交通流量控制系统的设计研究.docx
- 文档编号:8843894
- 上传时间:2023-02-02
- 格式:DOCX
- 页数:43
- 大小:428.40KB
交通流量控制系统的设计研究.docx
《交通流量控制系统的设计研究.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《交通流量控制系统的设计研究.docx(43页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
交通流量控制系统的设计研究
摘要
80年代以来,伴随着经济的发展,交通设备日益增加,随之而来的城市交通拥堵、交通事故频发、交通环境恶化、收费制式混乱、交通落后以及能源短缺等成为当前世界各国面临的共同问题,无论是发达国家还是发展中国家都承受着不断恶化的交通困扰。
据美国有关部门预测,到2020年,国内交通事故造成的经济损失每年将会超过1500亿美元,而日本东京目前因交通拥堵每年造成的经济损失约为1230亿美元。
解决交通问题的传统办法是修建或扩建道路,但是,随着人口的增长,城市人均居住面积日益减少,可供修建的道路空间也越来越少。
同时,交通系统是一个复杂的综合性系统,单独从道路或车辆的角度来考虑,都将很难解决交通问题。
在这种背景下,把车辆和道路综合起来系统地解决交通问题的思想就油然而生,这就是智能交通系统。
智能交通系统使交通基础设施能发挥出最大的效能,提高服务质量,规范收费方式、优化管理措施,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经济效益,主要表现在:
提高交通的安全水平;减少堵塞,增加交通的机动性;降低汽车运输对环境的影响;规范收费方式,优化结算体系;提高道路网的通行能力以及提高汽车运输生产率和经济效益。
关键词:
车流量,显示输出,智能控制
TrafficFlowControlSystemDesignandResearch
ABSTRACT
Sincethe1980s,alongwitheconomicdevelopment,increasingtransportationequipment,followedbyurbantrafficcongestion,frequentaccidents,environmentaldegradation,traffic,chargingstandardchaos,trafficandenergyshortages,backwardcountriesintheworldbecomeacommonquestion,whetherdevelopedordevelopingcountriesbearthedeterioratingtrafficproblems.AccordingtotheU.S.authoritiespredictthatby2020,thedomesticeconomiclosscausedbytrafficaccidentseachyearwillexceed$150billion,butnowduetotrafficcongestioninTokyo,Japanineconomiclossescausedeachyearbyabout$123billion.Thetraditionalwaytosolvethetrafficproblemistheconstructionorexpansionofroads,butwithpopulationgrowth,urbanpercapitalivingspacedwindling,theconstructionoftheroadspaceavailableforlessandless.Meanwhile,thetransportsystemisacomplexintegratedsystem,separatefromtheroadorthevehicle'spointofview,willbeverydifficulttosolvetrafficproblems.Inthiscontext,thevehicleandroadsystemstogethertosolvethetrafficproblemonthewellsofthought,thisistheintelligenttransportationsystem.
Intelligenttransportationsystemmakestransportationinfrastructurecandevelopthebiggestefficiency,Improveservicequality,Standardchargeway,Optimizingmanagementmeasures,Makethesocietycaneffectivelyusethetrafficfacilitiesandenergy,SoastoachieveagreateconomicandsocialbenefitsMainlydisplaysin:
Improvethetrafficsafetylevel,Reducecongestion,Increasetrafficmaneuverability,Reduceautomobiletransport
tationoftheimpactontheenvironment,Standardchargeway,Optimizationandsettlementsystem,Improveroadnetworkcapacityandimprovethecartransportproductivityandeconomicbenefits.
