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                    交通燈控制電路畢業設計--單片機實時控制交通信號機的設計及實現

                    添加時間:2020/06/15 來源:中國海洋大學 作者:王琰琰
                    本文研究基于單片機的實時控制交通信號機的設計及實現問題。本文所設計的交通燈控制器具有模糊控制、分段定周期控制、手動控制三種信號控制方式選擇,以及違規行為檢測一記錄、故障緊急處理、可由用戶自行進行參數設置等功能。
                    以下為本篇論文正文:

                    摘要

                      近年來隨著經濟的飛速發展,我國機動車數量急聚增加,道路擁擠、阻塞現象及交通事故常有發生,如何解決城市交通問題成為全社會關注的焦點。交通燈是城市交通中的重要指揮系統,它與人們日常生活密切相關。隨著人們生活水平的提高,對交通管制也提出了更高的要求,因此提供一個可靠、安全、便捷的交通燈控制系統有著現實的必要性。

                      本文研究基于單片機的實時控制交通信號機的設計及實現問題。本文所設計的交通燈控制器具有模糊控制、分段定周期控制、手動控制三種信號控制方式選擇,以及違規行為檢測一記錄、故障緊急處理、可由用戶自行進行參數設置等功能。主要研究內容如下:

                      1、分析了國內外道路交通管理現狀,根據目前交通信號控制系統的現狀確定了基于單片機的交通燈控制器的總體設計方案。分別分析了本實時控制交通信號機的分段定時控制配時方式,模糊控制配時方式及手動控制方式。

                      2、根據系統交通控制方案對交通信號機的硬件進行選型,設計了交通信號機的控制面板、系統電源、主控模塊、燈控模塊、倒計時顯示模塊以及車輛視頻檢測單元等。

                      3、根據硬件系統設計和系統控制要求,完成了交通燈控制器軟件系統的開發設計。設計了系統的主程序以及手動控制、模糊優化控制、控制面板及顯示、串行通訊、系統倒計時顯示以及故障診斷及保護等程序模塊。對設計完成的交通燈控制系統性能進行測試,介紹了系統硬件單元電路測試和軟件調試過程。

                      關鍵字:單片機,交通燈,智能交通,車流量檢測

                    實時控制交通信號機

                    abstract

                      In recent years, with the rapid development of economy, the number of motor vehicles in China has increased rapidly, and the phenomenon of road congestion and traffic accidents often occur. How to solve the urban traffic problem has become the focus of the whole society. Traffic light is an important command system in urban traffic, which is closely related to people's daily life. With the improvement of people's living standards, traffic control is also put forward higher requirements, so it is necessary to provide a reliable, safe and convenient traffic light control system.

                      This paper studies the design and implementation of real-time traffic signal based on single chip microcomputer. The traffic light controller designed in this paper has three signal control modes: fuzzy control, periodic control and manual control, as well as the functions of violation detection record, fault emergency treatment, parameter setting by users themselves. The main research contents are as follows:

                      1. This paper analyzes the current situation of road traffic management at home and abroad, and according to the current situation of traffic signal control system, determines the overall design scheme of traffic light controller based on MCU. This paper analyzes the time allocation mode of the real-time traffic signal control, including the time allocation mode of subsection timing control, the time allocation mode of fuzzy control and the time allocation mode of manual control.

                      2. According to the system traffic control scheme, the hardware of the traffic signal is selected. The control panel, system power supply, main control module, light control module, countdown display module and vehicle video detection unit of the traffic signal are designed.

                      3. According to the requirements of hardware system design and system control, the development and design of traffic light controller software system are completed. The main program of the system and the program modules of manual control, fuzzy optimization control, control panel and display, serial communication, system countdown display, fault diagnosis and protection are designed. The performance of the designed traffic light control system is tested, and the process of hardware unit circuit test and software debugging is introduced.

                      Key words: SCM, traffic lights, intelligent transportation, traffic flow detection

                      目錄

                      1引言

                      隨著我國經濟的高速發展,私人汽車的擁有量急劇增加,使得我國機動車保有量持續快遠增長。據統計,我因民用汽車擁有量從1949年底的5. 09萬輛增長到2008年底的5099. 61萬輛。其中私人汽車擁有量已經達到3501. 39萬輛。

                      在2009年,中國汽車市場全年的產銷超過1300 萬輛,增長在40%以上。因此,隨著機動車保有量的增加,我國的大多數城市都已面臨嚴重的交通擁堵問題。

                      目前我國各地區政府部門對解決交通擁堵問題大多采用:

