智能交通灯设计及电路实现.docx
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智能交通灯设计及电路实现.docx
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智能交通灯设计及电路实现
毕业设计
智能交通灯设计及电路实现
学生姓名:
柴莹学号:
112039225
系部:
自动化
专业:
自动化
指导教师:
鲍乐平(讲师)
二〇一五年六月
诚信申明
本人郑重申明:
所呈交的毕业论文《智能交通灯设计及电路实现》,是本人在指导老师的指导下,独立研究设计所取得的成果,没有弄虚作假,抄袭他人。
除论文中注明引用的部分外,本论文所有数据、观点均是真实可靠,不涉及非正当引用任何他人已经发表过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到并愿意承担相应的法律后果。
本人签名:
年月日
毕业设计(论文)任务书
设计(论文)题目:
智能交通灯设计及电路实现
系部:
自动化系专业:
自动化专业学号:
112039225
学生:
柴莹指导教师(含职称):
鲍乐平(讲师)
1.课题意义及目标
学生通过本次毕业设计,综合运用所学过的知识,了解交通灯控制的工作原理与实现方法等内容,根据实时车流量对各路口的绿灯时间进行动态调节,大大加强其灵活性和实时性,以提高学生运用知识和计算机进行技术分析、解决实际问题的能力。
2.主要任务
通过本次毕业设计,让学生查阅相关资料,深入了解交通灯控制的工作原理与实现方法等内容。
针对目前绝大部分交通灯的一些弊端,如其时间都是设定好的,不管是车流高峰还是低谷,红绿灯的时间都固定不变;还有一些交通灯能根据简单划分的时间段来调整时间,但控制起来都不是很灵活,使得城市车流的调节不能达到最优。
对其进行改进,根据实时车流量对各路口的绿灯时间进行动态调节,大大加强其灵活性和实时性。
具体要求:
(1)工作投入,作风严谨,按任务书规定进度和要求完成各项任务;在深刻领会任务内容及要求的基础上,通过查阅文献资料、调查研究和方案论证,写出开题报告。
然后开展实验研究、理论研究、设计、研制、开发以及数据处理、分析总结、资料整理等与任务书要求相应的工作,并撰写成毕业论文或设计说明书,独立地完成毕业设计的各项任务;
(2)查找有关专业文献(10篇以上);
(3)毕业论文或设计说明书需符合规范化要求,即:
由中外文题名、目录、中外文摘要、引言(前言)、正文、结论、谢辞、参考文献和附录组成,中文摘要在400汉字左右,外文摘要在250个实词左右,中文题名字数一般不超过20个,设计说明书、论文或软件说明书的总字数在1.5~2万汉字。
3.主要参考资料
[1]秦伟.交通灯顺序控制系统的程序设计与实现[D].长安大学,2012.
[2]赵凯.城市智能交通信号控制系统[D].西北工业大学,2001.
[3]陆化普,李瑞敏.城市智能交通系统的发展现状与趋势[J].工程研究-跨学科视野中的工程,2014(01).
[4]蔡军,曹慧英.智能交通灯控制系统的设计与实现[J].重庆邮电学院学报(自然科学版),2004,(03).
[5]蒋清健.智能交通信号灯控制系统的分析与实现[J].福建电脑,2010(03).
[6]徐春娇.基于VHDL状态机设计的智能交通控制灯[J].国外电子元器件,2007(02).
[7]诸一琦,程钦,吴丹程,侯军,朱静.基于车流量的智能交通控制系统设计[J].常州大学学报(自然科学版),2013(04).
[8]温志达,梁桂荣,陈碧铭,高素萍.基于车流量的智能交通灯控制系统[J].自动化技术与应用,2009(06).
[9]田径.基于车流量的交叉口信号灯控制系统研究[D].长安大学,2013.
[10]何翼.智能交通灯控制系统设计与仿真[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2010(05).
