摘要

　　現代城市的不斷發(fā)展，使得城市規模呈現迅速膨脹的趨勢，傳統的交通燈控制系統己經(jīng)不能滿(mǎn)足城市發(fā)展的步伐，并且其弊端也在不斷顯現，尤其是紅綠燈顯示的時(shí)間不能根據車(chē)流量隨時(shí)調整，只是采用固定時(shí)間的方式控制。

　　本文以交通工程基本理論作為支撐，針對一個(gè)典型的小城市區域交通情況，在紅外車(chē)輛檢測器的車(chē)流量檢測數據基礎上，采用AT89C51單片機作為實(shí)驗工具模擬實(shí)現了一款交通燈控制系統，可以根據實(shí)際路況自動(dòng)判斷車(chē)流量情況，并將其反映到對交通燈的邏輯控制上。

　　硬件設計方面，由于車(chē)流量在不同時(shí)段內有著(zhù)比較明顯的差距，高峰期與低峰期比較突出，本文利用時(shí)鐘控制程序作為系統時(shí)間線(xiàn)索，進(jìn)行了電路設計，并且借助AT89C51單片機的輸出端與總線(xiàn)直接連接的方式控制相關(guān)顯示點(diǎn)陣；軟件設計方面，充分考慮到交通髙峰期內對周期相位數的控制，本文使用排隊算法盡量緩解車(chē)輛排隊的長(cháng)度，同時(shí)在信號周期內隨著(zhù)車(chē)輛數量的增加可以增加相位放行時(shí)間，從整體上變相地增加了高峰期時(shí)單位相位的車(chē)輛通過(guò)數量。

　　本文將以上方法使用Protues仿真軟件進(jìn)行了編程實(shí)現，并給出了仿真結果分析，驗證了本文的交通燈單交叉口多模式控制方法。

　　關(guān)鍵詞：車(chē)流量；交通燈；AT89C51單片機；智能控制

abstract

　　With the continuous development of modern city, the scale of the city has shown the trend of rapid expansion. The traditional traffic light control system has been unable to meet the pace of urban development, and its disadvantages are constantly emerging, especially the time of traffic light display can not be adjusted at any time according to the traffic flow, but only controlled by fixed time.

　　In this paper, based on the basic theory of traffic engineering, aiming at a typical traffic situation in a small city, a traffic light control system is simulated and realized by using AT89C51 single chip microcomputer as the experimental tool on the basis of the traffic flow detection data of infrared vehicle detector. It can automatically judge the traffic flow situation according to the actual road conditions and reflect it on the logical control of traffic lights.

　　In terms of hardware design, due to the obvious gap of traffic flow in different periods, peak and low peak periods are more prominent. In this paper, the clock control program is used as the system time clue to design the circuit, and the output terminal of AT89C51 single chip microcomputer is directly connected with the bus to control the relevant display matrix. In terms of software design, the high peak period of traffic is fully considered In order to control the number of periodic phases, this paper uses queuing algorithm to alleviate the length of vehicle queuing as much as possible. At the same time, with the increase of the number of vehicles in the signal cycle, the phase release time can be increased, and the number of vehicles passing through the unit phase in the peak period can be increased in a disguised way as a whole.

　　In this paper, the above methods are realized by using protees simulation software, and the simulation results are analyzed to verify the multi-mode control method of single intersection of traffic lights in this paper.

　　Key words: traffic flow; traffic light; AT89C51 single chip microcomputer; intelligent control

目錄

　　第1章緒論

　　1.1研究背景和意義

　　隨著(zhù)現代經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市的交通負荷也在隨著(zhù)機動(dòng)車(chē)輛的增加而逐漸增大，很多城市己經(jīng)處于超負荷運行狀態(tài)。城市交通的發(fā)展是從二十世紀八十年代后期開(kāi)始逐漸開(kāi)始的，城市道路的快速建設在一定程度上為經(jīng)濟發(fā)展提供了硬件支持。但是隨著(zhù)交通壓力的逐漸增加，車(chē)輛數量逐年膨脹，并且速度也在不斷增加，交通問(wèn)題己經(jīng)成為當前所有城市亟待解決的問(wèn)題之一。

