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基于Proteus的智能交通灯设计与仿真实现论文
交通灯有两种，给机动车看的叫机动车灯，通常指由红、黄、绿（绿为蓝绿）三种颜色灯组成用来指挥交通通行的信号灯。给行人看的叫人行横道灯，通常指由红、绿（绿为蓝绿）二种颜色灯组成用来指挥交通通行的信号灯，红灯停，绿灯行。下面是我为你带来的 基于Proteus的智能交通灯设计与仿真实现论文，欢迎阅读。
摘要：针对现实中越来越严重的城市交通拥堵现象，文章介绍了一种十字路口交通信号灯智能控制系统。该系统实现了正常时段交通信号灯的轮换，解决了十字路口车辆的正常行驶；并可通过外部中断或手动设置解决一些紧急事件或由于某方向车道车流量不均衡所造成的十字路口交通资源浪费或堵塞问题。通过在Proteus 仿真平台中运行，系统具有较强的可靠性。
关键词：Proteus；智能交通灯；仿真实验
随着现代化社会经济的快速发展，城市车辆大幅度增加，交通拥挤、道路阻塞、车辆通行缓慢等问题受到了人们极大的关注，特别是早晚交通高峰时的十字路口，因此智能交通控制就显得尤为重要。传统的交通灯控制，是根据一定时间段的各车道车流量的调查而分配出的相对合理的固定周期换灯的控制方式，不管是车流高峰还是低谷；也有一些交通灯能根据简单划分的时间段来调整时间，但控制起来不是很灵活，这使得城市车流的调节不能达到最优，经常出现通行时间与车流量不相适应的'情况，特别是特定时间的十字路口，会出现某一方向车辆早已通行完，而另一方向车辆排队等绿灯的情况[1]。本文介绍的是一种采用8086 CPU和8259中断控制器配以7段数码管设计实现的十字路口智能交通灯控制系统，其能根据实时车流量对路口的绿灯时间进行动态调节，大大加强了其灵活性和实时性，并通过Proteus仿真软件平台实现了仿真。
一、总体设计方案
本文以十字路口单行车辆通行为研究对象，东南西北四个方向对应路口都设绿、红、黄三色圆灯信号（东西为一向，南北为一向），正常工作状态见表1，具体控制思想如下：（1）车辆流量的采集；（2）分析计算停止车辆排队长度，计算车流量比值，以1为基值判断双方车流量大小；（3）车辆输出量确认，根据各个方向车辆排队长度给定每个路口的红、绿灯时间值；（4）根据比值，增减另一方向车辆红、绿灯时长；（5）以3秒钟为单位，最大变化不超过18秒；（6）检测采用每周期循环一次，从而实现对整个信号灯的智能控制。
按照此思想，系统主要包括6个模块，如图1所示。以8086 CPU为主控制器，控制其他模块协调工作。其中信号灯模块显示各车道的通行情况；数码管倒计时模块显示信号灯燃亮时间；闯红灯报警模块实时监测车辆违规行为；紧急通行模块用于处理非正常通行，以外部中断方式控制[2]；时间手动设置模块以通过键盘进行手动设置，增加人为的可控性，用于在紧急状态下，通过设置所有灯变为红灯以避免自动故障和意外发生。
二、Proteus仿真设计
仿真平台简介。Proteus是英国Labcenter electronics公司研发的多功能EDA软件，其由ISIS原理图编辑与仿真软件包和ARES布线编辑软件包组成，是目前世界上唯一将电路仿真、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台。Proteus SP3以上的版本中增加了对8086 CPU及相关接口芯片的仿真功能。另外，Proteus还提供有示波器、逻辑分析仪、信号发生器、交直流电压/电流表、数字图案发生器、定时器/计数器、逻辑探头、虚拟终端等很多虚拟仪器，是一个全开放性的仿真实验平台，相当于一个设备齐全的综合性实验室。本文介绍所使用的为Proteus 软件。Proteus本身未提供8086编译器，而是通过添加外部代码编译器，将编写好的源程序加入工程，编译并生成可执行程序。本文介绍的采用EMU8086提供的编译环境进行程序的编写和汇编。EMU8086是一可在Windows环境下运行的8086 CPU汇编真软件，其集成了文本编辑器、编译器、反编译器、真调试、虚拟设备和驱动器为一体。Proteus仅支持8086最小模式，8086模型可直接加载BIN、COM和EXE格式的文件到内部RAM中，不需要DOS，而且允许对Microsoft（Codeview）和Borland格式中包含了调试通过的程序可以进行源程序或反汇编后的调试，因此源码汇编和链接过程的参数相当重要[3]。
