【十字路口交通燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)5200字（論文）】

十字路口交通燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)目錄TOC\o"1-1"\h\u3731十字路口交通燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 1281811緒論 1130021.1選題背景 1301452總體系統(tǒng)設(shè)計(jì) 328262.1單片機(jī)介紹 3154433硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4291854軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6153965系統(tǒng)調(diào)試及總結(jié) 9摘要:文中介紹一種通過(guò)采集等待紅燈的車數(shù)量來(lái)改變信號(hào)燈通行時(shí)間的智能交通燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。利用紅外障礙探測(cè)技術(shù)采集路口小車數(shù)量，并傳送到以單片機(jī)為核心控制器的交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)中，再通過(guò)編寫的算法程序?qū)④嚁?shù)量轉(zhuǎn)換為綠燈通行時(shí)長(zhǎng)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)十字路口交通燈時(shí)長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)控制，解決了在傳統(tǒng)交通燈系統(tǒng)下道路資源利用率不高的問(wèn)題，有利于改善路口交通擁堵?tīng)顩r。關(guān)鍵字：?jiǎn)纹瑱C(jī)智能交通燈車流量動(dòng)態(tài)控制1緒論1.1選題背景隨著我國(guó)改革開(kāi)放以來(lái)在科技上的投入，很多工業(yè)獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，其中制造汽車的能力越來(lái)越強(qiáng)，人們的收入也有提高，很多家庭也買了汽車作為交通工具。這造成汽車數(shù)量急速上飚，本來(lái)大家開(kāi)車就是為了方便外出，結(jié)果在十字路口的車經(jīng)常會(huì)堵在一起，排成長(zhǎng)隊(duì)。特別是在上下班時(shí)間段內(nèi)的十字路口，很多人要在路口等很長(zhǎng)一段時(shí)間才能通過(guò)，非常影響人們的心情和出行效率。目前解決這種情況最經(jīng)常見(jiàn)到的方法,就是在交叉路放置交通燈來(lái)指揮車輛按順序通行?，F(xiàn)在很多路口使用的信號(hào)燈產(chǎn)品還是那種原來(lái)的那種以固定時(shí)間來(lái)指揮的類型，但是不同時(shí)間段或者不同方向的車流量是不規(guī)律變化的，由此會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)方面的缺陷：（1）某車道車輛很多但通行時(shí)間不夠?qū)е萝囕v阻塞（2）某車道車輛很少但通行時(shí)間仍為固定值，而另一車道的車輛只能等待，導(dǎo)致一個(gè)周期內(nèi)該路口的車輛不能及時(shí)通過(guò)。為了解決傳統(tǒng)交通燈固定時(shí)間方案在處理不同車道流量相差過(guò)大的情況時(shí)導(dǎo)致道路資源利用率不高的問(wèn)題，本文基于AT89C51單片機(jī)設(shè)計(jì)了一款交通燈系統(tǒng)，能夠根據(jù)車流量的變化來(lái)改變信號(hào)燈的時(shí)間，盡量緩解擁堵，達(dá)到提高通行效率的目的。1.2智能交通系統(tǒng)介紹智慧交通系統(tǒng)與傳統(tǒng)的交通系統(tǒng)不同，它是和目前已有的發(fā)達(dá)的多種新科技例如通訊技術(shù)聯(lián)合運(yùn)用的一個(gè)產(chǎn)物，是一種適應(yīng)多種狀況也能充分正常運(yùn)作的，及時(shí)、精確又有效率的綜合的道路管理體系。