学士学位论文基于单片机的交通灯控制.docx
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学士学位论文基于单片机的交通灯控制
学校代码：
10904
学士学位论文
基于单片机的交通灯控制
姓名：
学号：
指导教师：
学院：
专业：
完成日期：
学士学位论文
基于单片机的交通灯控制
姓名：
学号：
指导教师：
学院：
机电工程学院
专业：
机械设计制造及其自动化
完成日期：
2016年5月14日
摘要
交通在人们的日常生活中占有重要的地位，随着人们社会活动的日益频繁，这点更是体现的淋漓尽致。
交通信号灯的出现，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。
近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断深入，同时带动传统控制检测技术日益更新。
本文针对BRT优先通行的交通信号控制系统进行了分析和研究，设计出了具有优先通行的交通信号控制方案。
该系统除基本的交通灯功能外，还具有倒计时、时间设置、紧急情况处理及手动控制等功能。
本文以AT89C51单片机为主控制器，并且采用LED七段数码管显示路口通行的倒计时，采用C51编程，实现了LED数码管显示、中断程序延时、手动控制等过程。
经过整机调试，能够较好的实现BRT优先通行的十字路口交通灯的模拟。
系统稳定可靠，同时系统内集成芯片运用，系统不会因为死机而停止工作。
关键字：
单片机交通灯模拟BRT
Abstract
ThetrafficisveryimportantinPeople'sDailylife,withtheincreasingofpeople'ssocialactivities;itisreflectingincisivelyandvividly.Trafficlightsappear,toeffectivelycontrolthetraffic,thetrafficflow,improveroadtrafficcapacity,reducethenumberoftrafficaccidentshaveobviouseffect.Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,SCMapplicationsaredeepening,drivetraditionalcontroltesttechnologyisincreasinglyupdateatthesametime.
BRTpriorityoftrafficsignalcontrolsystem,thispaperhascarriedontheanalysisandresearch,designedthetrafficsignalcontrolschemewithpriority.Inadditiontothebasicfunctionoftrafficlights,thesystemalsohasacountdown,timesetting,emergencytreatmentandmanualcontrol,andotherfunctions.BasedonAT89C51asthemaincontrollerandUSEStheLEDseven-segmentdigitaltubedisplayintersectiontrafficcountdown,usingC51programming,hasrealizedtheLEDdigitaltubedisplay,interruptprogramdelayprocess,manualcontrol,etc.Aftermachinecommissioning,canbetterrealizethesimulationoftheBRTpriorityintersectiontrafficlights.Systemisstableandreliable,andsystemintegrationchipisapplied,thesystemwillnotstopworkingbecauseofthecrash.
Keywords：
Singlechipmicrocomputer;Thetrafficlight;Simulation;BusRapidTransit
目录
摘要I
AbstractII
