智能红绿灯

制作：李晨阳 指导老师：杨旭东
主要内容
一、研究的背景及意义 二、设计方案 三、节能分析 四、设计的创新 五、应用前景
一、研究的背景及意义
随着现代社会经济的高速发展，人 们对于车辆的需求越来越高，道路的 交通拥堵问题越来越严峻。而现在的 红绿灯系统通行时间格式化，不能随 着车流的变化而改变自身的配时，所 以在一些大型的交通路口，车辆拥堵 问题越来越严重。拥堵期间，车辆低 速行进，即浪费能源，又污染环境。
定时设计
由于MC9S12XS128有专门的定时 模块，赋值TSCR2寄存器。而定 时器通过中断溢出中断次数来进行 定时。它涉及到分频因子p，溢出 中断间隔t，总线频率f和计数寄存 器的值n得取值。定义初始化代码 如下：
void PitInit(void) { PITCFLMT_PITE=0; //disable PIT PITCE_PCE0=1; //enable timer channel 0 PITMTLD0=255; //time base 160 clock cycles ,it's 0.1M Hz PITMUX_PMUX0=0; // ch0 connected to micro timer 0 PITLD0=31250-1; //INTVERAL micro time bases PITINTE_PINTE0=1; //enable interupt channel 0 PITCFLMT_PITE=1; //enable PIT }
为了实现上述相位及相序的设计，本系统的软件编写 采用C语言编写，对于相位及相序的实现采用实现定义 二维数组存储四相位所需要的22个步伐，再通过MCU送 出一组数据来选择相序，最终实现控制。部分代码如下： • void SendInit(void) { • DDRB=0XFF; • DDRA=0XFF; • DDRE=0XFF; • DDR1AD0=0XFF; • for (j=0;j<4;j++){ • PT1AD0=le[j]; • PORTE=select[j]; • PORTA=dataA[j][m]; • PORTB=dataB[j][m]; • }
三、节能减排分析
我们将机动车驾驶状况划分为怠速、匀速、 加速和减速四种驾驶模式，并按照各驾驶 模式建立对应油耗排放模型。 为了便于研 究，假设各模式的油耗排放是相互独立的， 且总油耗排放等于各模式的油耗排放之和。 模型的基本公式[1]表示： F=f1s+f2t+f3n+f4n [1]
(1)其中：F为行驶区间的总油耗或排放 （mL）；s为匀速行驶的距离（m）；t 为车辆的怠速时间（s）；n为车辆的停 车次数；f1为车辆匀速行驶时的油耗因子 （ml/m）；f2为车辆怠速时的油耗因子 （ml/s）；f3为车辆每次加速的油耗 （ml）；f4为车辆每次减速的油耗 （ml）。车辆在等待红灯时可看做怠速 状态，不同类型的车辆怠速油耗不同，平 均油耗约为1L/h。
相位、相序及配时设计
相位方案设计是信号设计的第一步， 它直接影响交叉口交通流的安全性， 以及交叉口的延误、通行能力等各项 运行效益。美国道路通行能力手册 HCM早己提出:“信号设计中最为关键 的问题是选择一个适当的信号相位方 案”。
配时设计是在相位方案设计的基础上进 行的，根据进口车道配置，交通流情况 来求解最优配时方案，最终达到提高交 叉口实际通行能力、减少车辆通过交叉 口的延误的目的。只有在充分研究和采 用最佳相位方案的前提下，利用配时参 数优化模型，才能得到真正的最优控制 方案，即最优解。
五、应用前景
据统计全北京有近百万的车辆，每辆 车每天在路口堵塞时间超过半个小时， 因路口堵塞所消耗的汽油可以达到十 几吨，因此通过智能交通解决路口拥 堵问题，来达到节能减排的效果是必 不可少的，是现代社会的发展趋势。 机动车辆的急剧增长与有限的城市道 路现状之间的矛盾越来越突出。
另据统计机动车尾气排放已成为 城市大气的主要污染源。目前在 我国一些大城市中机动车污染物 排放占大气污染物的比重在60% 左右。因此，加大智能交通建设 力度，最大限度地挖掘道路资源 潜力，节约能源，降低排放，从 而发挥城市路网的整体效益成为 必然选择。
二、设计方案
配时处理
检测车流
单片机 MC9S12 XS128
信号灯
MC9S12XS128
硬件设计
对于硬件设计分为四个主要的 模块： ①信号灯模块 ②定时模块 ③通信模块 ④电源模块
信号灯模块
• 通过MC9S12XS128的PA和PB口 输出的信号作为红绿灯信号灯的信 号，经过74LS373的锁存效应可以 完全锁住信号，让信号可以实现红 -绿-黄之间的转换。
The end
ห้องสมุดไป่ตู้
通过仿真具体参数如下：
据统计通过智能红绿灯系 统，可以使每辆车每天在路 口等待时间减少10分钟。北 京是大约有200多万辆车， 平均每天行驶能达到几十多 万辆。每辆车怠速油耗大约 为1L/h.这样算下来平均每 天能减少近吨汽油的消耗。
交通拥挤造成高峰时段机动车车速 度十分缓慢。在这种状况下，汽车 不得不频繁启动和长时间低速行驶， 汽车发动机燃料燃烧不充分，废气 排放量增大。环境专家介绍，车辆 行驶速度在25公里以下时的排污， 是时速50公里时的2倍以上。通过智 能红绿灯也可以大大减少尾气的排 放。
由于需要在不同时刻锁住PA口和PB口输出 。 的信号，所以选74LS138经过PE输出锁存 信号来实现路口信号灯的锁存。74LS138 的管脚图如下图所示
定时模块
由于MC9S12XS128芯片有专门 的定时模块，同时选用的是 16MHZ的晶振。在芯片主体原 理图基础上不需要加改动，而 具体定时功能在下面软件功能 中详细介绍。
软件及算法设计
• 本设计采用四相位控制，相位是指通行权的 需求与给予。相位是在一个信号周期内同时获 取通行权的一组交通流，一个相位既可以表示 机动车的通行权也可以表示行人的通行权，且 这两个通行权是一致的。而四相位控制就是把 东西直行、东西左转、南北直行、南北左转作 为控制量。典型的四相位控制图如下：
四、设计的创新
本系统采用MC9S12XS128芯片，是 智能的，可编程的双核微处理器，同 时也可以进行中断处理及通信和数据 预处理。 利用设计的最小系统原理图，完全可以 实现本系统功能的实现，利用最小的 成本，就可以满足系统的要求。
本系统最大的创新就是在于可以通过接收 到上位机传输到的交通路口车流量的信息， 发送一组配时数据，可以实时的改变配时方 案，这样就可以实现智能控制，保证交通路 口的完全利用。 而传统的交通灯的配时只是固定的时间， 这样就容易一面路口畅通，另一面路口拥堵。 通过本次系统就可以改变这种现状，在 一面路口拥堵，就可以发送车流信息到 MCU中，改变配时方案。实现路口的畅通 无阻。
通信模块
MC9S12XS128有专门的SCI通信模块。 但需要外围电路RS485和RS232的配 合来实现PC与MCU之间的通信，这 样就可以使用PC发送一组数据，让 MCU接收到数据来改变配时效果。
RS485电路图
电源模块
本系统需要5V的电源供电，采用LM2576 电源模块来提供电源，具体电路图如下