智能交通灯的研究.docx
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智能交通灯的研究
HUNANUNIVERSITY
毕业设计（论文）
论文题目
智能交通灯的研究
学生姓名
学生学号
20070720121
专业班级
测控技术与仪器一班
学院名称
电气与信息工程学院
指导老师
学院院长
2011年5月27日
智能交通灯的研究
摘要
智能交通灯通过红、黄、绿灯的自动转换来指挥道路上的交通。
目前，改善交通拥挤状况已成为城乡交通管理现代化的重要课题。
在十字交叉路口，为了维持交通秩序和保证行人的安全，一般在每条道路上各有一组红、黄、绿交通信号灯，其中红灯亮,表示该条道路禁止通行；黄灯亮，表示该条道路上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行；绿灯亮，表示该条道路允许通行。
交通灯控制电路自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换,指挥各种车辆和行人安全通行，实现十字路口城乡交通管理自动化。
本文首先阐述了基于单片机的智能交通灯控制系统的意义，并对智能交通灯的研究现状进行了分析，并且提出了本文的研究内容。
本智能交通灯控制系统在基于红外传感器检测车流量实现自动控制和在紧急情况下能够手动切换信号灯让特殊车辆优先通行。
本文同时对智能交通灯控制系统的设计进行了详细的分析。
之后介绍了如何利用PROTEUS软件对交通灯控制系统进行仿真，仿真结果表明系统工作性能良好。
最后列出了实现本智能交通灯系统的源程序。
关键词：
单片机，智能交通灯控制系统，PROTEUS仿真，红外传感检测
TheResearchonintelligenttrafficlights
Abstract
Intelligenttrafficlightcandirectthetrafficontheroadthroughtheautomaticconversionofred,yellowandgreenlight.Atpresent,improvingtheurbantrafficcongestionhasbecomeanimportantsubjectofmoderntrafficmanagement.Inordertokeeptrafficandensurethesafetyofpedestrians,thereisagroupofred,yellowandgreentrafficlightontheeveryroadofthecrossroads.Redlightstandsfornothoroughfare,andyellowlightmeansthatroadisonlyavailableforvehiclesbeforeparkingcord.Whilenotavailableforvehiclesafter.Greenlightmeansthatallvehiclescanpass.Thetrafficlightcontrolcircuitcontrolthechangeofred,yellowandgreenlightautomatically,anddirectthetrafficontheroadforvehiclesandpedestrians,contributingtothemoderntrafficmanagement.
Atthebeginning,thispaperexpoundsthesignificanceofintelligenttrafficlightbasedonsinglechipmicrocomputer,analysesthecurrentsituationofintelligenttrafficlight,andputsforwardthemainresearchcontentsofthepaper.Theintelligenttrafficlightcontrolsystembasedoninfraredsensorcanbecontrolledautomaticallyandcanmanuallyswitchthetrafficlightstogiveprioritytospecialvehiclesunderemergencycircumstances.Thispaperalsoanalysesindetailsthedesignofintelligenttrafficlightcontrolsystem.ThenthepaperintroduceshowtosimulatetheintelligenttrafficlightsystemusingthePROTEUSsoftware,andthesimulationresultsshowsthattheperformanceofthesystemisgoodasexpected.Intheend,thepaperenumeratestheprogramcodesoftheintelligenttrafficlightsystem.
