编译原理毕业论文设计_基于新型规则的可编程交通控制系统

《基于新型规则的可编程交通控制系统》

参赛队员：

摘要：

随着社会的发展，人们的消费水平不断的提高，私人车辆不断的增加。人多、车多道路少的道路交通状况已经很明显了。我国是13亿多人口的大国，到2004年，全国的机动车保有量超过了6000万，而全国公路通车总里程只有14.3万公里。静态比例为：人均车辆越0.5辆，而人均道路只有0.00011公里；每辆车均道路占有量约为0.002公里；且其中90%的道路属于机动车与非机动车和行人混杂。车辆的增加反映出了国家的整体进步，但是也给人民带来了其他的一些负面的影响。今后几年机动车辆数字还在急剧增加，道路超负荷承载，致使交通事故逐年增加。在一个交通十字路口，如果还是像以前一样由单纯的一种信号灯和交通警察的协调来维持交通是不够的。根据统计每年因交通事故死亡的人数占所有事故死亡总人数的80%，而且这个比例还在不断的增加。

如果将每个交通十字路口的多余交通警察撤回，安排在最不利于管理和事故高发的地方，不但可以大大的降低交通事故的发生率，而且可以节省大量的人力财力。基于新型规则的可编程交通控制系统（以下简称交通控制系统）可以实现对车辆、行人的控制，使的交通便于管理。

我们设计的交通控制系统具有自动化程度高、可靠性好、功能完备、可扩展、可编程、便于升级、独立性强的优点。改进了以前的交通指示灯的那种信号单一，处理应急事故的能力差的缺点。并加入了文字提示功能和语音提示功能，在恶劣的天气下司机和行人会得到语音的提示，如果当时环境的可见度较低，那么语音提示系统就会工作，使得司机和行人可以安全行驶和穿越马路。该交通控制系统在集中远程管理、人机界面等方面也有独到之处。

方案论证和比较

方案一：由PC机来实现系统的全部功能

个人电脑（PC机）对一些控制问题上的解决是非常容易的，可以通过各种数据采集装置和与其配套的计算机软件，来动态的对整个交通控制系统进行调整。但是要想实现远程控制比较困难，加上PC机的价格和远程传输设备的造价成本太高，所以不选择这种方案。

方案二：设计PLC路实现整套系统

虽然可编程逻辑控制器（PLC）的速度快，控制功能强大、结构灵活，集成度高，易扩展各种功能的特点。完成此交通控制系统只需很少的器件和时间。但是举办电子大赛的目的是为了锻炼我们的动手能力，因此我们没有选择使用PLC。

方案三：利用单片机实现整套系统

由于MCS系列单片机集成了几乎完善的中央处理单元，处理功能强，中央处理单元中集成了方便灵活的专用寄存器，硬件的加、减、乘、除法器和布尔处理机及各种逻辑运算和转移指令，这给我们利用单片机提供了极大的便利。单片机把微型计算机的主要部件都集成在一块心片上，使得数据传送距离大大缩短，运行速度更快，可靠性更高，抗干扰能力更强。由于属于芯片化的微型计算机，各功能部件在芯片中的布局和结构达最优化，工作亦相对稳定。因此，测控系统中，使用单片机是最理想的选择。单片机属于典型的嵌入式系统，所以它是低端控制系统最佳器件。单片机的开发环境要求较低，软件资源十分丰富，开发工具的和语言也大大简化。

对于本交通控制系统使用一片89C系列的单片机，不需要外扩展存储器，就能实现显示、预制状态、动态调节的功能，因而整体结构简单。再加上独立的语音系统就构成了完整的交通控制系统。单片机系统用LED显示倒计数时间和方向箭头，用LCD显示工作模式菜单，由键盘输入设定值或者计算机远程控制。

综合比较以上三种方案，我们选择最后一种。

系统设计

设计要求与整体规划

基础设计要求：

分模块设计每部分电路，要求各模块工作的可靠性好，抗干扰能力强，可扩展余地充足；模块与模块间要求独立性高。

系统规划：

我们将系统设计成可分离单独工作的主控制机与客户端的形式，但是和传统的C/S 模式不一样的是，每个终端机可以脱离主控制机而独立工作。即使主控制机停止工作，

或者由于某种原因不能正常工作，各终端机也可以照常稳定的工作。各个终端机负责管理路口的多个信号灯（我们只模拟4个方向）。为了方便我们称主控制机为主系统，各个终端机称为子系统。

