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摘要
近年来随着经济的飞速发展，我国机动车数量急聚增加，道路拥挤、阻塞现象及交通事故常有发生，如何解决城市交通问题成为全社会关注的焦点。交通灯是城市交通中的重要指挥系统，它与人们日常生活密切相关。随着人们生活水平的提高，对交通管制也提出了更高的要求，因此提供一个可靠、安全、便捷的交通灯控制系统有着现实的必要性。
本文研究基于单片机的实时控制交通信号机的设计及实现问题。本文所设计的交通灯控制器具有模糊控制、分段定周期控制、手动控制三种信号控制方式选择，以及违规行为检测一记录、故障紧急处理、可由用户自行进行参数设置等功能。主要研究内容如下：
1、分析了国内外道路交通管理现状，根据目前交通信号控制系统的现状确定了基于单片机的交通灯控制器的总体设计方案。分别分析了本实时控制交通信号机的分段定时控制配时方式，模糊控制配时方式及手动控制方式。
2、根据系统交通控制方案对交通信号机的硬件进行选型，设计了交通信号机的控制面板、系统电源、主控模块、灯控模块、倒计时显示模块以及车辆视频检测单元等。
3、根据硬件系统设计和系统控制要求，完成了交通灯控制器软件系统的开发设计。设计了系统的主程序以及手动控制、模糊优化控制、控制面板及显示、串行通讯、系统倒计时显示以及故障诊断及保护等程序模块。对设计完成的交通灯控制系统性能进行测试，介绍了系统硬件单元电路测试和软件调试过程。
关键字：单片机，交通灯，智能交通，车流量检测
abstract
In recent years, with the rapid development of economy, the number of motor vehicles in China has increased rapidly, and the phenomenon of road congestion and traffic accidents often occur. How to solve the urban traffic problem has become the focus of the whole society. Traffic light is an important command system in urban traffic, which is closely related to people's daily life. With the improvement of people's living standards, traffic control is also put forward higher requirements, so it is necessary to provide a reliable, safe and convenient traffic light control system.
This paper studies the design and implementation of real-time traffic signal based on single chip microcomputer. The traffic light controller designed in this paper has three signal control modes: fuzzy control, periodic control and manual control, as well as the functions of violation detection record, fault emergency treatment, parameter setting by users themselves. The main research contents are as follows:
1. This paper analyzes the current situation of road traffic management at home and abroad, and according to the current situation of traffic signal control system, determines the overall design scheme of traffic light controller based on MCU. This paper analyzes the time allocation mode of the real-time traffic signal control, including the time allocation mode of subsection timing control, the time allocation mode of fuzzy control and the time allocation mode of manual control.
2. According to the system traffic control scheme, the hardware of the traffic signal is selected. The control panel, system power supply, main control module, light control module, countdown display module and vehicle video detection unit of the traffic signal are designed.
3. According to the requirements of hardware system design and system control, the development and design of traffic light controller software system are completed. The main program of the system and the program modules of manual control, fuzzy optimization control, control panel and display, serial communication, system countdown display, fault diagnosis and protection are designed. The performance of the designed traffic light control system is tested, and the process of hardware unit circuit test and software debugging is introduced.
