重要的一部分，用以帮助驾驶员掌握方向情况。现将部分常用标志介绍如下：表2-1 指示标志2.4 交通信号控制硬件设备简介交通信号灯的硬件设备。其构成可分为以下五部分：（1） 信号灯：就是悬挂在道路上空或设置在路侧灯柱上的发光装置，内装彩色信号灯；（2） 车辆检测器：车辆通过检测器时，由感应原理可以检测交通参数的设施，是感应式信号控制系统的必要设施；（3）无线遥控装置：启闭信号灯，控制紧急车辆通过时的红灯；（4）电子警察(摄像机)：监控违章车辆；（5）单片机系统：整个信号灯控制的核心；（6）附属设施：包括灯杆灯柱及其基础，装置信号控制机的底座与基础，埋设或悬挂传输线路的管道、线杆等。2.5 交通信号控制系统信息传输系统简介 信息传输系统，也叫通讯系统，就是把信息从一个地方传输到另一个地方。信息传输系统也是交通信号控制系统中的重要组成部分。通信系统的组成：（1）通信的信道 a）信道的容量 信息传送的通路通常称为信道或线路。描述一个信道不仅要通过它所连接的点到点的地理通路，而且还要根据它所具有的携带信息的容量。 b）信道的方向 单工： 在信息源和接收器之间提供单一的单向性通道。 半双工：这种通信方式是在a站和b站之间只有一个通信信道，数据要么是a站发送，b站接收，要么b站发送，a站接收。 双工： 允许信息同时在两个方向上传输的信道。（2）数字数据传输（3）调制和解调2.6 信号控制方式的分类 使用信号机控制交通流称为交通信号控制，交通信号控制的目的是与交通量相适应，用时间比分配给相互交错的交通流通行权。信号控制的方式和分类有很多种。本文按控制的范围将信号控制分为点控、线控和面控。（1）点控 单点交叉口交通信号控制通常简称为“点控制”。 它以单个交叉口为控制对象，通过灯色的变化，在保证安全的前提下尽可能多地使各方向车辆通过。它是交通信号控制的最基本形式。点控制又可分为：定周期控制、感应式信号控制及模糊逻辑式信号控制。（2）线控 “线控”是干道交通信号协调控制系统的简称，就是把一条主干道上一批相邻的交通信号联动起来，让干线上交叉口的信号控制器具有相同的周期，绿信号开启时间相继错开，从而使干线上行驶的车辆尽可能少遇或不遇红灯以减少延误，以便提高整个干道的通行能力。（3）面控区域交通信号控制系统简称为“面控”，它把整个区域中所有信号交叉口作为协调控制的对象。控制区内各受控交通信号都受中心控制室的中央控制机集中控制，从而可以提高道路通行能力，增加交通安全，节省能源和减少污染等等。无论哪种控制，其控制变量主要有三个：信号周期，绿信比和相位差。点控制只需控制前两个变量即可。总之，交通控制过程可描述如下：根据交通法规，通过信号灯色的变化指示或提示车辆在交叉口处通信或暂停，在保证安全的前提下最大限度地提高交叉路口的通行能力。2.7 交通信号控制原理交通信号控制原理是按照一定的控制程序，在交叉路口的每个方向上通过红、黄、绿三色灯循环显示，指挥交通流，在时间上实施隔离。交通规则规定：红灯停止通行，绿灯放行，黄灯清尾，即允许已过停车线的车辆继续通行，通过交叉路口。信号相位方案是指交通信号灯轮流给某些方向的车辆或行人分配交通权的一种顺序安排。我们把每一种控制（即对各进口道不同方向所显示的不同色灯的组合）称为一个信号相位。而一个相位又对应多个步伐，每一步伐对应该时刻不同灯色的状态。路口的交通灯总在进行着一系列的相变以控制车辆的运动，一系列的相就组成了周期，如附表所示。交通灯优化控制问题，就是通过改变这些相的持续时间以及相邻路口交通灯的相的周期，使目标达到最优。3 交通控制方案设计城市交通中，一些重要的交叉路口均设有分流岛（见图3.1所示），以起到车辆右转的分流作用，这样在交通灯控制中无须考虑右转的相位设置，提高交叉路口的畅通率。但是随着每年大量的新车上路，城市交通也愈来愈备感压力，在高峰期的时候，车流缓慢、堵车严重的现象也屡见不鲜。