基于单片机的交通信号灯控制系统的开发设计-毕业设计学位论文范文模板参考资料

1、 摘 要随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。17304545 随着城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况，因此，自 80 年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。而城市高速道路在构造上的特

2、点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。为此，笔者进行了深入的研究，本文就城乡交通灯模拟控制系统的电路原理、设计计算和实验调试等问题来进行具体分析讨论。 实现路口交通灯系统的控制方法很多，可以用标准逻辑器件、可编程序控制器 PLC、单片机等方案来实现。其中用标准逻辑器件来实现电路在很大程度上要受到逻辑器件如门电路等的影响，调试工作极为不易，而笔者对单片机运用来进行系统的设计开发也不

3、是很熟悉，最终笔者选择了用可编程的控制器 PLC 来实现系统功能的设计，完成本次课设的题目。关键字关键字：PLC 交通灯 程序 报告 设计ABSTRACTAlong with the development of the society economy, the city transportation problem causes peoples concern more and more.The coordination of the person car the road threes relation, have become one of the important problems

4、that the transportation management section demand resolve.The city transportation control system is the calculator that useds for the city transportation data monitor the transportation signal beacon control and transportation to appease comprehensive management system, it is in the modern city tran

5、sportation supervision conductor system to constitute part most importantly.Carry out the control method of the street corner transportation light system a lot of, can carry out with the standard logic spare part programmable preface controller PLC single slice machine etc. project.Carries out the i

6、nfluence that the electric circuit wants to be subjected to the logic spare part,such as door, electric circuit to a large extent etc. with the standard logic spare part among them, adjust to try a work extremely not easy, and writer to single slice the luck use is not very either to acquaint with t

7、o the design development of carry on the system, therefore, the end writer chooses to use programmable controller PLC to carry out the design of the system function, completion originally time the lesson establish of topic.Key words: PLC single-chip system; the practice ;integrated curriculum; teach

8、ing practice 目 录引 言.1第一章 绪论.21.1 交通灯控制系统的研究现状 .21.2 智能交通灯控制系统的设计意义 .2第二章 用 PLC 实现智能交通灯控制.32.1 控制系统的组成 .32.1.1 车流量的计量 .32.1.2 车流量的计量方式 .32.2 程序流程与程序流程 .42.1.1 程序流程 .42.1.2 流程注释 .52.1.3 车辆的存在与通过的检测 .5第三章 单片机控制系统的组成及工作原理.73.1 控制系统的设计步骤 .73.1.1 PLC 检测的设计.73.1.2 电源模块的设计 .83.1.3 速度信号采集模块的设计 .83.1.4 时钟模块的设

9、计 .9结 论.11参考文献.13 1引引 言言据不完全统计，目前我国城市里的十字路口交通系统大都采用定时来控制(不排除繁忙路段或高峰时段用交警来取代交通灯的情况)，这样必然产生如下弊端:当某条路段的车流量很大时却要等待红灯，而此时另一条是空道或车流量相对少得多的道却长时间亮的是绿灯，这种多等少的尴尬现象是未对实际情况进行实时监控所造成的，不仅让司机乘客怨声载道，而且对人力和物力资源也是一种浪费。智能控制交通系统是目前研究的方向，也已经取得不少成果，在少数几个先进国家已采用智能方式来控制交通信号，其中主要运用 GPS 全球定位系统等。出于便捷和效果的综合考虑，我们可用如下方案来控制交通路况:制

10、作传感器探测车辆数量来控制交通灯的时长。具体如下:在入路口的各个方向附近的地下按要求埋设感应线圈，当汽车经过时就会产生涡流损耗，环状绝缘电线的电感开始减少，即可检测出汽车的通过，并将这一信号转换为标准脉冲信号作为可编程控制器的控制输入，并用 PLC 计数，按一定控制规律自动调节红绿灯的时长。比较传统的定时交通灯控制与智能交通灯控制，可知后者的最大优点在于减缓滞流现象，也不会出现空道占时的情形，提高了公路交通通行率，较全球定位系统而言成本更低。2第一章 绪论1.1 交通灯控制系统的研究现状在今天，红绿灯安装在各个道口上，已经成为疏导交通车辆最常见的最有效的手段。但这一技术在 19 世纪就出现了。

