毕业设计（论文）开题报告
题目交通灯控制电路设计
学生姓名xxxx学号xxxxxxx
专业电气工程及其自动化班级xxxxxxx
指导教师xxxx
评阅教师xxxx
完成日期2016 年x月xx日
目录
摘要 (1)
1 研究背景 (1)
1.2 研究的目的和意义 (2)
1.3 国内外的研究现状和发展趋势 (2)
1.3.1国内外研究现状................................................................. 错误！未定义书签。
1.3.2交通控制灯的发展趋势 (3)
2交通灯控制电路的设计研究 ...................................................... 错误！未定义书签。
2.1参考元器件 (7)
2.2基本原理及设计方法 (7)
2.2.1秒脉冲发生器 (8)
2.2.2分频器 (8)
2.2.3控制电路 (8)
2.2.4译码电路 (9)
3 组装和调试结果分析 (11)
3.1硬件电路板的调试 (11)
3.2软件调试与仿真 (11)
3.3系统调试 (13)
3.4结果分析 (133)
4 结论与展望 (144)
4.1结论 (144)
4.2展望 (155)
致谢 (16)
参考文献 (167)
附件 (19)
交通灯控制电路设计
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。本文将研究设计并制作了一款智能交通灯控制系统。交通灯控制系统由单片机、信号灯控制显示电路、数码管控制显示电路以及功能按键电路等部分组成。采用Proteus平台对交通灯控制系统进行了虚拟仿真，并进行了硬件电路的安装与测试。软硬件测试结果表明交通灯控制系统不仅具有交通控制的基本功能，还能够手动按键/串口通信实时调整通行时间。
关键词：交通灯控制系统，单片机，虚拟仿真
Abstract: with the development of social economy, urban traffic problems more and more people's attention. The coordination of people, vehicles and roads has become one of the important problems to be solved in the traffic management department. Urban traffic control system is a computer integrated management system for urban traffic data monitoring, traffic signal control and traffic guidance, which is the most important part of the modern urban traffic monitoring and control system. This paper will study the design and production of an intelligent traffic light control system. The traffic light control system is composed of a single chip microcomputer, a signal light control display circuit, a digital control display circuit and a function key circuit. The virtual simulation of traffic light control system is carried out by using Proteus platform, and the installation and testing of