复杂的十字路口交通信号灯控制系统设计.doc

课程设计说明书 第11页复杂的十字路口交通信号灯控制系统设计摘 要 随着社会的飞速发展，城市交通问题日益凸显严重，尤其在城市街道的十字叉路口，频繁发生交通问题，为了保证交通秩序和行人安全，一般在每条街上都有一组红，黄，绿交通信号灯。其中红灯亮，表示道路禁止通行；黄灯亮表示该道路上未过停车线的车辆禁止通行，已经过停车线的车辆继续通行；绿灯亮表示道路允许通行。交通灯控制电路自动控制十字路口的红，黄，绿交通灯。交通灯通过的状态转换，指挥车辆行人通行，保证车辆行人的安全，实现十字路口交通管理自动化。 模拟交通信号控制下路口的交通情况，是用程序在模拟现实生活中的路面和十字路口的交通情况，这样做是非常有实际意义的。在现实生活中，观察和调试一个路口的交通信号灯和路面的状况是要花要化很长的时间。如果将这个过程用程序来模拟，那就可以节省大量的时间，同时通过改变程序的各种变量值，同时也可以更容易反映更多的在现实生活中不常发生的复杂情况。得到很多宝贵的数据，来指导现实中交通系统的架设。关键词 模拟；交通灯；十字路口；交通信号；程序目 录1概述.11.1 城市交通现状.1 1.2 智能交通的国内外发展状况.1 1.3 交通信号灯控制的研究现状.32 十字路口信号控制的基本理论和方法.3 2.1 交通信号灯 .32.2 信号灯的设置.42.3 交通信号的控制方式.53 电路分析.53.1 主控电路.53.1.1原理.53.1.2原器件的选择及参数.53.1.3电路接法如下.6 3.2 程序清单.7 3.3 运行调试.9总结及致谢.10参考文献.11 1 概述1.1 城市交通现状据一项对美国主要城市交通状况的调查显示：1982年至2000年，美国城市在上下班高峰期间的交通堵塞状况不断加剧，由交通堵塞造成的时间和汽油浪费而带来的经济损失每年高达680亿美元。以广州为例来讲，现在市区平均车速只有每小时12公里。用这个目标速度代入欧美标准计算，广州人为交通堵塞所付出的经济代价总值:每年耗费1.5亿小时，减少生产总值117亿元。相当于该市整个生产总值的7%!在北美、澳大利亚等大城市，道路面积率高达35%-40%，而北京只有20%。缓解交通拥堵，加快道路建设是当务之急。据悉，到2010年，北京将投资500亿元用于城市道路建设，到2005年，北京仅高速公路通车里程就达到600公里。但一味发展城市道路，也会刺激私家车超常规发展，两者发展速度的失衡，最终还是逃不出“拥堵修路再拥堵”的怪圈。中国各大城市的交通系统都存在着不同程度的问题，北京、上海、广州三大城市的公共交通出行比例都比国外大城市小，尤其是高峰时段的公共交通分担率更小。从我国目前各大城市的交通结构看，普遍存在常规公共交通系统发展不足，快速轨道交通系统发展滞后、自行车交通分担率过高、小汽车发展势头强劲的不协调现象。因此，要准确认识各种交通工具各自的使用条件和服务范围，充分发挥各种交通方式的优点，使其合理分工，才能发挥整个交通系统的效率。1.2 智能交通的国内外发展状况城市交通矛盾的日益突出，已开始影响城市的发展，解决这个问题最行之有效的良方或许就是大力发展智能化交通。智能化交通管理体系在国外已经有了40多年的发展历史，是目前发达国家普遍采用的交通管理方式，这种方式是在发达的交通网络基础上，应用卫星定位系统，对所辖区域的交通流量实施有效控制，使有限的交通网络功能得到充分合理的利用，极大发挥城市的载体功能。智能交通系统将大大提高交通效率而节省大量的燃料和时间;除此之外，智能交通系统能够减少交通事故，减少因事故造成部分经济损失。在与世界发达国家机动车人均拥有量差距还很大的情况下，我国一些特大城市的交通拥堵已排在世界前列。在北京召开的“第二届国际智能交通系统技术研讨暨技术与产品展览会”上透露。我国将投资20亿元对北京、上海、天津、重庆、广州、深圳、济南、青岛、杭州、中山10个城市进行交通智能化改造，到2010年，这10个城市将全部实现交通的智能化。目前国内外对智能交通系统的理解不尽相同，但不论从何种角度出发，有一点是共同的:智能交通系统是用各种高新技术，特别是电子信息技术提高交通效率，增加交通安全性和改善环境的技术经济系统。日本、欧洲等众多国家和地区在智能交通系统方面都取得了相当大的进展，对当地交通运输效率的提高起了关键性的作用。从各国的发展来看，智能交通系统能使交通基础设施发挥出最大的效能，提高服务质量;同时使社会能够高效地使用交通设施和能源，从而获得巨大的社会及经济效益。