基于模糊控制的智能交通灯控制系统.docx

基于模糊控制的智能交通灯控制系统.docx

《基于模糊控制的智能交通灯控制系统.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于模糊控制的智能交通灯控制系统.docx（38页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于模糊控制的智能交通灯控制系统

一、课题训练内容

1.使学生进一步巩固和加深对基础理论、基本技能和专业知识的认识和掌握，使之条理化、系统化和综合化。

了解和熟悉交通灯控制的方法，掌握AT89S51单片机的使用方法。

2.培养学生综合运用基础知识和基本技能进行分析问题和解决实际问题的能力，将理论与实践结合，培养观察生活和体验生活的能力。

3.培养学生的设计计算、工程绘图、实验方法、数据处理、文件编辑、文字表达、文献查阅、MSOffice、PROTEL、KeilC51等专业软件应用和程序调试等基本实践能力，以及外文资料的阅读和翻译的基本技能，使学生初步掌握科学研究的基本方法。

4.培养学生利用单片机进行应用系统开发的能力，掌握单片机应用系统设计的一般方法和步骤，达到能够进行单片机系统设计的目的。

熟悉和掌握AT89S51单片机的调试方法继而系统设计。

5.使学生树立符合国情和生产实际的正确设计思想和观点，培养严谨、负责、实事求是、刻苦钻研、用于探索、具有创新意识、善于与他人合作的工作作风。

6.使学生获得从事科研工作的初步训练，培养学生独立工作、独立思考和综合运用已学知识解决实际问题的能力，尤其注重培养学生独立获取新知识的能力。

二、设计（论文）任务和要求

1.设计任务

1）以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，设计一个智能交通灯控制系统。

2）设计能动态检测道口车流量的系统，使十字路口的红绿灯能根据车流量的大小自动改变红绿灯的显示时间。

3）设计对应红绿灯的显示电路，并采用倒计时显示。

4）设计系统应用程序以及各功能模块子程序。

2、设计要求

1）系统运行稳定可靠。

2）车流量自动检测功能，并达到准确和有效作用。

3）实时显示红绿灯时间，并采用倒计时方式。

4）系统框图和详细原理图，并对各部分进行详细说明。

5）要考虑经济性、实用性和可靠性。

6）武汉科技学院毕业设计（论文）格式模板》要求书写设计报告。

三、毕业设计（论文）主要参数及主要参考资料

1.主要参考资料

[1]谢维成，杨加国.单片机原理与应用及C51程序设计[M].北京：

清华技大学出版社，2006.

[2]余锡存，曹国华.单片机原理及接口技术[M].陕西：

西安电子科技大学出版设社，2000.7.

[3]求是科技.单片机典型模块设计实例导航[M].北京：

人民邮电出版社，2004.

[4]边海龙，孙永奎.单片机开发与典型工程项目实例详解[M].北京：

电子工业出版社，2008.

[5]阎石.数字电子技术基础（第三版）[M].北京：

高等教育出版社，1989.

[6]馀吉万.城市文通的计算机控制和管理[M].北京:

测绘出版杜，1985．

[7]张辉.8051单片机控制交通信号灯的方法研究[J].邵阳师范高等专科学校学报，2001，23（5）．

[8]李静.单交叉口交通灯信号模糊控制及其仿真[J].微计算机信息，2006，22（7）.

[9]李明.基于微波检测器交通灯智能控制系统的研究与设计[J].西南民族大学学报（自然科学版），2007，33（4）.

[10]田海，薛艳春.基于模糊控制的十字路口交通灯控制系统[J].自动化与信息工程，2008，29（4）.

毕业设计（论文）开题报告

课题名称

基于模糊控制的智能交通灯控制系统

院系名称

电子信息学院

专业

自动化

班级

学生姓名

一、课题的意义和依据

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监测、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。

当今时代是一个自动化时代，交通灯控制等很多行业的设备都与计算机密切相关。

因此，一个好的交通灯控制系统，将给道路拥挤、违章控制等方面给予技术革新。

十字路口车辆穿梭，行人熙攘，车行车道，人行人道，有条不紊。

那么靠什么来实现这井然秩序呢？

靠的是交通信号灯的自动指挥系统。

智能的交通信号灯指挥着人和各种车辆的安全运行，实现红、黄、绿灯的自动指挥是城乡交通管理现代化的重要课题。

在城乡街道的十字交叉路口，为了保证交通秩序和行人安全。

一般在每条道路上各有一组红、黄、绿交通信号灯，其中红灯亮，表示该条道路禁止通行；黄灯亮，表示该条道路上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行；绿灯亮，表示该条道路允许通行。