the hardware circuit are also carried out. Software and hardware test results show that the traffic light control system not only has the basic function of traffic control, but also can adjust the time of passage by the manual button / serial port communication.
Key words: traffic light control system, single chip microcomputer, virtual simulation
1研究背景
本文采用MSC-51系列单片机来设计交通灯控制器，交通灯控制系统分为控制器和受控电路两部分，控制器使整个系统按设定的工作方式交替指挥车辆及行人的通行，并接收受控部分的反馈信号，决定其状态转换方向及输出信号，控制整个系统的工作过程。根据车流量设置红、绿灯点亮时间的功能，红绿灯循环点亮，倒计时剩2秒时黄灯闪烁
警示；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。
1.1 研究的目的和意义
交通灯控制系统对于疏导交通流量、提高道路通行能力、减少交通事故都有明显效果，使交通得以有效管制。最初的交通灯是煤气照明灯，然后出现电力驱动的交通灯，与现在意义上的信号灯已经相差无几。随后又出现自动控制的交通灯、车辆感应式信号控制器、气动橡皮管检测器，最后出现电子数字计算机城市交通控制系统。这些交通控制系统的更替，使交通管制越来越完善。交通灯在我们的日常生活中有着很重要的地位，通过对交通灯设计原理的认识，本课题立足于经验的积累，对当前交通控制系统进行研究。实践意义：对交通灯控制系统设计边了解边研究，积累有形的设计经验。理论意义：在设计交通灯控制系统的同时，可以了解并掌握交通灯的控制方法，还可以在设计课题的同时对单片机知识进行学习。
1.2 国内外的研究现状
当前世界广泛使用的最具代表性却有实施的城市道路交通信号控制系统有英国的TRANSYT与SCOOTS交通控制系统和澳大利亚的SCATS系统。在信号机的发展过程中，自适应理论一直受到各研究机构的欢迎，比如上面所说的SCOOTS与SCATS系统。最近几年，国外仍偏向于引进自适应理论来对交通控制系统进行研制，特别是美国有十几个大学或研制机构正在研制自适应交通信号控制系统，具有代表性的有美国亚利桑那大学研制的RHODES. 我国交通领域的发展起步比较晚，基本是从新中国建国之后，随着各方面的条件的成熟以及社会发展的要求，才建立及健全交通系统的。城市交通是一个高度综合而又复杂的问题，必须从政策，机构，体质，管理，收费价格，基础设施和投资各个方面同时入手解决。我国城市经济和社会的高速发展使得社会对交通的需求急剧增加，也对此提出了严峻的挑战。因此我国城市发展的规划，建设以及运行，在广泛借鉴和吸取国外先进经验的基础上应当建立并完善适合我国国情的城市交通系统。
1.2.1 国外交通控制系统发展概况
早期的交通信号控制器都是按照某种固定不变的周期长度和信号灯显示时间来控制信号灯，随着计算机技术和交通信号感应式控制技术的不断发展，计算机在交通管理控制中发挥着越来越重要的作用。1952年美国的丹佛市出现了采用模拟电子计算机的交
通信号控制系统，1963年加拿大多伦多市出现了第一个将数字计算机用于区域交通信号控制系统，从此开辟了交通控制发展的历史新纪元。由于微处理器的发展及新型微处理机的出现，不仅出现了以微处理机作为主控制机的区域交通管理系统，而且各种终端控制设备也相继出现。
