一种实用交通灯单片机控制系统的设计[1].txt

单片交通灯课程设计

第 
3期 
微　处　理　机 
No. 3 
2001年 
8月M ICROPROCESSORS Aug. ,2001 

一种实用交通灯单片机控制系统的设计


汪　建 
X
　孙开放　张　雯　余生才

华中理工大学电力工程系 
(武汉 
430074)

A Practical Traffic Lights Control System Based On Single -chip Microcomputer 

　　摘　要　介绍了一种新型实用交通灯单片机控制系统的设计方法。文中提出的实时—全感应
式控制是交通灯控制中的一种较新颖且有效的方法 
,该方法应用最优控制理论中的自适应控制思
D epartm ent of 
　　Abstract　This paper introduces a kind of new 
based on single -
想,动态、实时地控制当前绿灯时间 
,在保证交通安全的前提下最大限度地提高了交通效率。
Wang Jian,et al 
Electrical Engineering , HUS T ,W uhan 430074
关键词　交通灯　单片机　定时控制　感应控制 


and practical traffic lights system which is 

chip microcomputer control. This system applies self -adapt control thought 
from the best control theory,which can control dynastically the time of green light in the real 
time. Itimprovesthetrafficefficiencywithoutinducingthetrafficsecurity. 

Keywords　trafficlights,single-chipmicrocomputer,fixed-timecontrol,inductivecontrol 
1　引　言(即一个周期内有几种灯色变化 
)。例如在一个色灯
道路平面交叉口 
(简称交叉口 
)是交通网中通行变色周期内有两种状态的信号 
,即灯色为一红一绿 
,

能力的“隘口”和交通事故的“多发源”。国内外城市称为两相。对控制交通流而言 
,相位越多 
,消除的冲
的交通事故约有一半发生在交叉口 
,城市中的交通突点就多 
,交通就越安全。但从交叉口通行效率而
事故约有 
60～ 
80%发生在交叉口及其附近。因此 
,言,相位越多 
,相应的信号周期就长 
,这样车辆在交

交叉口这个事故多发源不能不引起人们的高度关叉口上延误的时间就越长 
,通行效率就越低。相反 
,
注。随着交通技术、电子技术的发展及微机技术的应相位越少 
,交叉口上的通行效率就越高 
,但安全性就

用,人们设计出了适应各种需要的交通检测器、信号越差。 
控制机和交通信号灯 
[1、2]。2. 2　不同相位配时方案 


本文介绍了一种新型的交通灯单片机控制系(1)二相位信号配时

统。与传统的交通控制机相比 
,该控制系统有较高的这种配时方案适用于任何平面十字交叉口 
,包
智能水平和很强的控制能力。此控制系统可按单机括具有左转、右转专用分流车道的交叉口。其控制设
模式和联机模式 
(与 
PC机联机 
)运行。在单机模式备简单 
,造价低 
,容易实现。由于相位少 
,信号周期
下,可按定时控制和感应控制两种方式工作 
,在这两短,故交通效率高。但冲突点比较多 
,安全性较低。 


种方式下 
,既能按二相位运行 
,也可按四相位运行。(2)三相位信号配时
当为定时控制方式时 
,其最佳绿灯时间和最佳绿信这种方案分为左拐变优先和任一向优先两种情
比可由人工设定 
,也可由控制机自动测定 
;在运行于况。三相位配时方案只在具有左转专用分流车道或
感应控制方式时 
,能根据当前的车流量 
,实时动态地任何一方向相对于其它方向而言交通量比较大时才
调整当前绿灯时间 
,以提高交叉口的通行效率。该控适用 
,其控制设备较为复杂且造价较高 
,再加上信号
制系统可对任何平面十字交叉口的任何时段进行控周期长 
,故交通效率有所降低。因设置了专用左转相
制,只要适当调整其运行方式和运行参数 
,该控制机位及分离了重交通流 
,其安全性有所提高。 
便可运行于最优状态。 
(3)四相位信号配时

2　交通灯相位及不同相位的配时方案 
这种配时方案只有在各个车道能分离的十字交

2. 1　相 
(或相位 
)叉口才能使用。其控制设备较为简单 
,由于完全消除
信号机在一个信号周期内的各个状态称为相 
了冲突点 
,其安全性很高。但因其相位多 
,信号周期
汪建 
,男, 41岁,副教授 
,从事微机原理及应用技术和电工理论的教学及研究
X
　收稿日期 
: 2000-10-20 




