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基于单片机的红绿灯智能控制系统设计.pdf
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基于单片机的红绿灯智能控制系统设计
摘 要
随着社会经济的快速发展以及人们生活水平的提高 ,机动车数量也在急剧增加 ,
交通问题逐渐成为人们关注的重点对象,因城市发展所带来的交通拥堵等问题,利用智
能交通来解决传统交通日渐出现的问题成为大势所趋。本设计基于传统交通,详细介绍
了交通灯控制系统软件以及硬件的设计过程,并且使用 Proleus 软件对整体系统进行
仿真,采用了单片机作为基础的开发模板,结合plc 等其他技术进行交通的智能化的交
通设计,可自动控制红绿灯的交替闪烁,观察车流情况自动改变倒计时的情况,已达到
改善交通拥堵的情况。本设计是基于理想情况下设计的交通控制系统,基于实际道路情
况的复杂程度,不同的车辆高度长度的和随机出现的行人以及出现交通事故等突发情
况,本设计结合实际的交通系统还是存在一定难度,但该发展方向存在大量实际利益,
是值得我们去探讨如何发展的,在硬件开发成熟后可以优先享用该成果。
关键词:单片机;信号灯;智能交通
1 引言
信号灯的出现,是人类交通出现的雏形,在其出现之前,主要依靠人力进行指挥,
不同于人力指挥,信号灯对提高道路通行能力有巨大好处,它可以 24 小时无休止指挥
道路,极少出现故障,对减少交通事故起到了积极作用,是交通迈向复杂的必经途径。
绿灯,是广泛存在于现行交通系统中的一种信号灯,绿色一般给人比较舒适的感觉,其
寓意着享有此道路的优先通行权利,在没有其他交通指示的情况下,绿灯的车道上可以
执行直行或者转弯。转弯车辆涉及变道,一般行车时须对十字路口其他的合法行动直行
车辆和过人行横道的行人进行避让,也就是直行的车辆一般拥有高优先通行的权利。红
灯通常有警告和紧张的意义,红灯所对应的车道属于低优先级,一般车辆需要在规定的
十字路口前的停止线前进行有序等待。黄灯在不同的地方有不同的内涵,一般是警告信
号,常用于十字路口交通信号灯待变更时,警示车辆停止执行当前信号灯的指示,等待
信号更改完成后,在继续遵从当前指示灯,目前根据我国交通法规定,在亮起黄灯前车
辆越过起止线,且位置不安全的情况下,可以驶入交叉路口。本设计是基于传统意义上
的信号灯控制系统,加上运用单片机对其进行智能管控,以智能疏通交通堵塞为基本目
标,设计一个适用于小型交通系统的智能控制系统。
运输历史悠久。可以说,自人类定居生活以来,最原始的交通工具已经出现。中国
的现代交通可以追溯到清朝。在几十年的发展中,中国大陆已发展成为高速公路。由系
统,铁路系统和航空系统组成的庞大交通网络也可以在某些城市的地铁和 BRT 系统中
行驶。信号灯在各种运输系统中起着重要的作用。红绿灯是以电为能源运行的交通控制
设施。红色,黄色,交通信号灯或辅助声音信号用于指示车辆和行人停车,注意和驾驶。
交通的最大意义是保护交通参与者。高效的交通以及人身和财产安全,现代通常使用信
号灯进行交通,交通存在最大的意义是保障交通参与者的高效率通行以及人身财产安
全,近代通常采用信号灯这一方式来进行交通的指挥,红绿灯更是不同国家中最为广泛
运用的一种交通信号灯。本设计基于近代交通的基础发展,从现实意义、世界现状以及
设计本体出发,利用单片机的智能控制,讨论智能交通控制的对现代交通发展的建设性
意义,最后以单个十字路口的红绿灯智能控制设计为演示成果展现,以实现对十字路口
的智能控制。
1.1 本设计的目的、意义及应达到的技术要求
交通拥堵是指通常在节假日或通勤高峰时段发生的汽车拥挤和慢速行驶的现象。这
种情况通常发生在世界主要都会区,连接两个城市的高速公路以及汽车使用率高的地
区。中国亦是交通堵塞最为严重的几个国家之一,在 19 年由国外统计公布的亚洲十大
拥堵城市中,中国的珠海、广州和北京榜上有名。通过调查发现,目前中小城市的交通
