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基于模糊控制的智能交通灯

1绪论1

1.1交通灯研究的背景和意义1

1.2国内外交通灯研究的发展概况1

2系统的总体方案设计与分析3

2.1交通灯总体设计的描述3

2.2交通灯控制系统的工作原理4

2.2.1十字路口调度系统模糊控制器的设计4

2.2.2路口管理系统模糊控制器5

2.2.3十字路口车辆通行模式8

2.2.4交通灯的工作原理8

3系统硬件电路设计9

3.1单片机最小系统外围电路9

3.1.1AT89S51芯片内部结构9

3.1.2AT89S51单片机主要引脚功能10

3.1.3看门狗电路13

3.1.48255A芯片简介13

3.1.574LS373简介14

3.2显示电路15

3.2.1时间显示电路的设计15

3.2.2红绿灯的显示电路16

3.3车流量检测电路17

3.4紧急车通行电路18

4系统软件设计18

4.1软件总体设计思想18

4.2软件主要模块程序流程图18

4.2.1系统初始化程序18

4.2.2模糊控制器程序20

4.2.3系统显示模块程序设计20

4.2.4紧急状态控制模块21

5总结与展望21

参考文献23

附录24

外文资料25

中文译文31

致谢35

摘要

随着经济的发展，城市现代化程度不断提高，交通需求和交通量迅速增长，城市交通网络中交通拥挤日益严重，道路运输所带来的交通拥堵、交通事故和环境污染等负面效应也日益突出，逐步成为经济和社会发展中的全球性共同问题。

本系统采用MSC-51系列单片机和可编程并行I/O接口芯片8255A为中心器件来设计交通灯控制器，进行交通路口的管理。

它用简单的硬件电路模拟交通信号灯的交替变换，实现红绿灯循环点亮，用LED数码管作为倒计时指示。

本次设计中增加了车流量检测电路，运用模糊控制算法来自动调整红绿灯时间，实时的控制当前交通灯时间使LED显示器进行倒计时工作并与状态灯保持同步，在保持交通安全的同时最大限度的提高交通能顺畅交替运行，大大提高交通运输的运行效率，还可以减少交通事故，节省能源消耗，具有巨大的现实意义。

关键词：

路口管理；模糊控制；51单片机；车流量检测;交通灯

ABSTRACT

Withthedevelopmentofeconomyandtheimprovementofurbanmodernizationlevel,thedemandoftrafficandthenumberofcarshavebeengrowingrapidly.Asthetrafficcongestion,trafficaccidentsandenvironmentpollutionhasbecomemoreobvious,that,ithasbecometheglobaleconomicandsocialproblem.

ThissystemusesMSC-51seriesmicrocontrollerand8255Atodesignthetrafficcontrollertomanagethetrafficroad.Itusessimplehardwarecircuittosimulatethealternativetransformationofthetrafficlightsandtorealizethecircularilluminationofthelights.WeusetheLEDasthecountdowninstructions.Inthisproject,weaddthetrafficdetectioncircuit,whichusesthefuzzycontrolalgorithmtochangethetimeofthetrafficlightsautomaticallytocontrolthetrafficlightstime.ThisdesigncanmakesurethattheLEDkeepsthepacewiththestatelamp.Whatismore,whileitcankeepthetrafficsafe,atthesametime,itcanmakethetrafficrunningsmoothly,operationefficient,andalsocanreducethenumberoftrafficaccidents,saveenergyconsumption.Aboveall,thissystemhasgreatrealisticsignification.

Keywords:

