基于单片机的十字路口交通信号灯设计

济南大学泉城学院毕业设计方案题目基于单片机的十字路口交通信号灯设计专业机械设计制造及其自动化班级学生学号指导教师二〇一六年三月二十日学院工学院专业机械设计制造及其自动化学生学号毕业设计方案济南大学泉城学院-1-设计题目基于单片机的十字路口交通信号灯设计一、选题背景与意义1.国内外研究现状智能交通系统的发展，最早可以追溯到20世纪七八十年代的一系列车辆导流系统新技术的开发和应用。1991年美国通过“地面交通效率法”（ISTEA），俗称“冰茶法案”，从此美国的IVHS研究开始进入宏观运作阶段。1994年，美国将IVHS更名为ITS。之后，欧洲、日本等也相继加入了这一行列。经过30年的发展，美国、欧洲、日本成为世界ITS研究的三大基地。美国是当今世界在ITS开发领域发展最快的国家，它从上个世纪80年代开始，先后开展了与智能汽车技术相关的PATH、IVI、VII和CVHAS等国家项目1995年3月美国交通部正是出版了“国家智能交通系统项目规划”，明确规定了智能交通系统的7大领域和29个用户服务功能目前7大领域包括：出行和交通关系系统、出行需求管理系统、公共交通运营系统、商用车辆运营系统、电子收费系统、应急管理系统、先进的车辆控制和安全系统。日本于上个世纪90年代初就制定了大力发展智能交通系统的国家战略，其中智能汽车作为智能交通的重要组成部分，也得到了深入研究。日本政府主导的先进安全汽车ASV项目已于2000年取得初步实用化成果。我国ITS的发展起步较晚，70年代以来，从国外引进、消化了一些项目，并进行了一些ITS或类ITS基础项目的研究和应用。70年代中至80年代初，主要是进行城市交通信号控制试验研究，80年代中至90年代初，在一些大城市引进和消化城市交通信号控制系统，实现了一些（高速）公路监控系统、高等级公路电子收费系统和路边信息服务系统。90年代中以来，开始研究部门ITS发展战略和GIS、GPS、EDI在交通中的应用等，重视交通信息网络的建设，公路和桥梁管理用基础数据库和道路交通量和气象数据采集等经过多年的努力，也已取得明显的进展。2.选题的目的和意义.随着我国交通事业的迅速发展，各种公交、运输汽车、私家车等车的急速增加，使得城市道路交通日益堵塞，交通在许多城市已经成为“瓶颈”问题。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。虽然各城市已在十字路口设置了交通灯，对交通进行了有效的疏通，但是随着社会、经济的快速发展，原先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。如何改善交通灯控制系统，使其适应现在的交通状况，成为研究的课题。毕业设计方案济南大学泉城学院-2-传统的十字路口交通控制灯，通常的做法是：事先进行车流量的调查，运用统计的方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好。然而，实际上车辆流量的变化往往是不确定的，有的路口在不同的时段甚至可能产生很大的差异。即使是经过长期运行、较适用的方案，仍然会发生这样的现象：绿灯方向几乎没有什么车辆，而红灯方向却排着长队等候通过。可见，统计的方法已不能适应迅猛发展的交通现状，更为现实的需要是：能有一种能够根据车流量变化适时调节的交通灯控制系统。我研究的是通过STC89C52单片机实现交通灯控制，实现红绿黄色灯的控制，还能进行倒计时显示，以及紧急处理、通行时间调整等功能。本交通灯控制系统，信号灯的状态变化可以直接由单片机控制，方便接入LED数码管就可以实现倒计时显示，更符合实际需要。这种系统在此基础上，还考虑了紧急情况处理与时间调整功能。智能交通的发展是现代社会经济发展的客观要求，交通运输是国民经济和现代社会发展的基础。