它不但有可能解决交通的拥堵，而且对交通安全、交通事故的处理与救援、客货运输管理、道路收费系统等方面都会产生巨大的影响。表1 美国 欧洲 日本同我国在智能交通系统发展方面的对比表国家ITS发展程度投资规模重点发展领域预期目标美国ITS大国，智能交通应用率达80%以上。19901997年用于智能交通的预算为12.935亿美元。ITS发展在车辆安全系统、GPS适时定位系统、车辆管理系统。一是安全，减少事故和财产损失；二是经济效益，每年节省200亿美元的目的；三是环保和减少能耗。日本通过近十年的研究已建成符合本国国情的智能交通系统。1998年用于智能交通的研究经费有161亿日元，用于基础设施的经费有1285亿日元。交通信息服务系统、高速公路不停车收费系统等较为先进的领域。1994年后未来30年减少50%的交通事故人员伤亡率，较少汽车尾气排放对大气的污染。欧洲各国ITS应用程度介于美国与日本之间19951998年间用于共同研究的经费有280亿欧元。从道路交通扩展到铁路和水路等64个课题的研究，分布于交通信息服务、电子自动收费管理等方面。一是安全性提高；二是有效性提高（出行时间节省6%）；三是环境保护（污染物减少50%等。中国地方试点和专家呼吁阶段。基本无基本无基本无1.3 交通信号灯控制的研究现状城市交通系统是一种非线性的、时变的、滞后的大系统，以往的交通控制研究多是基于启发式的考虑，而不是基于控制理论的方法。近多年来，随着众多研究控制理论出身的学者的加盟，使得城市交通自动控制领域的研究出现了新的思路、新的方法。本小节就近年来交通信号控制理论的研究进展作一简述。(1)静态多段配时控制静态多段配时控制是利用历史数据实现的一种开环控制，其基本设计思想源于线性规划。它没有考虑交通需求的随机波动，没有考虑城市道路交通流的实时进化过程，其控制能力和抗干扰能力非常有限。但就城市某一区域而言，每日的交通状况毕竟表现出相当程度的重复性，车流的运动变化仍有一定的规律可循。因此研究静态多段配时控制，将其作为其他控制策略的“参照系”，或为它们提供“初值系统”还是很有意义的。这种方法简便易行，尤其适用于稳态交通环境，颇受交通工程人员欢迎。(2) 准动态多段配时控制准动态多段配时控制与静态多段配时控制相类似，只不过多段的划分不是以时间为依据，而是以检测到的实时交通状态为依据。交通状态可以用交通量、占有率、车速等交通数据的特征值来表达。被划分成的若干个交通状况分别配以不同的优化配时。准动态多段配时控制是一闭环控制系统。由于反馈的引入，所以系统的动态性能比静态多时段控制有明显改善，但是又由于它的控制方式仍属于方案选择式，所以系统动态性能的改善又十分有限，故称之为准动态系统。2 十字路口信号控制的基本理论和方法2.1 交通信号灯在道路上用来传递具有法定意义指挥交通流通行或停止的光、声、手势等，都是交通信号。交通信号是在空间上无法实现分离原则的地方，主要在平面交叉口上，用来在时间上给交通流分配通行权的一种交通指挥措施。交通信号灯用轮流显示不同灯色来指挥交通的通行或停止。随着信号灯的发展，各国使用的信号灯存在不同的差别，各自给信号灯赋予不同的含义。我国目前使用的信号灯基本上与国际规定一致，具体含义如下:(l)绿灯亮时，允许车辆、行人通行，但转弯的车辆不准妨碍直行的车辆和被放行的行人通行。(2)黄灯亮时，不准车辆、行人通行，但已越过停止线的车辆和已进入人行通道的行人，可以继续通行。(3)红灯亮时，不准车辆、行人通行。(4)绿色箭头灯亮时，准许车辆按箭头所示方向通行。(5)黄灯闪烁时，车辆、行人须在确保安全的原则下通行。(6)右转弯车辆和T形交叉口右边无人行横道的直行车辆，遇黄灯或红灯时，在不妨碍被放行的车辆和行人通行的情况下可以通行。2.2 信号灯的设置当交叉路口的交通量接近路口的通行能力时，考虑在交叉路口设置交通信号控制。信号灯设得合理、正确，能较充分地发挥道路的交通效益，如设置不当，非但浪费了设备和资金，并且会对交通造成不良后果。如有些不合理信号控制的路口，由于主要道路上驾驶员遇红灯而停车，但他在相当长的时间内并未看到次要道路上有车通行，往往会引起有意或无意的闯红灯。因此，信号控制交叉口的交通事故，多发生在交通量较低的交叉口上或交通量较低的时间内。在吸取国外信号灯设置经验的基础上，结合我国目前具体的交通状况，路口信号灯的设置与改进要运用交通工程学理论作指导，根据路口的地形特点、车流状况，作好车辆与行人交通流量的调查，进口道上车辆行驶速度的调查，交通事故及违章调查，车辆可穿越的空当及延误调查等，具体问题具体分析，制定优化的信号配时，保证现代交通高效、节能、低公害运行。