Intersectionmanagement;Fuzzylogiccontrol;MCU51;trafficdetection;Trafficlight

1绪论

1.1交通灯研究的背景和意义

随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。

人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。

城市交通控制系统是用于城市交通数据检测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。

交通灯是城市经济活动的命脉，对城市经济发展、人民生活水平的提高起着十分重要的作用。

城市交通问题是困扰城市发展、制约城市经济将设的重要因素。

城市道路增长的有限与车辆增加的无限这一对矛盾事故导致城市交通拥挤的根本原因。

城市街道网络上的交通容量的不断增加，表明车辆对道路容量的要求仍然很高，短期内还不可能改变。

自从开始使用计算机控制系统后，不管在控制硬件里取得什么样的实际发展，交通控制领域的控制逻辑方面始终没能取得重大突破。

可以肯定的说，对于减轻交通拥塞及其副作用特别是对于大的交通网络而言，仍然缺乏一种真正的交通响应控制策略。

计算机硬件能力与控制软件能力很不相符，由此造成的影响是很多交通控制策略根本不能实现。

在少数几个例子中，一些新的控制策略确实能得以实现，但他们却没能对早期的控制策略进行改进。

由于缺乏能提高交通状况、特别是缺乏拥塞网络交通状况的实时控制策略，几乎可以说真正成熟的控制策略仍然不存在。

智能化和集成化是城市交通信号控制系统的发展趋势和研究前沿，而针对交通系统规模复杂性特征的控制结构和针对城市交通瓶颈问题并代表智能决策的阻塞处理则是智能交通控制优化管理的关键和突破口。

因此，研究基于智能集成的城市交通信号控制系统具有相当的学术价值和实用价值。

把智能控制引入到城市交通控制系统中，未来的城市交通控制系统才能适应城市交通的发展[1]。

从长远来看，该研究具有巨大的现实意义。

1.2国内外交通灯研究的发展概况

交通问题已经日益成为世界性的难题，城市交通事故、交通阻塞和交通污染问题愈加突出。

为了解决车和路的矛盾，常用的有两种方法：

一是控制需求，最直接的办法就是限制车辆的增加；二是增加供给，也就是修路。

但是这两个办法都有其局限性。

交通是社会发展和人民生活水平提高的基本条件，经济的发展必然带来出行的增加，而且在我国汽车工业正处在起步阶段的时期，因此限制车辆的增加不是解决问题的好方法。

而采取增加供给，即大量修筑道路基础设施的方法，在资源、环境矛盾越来越突出的今天，面对越来越拥挤的交通，有限的源和财力以及环境的压力，也将受到限制。

这就需要依靠除限制需求和提供道路设施之外的其他方法来满足日益增长的交通需求。

交通系统正是解决这一矛盾的途径之一。

智能交通系统是将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、电子控制技术及计算机处理技术等有效的集成运用于整个地面交通管理系统而建立的一种在大范围内、全方位发挥作用的实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。

对城市交通流进行智能控制，可以使道路畅通，提高交通效率。

合理进行交通控制可以对交通流进行有效的引导和调度，使交通保持在一个平稳的运行状态，从而避免或缓和交通拥挤状况，大大提高交通运输的运行效率，还可以减少交通事故，增加交通安全，降低污染程度，节省能源消耗，本文就是通过对交叉路口交通信号的智能控制，达到优化路口交通流的目的[2]。

交通系统作为一个时变的、具有随机性的复杂系统，传统的人为设定多种方案或是建立各种预测模型均比较困难。

城市交通控制研究的起源比较早。

1868年，英国伦敦燃汽信号灯的问世，标志着城市交通控制的开始。

1913年，在美国俄亥俄州的Cleveland市出现了世界上最早的交通信号控制。

1926年美国的芝加哥市采用了交通灯控制方案，每个交叉口设有唯一的交通灯，适用于单一的交通流。

从此，交通控制技术和相关的控制算法得到了发展和改善，提高了交通控制的安全性、有效性，并减少了对环境的影响。

进入20世纪70年代，随着计算机技术和自动控制技术的发展，以及交通流理论的不断完善，交通运输组织与优化理论和技术水平不断提高，控制手段越来越先进，形成了一批商水平有实效的城市道路交通控制系统。

