下沙6号大街高峰期智能信号灯控制系统设计.docx
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下沙6号大街高峰期智能信号灯控制系统设计
杭州电子科技大学信息工程学院
本科毕业设计
（2016届）
题目
下沙6号大街高峰期智能信号灯控制系统设计
系
电子通信系
专业
电子信息工程
班级
学号
学生姓名
指导教师
完成日期
2016年5月15
诚信承诺
我谨在此承诺：
本人所写的毕业论文《下沙6号大街高峰期智能信号灯控制系统设计》均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。
承诺人（签名）：
年月日
摘要
本设计在介绍绿波带概念的基础上，重点讨论了下沙6号大街在早晚高峰时绿波带的设计。
获得最大的绿波带这种目标的实现主要是通过调整各个交叉口之间的相位差以及各个交叉口本身的相序来实现的。
本文设计的交通灯协调控制系统采用MSC-51系列单片机AT89C51为中心器件来设计交通灯控制器，加上适当的驱动电路，数码管显示，红、黄、绿交通信号灯显示，本系统的特色是具有硬件调时功能，并且使用仿真软件模拟实现交通信号灯控制情况良好。
关键词：
绿波带、协调控制、相位差、89C51单片机、信号灯
Abstract
Thisdesignbasedontheintroductionoftheconceptofbandwidthprogressed,discussedemphaticallythedesignofbandwidthprogressionthattheXiaSha6Avenueinthemorningandeveningrushhour.Thatistoprovidethemaximumbandwidthprogressionbyadjustingtheoffsetandphasesequencepatternforeachsignalizedintersection.
ThispaperisaccordingtotheAT89C51thispaperputforwardakindofautomaticcontrolbysinglechiptrafficlightandtimedisplaymethodisgiven,andthehardwareandsoftwaredesignmethod,designprocessincludinghardwarecircuitdesignandprogramdesigntowmajorsteps,inSCPapplicationmaybemetinimportantdesignproblemscanhaveinvolved.
KeyWords:
bandwidthprogression;coordinatedcontrol;offset;AT89C51;trafficsignals
目录
摘要3
第1章绪论6
1.1规划的背景6
1.2绿波带的概念及设计思路6
1.3绿波带配时设计方法7
1.3.1时间-距离7
1.3.2配时所需要的数据7
1.4计算信号备用配时方案7
第2章现场数据采集9
2.1路口的选取及其交通流量9
2.2计算关键车流交通流量比10
2.3确定公共信号周期11
2.4用图解法确定信号时差12
第3章软件设计14
3.1总体方案14
3.2程序设计思路14
3.3子程序模块设计15
第4章硬件设计16
4.1AT89C51介绍16
4.1.1主要特性16
4.1.2管脚说明17
4.2芯片74LS273介绍18
4.3多位数码管19
4.4时钟电路设计20
4.5复位电路设计20
4.6交通灯硬件线路图20
4.7硬件仿真和硬件电路制作21
第5章系统调试23
5.1断电调试23
5.2通电调试23
5.3基本要求部分的测试与分析23
第6章结论24
致谢25
参考文献26
附录27
绪论
规划的背景
21世纪，杭州市乃至全国的机动车数量量呈高速增长趋势。
随着交通流量的大幅增长，我市下沙区域的交通频繁拥堵，不能满足市民的出行需求。
早晚高峰时段，下沙区域的6号大街主干道交通流量已经处于饱和或超饱和状态。
所以，单点交叉口信号控制已经不足以解决实际问题。