　　城市中的交通燈控制系統己經(jīng)成為維持城市日常運轉的重要工具之一，沒(méi)有交通燈的支持，整個(gè)城市會(huì )成為混亂的停車(chē)場(chǎng)。基于車(chē)流量控制的智能交通燈系統己經(jīng)成為城市發(fā)展的重要支撐工具，迫切需要得到應用和發(fā)展。傳統的交通燈由于受到定時(shí)分配通行時(shí)間的限制，主要存在以下幾個(gè)缺點(diǎn)：首先，由于十字路口處會(huì )出現同一相位車(chē)流量較多的情況，定時(shí)分配的方式容易造成某一方向上的車(chē)輛堆積速度較快，從而影響下一個(gè)路口的交通狀況。其次，當出現某一相位無(wú)車(chē)輛或少量通行時(shí)，無(wú)法控制另外相位的車(chē)輛優(yōu)先通行，造成交通指揮盲點(diǎn)，影響交通指揮的效率。

　　最后，無(wú)法根據某一相位車(chē)流量較大時(shí)的放行時(shí)間，導致大流量相位的車(chē)輛需要等待多個(gè)控制周期才能完全通過(guò)。本系統使用傳感器檢測車(chē)輛的流量情況，可以通過(guò)硬件及時(shí)統計車(chē)輛的數量，再通過(guò)邏輯處理程序可以更好地實(shí)現對交通情況的智能分析，再借助調整算法對交通燈進(jìn)行設置。該交通系統的設計具有結構簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低、實(shí)時(shí)性好、安裝維護方便等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應用前景。本文設計的智能交通燈控制系統可以應用于多個(gè)或單個(gè)路口的情況，可以分析的相位可以覆蓋十字路口的情況，可以在一定的交通網(wǎng)絡(luò )中發(fā)揮智能控制的作用，輔助城市做好交通管理工作。網(wǎng)絡(luò )的組建不需要太大的帶寬，因此可以適用的網(wǎng)絡(luò )范圍也較廣，也方便進(jìn)行遠距離數據傳輸，甚至可以實(shí)現對交通狀況的實(shí)時(shí)檢測工作。對基于車(chē)流量的智能交通燈控制系統進(jìn)行設計目的在于對所學(xué)知識的綜合運用，將理論知識與實(shí)際應用相結合。基于車(chē)流量的智能交通燈控制系統設計意義重大，特別在人口密度高度集中的中國，它起著(zhù)更重要的作用。

　　最直接的作用是改善干道的暢通通行，減少車(chē)輛的排隊時(shí)間，從而解決交通擁堵的問(wèn)題。同時(shí)，促進(jìn)環(huán)保型、經(jīng)濟型、可持續發(fā)展的社會(huì )健康發(fā)展。此設計尤其適合中、小城市的十字路口交通控制，具有安裝簡(jiǎn)單，使用方便，價(jià)格實(shí)惠等優(yōu)點(diǎn)，毫無(wú)疑問(wèn)具有廣泛的應用前景。

　　1.2國內外研究現狀

　　人類(lèi)社會(huì )的發(fā)展給交通帶來(lái)了前所未有的壓力，同時(shí)，受到影響的還有人類(lèi)活動(dòng)本身，交通不僅僅是人類(lèi)生產(chǎn)生活的必要支柱，還是給人們的發(fā)現帶來(lái)希望的基礎。人類(lèi)社會(huì )經(jīng)歷了兩次工業(yè)革命，對世界的交通格局產(chǎn)生了巨大的影響，交通運輸的發(fā)現，使其成為了一項單獨的領(lǐng)域，同時(shí)派生了多個(gè)研宄機構。在現代社會(huì )，對交通管理最為有效的工具是交通控制系統，這個(gè)系統對龐大的物流量及交通出行量產(chǎn)生了極大的控制功能。隨著(zhù)交通流量的加大，交通事故的頻發(fā)，人們開(kāi)始考慮交通安全問(wèn)題，除了制定完善的交通規則，怎樣讓人們嚴格的執行這些交通規貝！J,成為了同樣重要的問(wèn)題，為了解決該問(wèn)題而研發(fā)的技術(shù)則成為了重中之重。