交叉路口交通信号灯安装方式有两种，一种是安装在伸向交叉路口中央上空型臂上;一种是安装在路口边或中央的灯柱上。信号灯的排列方式通常分为两种:(1)水平排列式从道路的中心线一侧起以红、黄、绿的顺序向路边排列。常用于路面较宽的道路。(2)垂直排列式从上往下依次是红、黄、绿灯。这种方式常用于路面较窄的道路。按固定方式排列信号灯有两个好处:一是把红灯信号放在最醒目的位置;二是可使患有色盲的人凭借位置来判断信号的含义。在交叉路口中央上空安装信号灯时应符合车辆通行净空高度界限的要求。信号灯的亮度应保证人们在1O0m以外能看清。2.3 交通信号的控制方式根据所采用的控制装置的不同，交通信号一般有三种控制方式：(1)周期式信号。这种信号的周期长、相位、绿灯时间、转换时间等都是事先确定的。信号通过规定的周期运行，每个周期的周期长和相位都恒定不变。依靠所提供的设备，可用几种预定配时方案，每一种都在一天规定的时间中交替使用。(2)半感应式信号。这种信号保证主干路总保持绿灯直到设在次干路上的检测器探到有车辆到达。这时信号经过一个适当的转换间隔后，立刻为次干路显示绿灯，该绿灯就维持到次干路上的车辆全部通过路口或持续到预定的最大绿灯时间为止。在绿波信号系统中，分配给次干路的绿灯时间必须限制在预定的时间内。该系统的周期长和绿灯时间可根据需要随时进行调整。当次干路没有车辆时，主干路总是保持绿灯，事实上分配到次干路的绿灯时间可充分利用，所有“多余的”绿灯时间则都分配给主干路。(3)全感应式信号。该信号的所有相位全由传动检测器来控制。一般每个相位都要规定最小与最大绿灯时间。这种控制方式的周期长度和绿灯时间可根据需要作很大的变动。周期中的某些相位是可以任意选择使用的，当检测器未测出交通量时，该时刻的相位可自动取消。目前，许多信号系统都实现了计算机控制，使用计算机系统控制的地理交叉口，其信号一般采用预定周期式控制。有些城市还部分地实现了交替信号的线或面的联动控制，在这样的系统中，计算机充当了主控机和监视器的角色。此时，信号的联动不仅对提高单个信号交叉口的通行能力和服务水平有很大作用，而且还对提高整条道路或整个路网的通行能力发挥着极其重要的作用。3 电路分析3.1 主控电路3.1.1原理通过一片74LS160，选择其4个状态、分别为(00 01 10 11)分别表示大绿小红、大黄小红、大红小绿、大绿小黄 00-(6秒)01-(4秒)10-(25秒)11（4秒）循环图。中间延时通过计时电路来实现。3.1.2原器件的选择及参数选集成计数器74160，74160是一个具有同步清零、同步置数、可保持状态不变的4位二进制加法计数器。表2是它的状态表。 表2 74160的状态表清零预置使能时钟预置数据输入输出工作模式RDLD EP ETCPD3 D2 D1 D0Q3 Q2 Q1 Q00 0 0 0 0异步清零10 d3 d2 d1 d0d3 d2 d1 d0同步置数110 保 持数据保持11 00 保 持数据保持111 1 十进制计数加法计数 设状态编码为：S0=0000 S1=0001 S2=0010 S3=0011 表3 状态编码与信号灯关系表 QdQcQbQaG1 Y1 R1 G2 Y2 R2 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 3.1.3电路接法如图一所示。 图1 主控电路3.2程序清单 ORG 0BB0HJOD0: MOV SP,#60H MOV DPTR,#0FFDBH MOV A,#88H MOVX DPTR,A MOV DPTR,#0FFD8H MOV A,#0B6H MOVX DPTR,A INC DPTR MOV A,#0DH MOVX DPTR,A MOV R2，,25H LCALL DELYJOD3: MOV DPTR,#0FFD8H MOV A,#75H MOVX DPTR,A INC DPTR MOV A,#0DH MOVX DPTR,A MOV R2,#55H LCALL DELY MOV R7，,05HJOD1: MOV DPTR,#0FFD8H MOV A,#0F3H MOVX DPTR,A INC DPTR MOV A,#0CH MOVX DPTR,A MOV R2,#20H LCALL DELY