信号控制系统非常落后,大多数城市都使用单一的系统进行操作。大多数城市的交通拥
堵集中在主要道路上,这对车辆的运行和人们的生活产生了巨大影响。
交通拥堵的原因是多方引起的,社交车辆的使用增加,成为导致道路交通流量增大
的重要诱因,早在古代的欧洲,人民就在一些交通比较发达的城市,遭遇到这些问题,
当时的领导者为了解决这一问题,立法规定了不同的马车有不同的出行时间,除该时间
外不能出行,相当一部分的车流量被分至夜晚,但由于声音,市民无法在晚上入睡,因
此他们很快被排除在外。为了解决现代交通拥堵的问题,其原理是减少单位面积道路上
的汽车数量。通常有几种方法可以解决交通拥塞:增加交通容量、减少道路交叉、限制
车辆驶入、智能化交通管理等。增加交通容量和减少道路交叉的主要方案都会涉及道路
扩充、建设立体交通等方面,在城市中采取这种方案需要统筹规划,建设也需要人力物
力,无法立即解决现存问题。限制车辆驶入这一方案,中国不少城市已经实现单双号出
行等限制手段,有一定的成效,但不是长远之计,其牺牲了部分人的利益来换取集体的
利益,有违背交通为全体交通参与者提供便利的原则。相较之下使用智能交通的建设的
时间成本和弊端相对较少,不少国家以及广泛采取智能交通统筹管理的方案,以目前的
实践成果来看,智能交通对交通拥堵改善的效果和智能交通的覆盖效果呈正比,换而言
之,如果能将智能交通普及至交通系统的末端,其管理起来效果更好,所以本设计将以
最简单十字路口通行为例,进行智能化设计,以最求更为广泛的运用智能交通,传统的
十字路口交通信号灯自动控制系统大多数都使用继电器自动控制系统或单片机设计的
自动控制系统来完成。它们的功能很少,不容易更改控制回路,可靠性差,经常出现常
见故障和维护。由于交通量大等缺点,对传统的交通信号灯自动控制系统进行了进一步
的改进,并首次引入了智能在线操作的定义,以完成智能系统的操作。
单片机被设计为核心载体,该功能的开发和设计考虑了大城市交通信号灯的操作规
定。在设计过程中必须注意以下困难:首先,必须考虑交通信号灯之间的相对配合,先
打开一个交通信号灯,然后关闭下一个交通信号灯,以完成所有正常的陆路交通。其次,
交通信号的等待时间和根据交通情况的时间都以时间为单位进行调整,以确保一切正常
交通运行,尽量避免发生交通事故。最后,不同的交通信号灯必须具有不同的功能。在
城市规划中,必须完成交通信号灯的功能分析。并非所有的交通信号灯都具有指引车辆
的作用。最后,在特定道路上,容易发生高级别交通事故的各个地方,考虑是否有效放
置交通信号灯来减少事故,以及非机动车驾驶员是否可以注意到交通标志。另外,还可
以进行其他设计方案,使交通信号灯具有提醒非机动车驾驶员的功能,提高交通出行的
安全性。
1.2 本设计在国内外的发展概况及存在的问题
中国的交通信号灯一般设在交通的交叉路口,以红色,绿色和黄色的三种交通信号
灯作为指挥交通的信号,添加一个显示信号灯倒计时的计时器,以用于辅助驾驶员更好
的行驶。为了保障在正常条件下安全驾驶,机动车的转向这一行为,即使受到信号灯的
管制,仍会对交通安全带来一定隐患,根据特定的驾驶过程,仍然目前的交通系统存在
以下缺陷:1.机动车和非机动车处于同一通行方向时,具有相同的行驶方向,在部分路
口,行车道通常是狭窄的,机动车很多,非机动车和机动车争道而行,同向而行发生交
通事故是信号灯无法顾及的交通盲区。 2.应急车辆通过交通路口时,会短时造成交通信
号的指挥无效,两个方向的车辆的正常行驶都会受到影响。例如,当消防车是接近路口
时,当前车道是红灯且有车辆滞留,前方车辆为了让行需要闯红灯,这对对向车道本应
绿灯通行的车辆受到了极大威胁。传统的自动红绿灯自动控制系统的设计方案过于停
滞,闪烁的红绿灯更换方式太短。智能交通指示器自动控制系统的设计方案能解决一定
的上述问题。比起传统的交通信号控制,它可以适应交通拥挤时及时疏通堵塞,减少同
向事故的发生,面对应急车辆驶过时,也可以将全部方向的路灯转为黄灯警示。单片机
设计控制系统的应用出现了。明确提出了一类可以完成道路上高效交通的手机软件和硬