1969年，英国学者设计的区域控制系统优化程序TRANSYT (Traffic Network Study Tool)被世界各国广泛采用，从而把交通控制技术推向了一个更高的发展阶段。20世纪70年代初期，英国先后在伦敦和格拉斯哥市建立了实验性区域交通管理系统。从上世纪70年代开始许多国家开始了自适应交通管理系统的研究，其中被广泛采用的有英国的“STOOT”系统，与第一代区域控制不同的是，新的控制系统是一种数据反馈自控制系统，它是根据道路网络上的实时情况，利用上位机不断对信号配时方案进行调整，以达到最优的控制效果。同时还有澳大利亚的“SCATS”系统等。在此之后，美国、日本、法国等也随之成立了以计算机控制为核心的区域交通管理系统。
1993年，Chand和Chiu提出了分布式交通控制系统，该系统采用模糊自适应控制器的原理来研究交通控制问题。1997年，Michael和Kiseok应用遗传算法对交通网络的路口信号相位进行控制设计。随着计算机、通信等技术的不断发展，交通控制技术也在不断完善，这就使得交通控制的研究出现了新的局面。
2、国内交通控制系统发展概况
我国的智能交通控制系统研究起步较晚，在20世纪70年代开始交通道路协调管理的研究。在上世纪80年代中后期，我国城市道路交通问题越来越严重，国家采取了一系列相关措施进行交通管理，例如UTSM技术，它是研究城市中心交通的改善。引进国外先进的交通控制系统，结合国内的实际情况建立了一些交通管理系统，例如北京等城市引进了英国和澳大利亚的新一代控制系统，这一举措对我国大中城市的交通管理系统的发展起到了举足轻重的作用。进入20世纪90年代以后，我国多数大城市都建立了区域交通管理系统。最近几年我国也自主研发了一些适合于我国交通情况的管理系统，例如南京城市交通管理系统，该系统采用了固定配时、电缆联动和实时自适应控制，系统在MV AX/VMX操作系统上开发，采用PASCAL高级语言。西工大开发的XATM系列智能交通信号管理系统以及上海交通大学研发的交通自适应系统S UATS这些系统都采用了多时段、多相位控制方式，克服了早期简单的两相位、单时段控制带来缺点。同时在功能上也有很大的增强，比如XATM系列智能交通信号机，其在控制模式、事故监测、应急方案、联网功能、控制优化算法等方面都比从前的控制器有大的提高。
1.2.2 交通控制灯的发展趋势
1、有效减少车流量较多一方向的拥堵现象的方法。
当某一方向车流量较多时，由于通行时间较短，造成此方向拥堵而另一方向没有车辆等待通行，解决这一现象需要改变车流量多的方向通行时间加长，可以使用按键来控制路口两方向的通行时间和暂缓通行时间，车流量较多的方向可以加长通行时间，车流量较少的方向可以相对减少通行时间，这样就解决了当单向车流量较多时造成的拥堵，使路口的通行车辆流量达到最大。
2、交通灯控制系统原理图元器件的选择与布局。
原理图中元器件的选择是设计中的关键，需要通过设计所要达到的要求选择元器件。此系统可分为两个功能模块，一是完成普通的交通灯控制系统，根据此功能要求先选择出要用到的元器件，二是能用按键控制其通行时间和暂缓通行时间，根据此功能再一次选择元器件，最后根据要求完成原理图。这样可以避免元器件的多选，也便于编程工作的展开。
1.3交通信号灯的管理
1.3.1交通信号灯的概念
交通信号灯及其控制技术随着社会的发展而发展,早期的交通信号灯只有红灯、绿灯两种,后来由于车辆数量的增加,出现了红、黄、绿三种颜色的交通灯。面对红灯时车辆和行人禁止通行,绿灯表示允许通行,黄灯是对驾驶人员的提醒,红灯即将出现,车辆及行人必须停止前行。随着车辆数的不断增加,在交叉路口的各个方向车辆之间的冲突和人与车辆之间的冲突日益凸显,这就要求在空间上对车辆和行人进行分离。计算机技术及电子技术的发展也为设计适合需求的交通灯管理系统提供了良好条件,同时出现了不同类型的交通信号控制器。
随着交通系统的发展,也相应地产生了符合多种空间和时间分离方法的现代交通信号灯,除了红、黄、绿灯之外,还有闪烁灯、指示方向的灯及倒计时器,专用于自行车的信号灯和专用于行人的信号灯。红灯闪警告车辆禁止通行,黄灯闪表示车辆可以通行但要很小心方向灯中的绿色箭头灯表示指示的这个方向可以通行,红色表示所指方向禁止通行,黄色的方向箭头灯表示对这个方向的行驶提醒。