[11]王灿,何淳,吴亚龙,谷明信,程发银.智能交通灯控制系统的设计和仿真[J].重庆工商大学学报(自然科学版),2009(01).
[12]赵丹.逻辑控制在交通灯上的研究与应用[D].武汉理工大学,2008.
4.进度安排
设计(论文)各阶段名称
起止日期
1
查阅及整理资料,为后续论文正文写作工作做准备
2015年1月21日~2015年2月28日
2
写出开题报告完成开题
2015年3月1日~2015年3月7日
3
论文的设计思路及总体方案
2015年3月8日~2015年4月13日
4
在老师指导下,完成毕业论文正文初稿
2015年4月14日~2015年5月4日
5
正文由指导老师审查,修改,完成正文
2015年5月5日~2015年6月1日
6
完成毕业论文及答辩工作
2015年6月2日~2015年6月18日
审核人:
年月日
智能交通灯设计及电路实现
摘要
随着人们生活水平的提高,汽车越来越成为人们出行的一种普及交通工具,不可避免地就产生了交通堵塞问题,这一现象已发展成为社会普遍关注和迫切解决的问题。
传统的方式采用固定时间控制交通信号灯系统,极易引起道路上的车辆堵塞,这种方法已经不再适用。
为了解决这一问题,就希望设计出一种可以检测到各个方向车流量的新型智能交通信号灯系统。
本文采用STC89C51单片机为核心控制交通信号灯,一方面分析了系统的整体结构设计、各部分电路模块的作用以及软件的设计,并且利用Proteus软件进行仿真与调试等;另一方面介绍了利用红外传感器检测各个方向的车流量,通过单片机控制实时调节红绿灯的亮灭时间。
这种控制方式可以自动调节红绿灯的亮灭时间,有效减缓城市道路的拥堵情况,从而提高行车效率。
关键词:
单片机,红外传感器,车流量检测,实时检测
DesignandCircuitImplementationofIntelligentTrafficLight
Abstract
Withthedevelopmentofpeople’slivingstandard,carsbecomemoreandmorepopular.Thetrafficjamisaseriousproblemwhichneedstoattentionbysocialwidespreadandurgetosolve.Traditionaltrafficlightsystemsalwaysusefixedtimetocontrol,itcancausetrafficjameasilyandcan’tapplytocontrol.Inordertosolvethetrafficproblem,itneedstodesignanewintelligenttrafficlightsystemwhichcandetecttheflowinalldirection.ThispaperuseSTC89C51microcomputerasthecoreofthetrafficlightsystem.Ontheonehand,thepaperanalyzesthesystem’swholestructure,effectofeachpartofcircuitanddesignsoftware,thenusingtheProteussoftwaretosimulateanddebug;Ontheotherhand,itintroducesinfraredsensordetectionoftrafficinalldirectionwhichcontrolledbysinglechiptoreal-timeadjustthetimeoftrafficlight.Thispatterncanautomaticallyregulatetrafficlight’time,effectivelyreducethetrafficjamandimprovetheefficiencyofdriving.
