自适应交通灯智能控制系统设计.docx

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自适应交通灯智能控制系统设计

南京理工大学

毕业设计说明书（论文）

作者:

xxxx

学号：

9049

教学点:

常州轻工职业技术学院

专业:

机电一体化工程

题目:

自适应交通灯智能控制系统设计

指导者：

（姓名）（专业技术职务）

评阅者：

（姓名）（专业技术职务）

2011年元月

南京理工大学

毕业设计（论文）评语

学生姓名：

xxxx班级、学号：

09机电接本2班9049

题目：

自适应交通灯智能控制系统设计

综合成绩：

中

指导者评语：

该学生能够按照要求，按时完成了毕业设计。

该生对比了传统交通灯和智能交通灯的优缺点，我们可以很清楚的看到智能交通灯的优势。

通过论文可以看出，作者查阅了大量的资料，论述比较充分，条理也很清晰。

当然，在这其间也存在一些不足和需要提高的地方。

如软件方面不够详细。

能够严格按照论文格式要求完成论文，对于论文各个部分的书写都能符合要求，写作规范。

综上所述可以提交答辩，建议成绩评定为中。

。

指导者（签字）：

2011年5月15日

毕业设计（论文）评语

评阅者评语：

该生按设计任务书的要求，完成了智能交通信号的设计与开发工作。

论文选题贴合工程实践，具有较大的应用价值及一定的理论意义，所得成果对生产实际有一定的参考价值，有一定创新性，工作量适中，论文结构合理，格式较规范，部分内容论述不够详细。

论文达到本科毕业设计（论文）的要求。

可以提交答辩，建议成绩评定为中。

评阅者（签字）：

2011年5月18日

答辩委员会（小组）评语：

本课题选题为当今广泛应用的项目，系统完整的研究成果也不少，写作意图明确。

在答辩过程中，思路清晰，逻辑性强，问题回答基本正确，基本上能表达自己的观点，有一定的分析问题与解决问题能力。

对实际工作有一定的参考作用。

经答辩小组讨论，成绩评定为：

中

答辩委员会（小组）负责人（签字）：

2011年5月21日

毕业设计说明书（论文）中文摘要

摘要

交通灯是城市交通监管系统的重要组成部分，对于保证机动车辆的安全运行，维持城市道路的顺畅起了重要作用。

随着车辆的日益增多，交通问题将日益严重。

可通过多修建道路或限制车辆的办法来解决，但道路的增加是有限的，而限制车辆会使汽车及相关产业受到压制。

目前，发达国家的交通主要向智能交通方向发展。

如给汽车装上导航仪等办法，充分利用电子设备提高现有道路交通系统的运输能力。

交通灯是管理城市交通的重要工具，交通灯对道路的影响近年来引起广大学者的广泛注意。

目前绝大部分交通灯其时间都是设定好的，不管是车流高峰还是低谷，红绿灯的时间都是固定不变，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，这使得城市车流的调节不能达到最优。

由于传统的定时切换控制交通方式的局限性使得我们有必要寻求一种能够具有流量变化自适应控制的智能交通控制系统，智能交通灯的优点在于能减缓滞流现象，不会出现空道占时的情形，提高公路交通通行率，保持道路的畅通。

基于此本论文的思路是：

通过传感器（即电磁感应线圈）探测出汽车的流量后自动调节红绿灯的时长。

车辆的流量计数、交通灯的时长控制可由可编程控制器（PLC）来实现。

关键字：

车流量，智能交通，传感器，可编程控制器

毕业设计说明书（论文）外文摘要

TitleAdaptivetrafficintelligentcontrolsystemdesign

Abstract

Thetrafficlightisurbantrafficsupervisionsystemimportantconstituent,toguaranteesafeoperationofmotorvehicles,maintaintheurbanroadsmoothplayedanimportantrole.Withtheincreasingofvehicleswillincreasinglyserious,thetrafficproblem.Butthroughmanyroadsorrestrictvehiclesolutiontotheincrease,buttheroadislimited,andthelimitvehicleswillmakecarsandrelatedindustrysuppressed.Atpresent,themaindevelopedcountriestotrafficintelligenttransportationdirection.Asforcarmountnavigatorstowaitformethod,makefulluseofelectronicequipmentupgradetheexistingroadtrafficsystemtransportationcapability.Thetrafficlightistheimportanttoolofurbantrafficmanagement,trafficlightsonroadinrecentyearstheinfluencecausedwidespreadattentionofthemajorityofscholars.Currentlymostofthetrafficlightsitstimearesetgood,whetheritisthelowlands,trafficpeaktraffictimeisfixed,andsometrafficlightscanbedividedaccordingtosimpleperiodoftimetoadjust,butnotveryflexiblecontroltogether,whichmakesthecitytrafficregulationcannotachieveoptimal.

