【文章內(nèi)容簡介】 交通也愈來愈備感壓力，在高峰期的時候，車流緩慢、堵車嚴(yán)重的現(xiàn)象也屢見不鮮。城市交通問題的治理千頭萬緒，如何針對國情選擇入手點，采用何種技術(shù)手段既可行又能奏效，又保證投資的長遠(yuǎn)效益，使系統(tǒng)具有合理的前瞻性和先進(jìn)性，是交通技術(shù)人員迫切面對的問題。本論文提出一套以單片機控制系統(tǒng)為主框架的解決方案，針對城市交通控制系統(tǒng)及其十字路口的交通信號控制機的設(shè)計，來解決這類問題。 圖 31 十字交叉路口示意圖 系統(tǒng)設(shè)計目的系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)包括：改善控制區(qū)域的交通秩序；增加現(xiàn)有道路設(shè)施的通行能力；減少交通事故；減少交叉口停車次數(shù)和提高交叉口行駛速度（從而減少廢氣和噪音污智能交通燈控制 9染） ；創(chuàng)造更整潔文明的現(xiàn)代化交通環(huán)境。 技術(shù)框架 采用成熟的和已經(jīng)市場化的先進(jìn)技術(shù)和體系結(jié)構(gòu)來保證系統(tǒng)的可靠運轉(zhuǎn)以及領(lǐng)先的實用性能，同時有效控制成本。 系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計。這意味著不僅可以方便地擴大和縮小系統(tǒng)規(guī)模而且系統(tǒng)可以容易實現(xiàn)升級和功能擴展。 十字路口交通信號相位設(shè)置信號機在一個信號周期內(nèi)的各個狀態(tài)稱為相(即一個周期內(nèi)有幾種燈色變化)。例如在一個色燈變色周期內(nèi)有兩種狀態(tài)的信號, 即燈色為一紅一綠,稱為兩相。對控制交通流而言, 相位越多, 消除的沖突點就多, 交通就越安全。但從交叉口通行效率而言, 相位越多, 相應(yīng)的信號周期就長, 這樣車輛在交叉口上延誤的時間就越長, 通行效率就越低。相反,相位越少, 交叉口上的通行效率就越高, 但安全性就越差。 不同相位配時方案（1） 二相位信號配時這種配時方案適用于任何平面十字交叉口, 包括具有左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)專用分流車道的交叉口。其控制設(shè)備簡單, 造價低, 容易實現(xiàn)。由于相位少, 信號周期短, 故交通效率高。但沖突點比較多, 安全性較低。（2） 三相位信號配時這種方案分為左拐變優(yōu)先和任一向優(yōu)先兩種情況。三相位配時方案只在具有左轉(zhuǎn)專用分流車道或任何一方向相對于其它方向而言交通量比較大時才適用, 其控制設(shè)備較為復(fù)雜且造價較高, 再加上信號周期長, 故交通效率有所降低。因設(shè)置了專用左轉(zhuǎn)相位及分離了重交通流, 其安全性有所提高。（3） 四相位信號配時這種配時方案只有在各個車道能分離的十字交叉口才能使用。其控制設(shè)備較為簡單, 由于完全消除了沖突點, 其安全性很高。但因其相位多, 信號周期長, 在小交通量智能交通燈控制 10的情況下, 其交通效率較低。但在重交通流時, 因各向車流會車時沒有延誤, 因此相對于二相位配時方案而言, 交通效率有明顯提高, 安全性也高得多。（4） 五至八相位配時這些配時方案也只能用在各個車道能分離的交叉口上。其控制設(shè)備復(fù)雜, 安全性亦很高。但隨著相位的增加, 其信號周期也大大增加, 使得交通效率變得十分低下。若無特殊需要, 這些控制方式一般不予采用。 交通信號燈的控制方法 定時控制交叉口信號控制機按事先設(shè)置的配時方案運行, 稱為固定周期控制。一天只用一個配時方案的稱為單段式定時控制。 一天按不同時段的交通量采用幾個配時方案的稱為多段式定時控制。 感應(yīng)控制感應(yīng)控制是在交叉口的進(jìn)口道上設(shè)置車輛檢測器, 信號燈配時方案可隨檢測器檢測到的車流信息而隨時改變的一種配時控制方式。感應(yīng)控制包括半感應(yīng)控制和全感應(yīng)控制。