Keywords:
trafficflow,displayoutputs,intelligentcontrols
交通流量控制系统的设计研究
诸吉辉023108114
1.0课题背景
随着城市机动车辆的不断增加,许多大城市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。
目前,国内大部分中小城市仍采用传统的交通灯控制模式,但随着城市的不断发展,基于车流量的智能交通灯控制系统必将受到广大人民的青睐。
传统的交通信号灯,通常采用定时分配方式控制,主要存在三方面的缺陷:
(1)车道放行车辆时,十字路口经常出现不同相位上车辆放行时问相同,车辆多的一方容易出现车辆堆积,造成下一路口的交通阻塞;
(2)当某相位上无车时,恰好是该相位上的车辆通行时间,则在这段时间内,就出现了交通指挥盲点;(3)当一路口车流量很大时,不能够自动延长口的绿灯时间,导致在一个周期内此路口的车辆不能完全通过。
为了更好的解决上述问题,本系统利用传感器检测车流量状态,用单片机对路口车流量进行统计,并执行相应的处理程序,来实现智能交通灯控制系统,达到了根据车流量大小实时控制路口的通行情况。
该交通系统的设计具有结构简单、可靠性高、成本低、实时性好、安装维护方便等优点,具有广泛的应用前景。
1.1交通灯控制系统的发展
1858年,在英国伦敦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,用以指挥马车通行。
这是世界上最早的交通信号灯。
1868年,英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上,安装了世界上最早的煤气红绿灯。
由红绿两以旋转式方形玻璃提灯组成,红色表示“停止”,绿色表示“注意”。
1914年,电气启动的红绿灯出现在美国。
这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成,装在纽约5号大街的一座高塔上。
红灯亮表示“停止”,绿灯亮表示“通行”。
1918年,又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。
带控制的红绿灯,一种是把压力探测器安在地下,车辆一接近红灯便变为绿灯;另一种是用扩音器来启动红绿灯,司机遇红灯时按一下嗽叭,就使红灯变为绿灯。
红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时,它就能察觉到有人要过马路。
红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间,推迟汽车放行,以免发生交通事故。
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。
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过人行横道的行人优先通行。
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。
1.2课题研究的主要内容
本课题研究的内容有如下几个方面:
(1)基于车流量的智能交通信号灯控制系统的工作原理。
(2)基于车流量的智能交通信号灯控制系统的硬件设计。
(3)车流量检测原理及其硬件电路设计。
(4)基于车流量的智能交通信号灯控制系统的程序设计。
1.3课题研究方案
1.3.1系统总体方案
通过对课题研究内容的理解,并考虑系统的性价比,得到系统的总体方案
图1.1系统方框图
1.3.2车流量检测方案
方案一:
采用遥感微波检测器(RTMS)。
微波交通检测器是利用雷达线性调频技术原理,通过发射中心频率为10.525GHz或24.200GHz的连续频率调制微波(FMCW);在检测路面上,投映一个宽度为3-4米,长度为64米的微波带。
每当车辆通过这个微波投映区时,都会向RTMS反射一个微波信号,RTMS接收反射的微波信号,并计算接收频率和时间的变化参数以得出车辆的速度及长度,提供车流量、道路占有率、速度和车型等实时信息。
为了检测出车道上车的数量,RTMS在微波束的发射方向上以2M为一个层面分展探测物体,微波束在15度范围内投影形成一个分为32个十层面的椭圆形波束,(椭圆的宽度取决于仪器选择的工作方式),通过这种方式可检测出车量数RTMS具有两种基本的使用模式,分别是路边侧向模式和前方正向模式。
路边侧向模式可以使用一台RTMS同时检测多至8条车道,并提供每条车道的交通信息。
前方正向模式,用一台RTMS实时检测一条单一车道的交通情况。
RTMS的检测精度高,且是一个全天候的车辆检测器。
方案二利用红外线车辆检测器。
红外线车辆检测器是利用被检测物对光束的遮挡或反射,通过同步回路检测物体有无。
物体不限于金属,所有能反射光线的物体均可被检测。
光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出,接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。
如当汽车通过光扫描区域时,部分或全部光束被遮挡,从而实现对车辆数据的综合检测。
红外线车辆扫描系统提供了车辆轮廓扫描的解决方案,并提供车辆分离信号,同时还能够检测挂钩是否存在及其位置,由于光学产品的高速响应,当车速低于100公里/小时,系统可对车辆间距0.3米车辆实现可靠的分离检测并抓取车辆轮廓数据,当车速低于200公里/小时,对车辆间距0.6米的车辆实现可靠的分离检测并抓取轮廓数据,系统可自动分类超过100种车型,车辆自动分类的准确率超过99%。
常利用光电开关技术成熟,高速响应,可输出丰富的车辆数据信息,能可靠检测各种特殊车辆。
抗干扰性强,不受恶劣气象条件或物体颜色的影响,安装简便。
方案一造价高,且易受环境影响方案二性价比高,且设计简单,故选用方案二
1.3.3主控制器选择
方案一:
采用数字电路设计。
通过译码器,计数器,以及555定时器等组成一个交通灯控制系统,虽然易于实现,但由于涉及的集成数字芯片较多,且不便于实现车流量检测信号的输入,故很难完成系统设计任务。
