十字路口交通燈單片機控制系統設計與仿真 本科畢業設計
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- 第1章 緒 論
1.1引言
隨著社會的發展和進步，路上的車輛越來越多，而道路建設往往跟不上城市發展的速度，因此城市交通問題日益突出，經常在十字路口等交通繁忙的地方發生堵塞情況，出現交通混亂。為了解決車和路的矛盾，常用的有兩種方法：一是控制需求，最直接的辦法就是限制車輛的增加；二是增加供給，也就是修路。但是這兩個辦法都有其局限性。我國汽車工業正處在起步階段，限制車輛的增加不是解決問題的好方法。而采取增加供給，即大量修路，在資源、環境矛盾越來越突出的今天，有限的源和財力以及環境的壓力，也將受到限制。
由于我國經濟的快速發展從而導致了汽車數量的猛增，大中型城市的城市交通，正面臨著嚴峻的考驗，從而導致交通問題日益嚴重，其主要表現如下：交通事故頻發，對人類生命安全造成極大威脅；交通擁堵嚴重，導致出行時間增加，能源消耗加大；空氣污染和噪聲污染程度日益加深等。日常的交通堵塞成為人們司空見慣而又不得不忍受的問題，在這種背景下，結合我國城市道路交通的實際情況，開發出真正適合我們自身特點的智能信號燈控制系統已經成為當前的主要任務。隨著電子技術的發展，利用單片機技術對交通燈進行智能化管理，已成為目前廣泛采用的方法。
這就需要依靠除限制需求和提供道路設施之外的其他方法來滿足日益增長的交通需求。交通系統正是解決這一矛盾的途徑之一。
1.2 選題背景及研究的目的與意義
1.2.1 選題背景
近年來隨著科技的飛速發展，單片機的應用正在不斷地走向深入，同時也帶動著傳統控制的日新月異更新。在自動控制的單片機應用系統中，單片機往往是作為一個核心部件來使用，僅單片機方面知識是不夠的，還應根據具體硬件結構，以及針對具體應用對象特點的軟件結合，加以完善。
十字路口車輛穿梭，行人熙攘，車行車道，人行人道，有條不紊。那么靠什么來實現這井然秩序呢？靠的是交通信號燈的自動指揮系統。交通信號燈控制方式很多。本系統采用MSC-51系列單片機AT89C51為中心器件來設計交通燈控制器，實現了通過單片機芯片的P0口設置紅、綠燈燃亮時間的功能；顯示時間直接通過單片機的P1口輸出，系統實用性強、操作簡單、擴展性強。
隨著電子技術的發展，電子設計的方式也不斷增多，proteus嵌入式虛擬開發系統與仿真平臺是一款可以實現數字電路，模擬電路，微控制系統仿真以及pcb設計等功能的eda軟件。電路的軟，硬的設計與調試都是在計算機模擬的環境下進行的。
基于這一設計思想開發的proteus軟件，可以在原理設計圖設計階段對設計的電路進行驗證，并可以通過改變原件參數使整個電路優化。
當今，紅綠燈安裝在各個道口上，已經成為疏導交通車輛最常見和最有效的手段。但這一技術在19世紀就已出現了。
1858年，在英國倫敦主要街頭安裝了以燃煤氣為光源的紅，藍兩色的機械扳手式信號燈，用以指揮馬車通行。這是世界上最早的交通信號燈。1868年，英國機械工程師納伊特在倫敦威斯敏斯特區的議會大廈前的廣場上，安裝了世界上最早的煤氣紅綠燈。它由紅綠兩以旋轉式方形玻璃提燈組成，紅色表示“停止”，綠色表示“注意”。1869年1月2日，煤氣燈爆炸，使警察受傷，遂被取消。
電氣啟動的紅綠燈出現在美國，這種紅綠燈由紅綠黃三色圓形的投光器組成，1914年始安裝于紐約市5號大街的一座高塔上。紅燈亮表示“停止”，綠燈亮表示“通行”。
1918年，又出現了帶控制的紅綠燈和紅外線紅綠燈。帶控制的紅綠燈，一種是把壓力探測器安在地下，車輛一接近紅燈便變為綠燈；另一種是用擴音器來啟動紅綠燈，司機遇紅燈時按一下嗽叭，就使紅燈變為綠燈。紅外線紅綠燈當行人踏上對壓力敏感的路面時，它就能察覺到有人要過馬路。紅外光束能把信號燈的紅燈延長一段時間，推遲汽車放行，以免發生交通事故。
信號燈的出現，使交通得以有效管制，對于疏導交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。
1968年，聯合國《道路交通和道路標志信號協定》對各種信號燈的含義作了規定。綠燈是通行信號，面對綠燈的車輛可以直行，左轉彎和右轉彎，除非另一種標志禁止某一種轉向。左右轉彎車輛都必須讓合法地正在路口內行駛的車輛和過人行橫道的行人優先通行。紅燈是禁行信號，面對紅燈的車輛必須在交叉路口的停車線后停車。黃燈是警告信號，面對黃燈的車輛不能越過停車線，但車輛已十分接近停車線而不能安全停車時可以進入交叉路口。
1.2.2 研究的目的與意義
研究目的：交通是城市經濟活動的命脈，對城市經濟發展、人民生活水平的提高起著十分重要的作用。汽車現已成為人們日常生活必不可少的交通工具。汽車給人們帶來便利的同時，也帶來了一系列令人困惑的問題，如環境污染、交通擁擠、交通事故頻繁發生、給人們的生命財產帶來了很大的損失。城市交通問題困擾城市的發展、制約城市經濟建設的重要因素、人們對于交通有效控制的意識越來越強烈。