前者是指只在交叉口部分進(jìn)口道上設(shè)置檢測器的感應(yīng)控制。 后者則是指在交叉口全部進(jìn)口道上設(shè)置檢測器的感應(yīng)控制。感應(yīng)控制按工作原理分為兩種:（1） 實時感應(yīng)實時控制其工作原理是: 任一相開始綠燈, 感應(yīng)信號控制機內(nèi)設(shè)一個初始綠燈時間 Gmin。當(dāng)綠燈開放一段時間到Gs時, 開始檢測后邊有無后續(xù)車輛到達(dá)。若有, 則增加一個單位綠燈延長時間G；若無車輛則繼續(xù)檢測, 當(dāng)達(dá)到最大極限綠燈時間 Gmax時, 即使后邊有來車, 也不再增加綠燈時間。實際綠燈時間G大于等于初始時間 Gmin,而小于極限延長時間Gmax。（2） 實時感應(yīng)事后控制在交叉口進(jìn)口道上設(shè)置兩個車輛檢測器 A 和 B, 相距 50 米以上。檢測該車道在本次綠燈和下次綠燈之間在 A 和 B 間的車輛數(shù), 由此配置該相位第二次綠燈的時間。在智能交通燈控制 11這種控制方式下, 每一相的時間是固定的, 但各個相位的時間可能是不同的。譬如某一車道當(dāng)前的綠燈時間是 30 秒, 但下一次綠燈時間可能就不是 30 秒。 系統(tǒng)控制方案 感應(yīng)—定時信號控制方案為了克服定時控制中單段式控制不能適應(yīng)交通流的變化, 而多段式控制的最佳綠燈時間整定困難的缺點, 將定時控制加以改進(jìn), 得到一種較好的控制方法, 稱之為“感應(yīng)—定時信號控制”, 其工作原理如下:交通控制機工作于感應(yīng)信號控制方式時, 記錄每個周期各相位的實際綠燈時間, 并對其進(jìn)行統(tǒng)計。若測得的實際綠燈時間變化很大, 則說明此時段該交叉口交通量不穩(wěn)定, 宜采用感應(yīng)信號控制方式。 若在規(guī)定的周期數(shù)內(nèi)所測到的實際綠燈時間在給定的范圍內(nèi)波動, 則說明此時段車流量基本穩(wěn)定, 宜采用定時信號控制方式, 控制機立即將系統(tǒng)切換為該運行方式, 其各相位最佳綠燈時間就是統(tǒng)計所得的實際平均值。同時繼續(xù)記錄和統(tǒng)計當(dāng)前實際綠燈時間,當(dāng)統(tǒng)計結(jié)果超過給定的允許范圍時, 又切換到另一種新的運行方式或狀態(tài)。這種控制方式既克服了感應(yīng)信號控制方式不能用數(shù)字顯示器顯示當(dāng)前燈色剩余時間的缺點和多段式定時控制方式最佳綠燈時間整定比較困難的缺點, 又具有能適應(yīng)不同時段車流量的特點。 總體方案設(shè)計在控制方法方面, 定時控制雖不太適于交通流量有很大變化的交叉口的控制, 但能用數(shù)字顯示器顯示當(dāng)前燈色剩余時間, 以便于駕駛員隨時掌握自己的駕駛動作, 及時停車或啟動。感應(yīng)控制雖能適合各種交叉口的控制, 但不易聯(lián)合控制, 又不便于數(shù)字顯示器顯示當(dāng)前燈色剩余時間。為使控制機既適合各種交叉口, 又能在需要時聯(lián)機控制, 因此在系統(tǒng)中同時采用兩種控制方法。在相位方面, 四相位控制具有很高的安全性, 但只能在各種車道分離的交叉口使用, 且在輕交通流的情況下交通效率較低。二相位控制其安全性稍低, 但能在各種交叉口運行, 且交通效率高。因此, 為適應(yīng)不同的實際情況, 在系統(tǒng)中選用二相位和四相位控制兩種方式。在過去的交叉路口交通信號控制中，由于交叉路口車道窄，車流量較小，一般只智能交通燈控制 12采用兩個相位，即兩相制，如東西向放行，顯綠燈，則南北向禁止，顯紅燈，這是第一相。第二相時，南北放行，顯綠燈，東西向禁止通行，顯紅燈。在交叉路口幾何特性一定的條件下，交叉路口的信號配時是提高交叉路口通行能力、減少車輛在交叉路口的排隊延誤和停車次數(shù)最為重要的決定因素。交叉路口的信號配時包括三個方面的內(nèi)容：信號周期、綠信比和信號周期的起始時間。 