【正文】 交通管理方面帶來(lái)技術(shù)革新。隨著大規(guī)模集成電路和單片機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，以及人工智能在控制技術(shù)方面的廣泛運(yùn)用，交通燈智能控制是現(xiàn)代交通管理發(fā)展的一個(gè)主流方向。 中國(guó)車(chē)輛數(shù)量不斷增加，交通控制在未來(lái)的交通管理中起著越來(lái)越重要的作用。智能交通燈的管理比重修一條馬路無(wú)論在經(jīng)濟(jì)、交通運(yùn)行速率上都有很好的效益，而且更加節(jié)約資源，使交管人員有更多的精力投入到管理整個(gè)城市交通控制，帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，為創(chuàng)造美好的城市交通形象發(fā)揮更多的作用。 2 一 、 緒 論 （一）開(kāi)發(fā) 交通燈控制 系統(tǒng)的目的和意義 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人們對(duì)私家車(chē)、公交車(chē)的需求越來(lái)越大。相應(yīng)地，我國(guó)進(jìn)入 WTO 以后，我國(guó)經(jīng)濟(jì)貿(mào)易與世界接軌，汽車(chē)業(yè)關(guān) 稅大大降低，使很多人都能負(fù)擔(dān)得起，買(mǎi)私家車(chē)不再是夢(mèng)想。但是，私家車(chē)、公交車(chē)的大增無(wú)疑會(huì)對(duì)我國(guó)交通系統(tǒng)帶來(lái)沉重的壓力。放眼現(xiàn)在的中國(guó)，如廣州、 北京 、上海等大都市，無(wú)不受到交通堵塞的困擾。中國(guó)要發(fā)展，交通事業(yè)決不能停步不前。有及于此，我國(guó)交通管制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)以人性化、智能化為目的，作出相應(yīng)的改善。本論文正是以此為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)單片機(jī)控制的交通信號(hào)燈模型作了較詳盡的介紹 。 單片機(jī)的應(yīng)用正在不斷地走向深入，同時(shí)帶動(dòng)傳統(tǒng)控制檢測(cè)日新月益更新。在實(shí)時(shí)檢測(cè)和自動(dòng)控制的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機(jī)往往是作為一個(gè)核心部件來(lái)使用，僅單片機(jī)方 面知識(shí)是不夠的，還應(yīng)根據(jù)具體硬件結(jié)構(gòu)，以及針對(duì)具體應(yīng)用對(duì)象特點(diǎn)的軟件結(jié)合，加以完善。交通信號(hào)燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制，對(duì)于疏導(dǎo)交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。兼于此，特用單片機(jī)設(shè)計(jì)此電路。 交通信號(hào)燈是城市交通有序、安全、快速運(yùn)行的重要保障，而保障交通信號(hào)燈正常工作就成了保障交通有序、安全、快速運(yùn)行的關(guān)鍵。為此，采用 MCS51 系列單片機(jī) AT89S51 為中心器件來(lái)設(shè)計(jì)交通燈控制電路，實(shí)現(xiàn)了能根據(jù)實(shí)際車(chē)流量通過(guò) 8051 芯片的 PI 口設(shè)置紅綠燈燃亮的時(shí)間的功能；紅綠燈循環(huán)點(diǎn)亮，倒計(jì)時(shí)剩 5 秒 時(shí)黃燈閃爍警示，三種顏色燈交替點(diǎn)亮以及緊急情況下的中斷處理功能。 （二）選題背景 由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展從而導(dǎo)致了汽車(chē)數(shù)量的猛增，大中型城市的城市交通，正面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)，從而導(dǎo)致交通問(wèn)題日益嚴(yán)重，其主要表現(xiàn)如下：交通事故頻發(fā)，對(duì)人類生命安全造成極大威脅；交通擁堵嚴(yán)重，導(dǎo)致出行時(shí)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(jiàn)慣而又不得不忍受的問(wèn)題。