　　技術(shù)實(shí)現中遇到的難題，特別是軟硬件結合過(guò)程中遇到的困難，在隨著(zhù)電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而被逐個(gè)突破。目前，交通控制系統實(shí)現了很好的自動(dòng)智能化叫首先，這個(gè)系統解決了地理范疇問(wèn)題，它可以將整個(gè)地理區域作為系統的統一范圍，其次，這個(gè)系統可以隨時(shí)調整技術(shù)方案，可以根據不同時(shí)段或不同狀況選擇不同的科學(xué)方案。無(wú)論是工業(yè)發(fā)展還是日常生活，人們都需要出行，因此，交通對人類(lèi)社會(huì )來(lái)說(shuō)極其重要。自動(dòng)檢測領(lǐng)域很長(cháng)時(shí)間以來(lái)都比較滯后，主要是受技術(shù)方面的影響較大，其中在智能傳感器方面也是在近幾年才開(kāi)始迅速發(fā)展的，隨著(zhù)成本的降低開(kāi)始普遍采用，這將會(huì )對智能交通產(chǎn)生深遠的影響。世界上第一個(gè)紅綠燈的產(chǎn)生是在1858年的英國，當時(shí)為了指揮馬車(chē)的通行而采用燃燒煤氣的方法，共有紅色和藍色兩種顏色，并且在信號切換的時(shí)候使用機械扳手操作。這是世界上首次真正意義上的交通燈。到1868年時(shí)，英國的工程師對交通燈進(jìn)行了改進(jìn)，首次使用了紅綠燈作為交通燈，并且依然采用煤氣作為光源的方法，通過(guò)該交通燈的作用，改善了倫敦威斯敏斯特區的部分交通狀況。

　　當時(shí)的交通燈只是用紅色表示停止，綠色表示注意，以提醒直行的馬車(chē)[2].以電氣為光源的紅綠燈最早于20世紀初出現在美國。這種紅綠燈改變了形狀，由方形變?yōu)榱藞A形，并且增加了黃色燈。最大的變化就是由原來(lái)的旋轉式變成了投光式。紅燈還是提醒車(chē)輛停止通行，綠燈則變?yōu)楦嬷��?chē)輛通行之后，紅綠燈又進(jìn)行了改良，出現了帶控制的紅綠燈和紅外線(xiàn)紅綠燈。帶控制的紅綠燈主要是以某種信號源作為啟動(dòng)方式。一種信號源是壓力，人們將壓力計安裝在規定的地表以下，車(chē)輛引起壓力計數據變化后，觸發(fā)紅燈關(guān)閉綠燈打開(kāi)；一種信號源為音量，當車(chē)輛到達后，按下擴音器，聲音會(huì )觸發(fā)紅燈關(guān)閉，綠燈啟動(dòng)。共外線(xiàn)紅燈可以使用感應裝置對壓過(guò)路面的行為和車(chē)輛進(jìn)行感應，因此可以及時(shí)發(fā)現車(chē)輛經(jīng)過(guò)。當出現車(chē)流量較大的情況時(shí)，紅外線(xiàn)感應裝置可以發(fā)送信息給信號燈控制系統，使得紅燈延遲時(shí)間短一些，放行時(shí)間變長(cháng)[3].信號燈的作用給交通管理帶來(lái)很多便捷，尤其是在有效疏導車(chē)流量方面有著(zhù)無(wú)法替代的作用，可以大幅度降低交通事故的發(fā)生率。早在1968年的時(shí)候，為了明確各種信號燈的含義，聯(lián)合國就己經(jīng)制定了《道路交通和道路標志信號協(xié)定》，其包含的范圍比較廣泛，有很多規定到目前為止還在使用中[4].