它與傳統(tǒng)的交通系統(tǒng)不同，它通過(guò)人、車、路三方面的共同協(xié)作來(lái)改變交通中車輛在路口段通行的時(shí)效，致力于緩解交通堵塞情況，與傳統(tǒng)交通系統(tǒng)相比提高了道路承擔(dān)車輛通過(guò)的能力。智能的交通系統(tǒng)是與目前不斷發(fā)展的科技相結(jié)合而被創(chuàng)造出來(lái)的，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在交通方面日益深化的使用，使得車輛在路上通行變得愈來(lái)愈通暢，以前一輛車接一輛車密密麻麻擠在一起的糟糕情況也有所緩解。從過(guò)去到現(xiàn)在總的來(lái)看，若讓交通變得智能，應(yīng)當(dāng)運(yùn)用目前極速發(fā)展的新科技來(lái)對(duì)原來(lái)廣泛使用的舊產(chǎn)品逐漸改進(jìn)，力求增強(qiáng)其適應(yīng)如今變得愈來(lái)愈復(fù)雜的路況的能力。1.3研究意義智能交通燈系統(tǒng)的研究，對(duì)改善我國(guó)目前的十字路口道路資源的利用率有著重要的價(jià)值。智能交通燈系統(tǒng)的出現(xiàn)，在經(jīng)濟(jì)方面也能夠形成新的增長(zhǎng)點(diǎn)，在環(huán)境保護(hù)方面降低汽車對(duì)環(huán)境的影響，在人們的生活方面緩解交通堵塞的情況，提高道路交通的安全等級(jí)和道路網(wǎng)的通行能力。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、電子技術(shù)以及各種現(xiàn)代交通技術(shù)的不斷進(jìn)步，智能交通燈系統(tǒng)的實(shí)施已經(jīng)成為可以實(shí)現(xiàn)的事情。2總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1單片機(jī)介紹單片機(jī)又稱為單片微控制器，是一種集成電路芯片，在芯片上集成了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，相當(dāng)于一個(gè)微型計(jì)算機(jī)，單片機(jī)與計(jì)算機(jī)相比，單片機(jī)僅缺少了I/O設(shè)備，僅一塊芯片就成為了計(jì)算機(jī)[1]。從90年代開(kāi)始，單片機(jī)功能就跟著時(shí)代的腳步而不斷增強(qiáng)，隨著生產(chǎn)和應(yīng)用能力的提高，它的使用價(jià)值也不斷提高。如今，人們希望在智能電子技術(shù)領(lǐng)域也能發(fā)揮并增強(qiáng)單片機(jī)的作用。單片機(jī)具有操作較為簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，而且是可靠的，這樣采用單片機(jī)而開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)就不必太擔(dān)心其工作是否穩(wěn)定的問(wèn)題。從經(jīng)濟(jì)上來(lái)講，單片機(jī)也有不高的價(jià)格。正因?yàn)槠渌鶕碛械臒o(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，因此非常適合人們?cè)诟鞣N能用到單片機(jī)的領(lǐng)域進(jìn)行方便的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。在當(dāng)前情況下，單片機(jī)可以用在很多方面，比如在航空航天，智能儀器以及家用電器領(lǐng)域等等。將單片機(jī)加入到各種儀器儀表中，就可以讓儀器變得更自動(dòng)化，既增強(qiáng)了電子產(chǎn)品的功能也方便人進(jìn)行操作；單片機(jī)在醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用，也幫助醫(yī)生更快和更好地診斷病情和治療疾病，減輕了醫(yī)生的負(fù)擔(dān)又提高了醫(yī)療水平，從而能夠更好的維護(hù)病人的健康。本文中系統(tǒng)的中央控制器是一個(gè)單片機(jī)，它構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)將車流量的收集和處理與控制集成在一起。