2.信号灯电路设计。信号灯组由红、黄、绿三色灯组成，4组共12盏灯，其亮灭及闪烁方式与十字路口的红、黄、绿灯同步，由8255A芯片的A口通过方式0控制6个开关量（12盏灯）；七段数码管采用共阴极接法，由8255A芯片的B口通过方式0输出控制，其中低四位控制个位显示，高四位控制十位显示。8259中断控制器的IR0接8253的OUT2，实现对于紧急情况的外部中断处理。譬如控制红绿信号灯，实现相应车道通行、另一车道禁行，同时熄灭所有的数码管；或者遇有某方向路段忙时，信号灯的燃亮时间可根据车流量情况设置时间。
3.软件设计。程序主要包括“jjsj”和“zcsj”两个子程序。系统正常运行都在执行“zcsj”子程序，初始化十字路口的交通信号灯状态及燃亮时间，启动8253定时器数码管开始倒计时。在倒计时期间，当遇有某方向车辆特别多或遇忙等其他紧急情况时，通过外部中断请求执行“jjsj”子程序模块。绿灯倒计时完毕后，转换黄色信号灯，持续到规定时间后，东西和南北方向路口信号灯互换，如此一直循环运行[4]。程序设计流程如图2所示。
三、Proteus仿真实现
初始化。从图3所示的硬件原理图得知，8255A芯片的片选端连接在74HC154译码器的输出端，74HC154的4个引脚D、C、B、A分别与锁存器74LS273输出的A12、A11、A10、A9相连，当A12、A11、A10、A9=0001时8255A有效，所以8255A的4个端口地址分别为0200H、0202H、0204H、0206H；初始化方式选择控制字为89H（A、B口方式0输出，C口方式0输入）。
2.实际问题处理。①定时时间的动态调整。定时时间设计为倒计时，用两位七段数码管显示，倒计时小于等于5秒时黄灯每秒亮和灭切换一次，倒计时显示0秒时两个方向的红色灯和绿色灯切换。定时时间可以通过软件设计实现动态调整。方法为：将8253A计数器0工作在方式2，CLK0接2MHZ的时钟频率，设一计数初值（假设为2000），OUT0接CLK1，8253计数器1工作在方式0，设一计数初值（假设为500），则OUT1的输出频率为：2MHZ/2000/500=2HZ脉冲，相应周期为秒。根据实际路况，通过改变计数初值可调整倒计时间。②时间差异。Proteus中利用8253A表示的时间和真实时间有差异，设定的时间比实际时间要长很多。所以，在仿真实验中为了看到与实际相符的交通灯变化，本应是秒的时间需在源程序中将延时时间设置为秒，这样运行起来更贴近实际[5，6]。
3.仿真效果。如图4所示为东西路口绿灯燃亮，南北路口红灯燃亮倒计时运行在18秒时的仿真结果图。
本系统以8086 CPU为核心，程序调试阶段采用EMU86进行在线编程及修改，设计的交通灯可控制十字路口的车辆及行人的交通管理，采用3个7段数码管，可以直观地显示红绿灯的开放和关闭时间。实际交通中的每个路口不完全一样，所以交通灯显示也没有固定规则，通常会根据具体情况设置相应的程序。由于Proteus没有提供箭头标志，本系统按单行道设计，指示灯不是专门的箭头指向灯，只是红、黄、绿三色圆灯信号灯，所以系统只考虑并实现了简单的十字路口交通行驶，即红灯亮时不能直行也不能左转，但可以右转；绿灯亮时，直行、左转、右转都可以，当遇有某方向车辆多或其他紧急情况时，通过中断可加以灵活性控制[7]。另外，系统在实现了十字路口基本的交通灯控制基础上，还引用了外部中断技术和时间手动设置，这可避免因无序和抢行等无控制原因造成的不必要阻塞甚至瘫痪情况发生。Proteus从V8版本开始支持ARM/Cortex-M3，这样，将会给交通灯系统增添更多现代化功能。
参考文献：
[1]李萍.基于AT89S51的智能交通灯控制系统设计与仿真[J].电子设计工程，2014，22（01）：190-193.
[2]王维松，等.十字路口智能交通灯控制系统的FPGA实现[J].电子科技，2012，25（9）：37-39，44.
