【正文】 ???????????24致 謝 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????25附錄 1????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????261 緒論 交通燈的發(fā)展歷史及研究意義早在 1850 年，城市交叉口處不斷增長(zhǎng)的交通就引發(fā)了人們對(duì)安全和擁堵的關(guān)注。世界上第一臺(tái)交通自動(dòng)信號(hào)燈的誕生，拉開了城市交通控制的序幕，1868 年，英國(guó)工程師納伊特在倫敦威斯特敏斯特街口安裝了一臺(tái)紅綠兩色的煤氣照明燈，用來(lái)控制交叉路口馬車的通行，但一次煤氣爆炸事故致使這種交通信號(hào)燈幾乎銷聲匿跡了近半個(gè)世紀(jì)。1914 年及稍晚一些時(shí)候，美國(guó)的克利夫蘭、紐約和芝加哥才重新出現(xiàn)了交通信號(hào)燈，它們采用電力驅(qū)動(dòng)，與現(xiàn)在意義上的信號(hào)燈已經(jīng)相差無(wú)幾。1926 年英國(guó)人第一次安裝和使用自動(dòng)化的控制器來(lái)控制交通信號(hào)燈，這是城市交通自動(dòng)控制的起點(diǎn)。1917 年，在美國(guó)鹽湖市開始使用聯(lián)動(dòng)式信號(hào)系統(tǒng)，把六個(gè)交叉路口作為一個(gè)系統(tǒng)，以人工方式加以集中控制。1922 年，美國(guó)休斯頓市建立了一個(gè)同步系統(tǒng)，它以一個(gè)交通亭為中心控制十二個(gè)交叉路口。1928 年，上述系統(tǒng)經(jīng)過(guò)改進(jìn)，形成“靈活步進(jìn)式”定時(shí)系統(tǒng)。由于它簡(jiǎn)單、可靠、價(jià)格便宜，很快在美國(guó)推廣普及。這種系統(tǒng)以后不斷改進(jìn)、完善，成為當(dāng)今的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。20 世紀(jì) 30年代初，美國(guó)最早開始用車輛感應(yīng)式信號(hào)控制器，之后是英國(guó)，當(dāng)時(shí)使用的車輛檢測(cè)器是氣動(dòng)橡皮管檢測(cè)器。計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)為交通控制技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力，1952 年，美國(guó)科羅拉多州丹佛市首次利用模擬計(jì)算機(jī)和交通檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)了對(duì)交通信號(hào)機(jī)網(wǎng)的配時(shí)方案自動(dòng)選擇式信號(hào)燈控制，而加拿大多倫多市于 1964 年完成了計(jì)算機(jī)控制信號(hào)燈的實(shí)用化，建立了一套由 IBM650 型計(jì)算機(jī)控制的交通信號(hào)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，成為世界上第一個(gè)具有電子數(shù)字計(jì)算機(jī)城市交通控制系統(tǒng)的城市。這是道路交通控制技術(shù)發(fā)展的里程碑。國(guó)外對(duì)城市區(qū)域交通控制的研究，開始于 20 世紀(jì) 60 年代初。1967 年，英國(guó)運(yùn)輸與道路實(shí)驗(yàn)室(TRRL)成功開發(fā)出 TRANsYT(TraffioNetworkStudyTools)交通控制系統(tǒng)，后來(lái)又在 TRANsYT 的基礎(chǔ)上開發(fā)了 seOOT(split Cyele and offset OPtimization Technique)系統(tǒng)。澳大利亞在 70 年代末也開發(fā)了基于配時(shí)方案實(shí)時(shí)選擇方法來(lái)實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)協(xié)調(diào)控制的 SCAT(Sydney Coordinated Adaptive Traffic Method)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)己經(jīng)在西方國(guó)家的城市網(wǎng)絡(luò)交通中取得了成功的應(yīng)用。