早在1977年，Pappis等人就将模糊控制运用到交通控制上，通过建立规则库或是专家系统对各种交通状况进行模糊控制，并取得了很好的效果。

近年来，欧美日本等相继建立了智能交通控制系统。

在这些系统中，大部分都在路口附近安装磁性环路检测器，还使用了新型检测器等技术和设备。

这些现代化设备技术加上控制理论和现代化科学管理技术，使得交通控制系统日益完善。

随着一些研究控制理论的学者投身到交通控制的研究中，在交通信号控制领域提出了一些新方法、新思路。

如静态多段配时控制、准动态多段配时控制、最优控制、大系统递阶控制、模糊控制、神经网络控制，网络路由控制等。

模糊交通控制已经成为了交通信号控制的主流方向之一。

虽然模糊控制能有效处理模糊信息，但是产生的规则比较粗糙，利用规则表查表进行控制，运算速度虽然比较快，但没有自学习功能。

而且这些研究有些以相序固定为前提。

不能保证相序与实际交通流状况的一致性，影响了绿灯时间的利用率。

有些研究则提出了可变相序的模糊控制方法，提高了绿灯时间的利用率，弥补了相序固定的缺点，但同时也存在一些不足。

例如目前应用比较好的交通系统：

SCOOT（经典交通系统），他们都是主要采用统计模型和经典算法。

但城市交通系统是一个复杂的、随机性很强的巨型系统，要想建立实用性较强的数学模型是十分困难。

利用模糊控制智能控制技术进行交叉口信号灯控制能取得比定时控制与感应控制更好的效果，是今后单交叉路口信号灯控制的主要研究方向[3]。

目前，国内的交通灯一般设在十字路门，在醒目位置用红、绿、黄三种颜色的指示灯。

加上一个倒计时的显示计时器来控制行车。

对于一般情况下的安全行车，车辆分流尚能发挥作用，但根据实际行车过程中出现的情况，还存在缺点：

两车道的车辆轮流放行时间相同且固定，在十字路口，经常一个车道为主干道，车辆较多，放行时间应该长些；另一车道为副干道，车辆较少，放行时间应该短些。

2系统的总体方案设计与分析

2.1交通灯总体设计的描述

目前设计交通灯的设计方案有很多，有应用CPLD实现交通信号灯控制器的设计，有应用PLC设计实现对交通灯控制系统，同时还有应用单片机实现对交通灯设计的方法。

针对道路拥挤，交叉路口经常出现拥堵的现象，我们提出利用单片机控制技术，采用软件和硬件结合的方案，以及一些改进措施，实现可以根据各道路口车流量来自动调节通行时间的交通灯控制系统。

