《基于单片机的十字路口交通灯控制器的设计》开题报告

毕业设计(论文)开题报告题 目: 基于单片机的十字路口交通灯控制器的设计 院系名称：电气工程学院 专业班级： 自动F0704 学生姓名： 臧威 学 号： 20074280403 指导教师： 刘林芝 教师职称： 副教授 2011年 3 月7 日开题报告填写要求1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效。2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见。3“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于15篇（不包括辞典、手册）。4有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 740894数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2006年11月20日”或“2006-11-30”。毕业设计（论文）开题报告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写20004000字左右的文献综述：文 献 综 述1. 交通灯的由来19世纪初，在英国中部的约克城，红、绿装分别代表女性的不同身份。其中，着红装的女人表示我已结婚，而着绿装的女人则是未婚者。后来，英国伦敦议会大厦前经常发生马车轧人的事故，于是人们受到红绿装启发，1868年12月10日，信号灯家族的第一个成员就在伦敦议会大厦的广场上诞生了，由当时英国机械师德哈特设计、制造的灯柱高7米，身上挂着一盏红、绿两色的提灯-煤气交通信号灯，这是城市街道的第一盏信号灯。在灯的脚下，一名手持长杆的警察随心所欲地牵动皮带转换提灯的颜色。后来在信号灯的中心装上煤气灯罩 ，它的前面有两块红、绿玻璃交替遮挡。不幸的是只面世23天的煤气灯突然爆炸自灭，使一位正在值勤的警察也因此断送了性命。从此，城市的交通信号灯被取缔了6。直到1914年，在美国的克利夫兰市才率先恢复了红绿灯，不过，这时已是“电气信号灯”。稍后又在纽约和芝加哥等城市，相继重新出现了交通信号灯。不久，红黄绿交通灯的出现了。随着各种交通工具的发展和交通指挥的需要，第一盏名副其实的三色灯(红、黄、绿三种标志)于1918年诞生。它是三色圆形四面投影器，被安装在纽约市五号街的一座高塔上，由于它的诞生，使城市交通大为改善。红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通行”。 而中国最早的马路红绿灯，是于1928年出现在上海的英租界9。交通灯与交通工具密不可分。从最早的手牵皮带到20世纪50年代的电气控制，从采用计算机控制到现代化的电子定时监控，交通信号灯在科学化、自动化上不断地更新、发展和完善。信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。1968年，联合国道路交通和道路标志信号协定对各种信号灯的含义作了规定。绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以直行，左转弯和右转弯，除非另一种标志禁止某一种转向。左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。红灯是禁行信号，面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车。黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线，但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。此后，这一规定在全世界开始通用。2. 十字路口交通灯的重要作用交通运输是城市功能活动的命脉，它直接影响社会经济、生产与生活的各个方面。在世界范围内，随着人口密度高速增长，城市化的脚步不断加快，交通问题同渐严重。尤其在国际性大都市，拥挤的交通造成了巨大的能源损失，环境污染，也给人们的生活带来了巨大的困扰。在我国，这个情况尤为突出，我国是全世界中，城市化、工业化、机动车增加速度最快的国家，人们在尽情享受由机动车辆所带来的巨额利润以及汽车所带来的巨大便利的同时，也越来越受交通拥堵、交通环境恶化等问题的困扰。 就以我国为例，仅2003年就有交通事故667507起，造成104372人死亡，494174人受伤，直接经济损失高达337亿元。目前，我国平均每一分钟就有1人因交通事故受伤，每五分钟就有1人交通事故死亡。同时，由于交通的阻塞和拥挤，对全球的经济带来了巨大的影响。在英国，一个大约具有100个平面交叉口的城市内，每年由于车辆延误造成的经济损失就为1400万英镑。在我国，百万人以上的大城市每年由于交通拥挤造成的经济损失估计约1600亿人民币，相当于我国国内生产总值的32。