根据以上的设计思路，控制系统的设计目标如下：

（1） 在保证不停机的情况下，允许由用户更改，使子系统进入所有可能的运行状态； （2）在保证不停机的情况下，可以由远程控制机更改，使各个子系统进入所有可能的运行状态。

模块说明：

图2 系统原理图

………… 图1 控制系统的总框图

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文字提示数字提示

一、主控制单片机

主控单片机采用一片Atmel 89C52。根据题目要求，充分利用了单片机灵活控制的优点，发挥其优势功能，采用单片机控制信号灯和语音的播放，提高了系统的灵活性，设置方便。利用单片机产生的时钟信号控制交通信号灯达到控制路口通行时间的效果。

为防止出现程序状态出现跳变或者死机情况，加入X25045看门狗系统。这种做法对于实际上长时间运行在恶劣状况的交通灯控制系统来说是十分必要的。它可以完成自动加载复位，省去人工调整的麻烦，可以做到无人职守。

二、信号显示

对于数字显示及灯控系统，我们使用串行移位寄存器4094。每3片为1组，其中的两个构成数码管的0~99秒的数字提示，第3个来控制信号灯的亮与暗。使用这样4组串行连接，这种布局设计便于我们PCB板的布局和制作，而且能够更形象的模拟出十字路口交通信号灯的分布。

我们采用了最新的方向箭头指示灯代替了传统的圆点灯，进一步提醒司机每一时刻可以行驶的方向和等待的时间；人行道上，我们也采用了更加形象的动态小人儿来提示行人此时的人行横道是否允许穿行。静止的红色小人儿表示不能行走，动态步行的绿色小人儿表示可以行走。

三、控制显示

使用液晶显示屏，通过程序实现使控制键成为软键的功能，程序状态可以通过控制键实时控制，液晶屏幕加入菜单功能，根据菜单指示可以方便的完成时间、状态的设定，模式选择，是否自动控制等功能。

具体菜单实现的功能如下：

Menu //菜单选择

Set Scheme // 设定某中方案

Set StatusLength // 设定某种状态

GoTo Status //强制到达某中状态

Lock Status // 选择是否锁定目前状态

Set Clock // 设定时钟

下图是菜单的各种不同状态：

五、串行口与计算机通信及计算机控制系统

通过串行口与计算机通信，使计算机可以远程控制实时监控信号灯的状态，从而实现了远程遥控。我们实现了计算机内的对话框式操作界面，通过串行通信协议，可以完全代替键盘和液晶屏控制，平常可以使用计算机来控制系统，另外在我们的操作界面上，可以同步清楚的显示目前交通信号灯系统的实时状态，可以监控信号灯系统，对出现的情况给予及时处理，做到时时交通畅通。

六、键盘

键盘由16个按键组成。

下面是键盘示意图：

七、环境条件检测器

环境检测器主要是对大气的湿度和光照度两个数据进行分析，当这两个参数都达到一定的检测值时，检测器就会向主控单片机发送一个脉冲，使得单片机可以控制语音系统发出语音来提示司机和行人。单独的对湿度检测，我们分析到青岛的平均湿度比较大，会造成其他地区使用本系统的错误判断；单独的使用光照度的检测，则在夜晚语音系统就会工作，发出错误的语音，误导司机和行人。所以为了更加准确的判断环境条件，我们采用了湿度和光照度同时检测的方案。例如：雪天，大气的湿度是可以肯定的，但是，下雪会使得光照度大大降低，因此可以使用语音系统。

八、语音提示系统

当天气出现例如大雾、雨雪恶劣情况时，可以根据主控单片机送来的信号播报语音信息。例如：“路面湿滑，请小心驾驶。祝你一路顺风！”我们选用ISD-1420芯片作为录入和播放芯片，语音信息可以由用户自己录制。可以录入的语音信息长度可达20秒。

