基于模糊控制的智能交通灯控制系统

毕业设计（论文）任务书课题名称基于模糊控制的智能交通灯控制系统完成期限2010年2月22日至2010年5月27日院系名称电子信息工程学院指导教师专业班级自动化062指导教师职称讲师学生姓名院系毕业设计（论文）工作领导小组组长签字一、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MSC51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）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，20062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，200073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，20044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，20085阎石数字电子技术基础（第三版）M北京高等教育出版社，19896馀吉万城市文通的计算机控制和管理M北京测绘出版杜，19857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，2001，2358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，2006，2279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，2007，33410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，2008，294四、毕业设计（论文）进度表毕业设计（论文）进度表序号起止日期计划完成内容实际完成情况检查人签名检查日期12010222201031查阅资料，了解城市交通灯控制系统的发展和方法。2201032201039确定方案，确定系统框图，进行可行性分析，进行方案改进。320103102010322总结所查资料，确定最终的系统结构框架，完成开题报告。42010323201042绘制电路原理图，进行硬件分析，改进不足，完善设计方案，计算、选择所要的硬件元器件的参数和型号。52010432010414收集编程相关辅助资料和工具。620104152010429编写和调试各模块程序。720104302010514完成论文的初稿，并交指导老师修改。820105152010522修改论文的初稿，资料的再搜索。920105232010527完成撰写毕业论文所需工作，并制作PPT，准备答辩。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自动化062学生姓名张贝一、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MCS51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。系统总框图如下单片机控制系统锁存器看门狗扩展CPU并行接口时间显示交通灯显示紧急车辆通行车辆传感器或多路开关最小系统外围接口电路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，19982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，200073雷丽文微机原理与接口技术M北京电子工业出版社，19974叶挺秀应用电子学M杭州浙江大学出版社，19945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，19906阎石数字电子技术基础（第三版）M北京高等教育出版社，19897周润景PEOTEUS在MCS51交通灯ABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFECONOMYANDTHEIMPROVEMENTOFURBANMODERNIZATIONLEVEL,THEDEMANDOFTRAFFICANDTHENUMBEROFCARSHAVEBEENGROWINGRAPIDLYASTHETRAFFICCONGESTION,TRAFFICACCIDENTSANDENVIRONMENTPOLLUTIONHASBECOMEMOREOBVIOUS,THAT,ITHASBECOMETHEGLOBALECONOMICANDSOCIALPROBLEMTHISSYSTEMUSESMSC51SERIESMICROCONTROLLERAND8255ATODESIGNTHETRAFFICCONTROLLERTOMANAGETHETRAFFICROADITUSESSIMPLEHARDWARECIRCUITTOSIMULATETHEALTERNATIVETRANSFORMATIONOFTHETRAFFICLIGHTSANDTOREALIZETHECIRCULARILLUMINATIONOFTHELIGHTSWEUSETHELEDASTHECOUNTDOWNINSTRUCTIONSINTHISPROJECT,WEADDTHETRAFFICDETECTIONCIRCUIT,WHICHUSESTHEFUZZYCONTROLALGORITHMTOCHANGETHETIMEOFTHETRAFFICLIGHTSAUTOMATICALLYTOCONTROLTHETRAFFICLIGHTSTIMETHISDESIGNCANMAKESURETHATTHELEDKEEPSTHEPACEWITHTHESTATELAMPWHATISMORE,WHILEITCANKEEPTHETRAFFICSAFE,ATTHESAMETIME,ITCANMAKETHETRAFFICRUNNINGSMOOTHLY,OPERATIONEFFICIENT,ANDALSOCANREDUCETHENUMBEROFTRAFFICACCIDENTS,SAVEENERGYCONSUMPTIONABOVEALL,THISSYSTEMHASGREATREALISTICSIGNIFICATIONKEYWORDSINTERSECTIONMANAGEMENTFUZZYLOGICCONTROLMCU51TRAFFICDETECTIONTRAFFICLIGHT目录1绪论111交通灯研究的背景和意义112国内外交通灯研究的发展概况12系统的总体方案设计与分析321交通灯总体设计的描述322交通灯控制系统的工作原理4221十字路口调度系统模糊控制器的设计4222路口管理系统模糊控制器5223十字路口车辆通行模式8224交通灯的工作原理83系统硬件电路设计931单片机最小系统外围电路9311AT89S51芯片内部结构9312AT89S51单片机主要引脚功能10313看门狗电路133148255A芯片简介1331574LS373简介1432显示电路15321时间显示电路的设计15322红绿灯的显示电路1633车流量检测电路1734紧急车通行电路184系统软件设计1841软件总体设计思想1842软件主要模块程序流程图18421系统初始化程序18422模糊控制器程序20423系统显示模块程序设计20424紧急状态控制模块215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351绪论11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。