第1章课题研究目的意义及现状1
1.1研究目的和意义1
1.1.1研究目的1
1.1.2研究意义1
1.2国内外研究现状2
1.2.1国内研究现状2
1.2.2国外研究现状2
1.2.3交通控制中存在的问题2
1.3本章小节3
第2章设计要求及模块方案4
2.1设计要求4
2.2通行方案4
2.3单片机交通控制系统的功能要求5
2.3.1倒计时显示5
2.3.2紧急处理5
2.4本章小结6
第3章基于GPS的BRT公交优先控制系统7
3.1公交优先控制系统7
3.2控制系统模型与算法设计8
3.2.1BRT多车辆实时动态定位模型8
3.2.2BRT公交信号优先控制策略及算法9
3.2.3BRT公交信号优先控制策略研究10
3.2.4被动优先控制策略11
3.2.5主动优先控制策略12
3.2.6BRT公交信号优先控制系统算法设计15
3.3本章小结19
第4章电路的设计20
4.1交通灯电路20
4.2倒计时显示电路21
4.3紧急通行电路21
4.4本章小结22
第5章系统软件程序设计23
5.1主程序流程图23
5.2定时中断子程序流程图24
5.3按键子程序流程图25
第6章调试与检测27
6.1硬件检测27
6.2软件调试27
参考文献28
附录30
致谢37
第1章课题研究目的意义及现状
1.1研究目的和意义
1.1.1研究目的
随着我国交通事业的迅速发展，各种机动车数量急剧增加，使得城市道路日渐拥挤，在不同规模的城市中均出现了城市超负荷运行的情况。
因此，提高城市路网的通行能力、实现道路交通的科学化管理迫在眉睫。
虽然各城市已在路口安装了交通灯控制系统，这些信号系统取得了较好的效果，但是随着社会、经济的迅速发展，现存的交通灯控制系统已经不能适应现在日益繁忙的交通状况。
因此本文着重对常见十字路口进行仿真以及对含有BRT通行路段的交通灯优先通行方案进行研究。
1.1.2研究意义
随着经济发展，城市机动车数量急剧增加，城市道路日渐拥挤，许多中小型城市到特大型城市均出现了交通超负荷运行的情况，因此，我国各城市均发展公共交通方式来解决城市交通问题，随着交通量的快速增长和城市基础设施建设的滞后，极易造成交通拥堵，车速缓慢，公共交通服务质量下降，尤其是上下班高峰时间，公交车上乘客密度高达每平方米挤站10—12人，即使如此拥挤还有很多人一时上不了车，公共交通并没有发挥预期的效果。
人们的消费水平不断的提高，私人车辆不断增加，人多车多道路拥堵的交通情况越来越明显，我国是13亿多人口的大国，截止2015年底，全国机动车保有量达2.79亿辆，其中汽车1.72亿辆，而全国公路通车总里程达457万公里，高速公路里程突破12万公里，农村公路里程突破397万公里。
静态比例为：
人均车辆0.21辆，而人均道路只有0.003515公里；每辆均占有量约为0.016公里，且其中97.4%的道路属于机动车与非机动车和行人混杂。
虽然车辆的增加反映了国家综合国力的提升，但也给人民带来了其他的一些负面影响。
今后几年机动车的数量还将急剧增加，道路的超负荷承载致使交通事故数量逐年增加，在一个交通十字路口，如果还是像以前一样单纯的一种信号灯和交通警察的协调来维持交通是不够的。
根据统计每年因为交通事故死亡的人数占所有事故死亡人数的85%。
而这个比例还在不断增加。
如果将每个交通十字路口的多余交通警察撤回，安排在不利于管理和事故率高的地方，不但可以大大降低交通事故的发生率，而且可以节省大量的人力物力财力。
因此，基于新型规则的可编程交通控制系统可以实现对车辆、行人的控制，使得交通便于管理。
所以，采用单片机自动控制交通灯对于缓解城市交通压力和提升人民生活质量具有重要意义。
1.2国内外研究现状
1.2.1国内研究现状
我国交通领域的发展起步比较晚，基本是从新中国建国之后，随着各方面的条件的成熟以及社会发展的要求，才建立及健全交通系统[1]。
20世纪80年代以来，我国一方面进行与改善城市市中心交通为核心的UTSM（urbantrafficsystemmanage）技术研究；另一方面采取引进与开发相结合的方针，建立了一些城市道路交通控制系统[2]。
以北京、上海为代表的大城市，交通控制系统主要是简易单点信号机、SCOOT系统、TRANSYT系统和SCATS系统其中几个相结合使用，而国内中小城市，交通控制系统主要还是使用国产的简易单点信号机和集中协调式信号机。
这些信号系统虽然取得了较好的效果，但我国城市经济和社会的高速发展使得社会对交通的需求急剧增加，也对此提出了严峻的挑战。