交通灯控制电路自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换，指挥各种车辆和行人安全通行，实现十字路口城乡交通管理自动化。

二、智能交通灯的发展历史和研究现状

城市道路交通自动控制系统的发展是以城市交通信号控制技术为前导，与汽车工业并行发展的。

在其各个发展阶段，由于交通的各种矛盾不断出现，人们总是尽可能地把各个历史阶段当时的最新科技成果应用到交通自动控制中来，从而促进了交通自动控制技术的不断发展。

早在1850年，城市交叉口处不断增长的交通就引发了人们对安全和拥堵的关注。

世界上第一台交通自动信号灯的诞生，拉开了城市交通控制的序幕，1868年，英国工程师纳伊特在伦敦威斯特敏斯特街口安装了一台红绿两色的煤气照明灯，用来控制交叉路口马车的通行，但一次煤气爆炸事故致使这种交通信号灯几乎销声匿迹了近半个世纪。

1914年及稍晚一些时候，美国的克利夫兰、纽约和芝加哥才重新出现了交通信号灯，它们采用电力驱动，与现在意义上的信号灯已经相差无几。

1926年英国人第一次安装和使用自动化的控制器来控制交通信号灯，这是城市交通自动控制的起点。

1917年，在美国盐湖市开始使用联动式信号系统，把六个交叉路口作为一个系统，以人工方式加以集中控制。

1922年，美国休斯顿市建立了一个同步系统，它以一个交通亭为中心控制十二个交叉路口。

1928年，上述系统经过改进，形成“灵活步进式”定时系统;由于它简单、可靠、价格便宜，很快在美国推广普及。

这种系统以后不断改进、完善，成为当今的协调控制系统。

20世纪30年代初，美国最早开始用车辆感应式信号控制器，之后是英国，当时使用的车辆检测器是气动橡皮管检测器。

车辆感应控制器的特点是它能根据检测器测量的交通流量来调整绿灯时间的长短，使绿灯时间更有效地被利用，减少车辆在交叉口的时间延误，比定时控制方式有更大的灵活性。

车辆感应控制的这一特点刺激了车辆检测器技术的发展。

继气动橡皮管式检测器之后，雷达、超声波、光电、地磁、电磁、微波、红外以及环形线圈等检测器相继问世。

当今在城市道路交通自动控制、交通监测和交通数据采集系统中，应用最广的是环形线圈车辆检测器。

超声波检测器主要在日本等少数国家得到广泛应用。

伴随着城市交通信号控制系统的迅速发展。

人们认识到，要更好地提高城市管理水平，不仅仅依靠硬件设备的更新和改进，还必须同时在控制逻辑和方法上有所突破，即城市交通的区域协调控制。

传统的城市道路交通控制指的是区域交叉口信号灯控制，而城市交通的区域协调控制，是在整个城市范围内对交通进行控制，这无论是从理论角度还是实践角度，都是一个极其复杂的大系统控制问题。

进入20世纪80年代后期，随着城市化进程的加快和汽车的普及，城市交通拥挤、阻塞现象日趋恶化，由此引发的事故、噪声和环境污染己成为日益严重的社会问题，交通问题成为困扰世界各国的普遍性难题。

人们对交通系统的规模复杂性和开放性特征有了更深一层的认识，并开始意识到单独考虑车辆或道路方面很难从根本上解决交通拥挤现象，只有把路口交通流运行与信号控制的藕合作用综合考虑，且赋以现代的各种高新技术方可彻底消除有关问题。

于是，智能交通系统（ITS）应运而生，并得到迅猛发展。

 可以说，在近百年的发展中，道路交通信号控制系统经历了无感应控制到有感应控制、手动控制到自动控制再到智能控制、单点控制（点控）到干线控制（线控）再到区域控制和网络控制（面控）的过程。

