1、毕业设计 开题报告 电子信息工程 基于 MCU 的交通信号控制系统设计 1、 选题的背景、意义 十字路口车辆穿梭，行人熙攘，车行车道，人行人道，有条不紊。那么靠什么来实现这井然秩序呢？靠的就是交通信号灯的自动指挥系统。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 1。 1968 年，联合国道路交通和道路标志信号协定对各种信号灯的含义作了规定。绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以直行，左转弯和右转弯，除非另一种标志禁止某一种转向。左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和人行横道上的行人优先通行。红灯是禁行信号，面对红灯的车辆必须在交叉路口的停
2、车线后停车。黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线，但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口 2。 随着我国现代化建设的逐步强化，城市化建设不断加快，交通事业快速发展，交通拥挤已成为城市经济发展的 “瓶颈 “，特别是大、中城市车辆的不断增加和道路空间有限的问题日益加剧。交通智能化管理系统是缓解城市交通问题的重要措施，交通智能化管理系统一般由多个子系统组成，其中智能信号灯控制是城市交通智能化管理系统重要组成部分 5。但目前的交通信号灯控制系统基本上是单一的固定时序控制，不能够根据实际交通状况进行智能调节控制。采用计算机技术和自动控制技术，使车辆行驶和道路导航实现智能化，从而缓
3、解道路交通拥堵，减少交通事故，改善道路交通环境，节约交通能源等，最终实现安全、舒适、快速、经济的交通环境是目前急需解决的城市交通智能化管理系统的关键技术之一3。 另一方面，如果把部分交通十字路口的多余交通警力撤回，安排在最不利于管理和事故高发的地方，不但可以大大的降低交通事故的发生率，而且可以节省大量的人力和财力 4。基于单片机控制的 可编程交通控制系统可以实现对车辆、行人的控制，使得交通便于管理。 MCU 的交通控制系统具有自动化程度高、可靠性好、功能完备、可扩展、可编程、便于升级、独立性强的优点 5。改进了以前的交通指示灯的那种信号单一，处理应急事故能力差的缺点，加入了文字提示功能和语音提
4、示功能，在恶劣的天气环境下司机和行人会得到语音的提示 6。 2、 相关研究的最新成果及动态 (1)最优自适应交通控制系统 ( SCATS ) 澳大利亚是世界上较早从事智能交通控制技术研究的国家之一 , 著名的SCATS 系统在澳大利亚几乎所有的城市都有应 用 , 目前我国的上海、深圳等城市也采用这一系统。 SCATS 系统的优点是其自动适应交通条件变化的能力 , 通过大量设置在道路上的传感器以及视频摄像机随时获取道路车流信息。在 SCATS 系统中 ANTTS 是其重要子系统 , 该系统通过几千辆出租车装有的 ANTTS 电子标签可与设在约 200 个交叉路口处的询问器通话 , 通过对出租车的
5、识别 , SCATS 系统能够计算旅行时间并对交通网的运行情况进行判断。澳大利亚的先进系统合作研究中心目前正在开发一种名叫 TR IRAM 的系统 , 其主要目的是通过模拟道路网来预测交通行为 以及新的交通流量。 7 (2)远程信号控制系统 ( Vic Roads ) 交通控制与通信中心 (TCCC )不仅使用 SCATS 系统进行交通信号灯控制 , 而且还采用其他系统进行事故检测和信息的收集发布工作。其中较重要的是交通拨号系统 , 通过普通的电话线 , TCCC 便能利用该系统连接到 50 个偏远的受控交 通灯 , 可以监测这些信号灯的状态并改变其参数 , 为偏远路口的信号控制提供了便利 8
6、。 (3)微机交通控制系统 (BLISS ) 该系统最主要的优点是能运行于普通微机上 , 并可控制 63 个交通灯 , 目前在布 里斯班已有超过 500 个信号灯采用 BLISS 系统进行控制 9。 (4)公共信息服务 实量旅行信息系统通过车载的定位器 , 结合计算机软件便能估计每辆车的到达时间 , 并通过显示屏显示给正在等候的乘客。另外 , 该系统还可用于驾驶员通报突发事件。驾驶时间预测系统通过使用交通拥挤与事故检测系统估计车辆到 达下一个出口的时间 , 从而判断出交通拥挤程度 8。目前 , 澳大利亚的公共运输部门正准备向公众提供更多的信息服务 ,包括所有公共汽车的路线、时刻表及其他信息。此
7、外 , 澳大利亚的交通人员还研制了主动信号系统 , 该系统 能够根据不同的条件而改变速度限制 , 并能检测到正面行驶不断的车辆的速度 , 当发现车速太快时 , 能够发送信号提醒驾驶员 10。 (5)日本智能交通系统框架 日本目前有 1.2 亿人口，每天大约有 7000 万各种车辆行驶在全国各地。据日本建设省统计，日本每年约有 100 万人死伤于交通事故，因交通拥堵而损失53 亿小时并因之带来 12 万亿日元的经济损失。日本早在 1994 年 1 月就成立了由当时的警察厅、通商产业省、运输省、邮政省、建设省支持的日本“道路 -交通 - 车辆智能化推进协会（ VERTIS）”，目的是促进日本在智能