因此我国城市发展的规划，建设和运行应当在广泛借鉴和吸取国外先进经验的基础上建立并完善适合我国国情的城市交通系统。
1.2.2国外研究现状
当前世界广泛使用的最具代表性却有实施的城市道路交通信号控制系统有英国的TRANSYT与SCOOTS交通控制系统和澳大利亚的SCATS系统[3]。
在信号机的发展过程中，自适应理论一直受到各研究机构的欢迎，比如上面所说的SCOOTS与SCATS系统[4]。
最近几年，国外仍偏向于引进自适应理论来对交通控制系统进行研制，特别是美国有十几个大学或研制机构正在研制自适应交通信号控制系统，具有代表性的有美国亚利桑那大学研制的RHODES[5]。
1.2.3交通控制中存在的问题
我国借鉴国外城市交通管理的先进经验，强调建立城市交通管理体制的重要性，提出加强城市交通研究的交通规划，建立稳定的交通基础设施建设的资金出道，实行公交优先政策[6]，建立先进的交通信息系统等对策[7]。
近几年，国家虽不断加大城市道路建设的力度，但仍赶不上车辆的增长速度，且与发达国家相比，差距仍很大。
出租车以及公交的发展运营情况并不尽如人意，虽然车辆和线路长度增长[8]，但运营速度成了瓶颈，新增的运输方式被运输效率低下所抵消[9]。
交通管理水平还有待提高，随着交通需求越来越旺盛，而我国中小城市交通管理和交通安全的现代化设施滞后。
虽然我国在车辆，道路和交通管理系统，城市交通信号控制系统和城市交通管制中应用人工智能技术，但是在信息采集等方面都与发达国家有存在很大差距。
近几年，虽然有部分城市研究和引进一些国外先进的交通信号管理系统，但是由于交通管理设施不足等原因，我国交通事故率居高不下[10]。
城市车流行驶速度逐年下降，目前不少城市交通运量年年增长，但运输速度普遍下降，这都源于交通通行不佳。
1.3本章小节
本章主要研究了交通灯对于交通控制的意义，详细说明了交通灯的研究在国内外的发展现状以及现存的问题，并提出了基于单片机的交通灯控制系统的研究在接下来的章节中将对常见十字路口的交通灯控制进行研究以及对含有BRT通行路段如何实现BRT优先通行进行研究。
第2章设计要求及模块方案
2.1设计要求
1、设计一个十字路口的交通灯控制电路，要求东西方向（主干道）车道和南北方向（从干道）车道两条交叉道路上的车辆交替运行，时间可设置修改。
2、在绿灯转为红灯时，要求黄灯闪烁，才能变换运行车道
3、黄灯亮时，要求每秒闪亮一次。
4、紧急情况发生，如消防车、救护车等紧急车辆通过时，要求四个路口同时加亮黄灯闪烁，并且倒计时显示装置关闭，四个路口的信号灯全部变成红灯。
5、当BRT车辆到达时具有优先通行权利，四个路口加亮黄灯进行闪烁，倒计时显示装置关闭，只允许东西或南北方向车辆通行。
2.2通行方案
设在十字路口，分为东西向和南北向，在任一时刻只有一个方向通行，另一个方向进行禁行，持续一定时间，经过短暂的过渡时间，将通行禁行方向对换。
如图2-1所示
图2-1十字路口示意图
1、正常时交通灯控制
（1）初始状态东西南北全为红灯
（2）东西绿灯、南北红灯
（3）东西绿灯、南北红灯转黄灯闪烁（4）南北绿灯、东西红灯
（5）南北绿灯、东西红灯转黄灯闪烁（6）转
（2）
2、有急救车通过时：
两个方向的交通灯全为红，急救车通过后恢复正常。
3、当东西或南北方向车流量大时，四个路口同时加亮黄灯进行闪烁，并且倒计时显示装置关闭，黄灯闪烁5秒后，只允许东西或南北方向车辆通行。
下面我们可以用图表表示通行状态和行止状态的关系如下:
表2-1交通状态及红绿灯状态
状态2
状态3
状态4
状态5
东西向
通行
等待转换
禁止
等待转换
南北向
禁止
等待转换
通行
等待转换
东西红
0
0
1
0
东西黄
0
0
0
1
东西绿
1
1
0
0
南北红
1
0
0
0
南北黄
0
1
0
0
南北绿
0
0
1
1
东西南北四个路口均为红黄绿3灯和数码显示管2个，在任意路口，遇到红灯禁止通行，转绿灯允许通行，之后黄灯亮警告行止状态将变换。
状态及红绿灯转换如表2-1所示。
说明：
0代表灭，1代表亮。
2.3单片机交通控制系统的功能要求
本设计能模拟基本的交通控制系统，用红灯表示禁行、绿灯表示通行和黄灯表示等待的信号发生，还能进行倒计时显示，紧急处理等功能。
2.3.1倒计时显示
倒计时显示可以提醒驾驶员在信号灯灯色发生改变的时间、在“停止”和“通过”两者间做出合适选择。
驾驶员和行人普遍都愿意选择有倒计时显示的信号控制方式，并且认为有倒计时显示的路口更加安全。