[3]顾晖，陈越，梁惺彦，等.微机原理与接口技术-基于8086和Proteus仿真[M].北京：电子工业出版社，2011：110-135
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[5]温志达，梁桂荣.基于车流量的智能交通灯控制系统[J].自动化技术与应用，2009，28（6）：115-118.
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[7]赵金亮.自适应交通路口控制系统设计与实现[J].太原理工大学学报，2013，44（4）：531-535.
北极豆豆鱼
用PLC实现智能交通控制 1 引言 据不完全统计，目前我国城市里的十字路口交通系统大都采用定时来控制(不排除繁忙路段或高峰时段用交警来取代交通灯的情况)，这样必然产生如下弊端:当某条路段的车流量很大时却要等待红灯，而此时另一条是空道或车流量相对少得多的道却长时间亮的是绿灯，这种多等少的尴尬现象是未对实际情况进行实时监控所造成的，不仅让司机乘客怨声载道，而且对人力和物力资源也是一种浪费。 智能控制交通系统是目前研究的方向，也已经取得不少成果，在少数几个先进国家已采用智能方式来控制交通信号，其中主要运用GPS全球定位系统等。出于便捷和效果的综合考虑，我们可用如下方案来控制交通路况:制作传感器探测车辆数量来控制交通灯的时长。具体如下:在入路口的各个方向附近的地下按要求埋设感应线圈，当汽车经过时就会产生涡流损耗，环状绝缘电线的电感开始减少，即可检测出汽车的通过，并将这一信号转换为标准脉冲信号作为可编程控制器的控制输入，并用PLC计数，按一定控制规律自动调节红绿灯的时长。 比较传统的定时交通灯控制与智能交通灯控制，可知后者的最大优点在于减缓滞流现象，也不会出现空道占时的情形，提高了公路交通通行率，较全球定位系统而言成本更低。 2 车辆的存在与通过的检测 (1) 感应线圈(电感式传感器) 电感式传感器其主要部件是埋设在公路下十几厘米深处的环状绝缘电线(特别适合新铺道路，可用混凝土直接预埋，老路则需开挖再埋)。当有高频电流通过电感时，公路面上就会形成如图1(a)中虚线所形成的高频磁场。当汽车进入这一高频磁场区时，汽车就会产生涡流损耗，环状绝缘电线的电感开始减少。当汽车正好在该感应线圈的正上方时，该感应线圈的电感减到最小值。当汽车离开这高频磁场区时，该感应线圈电感逐渐复原到初始状态。由于电感变化该感应线圈中流动的高频电流的振幅(本论文所涉及的检测工作方式)和相位发生变化，因此，在环的始端连接上检测相位或振幅变化的检测器，就可得到汽车通过的电信号。若将环状绝缘电线作为振荡电路的一部分，则只要检测振荡频率的变化即可知道汽车的存在和通过。 电感式传感器的高频电流频率为60kHz，尺寸为 2×3m，电感约为100μH.这种传感器可检测的电感变化率在％以上[1，2]。 电感式传感器安装在公路下面，从交通安全和美观考虑, 它是理想的传感器。传感器最好选用防潮性能好的原材料。 (2) 电路 检测汽车存在的具体实现是在感应线圈的始端连接上检测电感电流变化的检测器, 并将之转化为标准脉冲电压输出。其具体电路图由三部分组成:信号源部分、检测部分、比较鉴别部分。原理框图如图2所示, 输出脉冲波形见图1(b)。 (3) 传感器的铺设 车辆计数是智能控制的关键，为防止车辆出现漏检的现象，环状绝缘电线在地下的铺设我们设采取在每个车行道上中的出口地(停车线处)以及在离出口地一定远的进口的地方各铺设一个相同的传感器，方案如图3(以典型的十子路口为例)，同一股道上的两传感器相距的距离为该股道正常运行时所允许的最长停车车龙为好。 3用PLC实现智能交通灯控制 控制系统的组成 车辆的流量记数、交通灯的时长控制可由可编程控制器(PLC)来实现。当然，也可选用其他种类的计算机作为控制器。本例选用PLC作为控制器件是因为可编程控制器核心是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有高可靠性丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力;它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程;它采用模块化结构，编程简单，安装简单，维修方便[3]。 