8、交通系统 （ ITS）领域中的技术、产品研究开发以及技术应用推广工作。 VERTIS 确定今后 30 年的工作目标是：将现有道路交通死亡事故减少 50%，消除交通拥挤，减少汽车燃料消耗及尾气排放，其中 CO2 减少 25%11。 2007 年 1 月，日本政府推出了智能交通系统（ ITS）新的实施方案，希望利用信息技术建立环境和谐型社会来从而达到节能的目的。日本的战略目标是要缓解经济发展和环境保护之间的矛盾，利用信息技术等进行先进的交通管理，缓解道路的拥堵状况等。目前，日本已经建立了 1700 万个 ETC(不停车电子收费系统 )的收 费点， ETC 的普及率已经达到了 70%。通过使用 ET
9、C 这个系统，在收费站出现的拥堵状况已经得到全面的解决，二氧化碳的排放量降低了 40%。先进、安全的机动车也是日本 ITS 计划的一个重要组成部分，在汽车行驶速度进入危险区间的时候，它可以自动的采取安全预防的措施，通过合作驾驶安全项目，可以在驾驶人员无法预见事故可能发生的潜在危险时，向他们发出实时的警告。这个项目的实施，使日本的道路交通事故发生的概率降低了 80%，如下图 12。 3、 课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标 本 课题研究内容是基于 51 单片机对交通信号灯控制系统的设计，完成以下任务： (1) 设计一个简单的红、黄、绿三色信号灯控制电路，实现对
10、三色信号灯的控制。 (2) 设计一个自适应倒计时器，能实时地对红、黄、绿三种色灯的点亮时间进行倒计时并显示。 (3) 所需系统的硬件设计主要基于 MCS-51 系列单片机，系统的软件设计基于嵌入式实时操作系统 RTX51，并用 C51 高级语言和 MCS-51 汇编语言混合编程来设计软件系统。 达到如下要求： (1) 南北方向和东西方向两个交叉路口的车辆交替运行，两个方向能根据车流量大小自动调 节通行时间，车流量大，通行时间长，车流量小，通行时间短。 (2) 每次绿灯变红灯时 ,要求黄灯先亮 5S,才能变换运行车辆。 (3) 东西方向、南北方向车道除了有红、黄、绿灯指示外，每一种灯亮的时间都用
11、数码管显示器进行显示（采用倒计时的方法）。 (4) 同步设置人行横道红、绿灯指示。 (5) 考虑到特殊车辆情况，设置紧急转换开头。 拟采取的方法： (1)十字路口车辆通行顺序如图五所示 (2)信号灯 信号灯用来显示车辆通行状况，下面以一个十字路口为例，说明一个交通灯的四种状态如下图。每个路口的信号的的转换顺序 为：绿 黄 红 绿灯表示允许通行，黄灯表示禁止通行，但已经驶过安全线的车辆可以继续通行，是绿灯过渡到红灯提示灯。红灯表示禁止通行。绿灯的最短时间为 20 秒，最长时间为 40 秒，红灯最短时间为 25 秒，最长时间为 45 秒，黄灯时间为 5 秒。 (3)时间显示 在交通信号灯的正上方安
12、装一个可以显示绿灯通行时间，红灯等待时间的显示电路，我认为采用数码管显示电路是一种很好的方法。 (4)软件设计流程图 4、 研究工作详细进度和安排 2010.11.23 2011.1.10：查阅相关资料，深入了解所选课题，完成 外文翻译，文献综述。 2011.1.10 2011.2.27：完成开题报告定稿。 2011.3.1 2009.3.20：确定系统研究方法与技术路线。 2011.3.21 2011.4.17：完成系统软硬件设计。 2011.4.18 2011.5.1: 完成系统调试。 2011.5.2 2011.5.15：完成论文初稿。 2011.5.16 2011.5.22：完善系统设
13、计，修改论文，论文定稿。 5、 参考文献 1 张毅刚 .单片机原理及应用 M.北京：高等教育出版社 ,2003. 2 林志琦 .单片机原理 接口及应用（ c 语言版） M.北京：中国水利水电出版社 ,2007. 3 城市智能公共交通管理系统研究 R.北京：中国城市规划设计研究院， 2006. 4 李伯成 .基于 MCS-51 单片机的嵌入式系统的设计 M.北京：电子工业出版社， 2004. 5 席先觉等 .单片微型计算机及其应用 M.高教出版社， 1987. 6 候朝桢等编 .微机与单片机应用基础 M.北京理工大学出版社 , 1992.8. 7 吴洪潭，肖艳萍，赵伟国 .单片机原理及应用系统设
14、计 M.北京：国防工业出版社， 2005 8 潘晓宁 ,朱耀东 .单片机程序设计教程 M.清华大学出版， 2009. 9 赵恩棠 ,刘晞柏合编 .道路交通安全 M .北京 : 人民交通出版社 , 1990: 97. 10许树柏 . 层次分析法原理 M . 天津 : 天津大学出版社 ,1998 : 143- 153. 11李江 , 编著 .交通工程学 M . 北京 : 人民交通出版社 ,2007 : 23. 12上海市高架道路交通监控方案的研究总报告 R.上海：同济大学交通学院，2000. 13杨兆升 .城市智能公共交通系统理论与方法 M.北京 :中国 铁道出版， 2004. 14 陈伟人 MCS-51 系列单片机实用子程序集锦 (2),清华大学出版社 , 1993.3. 15胡汉才 .单片机原理及接口技术 M. 清华大学出版社 ,1996.