　　綠燈是一種通行標識，在沒(méi)有特定標志說(shuō)明的情況下，表示車(chē)輛可以繼續直行或者左右轉彎。當然，處于向左右轉彎的車(chē)輛在進(jìn)行轉彎時(shí)，依然需要注意其他車(chē)輛或行人，一旦發(fā)生交通事故，可以通行的車(chē)輛依然需要根據情況承擔一定的責任。紅燈是禁止通行的標志，遇到前方紅燈的車(chē)輛必須無(wú)條件的停止在停車(chē)線(xiàn)后面，除個(gè)別特殊車(chē)輛以外。黃燈是一種警告信號，也是提醒信號，表示車(chē)輛不能超過(guò)停車(chē)線(xiàn)，但是當車(chē)輛速度較快時(shí)，可以進(jìn)入交叉路口。在中國，城市交通普遍存在以下四個(gè)方面的問(wèn)題：一是城市面積已由改革開(kāi)放前的幾十平方公里擴大到現在的上百平方公里甚至上千平方公里。城市的發(fā)展離不開(kāi)勞動(dòng)力的付出，大量務(wù)工人員開(kāi)始涌向城市，尤其是新城，城市面積擴大的同時(shí)必然帶來(lái)人口的增加。城市范圍擴大的同時(shí)，如果沒(méi)有相應警力的增加，會(huì )給城市交通帶來(lái)非常大的壓力，并且很容易造成混亂。省級管理部門(mén)的管理權限是一級級下放的，因此隨著(zhù)管轄范圍的增加，交通管理也逐級遞減。這也給交通管理工作帶來(lái)一定的壓力W.在一般的交通燈管理系統中，以十字路口為例，東西方向和南北方向均有兩個(gè)數碼管。交通燈一般按照以下顯示和定時(shí)切換的方式工作，并且有的路口還可以在各自方向上顯示倒計時(shí)信息。傳統的辦法一般使用兩種方法來(lái)解決交通擁堵問(wèn)題。第一是拓寬現有的公共交通道路、修建高質(zhì)量高等級公路、在城市中修建新公路，第二就是充分利用本文現有的交通資源，通過(guò)現代高科技手段GPS、嵌入式系統、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )系統等使其在一定道路的基礎上發(fā)揮出更高的運轉效率[6].目前在我國的大城市中，普遍使用各式各樣的控制系統對交叉路口交通信號燈設施進(jìn)行單點(diǎn)、干線(xiàn)或區域控制。據非官方統計，我國生產(chǎn)交通控制系統的廠(chǎng)家大約60家，產(chǎn)品種類(lèi)基本上多為時(shí)段定時(shí)式、感應式、集中協(xié)調式。

　　在這種行業(yè)無(wú)標準的大前提下，中華人民共和國公共安全行業(yè)標準GA47-2002《道路交通信號控制機》得以推出并執行[?1.公共安全行業(yè)標準的實(shí)行使得各交通信號控制系統生產(chǎn)企業(yè)紛紛參照實(shí)施，它的出臺使得交通控制信號機的技術(shù)水平、實(shí)用、可靠性、統一性方面大大增強。交通控制系統信號機的技術(shù)水平、實(shí)用性、可靠性決定了它在交通控制的有效性和科學(xué)性，并決定了它在實(shí)際運用中能否發(fā)揮高效率起到了關(guān)鍵性的作用。然而，從整個(gè)生產(chǎn)鏈來(lái)看，企業(yè)都是一些小規模的生產(chǎn)廠(chǎng)家，國家對這些企業(yè)的關(guān)注力度和投入力度不夠，使得企業(yè)的規模不能壯大；科研經(jīng)費不足，科研團隊人手不足，更是導致創(chuàng )新能力不強、開(kāi)發(fā)能力較弱的特點(diǎn)明顯。現在己有的產(chǎn)品大多為單一模式信號機為主流，常常在上下班交通高峰期形成交通擁堵，能開(kāi)發(fā)生產(chǎn)多模式、系統協(xié)調式信號機的企業(yè)少得可憐。另外有一定數量的交通管理部門(mén)為了節約成本選擇了自主開(kāi)發(fā)的控制燈，使得它的交通控制系統功能簡(jiǎn)單、穩定性較差。21世紀初公安部交通安全產(chǎn)品質(zhì)量監督檢測中心對國內自主生產(chǎn)企業(yè)的交通信號控制機進(jìn)行了質(zhì)量監督抽樣檢查，得出的結果令人吃驚，產(chǎn)品抽樣合格率僅為36.4%W.雖然只是抽樣檢查不能完全充分地反映情況，但也反映出了整個(gè)行業(yè)的大概面貌；也體現出我國交通燈的質(zhì)量是較差的，生產(chǎn)研究都是一個(gè)薄弱環(huán)節。近十年來(lái)，我國東部沿海地區交通出現擁堵情況嚴重，西部地區的大開(kāi)發(fā)給交通行業(yè)發(fā)展帶來(lái)前所未有的良機。公路運輸在東部主要會(huì )向城郊移動(dòng)，伴隨經(jīng)濟的快速增長(cháng)，其運輸的輻射面也增廣；在西部城市面積增長(cháng)迅速，今后很長(cháng)一段時(shí)間內呈現出明顯的上升勢態(tài)。但是另一方面，我國交通運輸領(lǐng)域存在非常嚴重的安全隱患問(wèn)題：比如在20世紀末中國機動(dòng)車(chē)保有量為全世界第n位，而交通事故死亡人數卻高居世界第一；到2009年底汽車(chē)擁有量為全球第2位，僅次于美國，交通死亡人數還是高居世界第一。