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

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。

针对道路交通拥挤，交叉路口经常出现拥堵。

利用单片机控制技术，提出了软件和硬件设计方案及改进措施：

根据各道路路口车流量的大小自动调节通行时间。

三、研究的基本内容

设计一个单片机控制的交通灯系统，使其能模仿城市十字路口的交通灯功能；运用模糊控制原理设计能根据十字路口车流量来自动调整红绿灯时间的交通控制器，并能进行特殊控制，这就是研究的基本内容。

设计的要求如下：

1.设计一个十字路口的交通灯控制电路，要求南北方向和东西方向两个交叉路口的车辆交替运行，两个方向能根据车流量的大小自动调节运行时间，车流量大，通行时间长；车流量小，通行时间短。

2.该设计能控制东，南，西，北四个道口红，绿信号灯正常工作。

3.当东西方向准行，南北方向禁行时，东西方向亮绿灯，南北方向亮红灯。

当南北方向准行，东西方向禁行时，南北方向亮绿灯，东西方向亮红灯。

4.东西方向，南北方向车道除了有红、绿灯指示灯外，每种灯亮的时间都用数码管显示器显示，并采用倒计时方法。

5.同步设置人行横道红、绿灯指示。

要解决的主要问题是：

1.两车道车辆轮流放行时间相同且固定，而在十字路口，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；这是要解决的第一个问题。

2.要考虑紧急车通过时，两车道应该采取的措施。

3.运用模糊控制理论来检测道口的车流量来控制系统红绿灯的显示时间。

四、研究步骤、方法及措施：

单片机控制交通灯系统需要软件和硬件结合。

硬件：

采用MCS-51系列单片机AT89S51一片与可编程并行I/O接口芯片8255A为中心器件来设计交通灯控制器。

利用到单片机内部资源有定时计数器、单片机与键盘接口、串并行接口、时钟电路、系统显示电路等。

共阴极的七段数码管8个，双向晶闸管若干，红绿交通灯，开关键盘及连线若干。

软件：

交通信号灯控制管理,基本上涉及到单片机系统中扩展简单接口的方法；数据输出程序的设计方法；模拟交通灯控制的方法。

在此基础上可对其进行改进，加入中断的要求，从而涉及外部中断技术的基本使用方法和编程方法。

8051内部定时/计数器的使用和编程方法。

主要包括：

每秒钟的设定程序，计数器硬件延时程序，软件延时程序，时间及信号灯的显示程序，最后再综合成程序源代码。

系统总框图如下：

需要研究的主要内容：

1.掌握单片机的原理，熟悉汇编语言或者C语言；

2.选择合适的扩展器件，搭建控制电路；

3.系统软件和硬件设计；

4.实现交通信号控制，并将红绿灯的时间在LED上显示出来。

5.模糊控制器的设计和实现。

五、主要参考文献：

[1]张毅坤.单片微型计算机原理及应用[M].陕西：

西安电子科技大学出版社，1998.

[2]余锡存,曹国华.单片机原理及接口技术[M].陕西：

西安电子科技大学出版社，2000.7.

[3]雷丽文.微机原理与接口技术[M].北京：

电子工业出版社，1997.

[4]叶挺秀.应用电子学[M].杭州：

浙江大学出版社，1994.

[5]朱承高.电子及电子技术基础（第三版）[M].北京：

高等教育出版社，1990.

[6]阎石.数字电子技术基础（第三版）[M].北京：

高等教育出版社，1989.

[7]周润景.PEOTEUS在MCS-51&ARM7系统中的英语那个百例[M].北京：

电子工业出版社，2006.

[8]李朝青.单片机原理及接口技术（第三版）[M].北京：

北京航空航天大学出版社，2005.

[9]杨佩昆.交通管理与控制[M].北京：

人民文通出版社，1992.

[10]馀吉万.城市文通的计算机控制和管理[M].北京:

测绘出版杜，1985．

[11]张辉．8051单片机控制交通信号灯的方法研究[J]．邵阳师范高等专科学校学报，2001，23（5）．

[12]李广弟．单片机基础[M]．北京：

北京航空航天大学出版社，2001.

[13]赵佩华．单片机接口技术及应用[J]．北京：

0t械工业出版社，2003．

指导教师签名：

年月日

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

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。

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