当统计结果超过给定的允许范围时,又切换到另一
种新的运行方式或状态。这种控制方式既克服了感
　3期汪建等 
:一种实用交通灯单片机控制系统的设计·55·

长,在小交通量的情况下 
,其交通效率较低。但在重
交通流时 
,因各向车流会车时没有延误 
,因此相对于
二相位配时方案而言 
,交通效率有明显提高 
,安全性
也高得多。 


(4)五至八相位配时
这些配时方案也只能用在各个车道能分离的交
叉口上。其控制设备复杂 
,安全性亦很高。但随着相
位的增加 
,其信号周期也大大增加 
,使得交通效率变
得十分低下。若无特殊需要 
,这些控制方式一般不予
采用。 


3　交通信号灯的控制方法
3. 1　定时控制
交叉口信号控制机按事先设置的配时方案运
行,一天只用一个配时方案的称
方法,称之为“感应—定时信号控制”,其工作原理如
下:
交通控制机工作于感应信号控制方式时,记录
每个周期各相位的实际绿灯时间,并对其进行统计。
若测得的实际绿灯时间变化很大,则说明此时段该
交叉口交通量不稳定,宜采用感应信号控制方式;若
在规定的周期数内所测到的实际绿灯时间在给定的
范围内波动,则说明此时段车流量基本稳定,宜采用
定时信号控制方式,控制机立即将系统切换为该运
行方式,其各相位最佳绿灯时间就是统计所得的实
际平均值;同时继续记录和统计当前实际绿灯时间,
应信号控制方式不能用数字显示器显示当前灯色剩
为单段式定时控制 
;一天按不同时段的交通量采用
几个配时方案的称为多段式定时控制。 


3. 2　感应控制
感应控制是在交叉口的进口道上设置车辆检测
器,信号灯配时方案可随检测器检测到的车流信息
而随时改变的一种配时控制方式。感应控制包括半
感应控制和全感应控制。前者是指只在交叉口部分
进口道上设置检测器的感应控制 
;后者则是指在交
叉口全部进口道上设置检测器的感应控制。

感应控制按工作原理分为两种 
: 

(1)实时感应实时控制
其工作原理是 
:任一相开始绿灯 
,感应信号控制
机内设一个初始绿灯时间 
Gm in。当绿灯开放一段
时间到 
Gs时,开始检测后边有无后续车辆到达。若
有,则增加一单位绿灯延长时间 
$G;若无则继续检
测,当达到最大极限绿灯时间 
Gm ax时,即使后边有
来车 
,也不再增加绿灯时间。实际绿灯时间 
G大于
等于初始时间 
Gm in而小于极限延长时间 
Gm ax。 


(2)实时感应事后控制
在交叉口进口道上设置两个车辆检测器 
A和 
B,相距 
50米以上。检测该车道在本次绿灯和下次
绿灯之间在 
A和B间的车辆数 
,由此配置该相位第
二次绿灯的时间。在这种控制方式下 
,每一相的时间
是固定的 
,但各个相位的时间可能是不同的。譬如某
一车道当前的绿灯时间是 
30秒,但下一次绿灯时间
可能就不是 
30秒。 


4　系统控制方案 


4. 1　感应—定时信号控制方案
为了克服定时控制中单段式控制不能适应交通
流的变化 
,而多段式控制的最佳绿灯时间整定困难
的缺点 
,将定时控制加以改进 
,得到一种较好的控制

余时间的缺点和多段式定时控制方式最佳绿灯时间
整定比较困难的缺点 
,又具有能适应不同时段车流
量的特点。 


4. 2　红绿灯模糊控制
一般的感应式控制是检测车辆数据 
,通过分析
作出下一时刻的配时方案 
,即不是实时控制当前的
交通信号 
,而是要经过一定的延时。这样可能会造成
“空等待”现象 
,且需要编制较复杂的计算程序。因此
我们设计了一种红绿灯模糊控制方案 
,它能根据交
叉口两个方向上车辆的动态状况 
,自动判断红绿灯
的时间间隔 
,以保证最大车流量 
,减少道口交通堵

塞,实现自动红绿灯的最佳控制。

为了采集绿灯方向的车流量数据 
,在十字路口
的每侧设置两个压力传感器 
,在“斑马线”近端的为
近端传感器 
,在距其 
50～ 
100米处为远端传感器。绿
灯期间 
,由近端传感器记录通过道口的车辆数量。将
红绿交通灯自动系统每一方向的绿灯时间分成两部
分:其一为固定的 
10秒,作为道口状态参数采集时
间;其二为根据当前状态 
,由模糊逻辑决策的延时时
间。最大延时时间是随道口交通情况而变化的 
,假设
为 
20秒,结果每一方向绿灯间隔时间为 
10～ 
30秒。 