進(jìn)入 20 世紀(jì) 80 年代后期，隨著城市化進(jìn)程的加快和汽車的普及，城市交通擁擠、阻塞現(xiàn)象日趨惡化，由此引發(fā)的事故、噪聲和環(huán)境污染己成為日益嚴(yán)重的社會(huì)問(wèn)題，交通問(wèn)題成為困擾世界各國(guó)的普遍性難題。于是，智能交通系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，并得到迅猛發(fā)展。除在技術(shù)和功能上得到增強(qiáng)和完善的 SCOOT和 SCATS 以外，STREAM、ITACA、MOTION 、 RTTRACS、SURFZ000、PRODYN 和 UTOPIA 等新一代城市交通控制系統(tǒng)相繼推出并投入應(yīng)用 [1]。 我國(guó)當(dāng)前的交通現(xiàn)狀我國(guó)是一個(gè)文明古國(guó)，許多城市已有上千年的歷史，城市布局和道路結(jié)構(gòu)是在漫長(zhǎng)的歷史進(jìn)程中逐步形成的，近幾年雖然作了些改建和擴(kuò)建，但畢竟還難以沖破原來(lái)的基本格局。目前我國(guó)城市道路普遍存在以下三個(gè)弊端：①路網(wǎng)密度低；②交通干道少；③路口平面交叉。道路狀況與車輛狀況的綜合作用形成了我國(guó)城市交通的特殊性，主要有以下表現(xiàn)： 城市路網(wǎng)稀，干道少，間距大，市區(qū)人口稠密，出行需求集中，迫使車輛集中于少數(shù)干道上行駛。尤其是一些中小城市 ，干道特征更為明顯，往往只有一兩條干道貫穿全市，而其他支路上交通量極小。從流量變化情況來(lái)看，除外圍過(guò)境干道外，都是有一定規(guī)律的，高峰小時(shí)基本上都集中在幾個(gè)時(shí)段內(nèi)。我國(guó)城市機(jī)動(dòng)車車種繁雜，從 50 年代的老式車到 80 年代的新型車，從大貨車到小轎車都在一個(gè)平面上行駛，不少城市拖拉機(jī)還是一種主要運(yùn)輸工具，前面一輛舊車擋道，尾隨的新型車只能跟著爬行，過(guò)交叉口時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)啟動(dòng)慢的車擋住啟動(dòng)快的車，嚴(yán)重影響了人們的生活節(jié)奏和出行效率 [2]。 本課題的主要研究工作本課題主要通過(guò)利用 89C51 單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)交通控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)十字路口的實(shí)際調(diào)查，由交通狀況的車流量的大小，確定車輛放行時(shí)間為 60 秒，即當(dāng)一條干道的車輛處于放行狀態(tài)時(shí)，另一條干道禁止放行，持續(xù) 60 秒；并在最后10 秒時(shí)，放行車道的路燈閃爍，警示行人注意紅燈的到來(lái)。為了應(yīng)對(duì)可能發(fā)生的突發(fā)狀況，使其中一條干道隨時(shí)可以強(qiáng)制放行，因此，整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為兩種模式：自動(dòng)控制模式和人工控制模式。在自動(dòng)控制模式中，兩個(gè)干道依次各放行 60 秒，輪流進(jìn)行。人工控制模式中，通過(guò)按鍵操作，使某個(gè)干道處于強(qiáng)行通行狀態(tài)，另一車道禁止通行。由此大大改善了交通運(yùn)營(yíng)狀況，提高了交通路口的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，方便了人們的出行。2 設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)機(jī)構(gòu)總框架本系統(tǒng)是針對(duì)一個(gè)大型十字路口設(shè)計(jì)的交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)。通過(guò)單片機(jī)89C52 控制 LED 燈和數(shù)碼管，模擬現(xiàn)實(shí)生活中的交通燈工作情景。