Keywords:
SingleChipMicrocomputer,Infraredsensor,Trafficflowdetection,Real-timedetection
第1章绪论
1.1研究目的及意义
在社会经济迅速发展的现代化时代,交通在城市的发展和人们的生活中发挥着越来越重要的作用,影响着社会的经济、文化发展以及人们的生活水平和生活质量,换句话说,它掌控城市经济活动的命脉。
随着城市规模的不断扩张,商业贸易和社会经济活动日益繁忙,人们生活的节奏也逐渐加快,可想而知,交通量的持续增长带来的交通拥挤和阻塞现象越来越突出,交通问题也越来越严重,成为我国最严重的城市病之一。
现如今我国经济的不断发展和人口的快速增长,道路上的车辆在不断增多,导致交通堵塞严重。
然而道路扩建的数量有限,满足不了汽车数量飞速增长的要求,如果我们不及时采取有效的措施来解决道路和车辆的供求关系,那么交通堵塞将会对我国的经济发展和建设造成很严重的后果。
解决上述问题的首选方法可以围绕以下两个方面来展开:
一是提高公共交通设备的先进化水平,将交通设备原有的实用性和发达的科学技术融合在一起,以获得综合效益;二是提出具有现代化意义的交通战略方案,政府要不断加强对相关问题的改善,使新型的交通方式可以满足交通供需的要求,同时提高城市道路网的运输效率。
针对第二方面,我们可以控制车辆的数量或者扩建道路,但是增加的道路数量有限,而且控制车辆的数量又会影响相关产业的发展。
如今,一些发达国家的交通发展重点都放在了智能化方向上,比如在汽车上安装电子狗、导航仪等,通过这些电子通信设备有效地提高道路交通的通行效率。
在现代文明高速发展的时代,道路的迅速发展使整个国家经济进步的速度进一步提升。
城市道路交通的有序进行主要依赖于交通信号灯,交通灯的正常运行对道路的通车质量有很重要的影响。
现在我们国家采用的控制系统所显示的时间都是根据一般情况预先设置好的,红绿灯的燃亮时间不能根据车流量的多少自动改变;另外采用的一些是根据系统设置的不同时间段来改变时间,不过缺点是系统在运行过程中比较死板,不够智能化,不能自动调节。
所以,一种新型的智能交通灯的诞生具有非常重要的意义,它可以根据车流量来自动调节红绿灯的亮灭时间,提高行车效率。
交通信号灯控制系统用在单个路口可以实现独立的智能交通控制功能,也可以用在多个单路口组建起来的系统,以此来实现一个区域或者一个城市的交通协调。
研究新型的控制系统,不仅可以改善道路的拥挤现象,缩短汽车等候通行的时间,增加单位时间内汽车的通行量,从而缓解交通压力,而且进行这个设计最直接的意义是综合运用课本上的知识,把理论知识运用到实践中,提高我们的综合素质。
此外,还可以减少交通事故的发生率;降低能源消耗量,改善生活环境质量;促进社会经济的健康发展。
1.2国内外研究现状及发展趋势
目前设计交通灯的方案有很多,有应用CPLD设计实现交通灯控制器方法,有应用PLC对交通灯控制系统的设计,也有应用单片机事先对交通信号的设计方法[5]。
当前社会普遍采用并且具有代表性的控制系统是澳大利亚的SCAT控制方式,英国的TRANSYT和SCOOT控制方式。
1.2.1国外研究现状
(1)澳大利亚的SCAT系统
澳大利亚的SCAT系统是澳大利亚于70年代末开发的一个分布式控制系统,它的结构包括地区控制机、调制解调器、路口控制机和通信通道能等部分。
SCAT系统是工程技术人员采用先进的计算机网络技术,研发出的一种采取分层梯阶式控制的系统,它的控制方式是路口和地区的控制机共同控制,来实时地监管交通信号灯,一台地区控制机可以控制120个路口控制机。
该系统的工作模式:
地区级主控制器把各个道路段的车辆数据进行分析,然后自动把这些数据送往管理计算机,各路段的车辆运行状况和检测器的工作情况通过监控计算机来监视。
运用SCAT系统的好处是:
结构改变起来方便,易操作,系统灵活性高,具有中心控制,各个路口之间不会相互影响。
缺点是对计算机的硬件依赖大,不可移植,编写时由专门的汇编语言构成;紧挨停车线出未安装检测器,因而没有实时的反馈信息。
随着交通工程的实践,该系统已经得到很好的改进和完善。
(2)英国的TRANSYT系统
英国TRANSYT交通信号控制系统是由英国工程技术人员于20世纪60年代开发的一种可以对配时参数进行优化的控制系统,它是现在较为成功的一个静态控制系统,有将近400个城市在使用。
该系统主要包括交通模型和优化过程两个部分,交通模型可以模拟车辆在信号灯控制时的行驶状况,然后在设定的信号配时方案下计算出运行指标;通过优化过程可以使配时方案达到最优化。
但不足之处在于交通数据的计算量很大;要进行离线优化,还需要大规模的路网几何和交通数据信息,操作困难;如果不对周期进行优化,就不能得到最佳的配时方法。
(3)英国的SCOOT系统
英国SCOOT系统,即绿信比、周期、相位差优化技术。
该系统的模型基础是TRANSYT系统,在此基础上不断改进和完善,于1975年研制成功并且全面推广。
SCOOT系统包含五个子系统,即对路网执行控制系统、车流检测及数据处理系统、交通模型、配时参数优选和系统监控系统。
车流检测系统检测到当前的交通状况,并且对这些数据进行处理,然后调整配时参数,获得最优参数,得出控制当前交通状况的最佳交通模型,通过系统监控可以看出当前的路面故障、各个路口的排队车辆和现行的配时参数。
SCOOT系统实用性强;系统可移植;把复杂的车辆感应运行模块化,可以自动转换双周期运行。
但是这个系统仍然存在不足,各个路口的相位都是不变的,不能根据实际情况自动更改;不容易进行安装调试、,使用者需要有良好的技能才能操作。
(4)ITACA系统
ITACA系统是结合了上述各交通灯控制系统的优势,于1990年研发成功的一项智能化的控制系统。
该系统结构分为控制中心、区域控制器和路口控制器三个等级。
中心控制级在任何时刻都与区域控制器保持联系,并且可以交换信息,可以对系统进行启动和停止功能。
区域控制级实现了控制中心和路口机之间的通信,路口控制级用来处理该路口相关的交通任务,并把检测信息送回区域控制级。
ITACA系统每次对交通信息地收集和处理时间都非常短,提高了系统的工作效率;对交通干线可以进行从优选择;它可以对周期、绿信比、相位差进行加权处理;除了自动调节的特点以外,还可以人工干预。
1.2.2国内研究现状
目前,我国的城市交通面临着非常严峻的考验。
我国是一个人口大国,同时随着我国经济和社会的快速发展,人们的生活水平也在不断提高,拥有私家车的数量也在飞速增长。
随之而来的就是一系列的交通问题,道路的数量满足不了要求,因而在上下班高峰期常常会出现这种现象,公路排满了车停滞不前,行车效率非常低。
为了解决这一问题,我们有必要从我国的实际情况出发,设计出更为合理同时适合我国道路交通的控制系统,并且结合相关城市交通规划,实现绿色交通系统。
我国的智能交通灯系统研究起步比较晚,自1990年以来,在国家的领导组织下,我国有能力的科学家和工程技术人员开始研究ITS技术,通过不懈的努力和坚持,最后在技术上获得了很大的成功。
城市交通供求关系离不开ITS,不管是制定交通规划,还是实施相关交通管理或者是提高现有的交通基础设施的使用效率,ITS都是不可或缺的。
以下,以我国有代表性的两个城市交通状况进行说明。
当前北京市的交通控制方面存在着很多问题,例如:
道路网布局不合理,交通状况复杂;交通控制系统采集的交通信息数据不全面等等。
北京市现在采用的是SCOOT系统和ACTRA相结合的控制方式,加强了智能交通管理的实战能力,它可以对实时检测到的交通状况进行处理;对路口信号进行协调控制,提高行车效率;同时可以发布实时信息,帮助司机了解当前路面状况,实现对车辆的全程引导。
总体来看,北京市的交通状态非常不乐观,需要进一步改进或者研究更有效的控制方式。