城市交通问题的治理千头万绪，如何针对国情选择入手点，采用何种技术手段既可行又能奏效，又保证投资的长远效益，使系统具有合理的前瞻性和先进性，是交通技术人员迫切面对的问题。本论文提出一套以单片机控制系统为主框架的解决方案，针对城市交通控制系统及其十字路口的交通信号控制机的设计，来解决这类问题。 3.1 系统设计目的系统设计目标包括：改善控制区域的交通秩序；增加现有道路设施的通行能力；减少交通事故；减少交叉口停车次数和提高交叉口行驶速度（从而减少废气和噪音污染）；创造更整洁文明的现代化交通环境。3.2 技术框架 采用成熟的和已经市场化的先进技术和体系结构来保证系统的可靠运转以及领先的实用性能，同时有效控制成本。 系统采用模块化设计。这意味着不仅可以方便地扩大和缩小系统规模而且系统可以容易实现升级和功能扩展。3.3 十字路口交通信号相位设置信号机在一个信号周期内的各个状态称为相(即一个周期内有几种灯色变化)。例如在一个色灯变色周期内有两种状态的信号, 即灯色为一红一绿,称为两相。对控制交通流而言, 相位越多, 消除的冲突点就多, 交通就越安全。但从交叉口通行效率而言, 相位越多, 相应的信号周期就长, 这样车辆在交叉口上延误的时间就越长, 通行效率就越低。相反,相位越少, 交叉口上的通行效率就越高, 但安全性就越差。3.4 不同相位配时方案（1） 二相位信号配时这种配时方案适用于任何平面十字交叉口, 包括具有左转、右转专用分流车道的交叉口。其控制设备简单, 造价低, 容易实现。由于相位少, 信号周期短, 故交通效率高。但冲突点比较多, 安全性较低。（2） 三相位信号配时这种方案分为左拐变优先和任一向优先两种情况。三相位配时方案只在具有左转专用分流车道或任何一方向相对于其它方向而言交通量比较大时才适用, 其控制设备较为复杂且造价较高, 再加上信号周期长, 故交通效率有所降低。因设置了专用左转相位及分离了重交通流, 其安全性有所提高。（3） 四相位信号配时这种配时方案只有在各个车道能分离的十字交叉口才能使用。其控制设备较为简单, 由于完全消除了冲突点, 其安全性很高。但因其相位多, 信号周期长, 在小交通量的情况下, 其交通效率较低。但在重交通流时, 因各向车流会车时没有延误, 因此相对于二相位配时方案而言, 交通效率有明显提高, 安全性也高得多。（4） 五至八相位配时这些配时方案也只能用在各个车道能分离的交叉口上。其控制设备复杂, 安全性亦很高。但随着相位的增加, 其信号周期也大大增加, 使得交通效率变得十分低下。若无特殊需要, 这些控制方式一般不予采用。3.5 交通信号灯的控制方法3.5.1 定时控制交叉口信号控制机按事先设置的配时方案运行, 称为固定周期控制。一天只用一个配时方案的称为单段式定时控制; 一天按不同时段的交通量采用几个配时方案的称为多段式定时控制。3.5.2 感应控制感应控制是在交叉口的进口道上设置车辆检测器, 信号灯配时方案可随检测器检测到的车流信息而随时改变的一种配时控制方式。感应控制包括半感应控制和全感应控制。前者是指只在交叉口部分进口道上设置检测器的感应控制; 后者则是指在交叉口全部进口道上设置检测器的感应控制。感应控制按工作原理分为两种:（1） 实时感应实时控制其工作原理是: 任一相开始绿灯, 感应信号控制机内设一个初始绿灯时间gmin。当绿灯开放一段时间到gs时, 开始检测后边有无后续车辆到达。若有, 则增加一个单位绿灯延长时间g；若无车辆则继续检测, 当达到最大极限绿灯时间gmax时, 即使后边有来车, 也不再增加绿灯时间。实际绿灯时间g大于等于初始时间gmin,而小于极限延长时间gmax。（2） 实时感应事后控制在交叉口进口道上设置两个车辆检测器a 和b, 相距50米以上。检测该车道在本次绿灯和下次绿灯之间在a 和b 间的车辆数, 由此配置该相位第二次绿灯的时间。