第一相位 第二相位圖 32 十字路口二相位信號控制示意圖 而在現(xiàn)在的交叉路口控制中，由于車道加寬，車流量也比以前大大增加了，這時為了保障交通安全，及車流的順利暢通，就需要再增加相位的設(shè)置，例如可增加適當(dāng)?shù)淖筠D(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)相位，使每一方向的車流都可在通過交叉路口時不受其它方向車輛的干擾，提高了交叉路口的交通安全和通行率。但是相位又不能設(shè)置太多，如果太多，就會使單方向的車輛等待通過時間加長，造成交通堵塞。因此，根據(jù)交叉路口的車流量信息，相位的合理設(shè)置也是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。 本系統(tǒng)十字路口的相位及步伐設(shè)置為四相位：第一相位為東西向直行，禁止左轉(zhuǎn)及南北直行；第二相位為東西左轉(zhuǎn)，禁止直行及南北左轉(zhuǎn)；第三相位是南北直行，禁止左轉(zhuǎn)及東西直行；第四相位是南北左轉(zhuǎn)，禁止直行及東西左轉(zhuǎn)。而在這四個相位運行中，右轉(zhuǎn)是不被禁止的，可以隨時通過的。其相位方案見圖 33智能交通燈控制 13 第一相位 第二相位 第三相位 第四相位圖 33 十字路口四相位信號控制示意圖設(shè)有一個南北（SN）向和東西(WE) 向的十字路口，兩方向各有兩組相同交通控制信號燈，每組各有四盞信號燈，分別為直行信號燈（G ） 、左拐信號燈（L ） 、紅燈（R）和黃燈（Y） ，交通控制信號燈布置如圖 34 所示。智能交通燈控制 14圖 34 十字路口交通控制信號燈布置示意圖 十字路口交通信號亮燈的順序設(shè)定 由于交叉路口不僅是車輛通過，而且行人也一樣要穿越馬路，有些較大的十字路口都設(shè)有人行地下通道或過街天橋，這樣避免了行人與車輛搶道現(xiàn)象，提高了交叉路口的通行率。但是目前還有許多路口還沒有修建地下通道，這樣在步伐設(shè)定中就要考慮對行人綠燈的控制，本系統(tǒng)交通燈燈色分為：直行綠燈、左轉(zhuǎn)綠燈、黃燈、紅燈和人行道紅、綠燈。圖 35 十字路口交通控制信號燈順序示意圖智能交通燈控制 154 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 硬件系統(tǒng)設(shè)計的總體要求硬件的設(shè)計是在上述基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計的，是系統(tǒng)中的基礎(chǔ)部分。總體設(shè)計要求是：滿足系統(tǒng)要求的目標(biāo)、復(fù)雜程度、可靠性要求和精度速度要求下，降低成本。來選擇合適單片機，我國常用的單片機有 Intel 公司和 Alter 公司的 mcs51 系列和 AT51 系列單片機。在硬件電路設(shè)計中，還應(yīng)該設(shè)計出各外圍接口電路，存儲器擴展電路等。 系統(tǒng)的組成本系統(tǒng)采用單片機來控制交通信號燈，具有編程靈活、電路簡單、工作穩(wěn)定和功能多等特點，其硬件框圖如圖 41 所示。從各路車輛檢測器采集過來的車流量經(jīng)輸入板，送入主板中的 CPU 進(jìn)行分析處理、控制運算，并轉(zhuǎn)化成控制策略，實現(xiàn)對路口交通信號的控制。在主板中我選用 89C51 單片機作為主處理器。 交通信號控制機的硬件電路主要有主板、交通信號輸出板、車輛檢測輸入板、通信板、鍵盤及顯示板。主板是整個交通信號控制機的硬件核心，它通過對各個電路板的操控，來實現(xiàn)交通信號控制機的各種功能；交通信號輸出板是將主板發(fā)送過來的交通信號燈控制策略進(jìn)行分析處理，將當(dāng)前控制信息發(fā)送到交通燈信號驅(qū)動器，進(jìn)而控制相應(yīng)的交通信號燈；車輛檢測輸入板是將各路車輛檢測器檢測出的車流量信息依次送入主板中，使主板 CPU 能夠制定出現(xiàn)實路口交通的控制；通信板是將主機與中央控制機聯(lián)網(wǎng)通訊，進(jìn)行聯(lián)機控制，其采用 89C51 單片機作為主處理器，經(jīng) RS422C 串行通訊將通訊信息發(fā)送到路口基站，再由路口基站與中央控制機的遠(yuǎn)程通訊來實現(xiàn)路口基于中央機之間的數(shù)據(jù)傳輸；鍵盤及顯示板主要由 8155 驅(qū)動器和單片機、LED 數(shù)碼顯示組成。 