系统功能的扩展与创新

对于路口信号灯的周期运行采用青岛市的繁华地段交通路口控制方案和南京宇码科技所设计的控制方案。

图3 键盘布局

在各个方向我们设置了文字提示系统，使司机和行人在等待的时间里可以了解到本地区或城市的一些相关内容，起到了大众化信息台的作用。

动听的语音提示也是我们设计的系统的独到之处，在大风、雨、雪、雾等恶劣天气下，使的司机和行人可以得到相应通行提示，免除了由于看不清信号灯对交通带来的不便。

增加串行接口通讯部分。计算机主控软件部分，可以与计算机同步通信完成实时通信同步、远程监视、远程遥控的功能。

采用多级菜单系统，做到界面友好。

系统控制实现原理

交通信号灯控制的基本原理

利用单片机定时器产生定时信号控制信号灯的显示和改变，以秒为记时单位，两位数码管以秒为单位按十进制倒计时计数定时显示，在倒计时时间走完之后完成换灯操作。可以通过键盘对A、B两条干道左转、右转和直行的红、黄、绿三色信号灯及人行道的红、绿信号灯所亮时间在0~99秒内任意设定。

在ROM中预制进入了8种状态的状态表，来存储机动车和人行道不同方向、不同颜色的信号灯亮与暗的信息，达到简化控制提高速度的目的。根据控制菜单可以人工设定任意一种状态作为起始状态或是下一个运行状态。运行中也可通过手动干预使十字路口通行状况固定于一种特定工作模式下。在这种状态下，时间显示器不进行倒计时，数码管以全亮全灭做闪烁显示，交通信号灯状态锁定不变，直到手动恢复正常的8种状态其中的一种。

8种状态的循环工作流程如下：

图4 信号灯工作状态流程图

对于信号灯的显示有如下几种方案：

显示顺序按照上图的８种状态依次周期性显示，信号灯可以从以上8种状态的任何一种开始工作。

倒计时器显示的数值表示与其配套的灯离进入下一个状态所剩的时间还有多少秒钟，倒计时器不能欺骗司机和行人，其数字必须按秒递减，不得跳变，甚至状态突变，以免造成交通事故。

如果出现了交通事故，可以将交通灯锁定在某个状态上，此时不进行倒计时。

倒计时器的归零跳变：

倒计时器到显示1以后，显示很短时间的零(0.25s)，然后换灯变到下一个与之相连续的状态，开始新的时间显示。

对信号灯的控制：

一天中，可以分2个时段设置2套控制方案。控制方案从1到2优先级依次降低。各方案相互独立。每个方案中，8种状态的显示时长都可以从0~99秒任意设定。信号灯不显示除上述8种状态以外的其他状态。

如果某个状态的时长被设为0秒，则不显示这个状态而直接显示此状态的下一个连续状态，依次类推。但是，不允许8种状态的时间都设为0秒。如果方案1时段不合适，则不论方案2时段如何设置，都将采用方案2。

对时长的设置：

可以通过键盘和串口指令设置各个状态的时长。因为倒计时器的显示不允许突变，所以新方案会在下一个周期里的状态1或状态5到来的时候被采用，因为只有这两个状态到来时，AB干道的计时器同时为0，此时才可以应用新方案。

在对A、B两条干道直行、左转和右转的红、黄、绿三色信号灯所亮时间的设定上可以分别设定三种灯的显示，但是如果设定的红灯时间不等于黄灯和绿灯时间之和的话，路口将出现混乱。使用如下公式计算，红灯时间可以不用设定：

（1）A干道直行红色灯所亮时间（从状态5，6，7，8）＝B干道直行绿灯所亮时间＋B干道直行黄灯所亮时间＋B干道左转、右转绿灯所亮时间＋B道左转、右转黄灯所亮时间；

（2）A干道直行红灯所亮时间（状态3）= A干道左转、右转绿灯所亮时间；

（3）A干道直行红灯所亮时间（状态4）= A干道左转、右转黄灯所亮时间；

（4）A干道左转、右转红灯所亮时间（状态5，6，7，8）＝B干道直行绿灯所亮时间＋B干道直行黄灯所亮时间＋B干道左转、右转绿灯所亮时间＋

B道左转、右转黄灯所亮时间；

（5）A干道左转、右转红灯所亮时间（状态1）= A干道直行绿灯所亮时间；

（6）A干道左转、右转红灯所亮时间（状态2）= A干道直行黄灯所亮时间；