而且，城市交通问题还派生出了其他的城市问题。例如，城市生态环境状况也不容乐观，交通工具排放的废气己经成为破坏大气环境的重要污染源头。严重的环境污染不仅导致了高昂的经济和环境成本，而且对公共健康产生了损害。同时由于交通设施建设的需要，土地资源正以每年2-3的速度不断减少，更是加重了污染的严重程度。合理的交通控制方法能有效的缓解交通拥挤、减少尾气排放及能源消耗、缩短出行延时，改善我国独有的交通问题。平面交叉口是城市交通的关键，它是整个城市道路的瓶颈地带，对其进行交通信号控制方法的研究具有重大意义。3. 城市十字路口交通控制系统及交通信号控制类型（1）交通控制系统概述从上世纪60年代开始，世界各国开始研究控制范围较大的信号联动协调控制系统，以解决信号配时的优化问题。在众多的交通信号控制系统中，比较成功的有TRANSYT、SCOOT、SCATS、RHODES等1。TRANSYT系统是当今世界上最负盛名的信号配时优化设计程序。最初版本是由英国道路运输研究所（TRRL）于1968年研究成功。TRANSYT是一种脱机操作的定时控制系统，主要由仿真模型和优化模型两部分组成。建立交通仿真模型的目的是用数学方法模拟车流在交通网络上的运行状况，研究配时参数的改变对交通流的影响，以便客观的评价任意一组配时方案的优劣。将交通流信息和初始配时参数作为原始参数，通过仿真得到系统的性能指标作为配时的优化目标函数，用“爬上法”进行优化，产生比初始配时更优越的新配时方案，再把新的信号配时输入到仿真部分，反复迭代，最后得到性能指标值达到最小的信号配时方案。经过30多年的不断发展，已成为区域交通控制方案优化设计的强有力工具，因而被世界许多城市使用。实践证明，使用该系统带来的社会经济效益是很显著的3。TRANSYT也存在不足之处：一是TRANSYT的计算量很大，当网络较大时，这一问题更加突出；二是TRANSYT的优化问题本质上是一个数学规划问题，如何找出全局最优解理论上还没有彻底解决，仍需不断探索；三是作为一种离线化的优化方法，TRANSYT需要大量的网络几何尺寸和交通流信息，需要大量的人力和时间来采集数据。SCATS系统是由澳大利亚新南威尔士道路和交通局于20世纪70年代末研究成功的，它属于响应式联机操作系统，从1980年起陆续在悉尼等城市安装使用。它把信号周期、绿信比和相位差作为各自独立的参数分别进行优选，优选算法以饱和度和综合流量为主要依据。优化过程没有利用数学模型，而是在各种预定的方案中进行优选，方法简单，但配时方案的数量有限。SCOOT系统是20世纪70年代初英国运输和道路研究所与3家公司联合在TRANSYT基础上研究出的一种自适应控制系统2。该系统于1975年在英国哥拉斯哥进行现场实验，取得了较好的效果，与TRANSYT相比，可减少12的平均车辆延误时间。SCOOT是一种对交通信号网络实行实时协调的自适应控制系统，采用小步长渐进寻优方法，无需过大的计算量15。在优化过程中，配时参数随着交通需求的改变而作频繁的适量调整，通过频繁调整的连续累计来适应一段时间内交通的变化趋势，在避免因配时突变引起车流不稳定的同时，大大简化了优化算法，从而可以实现实时运算的自适应控制。RHODES系统是由美国亚利桑那州大学今年来开发成功的5，它充分利用通信、控制、系统工程、运筹学和数值计算等方面的最新技术，通过预测模型预先获得交通流的必要信息，并对其提前做出有效地响应，经过现场测试证明该系统对半拥挤的交通网路比较有效。交通系统是一个大的延时系统，要实时响应交通流的随机变化，必须提前知道其变化并及时做出响应。智能交通系统（ITS）是为了改善交通系统的运行情况，提高交通效率及安全性，减少交通事故，降低环境污染，综合运用先进的信息通信、网络、自动控制、交通工程等技术，建立起来的一个智能、安全、便捷的综合交通体系。智能交通有许多分支，如交通信息服务系统、城市公共交通系统等11。智能信号交通灯控制是其中的一个重要分支，是城市交通控制和疏导的主要手段。平面交叉路口是道路的基本组成部分，是最容易出现交通拥挤的区域，因此交叉路口通行能力的优化是解决城市交通问题的重要环节，交通信号灯又是交叉路口比不可少的交通控制手段。（2）交通信号控制类型城市交通信号控制有多种方式，其分类也有很多种。按其控制范围又可分为：点控、线控、和面控10。其中点控方式是指道路交叉口的信号灯各自互不相关的独立运行的方式。线控是指把干路上的交叉路口的信号机在时间上连接起来进行协调控制，则可以形成一条绿波带，减少了干线上车辆的停车次数和行车延误。面控是对某一大面积道路网上的多台信号机采用集中控制的方式。按控制原理划分：定时控制、感应控制和自适应控制。定时控制以历史的交通流的统计值为依据，找出每个日/周和时/日交通流变化的规律，用人工方法和计算机仿真方法预先准备好不同日/周不同时间区段（时段）所使用的配时方案（即一组周期、绿信比和相位差所组成的控制参数组合），采用程序存储方式将这些配时方案存储在信号控制器或中心计算机中14。在实施信号控制时可以用不同的方式调用这些配时方案。