MOV DPTR,#0FFDBH MOV A,#0F7H MOVX DPTR,A INC DPTR MOV A,#0DH MOVX DPTR,A MOV R2,#20H LCALL DELY DJNE R7,JOD1 MOV DPTR,#0FFDBH MOV A,#0AEH MOVX DPTR,A INC DPTR MOV A,#0BH MOVX DPTR,A MOV R2,#55H LCALL DELY MOV R7,#05HJOD2: MOV DPTR,#0FFDBH MOV A,#9EH MOVX DPTR,A INC DPTR MOV A,#07H MOVX DPTR,A MOV R2,#20H LCALL DELY MOV DPTR,#0FFDBH MOV A,#0BEH MOVX DPTR,A INC DPTR MOV A,#0FH MOVX DPTR,A MOV R2,#20H LCALL DELY DJNZ R7,JOD2 LJMP JOD3DELY: PUSH 02HDEL2: PUSH 02HDEL3: PUSH 02HDEL4: DJNZ R2,DEL4 POP 02H DJNZ R2,DEL2 POP 02H DJNZ R2,DELY RET END3.3 运行调试1.8255PA口接L12-L5,PB0-PB3接L4-L1。2.在连续运行方式下，初始态为四个路口的红灯全亮之后，东西路口的绿灯亮南北路口的红灯亮，东西路口方向通车。延时一段时间后东西路口的绿灯熄灭，黄灯开始闪耀。闪耀若干次后，东西路口红灯亮，而同时南北路口的绿灯亮，南北路口方向开始通车，延时一段时间后，南北路口的绿灯熄灭，黄灯开始闪耀。闪耀若干次后，再切换到东西路口方向，之后重复以上过程。 总结及致谢课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程. 回顾起此次课程设计，至今我仍感慨颇多。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，唯有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正提高我们自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的很多的不足，自己知识的很多漏洞，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，看到了自己基础知识还是不够扎实，实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的能力还待急需提高。通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。在这个过程中，我真切的感到了，我又知道了很多，同时也掌握了很多以后在工作和生活中能真正用到的很多东西。但是我不会因此而骄傲，相反以后我将会更加虚心，因为我知道这只是个简单的开始，以后还有很多的路要走。感谢王老师和司老师对我本次课程设计及论文不厌其烦的细心指导。从框架的完善，到内容的扩张；从行文的用语，到格式的规范；司老师到严格要求，力求完美。而且我还从司老师那学到了严谨、务实、认真、不畏劳苦的工作态度和极强的敬业精神。我再次感谢司师的耐心和同学们的无私帮助表示感谢，同时对我们的授课老师王老师表示感谢。首先，王老师一个学期以来认真授课并指导我们实验，帮我打下了坚实的理论基础。在课程设计中，也帮助我理清思路，拟定格式，使我能够按时完成这篇设计。可以说，没有王老师和司老师的耐心辅导与帮助，我很难在规定时间内完成这样一篇论文。我向司老师和王老师表示衷心的感谢！同时，在此期间，我也从我的室友和同学们得到许多帮助，是她们在我苦无头绪之时帮我找资料，在我有疑难时耐心给我解答，并一直给予我鼓励和支持，支持我认真细致的完成这篇设计。我也要向她们致以谢意。最后，再次向帮助我完成这篇论文的老师同学们表示最诚挚的感激！参考文献 1 胡汉才单片机原理与接口技术M北京：清华大学出版社，1995.6 2 楼然苗等51系列单片机设计实例M北京：北京航空航天出版社，2003.3 3 何立民. 单片机高级教程M北京：北京航空航天大学出版社，2001 4 赵晓安. 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