                      1.控制機動車日上路行駛數輛及提高用車成本,限制機動車保有量。

                      如北京市交管部門從2009年4月開始實施按尾號"每周限行-天"的辦法。

                      然而,隨著汽車保有量的迅速擴大。尾號限行的效果越來越不明顯。根據相關部門的統計,目前北京路網早、晚高峰的平均車速仍只有每小時24. 2公里和20.1公里。如果不采取措施,到2015年北京高峰期間路網的平均車速將降至每小時15公里。

                      2、拓寬公路,增加車道。

                      現在我國的大中小城市都在進行城市建設,但大多數城市因原城市格局的限止?晒┬藿访娼煌ǖ目臻g是極其有限的。

                      3.修建地鐵及發展公共交通。

                      修建地鐵衢花費巨額資金且修建時間長、疆射面窄,因此修建地鐵對于中小城市來說不適合。大力發朋公共交通是解決交通擁堵問題的途徑之一,但公共交通總是有一定的局限性。

                      4、大力發展智能交通系統ITS(Intelligent Transportation Systems)現在北京、上海等大城市已經采用智能交通系統(ITS)進行城市交通管制,已收到了一定的成效。但建立及維護整套的智能交通系統需大量資金支持,技術實現復雜。因此目前在我國的中小城市還不能做到建立一套完整的智能交通系統。

                      上述的幾種方法從一-定程度上都可緩解交通壓力。但綜合考慮我國中小城市的情況,因此開發小型的實時交通燈控制系統。即提高了當前中小城市交通網絡的運行效率,可從根本上解決A益r重的交通問題,又為以后的智能交通系統的建立打下基礎。

                      1.1交通信號燈的發展歷程

                      1868年,安裝于英國倫敦戚斯脫皺特地區的指示燈是最早的交通信號燈,它只有紅綠兩種顏色。當時信號燈的出現就是為了緩和交叉路口的交通擁擠和減少交通事故。隨后人們發覺適當地調整信號燈各相位的長知及比例,才能提高交叉路口的交通效率,山此開始進入了優化信號配時(信號燈最優控制)的時代。1918年在美國的鹽湖建立的綠波系統,就是世界上第一一個具有此功能的交通信號燈控制系統,這種定周期的交通信號燈是交通信號燈控制系統的第- -代。

                      1959年,隨著計算機技術的發展。加拿大多倫多市開始了對計算機控制交通信號燈的研究。1964年多倫多成了世界上第-一個用計算機控制交通信號系統的城市,信號燈計算機集中控制是交通僧號燈控制的第二代".

                      目前世界上最先進的第三代交叉口控制系統自適應交通控制系統,就是把一個區域的交通網絡作為一個不確定性系統,實時連續測量其狀態數據。如車流量、停車次數、延誤時間、隊列長度等,逐漸了解和掌握對象,通過計算機對各信號計時進行優化,把它們與希望的動態特性進行比較,并根據差值改變系統的可謂參數或產生-個配時方案,從而保證不論環境如何變化,均可使控制效果達到最優或次優"義縱觀信號燈的發展歷史交通控制系統的功能由最初的簡單化到如今的復雜化,并且隨著科學技術的發展,為了解決A益嚴峻的城市交通問題它還會不斷的發展前進。

                      1.2國內外研究及發展現狀

                      隨著人工智能在控制技術方面的廣泛運用,智能設備高速發展,并發展到了各行各業,使我們進入了一個自動化時代。

                      智能控制的提出是為了解決現代工業系統的復雜性,不確切性以及高性能委求等問題,因雨,具有常規控制方法所沒有的一-些新的特點。 在信總處理結構方面,智能控制系統具有復合型的信息處理結構,能處理數值的、符號的、定量的、定性的、確定性的和模糊的信息,并具有多層次的信息處理結構"".

                      20世紀70年代隨著微控技術的發展,一些發達國家開始研究-種無需人為干預就能獨立地驅動的交通控制系統,實現交通流的智能控制。減緩交通堵塞問題,現如今的交通控制系統的控制規模已從單個交叉路口的點控、單條干道的線控發展到對整個城市交通網絡的面控。即智能交通控制系統(1TS)".智能交通控制是當前世界上最先進的交通管理手段。

                      對智能交通系統(ITS)技術的研究,很多國家都非常重視,并進行了大量的研究。目前世界上主要有美國、日本、歐洲三大研究中心。日本是世界上第-個開始對ITS技術進行研究井進入實用化的國家,在二十世紀70年代就開始了對汽車交通綜合控制系統的研究。80年代以后,日本又進行了路車間通信系統和先進的汽車交通信息通信系統的研究,F在日本已經建立了較為完備的交通控制、信息服務等綜合體系,智能交通的功能應用已很高。美國對ITS的研究時間風不長,但投入的人力物力較大,美國的ITS技術研究主要是基于射頻通信,如今在智能交通控制系統研究領域已進入頂端水平。