厦门交通问题随着城市的快速发展也越来越严峻,由此提出了一些超前研究手段。
目前RFID技术是厦门智能交通控制系统的主要实现目标,该系统结构包括RFID交通信息采集、交通信息数据融合和状态信息提取、发布和交通诱导发布系统等。
它将车辆信息及相关资料经过数字处理化后,存储在电子标签中,当汽车通过路口时,路边的检测设备就会对过往的车辆禁行识别、统计、监督,计算出当前路段的车流量,从而设计出更有效的通行方案。
从2005年开始,政府已经为全市车辆安装了RFID电子标签,该技术使用多年来稳定可靠。
2013年1月6日,厦门开始正式运行智能交通控制中心,该中心是通过街道的摄像头和传感器等,实时收集各个路段的交通信息,然后进行分析和处理,实现自动化和智能化。
提升可以实现对交通状况的预测及预报,市民在出门前可以登录网站查看各个路段的交通状况预测,从而选择最合适的道路。
厦门也从以下几个方面进行了优先发展:
建立了“智能交通控制中心”微信公众账号、发展车辆导航与监控系统和建立交通电子地图系统。
从这些方面来全面提高交通控制系统的控制效率。
智能交通控制系统的开发大都采用云计算和大数据等。
北京、上海等在设计智能交通控制系统方面均利用了该理念。
广州、天津等也准备使用云计算方式来改善道路的交通状况。
但是大数据和云计算在应用的时候也具有很大的挑战性,包括数据是否可靠全面、模型是否具体适合等方面,这些都是我们在设计系统时需要分析、探讨和克服的。
1.3研究内容
一般十字路口的交通控制系统大都是预先对车流量进行调查,由统计法得出每个方向红绿灯的延长时间,通过系统软件进行设置。
但是在不同情况下,车辆多少的变化一般都不是固定不变的,不同的时间段,同一路口的车流量都会有很大的差别。
即使这种系统已经运行使用很长时间,也避免不了这种情况的出现,在绿灯方向的道路上没有汽车行驶,而在红灯方向却又很长的车队在等待。
由于无法建立准确的模型来改变这一问题,所以我们需要设计出一套能够根据车辆变化情况实时控制交通系统的方案。
现在大多数城市广泛使用的是固定时间或者定时时间控制方式,这样就使得交通灯不能很人性化地根据道路实时情况改变,导致道路上经常出现空等现象,降低了道路的通车质量。
因此需要设计一种新型智能交通灯系统来根据现场情况实时地调整红绿灯的亮灭时间,使交通灯因地制宜,更好的控制、疏导交通,充分达到智能化。
结合我国当前的交通现状,仅仅使用传统的定时控制方式是有很多不足的地方,系统在可靠性和智能化上远远不能满足要求,因此对现有的交通灯控制系统进行创新和智能化的改造,是非常有必要的。
本课题用单片机进行智能交通灯设计,在传统的交通灯基础上进行改进,让交通灯根据车流量的不同来自动控制红绿灯的亮灭时间。
要实现预期目的,首要想法是在十字路安装红外传感器,利用红外传感器的性质来检测每个十字路口的车辆存在情况;再对数据进行分析,和之前的参数进行比较,由此来确定每个十字路口的拥挤程度。
从而通过单片机控制的交通灯系统来实时地改变交通灯的亮灭时间。
此系统实施起来方便,而且成本低,安全可靠,更重要的是可以有效的减少道路的拥堵,提高行车效率。
本课题从四个方面来进行研究设计:
一是确定了设计的总体方案,包括传统的交通灯控制系统具有的功能,同时增加了车流量检测以及实时调节功能,紧急情况处理等功能。
二是进行硬件电路的设计,选择合适的元器件型号,了解各个器件的结构和功能,然后按照电路原理图进行焊接。
三是首先画出各部分流程图,然后根据流程图利用单片机的指令语言编写程序。
四是利用Proteus软件进行仿真,然后分别进行硬件调试和软件调试,实现各部分功能,完成设计任务的要求。
第2章系统方案设计
2.1设计任务
首先,我们来简单分析下十字路口红绿灯的工作原理。
十字路口由东西和南北两个方向构成,无论什么时候都只有一个方向允许通行。
