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复杂的十字路口交通信号灯控制系统设计
摘 要
交通信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。为了实现交通道路的管理，力求交通管理先进性、科学化。用可编程控制器实现交通灯管制的控制系统，以及该系统软、硬件设计方法，实验证明该系统实现简单、经济，能够有效地疏导交通，提高交通路口的通行能力。
红黄绿交通灯控制器采用单片机及程序存储器的扩展控制，实现控制器的功能要求，例如红黄绿灯的交替闪烁，定时等等。单片机将CPU，存储器，定时器／计数器及各接口电路组成，具有良好的性价比。本控制器可分时段进行道路的管制，还可在紧急时刻进行手动控制，实施道路路况的控制。
交通信号灯控制方式很多。本系统采用MSC-51系列单片机ATSC51和可编程并行I/O接口芯片8255A为中心器件来设计交通灯控制器，实现了能根据实际车流量通过8051芯片的P1口设置红、绿灯燃亮时间的功能；红绿灯循环点亮，倒计时剩5秒时黄灯闪烁警示（交通灯信号通过PA口输出，显示时间直接通过8255的PC口输出至双位数码管）；车辆闯红灯报警；绿灯时间可检测车流量并可通过双位数码管显示。本系统实用性强、操作简单、扩展功能强。
关键词：模拟；交通灯；十字路口；交通信号；程序
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目 录
1绪论.......................................................................................................................................1
1.1 城市交通现状....................................................................................................................1 1.2 智能交通的国内外发展状况.....................................................................................1
1.3 交通信号灯控制的研究现状....................................................................................3
2 十字路口信号控制的基本理论和方法....................................................................3
2.1 交通信号灯 ...............................................................................................................3
2.2 信号灯的设置 ...........................................................................................................4 2.3 交通信号的控制方式.................................................................................................5
3 电路分析...............................................................................................................................................5
3.1 主控电路....................................................................................................................5
3.1.1原理....................................................................................................................5 3.1.2原器件的选择及参数........................................................................................5
3.2 程序清单.....................................................................................................................7 3.3 运行调试.......................................................................................................................9
总结........................................................................................................................................10 致谢........ ....... ....... ......................................... ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ .. ..............11 参考文献......................................... ..... ..... ..... ....................................................................................12
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1 绪论
1.1 城市交通现状
