基于单片机交通流量系统设计.docx
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基于单片机交通流量系统设计
河北工程大学
毕业设计(论文)
ASP企业网站的设计与实践
学院(系):
专业班级:
学生姓名:
指导教师:
基于单片机交通流量系统设计
第一章绪论
1.1智能交通系统研究背景和研究现况
1.1.1智能交通系统研究背景
1.1.2智能交通系统国内外研究状况
1.2交通流量检测技术的研究目的
1.3国内外常用的交通流量统计的方法
1.4课题任务要求和目标实现
2.1.1总体方案的控制综述
2.1.2总体方案系统结构
2.2.1课题的设计标准
2.2.2课题的设计原则
2.3.1多种方案的理论定性描述
2.3.2方案论证与选择
2.3.3可选方案优化设计
第三章硬件设计
3.1.1主控机芯片的选取
3.1.2模拟元器件的选取
3.1.3数字元器件的选取
3.1.4传感器元器件的选取
3.2.1核心主控芯片电路设计
3.2.2显示、按钮电路的设计
3.2.3传感器电路及接口电路的设计
3.2.4电源管理电路设计
3.3.1硬件干扰的理论分析
3.3.2硬件抗干扰措施
注;各单元电路要进行工作原理叙述、定性分析、定量计算、电路图用电子CAD画
第四章软件设计
4.1软件流程图及功能介绍
4.2编程
第五章操作机箱的设计
第六章总结
6.1元件清单及工程造价
6.2设计心得
参考文献
致谢
第一章绪论
1.1智能交通系统研究背景和研究现况
1.1.1智能交通系统研究背景
交通运输系统是国民经济的基础,也是确保社会生产和人民生活得以正常进行的重要条件。
随着公路运输的快速发展,机动车辆保有量剧增,这在给人们日常生活带来便利、促进社会和经济发展的同时,也带来了一系列的负面影响。
交通运输业的迅速发展,极大的方便了社会以及人们的生活,但是与此同时,汽车数量的急剧增加,导致了道路交通状况的日益恶化,并且在各个城市中,交通阻塞普遍存在、交通事故发生量不断上涨,从而导致了人身安全、经济损失、环境污染等一系列严重的社会问题。
另外,无论是发达国家还是发展中国家,路面交通运输都不同程度地存在着人们最关心的交通安全问题。
随着城市化进程和汽车的普及,交通运输问题日益严重。
为了解决出现的各种问题,早期主要的做法是修建大量的道路,这虽然初步缓解了交通运行中存在的问题,一定程度上提高了道路的通行能力,然而无论是哪个国家的城市,都存在建设空间有限、资金筹措困难等实际问题。
另外由于交通系统是一个相当复杂的大系统,单独从车辆或是从道路方面去考虑都很难从根本上解决问题。
因此,为从根本上解决这个问题,20世纪80年代人们开始把车辆、道路、使用者三个方面作为一个系统整体考虑,采用各种新技术如计算机技术、信息技术、通信技术、电子控制技术对三者关系展开研究,不仅有效地解决了交通阻塞问题,而且对交通事故的应急处理、环境的保护、能源的节约都有显著的效果。
在这个过程中,智能交通系统应运而生了。
智能交通系统(IntelligentTransportationSystem),简称ITS,是指将先进的信息采集技术、数据通讯技术、自动控制技术、计算机技术等综合运用于交通管理体系,实现准确、高效、大范围的交通运输综合管理系统,ITS是在传统的交通工程基础上发展起来的新型交通系统。
由于各国国情不同,路面状况也不同,发展交通的重点研究方向不同,所以各国进行研究的方向也很不相同,其突出体现在ITS研究内容方面的不同。
当前国外对ITS的研究已经比较深入并且已经投入运行,国内方面起步较晚。
ITS通过对道路交通流信息进行实时监测,了解道路交通的运行情况,根据交通流的动态变化,迅速做出交通诱导控制,减轻道路的拥挤程度,减小车辆行车延误,对车辆进行分流,降低发生交通事故的概率,保证行车安全,并使交通设施得到充分利用,减小道路空置率,实现交通运输的集约式发展,最终达到智能交通系统的目的,从而能够最大限度地利用现有的宏观交通设施(道路、桥梁、隧道等),同时取得更高的交通运输安全性。