南北方向的紅綠燈分別用 LED1 和 LED2 表示，東西方向的紅綠燈分別用 LED3 和 LED4表示，用數(shù)碼管顯示倒計(jì)時(shí)時(shí)間 [3]。交通燈的控制分為自動(dòng)控制和人工控制兩種方式：正常情況下，交通燈處于自動(dòng)控制方式，此時(shí)東西方向和南北方向的交通燈輪流導(dǎo)通；特殊情況下，可以通過(guò)人工方式延長(zhǎng)南北方向或東西方向交通燈的導(dǎo)通時(shí)間。設(shè)計(jì)三個(gè)按鍵 KKK3；K1 為“自動(dòng)”方式，K2 、K3 分別為“南北”方向交通導(dǎo)通和“東西”方向交通導(dǎo)通。 自動(dòng)控制方式系統(tǒng)開始上電后處于自動(dòng)控制方式：1. 系統(tǒng)上電后，首先是南北方向交通導(dǎo)通，LED1 亮、LED2 滅、LED3 亮、LED4 滅，數(shù)碼管從 60 秒開始倒計(jì)時(shí)，每隔 1 秒減 1； 10 秒時(shí)，南北方向綠燈(LED1)開始閃爍，閃爍間隔為 秒(亮、滅各 5 秒) ；3. 60 秒倒計(jì)時(shí)結(jié)束之后，東西方向交通導(dǎo)通，LED1 滅、LED2 亮、LED3滅、LED4 亮，數(shù)碼管重新開始從 60 秒倒計(jì)時(shí)，每隔 1 秒減 1；4. 倒計(jì)時(shí)到 10 秒時(shí)，東西方向綠燈(LED4) 開始閃爍，閃爍間隔為 秒(亮、滅各 秒) ；5. 60 秒倒計(jì)時(shí)結(jié)束后，操作同步驟 1。其控制流程如下：開始參數(shù)初始化東西方向紅燈亮 ， 南北方向綠燈亮 6 0 秒南北方向綠燈最后 1 0 秒閃爍南北方向紅燈亮 ， 東西方向綠燈亮 6 0 秒東西方向綠燈最后 1 0 秒閃爍圖 21 自動(dòng)控制流程圖 人工控制方式在自動(dòng)控制狀態(tài)下，若將按鍵 K2 或 K3 按下，則系統(tǒng)進(jìn)入人工控制狀態(tài)：1. 若 K2 鍵按下，則強(qiáng)制南北方向交通導(dǎo)通。此時(shí)若系統(tǒng)處于東西方向交通導(dǎo)通狀態(tài)，則數(shù)碼管從 10 秒開始倒計(jì)時(shí)，操作步驟同自動(dòng)控制步驟 4，倒計(jì)時(shí)結(jié)束后進(jìn)入南北交通導(dǎo)通狀態(tài)，數(shù)碼管顯示“9999” ，且不遞減；2. 若 K3 鍵按下，則強(qiáng)制東西方向交通導(dǎo)通。此時(shí)若系統(tǒng)處于南北方向交通導(dǎo)通狀態(tài)，則數(shù)碼管從 10 秒開始倒計(jì)時(shí)，操作步驟同自動(dòng)控制步驟 2，倒計(jì)時(shí)結(jié)束后進(jìn)入東西交通導(dǎo)通狀態(tài)，數(shù)碼管顯示“9999” ，且不遞減。自動(dòng)控制模式K 2 鍵按下 K 3 鍵按下Y e s是否南北導(dǎo)通數(shù)碼管顯示“ 9 9 9 9 ”Y e s數(shù)碼管 1 0 秒倒計(jì)時(shí)后強(qiáng)制南北導(dǎo)通N o是否東西導(dǎo)通Y e s數(shù)碼管顯示“ 9 9 9 9 ”Y e s數(shù)碼管 1 0 秒倒計(jì)時(shí)后強(qiáng)制東西導(dǎo)通N oN oN o手動(dòng)控制模式圖 22 自控轉(zhuǎn)手控在人工控制狀態(tài)下，若將按鍵 K1 按下，則系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)控制狀態(tài)：1. 若系統(tǒng)處于東西方向交通導(dǎo)通狀態(tài)，則數(shù)碼管從 10 秒開始倒計(jì)時(shí)，操作同自動(dòng)控制步驟 4，倒計(jì)時(shí)完成后進(jìn)入南北交通導(dǎo)通狀態(tài)，從自動(dòng)控制步驟1 進(jìn)入自動(dòng)控制狀態(tài)。2. 若系統(tǒng)處于南北方向交通導(dǎo)通狀態(tài)，則數(shù)碼管從 10 秒開始倒計(jì)時(shí)，操作同自動(dòng)控制步驟 2，倒計(jì)時(shí)完成后進(jìn)入東西交通導(dǎo)通狀態(tài)，從自動(dòng)控制步驟3 進(jìn)入自動(dòng)控制狀態(tài)。