在這種背景下，結(jié)合我國(guó)城市道路交通的實(shí)際情況，開(kāi)發(fā)出真正適合我們自身特點(diǎn)的智能信號(hào)燈控制系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)前的主要任務(wù)。 對(duì)交叉口實(shí)行科學(xué)的管理與控制是交通控制工程的重要研究課題，是保障交叉口的交通安全和充分發(fā)揮交叉口的通行能力的重要措施，是解決城市交通問(wèn)題的有效途徑。所以，改變和完善我國(guó)現(xiàn)有的交通系統(tǒng)已成為當(dāng)務(wù)之急。 交通燈信號(hào)燈的出現(xiàn)是人類歷史上的一次重大改革，使人類的聚居生活，產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。使交通得以有效管制，對(duì)于疏導(dǎo)交通流量，提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。如何采用合適的控制方法，最大限度利用好耗費(fèi)巨資修建的城市高速道路，緩解主干道與匝道、城區(qū)同周邊地區(qū)的交通擁堵?tīng)顩r，越來(lái)越成為交通運(yùn)輸 管理和城市規(guī)劃部門(mén)亟待解決的主要問(wèn)題。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，利用單片機(jī)技術(shù)對(duì)交通燈進(jìn)行智能化管理，已成為目前廣泛采用的方法。 3 在今天，紅綠燈安裝在各個(gè)道口上，已經(jīng)成為疏導(dǎo)交通車(chē)輛最常見(jiàn)和最有效的手段。但這一技術(shù)在 19 世紀(jì)就已出現(xiàn)了。 1858 年，在英國(guó)倫敦主要街頭安裝了以燃煤氣為光源的紅，藍(lán)兩色的機(jī)械扳手式信號(hào)燈，用以指揮馬車(chē)通行。這是世界上最早的交通信號(hào)燈。 1868 年，英國(guó)機(jī)械工程師納伊特在倫敦威斯敏斯特區(qū)的議會(huì)大廈前的廣場(chǎng)上，安裝了世界上最早的煤氣紅綠燈。它由紅綠兩以旋轉(zhuǎn)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。 1914 年，電氣啟動(dòng)的紅綠燈出現(xiàn)在美國(guó)。這種紅綠燈由紅綠黃三色圓形的投光器組成，安裝在紐約市 C5 號(hào)大街的一座高塔上。紅燈亮表示“停止”，綠燈亮表示“通行”。而中國(guó)最早的馬路交通燈卻是誕生于 1928 年的上海英租界。從最早的手牽皮帶到 20 世紀(jì) 50 年代的電氣控制。 （三） 國(guó)內(nèi)外交通控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 當(dāng)前世界各國(guó)廣泛使用的最具代表性卻有實(shí)施的城市交通控制系統(tǒng)有英國(guó)的 TRANSYT與 SCOOTS交通控制系統(tǒng)和澳大利 亞的 SCATS 系統(tǒng)。 在信號(hào)機(jī)的發(fā)展歷程中，自適應(yīng)理論一直受到各研究機(jī)構(gòu)的歡迎，比如上面所述的 SCOOTS 和SCATS 系統(tǒng)。最近幾年，國(guó)內(nèi)外仍偏向于引進(jìn)自適應(yīng)理論來(lái)對(duì)交通燈控制系統(tǒng)進(jìn)行研制，特別是美國(guó)有十幾個(gè)大學(xué)或研制機(jī)構(gòu)正在研制自適應(yīng)交通信號(hào)控制系統(tǒng)，具有代表性的有美國(guó) 亞利桑那大學(xué)研制的 PHODES。 我國(guó)交通領(lǐng)域的發(fā)展起步較晚，基本上從新中國(guó)建國(guó)以后，隨著各方面的條件的成熟以及社會(huì)發(fā)展的要求，才建立及健全交通控制系統(tǒng)的，主要引用國(guó)外的交通控制系統(tǒng)。