該系統(tǒng)主要硬件該系統(tǒng)的主要硬件有核心控制系統(tǒng) CPU(89C51),交通信號燈驅(qū)動器 74LS244, 8155 芯片，光電藕合器件 MOC3041,時鐘芯片 MC146818，AT89C51 單片機等。智能交通燈控制 16 主要芯片的性能介紹（1） 89C51 基本介紹如下：內(nèi)部程序存儲器（FLASH）4K 字節(jié)外部程序存儲器（ROM）64K 字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（RAM）256 字節(jié)外部數(shù)據(jù)存儲器（RAM）64K 字節(jié)P0口：(~)是一個8 位漏極開路雙向輸入輸出端口，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)時，它是地址總線（低8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用。外部不擴展而單片應(yīng)用時，則作一般雙向I/O 口用。P0 口每一個引腳可以推動8 個LSTTL 負(fù)載。P2口：(~)口是具有內(nèi)部提升電路的雙向I/O端口(準(zhǔn)雙向并行I/O 口)，當(dāng)訪問外部程序存儲器時，它是高8 位地址。外部不擴展而單片應(yīng)用時，則作一般雙向I/O 口用。每一個引腳可以推動4 個LSTL 負(fù)載。P1口：(~)口是具有內(nèi)部提升電路的雙向I/O端口(準(zhǔn)雙向并行I/O 口)，其輸出可以推動4 個LSTTL 負(fù)載。僅供用戶作為輸入輸出用的端口。P3口：(~)口是具有內(nèi)部提升電路的雙向I/O端口(準(zhǔn)雙向并行I/O 口)，它還提供特殊功能，包括串行通信、外部中斷控制、計時計數(shù)控制及外部隨機存儲器內(nèi)容的讀取或?qū)懭肟刂频裙δ?。其特殊功能引腳分配如下： RXD 串行通信輸入 TXD 串行通信輸出 INT0 外部中斷0 輸入，低電平有效 INT1 外部中斷1 輸入，低電平有效 T0 計數(shù)器0 外部事件計數(shù)輸入端 T1 計數(shù)器1 外部事件計數(shù)輸入端 WR 外部隨機存儲器的寫選通，低電平有效 RD 外部隨機存儲器的讀選通，低電平有效VCC：AT89C51 電源正極輸入，接+5V 電壓GND：電源接地端智能交通燈控制 17XTAL1：接外部晶振的一個引腳。在單片機內(nèi)部，它是一反相放大器輸入端，這個放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。它采用外部振蕩器時，些引腳應(yīng)接地。XTAL2：接外部晶振的一個引腳。在片內(nèi)接至振蕩器的反相放大器輸出端和內(nèi)部時鐘發(fā)生器輸入端。當(dāng)采用外部振蕩器時，則此引腳接外部振蕩信號的輸入。RST：AT89C51 的復(fù)位信號輸入引腳，高電位工作，當(dāng)要對芯片又時，只要將此引腳電位提升到高電位，并持續(xù)兩個機器周期以上的時間，AT89C51 便能完成系統(tǒng)復(fù)位的各項工作，使得內(nèi)部特殊功能寄存器的內(nèi)容均被設(shè)成已知狀態(tài)。ALE/PROG：ALE 是英文ADDRESS LATCH ENABLE的縮寫，表示允許地址鎖存允許信號。當(dāng)訪問外部存儲器時，ALE 信號負(fù)跳變來觸發(fā)外部的 8 位鎖存器 (如74LS373)，將端口P0的地址總線(A0A7)鎖存進(jìn)入鎖存器中。在非訪問外部存儲器期間， ALE 引腳的輸出頻率是系統(tǒng)工作頻率的 1/16，因此可以用來驅(qū)動其他外圍芯片的時鐘輸入。當(dāng)問外部存儲器期間，將以1/12 振蕩頻率輸出。EA/VPP：該引腳為低電平時，則讀取外部的程序代碼 (存于外部EPROM 中)來執(zhí)行程序