KeyWords:
SCM,Intelligenttrafficlightcontrolsystem,PROTEUSsimulation,InfraredSensing
摘要I
AbstractII
1绪论
1.1智能交通灯研究意义
城市道路交通自动控制系统的发展的各个发展阶段，由于交通的各种矛盾不断出现，人们总是尽可能地把各个历史阶段当时的最新科技成果应用到交通自动控制中来，从而促进了交通自动控制技术的不断发展。
传统交通灯控制系统设计过于死板，红绿灯交替间过于程式化的缺点，智能交通灯控制系统的设计就更显示出了它的研究意义，它能根据交叉路口经常出现拥堵的情况来调节通行时间。
本系统利用AT89C51单片机[1]，实现根据区域车流量、红外检测或者人为操作进行十字路口交通信号灯智能控制[2]，并在软硬件方面采取一些改进措施，实现了根据十字路口车流、红外检测量进行交通信号灯智能控制，并且在紧急情况下，可以使用紧急按键使两路口有选择的通行，有效地处理紧急事件或是紧急车辆的通行。
这样，交通信号灯现场控制灵活、有效，从一定程度上解决了交通路口堵塞、车辆停车等待时间不合理等问题，并可通过人为控制来解决紧急车辆强通的问题。
该系统具有结构简单、可靠性高、成本低、实时性好、安装维护方便等优点，并且具有良好的扩展完善的特点，有广泛的应用前景。
1.2智能交通灯研究现状
1.2.1国内外交通控制技术发展
在今天，红绿灯安装在各个道口上，已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段。
但这一技术在19世纪就已出现了[3]。
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。
它由红绿两色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[4]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[5]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”。
而中国最早的马路交通灯却是诞生于1928年的上海英租界。
从最早的手牵皮带到20世纪50年代的电气控制，从采用计算机控制到现代化的电子定时监控，交通信号灯在科学化、自动化上不断地更新、发展和完善。
但是，随着社会的不断进步，传统的交通灯的缺陷也日益出现，其中设计过于死板，达不到道路的最大通行效率是最明显的问题，红绿灯交替变换时间过于程式化。
在西方发达国家，交通控制系统基本上完成了由传统的交通控制系统向智能交通控制系统ITS的转变，而在我国，智能交通系统则刚刚处于起步阶段。
对于传统的交通控制系统而言，对红绿灯一般采用定时控制，无法对实际的交通流进行识别优化，以至于不能适应交通量的不确定性和随机性的原因，往往造成交通资源的浪费和道路的梗阻。
而智能交通控制系统则在不产生大的硬件改动的情况下有效的提高效率。
智能交通系统强调的是系统性、信息交流的交互性以及服务的广泛性，其核心技术是电子技术、信息技术、通信技术、交通工程和系统工程。
智能交通系统ITS是在较完善的道路设施基础上，将先进的电子技术、信息技术、传感器技术和系统工程技术集成运用于地面交通管理所建立的一种实时、准确、高效、大范围、全方位发挥作用的交通运输管理系统。
1999年，我国成立了全国智能交通系统（ITS）协调指导小组及办公室[6]，同年，又成立了全国智能交通运输系统（ITS）专家咨询委员会，其中，同济大学、清华大学、北方交通大学、北京航空航天大学、吉林工业大学、东南大学等高校的有关专家为咨询委员，并启动了国家“九五”科技攻关课题和国家“十五”科技攻关课题。
目前，在对一些大中型城市引入的国外ITS进行研究的基础上已经逐渐开始摸索开发设计适合自己国情的ITS系统。
可以说，在近百年的发展中，道路交通信号控制系统经历了手动到自动，从固定配时到灵活配时，从无感应控制到有感应控制，从单点控制到干线控制，从区域控制到网络控制的长远过程。
1.2.2交通控制存在问题
随着我国经济的高速发展，人们对各种交通车辆的需求量不断增大，城市的交通拥挤问题日益严重，目前，大部分城市的十字路口的交通控制灯，通常的做法是：
事先经过车辆流量的调查，利用传统的方法设计好红绿灯的延时，然而，实际上的车流量是不断变化的，有的路口在不同的时间段车流量的大小甚至有很大的差异，所以说，统计的方法己不能适应迅速发展的交通现状。
1.3研究内容
综合研究和分析国内外交通灯的研究技术以及方向，总结各类检测车流量技术的特点和应用前景，利用现有的检测技术和控制技术设计一种基于51单片机的交通灯智能控制的装置[7]。