使用交通信号灯管理的目的主要是使各种交通流有序的进行通行,一般来说,当交通量发展到接近停车或道路标志交叉路口所能处理的能力时,在交叉路口上设置交通信号灯。合理正确地设置交通信号灯,不仅可以提高交通道路的通行能力、疏通交通流,而
月可以减少交通事故的发生,设置交通灯管理系统的原则大多是依据交通路口的通行能力和路口的延误来决定的。
1.3.2交通信号灯的管理参数
通常，在交通灯的管理控制过程中，其中至少存在3个基本参数是可以由交通灯控制器直接控制的，这就是C(周期)、t
(相位差)和λ(绿信比)。另外，一些控制器还可
os
以对相位的数量进行控制，比如从4相位变成2相位或者相反的变换等。
1、信号周期
用于交通指挥的信号灯总是随着时一间而变化的,每个循环变化都是由几个步伐组成,组成一个循环变化的各个步伐的步长相加的和称之为周期,即信号周期。信号周期时长也就是所有颜色的信号灯都显示一遍所需要的时间,即不同颜色信号灯显示时间之和或是某个主要相位的绿灯从开始亮到下一次亮所需要的时间。
2、信号相位
一般来说,在交通管理控制中,为了减少及避免交叉路口各个方向车辆之间及车辆及行人之间的冲突,采用各交通流分时控制的方法,即在周期的某一时段允许某一方向或某些方向的交通流通行,而其他方向的交通流禁止通行。在某一周期内,某一个方向或某些方向的交通流允许通行,这个通行权就称作相位。一个信号周期内有几个相位就称这个交通灯控制系统是几相位系统。相位可以用有向线段表示,有向线段的箭头指示交通流的通行方向。例如,一个交叉路口的信号控制是四相位的控制系统,相位表示南北方向交通流直行,相位表示南北方向左转通行,相位表示东西方向直行,相位表示东西方向左转通行,右转方向的通行均不进行控制。
3、步伐和步长
在交叉路口对交通信号灯进行控制的时候,某些灯将被点亮。某一时刻,交叉路口各方向的各种交通信号灯状态所组成的一组确定的信号灯灯色状态称之为步伐。例如信号控制器在七点开机,此时,东西方向左转绿灯和红灯亮,南北方向的红灯亮,所有人行信号灯红灯亮,其他灯都不亮。若该状态维持秒,那么我们就认为这是管理方案中的一个步伐,步长是秒。
4、绿信比
绿信比是周期内各个相位的有效绿灯的时间和周期之比值,若设是某周期内相信号
为:
的绿灯时间,为周期时间长度,那么该相位信号的绿信比，λ
k
在上式中,0<λ
<1凡,绿信比反映了该方向交通流一个周期内需要的绿灯时一间长
k
度,经过优化的绿信比能够给各交通流合理地分配通行时间,从而尽可能减少交通流的延误时间。
上式中的第k相位的有效绿灯时间的计算如下式所示
其G k表示绿灯时间,Y k表示黄灯时间,L k表示损失的时间。
在某个信号相位上,黄灯时间和绿灯时间的和是交通流的可通行时间。然而,绿灯时间不可能得到充分的利用,当绿灯开始亮,等待的车队需要发动车子,这时的使出率是比较低的,这样就引发了启动损失的时间l k1。在绿灯灭,黄灯开始亮时,不允许车辆越过停车线,而允许在绿灯时间内越过停车线的车辆继续前行。这段时间内车辆流量的大小逐渐减为零,故而黄灯期间又损失掉一部分时间,这个损失时间为l k2。第相位的信号损失时间为；
在实际的交通管理中,如果要精确地计算出损失时间是相当困难的,而且必要性也不大。因此,常用绿灯时间和周期时间的比值表示绿信比,于是得到的绿信比公式为
1.3.3交通信号灯管理系统整体分析
在城市道路交叉口的信号灯控制中,大多数系统的控制选择定周期方式,一旦选定了绿信比和信号周期之后就保持不变,但是这种控制方式造成交通灯的管理与实际交通状况不符的情况可能性很大。传统的交通灯控制系统不具有管理的实时性,不能及时处理交通现场的实时情况。在功能的实现上,本系统除了实现交通灯控制的基本功能外,还具有以下功能通过网络实现主控计算机对交通灯的协调控制,系统根据实时交通信息制定灯控方案,通过红外遥控对交通灯一进行现场实时控制,交通灯故障检测及报警功能等,这就提高了系统的实时性和可靠性,实现系统的网络化、智能化。
基于以上的功能要求和实际的需求分析,本课题所研究的交通灯管理系统实现的主要功能如下：交通信号灯的基本控制功能；实时采集交通流信息；根据交通现场的情况可以进行实时控制；通过红外遥控控制；交通灯主控计算机可通过网络实现实时交通灯控制；信号灯故障检测。