Key words: SCM, traffic lights, intelligent transportation, traffic flow detection
目录
1引言
随着我国经济的高速发展，私人汽车的拥有量急剧增加，使得我国机动车保有量持续快遠增长。据统计，我因民用汽车拥有量从1949年底的5. 09万辆增长到2008年底的5099. 61万辆。其中私人汽车拥有量已经达到3501. 39万辆。
在2009年，中国汽车市场全年的产销超过1300 万辆，增长在40%以上。因此，随着机动车保有量的增加，我国的大多数城市都已面临严重的交通拥堵问题。
目前我国各地区政府部门对解决交通拥堵问题大多采用：
1.控制机动车日上路行驶数辆及提高用车成本，限制机动车保有量。
如北京市交管部门从2009年4月开始实施按尾号"每周限行-天"的办法。
然而，随着汽车保有量的迅速扩大。尾号限行的效果越来越不明显。根据相关部门的统计，目前北京路网早、晚高峰的平均车速仍只有每小时24. 2公里和20.1公里。如果不采取措施，到2015年北京高峰期间路网的平均车速将降至每小时15公里。
2、拓宽公路，增加车道。
现在我国的大中小城市都在进行城市建设，但大多数城市因原城市格局的限止。可供修建路面交通的空间是极其有限的。
3.修建地铁及发展公共交通。
修建地铁衢花费巨额资金且修建时间长、疆射面窄，因此修建地铁对于中小城市来说不适合。大力发朋公共交通是解决交通拥堵问题的途径之一，但公共交通总是有一定的局限性。
4、大力发展智能交通系统ITS（Intelligent Transportation Systems）现在北京、上海等大城市已经采用智能交通系統（ITS）进行城市交通管制，已收到了一定的成效。但建立及维护整套的智能交通系统需大量资金支持，技术实现复杂。因此目前在我国的中小城市还不能做到建立一套完整的智能交通系统。
上述的几种方法从一-定程度上都可缓解交通压力。但综合考虑我国中小城市的情况，因此开发小型的实时交通灯控制系统。即提高了当前中小城市交通网络的运行效率，可从根本上解决A益r重的交通问题，又为以后的智能交通系統的建立打下基础。
1.1交通信号灯的发展历程
1868年，安装于英国伦敦戚斯脱皱特地区的指示灯是最早的交通信号灯，它只有红绿两种颜色。当时信号灯的出现就是为了缓和交叉路口的交通拥挤和减少交通事故。随后人们发觉适当地调整信号灯各相位的长知及比例，才能提高交叉路口的交通效率，山此开始进入了优化信号配时（信号灯最优控制）的时代。1918年在美国的盐湖建立的绿波系统，就是世界上第一一个具有此功能的交通信号灯控制系统，这种定周期的交通信号灯是交通信号灯控制系统的第- -代。
1959年，随着计算机技术的发展。加拿大多伦多市开始了对计算机控制交通信号灯的研究。1964年多伦多成了世界上第-一个用计算机控制交通信号系统的城市，信号灯计算机集中控制是交通僧号灯控制的第二代".
目前世界上最先进的第三代交叉口控制系统自适应交通控制系统，就是把一个区域的交通网络作为一个不确定性系统，实时连续测量其状态数据。如车流量、停车次数、延误时间、队列长度等，逐渐了解和掌握对象，通过计算机对各信号计时进行优化，把它们与希望的动态特性进行比较，并根据差值改变系统的可谓参数或产生-个配时方案，从而保证不论环境如何变化，均可使控制效果达到最优或次优"义纵观信号灯的发展历史交通控制系统的功能由最初的简单化到如今的复杂化，并且随着科学技术的发展，为了解决A益严峻的城市交通问题它还会不断的发展前进。
1.2国内外研究及发展现状
随着人工智能在控制技术方面的广泛运用，智能设备高速发展，并发展到了各行各业，使我们进入了一个自动化时代。
智能控制的提出是为了解决现代工业系统的复杂性，不确切性以及高性能委求等问题，因雨，具有常规控制方法所没有的一-些新的特点。 在信总处理结构方面，智能控制系统具有复合型的信息处理结构，能处理数值的、符号的、定量的、定性的、确定性的和模糊的信息，并具有多层次的信息处理结构"".