即东西方向通行时南北方向必须禁止,南北方向通行时东西方向必须禁止。
一般传统的红绿灯都设定固定的时间,也就是说无论什么时候红绿灯亮的时间都是一定的,这样高峰期和低峰期时间相同,就会使交通出现问题。
为了改进这个传统系统,我们就需要知道高峰期和低峰期的车流量,合理设计红绿灯的亮灭时间,当高峰期来临时适当延长红绿灯时间,当低峰期时缩短红绿等时间;当东西方向的车流量大时延长东西向的绿灯时间,当南北方向的车流量大,延长南北向的绿灯时间,这样通行效率就变高。
当出现紧急情况时,东西南北四个方向的红灯都变亮,车辆禁止通行。
根据这一设计要求,智能交通灯的设计应该具有电源电路、时间显示模块、信号灯模块、车流量检测模电路、按键模块、报警装置。
同时可以增加夜间运行模式,该模式启动时,四个方向的黄灯均闪烁。
2.2方案论证
2.2.1主控制系统方案
方案1:
PLC控制交通灯系统
PLC即可编程逻辑控制器,它是一类可编程的计算机,广泛应用于工业环境中,可以实现工业现场自动化程序控制,它可以作模拟控制应用于各种机械生产。
运用PLC作为主控制系统,具有很强的可靠性和安全性,但是它的结构是封闭式的,不同型号的PLC硬件体系是不可兼容的,而且不同的PLC编程语言以及指令结构都不相同,如果选择一种PLC后,需要学习专门的编程语言和指令,工作量大。
方案2:
单片机控制交通灯系统
单片机又称微控制器,是把各种功能集成在一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
应用单片机时,电路中只用添加少许元器件,通过编程就可以实现各种功能的控制。
比如,单片机接上蜂鸣器就可以实现报警功能;接上二极管就可以使二极管发光;还可以用于仪器仪表、航空航天和过程控制等领域。
单片机控制的系统结构简单、操作容易;有较强的信息处理和控制能力;存储量小;运行安全稳定;环境适应能力强;性价比高。
通过比较PLC和单片机的优缺点,以及在实验时的可操作性,选择方案2,用单片机来控制交通灯系统。
2.2.2电源提供方案
一个完整的电子系统设计,电源模块是整个系统工作的前提和基础,稳定可靠的电源可以保证系统平稳运行。
本设计主要采用单片机控制模块提供电源,这种方法与采用独立的电源相比:
前者的优势是简单明了,成本低;而后者会使系统设计变复杂,也可能导致电路电平不稳定。
2.2.3时间显示界面及按键电路输入方案
本系统利用数码管显示完成倒计时功能,与点阵式LED显示相比,前者实现简单,虽然功能少,但足以满足该系统的设计要求;后者功能齐全,但实现复杂,需要完成大量的软件编程工作。
单片机系统需要有人机界面模块,这样就必须有输入输出,最常用的输入方式就是按键输入,显示屏输出。
按键电路有两种方式可供选择,分别是独立式按键和矩阵式键盘。
独立式按键的输入和输出是相对应的,当按下按键时,信息通过固定I/O端口传输,这个按键单独占用一根I/O端口,每个I/O端口都是独立的互不影响。
独立式按键编程起来比较简单,配置选择多样灵活,电路简单设计方便。
矩阵式键盘主要是靠行列线控制按键的,只有行列同时作用时按键才起作用,这就会使得I/O口使用较少,编程起来复杂,一般不用,多用于按键多的场合。
本设计所用按键较少,选择独立式键盘足以满足要求,而且绘制电路原理图时直接简单,编写程序也很容易。
2.2.4车流量检测系统方案论证
方案1:
基于超声波的车流量检测方案
超声波的频率很高,和一般声波相比,功率非常大,因而它具有很强大的能量,可以穿透很厚的物质,并且能量不会减弱,同时也有较强的方向感,定位准确。
超声波检测属于非接触式检测方式,在恶劣的环境中有很强的适应能力,可靠性非常好。
利用超声波检测道路上有没有汽车通过,是根据发射波的发出时间和反射波的返回时间的
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