总体而言,智能交通系统是以交通指挥中心为主体,包含多个子系统的综合系统。
具体说来,一个完整的智能交通系统包括交通管理信息系统、交通信号控制系统、电视监控系统、交通诱导系统、通讯广播系统、闯红灯数字记录系统、流量检测系统、GPS卫星定位系统等八个子系统,完整的系统组成框图如图1所示。
如图1中所示的各个子系统之间既有独立性,又有关联性。
独立性是指各个子系统自成体系,可以独立运行,能独立完成特定的功能;关联性则是指各个系统在信息上相互联系,相互补充,从而构成一个完整的交通管理系统。
交通管理系统随着科技发展和城市交通问题的发展而不断完善。
图1智能交通管理系统框架图
随着我国经济建设的蓬勃发展,城市的人口和机动车拥有量也在急剧增长,交通流量日益加大,交通拥挤堵塞现象日趋严重,交通事故时有发生。
交通问题已经成为城市管理工作中的重大社会问题,阻碍和制约着城市经济建设的发展。
因此,深入研究城市交通问题有着极为重要的现实意义,而要解决城市交通问题,就必须准确掌握交通信息。
国外交通管理系统经验表明,我国应该综合考虑国内道路现状以及我国经济发展等方面,在构建国家现代公路网提高交通运送能力的同时,加大各种高新技术运用如信息采集技术、数据通讯技术、自动控制技术、计算机技术等来系统地解决道路交通问题,从而大幅度的提高路网的通行能力和道路管理服务质量。
1.1.2智能交通系统国内外研究状况
智能交通系统是目前世界交通运输领域的前沿研究课题。
发达国家提出并执行了一系列研究计划,其核心是针对日益严重的交通需求和环境保护压力,采用通信技术、计算机技术、控制技术、信息处理技术等对传统交通运输系统进行深入改造,以提高系统资源的使用效率、系统安全性,减少资源的消耗和环境污染。
基于类似原因,我国对智能交通系统的发展也抱有极大的热情。
从上世纪60年代开始,美国就已经开始了有关智能化交通方面的研究,之后,欧洲、日本等也相继加入了这一行业。
经过40多年的发展,美国、欧盟、日本成为了世界智能化交通研究的三大基地。
在美国、欧洲、日本等工业国家已经建立了全国性的ITS发展协调组织,统--$JJ定研究计划并投入大量研究经费,已经取得了重要的研究成果。
1984年,美国明尼苏达大学(TheUniversityofMinnesota)的机器视觉与人工智能实验室首次开展了将计算机视觉应用于高级交通管理的研究。
20世纪80年代,该大学成立TlSS公司(ImageSensingSystem,INC.),专门从事交通视频技术相关产品的研究开发。
1987年,ISS研制了第一台原型机,首次验证了视频检测技术在交通领域的应用,并于1989年正式推出了用于外场车辆的Autoscope2002视频检测系统。
1992年研制的Autoscope2003系统产品性能趋于成熟,实现了全天候监测。
如今AutoscopeTM系统是当今世界上最成功的交通视频检测产品之一。
日本对智能交通系统的研究也较早。
在1973年,以通产省为主开发的“汽车综合(交通)控制系统”(CACS:
ComprehenslveAutomobile(traffic)ControlSystem)是日本最早的ITS项目,当时在世界上处于领先地位。
经过几十年的发展,目前日本的ITS研究与应用开发工作主要围绕三个方面进行:
车辆信息与通信系统(VICS:
VehicleInformationandCommunicationSystem)、不停车收费(ETC:
ElectronicTollCollection)系统、先进道路支援系统(AHS:
AdvancedHighwaySystem)。
总体而言,日本在智能交通系统的研究走到了世界前列。
在我国,ITS的研究处于起步阶段。