20世纪70年代随着微控技术的发展，一些发达国家开始研究-种无需人为干预就能独立地驱动的交通控制系统，实现交通流的智能控制。减缓交通堵塞问题，现如今的交通控制系统的控制规模已从单个交叉路口的点控、单条干道的线控发展到对整个城市交通网络的面控。即智能交通控制系统（1TS）".智能交通控制是当前世界上最先进的交通管理手段。
对智能交通系统（ITS）技术的研究，很多国家都非常重视，并进行了大量的研究。目前世界上主要有美国、日本、欧洲三大研究中心。日本是世界上第-个开始对ITS技术进行研究井进入实用化的国家，在二十世纪70年代就开始了对汽车交通综合控制系统的研究。80年代以后，日本又进行了路车间通信系统和先进的汽车交通信息通信系统的研究。现在日本已经建立了较为完备的交通控制、信息服务等综合体系，智能交通的功能应用已很高。美国对ITS的研究时间風不长，但投入的人力物力较大，美国的ITS技术研究主要是基于射频通信，如今在智能交通控制系統研究领域已进入顶端水平。
当前世界上具有代表性的智能交通系统的产品及公司有"*小4:
美国ITERIS公司，它是一家专业开发信息技术、软件及传感器设备的公司。
ITERIS公司将信息技术。系統集成及传感器应用融于远程信息处理及交通运输管理的解决方案之中。TERIS公司早在1990年便涉足于ITS行业，开发出-一系列用于解决当前智能交通问题的、开放性的解决方案，其中Vantage系列产 品便是其中之-.Vantage视频交通数据采集系统。是专门为解决交通数据采集工作设计的。
Vantage采用了先进的数字视频技术，它除了能够融入于道路交通数据采集系统，还能够无缝的整合到感应式+字路口信号灯控制系统、电子曾察抓拍系统等方面。目前，Vantage视频车辆检测器全球已有30 000个运用案例。
比利时TRAFICON路畅通公司，它在1982年就开始着手有关研究，到现在为止已经有超过1000个TRAFICON系统在世界各地被安装使用。主要在欧洲、美国、东南亚以及中国的大城市如：北京、上海和深圳等。TRAFI0ON路畅通公司主要 是通过与当地的系统集成商合作，出系统集成商去集成系统。TRAFICON公司的主要产品是TRAFICON VIP视频监控系统。
澳大利亚新洲道路管理局（RTA）的交通管理中心（TMC）开发的SCATS （最优自动适应交通控制系统），著名的SCATS系统在澳大利亚几乎所有城市都有使用。
目前在上海，深圳也有使用。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在路上的地埋位置线圈磯感应传感器随时获取道路车流信息，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。
我国的ITS研究和实施开始较晚。进入上世纪90年代。随着我国交通问题的不断拥现，因此我国加快了对智能交通系统的研究。一方面，北京、上海、广州等大城市引进了国外的智能交通控制系统产品：另-方面，在交通部的组织下，我国交通运输界的科学家和工程技术人员开始跟踪ITS技术，进行自主开发研究。
现在，我国已经把智能交通系统的研究放在"国家自然科学基命"的重要位置。
在"十五"期间，由科学技术部牵头，国家智能交通系统工程技术研究中心承担、全国20余所高校和研究所参与的国家重大攻关项目"ITS体系框架"和"ITS标准体系及关键标准制定"已经通过国家鉴定。这将为我国顺利实施1ITS打下良好的基础".由于国家政府部门对ITS研究的重视，还有系统产业化所带来的巨大利润。在社 会效益和经济效益的双重作用下，国内一些IT公司和交通工程公司也开始参与研究，并开发生产出了产品。
1.3本文研究内容
本文主要利用模糊控制技术和单片机技术与传统城市交遇控制系统相结合的方式来实现交通灯的智能控制。本文主要研究内容安排如下：
第1章，分析国内外道路交通管理现状，根据目前交通信号控制系统的现状确定基于单片机的交通灯控制器的总体设计方案。
第2章。通过对交通信号控制的基本参数及基本方式的理论分析，确定本实时控制交通信号机的三种控制方式，即分段定时控制配时方式，模糊控制配时方式及手动控制方式。
第3章，根据系统交通控制方案对交通信号机的硬件进行选型，设计交通信号机的控制面板、系统电源、主控模块、灯控模块、倒计时显示模块以及车辆视频检测单元等。
第4章，根据硬件系统设计和系统控制要求，完成交通灯控制器软件系统的开发设计。设计系统的主程序以及手动控制、模糊优化控制、控制面板及显示、串行通讯、系统倒计时显示以及故障诊断及保护等程序模块。