2.2總體結(jié)構(gòu)本文信號(hào)燈電路是以51單片機(jī)為中心來(lái)規(guī)劃的，基于此器件的可變時(shí)長(zhǎng)交通燈的整體規(guī)劃是在車道上放置紅外檢測(cè)設(shè)備，我們將該設(shè)備作為信號(hào)燈電路的一部分，通過(guò)它可以得到車輛數(shù)據(jù)，再運(yùn)用軟件方法寫出分析數(shù)據(jù)的程序并結(jié)合單片機(jī)對(duì)信號(hào)燈的時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行控制，讓信號(hào)燈能夠適應(yīng)不斷變化的道路情況，圖1展現(xiàn)了本系統(tǒng)的整體布局。我們選擇綠色交通燈轉(zhuǎn)成黃色交通燈的時(shí)候來(lái)檢測(cè)車輛數(shù)據(jù)，這種方法檢測(cè)到的數(shù)據(jù)是能反映當(dāng)時(shí)道路情況的。系統(tǒng)首先通過(guò)檢測(cè)裝置收集到在紅色信號(hào)燈的前面的車量數(shù)據(jù)，我們?cè)O(shè)計(jì)好的程序會(huì)處理這些數(shù)據(jù)，這樣車輛數(shù)的多少就會(huì)影響交通燈總時(shí)間，這個(gè)總時(shí)長(zhǎng)的展現(xiàn)由時(shí)間顯示模塊來(lái)完成。圖1功能模塊圖3硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊核心控制電路采用的是低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)AT89C51[2]。單片機(jī)正常的運(yùn)行要靠最小系統(tǒng)模塊提供的基本時(shí)鐘，要正常工作需要在唯一的時(shí)鐘信號(hào)控制下嚴(yán)格按時(shí)序進(jìn)行，本系統(tǒng)中單片機(jī)所需的時(shí)鐘信號(hào)由內(nèi)部的時(shí)鐘電路產(chǎn)生。當(dāng)系統(tǒng)剛接入電源時(shí)器件內(nèi)部情況是不穩(wěn)定的，復(fù)位電路完成的任務(wù)為將單片機(jī)內(nèi)部器件恢復(fù)到一個(gè)穩(wěn)定的初值，在有了穩(wěn)定的值之后，單片機(jī)就能從此時(shí)的初狀態(tài)延續(xù)下去。我們可以把單片機(jī)最小系統(tǒng)作為一個(gè)整體模塊，再通過(guò)加入外圍設(shè)備來(lái)擴(kuò)展其功能，例如:LED燈、紅外光電開(kāi)關(guān)、數(shù)碼管等。也可以通過(guò)軟件方法設(shè)計(jì)算法對(duì)單片機(jī)進(jìn)行功能擴(kuò)展來(lái)完成對(duì)交通燈的設(shè)計(jì)的任務(wù)。3.2車流量統(tǒng)計(jì)模塊運(yùn)用傳感器得到東西方向或南北方向停留在紅色信號(hào)燈前面的車數(shù)目是本模塊的任務(wù)，我們選擇使用紅外探測(cè)技術(shù)來(lái)使該模塊完成任務(wù)。把設(shè)備放置于路口附近道路上，具體的放置位置在圖2中展現(xiàn)。該裝置可以發(fā)出紅外光，如果有車輛停在這個(gè)地方，車輛便會(huì)反射紅外光，而此裝置就可收到返回的光，通過(guò)這種方式就可以分析有沒(méi)有車輛在這個(gè)地方。圖2中標(biāo)記處展示了裝置的位置，互相靠著的裝置之間不能離的太遠(yuǎn)，這樣得到的數(shù)據(jù)會(huì)小于實(shí)際的值，同樣也不能里的太近，這樣也會(huì)造成檢測(cè)裝置資源的浪費(fèi)，最好以一個(gè)車距為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)規(guī)劃，這樣就可以使得一車只對(duì)應(yīng)一裝置。我們?cè)O(shè)置南北車道是副干道，東西車道是主干道，在此刻交叉路口主干道是綠色信號(hào)燈，副干道是紅色信號(hào)燈，此時(shí)副干道的檢測(cè)裝置便開(kāi)始工作，對(duì)停留在紅色信號(hào)燈前面的車發(fā)射并回收信號(hào)，得到及時(shí)的車流量數(shù)據(jù)。