我国是一个发展中国家,伴随着经济的发展,城市化进程的加快,大城市交通拥堵以及能源、环境问题也变得相当严重,其主要原因是我国道路基础设施与发达国家有很大的差距,而且我国的道路交通还具有混合交通特点、交通管理科学化水平不高。
因此,我国的ITS发展要结合实际,总结发达国家交通发展的经验和教训,逐步确立我国特色的ITS发展战略。
近几年来,ITS在国内有了长足的发展,1999年,科技部牵头,联合建设部、交通部、公安部等十多个相关部委,组织成立了全国智能交通系统(ITS)协调小组,在组织机制方面提供了有力保障;在2000年完成了我国ITS体系框架研究和标准规范的制定。
其中标准规范的制定从一定程度上确定了系统构成、功能模块以及模块之间的通信协议和借口,建立了能与国际接轨的ITS标准体系。
1.2交通流量检测技术的研究目的
交通流量检测技术是指系统能够通过某种技术及时地检测出通过的车辆,并以此为基础准确地统计出某段时间内某段道路的车流量以及车辆本身的运动信息,如车型,车长,车速等。
随着我国经济的飞速发展,改革开放的深入,道路的规划与建设显得尤为突出,人称“公路通,百业兴”。
因此公路网的规划、公路的更新改建以及公路养护等都必须建立在准确可靠的交通流量统计信息之上,这无疑使得统计信息这项工作更为重要,很显然交通流量的准确与否是有关决策正确的关键因素之一。
1.3国内外常用的交通流量统计的方法
交通信息采集技术的研究已经开展多年。
时至今日,已有多种交通信息采集技术在实际中应用。
通过这些技术采集到的交通信息主要包括各车道的车流量、车道占有率,车速、车型、车头时距等。
最先开始发展的是接触式的交通信息采集技术,其主要代表是压电、压力管探测、环行线圈探测和磁力式探测。
这些采集装置都有共同特点,就是埋藏在路面之下,当汽车经过采集装置上方时会引起相应的压力、电场或磁场的变化,最后采集装置将这些力和场的变化转换为所需要的交通信息。
经过多年发展,路面接触式的交通信息采集技术已经很成熟,其测量精度高,易于掌握,直在交通信息采集领域中占有主要地位。
但是这种路面接触式的交通采集装置有着不可避免的缺点。
首先是安装维护困难,必须中断交通、破坏路面;其次随着车辆增多,车辆对道路的压力导致这类装置的使用寿命也越来越短;现在道路扩张很快,各种环境下的道路日益增多,而路基下沉、盐碱和冰冻等条件将严重影响路面接触式交通信息采集装置的使用。
所有这些都带来了其使用成本的上升。
新近发展起来的路面非接触式交通信息采集装置不存在安装维护困难、使用寿命短等缺点,主要分为波频探测和视频探测两大类。
波频探测又可分为微波、超声波和红外三种,其中除了超声波探测只能进行单车道交通信息采集外,其余都可同时进行多车道交通信息采集。
由于安装维护简单,路面非接触式交通信息采集技术发展非常迅速。
视频探测是利用车辆进入检测区域导致背景灰度变化的原理来进行检测,直观可靠,但受光度,气候条件的影响很大。
而波频探测则是利用车辆经过检测区域时引起的电磁波的返回时间或频率的变化进行检测,其中红外检测对车型分辨清晰,但受天气的影响很大,而超声检测对于车速和车型的判定准确,但受安装条件限制只能顶部正向安装,只能采集一个车道的信息。
微波检测有着安装维护方便、使用寿命长、受天气气候影响小,能同时进行多个车道检测的优点。
1.4课题技术要求和主要任务
1.4.1技术要求
①可交直流供电,机内自备电池能满足一次24小时的监测;
②能对多种常见车型分类存储,并区分机动车,非机动车、人工车等三大类;
③可以对各种车型的流量以及总流量自动记录及显示,随时查询。
④本系统可以同时监测两个方向的车辆,
⑤声响提示计数和定点提醒抄录:
⑥对自备电池有欠电压提示和自动充电功能;
1.4.2主要任务
①以单片机为核心,完成系统硬件和软件系统的设计,整机的电路的设计,其中包括单元电路的器件选择和计算,核心控制外围的接口电路的设计,传感器、显示器件、等元件的选型,实现自动并区分机动车,非机动车、人工车等三大类车辆功能。