由于AT89S51单片机自带有2个定时计数器，5个中断源，能满足系统的设计要求。

用单片机设计不但涉及简单，而且成本低。

用其设计的交通灯能满足要求，所以本文采用单片机设计十字路口的交通灯。

本系统设计是基于模糊控制理论的单片机控制交通灯系统。

采用AT89S51单片机作控制器。

根据实际生活中十字路口红绿灯交替变换的特点，本系统的硬件电路主要由单片机控制电路、车流量检测电路以及时间和红绿灯显示电路。

为了使十字路口在最短的时间内达到最大的车流量，即达到最佳的性能和最高的效率，我们采用在各个路口检测过往的车流量，通过车流量来决定红绿灯的点亮时间。

当前比较流行的车流量检测器件就是一种自感式的车辆传感器。

它的工作原理是当车辆经过传感器时，引起其自感的变化。

考虑到毕业设计的资金和时间问题，本系统采用一种手动的操作方式，即车流量的检测电路用拨断开关代替。

本系统结合生活实际，主要实现人行道、车辆直行、车辆左转和右转、紧急情况处理、根据车流量自动调整时间等功能。

红灯亮表示车辆、行人禁止通行，绿灯亮表示车辆行人可以通过。

通行倒计时显示采用LED数码管，通行指示灯采用发光二极管，LED显示采用动态动态扫描，以节省端口数。

特殊紧急车辆通行采用实时中断完成。

车流量变大时，可通过模糊控制结果（本系统中采用拨断开关）来改变十字路口的各个方向的通车时间，使交通更顺畅，减少堵塞。

按以上系统要求设计，该系统具有电路简单，设计方便，耗电较少，可靠性高等特点。

紧急情况用外部中断INTO控制，紧急情况结束后，再发一个终端来恢复以前的状态。

根据以上介绍，得到系统硬件框图如图2.1所示。

图2.1系统硬件框图

2.2交通灯控制系统的工作原理

2.2.1十字路口调度系统模糊控制器的设计

1.模糊控制系统的结构

模糊控制能避开对象的数学模型（微分、状态、传递函数等）。

可以说模糊控制器是一种语言变量的控制器。

模糊控制系统的示意图如图2.2所示，图中，虚线框中为模糊控制器。

其中yr为系统设定值，y为系统输出值，它们都是清晰量。

e和ui也是清晰量，E和U是模糊量。

从图2.2可看出，模糊控制器的输入是系统的偏差量e，在计算机控制系统中它具有确定值数字量。

经过模糊化处理，用模糊语言E来描述偏差，若以T（E）记作E的语言集合，则有

T（E）=（NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB）

上式表示将E分为7段，其中：

NB负大（negativebig）NM负中（negativemedium）

NS负小（negativesmall）ZE零（zero）

PS正小（positive）PM正中（positivemedium）

PB正大（positivebig）

图2.2模糊控制系统结构

（1）模糊化

模糊化是将模糊控制器输入量的确定值转换为相应模糊语言变量值的过程，此相应语言变量值均由对应的隶属度来定义。

（2）模糊推理

模糊推理包括三部分：

大前提、小前提和结论。

大前提是多个多维模糊条件语句，构成规则库；小前提是一个模糊判断句，又称事实。

以已知的规则库和输入变量为依据，基于模糊变换推出新的模糊命题作为结论的过程叫做模糊推理。

（3）清晰化

清晰化是将模糊推理后得到的模糊集转换为用作控制的数字值的过程[4]。

2.模糊控制器的特点

与传统的控制器相比，，模糊控制有以下特点：

（1）适用于不易获得精确数学模型的被控对象，其结构参数不是很清楚或难以求得，只要求掌握操作人员或领域专家的经验或知识。

（2）模糊控制是一种语言变量控制器，其控制规则只用语言变量形式定性的表达，构成了被控对象的模糊模型。

在经典控制中，系统模型是用传递函数来描述的；在现代控制领域中，则用状态方程来描述。

（3）系统的鲁棒性强，尤其适用于非线性、时变、滞后系统的控制[5]。

2.2.2路口管理系统模糊控制器

一般情况下，红绿灯设在十字路口或在多干道德岔口上，目的是为了调整岔口的交通秩序。

而且，目前国内使用的红绿灯都是固定的工作时间，并且自动切换。

红灯时间和绿灯时间是根据道口东西向和南北向的车流量。

利用统计方法确定的。

但是，实际上不同时刻的车辆流通状况是十分复杂的，是高度非线性的、随机的，还经常受人为因素的影响。

采用定时控制经常造成道口有效时间应用的浪费，出现绿灯方向车辆较少，红灯方向车辆积压。

在人工控制时，交通警察不断地观察十字道口两个方向的车辆密度和流速，并由此决定是否切换红绿灯，以保证最佳的道路交通控制状态。

用常规闭环控制技术，在自动红绿灯管理中达到人工控制的最佳状态是十分困难的，这是由于十字路口交通动态模型是很难用数字方式表达的，交警的判断决策过程也难用简单的程序实现，所以我们采用模糊控制来解决自动红绿灯的最佳控制问题。

（1）工作原理

根据前面对模糊控制器的介绍，实现红绿灯模糊控制必须解决以下几个问题：

1）对当前十字道口的交通状况的检测。

2）输入量的模糊化：

确定每一输入量的论域，模糊子集和从属函数。

3）输出量及其模糊化：

输出量论域、模糊子集和从属度函数。

4）设计将输入映照到输出的模糊规则。

决定被激活的模糊规则的组合方式和清晰化处理，生成精确的输出控制信号。

（2）系统采集两个输入量

1）绿灯方向车流量——单位时间通过道口的车辆数量。

2）红灯方向排队等候车辆数。

为了采集上述数据，在十字道口的四侧共设置了8个传感器。

传感器的设置如图2.3所示。

红灯期间排队等候的车辆数量有两部分构成，

其一为上次绿灯期间遗留下来的车辆。

返端传感

器与道口距离100米，假设车辆平均长度为n,

则N内可能滞留的车辆最大数量为N/n,如20辆，

因此，变量“红灯方向排队等候车辆数”的论域

为（0-20），它将分为三个模糊子集：

少、中、

多，其从属度函数设计如图2.4所示。

图2.4红绿灯期间车辆数的隶属函数

（3）输出及其模糊分类

1）南北向绿灯时间延时tsn

2）东西向红灯延时时间tew

现有红绿交通灯自动系统设定绿灯时间为常值，通常每一秒方向绿灯35秒。

现将每一方向绿灯时间分为两部分，其一为固定的35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，最大延时时间是随着道口交通情况而变化的，上限为20秒，结果每一方向绿灯时间间隔为30-55秒。