件开发计划。
图 1.1 传统十字路口交通示意图
如今,各个国家和地区的主要城市都在使用各种控制系统来控制十字路口的交通信
号灯。据不完全统计,中国大约有 63 家交通控制系统产品制造商,其主要产品是具有
时间安排式和集中协调式的智能控制芯片,生产没有统一的标准和规范性。随着“道路
交通信号控制机”的实施,这种情况得到了改善。经过近几年的发展,国家交通信号系
统的信号技术水平,实用性和可靠性得到了提高,这三点也决定了交通控制中的设备需
要更高水平的生产能力。但是,从整个生产链的角度来看,我国现在有许多小型制造商,
国家没有时间关注这些公司,导致研究资金不足,科研人员不足以及团队创新能力薄弱。
现在,该国的主流产品是单模信号,通常会在通勤高峰时段造成交通阻塞时用来缓解交
通压力。在全国的企业中,只有少数企业能够独立开发并产生多模式和系统协调的信号。
当然,并不排除某些交通管理部门有意使用自行开发的控制灯以节省成本。最终,由于
简单的控制灯和较差的稳定性,它们可能导致交通阻塞。
1868 年 12 月,世界上第一个手动控制,以燃料为能源进行照明的交通灯在英国伦
敦的威斯敏斯特宫前启用。交通信号灯杆高 22 英尺(6.7 米),有红色和绿色的蒸汽灯。
该信号灯对于当时的交通管制而言,能十分有效的控制路口交通出行,但使用 20 天后
爆炸,导致操作交通灯的警察死亡。这种交通信号灯随后被停用,直到开始使用基于电
力的交通信号灯。在 1890 年代后期,交通信号系统逐渐变得重要。 1910 年,美国芝加
哥的欧内斯特·希林(Ernest Silin)成功申请了世界上第一个自动交通信号控制系统专
利。它的交通信号控制系统使用“停止”,还新增了使用该信号系统“前进”,它比起
蒸汽灯更加的安全稳定,而且不需要人为过多的参与,就能自动指挥交通。
最初的交通信号灯发展到如今红绿灯,已有不少前人对信号灯的智能化进行改进,
从人工指挥到自动指挥,从单色信号到多色信号,从单一指向到转向信号,这些都是交
通智能化的体现,本设计体现的智能化主要基于对路口车辆数量统计,来控制红绿灯的
倒计时长度,从而达到优先减少拥堵干道的车辆数量,这种做法已经通过人工手段实现
了,该设计主要以减少人工干预为目的,尽可能实现全自动解决,并有望融入现有的智
能运输系统。该系统一般属于国家机密,一般人很难知道该系统是如何运作,其大概能
达成的效果现在已经比较常见,例如一条长直道上有 5 处红绿灯,其能同时进入绿灯或
红灯状态,以保证车辆能流畅的通行,还有类似潮汐道路,预转弯系统等,此系统目前
用于大局管理,细致到单个路口是无法做到单独控制的,本设计则能弥补这一份缺点,
理论上减少系统管理的缺口。
1.3 本设计的中心要点
上文一直提到设计智能交通的主要目的,也是该设计的中心要点,就是在保障正常
的交通通行秩序的情况下,尽可能提高通行效率,减少道路的拥堵情况,以及减少人工
的干预。其中最大的困难就是现实道路的复杂情况,不同的道路情况用一套控制系统来
控制难度较大,加上实际中车辆的测量难度也十分大,因此本设计局限于现有硬件软件
的能力,选取单一的十字路口作为情况模拟,将车辆和行人的形状和行动规律规范化,
结合交叉口和区域交通状况的综合调度,在和各信号指标变化灵活的条件,并提供了一
种智能的交通管理方式。传统的十字路口交通信号控制系统大多使用中继控制系统来实
现。缺点是功能少,控制电路更换困难,可靠性差,频繁故障和维护量大。这种设计允
许使用单个芯片来设计系统,但是可以在不同情况下使用它。需要灵活地更改程序以实
现不同的功能要求,高可靠性,良好的性价比,而且最重要的是,它非常适合诸如交通
信号灯控制等时序控制系统,然后与其他硬件结合才能实现更智能的控制。有效地,当
系统需要根据每个车道的交通流反馈信息和相应的算法来设置每个信号时。控制系统和
控制中心之间的连接已实现跨区域交通控制。
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