对各种车型的流量以及总流量自动记录及显示,随时查询,对车辆信号数据的采集的设计,要有抗干扰措施。
②按照产品设计标准,完成交通流量计机箱的设计,包括柜体所有的安装部件均标准模块化,充分保证产品的质量和互换性;结构紧凑,箱体面板设计合理,操作方便,显示直观,易于抄录,完成工程造价的预算。
2.1.1总体方案的控制综述
智能化交通流量检测器,集处理机,各种传感器技术于一身,其含有外壳、各种传感器及传感器的接口电路、键盘、显示器、存贮卡和电源等组成。
通过各种传感器进行数据采集,通过传感器的接口电路,将采集的数据输入到处理机中,通过处理后的数据可以存储在存贮卡,同时可以在显示器中显示。
工作人员可以通过各种提示电路对数据进行实时的查询、定时抄录采集到的数据,并可以对系统电源进行实时监测。
2.1.2总体方案系统结构
图2总体方案系统结构
2.2.1课题的设计标准
SJ53930/1-2002半导体光电子器件GR8813型红外发射二极管
GB/T14715-1993信息技术设备用不间断电源通用技术条件
SJ280-80电子设备车辆通用技术条件
GA/T497-2004公路车辆智能监测记录系统通用技术条件
GA/T652-2006公安交通管理外场设备基础施工通用要求
GA/T70-1994安全防范工程费用概预算编制方法
GB50168-92电气装置安装工程电缆线路施工及验收规范
DL-408-91电业安全工业规程
GA308-2001安全防范系统验收规则
GBJ232-90\92电气装置安装工程施工及验收规范
GBJ65-83工业与民用电力装置的接地设计规范
2.2.2课题的设计原则
全面遵循公安部关于“全国公路机动车辆监控信息综合应用系统(查缉布控平台)”的建设指南要求,按照统一标准的道路监控信息数据、非现场违
法处罚信息数据的标准和规范,接入到统一的智能交通监控系统管理平台进行统一管理,统一发布,保障信息的共享和综合利用。
同时考虑到公安交警部门工作的特殊性,以及治安卡口自身的特点,我们在本系统设计过程中还将严格遵循以下原则:
标准性
公路车辆智能检测记录系统是本系统方案的重点,设计中严格按照公安部颁标准《公路车辆智能监测记录系统通用技术条件》(GA/T497-2004)规定的技术要求进行设计。
经济性
在整个系统的方案设计过程中,我们始终坚持性能价格比最优的原则。
在实用性、先进性和充分满足系统功能要求的基础上,采用成熟先进的系统和技术,尽可能降低用户的投资。
我们在设计此方案时从根本上考虑了设备的可靠与稳定,减少用户的维护费用,延长设备的使用寿命。
可靠性
系统的可靠性是指系统抵御外界干扰的能力及受外界干扰时的恢复能力。
鉴于本系统的应用性质,其运行可靠性必须得到绝对的保证,否则将造成巨大的物质损失和极坏的社会影响。
另外,由于该系统部分设备在公路野外,环境条件恶劣,如果没有可靠性的保证,将直接影响到系统的使用价值
所以我们在方案设计和产品选型上充分考虑了这一点。
在产品选型上,选用一些可靠性、稳定性强,能够适应室外恶劣环境工作的产品,同时采取有效的接地、稳压等措施。
系统选用的单片机、传感器机等关键设备都采用国内外著名企业的产品,使用的电气接线端子、过载、漏电及断路保护装置、避雷装置、熔断器等装置均符合国家有关电气安全标准要求。
这些方面的考虑从硬件环境上为本系统的正常运行提供了重要保证。
在软件设计上采用了子系统化设计思想,提高软件运行的稳定性
。
先进性
我们在进行本系统方案的设计时,是本着先进性与适用性相结合的原则的。
即在系统总体方案设计时思路超前,在总体规划时采用先进技术。
关键设备采用国外及国内的先进设备,以确保满足以后不断发展的需要。
考虑到系统的发展和推广价值,它在任何一个细节上的先进性,都将在我们的设计过程中体现,因为它将直接影响到系统的生存寿命。
易维护性
本系统在设计时充分考虑了系统的易维护性,确保系统在使用中出现故障时在最短的时间内恢复运行。
