交通工程专业毕业论文及外文文献智能交通灯系统设计.docx

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交通工程专业毕业论文及外文文献智能交通灯系统设计

毕业论文

中文题目：

智能交通灯系统设计

外文题目：

DESIGNOFINTELLIGENTTRAFFICLIGHTSYSTEM

附录A外文文献中文译文

附录B外文文献

毕业设计（论文）共75页（其中：

外文文献及译文23页）图纸共1张完成日期2016年6月答辩日期2016年6月

摘要

随着科学技术的发展，交通运输工具发展也愈来愈快，交通堵塞，交通事故频发，严重影响到人们的正常生活。

因此，一个功能完整，运行系统稳定，符合交通正常运行并且人性化的交通灯系统可以为我们的生活带来安全的保障，同时也有利于提高人们出行的便捷。

本文综合叙述了光电传感技术，交通灯的发展现状，在交通灯的基本功能即单片机控制红黄绿灯显示通行或禁行，数码管显示倒计时时间，黄闪等功能基础上，增加了紧急处理按键，应用光电传感器实现车流量检测智能调整时间以及闯红灯报警功能。

本文共分为六大部分，交通灯基本知识的介绍，光电开关技术的介绍，智能交通灯总体设计，硬件电路设计，软件设计以及智能交通灯设计的总结。

通过增加车流量检测及闯红灯报警等功能，体现了现代交通灯的智能功能，可以根据检测到的车流量自动调节下一周期绿灯的时间，从而减轻通行压力。

关键词：

智能交通灯；车流量检测；光电开关

Abstract

Withthedevelopmentofsciencetechnology,thedevelopmentoftransportbecomesfast.Trafficjam,frequenttrafficaccidentshavetheseriousinfluenceonhuman'snormallife.Afullyfunctional,stableoperationsystem,conformtothenormaloperationoftrafficandhumanizedtrafficlightsystemcanbringuslifesecurity,aswellasimprovetheconvenienceoftravel.

Thisarticlecomprehensivelydescribesthephotoelectricsensortechnology,thedevelopmentandstatusquooftrafficlights,besidesthebasicfunctionofthechipmicrocomputercontroltrafficlightshowsthepeoplepassorstop,digitaltubedisplaysthecountdowntime,yellowflashing,andotherfunctions,Iincreasetheemergencyhandlingkeys,adjustingtimewiththeapplicationofphotoelectricsensorsfordetectingtrafficandredlightalarmfunctions.Thisarticleisdividedintosixparts,theintroductionofbasicknowledgeabouttrafficlights,thePhotoelectricswitchtechnology,theintelligenttrafficlightoveralldesign,thehardwarecircuitdesign,thesoftwaredesign,aswellasthesummaryandprospectofintelligenttrafficlightdesign.

Byincreasingtrafficdetectionand,redlightalarm,andotherfunctions,whichembodiesthemodernintelligentfunctionoftrafficlights,trafficcanbedetectedaccordingtoautomaticallyadjustthenextcycleofgreenlighttime,soastoalleviatetrafficpressure.

Keywords:

Intelligenttrafficlights;Trafficdetection;Photoelectricswitch

1绪论……………………………………………………………………………1

1.1研究目的……………………………………………………………………1

1.2研究意义……………………………………………………………………1

1.3交通灯发展历史……………………………………………………………2

1.4交通灯分类及控制方式……………………………………………………2

1.4.1交通灯分类………………………………………………………………2

1.4.2交通灯控制………………………………………………………………4

1.5智能交通灯的研究现状……………………………………………………4

1.6预期实现功能………………………………………………………………5

1.7主要内容安排………………………………………………………………7

2光电传感技术…………………………………………………………………8

2.1光电开关特点………………………………………………………………8

2.2光电开关分类………………………………………………………………8

2.2.1按结构分类………………………………………………………………8

2.2.2按检测方式分类…………………………………………………………8

2.3光电开关的工作原理……………………………………………………10

2.4光电传感器技术应用………………………………………………11

2.5光电开关使用注意事项…………………………………………………11

3总体设计方案选择…………………………………………………………12

3.1控制模块方案选择………………………………………………………12

3.2显示模块方案选择………………………………………………………13

3.3输入模块方案选择………………………………………………………14

3.4传感器模块方案选择……………………………………………………14

4硬件系统设计……………………………………………………………17

4.1STC89C51单片机介绍……………………………………………………17

4.2单片机最小系统…………………………………………………………20

4.2.1时钟电路………………………………………………………………20

4.2.2复位电路………………………………………………………………21

4.3显示模块…………………………………………………………………22

4.3.1发光二极管……………………………………………………………22

4.3.2数码管…………………………………………………………………23

4.4按键模块…………………………………………………………………24

4.5光电开关模块……………………………………………………………25

4.6蜂鸣器模块………………………………………………………………25

5软件设计…………………………………………………………………27

5.1主程序设计………………………………………………………………27

5.2子程序设计………………………………………………………………28

5.2.1显示子程序设计…………………………………………………………28

5.2.2外部中断子程序设计……………………………………………………29

5.2.3定时中断子程序设计……………………………………………………29

6系统仿真……………………………………………………………………31

6.1仿真软件介绍……………………………………………………………31

6.2仿真结果及分析…………………………………………………………31

7总结……………………………………………………………………38致谢……………………………………………………………………………39参考文献………………………………………………………………………40附录A译文……………………………………………………………………41附录B外文文献………………………………………………………………51附录C硬件电路图……………………………………………………………64附录D程序代码………………………………………………………………65

1绪论

本章重点介绍智能交通灯的研究目的、研究意义、以及交通灯的发展过程、交通灯分类及控制方式、智能交通灯的研究现状和预期实现功能。

通过这些对智能交通灯这个课题有全面的认识并设计出功能更完善，更人性化的智能交通灯系统。

1.1研究目的

随着科学技术和经济的发展，人们对交通工具的需求急剧膨胀，交通运输工具发展也愈来愈快，交通堵塞，交通事故频发，严重影响到人们的正常生活。

中国每年因交通事故死亡的人约20万左右，交通安全已然成为人们日益关注的话题。

人们急需一个良好的交通运行系统，而交通信号灯作为交通指示和疏导交通系统正常运行的核心工具，对于保障交通安全以及人身安全具有重要作用。

因此，关于智能交通灯的设计值得我们就此做深入研究。

一个功能完整，运行系统稳定，符合交通正常运行并且人性化的交通灯系统可以为我们的生活带来安全的保障，同时也有利于提高人们出行的便捷。

1.2研究意义

目前交通灯的基本功能有红、黄、绿灯指示是否允许通行，倒计时显示功能，夜间黄闪模式等。

本次设计在这些基本的功能上增加了紧急按键控制、闯红灯报警功能，以及检测车流量以控制红绿灯时间，使得交通灯功能更加完善、更加智能并且更利于出行便利和安全保障。

首先，需要有交通灯的基本功能，即红黄绿灯相互交替，以表示是否允许通过，倒计时功能提示出行人需要继续等待的时间，以及在未通过路口时判断剩余时间是否可以安全通过。

黄闪功能可以在夜间车辆较少时减少不必要的漫长等待。

其次，当有紧急车辆通过时，为了能够争夺时间，添加紧急车辆通过按键，为紧急车提供便利，挽救一线生机。

再次，由于现在车辆多，交通拥堵，司机对于等待红灯比较厌烦，他们总是尽量抢时间通过路口，这样的行为不仅影响交通秩序，更威胁到人身安全。

所以，有必要增加闯红灯报警功能，以警示车主慎重行车。

最后，设计了通过检测车流量来自动切换红绿灯，在某方向车流量很少时，可以自动缩短该方向绿灯时间，切换为红灯，相应另一方向可以通行。

这样的功能体现了如今交通灯功能更加完善，更加智能。

当今社会交通系统面临着各种各样严峻的考验，所以利用现有资源来有效运行，对于人们财产、人身安全和各种利益有重要意义。

1.3交通灯发展历史

在19世纪初期，英国中部的约克城，红、绿装分别代表了女性不同的身份。

其中，穿着红装的女人表示她已结婚，而穿着绿装的女人表示为未婚者。

后来，由于英国伦敦议会大厦前经常会发生马车轧人等事故，故受到红绿装的启发，1868年12月10日，伦敦议会大厦广场上诞生了信号灯家族的第一个成员，由英国的机械师德·哈特设计，其灯柱高约7米，于其身上挂有一盏红、绿两色的提灯即煤气交通信号灯，这就是城市街道的第一盏信号灯。