由此，绿灯时间延时tsn、tew的论域定义为（0-20），将其分三个模糊子集：

T长、T中、T短。

输入量和输出量的论域、模糊子集、从属度函数的设计关系、整个系统的控制效果与性能，需要根据对整个控制系统的要求，采用试探——修正法设计，与设计者的经验有密切关系。

[6]

（4）模糊规则的确定

此系统有两个输入和一个输出。

在没有任何数据资料的情况下，我们只能根据经验设计其模糊规则[7]。

其结构如表2-1所示。

表2-1模糊规则结构表

多

中

少

多

T短

T中

中

T短

T中

T长

少

T中

T长

根据以上得模糊规则图，可以得出9条模糊规则，我们把它记为9种状态，如表2-2所示。

表2-29种模糊状态

状态

多

T短

多

中

T短

中

多

T短

多

少

T中

中

T中

中

少

T中

中

少

T长

少

中

T长

少

T长

其中，规定T短=30s、T中=40s、T长=55s。

2.2.3十字路口车辆通行模式

十字路口交通流在东南西北四个方向上均有左行、直行和右行三个车道车流。

为了确保交通的井然有序，十字路口车辆通行顺序如图2.5所示，分别设定为S1、S2、S3、S4，交通灯以这四种状态为一个周期，循环执行。

在实际生活中，一般的右行车道是总闪绿灯的，但是为了便于行人过马路，故在一定的时间内会使右转绿灯跳变为红灯，以便于行人过马路。

在本次设计中，我们在直行车辆通过的一段时间内，同时也使行人过马路。

图2.2的S2和S4这两种状态在同一个时间段中四个方向都可以通车，这种状态可以在一定的时间内达到较大的车流量，效率特别高。

图2.5交通灯的四种状态

其中：

S1：

东西方向人行道禁止，南北方向人行道通行；东西方向红灯，南北方向直行绿灯。

S2：

东西方向右转绿灯，南北方向右转绿灯，南北方向左转绿灯。

S3：

南北方向人行道禁止，东西方向人行道通行；南北方向红灯，东西方向直行绿灯，

S4：

南北方向右转绿灯，东西方向右转绿灯，东西方向左转绿灯

2.2.4交通灯的工作原理

本系统由AT89S51单片机控制，由8051单片机的定时器每秒钟通过P0口向8255A的数据口发送信息，由单片机的P1口和P2口显示红绿灯的点亮情况；由8255A的PC口显示每个灯的点亮时间。

P3.3口接有按钮开关，当有急行车需要通过时，按下此按钮，产生中断，系统使东西方向和南北方向所有灯都为红灯，当急行车通过后，系统恢复正常。

本系统增加了每次绿灯时间车流量检测的功能，由此改变下一周期时的绿灯持续时间，采用手动开关实现，用单片机的P3.0-P3.2来实现三种情况，具体见车辆检测电路部分。

系统硬件电路设计

3.1单片机最小系统外围电路

单片机的最小系统包括电源（地），晶振（一般使用11.0592M或者12M），复位电路等，有了以上三块内容，单片机就能够工作了。

AT89S51单片机是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8为单片机，片内含4KB的可编程的FLASH只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。

它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中,ATMEL公司的功能强大，低价位AT89S51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域[8]。

3.1.1AT89S51芯片内部结构

1.中央处理器

中央处理器（CPU）是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。

2.存储器

单片机内部包含有程序存储器ROM和数据存储器RAM。

数据存储器用于存放变化的数据。

AT89S51中数据存储器的地址空间为256个RAM单元，但其中能作为数据存储器供用户使用的仅有前面128个，后128个被专用寄存器占用。

程序存储器用于存放程序和固定不变的常数等。

通常采用只读存储器，且其又多种类型，在89系列单片机中全部采用闪存。

AT89S51内部配置了4KB的程序存储器。

单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛（Harvard）结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿（Princeton）结构。

INTEL的MCS-51系列单片机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品16位的MCS-96系列单片机则采用普林斯顿结构[9]。

3.定时计数器

定时/计数器用于实现定时和计数功能。

AT89S51有2个16位定时/计数器。

4.并行输入输出（I\O）口

8051共有4组8位I/O口（P0、P1、P2或P3），用于对外部数据的传输。

每个口都由1个锁存器和一个驱动器组成。

它们主要用于实现与外部设备中数据的并行输入与输出，有些I/O口还有其他功能。

5.双全工串行口

A89S51内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用

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