在这种控制方式下, 每一相的时间是固定的, 但各个相位的时间可能是不同的。譬如某一车道当前的绿灯时间是30秒, 但下一次绿灯时间可能就不是30秒。3.6 系统控制方案3.6.1感应定时信号控制方案为了克服定时控制中单段式控制不能适应交通流的变化, 而多段式控制的最佳绿灯时间整定困难的缺点, 将定时控制加以改进, 得到一种较好的控制方法, 称之为“感应定时信号控制”, 其工作原理如下:交通控制机工作于感应信号控制方式时, 记录每个周期各相位的实际绿灯时间, 并对其进行统计。若测得的实际绿灯时间变化很大, 则说明此时段该交叉口交通量不稳定, 宜采用感应信号控制方式; 若在规定的周期数内所测到的实际绿灯时间在给定的范围内波动, 则说明此时段车流量基本稳定, 宜采用定时信号控制方式, 控制机立即将系统切换为该运行方式, 其各相位最佳绿灯时间就是统计所得的实际平均值;同时继续记录和统计当前实际绿灯时间,当统计结果超过给定的允许范围时, 又切换到另一种新的运行方式或状态。这种控制方式既克服了感应信号控制方式不能用数字显示器显示当前灯色剩余时间的缺点和多段式定时控制方式最佳绿灯时间整定比较困难的缺点, 又具有能适应不同时段车流量的特点。3.6.2 红绿灯模糊控制一般的感应式控制是检测车辆数据, 通过分析做出下一时刻的配时方案, 即不是实时控制当前的交通信号, 而是要经过一定的延时。这样可能会造成“空等待”现象, 且需要编制较复杂的计算程序。因此我们设计了一种红绿灯模糊控制方案, 它能根据交叉口两个方向上车辆的动态状况, 自动判断红绿灯的时间间隔, 以保证最大车流量, 减少道口交通堵塞, 实现自动红绿灯的最佳控制。为了采集绿灯方向的车流量数据, 在十字路口的四个方向各安置两个压力传感器, 在“斑马线”近端的为近端传感器, 在距其50100米处为远端传感器。绿灯期间, 由近端传感器记录通过道口的车辆数量。将红绿交通灯自动系统每一方向的绿灯时间分成两部分: 其一为固定的10秒, 作为路口状态参数采集时间; 其二为根据当前状态, 由模糊逻辑决策的延时时间。最大延时时间是随道口交通情况而变化的, 假设为20秒, 结果每一方向绿灯间隔时间为1030秒。3.7 总体方案设计在控制方法方面, 定时控制虽不太适于交通流量有很大变化的交叉口的控制, 但能用数字显示器显示当前灯色剩余时间, 以便于驾驶员随时掌握自己的驾驶动作, 及时停车或启动。感应控制虽能适合各种交叉口的控制, 但不易联合控制, 又不便于数字显示器显示当前灯色剩余时间。为使控制机既适合各种交叉口, 又能在需要时联机控制, 因此在系统中同时采用两种控制方法。在相位方面, 四相位控制具有很高的安全性, 但只能在各种车道分离的交叉口使用, 且在轻交通流的情况下交通效率较低。二相位控制其安全性稍低, 但能在各种交叉口运行, 且交通效率高。因此, 为适应不同的实际情况, 在系统中选用二相位和四相位控制两种方式。在过去的交叉路口交通信号控制中，由于交叉路口车道窄，车流量较小，一般只采用两个相位，即两相制，如东西向放行，显绿灯，则南北向禁止，显红灯，这是第一相。第二相时，南北放行，显绿灯，东西向禁止通行，显红灯。在交叉路口几何特性一定的条件下，交叉路口的信号配时是提高交叉路口通行能力、减少车辆在交叉路口的排队延误和停车次数最为重要的决定因素。交叉路口的信号配时包括三个方面的内容：信号周期、绿信比和信号周期的起始时间。 而在现在的交叉路口控制中，由于车道加宽，车流量也比以前大大增加了，这时为了保障交通安全，及车流的顺利畅通，就需要再增加相位的设置，例如可增加适当的左转、右转相位，使每一方向的车流都可在通过交叉路口时不受其它方向车辆的干扰，提高了交叉路口的交通安全和通行率。但是相位又不能设置太多，如果太多，就会使单方向的车辆等待通过时间加长，造成交通堵塞。