单片机采用硬件看门狗方法保证系统的正常运行。
做到故障及时告警、系统能够自动恢复、远程维护与管理。
系统的运行参数和应用软件可以在管理中心修改和更新。
这样,尽量减少了人工干预,实现了快速故障和网络化的维护与管理,保证了系统的易维护性。
实用性
在工程设计和实现的过程中,将使用单位的实际需求放在首位,同时考虑系统的先进性和稳定性,选择先进性、实用性强的系列产品,子系统化结构设计,既可满足当前的需要又可为今后系统发展扩展留有较强的余地。
系统遵循最新的国际标准、国家标准和行业标准,遵循开放的原则。
提供相关系统设备的技术标准、术语,以及详细的技术资料和操作文档。
系统网络结构便于扩充,以适应今后的建设和发展。
另外,系统设计必须尽可能满足用户的使用要求,针对不同的操作使用对象设计用户程序,方便操作人员和管理人员的工作;尽可能地尊重用户单位现有的管理模式和经验,使用户的实际运行惯例得以继承,方便使用;新系统要尽可能利用现有的信息资源,并与之形成一个有机整体,减少使用者的工作强度,减少系统的成本。
合理性
严格以系统工程学及其它先进理论指导设计,使系统的各部分合理配置,有机融合并尽可能的发挥设备潜力和软件功能,最大限度地提高性能价格比。
可行性
系统设计、选材、选型符合国家和地方政府的法规政策,与用户及上级管理部门的管理制度相适应,与用户在经济能力方面的实际情况相吻合。
2.3.1多种方案的理论定性描述
①线圈检测方式
环形线圈检测器是目前国内外使用最广泛的车辆检测器,可以进行车型自动分类,检测流量、占有率、速度(两个线圈)、车长等交通参数。
通过一个电感器件即环形线圈与处理器构成一个调谐电子系统,当车辆通过或停在线圈上会改变线圈的电感量,激发电路产生一个输出,从而检测到通过或停在线圈上的车辆。
线圈检测技术成熟、易于掌握、计数非常精确、性能稳定。
缺点是交通流数据单一、安装过程对可靠性和寿命影响很大、修理或安装需中断交通、影响路面寿命、易被重型车辆、路面修理等损坏。
另外高纬度开冻期和低纬度夏季路面以及路面质量不好的地方对线圈的维护工作量比较大的。
②视频检测方式
视频检测方式是一种基于视频图像分析和计算机视觉技术对路面运动目标物体进行检测分析的视频处理技术。
它能实时分析输入的交通图像,通过判断图像中划定的一个或者多个检测区域内的运动目标物体,获得所需的交通数据。
该系统的优点是无需破坏路面,安装和维护比较方便,可为事故管理提供可视图像、可提供大量交通管理信息、单台摄像机和处理器可检测多车道。
它的缺点是精度不高,容易受环境、天气、照度、干扰物等影响,对高速移动车辆的检测和捕获有一定困难。
因为,拍摄高速移动车辆需要有足够快的快门(至少是1/3000S)、足够数目的像素以及好的图像检测算法的支持,视频检测由于需要进行计算往往无法捕获到高速运动物体。
③微波检测方式
微波式交通检测器通过发射低能量的连续频率调制微波信号,处理回波信号,可以检测出多达8个车道的车流量、道路占有率、平均车速、车流量等交通流参数。
微波检测由发射天线和发射接收器组成。
发射器对检测区域发射微波,当车辆通过时,由于多普勒效应反射波会以不同的频率返回,通过检测反射波的频率来检测车辆是否通过。
优点是在恶劣气候下性能出色,可以全天候工作、可检测静止的车辆、直接检测速度、可以侧向方式检测多车道、安装维护方便,
缺点是侧面安装只能区分长车短车,相邻车道同时过车时可能漏记车辆数。
④磁力检测方式
在铁磁材料中会发生磁阻的非均质现象(AMR),当沿着一条长而且薄的铁磁合金带的长度方向施加一个电流,在垂直于电流的方向施加一个磁场。
合金带自身的阻值会发生变化。
利用AMR磁阻效应生产的AMR磁阻传感器成功地将三维方向(x,y,z)的单个传感器件集成在同一个芯片上,而且将传感器与调节、补偿电路集成一体化,可以很好地感测地磁范围内低于1高斯的磁场,可以根据一些铁磁物体对地磁的扰动,来检测车辆的存在,也可以根据不同车辆对地磁产生的扰动不同来识别车辆类型。