在此灯的脚下，一位警察手持长杆牵动皮带来转换提灯的颜色。

后来设计师在信号灯的中心装上了煤气灯罩，在它前面有两块红、绿玻璃交替着遮挡。

不幸的是刚刚面世了23天的煤气灯突然爆炸，同时一位正在值勤警察因此断送了性命。

从此，城市的交通信号灯时代告一段落。

直到1914年，红绿信号灯才在美国的克利夫兰市率先恢复。

不过，这时已成为“电气信号灯”。

之后信号灯又在芝加哥和纽约等城市相继重新出现。

随着交通工具的快速发展以及对交通指挥的急切需求，1918年诞生了第一盏名副其实的三色灯（红、黄、绿三种标志）。

该灯是三色圆形四面投影器，安装于纽约市五号街中的一座高塔上，它的诞生使城市交通秩序大大的改善。

我国的胡汝鼎是黄色信号灯的发明者，他怀着“科学救国”的抱负去美国深造，并且作为职员在爱迪生为董事长的美国通用电器公司就职。

有一天，他站在十字路口等待绿灯信号时，在红灯刚刚要过去时，一辆汽车急速转弯，呼地一声擦身而过，吓的他一身冷汗。

回到宿舍后，他反复的琢磨，最后想到在红绿灯中间再加上一个黄色的信号灯，起到缓冲作用，提醒人们注意危险。

他的建议得到了有关方面的肯定。

此后红、黄、绿三色信号灯成为了一个完整的指挥信号家族。

1968年，联合国《道路交通和道路标志信号协定》对各种信号灯含义作出规定。

绿灯作为通行信号，面对绿灯的车辆可以直行，可以左转弯或右转弯，除非有另一种标志禁止某一种转向。

左右转弯的车辆必须让合法地且正在路口内行驶的车辆和人行横道上的行人优先通行。

红灯作为禁行信号，面对红灯的车辆必须于交叉路口的停车线前后停车。

黄灯作为警告信号，面对黄灯的车辆不可以越过停车线，但是车辆已十分接近停车线而且不能安全停车的情况下可以进入交叉路口。

此后，这一规定在全世界范围内开始通用。

1.4交通灯分类及控制方式

1.4.1交通灯分类

交通信号灯可以分为：

机动车信号灯、非机动车信号灯、人行横道信号灯、方向指示指示灯、车道信号灯、闪光警告信号灯、道路与铁路平面交叉道口信号灯。

1）机动车信号灯和非机动车信号灯机动车信号灯是由红色、黄色、绿色三种无图案的圆形单位组成的一组灯，用于指导

机动车通行。

非机动车信号灯则是由红色、黄色、绿色三种内含有自行车形状图案的圆形单位组成的一组灯，用于指导非机动车通行。

绿灯亮时，允许车辆通行，但是转弯的车辆不得妨碍被放行的直行车辆和行人的通行。

当黄灯亮时，已经越过停止线的车辆是可以继续通行的。

当红灯亮时，则禁止任何车辆通行。

在未设置非机动车信号灯以及人行横道信号灯的路口，所有非机动车和行人都应当按照机动车信号灯的指示选择是否通行。

此时红灯亮时，右转弯的车辆若在不妨碍被放行的车辆和行人通行的情况下是可以通行的。

2）人行横道信号灯人行横道指示灯是由内含红色行人站立的图案以及内有绿色行人行走的图案组成的

一组信号灯，用来指导行人通行。

绿灯亮时，允许行人通过人行横道。

而红灯亮时，禁止行人进入人行横道，但若已经

进入人行横道的行人，可以继续通过或在道路中心线处停留等候。

3）车道信号灯车道信号灯是由叉形图案和箭头图案组成的一组信号灯，用于指导本车道内的车辆按

