【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 交通也愈來(lái)愈備感壓力，在高峰期的時(shí)候，車流緩慢、堵車嚴(yán)重的現(xiàn)象也屢見不鮮。城市交通問(wèn)題的治理千頭萬(wàn)緒，如何針對(duì)國(guó)情選擇入手點(diǎn)，采用何種技術(shù)手段既可行又能奏效，又保證投資的長(zhǎng)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(duì)的問(wèn)題。本論文提出一套以單片機(jī)控制系統(tǒng)為主框架的解決方案，針對(duì)城市交通控制系統(tǒng)及其十字路口的交通信號(hào)控制機(jī)的設(shè)計(jì)，來(lái)解決這類問(wèn)題。 圖 31 十字交叉路口示意圖 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的系統(tǒng)設(shè)計(jì)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?gòu)U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(chǎng)化的先進(jìn)技術(shù)和體系結(jié)構(gòu)來(lái)保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)轉(zhuǎn)以及領(lǐng)先的實(shí)用性能，同時(shí)有效控制成本。 系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)。這意味著不僅可以方便地?cái)U(kuò)大和縮小系統(tǒng)規(guī)模而且系統(tǒng)可以容易實(shí)現(xiàn)升級(jí)和功能擴(kuò)展。 十字路口交通信號(hào)相位設(shè)置信號(hào)機(jī)在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)的各個(gè)狀態(tài)稱為相(即一個(gè)周期內(nèi)有幾種燈色變化)。例如在一個(gè)色燈變色周期內(nèi)有兩種狀態(tài)的信號(hào), 即燈色為一紅一綠,稱為兩相。對(duì)控制交通流而言, 相位越多, 消除的沖突點(diǎn)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(hào)周期就長(zhǎng), 這樣車輛在交叉口上延誤的時(shí)間就越長(zhǎng), 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(shí)方案（1） 二相位信號(hào)配時(shí)這種配時(shí)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(jiǎn)單, 造價(jià)低, 容易實(shí)現(xiàn)。由于相位少, 信號(hào)周期短, 故交通效率高。但沖突點(diǎn)比較多, 安全性較低。（2） 三相位信號(hào)配時(shí)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(shí)方案只在具有左轉(zhuǎn)專用分流車道或任何一方向相對(duì)于其它方向而言交通量比較大時(shí)才適用, 其控制設(shè)備較為復(fù)雜且造價(jià)較高, 再加上信號(hào)周期長(zhǎng), 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(hào)配時(shí)這種配時(shí)方案只有在各個(gè)車道能分離的十字交叉口才能使用。其控制設(shè)備較為簡(jiǎn)單, 由于完全消除了沖突點(diǎn), 其安全性很高。但因其相位多, 信號(hào)周期長(zhǎng), 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(shí), 因各向車流會(huì)車時(shí)沒有延誤, 因此相對(duì)于二相位配時(shí)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(shí)這些配時(shí)方案也只能用在各個(gè)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(hào)周期也大大增加, 使得交通效率變得十分低下。若無(wú)特殊需要, 這些控制方式一般不予采用。 交通信號(hào)燈的控制方法 定時(shí)控制交叉口信號(hào)控制機(jī)按事先設(shè)置的配時(shí)方案運(yùn)行, 稱為固定周期控制。一天只用一個(gè)配時(shí)方案的稱為單段式定時(shí)控制。 一天按不同時(shí)段的交通量采用幾個(gè)配時(shí)方案的稱為多段式定時(shí)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(cè)器, 信號(hào)燈配時(shí)方案可隨檢測(cè)器檢測(cè)到的車流信息而隨時(shí)改變的一種配時(shí)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(cè)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(cè)器的感應(yīng)控制。感應(yīng)控制按工作原理分為兩種:（1） 實(shí)時(shí)感應(yīng)實(shí)時(shí)控制其工作原理是: 任一相開始綠燈, 感應(yīng)信號(hào)控制機(jī)內(nèi)設(shè)一個(gè)初始綠燈時(shí)間 Gmin。當(dāng)綠燈開放一段時(shí)間到Gs時(shí), 開始檢測(cè)后邊有無(wú)后續(xù)車輛到達(dá)。若有, 則增加一個(gè)單位綠燈延長(zhǎng)時(shí)間G；若無(wú)車輛則繼續(xù)檢測(cè), 當(dāng)達(dá)到最大極限綠燈時(shí)間 Gmax時(shí), 即使后邊有來(lái)車, 也不再增加綠燈時(shí)間。實(shí)際綠燈時(shí)間G大于等于初始時(shí)間 Gmin,而小于極限延長(zhǎng)時(shí)間Gmax。（2） 實(shí)時(shí)感應(yīng)事后控制在交叉口進(jìn)口道上設(shè)置兩個(gè)車輛檢測(cè)器 A 和 B, 相距 50 米以上。檢測(cè)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(shí)間。在智能交通燈控制 11這種控制方式下, 每一相的時(shí)間是固定的, 但各個(gè)相位的時(shí)間可能是不同的。