磁阻传感器的优点有:
安装、维修方便,不必封闭车道、破坏路面。
缺点也非常明显,对于纵向过于靠近的车辆的干扰排除能力较差,即当车流速度较低,前后车辆之间的距离较小时对测量精度影响较大。
⑤超声波检测方式
超声波检测的原理与雷达测速类似,都是利用“多卜勒效应”的反射原理,发射器从顶部发出超声波,当有车辆通过时,接收器接收到回波的时间是不一样的,据此可以判断是否有车通过。
与雷达测速不同的只不过其传感器探头发出的是声波而不是电磁波。
此种检测设备的缺点是必须顶置安装,安装条件受到一定的限制,并且传感头在路口这种灰尘极大的恶劣环境中使用,寿命非常短。
因此这种检测方法并不实用。
⑥激光检测方式
激光检测为点测量行为,从理论上讲是可行的并且检测精度过程都相当高,但与微波雷达一样,同样面临路口多道路,多车辆和多行人的三多影响,点测量的效率无法满足监管要求,最重要的是激光检测中的激光束对人体(主要是人眼的伤害)是其在使用中极为严重的问题。
在欧美等国家又用激光测速的交通测速仪器,其性能指标不仅要达到国际Class1安全标准,同时在使用中必须用人工操控,以避免对人眼造成伤害。
在日本是严格禁止用激光作交通检测设备的,因此,激光检测在理论上讲比较好,但目前在使用中的安全问题仍未解决。
⑦红外检测方式
红外检测器是顶置式或路侧式的交通流检测器。
该检测器一般采用反射式检测技术。
反射式检测器探头由一个红外发光管和一个红外接收管组成,其工作原理是由调制脉冲发生器产生调制脉冲,经红外探头向道路上辐射,当有车辆通过时,红外线脉冲从车体反射回来被探头的接收管接收,经红外解调器解调再通过选通、放大、整流和滤波后触发驱动器输出一个检测信号。
这种检测器具有快速准确、轮廓清晰的检测能力。
其缺点是工作现场的灰尘、冰雾会影响系统的正常工作。
2.3.2方案论证与选择
表1为常见几种车辆检测方式优缺点比较
技 术
优 点
缺 点
超声波检测
检测精度高,全天候工作,能识别客货车,可检测静止的车辆、车间距很小的车辆
体积小,易于安装
必须顶置,安装条件受到一定的限制
微波多谱勒检测
在恶劣气候下性能出色
直接检测速度
不能检测静止或低速行驶的车辆
以向前方式用定向天线跟踪单车道
微波真实现场检测
在恶劣气候下性能出色
可检测静止的车辆
可以侧向方式检测多车道
直接检测速度
侧向方式速度检测不够准确,拥堵时流量检测不够准确
视频检测
可为事故管理提供可视图像
可提供大量交通管理信息
单台摄像机和处理器可检测多车道
大型车辆能遮挡随行的小型车辆
阴影、积水反射或昼夜转换可造成检测误差
红外线检测
昼夜可采用同一算法而解决昼夜转换的问题
可提供大量交通管理信息
可能需要很好的红外线焦平面检测器,也就是要用提高功率,降低可靠性来实现高灵敏度
声学检测
根据特定车辆的声学特征识别该车辆
为识别车辆需将接收信号进行大量的除去背景静噪声的处理
磁力计检测
可检测小型车辆,包括自行车
适合在不便安装线圈场合采用
很难分辨纵向过于靠近的车辆
感应线圈检测
线圈电子放大器已标准化
技术成熟、易于掌握
计数非常精确
安装过程对可靠性和寿命影响很大
修理或安装需中断交通
影响路面寿命
易被重型车辆、路面修理等损坏
表1
综合考虑使用环境、性能要求、成本、使用寿命、日常维护和系统升级等方面,在普通道路或者车流密集的情况下优先考虑使用线圈检测方式,在大桥、高架桥、隧道等不能破坏路面的情况下优先考虑视频检测方式,在高速公路、快速环路等封闭型道路又需测速的情况下优先考虑微波(雷达)检测方式。
由于当前不同检测方式的优缺点都十分明显,所以可以采取多种检测设备配合使用组成功能完备的综合检测系统,相互取长补短。
根据以上内容及本
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