在交通灯的通行与禁止时间控制显示中，通常要么东西、南北两方向各50秒；要么根据交通规律，东西方向60秒，南北方向40秒，时间控制都是固定的。交通灯的时间控制显示，以固定时间值预先“固化”在单片机中，每次只是以一定周期交替变化。但是，实际上不同时刻的车辆流通状况是十分复杂的，是高度非线性的、随机的，还经常受认为因素的影响。采用定时控制经常造成道路有效应用时间的浪费，出现绿灯方向车辆较少，红灯方向车辆积压。感应控制根据车辆检测器测量的交通数据调整相应的绿灯时间的长短和时间顺序，以适应交通的随机变化。但是却不像定时控制，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。适用于饱和度较低的交叉路口或各向交通流相差较大的交叉路口的控制，特别是交通流没有明显的变化规律，随机性较强的时候效果更为明显。当各向交通流接近其允许的通行能力时，绿灯时间经过调整必然接近各方向允许的最大绿灯时间，这与定时控制并无区别。自适应控制在一条干线或一个区域，根据交通流的动态的随机变化而自动地调整信号控制参数，使控制系统自动地适应交通流的随机变化，这种控制方式就是自适应交通控制方式。参考文献1 刘智勇.智能交通控制理论及其应用M.北京：科学出版社.20082 史忠科，黄辉生等.交通控制系统导论M.北京：科学出版社.20073 陆化普.智能运输系统M.北京：人民交通出版社.20104 余发山. 单片机原理及应用技术.徐州:中国矿业大学出版社.20075 朱善君,孙新亚,吉吟东. 单片机接口技术与应用.北京:清华大学出版社,20086 边海龙，孙永奎. 单片机开发与典型工程项目实例详解J.电子工业出版社，20087 王为青，邱文勋. 51单片机开发案例精选J.人民邮电出版社，20098 张鑫，华臻，陈书谦. 单片机原理及应用J.电子工业出版社，20089 张洪润，张亚凡.单片机原理及应用J. 清华大学出版社，200610 Cirstea M vector control system design and analysis with a single chip. Power Electronics Specialists Conference, IEEE 32 th, 2001:. 81-84. 11 Se Jin Kim.ASIC design for DTC based speed control of induction motor C.Proceedings IEEE International Symposium on Industrial Electronics,2001:956 -961.12 张毅坤. 单片微型计算机原理及应用，M西安电子科技大学出版社 200713 余锡存 曹国华.单片机原理及接口技术M.陕西:西安电子科技大学出版社,2000.714 蒋万君 .在论循环时序电路的简便设计J .机电一体化，200615 何立民.单片机应用技术大全.北京：北京航空航天大学出版社，2008.毕业设计（论文）开题报告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：1. 本课题的研究目的和任务：本课题的目的是研究设计一个十字路口交通灯的控制器系统。交通是当今世界上一大热门课题，也是世界上多发性灾害中发生频率较高的一种灾害，它给人们带来便捷的服务，也威胁着人们的生命安全，是世界各国人民所面临的一个共同的问题。随着社会的日益进步，人民的生活质量也很大部分的提高，人们出行的安全问题也成了重要话题。因此，如何防止交通事故，保护人们的出行安全，减少伤亡成了至关重要的问题。而十字路口是交通事故最多发生的地点，十字路口车辆穿梭，行人熙攘，车行车道，人行人道，有条不紊。那么靠什么来实现这井然秩序呢？靠的就是交通信号灯的自动指挥系统。因此本课题设计基于MSC-51系列单片机ATSC51的十字路口交通灯控制器，以使城市交通安全畅通。本课题对此控制系统所要实现的控制功能要求如下：(1) 能根据实际车流量通过8051芯片的P1口由键盘电路设置红、绿灯燃亮时间的功能。(2) 红绿灯循环点亮并倒计时显示，倒计时剩5秒时黄灯闪烁警示（交通灯信号通过8255的PA口输出至LED管显示，显示时间直接通过8255的PC口输出至双位数码管）。(3) 车辆闯红灯报警。由红外对管检测器检测闯红灯车辆，并通过蜂鸣器进行报警。(4) 绿灯时间可通过红外对管器检测出车流量，并可通过双位数码管显示。(5) 通过设置“看门狗电路”来防止单片机死机，提高单片机系统的抗干扰性。2. 本课题拟采用的研究手段（途径）和可行性分析 (1) 系统采用了模块化的总体结构设计,依据实现的各种功能，把整个系统分成几个功能模块，使得系统简洁明了。同时使得系统程序可读性加强，方便程序的完善和修改。各模块之间联系紧密，共同构成完整的系统。(2) 控制器设计首先要了解实际交通灯的变化规律，一个十字路口为东西南北走向，在东西、南北红黄绿灯的变化交替要采用延时技术，一般交通信号灯控制程序中使用软件延时,软件延时是靠执行一个循环程序以进行时间延迟。 软件定时的特点是时间精确,且不需