4. 3　总体方案
在控制方法方面 
,定时控制虽不太适于交通流
有很大变化的交叉口的控制 
,但能用数字显示器显
示当前灯色剩余时间 
,以便于驾驶员随时掌握自己
的驾驶动作 
,及时停车或启动。感应控制虽能适合各
种交叉口的控制 
,但不易联合控制 
,又不便于数字显
示器显示当前灯色剩余时间。为使控制机既适合各
种交叉口 
,又能在需要时联机控制 
,因此在系统中同
时采用两种控制方法。

在相位方面 
,四相位控制具有很高的安全性 
,但
只能在各种车道分离的交叉口使用 
,且在轻交通流 




·56·微　处　理　机 
2001年　
的情况下交通效率较低。二相位控制虽其安全性稍
低,但能在各种交叉口运行 
,且交通效率高。因此 
,为
适应不同的实际情况 
,在系统中选用二相位和四相
位控制两种方式。 


5　系统硬件设计

系统硬件框图如图 
1所示。


用以打印系统的统计数据 
,如道口的每日每向车辆
通行数及闯红灯数等。 


6　系统软件设计

系统软件采用模块化设计 
,各部分功能设计成
独立的模块 
,这使得程序的调式、修改及系统新功能
的扩展非常方便。系统的软件框图如图 
3所示。


图 
1　系统硬件框图 


5. 1　主控制机
围电路构成 
主控制机是系统的核心部分,由单片微机及外
4] ,其负责数据的采集、
根据给定的运行参数控制显示及信号灯的具体
、[3存储、运算和处
理,
运行 
;在某向 
(或车道 
)红灯期间 
,若有车辆闯红灯则
启动报警器 
,同时统计每天的车流量及闯红灯的车
辆数并用报表的形式予以打印。 



5. 2　信号机
其功能是根据主控制机的指令正确显示不同运
行状态下的各种灯色组合 
,并以倒计时显示当前灯
色剩余时间 
,以及实时显示当天当前时间。 


5. 3　车辆检测器
车辆检测器是控制系统智能化赖以实现的关键
部分 
,其用于检测车辆的通过情况。车辆检测器分为
闯红灯检测和车流感应检测两组 
,其分布情况如图 
2所示。在实际中只需做通过性检测 
,对精确度不作
要求 
,因此可采用结构简单造价低廉的压力式检测

器。
图 
2　车辆检测器分布图 


5. 4　报警和打印输出
报警器在有车辆闯红灯时发报警信号 
,打印机
图 
3　系统软件框图 


7　小　结

本文详尽地介绍了交通灯单片机控制系统的设
计,包括方案的选择确定、硬件及软件的构成。传统
的交通灯控制机采用的是单段式定时控制或多段式
定时控制 
,其最大的缺点是绿灯时间和绿信比是固
定的或是分时段固定的 
,且最佳绿灯时间和最佳绿
信比的整定较为困难 
,需要大量的实测统计数据 
,且
很多情况下整定所得值并不是最优的 
,甚至是不合
理的。而本文所介绍的系统较好地解决了这一问题。
当本系统运行于定时控制方式时 
,会自动检测当前
的车流量并计算出当前的最佳绿灯时间和最佳绿信
比;当车流量变化时 
,其最佳绿灯时间和最佳绿信比
也随之变化。当本系统工作于感应式控制方式时 
,可
按当前有无车辆来控制绿灯时间 
,实现了真正的动
态控制。尤其是本系统的全自动感应控制 
,应用了最
优控制理论中的自适应控制技术 
,本着“先到先服
务”的原则 
,在保证交通安全性不降低的条件下提高
了交通效率。

参考文献 


1　杨佩昆等编 
.交通管理与控制 
.北京 
:人民交通出版社 
, 
1992 
2　徐吉万等编 
.城市交通的计算机控制和管理 
.北京 
:测绘
出版社 
, 1985. 
3　汪建等编 
. M CS-96系列单片机原理及应用技术 
.武汉 
:
华中理工大学出版社 
, 1999 
4　王修才等编 
.单片机接口技术 
.上海 
:复旦大学出版社 
, 
1996