Becausethetraditionaltimingswitchcontrolofthemeansoftransportationlimitationmakesitisnecessaryforustoseekacapableflowchangeadaptivecontrolofintelligenttrafficcontrolsystem,intelligenttrafficlightsfeaturescanslowstagnationphenomenon,won'tappearemptywayofsituation,improvinghighwaytrafficrate,keeptheroadclear.Basedonthisideaofthispaperisthatbysensor（i.e.,electromagneticinductioncoils）detectedautomaticallyadjusttheflowcartrafficaftertheduration.Vehicletrafficcounting,lightloadcontrolbyprogrammablecontroller（PLC）toachieve.

Keywords:

intelligenttransportation,traffic,sensor,programmablecontroller

目次

1引言

据不完全统计，目前我国城市里的十字路口交通系统大都采用定时来控制（不排除繁忙路段或高峰时段用交警来取代交通灯的情况），这样必然产生如下弊端:

当某条路段的车流量很大时却要等待红灯，而此时另一条是空道或车流量相对少得多的道却长时间亮的是绿灯，这种多等少的尴尬现象是未对实际情况进行实时监控所造成的，不仅让司机乘客怨声载道，而且对人力和物力资源也是一种浪费。

智能控制交通系统是目前研究的方向，也已经取得不少成果，在少数几个先进国家已采用智能方式来控制交通信号，其中主要运用GPS全球定位系统等。

出于便捷和效果的综合考虑，我们可用如下方案来控制交通路况:

制作传感器探测车辆数量来控制交通灯的时长。

具体如下:

通过传感器（即电磁感应线圈）探测出汽车的流量后自动调节红绿灯的时长。

车辆的流量计数、交通灯的时长控制可由可编程控制器（PLC）来实现。

比较传统的定时交通灯控制与智能交通灯控制，可知后者的最大优点在于减缓滞流现象，也不会出现空道占时的情形，提高了公路交通通行率，较全球定位系统而言成本更低。

1.1课题研究背景

1858年，在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红，蓝两色的机械扳手式信号灯，用以指挥马车通行。

这是世界上最早的交通信号灯。

1868年，英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上，安装了世界上最早的煤气红绿灯。

它由红绿两以旋转式方形玻璃提灯组成，红色表示“停止”，绿色表示“注意”。

1869年1月2日，煤气灯爆炸，使警察受伤，遂被取消。

1914年，电气启动的红绿灯出现在美国。

这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成，安装在纽约市5号大街的一座高塔上。

红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通行”。

1918年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。

带控制的红绿灯，一种是把压力探测器安在地下，车辆一接近红灯便变为绿灯；另一种是用扩音器来启动红绿灯，司机遇红灯时按一下嗽叭，就使红灯变为绿灯。

红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时，它就能察觉到有人要过马路。

红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间，推迟汽车放行，以免发生交通事故。

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。

1968年，联合国《道路交通和道路标志信号协定》对各种信号灯的含义作了规定。

绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以直行，左转弯和右转弯，除非另一种标志禁止某一种转向。

左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。

红灯是禁行信号，面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车。

黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线，但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。

随着交通的不断发展和汽车化进程的加快，交通拥挤加剧，交通事故频发，交通环境恶化，已经成为引人注目的城市问题之一。

交通问题不仅是发展中国家，就是在发达国家也是一个令人困扰的严重问题。

众所周知，缓解交通拥挤的最直接和最有效办法是提高路网的通信能力。

但无论哪个国家的大城市，不可能无限制地修建道路，不论是资金因素还是土地因素，都限制了道路的无节制增长。

因此，不可能通过无限制地修建道路来满足日益增长的交通需求。

与此同时，通过限制车辆增加削减交通需求也因受到客观因素的制约而无法取得满意的结果。

事实上，由于交通系统是一个相当复杂的大系统，无论单独从车辆方面考虑还是从道路方面考虑，都很难从根本上解决问题。

1.2研究研究意义

在十字路口设置交通灯可以对交通进行有效的疏通，并为交通参与者的安全提供了强有力的保障。

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。

传统的十字路口交通控制灯，通常的做法是：

事先经过车辆流量的调查，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。

这种流量变化的偶然性是无法建立准确模型的，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很具流量变化自适应控制的交通灯。