照指示通行。

绿色箭头灯亮时，允许本车道车辆按指示方向通行。

红色叉形灯或者箭头灯亮时，则禁止本车道的车辆通行。

4）方向指示信号灯方向指示信号灯是由红、黄、绿三个内含有箭头图案组成的一组灯，用于指导机动车

按指示的方向通行。

箭头方向向左、向上、向右分别来表示左转、直行、右转。

5）闪光警告指示灯闪光警告信号灯即持续闪烁的黄灯，用来提示车辆、行人通行时要注意瞭望，确认安

全后即可通过。

6）道路与铁路平面交叉道口信号灯

道路与铁路平面交叉道口信号灯是设置于道路与铁路相交路口的两个或是一个红色的信号灯，用于指导车辆和行人的通行。

两个红灯交替闪烁时或者一个红灯亮时，表示禁止车辆和行人通行，当红灯熄灭时，表示允许车辆和行人通行。

本次设计选择的是普通车辆通行规则，即红灯时禁止直行和左转，右转弯的车辆在不妨碍被放行的车辆、行人通行的情况下是可以通行的。

绿灯亮时，准许车辆通行，但转弯的车辆不得妨碍被放行的直行车辆和行人的通行。

当黄灯亮时，已越过停止线的车辆是可以继续通行的。

1.4.2交通灯控制交通灯控制方式可以分为定时控制、感应控制和自适应控制。

1）定时控制

定时控制指交叉口交通信号的控制机均按事先设定好的配时方案运行，也称为定周期控制。

一天只选用一种配时方案的称为单段式定时控制；而一天按不同时段的交通量所采用几个配时方案的则称为多段式定时控制。

2）感应控制感应控制是在交叉口的进口道上设置了车辆检测器，交通信号灯配时方案是由计算机

或者智能化的信号控制机计算，它是可随着检测器检测到的车流信息来改变的一种控制方式。

3）自适应控制自适应控制是把交通系统作为一个不确定的系统，连续测量其状态，如车流量、停车

的次数、延误的时间、排队的长度等来逐渐了解和掌握对象，并把他们与希望的动态特性进行比较，利用差值来改变系统的可调参数或者产生一个控制，从而保证了无论环境是如何变化，均可以使控制效果达到最优或者次优控制的一种控制方式[1]。

本次设计选择了感应控制方法。

根据传感器检测车流量来调整信号灯时长，以达到智能效果。

1.5智能交通灯的研究现状

当前世界广泛使用的并且最具代表性的城市道路交通信号控制系统有英国的TRANSYT与SCOOTS交通控制系统以及澳大利亚的SCATS系统[2]。

TRANSYT系统是一种脱机配时优化的定时控制系统，全称是TrafficNetworkStudyTool（交通网络研究工具），

是一种定时式的脱机操作交通信号控制系统，这一方法最初是由英国道路交通研究所的罗伯逊先生在1966年提出来的。

SCOOT（SplitCycleOffsetOptimizingTechnique）即绿信比、周期、相位差优化技术，作为UTC（时间转换工具）软件的附加模块，在UTC系统的基础上实现真正的实时自适应交通控制系统。

SCATS系统即悉尼自适应交通控制系统

（SydneyCoordinatedAdaptiveTrafficSystem），是由澳大利亚新南威尔士州的道路交通局研究开发，是目前世界上少有的几个先进的城市信号交通控制系统之一。