因此，根据交叉路口的车流量信息，相位的合理设置也是至关重要的环节。 本系统十字路口的相位及步伐设置为四相位：第一相位为东西向直行，禁止左转及南北直行；第二相位为东西左转，禁止直行及南北左转；第三相位是南北直行，禁止左转及东西直行；第四相位是南北左转，禁止直行及东西左转。而在这四个相位运行中，右转是不被禁止的，可以随时通过的。其相位方案见图3-3 第一相位 第二相位 4 控制系统硬件设计4.1 硬件系统设计的总体要求硬件的设计是在上述基础上进行设计的，是系统中的基础部分。总体设计要求是：满足系统要求的目标、复杂程度、可靠性要求和精度速度要求下，降低成本。来选择合适单片机，我国常用的单片机有intel公司和alter公司的mcs-51系列和at51系列单片机。在硬件电路设计中，还应该设计出各外围接口电路，存储器扩展电路等。4.2 系统的组成本系统采用单片机来控制交通信号灯，具有编程灵活、电路简单、工作稳定和功能多等特点，其硬件框图如图4-1所示。从各路车辆检测器采集过来的车流量经输入板，送入主板中的cpu进行分析处理、控制运算，并转化成控制策略，实现对路口交通信号的控制。在主板中我选用89c51单片机作为主处理器。 交通信号控制机的硬件电路主要有主板、交通信号输出板、车辆检测输入板、通信板、键盘及显示板。主板是整个交通信号控制机的硬件核心，它通过对各个电路板的操控，来实现交通信号控制机的各种功能；交通信号输出板是将主板发送过来的交通信号灯控制策略进行分析处理，将当前控制信息发送到交通灯信号驱动器，进而控制相应的交通信号灯；车辆检测输入板是将各路车辆检测器检测出的车流量信息依次送入主板中，使主板cpu能够制定出现实路口交通的控制；通信板是将主机与中央控制机联网通讯，进行联机控制，其采用89c51单片机作为主处理器，经rs-422c 串行通讯将通讯信息发送到路口基站，再由路口基站与中央控制机的远程通讯来实现路口基于中央机之间的数据传输；键盘及显示板主要由8155驱动器和单片机、led数码显示组成。4.3 该系统主要硬件该系统的主要硬件有核心控制系统cpu(89c51),交通信号灯驱动器74ls244,74ls373地址锁存器，8155芯片，光电藕合器件moc3041,时钟芯片mc146818，at89c2051单片机，摄像机等。4.3.1 主要芯片的性能介绍（1） 89c51基本介绍如下：内部程序存储器（flash）4k 字节外部程序存储器（rom）64k 字节内部数据存储器（ram）256 字节外部数据存储器（ram）64k 字节p0口：(p0.0p0.7)是一个8 位漏极开路双向输入输出端口，当访问外部数据时，它是地址总线（低8 位）和数据总线复用。外部不扩展而单片应用时，则作一般双向i/o 口用。p0 口每一个引脚可以推动8 个lsttl 负载。p2口：(p2.0p2.7)口是具有内部提升电路的双向i/o端口(准双向并行i/o 口)，当访问外部程序存储器时，它是高8 位地址。外部不扩展而单片应用时，则作一般双向i/o 口用。每一个引脚可以推动4 个lstl 负载。p1口：(p1.0p1.7)口是具有内部提升电路的双向i/o端口(准双向并行i/o 口)，其输出可以推动4 个lsttl 负载。仅供用户作为输入输出用的端口。p3口：(p3.0p3.7)口是具有内部提升电路的双向i/o端口(准双向并行i/o 口)，它还提供特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部随机存储器内容的读取或写入控制等功能。