目前，大部分城市路口交通灯的控制普遍采用固定转换时间间隔的控制方法。

由于十字路口不同时刻车辆的流量是复杂的、随机的和不确定的，采用固定时间间隔的控制方法，经常造成道路有效利用时间的浪费，出现空等现象，影响了道路的畅通。

为此，采用不依赖数学建模的模糊控制方法设计交通灯控制器，能较好地解决这个问题。

另外随着众多高科技技术在日常的普遍应用，城市空中各种电磁干扰日益严重，为保证交通控制的可靠、稳定，选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC是必要的。

随着科学技术的日新月异，自动化程度要求越来越高，原有的交通灯装置远远不能满足当前高度自动化的需要。

可编程控制器交通灯控制系统集成自动控制技术、计量技术、新传感器技术、计算机管理技术于一体的机电一体化产品：

充分利用计算机技术对生产过程进行集中监视、控制管理和分散控制；充分吸收了分散式控制系统和集中控制系统的优点，采用标准化、模块化、系统化设计，配置灵活、组态方便。

1.3问题与方法

问题

1、私人轿车越来越多，城区道路交通压力与日俱增，许多路段已经超出道路设计负荷，经常发生堵车、交通事故等现象；在节假日、上、下班高峰时间，堵车现象更为严重；如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵；

2、现在城市路口交通灯的控制普遍采用固定转换时间间隔的控制方法。

由于十字路口不同时刻车辆的流量是复杂的、随机的和不确定的，采用固定时间间隔的控制方法，经常造成道路有效利用时间的浪费，出现空等现象，影响了道路的畅通；

3、随着众多高科技技术在日常的普遍应用，城市空中各种电磁干扰日益严重，可能会影响交通灯的控制。

方法

1、利用一种可以随着车辆数量变化而变化红绿灯时长的交通灯，根据路口车辆的实际数量变化绿灯时长，充分利用道路，保持道路的通畅；

2、在入路口的各个方向附近按要求埋设压力传感器，当汽车通过时压力产生变化，即可检测出汽车的通过；将这一信号转换为标准脉冲信号作为可编程控制器的控制输入；

3、用PLC计数，按一定控制规律自动调节红绿灯的时长，PLC具有很高的可靠性，通常的平均无故障时间都在30万小时以上；编程能力强，可以将模糊化，模糊决策和解决模糊都方便地用软件来实现；抗干扰能力强，目前空中各种电磁干扰日益严重，为保证交通控制的可靠、稳定，选择了能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC是必要的。

2方案论证与硬件设计

2.1课题可行性分析

目前，大部分城市路口交通灯的控制普遍采用固定转换时间间隔的控制方法。

由于十字路口不同时刻车辆的流量是复杂的、随机的和不确定的，采用固定时间间隔的控制方法，经常造成道路有效利用时间的浪费，出现空等现象，影响了道路的畅通，不仅让司机乘客怨声载道，而且对人力和物力资源也是一种浪费。

智能控制交通系统是目前研究的方向，也已经取得不少成果，在少数几个先进国家已采用智能方式来控制交通信号，其中主要运用GPS全球定位系统等。

出于便捷和效果的综合考虑，我们可用如下方案来控制交通路况:

制作传感器探测车辆数量来控制交通灯的时长。

具体如下:

在入路口的各个方向附近的地下按要求埋设感应线圈，当汽车经过时就会产生涡流损耗，环状绝缘电线的电感开始减少，即可检测出汽车的通过，并将这一信号转换为标准脉冲信号作为可编程控制器的控制输入，并用PLC计数，按一定控制规律自动调节红绿灯的时长。