系統(tǒng)選在主干道信號(hào)燈轉(zhuǎn)為黃色信號(hào)燈開(kāi)始3s倒計(jì)時(shí)的時(shí)候，分析收集到的數(shù)據(jù)，將主干道車流量數(shù)值之和作為參數(shù)，通過(guò)程序運(yùn)算后得到副干道綠色信號(hào)燈的時(shí)間，這么一來(lái)，副干道的信號(hào)燈時(shí)間便跟著車輛數(shù)目發(fā)生了改變，當(dāng)然主干道紅色信號(hào)燈的時(shí)間也遵循相同的規(guī)律，之后交通燈狀態(tài)便轉(zhuǎn)為主干道是紅色信號(hào)燈，那這個(gè)總時(shí)間與一開(kāi)始副干道紅色信號(hào)燈的總時(shí)間就不一樣了，副干道是綠色信號(hào)燈。圖2紅外對(duì)管布局3.3紅綠燈顯示模塊本模塊要完成的任務(wù)是顯示三種顏色的交通信號(hào)燈。三種燈的作用為：綠色交通燈代表車輛可通過(guò)，紅色交通燈代表不能通過(guò)，黃色燈是綠色燈轉(zhuǎn)為紅色燈之間的緩沖，代表只有越過(guò)安全線的車允許行駛直到通過(guò)路口，其余車輛則需停止通行。本系統(tǒng)把十字路口的交通干道分為兩個(gè)大方向：一個(gè)是南北方向，一個(gè)是東西方向。由東南西北車道組成的路口使得馬路上的車在此通過(guò)，信號(hào)燈顯示模塊需要在東西向和南北方向均有紅、黃、綠三種燈用來(lái)引導(dǎo)車輛正常通行。本模塊在四個(gè)路口分別安裝了一組信號(hào)燈，每一個(gè)組都采用紅、黃、綠三種顏色的LED燈。南北車道信號(hào)燈工作表現(xiàn)結(jié)果一致，控制南北車道的綠色燈的端口為P1.0，控制南北車道的黃色信號(hào)燈的的端口為P1.1，控制南北車道的紅色信號(hào)燈的端口為P1.2。東西車道的紅綠燈顯示一致，控制東西向的綠色燈的端口為P1.3，控制東西車道的黃色燈的端口為P1．4，控制東西車道的紅色信號(hào)燈的端口為P1.5。3.4時(shí)間顯示模塊本部分要完成的任務(wù)是顯示三種交通信號(hào)燈的時(shí)間，為車輛通過(guò)路口做指揮。我們選用四個(gè)兩位的共陰極數(shù)碼管來(lái)完成這個(gè)功能。四個(gè)數(shù)碼管的狀態(tài)分別由P0口的P0．0－P0．6決定。南北方向車道的信號(hào)燈在時(shí)間變化上是同步的，南北方向車道LED燈的位選端接入P2．0和P2．1，東西方向車道信號(hào)燈的時(shí)間變化也是同步的，東西方向的LED燈的位選端接入P2．2和P2．3。兩位的數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)顯示的方法，通過(guò)位選端來(lái)決定LED數(shù)碼管，一個(gè)一個(gè)地按順序發(fā)揮作用，就可以使數(shù)碼管按順序工作并呈現(xiàn)出結(jié)果。數(shù)碼管的點(diǎn)亮原理采用循環(huán)掃描的方法，當(dāng)掃描的速度加快到足夠的程度時(shí)，人的眼看到的就會(huì)是一個(gè)完整可識(shí)別的顯示了。這是由于人的眼睛并不能及時(shí)捕捉到數(shù)碼管的變化，也就是人的眼睛具有的“余暉效應(yīng)"。因此盡管實(shí)際上這些位數(shù)碼管并不是在同一時(shí)刻點(diǎn)亮的，但并不影響本系統(tǒng)目標(biāo)功能的實(shí)現(xiàn)，只要掃描的速度夠快，達(dá)到我們能夠看見(jiàn)數(shù)據(jù)的程度就是可以的，就能認(rèn)為電路的工作沒(méi)有問(wèn)題。4軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1紅綠燈固時(shí)運(yùn)行狀態(tài)圖3展示了信號(hào)燈的4種工作狀態(tài)。在傳統(tǒng)的交通燈系統(tǒng)中時(shí)間固定的設(shè)計(jì)下，假設(shè)狀態(tài)1東西向車道的綠色燈為總時(shí)長(zhǎng)20s，南北方向車道紅色燈總時(shí)長(zhǎng)為23s；當(dāng)東西向的綠色信號(hào)燈時(shí)間減到零，就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闋顟B(tài)2，此時(shí)東西向由原來(lái)的綠色信號(hào)燈變?yōu)辄S色信號(hào)燈，并開(kāi)始3s倒計(jì)時(shí)，而南北向的紅色信號(hào)燈還剩3s，南北向紅色信號(hào)燈繼續(xù)保持原狀態(tài)直到減到0；當(dāng)南北車道的紅色信號(hào)燈和東西車道黃色信號(hào)燈的時(shí)間都減到等于0時(shí)就會(huì)轉(zhuǎn)變到狀態(tài)3，東西車道的黃色燈轉(zhuǎn)變成紅色燈，與狀態(tài)一的南北車道紅色信號(hào)燈一樣并開(kāi)始從23s往下減，南北向?yàn)榫G色信號(hào)燈也與狀態(tài)一中東西向綠色信號(hào)燈一樣開(kāi)始從20s往下減；當(dāng)南北向綠色信號(hào)燈時(shí)間減到零，則轉(zhuǎn)變到狀態(tài)4，東西向保持紅色信號(hào)燈繼續(xù)倒數(shù)最后3s，南北向的燈變成黃色并從3s開(kāi)始倒數(shù)；當(dāng)黃色信號(hào)燈與紅色信號(hào)燈同時(shí)減小到0，就轉(zhuǎn)為狀態(tài)1工作，然后不斷循環(huán)。