各級(jí)交通管理部門(mén)通過(guò)技術(shù)引進(jìn)和自主創(chuàng)新， 在中國(guó)部分大中城市里，摒棄就有的控制方式，一些先進(jìn)的控制技術(shù)得到應(yīng)用。雖然在整體規(guī)模和層次上與世界發(fā)達(dá)國(guó)家還有不少差距，但部分領(lǐng)域技術(shù)水平已經(jīng)處于世界先進(jìn)位置。目前，我國(guó)交通控制系統(tǒng)已不單單是對(duì)交叉口信號(hào)燈進(jìn)行控制，而是集交叉口信號(hào)的控制盒干線控制以及現(xiàn)代城市高速公路交通控制于一體的混合型交通燈，實(shí)現(xiàn)區(qū)域信號(hào)控制盒城市高速公路集成控制。 1 交通控制存在的問(wèn)題 目前，城市交通控制還存在如下問(wèn)題： （ 1）隨著城市機(jī)動(dòng)車(chē)增長(zhǎng)速度加快的同時(shí)，城市道路建設(shè)規(guī)模也在加大，我國(guó)城市普遍存在道路密度，道路面積率偏低的問(wèn)題 ，這是我國(guó)城市尤其是大城市道路交通出現(xiàn)問(wèn)題的一個(gè)重要原因。我國(guó)城市道路的密度只有 每平方千米，而在 20 世紀(jì) 80 年代，世界發(fā)達(dá)國(guó)家就已到達(dá) 20km 每平方千米。 20 世紀(jì) 90 年代，我國(guó)部分城市道路面積率，北京為 %，上海為 %，而國(guó)外東京為%，巴黎為 25%，普遍高于我國(guó)。近幾年，國(guó)家雖不斷加大城市道路建設(shè)的力度，但仍趕不上車(chē)輛的增長(zhǎng)速度，且與世界其他國(guó)家相比，差距仍很大。 （ 2）出租車(chē)以及公交的發(fā)展運(yùn)營(yíng)情況并不盡如人意，雖然車(chē)輛和線路長(zhǎng)度增長(zhǎng)，但運(yùn)營(yíng)速度成了 4 瓶頸，新增的運(yùn)力被運(yùn)輸效率低下所 抵消。 （ 3）交通管理方面水平還欠發(fā)展，隨著交通需求越來(lái)越旺盛，而我國(guó)城市中小交通管理和交通安全的現(xiàn)代化設(shè)施卻做得不足。在車(chē)輛、道路和交通管理系統(tǒng)，城市交通信號(hào)控制系統(tǒng)，城市交通管制中應(yīng)用人工智能技術(shù)、信息采集和信息提供技術(shù)等方面都與發(fā)達(dá)國(guó)家有很大差距。近幾年，雖然有部分城市研究和引進(jìn)一些國(guó)外先進(jìn)的交通信號(hào)管理系統(tǒng)，但是由于交通管理設(shè)施不足等原因，我國(guó)交通事故率居高不下。城市車(chē)流行駛速度逐年下降，目前不少城市交通運(yùn)量年年增長(zhǎng)，但運(yùn)輸速度普遍下降，這都源于交通通行不佳。 針對(duì)我國(guó)城市交通運(yùn)輸?shù)默F(xiàn)狀和存在的問(wèn) 題，應(yīng)采取如下對(duì)策：借鑒國(guó)外城市交通管理的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，強(qiáng)調(diào)建立城市交通管理體制的重要性，提出加強(qiáng)城市交通研究的交通規(guī)劃，建立穩(wěn)定的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的資金出道，實(shí)行公交優(yōu)先政策，建立先進(jìn)的交通信息系統(tǒng)等。 2 交通控制系統(tǒng)的發(fā)展方向 綜合分析國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的城市交通控制系統(tǒng)，結(jié)合我國(guó)城市道路及交通的實(shí)際情況，同時(shí)也對(duì)今后城市交通與道路建設(shè)的發(fā)展的前瞻性考量，我國(guó)道路智能交通控制系統(tǒng)的發(fā)展模式應(yīng)具有如下功能： （ 1）多模式化。首先從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上吸收集中式 SCOOT、分布式 SCAT 等智能交通系統(tǒng)的長(zhǎng)處，在控制范圍內(nèi)各個(gè) 區(qū)域采用靈活可轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)根據(jù)交通流的區(qū)域變化而改變。