据一项对美国主要城市交通状况的调查显示：1982年至2000年，美国城市在上下班高峰期间的交通堵塞状况不断加剧，由交通堵塞造成的时间和汽油浪费而带来的经济损失每年高达680亿美元。以广州为例来讲，现在市区平均车速只有每小时12公里。用这个目标速度代入欧美标准计算，广州人为交通堵塞所付出的经济代价总值:每年耗费1.5亿小时，减少生产总值117亿元。相当于该市整个生产总值的7%!
在北美、澳大利亚等大城市，道路面积率高达35%--40%，而北京只有20%。缓解交通拥堵，加快道路建设是当务之急。据悉，到2010年，北京将投资500亿元用于城市道路建设，到2005年，北京仅高速公路通车里程就达到600公里。但一味发展城市道路，也会刺激私家车超常规发展，两者发展速度的失衡，最终还是逃不出“拥堵—修路—再拥堵”的怪圈。
中国各大城市的交通系统都存在着不同程度的问题，北京、上海、广州三大城市的公共交通出行比例都比国外大城市小，尤其是高峰时段的公共交通分担率更小。从我国目前各大城市的交通结构看，普遍存在常规公共交通系统发展不足，快速轨道交通系统发展滞后、自行车交通分担率过高、小汽车发展势头强劲的不协调现象。因此，要准确认识各种交通工具各自的使用条件和服务范围，充分发挥各种交通方式的优点，使其合理分工，才能发挥整个交通系统的效率。 1.2 智能交通的国内外发展状况
城市交通矛盾的日益突出，已开始影响城市的发展，解决这个问题最行之有效的良方或许就是大力发展智能化交通。智能化交通管理体系在国外已经有了40多年的发展历史，是目前发达国家普遍采用的交通管理方式，这种方式是在发达的交通网络基础上，应用卫星定位系统，对所辖区域的交通流量实施有效控制，使有限的交通网络功能得到充分合理的利用，极大发挥城市的载体功能。智能交通系统将大大提高交通效率而节省大量的燃料和时间;除此之外，智能交通系统能够减少交通事故，减少因事故造成部分经济损失。在与世界发达国家机动车人均拥有量差距还很大的情况下，我国一些特大城市的交通拥堵已排在世界前列。
在北京召开的“第二届国际智能交通系统技术研讨暨技术与产品展览会”上透露。我国将投资20亿元对北京、上海、天津、重庆、广州、深圳、济南、青岛、杭州、中山10个城市进行交通智能化改造，到2010年，这10个城市将全部实现交通的智能化。
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目前国内外对智能交通系统的理解不尽相同，但不论从何种角度出发，有一点是共同的:智能交通系统是用各种高新技术，特别是电子信息技术提高交通效率，增加交通安全性和改善环境的技术经济系统。日本、欧洲等众多国家和地区在智能交通系统方面都取得了相当大的进展，对当地交通运输效率的提高起了关键性的作用。从各国的发展来看，智能交通系统能使交通基础设施发挥出最大的效能，提高服务质量;同时使社会能够高效地使用交通设施和能源，从而获得巨大的社会及经济效益。它不但有可能解决交通的拥堵，而且对交通安全、交通事故的处理与救援、客货运输管理、道路收费系统等方面都会产生巨大的影响。
表1 美国 欧洲 日本同我国在智能交通系统发展方面的对比表
国ITS发展程家 度 ITS大国，美智能交通国 应用率达80%以上。 投资规模 重点发展领域 预期目标
1990—1997年用于智能交通的预算为12.935亿美元。 1998年用于智能交通的研究经费有161亿日元，用于基础设施的经费有1285亿日元。 1995—1998年间用于共同研究的经费有280亿欧元。 基本无 ITS发展在车辆安全系统、GPS适时定位系统、车辆管理系统。 一是安全，减少事故和财产损失；二是经济效益，每年节省200亿美元的目的；三是环保和减少能耗。 1994年后未来30年减少50%的交通事故人员伤亡率，较少汽车尾气排放对大气的污染。 日 本 通过近十年的研究已建成符合本国国情的智能交通系统。 交通信息服务系统、高速公路不停车收费系统等较为先进的领域。 欧洲各国 ITS应用程度介于美国与日本之间 从道路交通扩展到铁路和水路等64个课题的研究，分布于交通信息服务、电子自动收费管理等方面。 基本无 一是安全性提高；二是有效性提高（出行时间节省6%）；三是环境保护（污染物减少50%等。 基本无 中地方试点国 和专家呼吁阶段。 1.3 交通信号灯控制的研究现状
城市交通系统是一种非线性的、时变的、滞后的大系统，以往的交通控制研究多是基于启发式的考虑，而不是基于控制理论的方法。近多年来，随着众多研究控制理论出
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身的学者的加盟，使得城市交通自动控制领域的研究出现了新的思路、新的方法。本小节就近年来交通信号控制理论的研究进展作一简述。
(1)静态多段配时控制
静态多段配时控制是利用历史数据实现的一种开环控制，其基本设计思想源于线性规划。它没有考虑交通需求的随机波动，没有考虑城市道路交通流的实时进化过程，其控制能力和抗干扰能力非常有限。但就城市某一区域而言，每日的交通状况毕竟表现出相当程度的重复性，车流的运动变化仍有一定的规律可循。因此研究静态多段配时控制，将其作为其他控制策略的“参照系”，或为它们提供“初值系统”还是很有意义的。这种方法简便易行，尤其适用于稳态交通环境，颇受交通工程人员欢迎。
(2) 准动态多段配时控制
准动态多段配时控制与静态多段配时控制相类似，只不过多段的划分不是以时间为依据，而是以检测到的实时交通状态为依据。交通状态可以用交通量、占有率、车速等交通数据的特征值来表达。被划分成的若干个交通状况分别配以不同的优化配时。准动态多段配时控制是一闭环控制系统。由于反馈的引入，所以系统的动态性能比静态多时段控制有明显改善，但是又由于它的控制方式仍属于方案选择式，所以系统动态性能的改善又十分有限，故称之为准动态系统。 2 十字路口信号控制的基本理论和方法 2.1 交通信号灯
在道路上用来传递具有法定意义指挥交通流通行或停止的光、声、手势等，都是交通信号。交通信号是在空间上无法实现分离原则的地方，主要在平面交叉口上，用来在时间上给交通流分配通行权的一种交通指挥措施。交通信号灯用轮流显示不同灯色来指挥交通的通行或停止。
随着信号灯的发展，各国使用的信号灯存在不同的差别，各自给信号灯赋予不同的含义。我国目前使用的信号灯基本上与国际规定一致，具体含义如下:
(l)绿灯亮时，允许车辆、行人通行，但转弯的车辆不准妨碍直行的车辆和被放行的行人通行。
(2)黄灯亮时，不准车辆、行人通行，但已越过停止线的车辆和已进入人行通道的行人，可以继续通行。
(3)红灯亮时，不准车辆、行人通行。
(4)绿色箭头灯亮时，准许车辆按箭头所示方向通行。