譬如某一車道當(dāng)前的綠燈時(shí)間是 30 秒, 但下一次綠燈時(shí)間可能就不是 30 秒。 系統(tǒng)控制方案 感應(yīng)—定時(shí)信號(hào)控制方案為了克服定時(shí)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(shí)間整定困難的缺點(diǎn), 將定時(shí)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(shí)信號(hào)控制”, 其工作原理如下:交通控制機(jī)工作于感應(yīng)信號(hào)控制方式時(shí), 記錄每個(gè)周期各相位的實(shí)際綠燈時(shí)間, 并對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。若測(cè)得的實(shí)際綠燈時(shí)間變化很大, 則說(shuō)明此時(shí)段該交叉口交通量不穩(wěn)定, 宜采用感應(yīng)信號(hào)控制方式。 若在規(guī)定的周期數(shù)內(nèi)所測(cè)到的實(shí)際綠燈時(shí)間在給定的范圍內(nèi)波動(dòng), 則說(shuō)明此時(shí)段車流量基本穩(wěn)定, 宜采用定時(shí)信號(hào)控制方式, 控制機(jī)立即將系統(tǒng)切換為該運(yùn)行方式, 其各相位最佳綠燈時(shí)間就是統(tǒng)計(jì)所得的實(shí)際平均值。同時(shí)繼續(xù)記錄和統(tǒng)計(jì)當(dāng)前實(shí)際綠燈時(shí)間,當(dāng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果超過(guò)給定的允許范圍時(shí), 又切換到另一種新的運(yùn)行方式或狀態(tài)。這種控制方式既克服了感應(yīng)信號(hào)控制方式不能用數(shù)字顯示器顯示當(dāng)前燈色剩余時(shí)間的缺點(diǎn)和多段式定時(shí)控制方式最佳綠燈時(shí)間整定比較困難的缺點(diǎn), 又具有能適應(yīng)不同時(shí)段車流量的特點(diǎn)。 總體方案設(shè)計(jì)在控制方法方面, 定時(shí)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(shí)間, 以便于駕駛員隨時(shí)掌握自己的駕駛動(dòng)作, 及時(shí)停車或啟動(dòng)。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(shí)間。為使控制機(jī)既適合各種交叉口, 又能在需要時(shí)聯(lián)機(jī)控制, 因此在系統(tǒng)中同時(shí)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(yùn)行, 且交通效率高。因此, 為適應(yīng)不同的實(shí)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(guò)去的交叉路口交通信號(hào)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(gè)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(shí)，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(hào)配時(shí)是提高交叉路口通行能力、減少車輛在交叉路口的排隊(duì)延誤和停車次數(shù)最為重要的決定因素。交叉路口的信號(hào)配時(shí)包括三個(gè)方面的內(nèi)容：信號(hào)周期、綠信比和信號(hào)周期的起始時(shí)間。 第一相位 第二相位圖 32 十字路口二相位信號(hào)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(shí)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(guò)交叉路口時(shí)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(huì)使單方向的車輛等待通過(guò)時(shí)間加長(zhǎng)，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(gè)相位運(yùn)行中，右轉(zhuǎn)是不被禁止的，可以隨時(shí)通過(guò)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(hào)控制示意圖設(shè)有一個(gè)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(hào)燈，每組各有四盞信號(hào)燈，分別為直行信號(hào)燈（G ） 、左拐信號(hào)燈（L ） 、紅燈（R）和黃燈（Y） ，交通控制信號(hào)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(hào)燈布置示意圖 十字路口交通信號(hào)亮燈的順序設(shè)定 由于交叉路口不僅是車輛通過(guò)，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(guò)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(duì)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(hào)燈順序示意圖智能交通燈控制 154 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體要求硬件的設(shè)計(jì)是在上述基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的，是系統(tǒng)中的基礎(chǔ)部分。總體設(shè)計(jì)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(lái)選擇合適單片機(jī)，我國(guó)常用的單片機(jī)有 Intel 公司和 Alter 公司的 mcs51 系列和 AT51 系列單片機(jī)。在硬件電路設(shè)計(jì)中，還應(yīng)該設(shè)計(jì)出各外圍接口電路，存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路等。 