本次毕业论文设计一个主动式红外对射式传感器和单片机在交通系统中的应用设计，基本研究内容有以下几点：
（1）学习并熟悉单片机的基本结构、引脚功能说明等硬件方面的知识。
（2）在传感器上，主要使用的是红外传感器，在这方面要了解传感器的工作原理，传感器是该系统的检测部分的核心，它关系到其它各个部分的运行和操作。
（3）学会利用多种语言编写单片机的程序，特别是汇编语言的使用会极大地降低编写程序的复杂性。
（4）在电路方面，要了解电路的作用，电路的工作原理，电路的设计原理，加深对电路知识的学习。
（5）要熟悉系统设计思路，组织电路的设计，了解整个电路的联系，将其组成一个整体，实现最终的设计思路。
2智能交通灯系统的方案设计
2.1智能交通灯系统的功能要求
2.1.1信号灯显示
在十字路口东西方向、南北方向车道装有红、黄、绿灯，其不同状态的显示指挥着道路交通。
2.1.2倒计时显示
东西方向、南北方向车道除了有红、黄、绿灯指示外，每一种灯亮的时间都用数码管显示器进行显示（采用倒计时的方法）。
2.1.3车流量检测及调整
设计一个十字路口的交通灯控制电路，要求南北方向和东西方向两个交叉路口的车辆交替运行，两个方向能根据车流量大小自动调节通行时间，车流量大，通行时间长，车流量小，通行时间短。
2.1.4紧急事件处理
交通路口出现紧急状况在所难免，如特大事件发生，救护车等急行车通过等，都必须尽量允许其畅通无阻，毕竟在这种情况下是分秒必争的，时时刻刻关系着公共财产安全，个人生死攸关等。
由此在交通控制中增设禁行按键，和方向选择按键就可达到想此目的。
2.2智能交通灯系统设计的方案选择
2.2.1智能交通灯系统的改进措施
针对交通十分拥挤的的现状，本智能交通灯系统的设计有两点的改进措施：
根据各个交通道路每个路口的车流量的大小自动实现调节路口通行时间。
当有紧急交通事故或者大型事件发生，还有当有特殊车辆通行时，设置了紧急切换开关。
2.2.2智能交通灯系统设计的方案比较
智能交通灯系统的设计有很多方案可以实现，其主流技术主要有以下几种：
（1）用可编程逻辑器件FPGA来实现，而在本智能交通灯系统设计中如要使用FPGA，相对来说比较复杂，并且FPGA的价格相对较贵，且系统设计的实现比较困难。
（2）用PLC来实现，PLC其实就是一被封装起来的单片机。
PLC里面设有监控程序，并且对I/O端口进行了光电隔离。
其功能就是使得PLC性能稳定并且很容易使用，且只需简单外围电路就可以实现该智能交通灯系统功能，但PLC比较昂贵，这样会使成本增高而失去目前市场竞争。
（3）应用单片充当核心控制器并且再加上适量的外围器件实现智能交通灯系统的设计，且单片机价格非常便宜，性能非常稳定。
应用的外围器件相对较少，这就提高了本系统的稳定性，且单片机控制十分简易，开发工具简单，很容易实现大批量生产。
经过以上方案的比较，最终选择第（3）种方案来实施。
2.3交通灯时间显示的方案选择
通常情况下，绿灯的放行时间与车辆通过数量是不成正比的。
比如说20秒内每车道如果可以通过20辆车，40秒内每车道就可以通过40车以上。
因为有车辆起步的问题，还有一个黄灯等待时间的问题。
所以说，绿灯放行时间越长，单位时间通过车辆的数量就越多。
当然现实中绿灯时间也不可能无限长。
所以本智能交通灯系统设定绿灯通行时间的上限为40秒。
在非拥挤时段绿灯的通行时间的下限为20秒，当交叉路口双方车辆较少时通行时间设为20秒，这样可以大大缩短车辆在红灯面前的等待时间。
当交叉路口双方车辆较多时通行时间设为40秒。
最后来判断各道路各方向车辆通行状况，由于南往北，北往南时间显示相同，所以只要一个方向多车，下次时间就要加长东往西，西往东也一样，显示时间选择如表2.1：
表2.1显示时间选择
车辆情况
本次该方向通行时间
下次该方向通行时间
本次该方向通行时间
本次该方向通行时间
南往北少车，北往南少车
20秒
20秒
40秒
20秒
南往北少车，北往南多车
20秒
40秒
40秒
40秒
南往北多车，北往南少车
20秒
40秒
40秒
40秒
南往北多车，北往南多车
20秒
40秒
40秒
40秒
东往西少车，西往东少车
20秒
20秒
40秒
20秒
东往西少车，西往东多车
20秒
40秒
40秒
40秒
东往西多车，西往东少车
20秒
40秒
40秒
40秒
东往西多车，西往东多车
20秒
40秒
40秒
40秒
由表可知，对应的时间调整有四种，分别是20，20；20，40；40，40；40,20。
虽然在实际应用中这样简单的，但是对现实道路交通拥挤状况起到一定的控制作用。