由于现代社会城市化速度越来越快、国民经济的高速增长、全球经济的一体化进程加快、个人旅行与休闲时间的不断增加以及人们对交通需求越来越高，智能交通便成为现代社会经济发展的客观要求。二、设计内容针对目前国内所有十字路口的交通信号灯大都是基于单片机的固定循环控制或简单的PLC的定时控制，但在运行的稳定性、可靠性与人性化、智能程度达不到目前的需要，现在设计的基于单片机的交通信号灯智能控制系统将以人为本，智能化更高，更可靠。所以对当前的交通灯控制系统进行先进优化设计和智能控制行距，显得更为重要。本文通过STC89C52单片机实现交通灯控制，本设计采用PLC做主控芯片，完成对十字路口交通灯的自动控制与监控，通过对车流量的检测实时的调节红绿灯的亮灭时间，从而有效的缓解交通压力，实现城市交通路口信号灯的智能控制。设计内容主要包括交通信号灯的智能控制系统的总体方案设计、硬件设计和软件设计等，必要的硬件连接图及程序编写。下面就对基于单片机的交通信号灯的智能控制系统设计内容进行阐述：第一部分是主控芯片单片机等控制系统的硬件设备的要求如下：1.单片机、传感器、电源灯硬件设备的型号的选择；2.单片机外部接线图；3.设计I/O配线表；4.模块电路的设计；5.总硬件的原理图；6.设计的系统框图。第二部分是对PLC交通灯的编程器的选择与系统调试：1.主程序流程图；2.子程序流程图；3.用编程器生成控制程序；毕业设计方案济南大学泉城学院-3-4.系统调试与仿真。预期实现功能：完成前期的硬件设计连接和软件设计，以及上下位机的联机、调试、系统仿真，再通过组态软件的监控作用来实现设计所要达到的要求。车流量传感器检测到车辆，将信号传输到单片机控制器，单片机控制器对信号进行处理，并相应做出控制信号，单片机发出的信号，对信号灯的亮灯时间进行调整控制。在车流量相对小的十字路口，单片机缩短绿灯的亮灯时间，在车流量相对大的十字路口，单片机适当延长路灯的亮灯时间；考虑到更智能化，更好的造福于人类，可以增设应急信号灯，为防车、警车、救护车等应急车辆开设绿色通道。在应急车辆到达十字路口时，传感器将信号传送到控制器，单片机启动黄灯。通过上述操作应该能满足单片机把东西方向或南北方向的车辆按数量规模进行分档，相应给定的东西方向与南北方向的绿灯时长也按一定的规律分档.这样就可以实现按车流量规模给定绿灯时长，达到最大限度的有车放行，减少十字路口的车辆滞留，缓解交通拥挤、实现最优控制，从而提高交通控制系统的效率。三、设计方案我们可根据车流量、道路、时间、季节变化来调节红绿灯的时间长短，来实现智能控制，以减少十字路口的车辆滞留现象，缓解交通拥挤，实现十字路口交通最优控制，提高交通系统的效率。根据PLC的检测信号不同，可设计两种方案。方案一：根据测车流量来调整各个方向红绿灯时间的长短，此方案能有效的使各个方向的尽可能少排队，特别是在城市上下班时间，能方便快捷的提前预知各个方向的交通状况。方案二：根据模糊控制器测各个方向的候车量多少来确定优先通过，此方案跟精确的分析十字路口的堵车情况，把人、车、路调整到更好的运行状态，能节约更多的时间。综述以上两种方案，我们根据现实状况，方案一能方便快捷的提前预知各个方向的交通状况，执行方便，系统稳定性较高，但也存在一定的缺点，不能预知调整行人通过的时间。方案二模糊控制逻辑有一定的缺点，其受环境的影响比较大，计算机分析交换数据要求较快，对系统的反应能力要求高，根据目前的国内的状况，还不能满足这么高的要求。对交通系统的稳定性要求较高才是关键，并且技术要成熟，方便改造及经济性，我们可选择方案一，来实现预期的功能。其有较好的使用价值和执行条件，并对目前的交通系统有较大的改善，足够满足现在的要求，具有很高的使用价值及研究意义。研究方法：对比法，归纳总结法，分析法，文献法。技术路线：毕业设计方案济南大学泉城学院-4-地感线圈信号信号转换装置紧急按钮信号单片机控制系统交通灯组以太网接口图5-1单片机智能交通灯控制系统结构框图在给各模块供电之后，按下单片机的启动按钮，各模块开始进行工作。