比较传统的定时交通灯控制与智能交通灯控制，可知后者的最大优点在于减缓滞流现象，也不会出现空道占时的情形，提高了公路交通通行率，较全球定位系统而言成本更低。

2.2车辆的存在与通过的检测

2.2.1感应线圈（电感式传感器）

电感式传感器其主要部件是埋设在公路下十几厘米深处的环状绝缘电线（特别适合新铺道路，可用混凝土直接预埋，老路则需开挖再埋）。

当有高频电流通过电感时，公路面上就会形成如图2.1中虚线所形成的高频磁场。

当汽车进入这一高频磁场区时，汽车就会产生涡流损耗，环状绝缘电线的电感开始减少。

当汽车正好在该感应线圈的正上方时，该感应线圈的电感减到最小值。

当汽车离开这高频磁场区时，该感应线圈电感逐渐复原到初始状态。

由于电感变化该感应线圈中流动的高频电流的振幅（本论文所涉及的检测工作方式）和相位发生变化，因此，在环的始端连接上检测相位或振幅变化的检测器，就可得到汽车通过的电信号。

若将环状绝缘电线作为振荡电路的一部分，则只要检测振荡频率的变化即可知道汽车的存在和通过。

电感式传感器的高频电流频率为60kHz，尺寸为 2×3m，电感约为100μH.这种传感器可检测的电感变化率在0.3％以上。

电感式传感器安装在公路下面，从交通安全和美观考虑,它是理想的传感器。

传感器最好选用防潮性能好的原材料。

图2.1 车辆检测原理图及检测电路电压脉冲输出波形

2.2.2检测电路

检测汽车存在的具体实现是在感应线圈的始端连接上检测电感电流变化的检测器,并将之转化为标准脉冲电压输出。

其具体电路图由三部分组成:

信号源部分、检测部分、比较鉴别部分。

原理框图如图2.2所示,输出脉冲波形见图2.1（b）。

图2.2  车辆存在与检测电路原理框图

2.2.3硬件配置

60KHZ信号源：

RC桥式振荡电路如图2.3所示，它由两部分组成，即放大电路

和选频网络

。

由图中可知由于Z1、Z2和R1、Rf正好形成一个四臂电桥，因此这种振荡电路常称为RC桥式振荡电路。

图2.3RC桥式振荡电路

由图可知，在

时，经RC反馈网络传输到运放同相端的电压

与

同相，即有

和

。

这样，放大电路和由Z1、Z2组成的反馈网络刚好形成正反馈系统，可以满足相位平衡条件，因而有可能振荡。

实现稳幅的方法是使电路的

/

值随输出电压幅度增大而减小。

起振时要求放大器的增益

>3,例如，Rf用一个具有负温度系数的热敏电阻代替，当输出电压

增加使

的功耗增大时，热敏电阻

减小，放大器的增益下降，使

的幅值下降。

如果参数选择合适，可使输出电压幅值基本恒定，且波形失真较小。

由于集成运放接成同相比例放大电路，它的输出阻抗可视为零，而输入阻抗远比RC串并联网络的阻抗大得多，可忽略不计，因此，振荡频率即为RC串并联网络的

。

RC串并联网络构成正弦振荡电路的正反馈,在

处,正反馈系数

，而

和

当构成电路中的负反馈，反馈系数

。

F+与F-的关系不同，导致输出波形的不同。

选用R等于13.25K的电阻，选用C等于200PF的电容，

、

分别选用250K

和100K

。

感应线圈电流检测电路：

图2.4信号源电流检测电路

我们采用单相半控桥式整流电路即整流电路中的整流元件有半数是二极管，其余半数是晶体管。

半控整流电路的输出也是完全可以连续平滑控制的。

下图表示单相半控桥式电阻电感负载电路及其波形，设负载电流因电感足够大而平直。

当电源U2正半波，在

=a时触发VT1后，VT1，VD2导通，电流通路为：

VT1－VD2，电流由电源提供；当

＝Π后，电源电压u2经零变负，但由于电感电势的作用，电流仍将使，电感通过VD1－VT1回路放电。

在

＝Π处，二极管VD2电流换给VD1，电流iVD2及i2终止，在

＝Π－（Π＋a）区间电流由电感释放电能提供。

当

＝（Π＋a）时触发VT2导通，由于VT2的导通才能使VT1承受反压而关断，其后的工作过程与前半周类似。

由此可见，VT1触发导通后，需VT2的触发导通才能关断。

因此流过晶体管的电流在一周期内各占一半，其换流时刻由门极触发脉冲决定；而二极管VD1，VD2的导通与关断仅由电源的正负半波决定，在

＝n×Π处换流，所以单相半控桥式整流电路电感负载时各元件导通角均为180度，电源在a区间内停止对负载供电。

半控桥式整流电路中的整流二极管VD1，VD2本身兼有续流二极管的作用，因此电路中不需要另加续流二极管。

但如果在工作中出现异常，比如VT2的触发脉冲消失，则VT1由于电感续流作用将不能关断，等到下一个正半波到来时，VT1无需触发仍使导通，结果是，一只晶体管与两只二极管之间轮流导电，其输出电压失去控制，这种情况称为失控。

失控时的输出电压相当于单相半波不可控整流的电压波形。

为了防止这种失控现象，仍须在半控式电路中加上续流二极管。

图2.5感应线圈电流检测电路

比较鉴别电路

图2.6脉冲产生电路

我们采用电压比较器，当U－大于u＋时输出－Uom，当U－小于u＋时输出＋Uom。

可视为可用脉冲。

上面的电路都要有脉冲才能实现控制，所以下面介绍脉冲产生电路。

结晶体管触发电路

改变电位器RP的数值可以调节输出脉冲电压的频率。

但是（RP＋R）的阻值不能太小，否则在单结晶体管导通之后，电源经过RP和R供给的电流较大，单结晶体管的电流不能降到谷点电流之下，电容电压始终大于谷点电压，因此，单结晶体管就不能截止，造成单结晶体管的直通现象。

选用谷点电流大一些的管子，可以减少这种现象。

当然，（RP＋R）的阻值也不能太大，否则充电太慢，使晶闸管的最大导通角受到限制，减小移相范围。

一般（RP＋R）是几千欧到几十千欧。

单结晶体管触发电路输出的脉冲电压的宽度，主要决定于电容器放大电的时间常

数

。

R1或C太小，放电快，触发脉冲的宽度小，不能使晶闸管触发。

因为晶闸管从阻断状态到完全导通需要一定时间，一般在10

以下，所以触发脉冲的宽度必须在10

以上。

如选用C＝0.1~1

F，R1=250~100Ω，就可得到数十微秒的脉冲宽度。

但是，若C值太大，由于充电时间常数（RP+R）C的最小值决定于最小控制角，则（RP+R）就必须很小，如上所述，这将引起单结晶体管的直通现象。

如果R1太大，当单结晶体管尚未导通时，其漏电流就可能在R1上产生较大的电压，这个电压加在晶闸管的控制极上而导致误触发。

脉冲电压的幅度决定于直流电源电压和单结晶体管的分压比。

如电源电压20V，晶体管的分压比为0.5，则在单结晶体管导通时，电容器上的电压约为10V，除去管压降外，可以获得幅度为7~8V的输出脉冲电压。

根据上述数据，输出脉冲的宽度和幅度都能满足触发晶闸管的要求。

图2.7中的电阻R2是作温度补偿用的。

因为在UP＝

UBB＋UD的式中，分压比

几乎不随温度而变，而UD将随温度上升而略有下降。

这样，UP就要随温度而变，这是不希望的。

当接入R2（及R1）后，UBB是由稳压电源的电压UZ经R2、RBB、R1分压而得，而RBB随温度上升而增大，因此在温度上升后，RBB增大，电流就减小，R1和R2上的压降也相应减小，UBB就增大一些，于是补偿了UD因温度上升而下降之值，从而使峰点电压UP保持不变。

图2.7由单结晶体管触发的单相半控桥式整流电路

2.2.4车辆计数

图2.8传感器的铺设

车辆计数是智能控制的关键，为防止车辆出现漏检的现象，环状绝缘电线在地下的铺设我们设采取在每个车行道上中的出口地（停车线处）以及在离出口地一定远的进口的地方各铺设一个相同的传感器，方案如图2.8（以典型的十子路口为例），同一股道上的两传感器相距的距离为该股道正常运行时所允许的最长停车车龙为好。

2.3用PLC实现智能交通灯控制

2.3.1控制系统的组成

车辆的流量记数、交通灯的时长控制可由可编程控制器（PLC）来实现。

当然，也可选用其他种类的