此外，充分根據(jù)不同地區(qū)實(shí)時(shí)交通情況，對(duì)路口能力最大、延遲時(shí)間最短等作為遴選不同系統(tǒng)的參考標(biāo)準(zhǔn)。 （ 2）智能化。隨著信息技術(shù)的高度發(fā)展，作為道路交通控制系統(tǒng)所承擔(dān)的工作不僅僅是對(duì)交通流的引導(dǎo)，更承擔(dān)了諸如為車(chē)輛提供道路交通信息的職能，利用對(duì)車(chē)輛的 CPS 誘導(dǎo)，使道路通行更加順暢。 （ 3）最優(yōu)化。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和優(yōu)化理論的發(fā)展，模型算法的求解和交通模型的建立就有可能獲得最優(yōu)解并建立最佳模型。當(dāng)我們建立整個(gè)交通路網(wǎng)的動(dòng)態(tài)交通分配模型和整體優(yōu)化模型并 求最優(yōu)解，從而達(dá)到對(duì)路口的控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整進(jìn)而實(shí)現(xiàn)某個(gè)地域范圍內(nèi)對(duì)交通流進(jìn)行動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制就成為可行。 （ 4）規(guī)整化。任何控制系統(tǒng)都是立足于具體的道路和交通條件，所以采用道路的方法和疏導(dǎo)交通流的方法對(duì)控制系統(tǒng)會(huì)有很大的參考作用。我國(guó)在建立完整的道路交通控制系統(tǒng)之前，必須針對(duì)道路狀況和交通流做出若干種交通疏導(dǎo)預(yù)案和道路使用預(yù)案，從而使交通和道路更加規(guī)整。 （ 5）通用性和模塊化。根據(jù)計(jì)算科學(xué)的發(fā)展，我國(guó)在制定和實(shí)施智能交通控制系統(tǒng)時(shí)必須在硬件設(shè)計(jì)和軟件編程上采用通用化和模塊化，有利于將來(lái)的逐步升級(jí)和換代。 3 PLC 交通燈系統(tǒng)與單片機(jī)交通燈系統(tǒng)的比較 交通控制系統(tǒng)有許多方案： PLC 交通控制系統(tǒng)、單片機(jī)交通控制系統(tǒng)等。 （ 1） PLC 具有以下特點(diǎn) PLC （ Programmable Logic Controller） 可編程邏輯控制器，是工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。采用梯形 5 圖、助記符、功能圖等編程語(yǔ)言，完成邏輯運(yùn)算、順序控制、記數(shù)、定時(shí)、計(jì)算及模擬量處理等功能。具有光電隔離的輸入輸出端子，可代替大量的定時(shí)器、記數(shù)器、繼電器，具有極高的可靠性。通過(guò)各種擴(kuò)展模塊，可增加輸入 /輸出點(diǎn)數(shù)，增加模擬量功能如可直接接熱電偶等，增加通信功能及特 殊通信協(xié)議等，具有較高的使用靈活性。 PLC 包括 操作系統(tǒng)及強(qiáng)電的光電隔離的輸入 /輸出，方便應(yīng)用并具有極高的可靠性與抗干擾能力、擴(kuò)展能力及使用方便性。 但是相對(duì)于它強(qiáng)大的功能而言，價(jià)格也是十分昂貴的。 （ 2）單片機(jī)具有以下特點(diǎn) 單片計(jì)算機(jī)是將電子計(jì)算機(jī)的基本環(huán)節(jié) ,如 :CPU,存儲(chǔ)器 ,總線 ,輸入輸出接口等 ,采用集成電路技術(shù)集成在一片硅基片上 。 由于單片計(jì)算機(jī)體積很小 (僅手指般大小 ),功能強(qiáng) (控制功能強(qiáng)大、指令簡(jiǎn)單等 ),它還具有抗干擾性強(qiáng)、可靠性高、電磁輻射小、更新?lián)Q代速度慢等優(yōu)點(diǎn)， 因而廣泛用于電子設(shè)備中作控制器之用 。 城市交通是一個(gè)高度綜合而又復(fù)雜的問(wèn)題，必須從政策、機(jī)構(gòu)、體制、管理、收費(fèi)價(jià)格、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和投資各個(gè)方面同時(shí)入手解決。 