地感线圈信号是车流量检测传感器，当有车辆经过时，地感线圈信号发出相应的信号，信号经过信号转换装置，将模拟信号转换为控制器识别的电信号，再将电信号输送到单片机控制系统，单片机对信号进行处理，并作出相应的控制指令，将指令发送给交通信号灯，对交通灯进行延时、循环等控制。当发生紧急情况时，按下紧急按钮，紧急按钮发送信号到单片机，单片机控制系统发出断电指令，所有工作模块断电，停止工作，保护电路。地感线圈工作原理：原理是当汽车挡住红外光栅时输出开关量信号供停车场系统使用,这种替代方式也可以有效避免强干扰环境下,地感线圈根本不能正常工作时使用。毕业设计方案济南大学泉城学院-5-图5-2地感线圈原理图信号转换装置原理：在自动化控制系统中与各仪表配套使用，实现标准信号转为开关量，在一定条件下代替PLC的输出，给予现场仪表信号隔离、信号转换、信号分配、信号处理。图5-3信号转换装置图毕业设计方案济南大学泉城学院-6-AT89S52单片机：该单片机是8位高性能MCU，超低功耗：掉电模式下典型功耗0.1μA,空闲模式下典型功耗2mA,正常功耗下典型功耗4~7mA。该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。图5-4AT89S52单片机原理图毕业设计方案济南大学泉城学院-7-图5-5程序流程图毕业设计方案济南大学泉城学院-8-四、参考文献[1]吴庆州,蒋光宇.单片机STC89C52RC交通信号灯分析与设计[J].技术与应用.2015(32)[2]王语园,张鑫.基于STC89C52单片机的交通灯控制系统设计[J].应用与开发.2015(07)[3]郭强,刘志峰,张爱平,王建华.基于STC89C52单片机的智能交通灯控系统设计[J].学术•论文.2008(11)[4]刘维红,谭永超.基于STC89C52单片机的电子时钟研究[J].产品与市场.2012(05)[5]黄永安,朱泽轩,韩青洲.十字路口交通信号灯的控制系统设计[J].科技致富向导2010(17)[6]杨辉媛,谭伟杰,杨红海.基于AT89C52单片数字频率计的设计[J].测试测量技术.2008(07)[7]韩晓新,邢绍邦,沈琳.基于AT89C52单片机的液晶GPS定位仪设计[J].科研成果.2010(02)[8]田蛟,展文豪,张宏伟.基于单片机的信号发生器设计[J].研究与探讨.2011(05[9]吴杰.基于单片机的数据采集系统设计[J].软件透视.2015(20)[10]董美红.几种常用传感器的工作原理[N].电子报.2005-11-27[11]赵玉安.热释电红外传感器中菲涅尔镜原理与应用[N].电子报.2006-11-26[12]李清泉,刘濒锣.基于无线传感器网络交通红绿灯控制系统研究[J].科研探索与知识创新.2010(06)[13]张学成,钱力强,王晓,钱志诚,刘和剑.基于车流量检测的多相位智能交通灯控制系统[J].项目与课题.2015(01)[14]Zuo,Xingjian,Xu,Lijia.DesignofControlSystemforKiwifruitAutomaticGradingMachine.Sensors&Transducers,2013,Vol.21(5),pp.58-65[15]Hong,Yang,Guohui,Li.DesignandImplementationofMobileCarwithWirelessVideoMonitoringSystemBasedonSTC89C52.Sensors&Transducers,2014,Vol.171(5),pp.262-267毕业设计方案济南大学泉城学院-9-五、指导教师评语（包括学生对国内外研究现状的了解情况、设计方法、手段、文献综述等评价）指导教师（签字）201年月日六、审核意见二级学院（签字）201年月日毕业设计方案济南大学泉城学院-10-