我们要根据干道的具体情况调整信号控制策略，设计尽可能宽的绿波带，使其方向行驶的车辆延误最小，进而缓解主干道的交通拥堵。
杭州下沙六号大街在早晚高峰期一直是塞车“黑点”，西起3号大街、东至之江东路，全长约5公里，因位于大学城内，车流量非常大。
鉴于此，以东西方向的6号大街为干道，将8个路口相邻的交通信号连接起来，加以绿波协调控制，为沿6号大街行驶的车辆提供绿波带，畅通无阻地通过的沿途所有交叉路口，也就意味着交通参与者在干道上只要按一定速度（高峰40km/h）行驶，基本一路上绿灯。
绿波带的概念及设计思路
绿波带，又称“信号灯多点控制技术”，即在一段道路上实现统一的信号灯控制，将纳入控制区域的信号灯连接起来，在计算机的协调控制下，使车流在道路上行驶的过程中，持续出现一个接一个的绿灯信号，保证干道上的车辆能够顺畅通过。
由于双向绿波交通实现效果都不理想，甚至有些双向绿波交通的整个延误反而大于未进行绿波设计时的延误。
基于此，我提出了局部绿波交通这个概念。
它有两方面的含义，一是仅对下沙6号大街某一特别重要路段进行绿波控制；二是在双向道路上对某一主流方向进行绿波控制，而另一方向仍采用普通控制方式。
本文正是研究第二种局部绿波交通的实现及其效果。
由于只考虑一个方向的协调控制，绿波带相对更宽，对实际情况的适应能力更强，因而实施起来相对更容易一些。
绿波带”技术的实现，首先，把要实现绿波的车流放在第一相位。
其次，要求基准时间、周期、相位要一致。
还有，时段方案要确立一套为绿波带专用，所采用的配时方案也要一致。
然后，根据路段长度及平均车速，确定绝对相位差。
绿波带配时设计方法
时间-距离
图1-1中所绘斜线所标定的时间范围称作是通过带，它的宽度就是通过带宽，简称带宽。
它确定路段上交通流所能利用的通车时间，单位为秒（s）或周期时长的百分数（%）。
斜线的斜率就是驾驶人沿路段连续通行的车速，即为通过带速度，简称带速。
图1-1道路绿波带设计时间一距离示意图
配时所需要的数据
在确定方案之前，要调查和收集准确的干道交通数据。
（1）交叉口间距：
相邻两交叉121停车线到停车线的距离。
（2）干道和相交道路的宽度，进口道车道数以及各进口道宽度。
交通量：
在单位时间内通过道路指定断面的车辆数量或行人数。
（4）交通管理规则：
如限制转弯、限速、限制停车情况等。
（5）车速：
路上或每对交叉口之问所规定得车速或实际车速。
计算信号备用配时方案
（1）确定最佳周期长,即为信号控制交叉口，能使通车效益指标最佳的交通信号周期时长。
C。
=（1.5L+5）／（1一Y）
式中：
C。
—信号最佳周期长，s；Y一交通流量比，为各相位交通量最大的那条车道的交通流量比之和，Y=Σmax[yi，y′，⋯.]；L—每周期的总损失时间，s；
1=Σ（l+I-A）
L—车辆启动损失时间，一般取为3s；I—为绿灯间隔时间，一般取为3s；A—全黄灯时间，s。
（2）计算各车道流量比。
Y=q/s,（饱和交通流量，直接取1600Pub/h左右，左右转弯取1500Pub/h,根据路口实际情况，存在修正系数）。
（3）计算信号损失。
L=nl+AR
（4）确定周期时长
在信号控制系统中，为使各路口的交通信号能获得协调，各个信号灯的周期必须是统一的。
根据路口的交通流向、流量，计算出各个路口交通信号所需的周期，然后选出最大的周期作为系统的周期。
（5）信号配时
根据上式确定的最佳周期时长，可得每周期的有效绿灯时间Ge为：
Ge=Co—L,
把Ge在所有信号相位之间，按各相位的最大流量比值进行分配，得各相位gei=Ge（yi/Y）
计算可得各交叉口的实际显示绿灯时间及红灯时间。
各交叉口周期长及信号配时，则实际显示绿灯时间为:
Gi=gei一A+l
（Gi——相位实际显示绿灯时间，s；gei——相位有效绿灯时问，s。
（6）绿信比
在信号控制系统中，各个信号的绿信比是根据各个交叉口各向交通量的流量比来确定的。
因此，控制系统中，各个交叉口信号的绿信比不一定相同。
（7）信号时差
协调相邻信号间的时差，可以用图解法，在时间一距离图上，在协调系统的时差中，同时调整确定带速和周期时长。
现场数据采集
路口的选取及其交通流量
（1）设计路段简介
本设计选取下沙6号大街为研究路段,如图2-1所示。
西起1号大街、东至之江东路，全长5.3公里的路，横穿8个信号灯.