11、1858 年，在英国主要街头安装了以燃煤气为光源的红，蓝两色的机械扳手式信号灯，用与指挥马车通行。这是世界上最早的交通信号灯。随着世界科技的高素发展，人们开始才用计算机控制到现代化的电子定时控制，交通信号灯在科学化，自动化上不断地更新，发展和完善。但是，随着社会的不断发展，传统的交通灯的缺陷也日益出现，其中设计过于死板，达不到道路的最大通行效率是最明显的问题，红绿灯交替变换时间过于程式化。所以说，现在的交通灯已不能适应迅速发展的交通现状。1.2 智能交通灯控制系统的设计意义国内的交通灯一般设在十字路口，在醒目位置用红，绿，黄三种颜色的指示灯。加上一个到计时的显示器来控制行车。对于一般情况下的安

12、全行车，车辆分流尚能发挥作用，但根据实际行车的过程中出现的情况，还存在一下缺点：1.两车道的车辆轮流放行时间且固定，在十字路口，经常一个车道为主干到，车辆较多，放行时间应该长些；另一车道为副干道，车辆较少，放行时间应短些。2.没有紧急车通过时，两车道应采用的措施，比如，消防车执行紧急任务通过时，两车道的车都应停止，让紧急车通过。基于传统信号灯控制系统的设计过于死板，红绿灯交替时间过于程式化的缺点，智能交通灯控制系统的设计就更显示出它的研究意义，它能根据道路交通拥挤，交叉路口经常出现的情况。利用单片机控制技术，提出了软件和硬件设计方案能够实现道路的最大通行效率。3第二章 用 PLC 实现智能交通

13、灯控制2.1 控制系统的组成2.1.1 车流量的计量车辆的流量记数、交通灯的时长控制可由可编程控制器(PLC)来实现。当然，也可选用其他种类的计算机作为控制器。本例选用 PLC 作为控制器件是因为可编程控制器核心是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有高可靠性丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力;它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程;它采用模块化结构，编程简单，安装简单，维修方便3。利用 PLC，可使上述描叙的各传感器以及各道口的信号灯与之

14、直接相连，非常方便可靠。本设计例中,PLC 选用 FX2N-64，其输入端接收来自各个路口的车辆探测器测得的输出标准电脉冲，输出接十字路口的红绿信号交通灯。信号灯的选择:在本例中选用红、黄、绿发光二极管作为信号灯(箭头方向型)。2.1.2 车流量的计量方式车流量的计量有多种方式: (1) 每股行车道的车流量通过 PLC 分别统计。当车辆进入路口经过第一个传感器使统计数加 1，经过第二个传感器 2 出路口时，使统计数减 1，其差值为该股车道上车辆的滞留量(动态值)，可以与其他道的值进行比较，据此作为调整红绿灯时长的依据。(2) 先统计每股车道上车辆的滞留量，然后按大方向原则累加统计。如，将东西向

15、的左行、直行、右行道上的车辆的滞留量相加，再与其它的 3 个方向的车流量进行比较，据此作为调整红绿灯时长的依据。(3) 统计每股车道上车辆的滞留量后按通行最大化原则(不影响行车安全的多道相向行驶)累加统计。如，东、西相向的 2 个左行、直行、右行道上的车辆的滞留量全部相加，再与南北向的总车流量进行比较，据此作为调整红绿灯时长的依据(下面的例子就是按此4种方式)。以上计算判别全部由 PLC 完成。可以把以上不同计量判别方式编成不同的子程序，方便调用。 东西方向 LW 显示器显示器 南北方向 NS系统控制电路车量检测紧急控制开关图 1 交通灯控制器系统框图2.2 程序流程与程序流程2.1.1 程序

16、流程本例就上述所描述的车流量统计方式,就中的十字路口给出一例 PLC 自动调整红绿灯时长的程序流程图,其行车顺序与现实生活中执行的一样4，只是时间长短不一样。 (1) 当各路口的车辆滞留量达一定值溢满时(相当于比较严重的堵车)，红绿灯切换采用现有的常规定时控制方式;(2) 当东、西向路口的车辆滞留量比南、北向路口的大时(反之亦然)，该方向的通行时间=最小通行定时时间自适应滞环比较增加的延时时间(是变化的)，但不大于允许的最大通行时间。其中最小定时时间是为了避免红绿灯切换过快之弊;最大通行时间是为了保障公平性，不能让其它的车或行人过分久等。进一步的说明在后面的注释中。(3) 自适应滞环比较(本例

17、的核心控制规律)增加的时间的确定若东、西向车辆滞留量南、北向一个偏差量 (如 30 辆车或其它值)时，先让东、西向的左转弯车左行515s(定时控制，值可改)，再让直行车直行 30s(直行时间的最小值，值可改)后再加一段延时保持，直至东、西向的车辆滞留量比南、北向的车辆滞留量还要少一个偏差量 ，才结束该方向的通行，切换到其它路上，否则一直延时继续通行下去，直至到达最大通行时间而强制切换。实际应用时 的值需整定，过小则导致红绿灯切换过频，过大又不能实现适时控制。2.1.2 流程注释 (1) 车辆左转弯是造成交通堵塞很重要的一个方面，应加以适当限制，故车辆左转弯始终采用最小定时控制，以减小系统的复杂