                      當前世界上具有代表性的智能交通系統的產品及公司有"*小4:

                      美國ITERIS公司,它是一家專業開發信息技術、軟件及傳感器設備的公司。

                      ITERIS公司將信息技術。系統集成及傳感器應用融于遠程信息處理及交通運輸管理的解決方案之中。TERIS公司早在1990年便涉足于ITS行業,開發出-一系列用于解決當前智能交通問題的、開放性的解決方案,其中Vantage系列產 品便是其中之-.Vantage視頻交通數據采集系統。是專門為解決交通數據采集工作設計的。

                      Vantage采用了先進的數字視頻技術,它除了能夠融入于道路交通數據采集系統,還能夠無縫的整合到感應式+字路口信號燈控制系統、電子曾察抓拍系統等方面。目前,Vantage視頻車輛檢測器全球已有30 000個運用案例。

                      比利時TRAFICON路暢通公司,它在1982年就開始著手有關研究,到現在為止已經有超過1000個TRAFICON系統在世界各地被安裝使用。主要在歐洲、美國、東南亞以及中國的大城市如:北京、上海和深圳等。TRAFI0ON路暢通公司主要 是通過與當地的系統集成商合作,出系統集成商去集成系統。TRAFICON公司的主要產品是TRAFICON VIP視頻監控系統。

                      澳大利亞新洲道路管理局(RTA)的交通管理中心(TMC)開發的SCATS (最優自動適應交通控制系統),著名的SCATS系統在澳大利亞幾乎所有城市都有使用。

                      目前在上海,深圳也有使用。SCATS系統的優點是其自動適應交通條件變化的能力通過大量設在路上的地埋位置線圈磯感應傳感器隨時獲取道路車流信息,SCATS系統能夠計算旅行時間并對交通網的運行情況進行判斷。

                      我國的ITS研究和實施開始較晚。進入上世紀90年代。隨著我國交通問題的不斷擁現,因此我國加快了對智能交通系統的研究。一方面,北京、上海、廣州等大城市引進了國外的智能交通控制系統產品:另-方面,在交通部的組織下,我國交通運輸界的科學家和工程技術人員開始跟蹤ITS技術,進行自主開發研究。

                      現在,我國已經把智能交通系統的研究放在"國家自然科學基命"的重要位置。

                      在"十五"期間,由科學技術部牽頭,國家智能交通系統工程技術研究中心承擔、全國20余所高校和研究所參與的國家重大攻關項目"ITS體系框架"和"ITS標準體系及關鍵標準制定"已經通過國家鑒定。這將為我國順利實施1ITS打下良好的基礎".由于國家政府部門對ITS研究的重視,還有系統產業化所帶來的巨大利潤。在社 會效益和經濟效益的雙重作用下,國內一些IT公司和交通工程公司也開始參與研究,并開發生產出了產品。

                      1.3本文研究內容

                      本文主要利用模糊控制技術和單片機技術與傳統城市交遇控制系統相結合的方式來實現交通燈的智能控制。本文主要研究內容安排如下:

                      第1章,分析國內外道路交通管理現狀,根據目前交通信號控制系統的現狀確定基于單片機的交通燈控制器的總體設計方案。

                      第2章。通過對交通信號控制的基本參數及基本方式的理論分析,確定本實時控制交通信號機的三種控制方式,即分段定時控制配時方式,模糊控制配時方式及手動控制方式。

                      第3章,根據系統交通控制方案對交通信號機的硬件進行選型,設計交通信號機的控制面板、系統電源、主控模塊、燈控模塊、倒計時顯示模塊以及車輛視頻檢測單元等。

                      第4章,根據硬件系統設計和系統控制要求,完成交通燈控制器軟件系統的開發設計。設計系統的主程序以及手動控制、模糊優化控制、控制面板及顯示、串行通訊、系統倒計時顯示以及故障診斷及保護等程序模塊。

                      第5章,對設計完成的交通燈控制系統性能進行測試,介紹系統硬件單元電路測試和軟件調試過程。

                      1.4本章小結

                      本章首先通過對我國城市交通形勢的介紹,指出當前我國城市道路交通問題的緊迫性。通過分析國內外道路交通管理現狀,強調了運用高科技手段解決道路交通問題的必要性和重要性。另外本章介紹了國內外交通信號控制系統的發展及研究現狀,以及本課題的研究內容。