3交通灯系统的硬件设计
3.1硬件总电路设计
基于单片机的智能交通灯系统的设计，是以单片机AT89C51为核心控制芯片，由车流量检测电路，数码管显示电路，红绿信号灯电路，紧急控制开关电路，振荡电路，复位电路等构成。
系统总体框图如图3.1：
图3.1系统总体框图
本智能交通灯系统以单片机为系统核心控制，由复位电路，车流量检测电路，紧急控制开关电路产生输入，红绿信号灯显示电路与数码管显示电路接受输出。
3.2车流检测电路
3.2.1车流量检测传感器的选择
要实现交通信号的智能控制，必须首先获取各个相位上实时的交通流信息，这就需要依赖交通流量检测技术和图像识别技术。
随着信息技术的长足进步，交通流检测技术得到了迅速的发展。
交通量检测有很多种类[8]，如：
线圈检测、超声波检测、磁感应式检测、光辐射式检测、雷达检测、视频检测、霍尔传感器检测、红外传感器检测等。
车流量检测一般采用在路面埋设地感线圈和红外检测两种方式。
由于红外检测方式具有工程量小的优点，因此，本系统采用了红外检测方式对车流量进行检测，即利用红外传感器为核心元件，配以相应的测量放大电路和单片机主控制电路，实现车流量的自动检测、判别、计数等功能。
3.2.2常用的传感器
传感器是由敏感元件和转换元件组成能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。
（1）红外传感器
红外传感器[9]是利用物体产生红外辐射的特性，实现自动检测的传感器。
在物理学中，就已经知道可见光、不可见光、红外光及无线电等都是电磁波，它们之间的差别只是波长（或频率）的不同而已。
（2）压电传感器
压电传感器是一种典型的有源传感器，它是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，电介质表面产生电荷，从而实现外力与电荷量间的转换，达到非电量的电测目的。
压电传感器的应用：
可分为单向力，双向力和三向力传感器。
压电传感器的物理基础是压电效应，压电敏感元件感受力的作用而产生电压或电荷输出，即根据输出电压或电荷的大小和极性，就可确定作用力的大小和方向。
由此可见，压电传感器可以直接用于测力，或测与力有关的压力、位移、振动加速度等。
（3）磁电传感器
磁电传感器可分为两大类，一类是基于铁芯线圈电磁感应原理的磁电感应式传感器，一类是基于半导体材料磁敏效应的磁敏传感器。
磁敏管的应用：
不但具有很高的磁灵敏度，同时能识别磁场极性：
而且体积小，功耗低，因而具有广泛的应用前景。
（4）光电传感器
光电传感器是一种将光信号转换成电信号的装置，它具有结构简单，性能可靠，精度高，反应快等优点，在现代测量和自动控制系统中，应用非常广泛，是一种很有发展前途的新型传感器。
3.2.3红外传感器的发展
红外技术发展到现在，已经为大家所熟知，这种技术已经在现代科技、国防和工农业等领域获得了广泛的应用。
红外传感系统是利用红外线为介质的测量系统，按照功能能够分成五类：
辐射计，用于辐射和光谱测量；
搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；
热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像；
红外测距和通信系统；
混合系统，是指以上各类系统中的两个或者多个的组合。
红外传感器根据探测机理可分成为：
光子探测器（基于光电效应）和热探测器（基于热效应）。
3.2.4常用的红外传感器
（1）红外探测器
红外系统的核心是红外探测器[10]，按照探测的机理不同，可以分为热探测器和光子探测器两大类。
热探测器是利用辐射热效应，使探测元件接收到辐射能后引起温度升高，进而使探测器中依赖于温度的性能发生变化。
检测其中某一性能的变化，便可探测出辐射。
多数情况下是通过热点变化来探测辐射的。
当元件接收辐射，引起非电量的物理变化时，可以通过适当的变换后测量相应的电量变化。
（2）红外测温产品
HEITRONICS拥有40多年非接触红外测温经验，50多种红外测温仪和非接触红外测温系统可满足不同行业用户的特殊需求，提供最优非接触红外测温解决方案。
在高性能和高品质的红外测温产品市场，来自德国的HEITRONICS以其在尖端领域应用中良好的品质记录，被广泛公认为是世界一流的红外测温产品供应者而受到信任。
HEITRONICS系列产品已广泛应用于冶金，玻璃，造纸，纺织，橡胶，木材，制陶，塑料涂层，沥青建筑，电子，食品，石化，水泥等工业制造、科学研究和实验领域。
（3）人体红外传感器介绍和应用