2 交通灯控制电路的设计研究
设计一个十字路口交通信号灯控制电路，因为两支干道车道数不同，车流量不同，故按照实际需要一条车道设置为主干道，另一条车道为支干道，十字路口红、绿、黄灯工作情况有所不同，具体要求如下:(1)两条交叉道路上的车辆交替运行，主干道放行28s，支干道放行20s。(2)绿灯熄灭后，黄灯先亮4s(另一干道的红灯不变)，当黄灯灭后红灯才亮，此时方可变换运行车道。(3)黄灯亮时，每秒闪烁一次，提醒驾驶员减速停车等待红灯。(4)夜间所有红、绿灯熄灭，两条道路的黄灯亮，且每秒闪烁一次；(5)南北和东西方向的通行时间可用按键分别调整（增加或者减少）；(6)根据实际车流量可以设置三个不同工作时段，分别为“忙”、“不忙”和“闲”，三个时段的南北和东西方向的交通灯的时间是不一样的，“忙”的时间大于“不忙”，“不忙”的时间大于
“闲”；(7)三个时段通过串口通信设置，串口通信数据格式为两个字节，前一个字节表示地址，后一个字节表示时段。地址字节为0x01、0x02、0x03等，分别表示不同小组的地址。时段字节为：0x00、0x01和0x02，分别表示不同时段，即“闲”、“不忙”和“忙”。例如传输数据0x01,0x00时，表示第一组的“闲”时段。
2.1 参考元器件
(1)集成电路7474 X 2 、 74LS 164 X 1 、74LS08、 74LS32、74LS04若干。(2)4MHz 石英晶振1片。(3)电位器、电阻、电容若干。
2.2基本原理及设计方法
十字路口由一条主干道和一条支干道汇合而成，在每个入口处设置红、绿、黄三色信号灯二红灯亮表示禁止通行，绿灯亮表示允许通行，黄灯亮表示提醒变道(给行驶中的车辆有时间停在禁行线以内)，主干道放行时间较长。
要实现设计要求的放行时间，各干道红、黄、绿灯的运行情况如图1所示二其中主干道:绿灯亮28s、黄灯闪烁4s、红灯亮24s;支干道:绿灯亮20s、黄灯闪烁4s、红灯亮32s;夜间模式:红灯和绿灯熄灭，黄灯每秒闪烁，提醒注意。
交通信号灯控制电路框图如图2所示。控制系统由秒脉冲发生器、分频器、控制电
路、译码电路和信号显示电路等部分组成。秒脉冲发生器给系统提供1Hz的标准时钟信号源，译码电路输出两组信号灯的控制信号，经驱动电路驱动信号灯工作二控制器是系统的主要部分，由它控制译码电器的工作，现分别介绍主要单元电路。
2.2.1 秒脉冲发生器
时钟电路是数字系统不可缺少的一个重要组成部分，因为数字电路只有在时钟电路的驱动下才可正常工作。根据应用场合的不同，不同数字电路选择使用不同类型的时钟发生器。因交通灯控制系统的秒信号精度不高，故可选用555定时器，也可选用RC环行振荡器，考虑到红灯亮的时间与倒计数的时间一致，本系统选用CD4060计数器来得到一个时钟脉冲。
2.2.2 分频器
十字路口主干道红、黄、绿灯亮的时间分别为24s、4s和28s，选4s为一个时间单位，其亮灯时间比例分别为6:1:7，支干道比例为8:1:5。每4秒一个时间单位的输出可采用
，为1Hz的标准时钟脉冲。
集成电路7474构成四分频器来实现，如图3所示，图中CP
2.2.3 控制电路
控制器是交通信号灯管理的核心，由图1所示的交通信号灯运行框图可知，主干道和支干道红、黄、绿灯亮的工作循环周期为14个时间单位，因此选用14进制计数器来构建工作周期。计数器的种类很多，这里我们选用中规模74LS164组成扭环形计数器。
74LS164是一个八位移位寄存器，引脚排列如图4所示，其中:A、B—串行输入数据端;—异步清零端;CP—移位脉冲输入端(即CP端);Q A~Q H—数据输出端。74L5164移位寄存器可以实现以下逻辑功能:
（1）=0，实现异步清零，即:
(2)=1且CP上升沿时，输出为:
将74LS164的Q(12脚)通过非门引回A、B作为输入信号，即可构成14进制扭环形计数器，电路如图5所示，工作循环如表1中74LS164的Q A~Q H的输出状态。