                      2城市交通信號控制系統方案設計
                      2.1交通信號控制的基本參數
                      2.2交通信號控制的基本方式
                      2.3智能交通控制方案設計
                      2.3.1.總體方案設計
                      2.3.2分段定時控制配時方式
                      2.3. 3模糊控制配時方式
                      2.3.4手動控制方式
                      2.4本章小結

                      3控制系統硬件設
                      3.1硬件系統設計方案
                      3.2硬件電路設計
                      3.2.1 電源電路
                      3.2.2主控單元
                      3.2.3交通信號燈控制單元,
                      3.2.4倒計時顯示單元
                      3.2.5控制面板及顯示單元
                      3.3本章小結

                      4控制器的軟件設計
                      4.1主程序設計
                      4. 2手動控制模塊設計
                      4.3模糊優化控制程序設計
                      4.4控制面板及顯示程序設計
                      4.5串行通訊程序設計
                      4.6系統倒計時顯示程序設計
                      4.7故障診斷及保護程序設計
                      4.8軟件抗干擾設計
                      4.9本章小結

                      5控制系統的調試
                      5.1硬件調試
                      5.1.1電源模塊調試。
                      5.1.2交通信號燈控制單元調試
                      5. 1. 3倒計時顯示單元調試
                      5.1.4車輛視頻檢測單元
                      5.1.5主控單元調試
                      5.2軟件調試
                      5.3脫機運行調試
                      5.4本章小結

                    6結論與展望

                      6.1結論

                      本系統采用單片機怍為處理器來設計交通燈控制器,使得系統設計簡便、實用性強、操作簡單,電路的可靠性較高,功能較全,而且為后續的再次開發留有足夠的擴展空間,支持在線軟件升級。當以后要進行系統功能擴充時。只需升級系統程序就可以支持模塊新功能。

                      本系統是按照國家標準中交通四相制來設置的,除具備一般交通信號燈的控制功能外,還有模糊控制、分段定周期控制。手動控制三種信號控制方式選撣,以及違規行為檢測記錄、故障緊急處理、可由用戶自行進行參數設置等功能。本系統的車輛視頻檢測系統利用了城市原有的城市智能監控系統。降低了實時交通信號機的造價,而且使設備安裝維修方便。

                      本系統采用模糊控制來實現根據路口實時車流量信息對交通信號燈進行實時控制,有效提高了路口的車輛通行效率,但因本文采用的模糊控制規則過于簡單,使得系統效率還不是很高,須進一步改善。 還有本系統設計只限于對單交叉路口的交通信號控制,而想切實改變城市交通問題,只考慮"點控"是不夠的,還需進行"線控"或"網控",這就需要將交通信號機進行聯網,擴展系統軟件并入城市智能交通控制系統網絡,使系統更加完善。

                      6.2展望

                      當今交通問題的加劇已經普遍成為各大中城市發展道路上急需解決的難題。在道路資源有限且交通流越來越大的情況下,如何使交通管理智能化就成為當前的主要課題。目前世界上大多數國家都在研究智能交通系統(ITS),它是通過利用現在飛速發展的信息通信、網絡、自動控制、交通工程等技術而建立的交通綜合體系,可提高交通系統的運行效率及快速反應能力,而交通信號控制系統在整個智能交通系統(ITS)中是不可缺少的重要分支。

                      隨著我田城市化水平不斷提高。進一步 完哲城市交通控制系統是大勢所趨。

                      研制并設計出符合我國交通狀況的智能化、模塊化的交通信號系統,將會具有顯而易見的重要意義及獲得豐厚的效益。

                      隨著不斷更新的新理論、新技術,將會極大的提高人們對復雜問題處理的能力,并將促進智能交通系統不斷向前發展,我們可以確信未來的交通系統會更安全、更便捷。

                      參考文獻
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                    致謝

                      在此論文完成之際,謹向所有給予我指導。關心。支持和幫助的老師、同學和親人致以崇高的敬意和深深的感謝!

                      首先感謝導師唐功友教授及海大老師三年多來對我的學習工作所給子的無私關心、悉心指導和嚴格要求。唐教授及海大老師嚴謹的治學態度、求實的工作作風,平易近人的處世風范都深深影響了我。在此謹向老師們表示最衷心的感謝和最誠摯的敬意!

                      感謝三年來與我- - 起學習和生活的同學。他們在我的學習上給予我很大的幫助。同時在他們身上讓我學到了很多東西。使我終身受益。

                      最后。深深地感謝我的家人!他們在生活和學業上給了我無私的關懷,并給予我極大的理解和支持。

                    (如您需要查看本篇畢業設計全文,請您聯系客服索。

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