　　由此可見(jiàn)，我國交通安全顯得非常迫切，急需改善道路安全性能的系統和產(chǎn)品；這也是智能交通系統（IntelligentTransPortSystem,簡(jiǎn)稱(chēng)ITS）研究的一個(gè)重要方向。最近這些年，私家車(chē)大量增長(cháng)，加之駕駛人員素質(zhì)不一；多數駕駛人員只是通過(guò)了駕校的學(xué)習，沒(méi)有駕駛經(jīng)驗；我國道路交通情況復雜，在西南地區多為山高坡陡的路段；這些都是造成死亡人數居高不下的原因。無(wú)疑對現有的交通狀況來(lái)說(shuō)，拓寬或者是新建道路是不理想的，因此只能通過(guò)開(kāi)發(fā)利用改善道路通行性能的產(chǎn)品，才能有助于解決交通擁堵日益嚴重這個(gè)問(wèn)題。伴隨著(zhù)城市交通的迅速發(fā)展以及城市的規模日益擴大，交通燈呈現出發(fā)展的良好勢頭。特別是進(jìn)入21世紀以來(lái)，國家和政府的暢通工程全面深入地展開(kāi)，市、縣、區政府的交通部門(mén)分別引進(jìn)先進(jìn)的各種管理手段來(lái)提高交通道路的管理水平，同時(shí)在交通的基礎設施建設方面投入成倍增長(cháng)，在這樣的大前提下我國的交通信號燈制造業(yè)迎來(lái)前所未有的良好勢頭。

　　另外，在全國多個(gè)城市實(shí)施暢通工程，以實(shí)現城市交通智能控制為主要內容，并逐步推廣到全國。交通擁堵使得汽車(chē)通行時(shí)間無(wú)限延長(cháng)，汽車(chē)耗油量增加，汽車(chē)尾氣排放成倍增長(cháng)，自然環(huán)境被污染。一個(gè)全球性的問(wèn)題，土地資源不斷被城市所占用，要想通過(guò)拓寬路面來(lái)解決問(wèn)題是行不通的。如今以歐洲、美國和日本發(fā)達國家為代表，己經(jīng)逐步實(shí)現從依靠擴大路網(wǎng)規模加寬公路來(lái)解決交通擁堵問(wèn)題，轉移到用高科技手段來(lái)改良已有的交通路網(wǎng)、改進(jìn)交通指揮系統、完善交通控制系統設施等方面上來(lái)，從而提高路網(wǎng)通行能力、減少交通事故、優(yōu)化生活環(huán)境、節約不可再生的石油資源。在這樣的全球大環(huán)境下被人們認識并提出來(lái)，也隨著(zhù)運輸業(yè)的發(fā)展不斷發(fā)展。在美國，20世紀60年代開(kāi)始ITS開(kāi)發(fā)研究，雖然起步比日本、歐洲的發(fā)達國來(lái)說(shuō)較晚一些，但是在此之后美國幾乎集中了本國的經(jīng)濟、科技力量于一點(diǎn)，并在政府和國會(huì )的參與下成立了ITS的領(lǐng)導和協(xié)調機構，并于1991年制定了綜合路上運輸效率化法，使得交通管理部門(mén)的交通控制系統飛速發(fā)展，美國公路系統由于得到了巨額的投資，在時(shí)間上和金額上都是前所未有的，財政部門(mén)從1998年起至2003年6年的時(shí)間撥款總金額為2178.9億美元。