其特殊功能引脚分配如下：p3.0 rxd 串行通信输入p3.1 txd 串行通信输出p3.2 int0 外部中断0 输入，低电平有效p3.3 int1 外部中断1 输入，低电平有效p3.4 t0 计数器0 外部事件计数输入端p3.5 t1 计数器1 外部事件计数输入端p3.6 wr 外部随机存储器的写选通，低电平有效p3.7 rd 外部随机存储器的读选通，低电平有效vcc：at89c51 电源正极输入，接+5v 电压gnd：电源接地端xtal1：接外部晶振的一个引脚。在单片机内部，它是一反相放大器输入端，这个放大器构成了片内振荡器。它采用外部振荡器时，些引脚应接地。xtal2：接外部晶振的一个引脚。在片内接至振荡器的反相放大器输出端和内部时钟发生器输入端。当采用外部振荡器时，则此引脚接外部振荡信号的输入。rst：at89c51 的复位信号输入引脚，高电位工作，当要对芯片又时，只要将此引脚电位提升到高电位，并持续两个机器周期以上的时间，at89c51 便能完成系统复位的各项工作，使得内部特殊功能寄存器的内容均被设成已知状态。ale/prog：ale 是英文address latch enable的缩写，表示允许地址锁存允许信号。当访问外部存储器时，ale 信号负跳变来触发外部的8 位锁存器 (如74ls373)，将端口p0的地址总线(a0-a7)锁存进入锁存器中。在非访问外部存储器期间，ale 引脚的输出频率是系统工作频率的 1/16，因此可以用来驱动其他外围芯片的时钟输入。当问外部存储器期间，将以1/12 振荡频率输出。ea/vpp：该引脚为低电平时，则读取外部的程序代码 (存于外部eprom 中)来执行程序。因此在8031 中，ea 引脚必须接低电位，因为其内部无程序存储器空间。如果是使用at89c51或其它内部有程序空间的单片机时，此引脚接成高电平使程序运行时访问内部程序存储器，当程序指针pc 值超过片内程序存储器地址(如8051/8751/89c51 的pc 超过0fffh)时，将自动转向外部程序存储器继续运行。此外，在将程序代码烧录至8751 内部eprom、89c51 内部falsh 时，可以利用此引脚来输入提供编程电压（8751 为2lv、at89c51 为12v、8051 是由生产厂方一次性加工好)。psen：此为program store enable的缩写。访问外部程序存储器选通信号，低电平有效。在访问外部程序存储器读取指令码时，每个机器周期产生二次psen 信号。在执行片内程序存储器指令时，不产生psen 信号，在访问外部数据时，亦不产生psen 信号。（2） at89c2051芯片介绍：at89c2051单片机是一种高性能、低电压的八位cmos微型机。内带2k字节的闪存和可擦可编程的rom。它具有20个引脚。p1端口是标准的双向i/o口，p1端口的缓冲器可以收20ma的电流，可以直接驱动led数码管显示。主要功能特性：兼容51系列单片机指令15个双向i/o口时钟频率024m2.76v的宽工作电压可直接驱动led数码管低功耗睡眠功能2k可反复擦写flash rom（3） 8155芯片介绍：intel 8155芯片内含有256个字节ram，2个8位、1个6位的可编程并行i/o口和1个14位定时器/计数器。8155可直接与8051单片机连接不需要增加任何硬件逻辑。由于8155既有ram又具有i/o口，因而是89c51单片机系统中最常用的外围接口芯片之一。8155共有40个引脚，采用双列直插式封装。 8155内部结构包括两个8位并行输入/输出端口，一个6位并行输入/输出端口，128个字节的静态随机存取存储器ram，一个地址锁存器，一个14位的定时器/计数器以及控制逻辑电路，各部件和存储器地址的选择由io/m信号决定。各引脚功能如下：ad7ad0：地址数据总路线。单片机和8155之间的地址、数据、命令、状态信息都是通过它传送的。/ce：片选信号线，低电平有效/rd：存储器读信号线，低电平有效/wr：存储器写信号线，低电平有效ale：地址及片选信号锁存线，高电平有效，其后沿将地址及片选信号锁存到器件中。