手動(dòng)控制模式K 1 鍵按下南北方向?qū)? 0 秒倒計(jì)時(shí)后東西導(dǎo)通1 0 秒倒計(jì)時(shí)后南北導(dǎo)通自動(dòng)控制模式N oY e sY e sN o圖 23 手控轉(zhuǎn)自控 交通管理的方案論證東西、南北兩干道交于一個(gè)十字路口。各干道有紅燈、綠燈各一組，指揮車輛和行人安全通行。紅燈亮禁止通行，綠燈亮允許通行。綠燈閃爍提示人們注意紅、綠燈的狀態(tài)即將切換，K2 強(qiáng)制南北方向交通導(dǎo)通， K3 強(qiáng)制東西方向交通導(dǎo)通，K1 切換到自動(dòng)模式。 系統(tǒng)電路框圖本系統(tǒng)每個(gè)信號(hào)指示燈接一個(gè)對(duì)應(yīng)的I/O口，通過(guò)對(duì)I/O口賦值控制交通信號(hào)燈的狀態(tài)來(lái)指揮交通。在此基礎(chǔ)上按鍵可以觸發(fā)單片機(jī)轉(zhuǎn)換控制方式，進(jìn)而控制交通信號(hào)燈的狀態(tài)。8 9 C 5 1 系統(tǒng)處理交通信號(hào)燈倒計(jì)時(shí)顯示控制模塊圖23 控制電路框圖 電路的工作原理本系統(tǒng)共分為5個(gè)模塊，分別為最小系統(tǒng)模塊、LED燈顯示模塊、數(shù)碼管顯示模塊、按鍵控制模塊和驅(qū)動(dòng)模塊。最小系統(tǒng)模塊由單片機(jī)89C5復(fù)位電路及晶振電路組成，從讀取按鍵設(shè)置到LED燈、數(shù)碼管的顯示為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心。LED顯示模塊共設(shè)有 4個(gè)LED，其中紅色的2個(gè)，綠色的 2個(gè)，用來(lái)模擬十字路口紅綠燈點(diǎn)亮情況。數(shù)碼管顯示模塊由四個(gè)七段數(shù)碼管組成，用來(lái)對(duì)紅綠燈進(jìn)行倒計(jì)時(shí)。按鍵模塊設(shè)有KKK3三個(gè)按鍵，當(dāng)K1鍵按下時(shí)，系統(tǒng)由人工控制模式轉(zhuǎn)入自動(dòng)控制模式，當(dāng)KK3鍵按下時(shí)，系統(tǒng)由自動(dòng)控制模塊轉(zhuǎn)入人工控制模塊。驅(qū)動(dòng)模塊由4個(gè)PNP、4個(gè)電阻及一個(gè)排阻組成，用于驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。5個(gè)模塊共同作用完成對(duì)整個(gè)交通系統(tǒng)的控制。3 硬件設(shè)計(jì) MCS51 單片機(jī)簡(jiǎn)介單片機(jī)是微機(jī)的一種，是將單片機(jī)的 CPU、存儲(chǔ)器、I/O 接口和總線制作在一塊芯片上的大規(guī)模集成電路。由于單片機(jī)具有體積小、功能全、價(jià)格低、開發(fā)應(yīng)用方便等優(yōu)點(diǎn)，又可將其嵌入產(chǎn)品的內(nèi)部，因此得到了及其廣泛的應(yīng)用 [4]。 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)單片機(jī)經(jīng)過(guò)幾十年的不斷發(fā)展，其功能和組成結(jié)構(gòu)基本已固定，內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖 31 所示。1. 中央處理器（CPU）CPU 是單片機(jī)的核心部件，根據(jù) CPU 字長(zhǎng)可分為 1 位機(jī)、4 位機(jī)、8 位機(jī)、16 位機(jī)以及 32 位機(jī)，CPU 的運(yùn)算速度、處理數(shù)據(jù)能力、實(shí)施控制功能等性能都與 CPU 的字長(zhǎng)有關(guān)，因此，字長(zhǎng)是衡量 CPU 功能的主要指標(biāo)。2. 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器按功能可分為程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，由于單片機(jī)主要面向控制，因此一般需要大容量的程序存儲(chǔ)器和較少的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，同時(shí)存儲(chǔ)器類型也不一樣。