　　從1991年開(kāi)始，美國先后對ITS研宄與開(kāi)發(fā)進(jìn)行投資共七百多個(gè)項目，美國先后誕生了多個(gè)先進(jìn)的交通控制管理系統、先進(jìn)的出行信息系統、芝加哥的"超越"、以及洛杉磯的"開(kāi)拓者"這些先進(jìn)的系統不僅向駕駛員提供道路信息，而且也提供旅館和飯店、實(shí)時(shí)交通信息和優(yōu)化的出行路徑等信息。從1992年至1997年進(jìn)行了多項融合實(shí)驗，取得很多的先進(jìn)技術(shù)，獲得了寶貴的經(jīng)驗。其中于1996年提出將在全美國主要的大城市中實(shí)施智能交通構建（簡(jiǎn)稱(chēng)ITI）計劃，由于資金投入量大，現在已經(jīng)處于世界領(lǐng)先水平[9].在歐洲，ITS的研究起步比日本和美國都要晚一些，包括到了現在ITS的使用方面也是在美國與日本之后。早在20世紀80年代中期，歐洲以英國、德國、法國為主的國家投資約50億美元，目的是要想修繕交通道路設施，提高交通管理部門(mén)的服務(wù)質(zhì)量和水平。

　　在ITS科研方面也是重金打造多個(gè)項目，僅從1984開(kāi)始至1998年14年的時(shí)間其開(kāi)發(fā)的預算高達280億歐元。如今，雖然過(guò)去有些年頭，但投資開(kāi)發(fā)的項目一點(diǎn)也沒(méi)有減少。2009年開(kāi)始歐洲各國正在建立專(zhuān)門(mén)交通無(wú)線(xiàn)數據通信網(wǎng)，是著(zhù)名的Telematics第二階段的研發(fā)計劃。歐洲民間組織也積極參與ITS的科學(xué)研究，他們提了一個(gè)叫做Prometheus的計劃；這些民間組織主要關(guān)心的問(wèn)題是交通的高效率和交通的安全兩個(gè)方面。這樣高額的資金支持和民間強烈的改革欲望也快速地推動(dòng)歐洲ITS的飛速發(fā)展，正在開(kāi)發(fā)的有出行信息服務(wù)系統、車(chē)輛控制系統，先進(jìn)的商業(yè)車(chē)輛運行系統等。大家有理由相信這些先進(jìn)的智能系統很快就會(huì )問(wèn)世，而使得歐洲大陸的交通得到有效的控制；歐盟也會(huì )隨著(zhù)它的到來(lái)而獲益良多[IG].在日本，一個(gè)地薄人密的島國，但永遠都不要忽視了他的經(jīng)濟實(shí)力和科研能力。在ITS研究方面我國是遠遠地落后于我們的鄰居了。日本早在20世紀70年代開(kāi)始組織這方面的科學(xué)實(shí)驗，其中"動(dòng)態(tài)路徑誘導系統"M最為出名；在它的帶動(dòng)下大約以后的10年時(shí)間，先后研發(fā)出了多個(gè)系統有：道路車(chē)輛通信系統、交通信息交換系統等。20世紀90年代中期路車(chē)交通智能協(xié)會(huì )成立，緊接著(zhù)政府成立了道路交通信息通信系統中心，1999年4月正式啟動(dòng)VICS,日本按照世界第一的水準在首都東京完成了ITS的實(shí)地應用的第一步，后來(lái)逐步推廣到了大阪、名古屋等地，到了1998年全日本幾乎完成了它的使用；這樣也使得日本成為了第一個(gè)也是唯一一個(gè)在20世紀就完成了VICS使用的國家，日本在這一領(lǐng)域居于世界領(lǐng)先水平。

　　1.3主要研究?jì)热?/strong>