方案二:
采用AT89C51单片机作为主控制器。
AT89C51具有两个16位定时器/计数器,5个中断源,便于对车流量进行定时中断检测。
32根I/O线,使其具有足够的I/O口驱动数码管及交通灯。
外部存贮器寻址范围ROM、RAM64K,便于系统扩展。
其T0,T1口可以对外部脉冲进行实时计数操作,故可以方便实现车流量检测信号的输入。
单片机具有功耗小、速度快、价格低等优点,且编程简单,故选用方案二。
1.3.4显示方案选择
该系统要求完成倒计时、状态灯等显示功能。
基于上述原因,我们考虑了三种方案:
方案一:
完全采用数码管显示。
这种方案只显示有限的符号和数码字符,无法胜任题目要求。
方案二:
完全采用点阵式LED显示。
这种方案实现复杂,且须完成大量的软件工作;但功能强大,可方便的显示各种英文字符,汉字,图形等。
方案三:
采用数码管与点阵LED相结合的方法因为设计既要求倒计时数字输出,又要求有状态灯输出等,为方便观看并考虑到现实情况,用数码管与LED灯分别显示时间及状态信息。
这种方案既满足系统功能要求,又减少了系统实现的复杂度。
权衡利弊,第三种方案可互补一、二方案的优缺,我们决定采用方案三以实现系统的显示功能。
1.4课题研究的意义
本文设计的交通信号控制系统既可以用在单个路口实现独立的智能交通控制功能,也可以多个单路口系统组建网络实现一个区域或者一个城市的交通协调。
本系统组网时需要传输的数据量较小,便于组成网络结构和远距离信息传输。
所组成的网络结构简单,易于维护,运行稳定。
对基于车流量的智能交通灯控制系统进行设计目的在于对所学知识的综合运用,将理论知识与实际应用相结合。
基于车流量的智能交通灯控制系统设计意义重大,特别在人口密度集中的中国,它起着更重要的作用。
最直接的作用是改善车辆的堵塞状况,减少车辆的等待时间,增加单位时间内的通行量,从而解决交通拥挤的问题。
此设计尤其适合中、小城市的十字路口交通控制,具有安装简单,使用方便,价格实惠等优点,毫无疑问具有广泛的应用前景。
2单元电路设计
2.1单片机概述
2.1.1单片机发展
单片机是一种集成在电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
单片微型计算机简称单片机,是典型的嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit),常用英文字母的缩写MCU表示单片机,它最早是被用在工业控制领域。
单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。
最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中,使计算机系统更小,更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。
INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器,从此以后,单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。
单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
相当于一个微型的计算机,和计算机相比,单片机只缺少了I/O设备。
概括的讲:
一块芯片就成了一台计算机。
它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。
同时,学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。
单片机内部也用和电脑功能类似的模块,比如CPU,内存,并行总线,还有和硬盘作用相同的存储器件,不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多,不过价钱也是低的,一般不超过10元即可......用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。
我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都可以看到它的身影!
......它主要是作为控制部分的核心部件。
2.1.2AT89C51单片机简介
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压,高性能的CMOS8位微处理器,单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。
AT89C51的内部结构图如下:
图2.1AT89C51内部结构图
AT89C51单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线,现在分别加以说明:
(1)中央处理器:
中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件,是8位数据宽度的处理器,能处理8位二进制数据或代码,CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作,完成运算和控制输入输出功能等操作。
(2)数据存储器(RAM)
89C51内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元,它们是统一编址的,专用寄存器只能用于存放控制指令数据,用户只能访问,而不能用于存放用户数据,所以,用户能使用的RAM只有128个,可存放读写的数据,运算的中间结果或用户定义的字型表。
(3)程序存储器(ROM):
89C51共有4KB掩膜ROM,用于存放用户程序,原始数据或表格。
(4)定时/计数器(ROM):
89C51有两个16位的可编程定时/计数器,以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。
(5)并行输入输出(I/O)口:
89C51共有4组8位I/O口(P0、P1、P2和P3),用于对外部数据的传输。
(6)全双工串行口:
89C51内置一个全双工串行通信口,用于与其它设备间的串行数据传送,该串行口既可以用作异步通信收发器,也可以当同步移位器使用。
(7)中断系统:
89C51具备较完善的中断功能,有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断,可满足不同的控制要求,并具有2级的优先级别选择。
(8)时钟电路:
89C51内置最高频率达12MHz的时钟电路,用于产生整个单片机运行的脉冲时序,但89C51单片机需外置振荡电容。
单片机的结构有两种类型,一种是程序存储器和数据存储器分开的形式,即哈佛(Harvard)结构,另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构,即普林斯顿(Princeton)结构。
INTEL的MCS-51系列单片机采用的是哈佛结构的形式,而后续产品16位的MCS-96系列单片机则采用普林斯顿结构。
AT89C51单片机的引脚说明:
MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构,40个引脚中,正电源和地线两根,外置石英振荡器的时钟线两根,4组8位共32个I/O口,中断口线与P3口线复用。
其常用封装形势如下:
图2.2DIP封装图2.3PQFP/TQFP封装
引脚说明:
Pin9:
RESET/Vpd复位信号复用脚,当89C51通电,时钟电路开始工作,在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平,系统即初始复位。
初始化后,程序计数器PC指向0000H,P0-P3输出口全部为高电平,堆栈指针写入07H,其它专用寄存器被清“0”。
RESET由高电平下降为低电平后,系统即从0000H地址开始执行程序。
然而,初始复位不改变RAM(包括工作寄存器R0-R7)的状态,及89C51的初始态。
89C51的复位方式可以是自动复位,也可以是手动复位,如图2.3。
此外,RESET/Vpd还是一复用脚,Vcc掉电期间,此脚可接备用电源,以保证其内部RAM的数据不丢失[1]。
2.2光电开关概述
2.2.1光电开关的工作原理
光电开关(光电传感器)是光电接近开关的简称,它是利用被检测物对光束的遮挡或反射,由同步回路选通电路,从而检测物体有无的。
物体不限于金属,所有能反射光线的物体均可被检测。
光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出,接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。
其工作原理图如下:
图2.5光电开关工作原理简图
发送器对准目标发射光束,发射的光束一般来于半导体光源,发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。
光束不间断地发射,或者改变脉冲宽度。
接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。
在接收器的前面,装有光学元件如透镜和光圈等。
在其后面是检测电路,它能滤出有效信号和应用该信号。
2.2.2光电开关的分类
表2.1光电开关的按检测方式分类表
检测方式
光路
特点
对射式
扩散
检
测
不
透
明
体
检测距离远,也可检测半透明物体的密度(透过率)
狭角
光束发散角小,抗邻组干扰能力强
细束
擅长检出细微的孔径、线形和条状物
槽型
光轴固定不需调节,工作位置精度高
光纤
适宜空间狭小、电磁干扰大、温差大、需防爆的危险环境
反射式
限距
检测透明体和不透明体
工作距离限定在光束交点附近,可避免背景影响
狭角
特点同限距离,并可透检透明物后面的物体
标志
颜色标记和孔隙、液滴、气泡检出,测电表、水表转速
扩散
检测距离远,可检出所有物体,通用性强
光纤
适宜空间狭小、电磁干扰大、温差大、需防爆的危险环境
镜面反射式
反射距离远,适宜远距检出,还可检出透明、半透明物体
表2.1给出了光电开关的检测分类方式及特点说明。
光电开关按检测方式可分为反射式、对射式和镜面反射式三种类型。
对射式检测距离远,可检测半透明物体的密度(透光度)。
反射式的工作距离被限定在光束的交点附近,以避免背景影响。
镜面反射式的反射距离较远,适宜作远距离检测,也可检测透明或半透明物体。
光电开关按结构可分为放大器分离型、放大器内藏型和电源内藏型三种。
放大器分离型是将放大器与传感器分离,并采用专用集成电路和混合安装工艺制成,由于传感器具有超小型和多品种的特点,而放大器的功能较多。
因此,该类型采用端子台连接方式,并可交、直流电源通用。
具有接通和断开两种延时功能,兼有接点和电平两种输出方式。
放大器内藏型是将放大器与传感器一体化,采用专用集成电路和表面安装工艺制成,使用直流电源工作。
其响应速度快,有0.1ms和1ms两种,能检测狭小和高速运动的物体。
兼有电压和电流两种输出方式,能防止相互干扰,在系统安装中十分方便。
电源内藏型是将放大器、传感器与电源装置一体化,采用专用集成电路和表面安装工艺制成,它一般使用交流电源,适用于在生产现场取代接触式行程开关。
可直接用于强电控制电路,也可自行设置自诊断稳定工作区指示灯,输出备有SSR固态继电器或继电器常开、常闭接点,可防止相互干扰。
2.2.3光电开关的应用
随着我国工业自动化技术的迅速发展,光电开关自动化元件将被普遍采用。
应用领域也在不断扩展,采用集成电路技术和SMT表面安装工艺而制造的新一代光电开关器件,具有延时、展宽、外同步、抗相互干扰、可靠性高、工作区域稳定和自诊断等智能化功能。
这种新颖的光电开关是一种采用脉冲调制的主动式光电探测系统型电子开关,它所使用的冷光源有红外光、红色光、绿色光和蓝色光等,可非接触、无损伤地检测和控制各种固体。
新型光电开关具有体积小、功能多、寿命长、精度高、响应速度快、检测距离远以及抗光、电、磁干扰能力强等优点。
目前,这种新型的光电开关已被用作物位检测、液位控制、产品计数、
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 交通 流量 控制系统 设计 研究