当夜间开关“s”断开时，=1，扭环形计数器工作，当开关“s”闭合时，=0，计数器异步清零。作为夜间控制信号送译码电路。
2.2.4 译码电路
在一个工作循环周期内(14个时间单位)，红、绿、黄灯的变化规律如状态表1所示.要使信号灯按照设计要求运行，只需找出74LS164的输出与信号灯之间的逻辑关系即可。
根据控制信号灯的译码电路状态表，从Q F、Q G。、Q H。中寻找满足红、绿、黄灯变化规律的逻辑控制关系，从而找到各信号灯的函数关系。
(1)主干道信号灯的逻辑表达式
红灯：黄灯:绿灯:
(2)支干道信号灯的逻辑表达式
红灯：黄灯:绿灯:
根据主干道和支干道的逻辑表达式连接十字路口信号译码电路，如图6所示。在白天，夜间控制开关“S”断开输出高电平，红、黄、绿灯按设计的逻辑表达式正常工作，当夜晚来临时，夜间控制开关“S”闭合，出高电平，红、黄、绿灯按设计的逻辑表达式正常工作，当夜晚来临时，夜间控制开关“S”闭合，输出低电平，关闭红
灯和绿灯，黄灯闪烁。输出低电平，关闭红灯和绿灯，黄灯闪烁。
3 组装和调试结果分析
3.1 硬件电路板的调试
当硬件系统设计从原理图、制板到实物焊接安装完成之后，就开始进行硬件的调试。硬件调试的常用工具有仿真器、万用表等。硬件调试时会遇到一些问题，在设计时对一些问题可能考虑不周全，那么出现的问题就要在调试阶段解决。在硬件电路板调试的过程中，如果出现系统的工作不稳定情况，可能的原因主要有以下几种:主板负载过大;电源系统供电不足;公共地线接触不良等，根据出现具体的的问题查出原因再解决。
本系统的硬件调试是在节省时间、资源和保证成功率的前提下，进行分模块调试，在调试己经成功的模块基础上，逐渐加入未调试模块，然后分级调试下去，保证逐级调试，在最有效的时间内，使整块开发板能经过调试并按预先的要求正常运行。对于电源电路、时钟电路、LED显示电路、硬件电路板调试以及主控芯片、控制单元接口电路、下载线配置电路电路的调试需要注意几个问题:
(1)接口的连接点是否连接好。
(2) LED灯是否完好。
(3)各焊点焊接是否可靠。
3.2 软件调试与仿真
软件调试与所选择的程序设计技术和软件结构有关，经过检查系统CPU的现场、I/O 口的状态和RAM的内容，检验程序执行结果是否符合要求。通过调试检测可以发现程序中错误，比如机器码错误、死循环、转移地址错误等，同时也可以检测出系统中的软件算法、硬件故障及设计错误。可以在调试检测过程中不断进行系统硬件和软件调整。
本系统是分模块调试，首先单片机控制器及ARM控制板模块进行调试，然后把它们与主控计算机联合起来进行综合调试。反复调试运行多次，除了观察系统稳定性之外，还要观察系统的实现的功能是否符合预定的设计要求等，必要的话可以做适当的修正。
交通灯原理图如下：
我们用proteus软件对此原理图进行仿真。仿真图如下：
3.3 系统调试
本硬件模拟系统是模拟城市交叉路口的交通控制,实物只考虑十字路口情况,信号灯设置为红、黄、绿三色和倒计时器,运行系统的控制方案,实现交通灯管理系统的控制功能。交叉路口单片机控制系统执行系统的控制命令,直接控制交通灯及倒计时器的输出。
模拟系统调试运行,设定定周期控制方案,系统能稳定执行控制方案,信号灯能按照预设方案显示。在模拟系统中人为制造信号灯故障,当灯出现故障时,系统检测出故障并发出警报,实现路口定时控制及信号灯一故障检测等预设的功能。
3.4 结果分析
通过实物模拟运行,交通灯控制的基本工作过程运行良好。红、绿、黄信号灯及倒计时器显示正常。
定周期控制,通过多次设定定时灯控方案,观察系统的运行情况,调试结果表明系统能稳定运行。
分时段控制,在一天中交通流量可分为儿种状态高、一般、低,对应将一天分为儿个时段,每个阶段设置对应于一个时间方案,系统模拟运行,人工设定分时段灯控方案,经过
多次实验,系统能稳定实现这种有效控制。
应急响应控制,系统模拟交通道路现场出现的急通情况,通过红外遥控,系统接收到控制信号,立即转入相应的处理程序,执行紧急灯控方案,经过多次实验,系统能及时响应紧
急情况的出现。