單片機(jī)具有抗干擾性強(qiáng)、可靠性高、電磁輻射小等優(yōu)點(diǎn)，但是它的價(jià)格相對(duì)于 PLC 來(lái)說(shuō)就便宜的多。因此，本文中采用單片機(jī)作為交通燈控制系統(tǒng)。 6 二 、 交通 燈系統(tǒng) 方案論證 （一） 設(shè)計(jì)任務(wù) 東西、南北兩干道交于一個(gè)十字路口，各干道有一組紅、左轉(zhuǎn)綠、綠三個(gè)指示燈指揮車(chē)輛和行人安全通行。紅燈亮表示禁止通行，綠燈亮表示允許通行。紅燈的設(shè)計(jì)時(shí)間為 60 秒，綠燈 的設(shè)計(jì)時(shí)間為 40 秒， 左轉(zhuǎn)綠燈的計(jì)時(shí)時(shí)間為 20 秒。 本系統(tǒng)利用單片機(jī)的定時(shí)器定時(shí)，控制十字路口的紅綠燈交替點(diǎn)亮和熄滅，并且用 LED 數(shù)碼管顯示時(shí)間。 把設(shè)計(jì)任務(wù)細(xì)化為四個(gè)狀態(tài)，其對(duì)應(yīng)狀態(tài)，如圖 21 所示： 圖 21 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖 整個(gè)交通燈設(shè)計(jì)任務(wù)由四個(gè)狀態(tài)組成，可以用程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。 （二） 方案選擇 方案一：采用分模塊設(shè)計(jì)思想，程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的基本思想是一個(gè)計(jì)數(shù)器，選用一個(gè)單片機(jī)，其內(nèi)部為一個(gè)十六位計(jì)數(shù)器，模塊化后，通過(guò)設(shè)置和程序清除來(lái)實(shí) 現(xiàn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，由于每一個(gè)模塊的計(jì)數(shù)都不相同，各個(gè)模塊是以預(yù)置數(shù)和計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)共同來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以要考慮增加一個(gè)置數(shù)模塊。置數(shù)模塊的主要功能為：對(duì)不同的狀態(tài)輸入要產(chǎn)生相應(yīng)狀態(tài)的下一個(gè)狀態(tài)的預(yù)置數(shù)，如表 中東西道和南北道 ,分別為主干道的置數(shù)選擇和次干道的置數(shù)選擇。以主干道為例，簡(jiǎn)述其設(shè)計(jì)思想。如前分析，已經(jīng)確定該系統(tǒng)有四個(gè)狀態(tài)，而置數(shù)子模塊要將下一狀態(tài)的預(yù)置數(shù)準(zhǔn)備好，所以很容易得到主干道的置數(shù)表，如表 21 所示： 表 21 置數(shù) 表 東西道為 60秒紅燈，南北道為 40 秒綠燈 東西道為 20 秒紅燈，南北道為 20秒左轉(zhuǎn)綠燈 東西道為 40秒綠燈，南北道為 60 秒紅燈 東西道為 20 秒左轉(zhuǎn)綠燈，南北道為 20秒紅燈 7 狀態(tài) 主干道預(yù)置數(shù) 次干道預(yù)置數(shù) 00 60 40 01 20 20（左轉(zhuǎn)） 10 40 60 11 20（左轉(zhuǎn)） 20 通過(guò)表 21 得出可以利用程序循環(huán)的方法設(shè)計(jì)該模塊，主要思想是通過(guò)數(shù)據(jù)判斷指令和跳轉(zhuǎn)指令實(shí)現(xiàn)，由主控制器計(jì)時(shí)和中斷產(chǎn)生的四個(gè)狀態(tài)去譯碼，從而得到不同的輸出，也就是預(yù)置數(shù)。由上分析得出可以用一個(gè)計(jì)數(shù)器和跳轉(zhuǎn)指令去完成預(yù)置數(shù)，而紅綠燈的顯示也是一樣，由狀態(tài)分析可以得出紅綠燈的變化表，如表 22 所示： 表 22 紅綠燈變化表 狀態(tài) 主干道燈顯示 次干道燈顯示 00 紅燈 綠燈 01 紅燈 左轉(zhuǎn)綠燈