系統(tǒng)的組成本系統(tǒng)采用單片機(jī)來(lái)控制交通信號(hào)燈，具有編程靈活、電路簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定和功能多等特點(diǎn)，其硬件框圖如圖 41 所示。從各路車輛檢測(cè)器采集過(guò)來(lái)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(yùn)算，并轉(zhuǎn)化成控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)路口交通信號(hào)的控制。在主板中我選用 89C51 單片機(jī)作為主處理器。 交通信號(hào)控制機(jī)的硬件電路主要有主板、交通信號(hào)輸出板、車輛檢測(cè)輸入板、通信板、鍵盤及顯示板。主板是整個(gè)交通信號(hào)控制機(jī)的硬件核心，它通過(guò)對(duì)各個(gè)電路板的操控，來(lái)實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)控制機(jī)的各種功能；交通信號(hào)輸出板是將主板發(fā)送過(guò)來(lái)的交通信號(hào)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(hào)驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)而控制相應(yīng)的交通信號(hào)燈；車輛檢測(cè)輸入板是將各路車輛檢測(cè)器檢測(cè)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(shí)路口交通的控制；通信板是將主機(jī)與中央控制機(jī)聯(lián)網(wǎng)通訊，進(jìn)行聯(lián)機(jī)控制，其采用 89C51 單片機(jī)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(jī)的遠(yuǎn)程通訊來(lái)實(shí)現(xiàn)路口基于中央機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸；鍵盤及顯示板主要由 8155 驅(qū)動(dòng)器和單片機(jī)、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(hào)燈驅(qū)動(dòng)器 74LS244, 8155 芯片，光電藕合器件 MOC3041,時(shí)鐘芯片 MC146818，AT89C51 單片機(jī)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(chǔ)器（FLASH）4K 字節(jié)外部程序存儲(chǔ)器（ROM）64K 字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）256 字節(jié)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）64K 字節(jié)P0口：(~)是一個(gè)8 位漏極開路雙向輸入輸出端口，當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)時(shí)，它是地址總線（低8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用。外部不擴(kuò)展而單片應(yīng)用時(shí)，則作一般雙向I/O 口用。P0 口每一個(gè)引腳可以推動(dòng)8 個(gè)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(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，它是高8 位地址。外部不擴(kuò)展而單片應(yīng)用時(shí)，則作一般雙向I/O 口用。每一個(gè)引腳可以推動(dòng)4 個(gè)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(dòng)4 個(gè)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(jì)時(shí)計(jì)數(shù)控制及外部隨機(jī)存儲(chǔ)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(jì)數(shù)器0 外部事件計(jì)數(shù)輸入端 T1 計(jì)數(shù)器1 外部事件計(jì)數(shù)輸入端 WR 外部隨機(jī)存儲(chǔ)器的寫選通，低電平有效 RD 外部隨機(jī)存儲(chǔ)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(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一反相放大器輸入端，這個(gè)放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。它采用外部振蕩器時(shí)，些引腳應(yīng)接地。XTAL2：接外部晶振的一個(gè)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(shí)鐘發(fā)生器輸入端。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，則此引腳接外部振蕩信號(hào)的輸入。RST：AT89C51 的復(fù)位信號(hào)輸入引腳，高電位工作，當(dāng)要對(duì)芯片又時(shí)，只要將此引腳電位提升到高電位，并持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上的時(shí)間，AT89C51 便能完成系統(tǒng)復(fù)位的各項(xiàng)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(hào)。當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE 信號(hào)負(fù)跳變來(lái)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(wèn)外部存儲(chǔ)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(lái)驅(qū)動(dòng)其他外圍芯片的時(shí)鐘輸入。當(dāng)問(wèn)外部存儲(chǔ)器期間，將以1/12 振蕩頻率輸出。EA/VPP：該引腳為低電平時(shí)，則讀取外部的程序代碼 (存于外部EPROM 中)來(lái)執(zhí)行程序