圖3紅綠燈運(yùn)行狀態(tài)4.2延時(shí)設(shè)計(jì)為了對(duì)傳統(tǒng)交通燈系統(tǒng)固定時(shí)間的方案進(jìn)行改進(jìn)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了交通燈時(shí)間延長(zhǎng)設(shè)計(jì)方案。我們可以參考圖3中的狀態(tài)一來(lái)設(shè)置交通燈剛開(kāi)始運(yùn)行時(shí)的狀況：南北向的信號(hào)燈顯示為紅色，東西向的信號(hào)燈顯示為綠色，南北方向的紅色信號(hào)燈總時(shí)間設(shè)置為23s，東西向的綠色燈總時(shí)間設(shè)置為20s。當(dāng)紅燈倒計(jì)時(shí)進(jìn)入最后3s時(shí)，南北向紅燈不變，繼續(xù)3s倒計(jì)時(shí)，東西向綠色信號(hào)燈減到0變成黃色信號(hào)燈，在這個(gè)時(shí)候車流量檢測(cè)模塊把在紅色信號(hào)燈前的車流量作為參數(shù)傳給程序，取兩個(gè)方向的車輛數(shù)目值的和為M，并與參考值6進(jìn)行比較，當(dāng)M的值小于等于6輛時(shí)，T設(shè)置為20s；當(dāng)M的值落在6輛到10輛的區(qū)間時(shí)，T就等于（20+2(N-6)s；當(dāng)M的值等于10輛或者多于這個(gè)數(shù)值時(shí)，T設(shè)置成30s。在這里，T用來(lái)代表綠色交通燈總時(shí)間，那么紅色信號(hào)燈總時(shí)間等于（T+3）s。為了系統(tǒng)能及時(shí)收集到有效數(shù)據(jù)，我們選在紅色信號(hào)燈的時(shí)間剩余最后3s時(shí)，檢測(cè)得到在紅色信號(hào)燈前面車流量的和，再次通過(guò)程序得到信號(hào)燈變換后的T值，在這基礎(chǔ)上不斷變化。圖4程序流程圖5系統(tǒng)調(diào)試及總結(jié)5.1調(diào)試方案我們聯(lián)合使用Proteus和Keil這兩個(gè)軟件對(duì)信號(hào)燈系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，這種辦法容易操作且效果明顯。為了給系統(tǒng)時(shí)間分析程序一個(gè)傳入值，也就是在紅色信號(hào)燈前面的車流量，可以設(shè)計(jì)程序來(lái)計(jì)算出一個(gè)結(jié)果。經(jīng)過(guò)一步步的測(cè)試，我們可以看到交通燈運(yùn)行沒(méi)有問(wèn)題，通行時(shí)間的實(shí)際值和我們所預(yù)想的理論值是一樣的。表1記錄了實(shí)際測(cè)試結(jié)果。表1調(diào)試參數(shù)車流量/輛交通燈通行時(shí)間理論值/s實(shí)際值/s52020722221030301130301230305.2總結(jié)本次設(shè)計(jì)以提高交通燈系統(tǒng)應(yīng)對(duì)實(shí)際路口情況的能力，改善十字路口的通行效率為目的，對(duì)以上調(diào)試所展示的結(jié)果分析后可證明該系統(tǒng)能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。系統(tǒng)把等候紅色信號(hào)燈的車數(shù)目作為核心，再通過(guò)算法對(duì)其分析，讓交通燈系統(tǒng)更智能化，改變了以前那種固時(shí)運(yùn)行的狀態(tài)，讓路口的車輛不因等候紅燈而浪費(fèi)太多時(shí)間。通過(guò)回想自己在課堂上學(xué)到的理論基礎(chǔ)，逐漸地整理出系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體思路，在思考過(guò)程中也對(duì)