图2-1选取路段基本情况
调查内容：
对各个路口的交通流量进行分方向记录并统计如表2-1和表2-2所示。
表2-1各路口的交通流量
1488
表格2-2各交叉口间距及行程时间
交叉口名
5号大街
9号大街
11号大街
19号大街
21号大街
23号大街
25号大街
27号大街
距离/m
420
440
435
445
500
480
465
时间/s
38
40
39
40
45
43
42
从表格2-2看出，6号大街各路口间距比较合理，干道公交站点均有港湾设置，不会对主道路交通流产生很大的影响。
通过交通量和车速计算，得到该路段各路叉口的高峰单位小时交通量向及交通流量，并测得6号大街上的平均速度为40.8km／h
计算关键车流交通流量比
根据相关路口的调查的流量数据，对关键车流做出判定，并且计算关键车流的交通流量比，如表2-3所示。
表格2-3各交叉口交通流量比
（1）关键车流判定的数据准备及处理
现以6号大街和23号大街交叉口为例进行分析，列出该路口的基本信息，绘制表格，如表格2-4所示。
表格2-423号各向车流的已知交通数据
因此，可以选取一个比大于91s的数作为初始信号周期，假设初始信号周期取100s。
确定公共信号周期
根据线性控制的基本要求,公共周期由各个交叉口的设计相位与周期可得,为100s。
图2-2各个交叉口的设计相位与周期
图2-2中各交叉口的周期是根据韦氏信号周期公式算得，其中最大的为23号大街与6号大街交叉口周期为100s，故取各交叉口公共信号周期时长（Cm）为100s。
为了各路口的交通信号做到相互协调，必须使得各路口的周期达到统一。
由于6号大街与23大街交叉口的周期最长，将它作为关键交叉口，公共周期时长定为100s。
调整后各个路口的周期及配时如表2-5所示。
表2-5调整后各个路口周期及配时
交叉口
最佳周期／s
主方向绿灯／s
次方向绿灯／s
11
100
55
37
19
100
51
41
21
100
53
39
23
100
54
38
用图解法确定信号时差
图2-3图解法确定信号示意图
由图2-3所示图解法，通过带可以计算得出带速约为40km／s,带宽约为24s,即为周期时长的24%。
软件设计
总体方案
全部控制程序实际上分为若干模块：
键盘设置处理程序，状态灯控制程序，LED显示程序，紧停或违规判断程序，中断服务子程序，车流量计数程序，红绿灯时间调整程序等。
程序设计思路
在这部分我设置南北方向通行，东西方向禁行为初始状态，持续时间40为s。
接下来黄灯闪烁5s，然后南北方向禁行，东西方向通行，持续时间仍为24s，最后黄灯闪烁5s，回到初始状态。
如此循环，程序流程图如图3-1所示。
图3-1交通灯程序流程图
子程序模块设计
按键模块的控制是调用中断来实现控制的，独立式键盘的实现方法是利用单片机I/O口读取口的电平高低来判断是否有键按下。
将常开按键的一端接地，另一端接一个I/O口，程序开始时将此I/O口置于高电平，平时无键按下时I/O口保护高电平。
当有键按下时，此I/O口与地短路迫使I/O口为低电平。
按键释放后，单片机内部的上拉电阻使I/O口仍然保持高电平。
我们所要做的就是在程序中查寻此I/O口的电平状态就可以了解我们是否有按键动作了。
中断子程序流程图如图3-2所示。
图3-2中断子程序
定时中断子程序是本设计的重点，负责完成数码管输出数据刷新和各个状态的处理切换。
中断子程序包括数码管输出数据刷新程序和各状态处理程序。
中断程序的流程图如图3-3所示。
图3-3定时中断流程图
硬件设计
AT89C51介绍
芯片AT89C51的外形结构和引脚图如图4-1所示。
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM-FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MC-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
图4-1AT89C51引脚图
主要特性
8051CPU与MCS-51兼容
4K字节可编程FLASH存储器（寿命：
1000写/擦循环）
全静态工作：
0HZ-24KHZ
三级程序存储器保密锁定
128*8位内部RAM
32位可编程I/O线
两个16位定时器/计数器
5个中断源
可编程串行通道
低功耗的闲置和掉电模式
片内振荡器和时钟电路
管脚说明
VCC：
供电电压
GND:
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高8位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，各功能口功能如下：
口管脚的备选功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（计数器0外部输入）
P3.5T1（计数器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG:
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地址字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定是目的。