io/m：i/o接口与存储器选择依赖线，高电平表示选择i/o接口，低电平选择存储器。pa7pa0：a口输入/输出线pb7pb0：b口输入/输出线pc5pc0：c口输入/输出或控制信号线。用作控制信号线时，其功能如下：pc0：a intr（a口中断信号线）pc1：a bf（a口缓冲器满信号线）pc2：/astb（a口选通线）pc3：b intr（b口中断信号线）pc4：b bf（b口缓冲器满信号线）pc5：/bstb（b口选通线）timer in：定时器/计时器输入端/timer out：定时器/计数器输出端reset：复位信号线vcc：5v电源vss：地当io/m0（低电平）时，表示ad7ad0输入的是存储器地址，寻址范围为00hff。当io/m1（高电平）时，表示ad7ad0输入的是i/o接口地址。（4） 时钟芯片介绍： mc146818芯片是用于各类微处理器和单片机系统的时钟集成电路。该芯片是24脚封装的cmos型集成电路，它具有50个字节的低功耗静态ram,具有完备的时钟、年、月、日、时、分、秒和润年自动补偿及百年历、还具有12/24小时与am/pm的十二小时转换等功能，可向系统提供年、月、时、分、秒。引脚功能介绍：vdd:电源线，可以为36v；vss:地线，信号、电源线；mot:单片机类型选择线，当接vdd时，表示选择motorola总线时序；当mot接 vss时,选择intel类总线 osc1、osc2：时间基准输入线，可接外部信号源或晶振。在时钟电路中一般接32.768khz的晶振。ckfs:时钟频率输出选择线，当ckfs接vdd时，ckout引脚输出频率为晶振频率。当ckfs接vss时，ckout引脚输出频率为晶振频率的1/4；ckout:时钟输出线sqw:方波输出线ad0ad7:双向地址/数据总线as/ale:地址锁存线ds/rd:读写信号r/wr:写信号线cs:片选信号线irq:中断请求线 intreset:复位信号线ps:电源检测信号线，用来控制寄存器d的vrt位stby:掉电检测线,当此线为低时，禁止访问芯片，这有利于电池供电。由于mc146818采用高速cmos工艺，对32.768khz晶振频率，当vdd为5v时，消耗电流为50ua，因此可以采用后备电池方式，以确保主电源失电后，时钟仍然正常工作。（5） 74ls244芯片介绍： 该芯片为单向八同相三态缓冲/线驱动器。它有两个控制端1g和2g，分别控制1a1-4和2a1-4两组（每组四位）驱动器。摄象机：该车辆监控摄像系统摄像机采用led补光型智能摄像机， 其主要性能为： 专为交通监控应用设计，可拍摄监控车辆包含清晰车牌号码的高质量图像信息。包括一体化摄像机、防护罩、 led辅助光源、控制芯片、开关电源等部分。有强光抑制、功耗低、寿命长、不晃眼、不产生反射眩光的高品质补光效果。 成像器件：1/4super had ccd 水平分辨率： 480线变倍： 22倍光学变倍，8倍电子放大电源： dc9vdc15v拍摄距离可达到 16-30米4.3.2 整个系统的组成框图针对道路交通拥挤，交叉路口经常出现拥堵的情况。利用单片机控制技术提出了软件和硬件设计方案及两点改进措施： (1) 根据各道路路口车流量的大小自动调节通行时间。 (2) 考虑特殊车辆通行情况，设计紧急切换开关。由于at89s51单片机自单带有2计数器，6个中断源，能满足系统的设计要求。用单片机设计不但设计简单，而且成本低，用其设计的交通灯也满足了要求，所以本文采用单片机设计交通灯，系统构图如图1所示：图4-1 系统组成框图4.3.3 交通灯cpu主控和存储部分系统原理框图 图4-2 系统原理框图4.4 驱动电路的设计由于十字路口sn(南北)和we(东西)方向路口各有相同的四盏灯，只需要四个功率开关，两个方向只用八个功率开关，用p1口作为输出口，输出数字量来达到控制功率开关，从而来控制交通灯的目的。