利用PLC，可使上述描叙的各传感器以及各道口的信号灯与之直接相连，非常方便可靠。 本设计例中,PLC选用FX2N-64，其输入端接收来自各个路口的车辆探测器测得的输出标准电脉冲，输出接十字路口的红绿信号交通灯。信号灯的选择:在本例中选用红、黄、绿发光二极管作为信号灯(箭头方向型)。 车流量的计量 车流量的计量有多种方式: (1) 每股行车道的车流量通过PLC分别统计。当车辆进入路口经过第一个传感器1(见图3)时，使统计数加1，经过第二个传感器2出路口时，使统计数减1，其差值为该股车道上车辆的滞留量(动态值)，可以与其他道的值进行比较，据此作为调整红绿灯时长的依据。 (2) 先统计每股车道上车辆的滞留量，然后按大方向原则累加统计。如，将东西向的(见图3)左行、直行、右行道上的车辆的滞留量相加，再与其它的3个方向的车流量进行比较，据此作为调整红绿灯时长的依据。 (3) 统计每股车道上车辆的滞留量后按通行最大化原则(不影响行车安全的多道相向行驶)累加统计。如，东、西相向的2个左行、直行、右行道上的车辆的滞留量全部相加，再与南北向的总车流量进行比较，据此作为调整红绿灯时长的依据(下面的例子就是按此种方式)。 以上计算判别全部由PLC完成。可以把以上不同计量判别方式编成不同的子程序，方便调用。 程序流程图 本例就上述所描述的车流量统计方式,就图3中的十字路口给出一例PLC自动调整红绿灯时长的程序流程图如图5所示，其行车顺序与现实生活中执行的一样[4]，只是时间长短不一样。 (1) 当各路口的车辆滞留量达一定值溢满时(相当于比较严重的堵车)，红绿灯切换采用现有的常规定时控制方式; (2) 当东、西向路口的车辆滞留量比南、北向路口的大时(反之亦然)，该方向的通行时间=最小通行定时时间＋自适应滞环比较增加的延时时间(是变化的)，但不大于允许的最大通行时间。其中最小定时时间是为了避免红绿灯切换过快之弊;最大通行时间是为了保障公平性，不能让其它的车或行人过分久等。进一步的说明在后面的注释中。 (3) 自适应滞环比较(本例的核心控制规律)增加的时间的确定若东、西向车辆滞留量≥南、北向一个偏差量σ(如30辆车或其它值)时，先让东、西向的左转弯车左行15s(定时控制，值可改)，再让直行车直行30s(直行时间的最小值，值可改)后再加一段延时保持，直至东、西向的车辆滞留量比南、北向的车辆滞留量还要少一个偏差量σ，才结束该方向的通行，切换到其它路上，否则一直延时继续通行下去，直至到达最大通行时间而强制切换。滞环特性如图6所示。实际应用时σ的值需整定，过小则导致红绿灯切换过频，过大又不能实现适时控制。 流程图注释 (1) 流程图中的15s、30s、75s等时间分别为交管部门定的车辆左转弯时间、直行最小时间、允许的最大通行时间;σ为车流量的偏差量。以上值及其4个路口车流量的满溢值均可在程序初始化中任意更改。 (2) 车辆左转弯是造成交通堵塞很重要的一个方面，应加以适当限制，故车辆左转弯始终采用最小定时控制，以减小系统的复杂程度，提高可靠性。 (3) 车辆通行的时间中包含绿、黄灯闪烁的时间，红、黄、绿各灯的切换与现用的方式相同，不再赘述。 (4) 人行道的红绿灯接线与现用的方式相同，其绿灯点亮的时刻与该方向车辆直行绿灯点亮的时刻同步一致，但要较车辆直行绿灯提前熄灭，采用定时控制，如绿灯定时亮18s。其目的是不让右转弯车辆过分受人行道灯的限制。若人车分流，右转弯车辆不受限制。较简单，流程图中略。 (5) 车流量的计量是不间断的，与控制呈并行关系，该系统属多任务处理，编程尤其应注意。 4 结束语 比较传统的定时交通灯控制与智能交通灯控制，可知后者的最大优点在于减缓滞流现象，也不会出现空道占时的情形，提高了公路交通通行率，较全球定位系统而言成本更低，特别适合繁忙的、未立交的交通路口，更适合于四个以上的路口，也可方便连网。 参考文献 [1] 黄继昌等. 传感器工作原理及应用实例[M]. 北京:人民邮电出版社,1998. [2 ]张万忠. 可编程控制器应用技术[M]. 北京:化学工业出版社,2001. [3] 英.索尔特. 道路交通分析与设计[M]. 张佐周等译. 北京:中国建筑工业出版社,1982. 不是很完整，您可以拿去做借鉴， 希望对您有帮助。
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