然而它可用作对外部输出的脉冲或用于定是目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX,MOVC指令时才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次
有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的
信号将不出现。
/VPP:
当
保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH）,不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，
将内部锁定为RESET;当
端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出引脚。
芯片74LS273介绍
74LS273是8位数据/地址锁存器，如图4-2所示，它是一种带清除功能的8D触发器，下面介绍一下它的管脚图功能资料。
1脚是复位CLR,低电平有效,当1脚是低电平时,输出脚2（Q0）、5（Q1）、6（Q2）、9（Q3）、12（Q4）、15（Q5）、16（Q6）、19（Q7）全部输出0,即全部复位。
当1脚为高电平时,11（CLK）脚是锁存控制端,并且是上升沿触发锁存,当11脚有一个上升沿,立即锁存输入脚3、4、7、8、13、14、17、18的电平状态,并且立即呈现在在输出脚2（Q0）、5（Q1）、6（Q2）、9（Q3）、12（Q4）、15（Q5）、16（Q6）、19（Q7）上。
图4-274LS273引脚图
多位数码管
图4-374LS273引脚图
LED显示器由七段发光二极管组成，排列成8字形状，因此也称为七段LED显示器。
为了显示数字或符号，要为LED显示器提供代码，即字形代码。
其段发光二极管，再加上一个小数点位，共计8段，因此提供的字形代码的长度正好是一个字节。
智能交通灯用到的数字0—9的共阳极字形代码如表4-1所示。
表4-1驱动代码表
显示数值
驱动代码（16进制）
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
C0H
F9H
A4H
B0H
99H
92H
82H
F8H
80H
90H
时钟电路设计
图4-4时钟电路
MCS-51单片机芯片内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。
当使用内部振荡电路时，XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体和微调电容，如图所示，图中C2、C3大小一般为30pF。
还加了复位/备用电源引脚的接线方法，任何单片机在工作之前都要进行复位，以便CPU以及其他功能部件都处于一个确定的初始化状态，并从这个状态开始工作，也就是程序开始执行之前，单片机做好准备工作。
如何进行复位呢？
只能在单片机的RST引脚上保持两个机器周期（24个时钟周期）的高电平即可对单片机实现复位操作。
当主电源VCC发生掉电或者是电压降低到电平规定值时，VPD上外接的备用电源自动启用，为单片机内部RAM提供电源，以保护片内RAM中的信息不丢失，使系统在恢复上电后能正常运行。
时钟电路如图4-4所示。
复位电路设计
图4-5复位电路
AT89C51的复位是由外部的复位电路实现的。
复位电路通常采用上电复位和按钮复位两种方式。
在此次设计中，我使用了上电复位方式，如图4-5所示。
上电复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。
交通灯硬件线路图
结合各部分设计电路，得到交通灯硬件线路如图4-6所示。
图4-6硬件线路图
硬件仿真和硬件电路制作
（1）打开Proteus软件，选择元器件，输入程序，得到仿真结果，如图4-7所示。
图4-7硬件仿真图
（2）通过电路原理图，开始电路制作，经过细心焊接，反复测试，得到成品，如图4-8所示。
图4-8电路硬件图
系统调试
断电调试
为安全起见，防止硬件烧坏，首先进行断电调试，用万用表检测系统是否有短路现象，再检查原理是否正确，各个线路的电平是否正常。
经检测，未出现短路现象以及各个电平都正常。
通电调试
（1）用万用表直流电压档测量稳压输出电压，测量结果为4.8V～6.5V之间可调，满足单片机系统的电源需求。
（2）检查系统时钟是否正常工作，用万用表直流电压档测量XTAL1与AXTAL2两端间的电压，检测到电压若为2.5V左右，则视为正常工作。
（3）检查复位电路是否正常工作。
（4）检查数码管显示和LED灯是否正常。
基本要求部分的测试与分析
（1）系统上电后，显示交通灯基本状态，按中断按键，中断正常，按复位按键，整个系统复位成功。
（2）按通行时间加减按键，系统数码管显示修改后的通行时间，能够完成预定要求，按下强制通行按钮，系统显示正常，再次按下强制通行按钮系统重新进入预定流程。
（3）在未进行任何的中断和复位操作时，交通灯按照预定流程进行，东西通行60秒，南北通行40秒。
结论
绿波带”是在规定的交通干道上，通过调整各交叉口的信号灯相位差、周期和绿信比，在各路口信号灯的相互协调下，规定好车速后，使得行驶在道路上的车辆可以一路绿灯。
设计通过绿波带的速度应靠近于
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