倒计时显示是用来减少驾驶员在信号灯色改变的关键时刻做出复杂判断的一种方法，它可以提醒驾驶人员灯色发生改变的时间，帮助驾驶员在“停止”和“通行”两者间做出合适的选择。
本设计采用数码管进行显示。
由于数码管显示速度快，编程简单，显示效果简洁，因此应用场合比较广泛。
2.3.2紧急处理
交通路口出现紧急状况在所难免，如特大事故，救护车等急行车通过等，我们都需要尽量允许其畅通无阻，毕竟在这种情况下分秒必争，时时刻刻关系着公共财产安全，个人生死攸关等。
由此在交通控制中增设禁停按键，就可达到此目的。
2.4本章小结
本章主要讲述了交通控制系统的通行方案和控制系统的功能要求，最终选择了以AT89C51单片机为控制核心，通过单片机实现交通的行止状态，通过按键处置紧急状态，并通过数码管来告知驾乘人员红绿灯变换时间。
第3章基于GPS的BRT公交优先控制系统
3.1公交优先控制系统
基于GPS的BRT公交优先控制系统，它是结合全球定位系统GPS对BRT车辆进行实时动态定位、控制、让其优先通行的综合应用系统。
主要完成功能有实时接收BRT车辆定位信息、处理定位信息、传输定位信息和对其优先控制。
它的原理是利用GPS连续、实时的定位功能来获取BRT车辆的位置信息，通过RF无线传输技术自动发送BRT车辆定位信息到地面接收装置，地面接收装置通过MCU对BRT车辆和交通信号控制机这两点所在位置，计算出BRT车辆到公共交叉区间的相对距离、位置、速度和行使方向，结合当时路口交通流按照BRT公交优先通行策略，通知交通信号机给予最大优先权，从而为各路口的交通信号控制机提供BRT车辆的准确信息。
这样，各路口的交通信号控制机就可根据BRT车辆的相对距离、位置、速度和行使方向，及时为BRT车辆提供优先服务。
BRT优先控制系统组成如图3-1所示。
图3-1基于GPS的BRT公交优先控制系统原理图
车载装置部分：
安装在BRT车辆上，该车载装置途经各路口或者公共交叉区域时实时、自动地发送BRT车辆的动态信息。
地面接收装置部分：
该装置安装在交通信号控制机内[11]，其具体功能是接收BRT车载装置发送来的信息，并将接收到的信息进行有效处理，结合当时路口的交通灯信号时段情况，按照优先控制策略把最后优先通信权通过串口形式发送给交通信号控制机。
交通信号机部分：
交通信号机接收到地面接收装置传来的信息对路口的交通信号灯进行及时、有效地切换，优先为BRT车辆让道[12]，从而保证BRT车辆优先、快速通行，充分发挥出BRT的优越性。
3.2控制系统模型与算法设计
3.2.1BRT多车辆实时动态定位模型
实时动态测量系统，是GPS测量技术与数据传输技术相结合而构成的组合系统，是GPS测量技术发展中的一个新的突破[13]。
本文需要建立BRT车辆相对路口交通信号机距离和方位的多点实时动态定位模型，撑握BRT车辆的实时动态定位信息[14]，然后才能有效快速解决BRT共享公共交通交叉口区间时优先通行问题。
首先建立一个BRT车辆单点实时动态定位模型，然后由单点向多点转换。
根据模型才可以找到解决问题的方法，推导有效定位算法[15]。
本模型涉及到BRT车辆，交通信号控制机。
根据以上BRT共享公共交叉口区间的处理技术分析，建立的系统模型如图3-2所示
其中，P为BRT车辆，O为交通信号机，P2为地球球心。
PN1，ON2分别为所在经线一段弧，P1为PN1与O所在纬线交点。
图3-2系统实时动态定位模型
建立以上模型主要作用是如何求解P点相对O点的距离和方位。
根据以上模型找到如下算法：
现以交通信号控制机为原点建立一个平面二维坐标，X轴正方向为360度方向，反方向为180度方向；Y轴正方向为90度方位，负方向为270度方位。
以交通信号控制机O点为坐标原点，BRT车辆为P点，这样就建立了一个平面二维坐标系（如图3-3），并得到OP两点的距离和∠
的度数。
设O点的纬度为
，经度为
；P点的纬度为
，经度
。
跟据1纬度长度在地球表面对应长度为110880m，则
=110880
。
设0
所在圆半径为
，则
=
；（3-1）
根据
两点与地球球心的关系，则
所以，
。
在
，由此可算出
由此可算出∠
，则
。
（3-2）
由以上公式可以精确得到OP两点的距离和∠
的度数。
图3-3两点定位坐标
通过距离和角度，可以确定BRT车辆相对交通信号机的准确位置，可以对BRT车辆实行实时动态定位。
由图3-3方法可以实现对P点的单点实时动态定位。