18、程度，提高可靠性。(2) 车辆通行的时间中包含绿、黄灯闪烁的时间，红、黄、绿各灯的切换与现用的方式相同，不再赘述。(3) 人行道的红绿灯接线与现用的方式相同，其绿灯点亮的时刻与该方向车辆直行绿灯点亮的时刻同步一致，但要较车辆直行绿灯提前熄灭，采用定时控制，如绿灯定时亮 18s。其目的是不让右转弯车辆过分受人行道灯的限制。若人车分流，右转弯车辆不受限制。较简单，流程图略。(4) 车流量的计量是不间断的，与控制呈并行关系，该系统属多任务处理，编程尤其应注意。2.1.3 车辆的存在与通过的检测(1) 感应线圈(电感式传感器) 电感式传感器其主要部件是埋设在公路下十几厘米深处的环状绝缘电线(特别适合新

19、铺道路，可用混凝土直接预埋，老路则需开挖再埋)。当有高频电流通过电感时，公路面上就会形成虚线所形成的高频磁场。当汽车进入这一高频磁场区时，汽车就会产生涡流损耗，环状绝缘电线的电感开始减少。当汽车正好在该感应线圈的正上方时，该感应线圈的电感减到最小值。当汽车离开这高频磁场区时，该感应线圈电感逐渐复原到初始状态。由于电感变化该感应线圈中流动的高频电流的振幅(本论文所涉及的检测工作方式)和相位发生变化，因此，在环的始端连接上检测相位或振幅变化的检测器，就可得到汽车通过的电信号。若将环状绝缘电线作为振荡电路的一部分，则只要检测振荡频率的变化即可知道汽车的存在和通过。6电感式传感器的高频电流频率为 60

20、kHz，尺寸为 23m，电感约为 100H.这种传感器可检测的电感变化率在 0.3以上。电感式传感器安装在公路下面，从交通安全和美观考虑, 它是理想的传感器。传感器最好选用防潮性能好的原材料。开始8051 初使化四个路口红等亮东西红灯亮，南北绿灯亮，延时东西红灯亮，南北黄灯亮，延时东西红绿亮，南北红灯亮，延时东西红黄亮，南北红灯亮，延时图 2 交通信号灯模拟控制系统设计程序流程图(2) 电路 检测汽车存在的具体实现是在感应线圈的始端连接上检测电感电流变化的检测器, 并将之转化为标准脉冲电压输出。其具体电路图由三部分组成:信号源部分、检测部分、比较鉴别部分。7第三章第三章 单片机控制系统的组成及

21、工作原理单片机控制系统的组成及工作原理3.3.1 1 控制系统的设计步骤控制系统的设计步骤3.1.1 PLC 检测的设计在工业生产和日常生活中，对 PLC 控制系统的要求，主要是保证温度在一定温度范围内变化，稳定性好，不振荡，对系统的快速性要求不高。以下简单分析了单片机温度控制系统设计过程及实现方法。现场温度经温度传感器采样后变换为模拟电压信号，经低通滤波滤掉干扰信号后送放大器，信号放大后送模/数转换器转换为数字信号送单片机，单片机根据输入的温度控制范围通过继电器控制加热设备完成温度的控制。本系统的测温范围为 099，启动单片机温度控制系统后首先按下第一个按键开始最低温度的设置，这时数码管显示

22、温度数值，每隔一秒温度数值增加一度，当满足用户温度设置最低值时再按一下第一个按键完成最低温度的设置，依次类推通过第二个按键完成最高温度的设置。然后温度检测系统根据用户设定的温度范围完成一定范围的温度控制。系统测温采用 AD590 温度传感器，AD590 是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：1、流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数；即： ，式中：Ir流过器件（AD590）的电流，单位为 mA；T热力学温度，单位为 K。2、AD590 的测温范围为-55+150；3、AD590 的电源电压范围为 4V30V；4、输出电阻为 710MW；5、

23、精度高。AD590 温度传感器输出信号经放大电路放大 10 倍，再送入模/数转换器 ADC0804，转换后送单片机。根据 AD590 温度传感器特性以及放大 10 倍后的电压值与现场温度的比较发现，实际温度转换后送入单片机的值与按键输入数值之间有一定的差值，模/数转换器送入单片机的数值是按键输入值得 2.5 倍。由于单片机不能进行小数乘法运算，所以先对按键输入进行乘 5，然后根据运算结果及程序状态字的状态再进行循环右移一位，如果溢出标志位为低电平时直接对累加器进行一次带进位循环右移，如果溢出标志位为高电平时，先对进位标准位 CY 位置为高电平，然后再进行一次带进位循环右移，通过上述操8作使按键