城市交通信號控制是通過對交通的調節、警告和誘導以達到改善人和貨物的運輸安全，提高運輸效率。其目標在于改善交通的流量，更好地利用現有運輸能力，提高交通流的安全性、快捷性和舒適性。
交叉口時組成城市道路網的基本單元，城市交通控制分為單交叉口控制和多交叉口協調控制，并非前者比后者控制效果好，他們各自有自己的適用范圍。單交叉口負擔著線控、面控制方案的落實。
我國城市建設資金短缺，而協調控制一般投資較大，這就限制了其使用。所以我國目前各城市的絕大多數交叉口都在使用單交叉口控制方式。如何賦予單路口控制方式一些新的策略，使之對于大量交叉口進行行之有效的控制，最大限度的提高其通行能力及安全對于我國目前城市交通有著非常現實的意義，也可為協調控制的研究提供幫助。
研究意義：在十字路口設置交通燈可以對交通進行有效的疏通,并為交通參與者的安全提供了強有力的保障。但是隨著社會、經濟的快速發展,原先的交通燈控制系統已經不能適應現在日益繁忙的交通狀況。如何改善交通燈控制系統,使其適應現在的交通狀況,成為研究的課題。 傳統的十字路口交通控制燈,通常的做法是:事先經過車輛流量的調查,運用統計的方法將兩個方向紅綠燈的延時預先設置好。然而,實際上車輛流量的變化往往是不確定的,有的路口在不同的時段甚至可能產生很大的差異。
即使是經過長期運行、較適用的方案,仍然會發生這樣的現象:綠燈方向幾乎沒有什么車輛,而紅燈方向卻排著長隊等候通過。這種流量變化的偶然性是無法建立準確模型的,統計的方法已不能適應迅猛發展的交通現狀。更為現實的需要是能有一種能夠根據流量變化情況自適應控制的交通燈。
大部分城市中十字路口交通燈的控制普遍采用固定轉換時間間隔的控制法。由于十字路口不同時刻車輛的流量是復雜的、隨機的和不確定的,采用固定時間的控制方法,經常造成道路有效利用時間的浪費,出現空等現象,影響了道路的暢通,還行成擁堵現象。采用不依賴數學模型的模糊控制方法設計交通燈控制器,能較好地解決這個問題。為保證交通控制的可靠、穩定,選擇了能夠在惡劣的電磁干擾環境下正常工作的單片機是必要的。 8051單片機交通燈控制系統集成自動控制技術、計量技術、新傳感器技術、計算機管理技術于一體的機電一體化產品;充分利用計算機技術對生產過程進行集中監視、控制管理和分散控制;充分吸收了分散式控制系統和集中控制系統的優點,采用標準化、模塊化、系統化設計,配置靈活、組態方便。
1.3 研究內容
本設計需研究的內容為：單片機交通燈機系統的發展狀況；單片機交通燈機控制系統的結構及組成，即選擇系統設計的基本方案與硬件及軟件等方面的設計。在硬件方面，需研究整體硬件框圖以及各種器件的選型及連接方法；在軟件方面，要明確主程序及各個主要部分的流程以及相應的程序控制清單。
1.4 單片機交通燈的國內外的研究現狀及存在問題
當今，紅綠燈安裝在各個道口上，已經成為疏導交通車輛最常見和最有效的手段。但這一技術在19世紀就已出現了。
信號燈的出現，使交通得以有效管制，對于疏導交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。1968年，聯合國《道路交通和道路標志信號協定》對各種信號燈的含義作了規定。綠燈是通行信號，面對綠燈的車輛可以直行，左轉彎和右轉彎，除非另一種標志禁止某一種轉向。左右轉彎車輛都必須讓合法地正在路口內行駛的車輛和過人行橫道的行人優先通行。紅燈是禁行信號，面對紅燈的車輛必須在交叉路口的停車線后停車。黃燈是警告信號，面對黃燈的車輛不能越過停車線，但車輛已十分接近停車線而不能安全停車時可以進入交叉路口。
在國內，受客觀條件的制約，ITS起步比較晚，在20世紀90年代初，我國的相關學者開始意識到研究和開發ITS的重要性。到90年代中期，由于受到國外ITS研發的影響，政府部門也開始重視對ITS的研究，隨后，又得到中央部門和部分地方政府的支持。
1999年，我國成立了全國智能交通系統(ITS)協調指導小組及辦公室，同年，又成立了全國智能交通運輸系統(ITS)專家咨詢委員會，其中，同濟大學、清華大學、北方交通大學、北京航空航天大學、吉林工業大學、東南大學等高校的有關專家為咨詢委員，并啟動了國家“九五”科技攻關課題和國家“十五”科技攻關課題。目前在對一些大中型城市引入的國外ITS進行研究的基礎上已經逐漸開始摸索開發設計適合自己國情的ITS系統。
電氣啟動的紅綠燈出現在美國，這種紅綠燈由紅綠黃三色圓形的投光器組成，1914年始安裝于紐約市5號大街的一座高塔上。紅燈亮表示“停止”，綠燈亮表示“通行”。
1918年，又出現了帶控制的紅綠燈和紅外線紅綠燈。帶...
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