然而，本系统所需要多车辆的实时动态定位技术，所以要转化为多点实时动态定位技术。
通过给每辆BRT车辆编号排队，当BRT车辆经过路口时在地面接收装置的显示屏上就会显示该车辆的车号，这样可以得到一点到多点的实时动态定位，从而实现了BRT多车辆的实时动态定位。
3.2.2BRT公交信号优先控制策略及算法
BRT公交信号优先控制系统包括两方面的含义，即“空间优先”和“时间优先”。
所谓“空间优先”是通过设置各类BRT专用进口道加以实现；而“时间优先”则主要体现在BRT优先通行信号控制上，它是指在交叉口为BRT公交车辆（优先车辆）提供优先通行信号，BRT公交信号优先实施的理念是在保证不对整个交叉口或干线车辆运行产生严重影响的前提下，减少BRT公交车辆的延误（使BRT公交车辆顺利通过交叉口），降低BRT公交车辆的路线行程时间，提高BRT公交准点率，提高BRT公交车辆的运行效率[16]。
在具体的信号优先控制上，还有两个概念必须进行区分，即信号优先与强制优先，美国国家运输ITS通信协议对此做出了明确的定义：
强制优先：
将正常的交通信号强制转换成为火车、应急车辆、大运量客运车辆及执行其他特殊任务的特种车辆通行服务的特殊信号控制模式。
在这种控制模式下，当车辆到达时，将立即切断正常的信号控制模式强制进行特定的信号控制状态。
信号优先：
在信号控制交叉口，一种类型的车辆（公交车辆、应急车辆、商业车队）优先于其他类型的车辆，在不改变信号或严重影响信号协调关系的前提下。
通过改变当前的信号相位时间、相位相序、插入专用相位等方法为优先车辆提供信号优先。
虽然信号优先和强制优先经常同在一个系统中，而且使用的设备基本相同，但是它们的执行过程不一样，而且目标各异，强制优先的目标是降低紧急事件的响应时间，减少交叉口车辆对应急车辆的影响，使应急车辆安全、快速地通过交叉口。
BRT公交信号优先的目标则是以最小的社会车辆代价换取BRT公交车辆的准点率，降低BRT公交车辆的路线行程时间、提高BRT公交车辆的运行效率。
本文研究的重点是基于公交信号优先的平面交叉口区间的BRT公交信号优先控制系统。
3.2.3BRT公交信号优先控制策略研究
根据BRT线路网的特点和平面交叉口处理技术，对BRT公交信号的优先控制策略进行深入研究，分“空间优先”和“时间优先”两方面。
BRT空间优先通行策略主要包括两种：
一是拓宽交叉口、增加进口车道数；二是设置锯齿型进口车道。
这在前面也提到过，本文研究的是BRT公交优先重在时间优先通行策略的研究。
BRT车辆在交叉口的时间优先通行策略主要通过为BRT公交车辆提供优先通行信号来实现。
有数据表明，交叉口延误占公交整个行程时间的10%-20%，占整个延误时间的50%。
因此，为了提高公交服务水平，在信号控制的交叉口实施公交优先通行信号是非常必要的，BRT公交优先信号一般都设置在有BRT公交“空间优先”措施的路口。
BRT信号优先通行策略包括被动优先策略和主动优先策略两部分。
3.2.4被动优先控制策略
被动优先控制策略的实施不依靠检测器获取BRT公交车辆到达的数据，而是根据BRT公交线路、BRT公交车辆的发车频率、行车速度等历史数据设计、协调路网内交叉口的信号配时，同时降低交叉口信号周期长度以减少BRT公交车辆停车、延误。
由于被动优先控制策略的实施以BRT公交车辆的历史数据为依据，比较适合于BRT公交发出频率高，交通量小，乘客出行需求稳定的线路。
策略一般有以下几种形式[17]
1、网络化配时规划
网络化信号配时规划是根据BRT公交车辆通过路网的运行情况对交叉口信号配时进行方案设计，方案设计一般有两种形式：
第一种是根据通过路网的乘客出行量而不是车辆数分配绿信比，由于BRT公交车辆的单车载客量明显大于社会车辆的单车载客量，因此这种相位绿灯时间分配方式有利于BRT公交车辆较多的相位，从而体现“以人为本”的交通理念。
但是对于乘客流量小的相位，计算的绿灯时间有可能小于最短绿灯时间，因此还必须对相位绿灯时间进行条件约束。
第二种是根据BRT公交车辆的运行速度或行程时间协调公交线网内的信号配时方案，使BRT公交车辆在路网内遇到的红灯数最少。
由于BRT公交站点公交车停靠时间的不稳定性，这种技术实施的效率在很大程度上取决BRT公交车辆交叉口之间行程时间预测精度[18]。
2、信号周期调整
在BRT公交线路上减
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