第5章，对设计完成的交通灯控制系统性能进行测试，介绍系统硬件单元电路测试和软件调试过程。
1.4本章小结
本章首先通过对我国城市交通形势的介绍，指出当前我国城市道路交通问题的紧迫性。通过分析国内外道路交通管理现状，强调了运用高科技手段解决道路交通问题的必要性和重要性。另外本章介绍了国内外交通信号控制系统的发展及研究现状，以及本课题的研究内容。
2城市交通信号控制系统方案设计
2.1交通信号控制的基本参数
2.2交通信号控制的基本方式
2.3智能交通控制方案设计
2.3.1.总体方案设计
2.3.2分段定时控制配时方式
2.3. 3模糊控制配时方式
2.3.4手动控制方式
2.4本章小结
3控制系统硬件设
3.1硬件系统设计方案
3.2硬件电路设计
3.2.1 电源电路
3.2.2主控单元
3.2.3交通信号灯控制单元，
3.2.4倒计时显示单元
3.2.5控制面板及显示单元
3.3本章小结
4控制器的软件设计
4.1主程序设计
4. 2手动控制模块设计
4.3模糊优化控制程序设计
4.4控制面板及显示程序设计
4.5串行通讯程序设计
4.6系统倒计时显示程序设计
4.7故障诊断及保护程序设计
4.8软件抗干扰设计
4.9本章小结
5控制系统的调试
5.1硬件调试
5.1.1电源模块调试。
5.1.2交通信号灯控制单元调试
5. 1. 3倒计时显示单元调试
5.1.4车辆视频检测单元
5.1.5主控单元调试
5.2软件调试
5.3脱机运行调试
5.4本章小结
6结论与展望
6.1结论
本系统采用单片机怍为处理器来设计交通灯控制器，使得系统设计简便、实用性强、操作简单，电路的可靠性较高，功能较全，而且为后续的再次开发留有足够的扩展空间，支持在线软件升级。当以后要进行系统功能扩充时。只需升级系統程序就可以支持模块新功能。
本系统是按照国家标准中交通四相制来设置的，除具备一般交通信号灯的控制功能外，还有模糊控制、分段定周期控制。手动控制三种信号控制方式选撣，以及违规行为检测记录、故障紧急处理、可由用户自行进行参数设置等功能。本系统的车辆视频检测系统利用了城市原有的城市智能监控系统。降低了实时交通信号机的造价，而且使设备安装维修方便。
本系统采用模糊控制来实现根据路口实时车流量信息对交通信号灯进行实时控制，有效提高了路口的车辆通行效率，但因本文采用的模糊控制规则过于简单，使得系统效率还不是很高，须进一步改善。 还有本系统设计只限于对单交叉路口的交通信号控制，而想切实改变城市交通问题，只考虑"点控"是不够的，还需进行"线控"或"网控",这就需要将交通信号机进行联网，扩展系统软件并入城市智能交通控制系统网络，使系统更加完善。
6.2展望
当今交通问题的加剧已经普遍成为各大中城市发展道路上急需解决的难题。在道路资源有限且交通流越来越大的情况下，如何使交通管理智能化就成为当前的主要课题。目前世界上大多数国家都在研究智能交通系统（ITS），它是通过利用现在飞速发展的信息通信、网络、自动控制、交通工程等技术而建立的交通综合体系，可提高交通系统的运行效率及快速反应能力，而交通信号控制系统在整个智能交通系统（ITS）中是不可缺少的重要分支。
随着我田城市化水平不断提高。进一步 完哲城市交通控制系统是大势所趋。
研制并设计出符合我国交通状况的智能化、模块化的交通信号系统，将会具有显而易见的重要意义及获得丰厚的效益。
随着不断更新的新理论、新技术，将会极大的提高人们对复杂问题处理的能力，并将促进智能交通系统不断向前发展，我们可以确信未来的交通系统会更安全、更便捷。
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致谢
在此论文完成之际，谨向所有给予我指导。关心。支持和帮助的老师、同学和亲人致以崇高的敬意和深深的感谢！
首先感谢导师唐功友教授及海大老师三年多来对我的学习工作所给子的无私关心、悉心指导和严格要求。唐教授及海大老师严谨的治学态度、求实的工作作风，平易近人的处世风范都深深影响了我。在此谨向老师们表示最衷心的感谢和最诚摯的敬意！
感谢三年来与我- - 起学习和生活的同学。他们在我的学习上給予我很大的帮助。同时在他们身上让我学到了很多东西。使我终身受益。
最后。深深地感谢我的家人！他们在生活和学业上给了我无私的关怀，并給予我极大的理解和支持。
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