我国交通灯系统控制起步的比较晚，基本上始于中国建国之后，并随着各方面条件的成熟以及对社会发展的要求，不断建立并健全交通系统。

从最初的只有红黄绿这样简单的交通信号，到添加了各式各样新功能，后随着国际上各国不断对交通灯功能研发，中国也在不断寻求着利于安全且便捷的实现方式。

2010年广州府前路安装了行人过街敲击提示器，这是一种人性化电子式声音提示装置，在国外和港、澳地区普遍使用。

它根据人行灯的状态给过街的行人发出不同频率的声音提示，人行红灯时发出轻慢的敲击声，人行绿灯时则发出较为急促的敲击声，使行人尤其是失明人士能够听声辨信号过马路。

为了不影响附近居民的休息，晚上10时至早上7时这段时间内，行人过街敲击提示器设置了关闭声音。

府前路行人过街按钮，是为了方便行人过街设置的，避免人行绿灯亮时没有行人通过马路浪费交通信号时间，导致路口交通效率低下、机动车等候时间过长而设置的。

信号机判别人行按钮是否有按下，如果有按下就显示相应的人行相位，否则就放行机动灯相位，也就是周期中的某段时间要根据人行按钮的信号而显示人行绿灯或机动车绿灯信号。

2014年湖南星沙引入全国首套无线联网智能红绿灯系统。

这一项目更加高效、更加人性化。

“绿波”是指通过智能联网，调节车流所经过各绿灯的起始时间，以确保该车流达到每个路口时，正好遇到“绿灯”。

此举既可提高车辆通行效率，又能节约燃油，减少尾气排放。

此次进行改造的，包含道路“绿波”化、设置新型人行横道红绿灯等多项内容。

北京市发改委十二五规划编制工作相关人士透露，目前本市智能化交通信号灯的升级改造工程已进行到第三期，投入了十几亿元。

本市五环内主要道路上将基本实现“智能交

通信号灯”指挥交通，最大限度避免上下班高峰期大面积交通堵塞发生。

1.6预期实现功能

通过对交通灯发展历史的研究，以及了解到当今国内交通灯的发展情形，以下做出本设计的预期实现功能。

1）倒计时显示倒计时显示是用来提醒驾驶员现在距离信号灯灯色发生改变的时间，让其在“停止”

和“通过”两者之间作出合适的选择。

驾驶员和行人都普遍倾向于选择有倒计时显示的信号控制方式，并且人们认为有倒计时显示的路口会更安全。

倒计时显示可减少驾驶员在信号灯颜色改变这个关键时刻做出复杂判断的一种方法，驾驶员或者行人可清晰判断在剩余时间内是否可以安全通过，这样不仅可以减少不必要的时间浪费，也可以保障出行者的人身安全。

2）黄闪功能在夜晚时分，车辆通行较少，仍然按正常交通灯等待的时间会较长，当车辆行至路口正

遇到红灯时，根据交通规则是需要等待的，而此时若另一方向并没有车辆通过，就会给出行者造成极其不必要的时间浪费。

若这时交通灯系统可以增加黄闪功能，当对面无车辆通过时，就无需等待可直接行驶，所以为夜间出行者带来了极大的便利。

3）紧急处理交通路口出现紧急状况是在所难免，当特大事件发生或救护车等急行车通过等，须尽

量让其畅通无阻，这种情况下分秒必争，时时刻刻都关系着公共财产安全，个人生死攸关等。

故在交通控制中增设按键，当紧急车辆通过时，按下按键，紧急车辆行车方向可以正常行驶，另一方向则禁止通行。

待紧急车辆通过后，恢复正常交通秩序。

4）违规检测交通规则人人遵守，而违反规则，也时有发生，交通管理人员虽可以进行监管，但也耗费精力，在路口安装检测传感器就可进行自动警报。

5）车流量检测目前国内的红绿灯是固定红绿灯时间，交通警察不断观察十字路口的两个方向，根据

车辆密度和流速决定红绿灯时间，以保证最佳道路交通控制状态。

然而当某方向车辆较少时，漫长的红灯等待不利于缓解交通压力。

所以，用车流量检测来控制红绿灯时间更利于出行，使得交通灯系统更加智能化。

本设计具体所实现的功能要求如下：

1）南北方向和东西方向两个交叉路口的车辆交替运行；

2）每次绿灯变红灯时，黄灯先亮5s，才变换运行车辆；

3）东西、南北方向除有红、黄、绿灯指示以外，用数码管显示器实现倒计时时间；

4）特殊车辆情况，设有紧急转换按键；

5）有夜间黄闪功能；

6）有闯红灯蜂鸣器报警功能；

7）可根据车流量调整红绿灯显示时间，当车流量统计数据超过现在通行时间总秒数的一半时，在下一次该方向绿灯时，时间自动增加5s，但最多不超过60s，当车流量统计数据少于现在通行时间总秒数的一半时，在下一次该方向绿灯时，时间自动减少5s，但最少不少于15s。

1.7主要内容安排

本文第一章为绪论，叙述了智能交通灯的研究目的、研究意义、交通灯的发展过程、交通灯分类及控制方式、智能交通灯的研究现状和预期实现功能。

第二章是光电传感技术介绍，介绍了光电开关特点、分类方式、工作原理、技术应用以及使用注意事项。

第三章是总体设计，介绍了控制模块、显示模块、输入模块以及传感器模块的选择方案。

第四章是硬件设计，主要对单片机最小系统、显示模块、按键模块、光电开关模块及蜂鸣器模块进行介绍。

第五章是软件设计，介绍了主程序和显示子程序、外部中断子程序及定时中断