在电子防盗、人体探测器领域中，被动式红外探测器的应用非常广泛，因其价格低廉、技术性能稳定而受到广大用户和专业人士的欢迎。
（4）无线红外传感器
无线红外传感器又称无线红外探测器是根据人体红外光谱而工作，当人体在其接受范围内活动时，探测器输出报警信号，广泛用于银行、仓库和家庭等场所的安全防范。
综上所述，每一种传感器都有他的用处和广泛的应用前景。
经过比较，在本文系统中最适合采用的是光电传感器，下面再简单地介绍下。
3.2.5主动式红外传感器简介
光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。
光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：
发送器、接收器和检测电路。
发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管（LED）、激光二极管及红外发射二极管。
光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。
接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。
在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。
在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。
本文采用的是一种对射型光电传感器，即主动红外探测器。
主动红外探测器由红外发射机、红外接收机和报警控制器组成。
分别置于收、发端的光学系统一般采用的是光学透镜，起到将红外光束聚焦成较细的平行光束的作用，以使红外光的能量能够集中传送。
红外光在人眼看不见的光谱范围，有人经过这条无形的封锁线，必然全部或部分遮挡红外光束。
接收端输出的电信号的强度会因此产生变化，从而启动报警控制器发出报警信号。
主动式红外探测器遇到小动物、树叶、沙尘、雨、雪、雾遮挡则不应报警，人或相当体积的物品遮挡将发生报警。
由于光束较窄，收发端安装要牢固可靠，不应受地面震动影响，而发生位移引起误报，光学系统要保持清洁，注意维护保养。
因此主动式探测器所探测的是点到点，而不是一个面的范围。
其特点是探测可靠性非常高。
但若对一个空间进行布防，则需有多个主动式探测器，价格昂贵。
主动式探测器常用于博物馆中单体贵重文物展品的布防以及工厂仓库的门窗封锁、购物中心的通道封锁、停车场的出口封锁、家居的阳台封锁等等。
主动式红外探测器有单光束、双光束、四光束之分。
以发射机与接收机设置的位置不同分为对向型安装方式和反射式按装方式，反射型安装方式的接收机不是直接接收发射机发出的红外光束，而是接收由反射镜或适当的反射物（如石灰墙、门板表面光滑的油漆层）反射回的红外光束。
当反射面的位置与方向发生变化或红外发射光束和反射光束之一被阻挡而使接收机无法接收到红外反射光束时发出报警信号。
对于用于检测车流量的传感器，本系统采用主动式红外对射传感器，它相对于传统的被动式热释红外传感器有以下优点：
（1）主动式对射红外传感器安装于十字路口上，采用多光束综合判断，当有车辆通过遮挡时，才被触发，极大的降低了传感器的误报（例如飞鸟等）；
（2）天气的变化对被动式热释红外传感器产生的影响很大，而主动式对射红外传感器大大地降低了这方面的影响。
在本系统中，采用对射式红外线光电开关HJS18-M14DNK检测车流量。
HJS18-M14DNK工作电压为直流10-30V，检测距离为10m，响应时间小于3ms，能在-25℃~55℃的温度条件下正常工作。
当有车辆通过光电开关之间时，输出端输出一个开关信号，送入单片机，单片机执行相应程序自动对输入信号进行计数，从而完成对车流量的统计。
3.2.6车流检测电路的连接
车流检测电路与单片机主电路的连接如图3.2所示：
图3.2车流检测电路与单片机主电路的连接
本系统利用红外车流检测装置安放在各十字路口东西、南北道路方向实时检测车道车流信息。
并将检测到的信息输至单片机进行处理，通过单片机编程技术实现信号灯绿、红切换及等待时间设定。
3.2.7检测电路
从上面的介绍可知，利用红外传感器[10]的红外线发射和接收方向性较强的特点，在车辆经过的路面上安装密度适当的几排红外线发射接收电路，组成红外线矩阵，在没有遮挡的情况下红外线接收电路产生高电平信号，反之产生低电平信号。
因此，根据车驶入、通过、驶出测试区时等状态引起的矩阵内各点高低电平的复杂变化，通过硬件电路的设计和软件
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