3. 程序存儲(chǔ)器單片機(jī)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器容量一般為 1KB~64KB,通常采用只讀存儲(chǔ)器（ROM） 。采用只讀存儲(chǔ)器作為程序存儲(chǔ)器，不僅提高了可靠性，而且由于只讀存儲(chǔ)器的集成度較高、價(jià)格較低，降低了成本。CPUROM中斷系統(tǒng)串行 I/O 口并行 I/O 口定時(shí)器RAM圖 31 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖4. 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器單片機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量一般為 64B~256B，通常采用靜態(tài)隨即存儲(chǔ)器（RAM） ，還有少數(shù)單片機(jī)內(nèi)采用 EEPROM 作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可分為工作寄存器、堆棧，位標(biāo)志和數(shù)據(jù)緩沖器使用。5. I/O 接口及特殊功能部件單片機(jī)內(nèi)部有數(shù)量不等的并行接口，可以作為外界無(wú)輸入/輸出設(shè)備，通常也包含 1~2 個(gè)串行口，用于實(shí)現(xiàn)異步串行通信。特殊功能部件通常包括定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器，其他例如 A/D、PWM、DMA 等根據(jù)不同類型的單片機(jī)，其配置不同 [5]。 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)單片機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合及系統(tǒng)控制的要求不同，在規(guī)模、結(jié)構(gòu)上存在很大不同，根據(jù)使用功能器件的種類和數(shù)量，可分為基本系統(tǒng)和擴(kuò)展系統(tǒng)。1. 基本系統(tǒng)在此系統(tǒng)中，包含一個(gè)單片機(jī)，在該單片機(jī)中含有程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，僅在外部配置了維持系統(tǒng)運(yùn)行的基本部件，例如電源、輸入/輸出，除了這些，還包括不擴(kuò)充程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、I/O 接口以及其他功能部件，因此也被稱為最小系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 32 所示。復(fù)位電路電源電路單片機(jī)時(shí)鐘電路輸入/輸出圖 32 單片機(jī)最小系統(tǒng)示意圖2. 擴(kuò)展系統(tǒng)在大多數(shù)系統(tǒng)中，由于需要實(shí)現(xiàn)一些特殊的功能，采用最小系統(tǒng)無(wú)法滿足系統(tǒng)的控制要求，所以要擴(kuò)展特殊功能部件，彌補(bǔ)單片機(jī)內(nèi)部資源的不足。單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)通過(guò)并行 I/O 口或者串行口做總線，在外部擴(kuò)展了程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、A/D 轉(zhuǎn)換等特殊部件，以滿足控制系統(tǒng)的特殊要求，其結(jié)構(gòu)示意EPROM 程序存儲(chǔ)器RAM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器A/D D/A并行接口串行接口復(fù)位電路時(shí)鐘電路輸入 /輸出電源電路單片機(jī)圖如圖 33 所示 [6]。 圖 33 單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)示意圖 單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)隨著科