选用光电隔离和双向大功率可控硅作为功率开关。驱动器选74ls244，该驱动器为八同相三态单相驱动器。同时再利用三八译码器扩展p1口，用来控制摄像机的开启和关闭。表4-1 逻辑功能表2g 1g 功 能001a1-4 1y1-4 2a1-4 2y1-4011a1-4 三态 2a1-4 2y1-4101a1-4 1y1-4 2a1-4 三态111a1-4 2a1-4 三态 p1口的八个输出，通过74ls244驱动器后，使发光二极管发光，通过光电藕合器件moc3041驱动。它可以将交流高压和单片机低压系统进行电气隔离，提高装置的抗干扰能力；该器件是双向可控硅的配套控制产品，输入端驱动电流为15ma，所以单片机的输出需经74ls244驱动。moc3041的输出端是带有过零触发控制器的硅光敏双向可控硅，它直接接入交流220v的工作电流，能触发大功率的双向可控硅triac器件的通断；光电藕合器中的过零检测器可以保证在工作电压为零时触发双向可控硅triac。图中r、c为吸收电路，可用于防止感性负载时，与电流不同步的过电压；my是双向稳压管，可防止交流电路中出现的雷电和操作过电压。驱动部分电路图4-3。 图4-3 驱动电路4.5 键盘及显示电路使用89c51的p0和p2口利用8155驱动6个led数码显示器和十个键的键盘，led用于显示交通灯的状态及时间，各个路口的剩余时间显示经串行通信后到at89c2051输出驱动led显示剩余时间。键盘用于设置交通路口各灯的延长时间。显示器用动态扫描的方式，8155的a口输出数字量，经驱动器后，作为灯的段选；8155的c口输出经反向器后作为位选。图4-4 键盘及显示电路 键盘为非编码键盘，由6*2的矩阵组成，pb0和pb1为行输入，pc0pc5为列扫描线。各键的定义如下：按 键名称功 能 描 述k1k2k3k4k5k6k7k8k9k10modesnwerygl+-设置方式南北操作东西操作操作红灯操作黄灯操作绿灯操作左拐灯时间加时间减备用表4-2 键盘功能定义 显示器的各位功能定义：图4-5 显示器个功能位4.6 时钟电路的设计本系统的实时时钟电路采用一片mc146818实时时钟电路芯片，该芯片是24脚封装的cmos型集成电路，它具备完备的时钟、年、月、日、时、分、秒和润年自动补偿及百年历等功能，可向系统提供年、月、时、分、秒。其主要特点是：(1) 低功耗。工作电压为36v，工作电流小于50a,振荡时钟频率为3.2mhz.(2) 芯片内部含有可以借给用户的50个字节的静态ram,用于长期保存时间设置。mc146818与89c51的连接如图4-6： mc146818的d0d7是双向数据/地址总线，用于访问芯片内部的各控制存储器及静态ram。电源用两部分电源，当系统正常工作时，+5v的主要电源向cpu及mc146818供电，同时向3.6v可充电电源b1充电；当系统断电后，后备电池b1向mc146818供电，保证实时时电路的不间断工作。为减小系统掉电后时钟芯片的功耗，利用使能端ce,该引脚是进入mc146818内部总线环的控制端，当cpu对芯片读写操作时，该引脚为低电平；当ce引脚置高电平时，使多功能总线端输出为高阻，且cpu系统的所有总线输入：地址总线，数据总线， as和r/w等的输入端都不与mc146818的内部电路连接，从而达到节电的目的。上电时，必须使时钟芯片的ps引脚在plh时间的低电平，以建立一个过渡状态。上电后，应升高ps引脚电平到vcc，以允许通过读写存储器把vrt置位。将时钟芯片的ad0ad7与单片机p0口数据/地址复用总线相连，并将单片机的ale、wr、rd、int1信号线一一对应接到时钟芯片的引脚上，即可完成硬件接口