24、输入的温度值与模/数转换器送入单片机的温度值相统一。 状态 4 状态 3 状态 1 状态 2图 3 交通信号等运行状态3.1.2 电源模块的设计记录仪作为车载设备，使用汽车电源。汽车上的电源有两个：汽车发电机和蓄电池。记录仪的电源直接取自蓄电池，在发电机转速和用电负载发生较大变化时，可保持汽车电网电压的相对稳定，同时，还可吸收电路中随时出现的瞬时过电压，以保护电子元件不受损害。车辆使用的车载蓄电池标称值有两种 12V 的和 24V 的，因此为了得到需要的 5V 的电压，我选用了 DC-DC 电源转换芯片。3.1.3 速度信号采集模块的设计速度信号检测模块的原理是：汽车行驶过程中，车轮经过传感器

25、，单位时间内输出一定的脉冲，传感器输出的脉冲通过差动放大电路的放大与整形，然后送到单片机 8051 的 T0 端口进行脉冲计数，与此同时 8051 的 T1 进行计时开始待到定时器产生中断请求后，由计数器得到的脉冲数经过速度计算的公式和里程的计算后得到汽车行驶的速度和里程。从而得到汽车的行驶速度和里程，存储与 8051 的 RAM 数据存储区。本系统采用霍尔传感器将速度信号转换为脉冲信号，考虑到传感器的体积要小，便9于安装，误差要尽量减小等要求，设计采用车轮旋转一周速度传感器要输出若干个脉冲的方法。本系统采用的是在变速器上安装 3 个小磁钢，霍尔传感器可相应的输出 3 个脉冲用于速度信号的采集

26、。速度信号采集模块采用 THS118 型霍尔元件作为速度信号采集部分的速度传感器。3.1.4 时钟模块的设计时钟模块主要是用于对时、分、秒、年、月、日和星期的计时。该模块采用的芯片为 DS12C887 时钟芯片。此芯片集成度高，其外围的电路设计非常的简单，且其性能非常好，计时的准确性高。DS12C887 为双列直插式封装。其具体与单片机的连接如下所述：AD0AD7 双向地址/数据复用线与单片机的 P0 口相联，用于向单片机交换数据；AS 地址选通输入脚与单片机的 ALE 相联用于对地址锁存，实现地址数据的复用；CS 片选线与单片机的 P2.6 相联，用于选通时钟芯片；DS 数据选通读输入引脚与

27、单片机的读选通引脚相联，用于实现对芯片数据的读控制；R/W 读/写输入与单片机的写选通引脚相联，用于实现对时钟芯片的写控制；MOT 直接接地，选用 INTEL 时序。IRQ 引脚与 8051 的 INT1 相连，用于为时间的采集提供时间基准。本系统采用两片单片机，两个单片机之间采用串行通讯，用于两者之间的数据交换。其工作时序是由外部晶振电路提供的，本系统采用的晶振频率是 12 兆 HZ。其复位电路为自动上电复位。设计中所采用的单片机为 8051。单片机在系统中主要是用来对其他模块进行控制，是整个系统的核心部件。主单片机主要是用于对速度信号采集模块、时钟模块和存储模块进行控制，同时还要与从单片机

28、进行数据的交换。其外围的 I/O 口主要与这些模块的中心芯片的数据总线或地址总线相连，其控制总线与这些模块的控制线相连。从单片机主要是用于对显示和校时的控制，因此其 I/O 口主要与 LCD 显示器的 I/O 口相连，其控制线与 LCD 显示器的控制线相连。由于从单片机的外部中断源只有两个，而我所设计的对时钟的校时主要是通过外部中断完成的，所以要对从单片机的外部中断源进行扩展。本系统采用了 8259A 进行中断源的扩展，从而实现对时钟的校时。汽车行驶记录仪对系统存储数据的实时性及长久性要求很高，因此本系统我采用了ATMEL 生产的 AT29C010A Flash 性存储器。其存储空间为 16K，能够满足设计的要求。10AT29C010A 是一种 5V 在线闪速可电擦除的存储器，具有掉电保护功能；方便的在线编程能力不需要高的输入电压，指令系统在 5V 电压下即可控制对 AT29C010A 的读取数据，这与对 EEPROM 的操作相似。再编程能力是以每一分区为单位的，128 字节的数据装入 AT29C010A 的同时完