12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21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21所示。单片机控制系统锁存器看门狗扩展CPU并行接口时间显示交通灯显示紧急车辆通行车辆传感器或多路开关最小系统外围接口电路图21系统硬件框图22交通灯控制系统的工作原理221十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22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22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NEGATIVEMEDIUMNS负小（NEGATIVESMALL）ZE零（ZERO）PS正小（POSITIVE）PM正中（POSITIVEMEDIUM）PB正大（POSITIVEBIG）模糊化模糊推理清晰化对象语言规则YREYUI图22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。222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23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（020），它将分为三个模糊子集少、中、多，其从属度函数设计如图24所示。24068101从属度少中多X少中多从属度10绿灯期间通过道口车辆数48121620Y红灯期间排队等候车辆数北图23传感器的设置图24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TSN2）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3055秒。由此，绿灯时间延时TSN、TEW的论域定义为（020），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21所示。表21模糊规则结构表XY多中少多T短T短T中中T短T中T长少T中T长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22所示。表229种模糊状态状态XYTG1多多T短G2多中T短G3中多T短G4多少T中G5中中T中G6中少T中G7中少T长G8少中T长G9少少T长其中，规定T短30S、T中40S、T长55S。223十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25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22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。S2S1S3S4图25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224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。P33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P30P32来实现三种情况，具体见车辆检测电路部分。3系统硬件电路设计31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110592M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。311AT89S51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MCS51系列单片机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品16位的MCS96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（IO）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。6中断系统中断系统的作用主要是对外部或内部的终端请求进行管理与处理。AT89S51共有5个中断源，其中又2个外部中断源和3个内部中断源。7时钟电路8051内置最高频率达12MHZ的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容10。312AT89S51单片机主要引脚功能AT89S51单片机采用40PIN封装的双列直接DIP结构，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。其引脚图31如图所示。图31AT89S51单片机引脚图各引脚说明为1输入输出引脚P0口为双向8位三态I/O接口。在不接片外存储器与不扩展I/O接口时，可作为准双向输入/输出口；在接有片外存储器或扩展I/O接口时，P0口地址总线低8位及数据总线分时复用口，可驱动8个TTL负载。一般作为扩展时的地址/数据总线口使用。P1口为8位准双向I/O接口，它的每一位都可以分别定义为输入线或者输出线（作为输入时，要对端口写1，即口锁存器必需置1），可启动4个TTL负载。P2口为8位准双向I/O接口，当它作为I/O接口使用时，可直接连接外部I/O设备；在接有片外存储器或扩展I/O口且寻址范围超过256字节时，P2口用做高8位地址总线。一般作为扩展时地址总线的高8位使用。P3口为8位准双向I/O接口，输出缓冲级可以驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入1时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入口。作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它们的第二功能，而且P3口的每一条引脚均可以独立定义为第一功能的输入/输出或第二功能。P3口的第二功能定义见表31。表31具有第二功能的P3口引脚引脚第二功能P30RXD串行口输入端P31TXD串行口输出端P32/INT0外部中断0请求输入端，低电平有效P33/INT1外部中断1请求输入端，低电平有效P34T0定时/计数器0计数脉冲输入端P35T1定时/计数器1计数脉冲输入端P36/WR外部数据存储器及I/O口写选通信号输出端，低电平有效P37/RD外部数据存储器及I/O口读选通信号输出端，低电平有效2控制线ALE/ERROR30引脚地址锁存信号输出端。当访问外部程序器时，ALE地址锁存的输出用于锁存地址的低位字节。而访问内部程序存储器时，ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。更有一个特点，当访问外部程序存储器，ALE会跳过一个脉冲。如果单片机是EPROM，在编程其间，该引脚将用于输入编程脉冲。ERROR（29引脚）片外程序存储器读选通信号输出端，低电平有效。当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令数据放到P0口上，由CPU读入并执行。RESET/VPD9引脚复位信号复用脚。该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机回复到初始状态。上电时，考虑到振荡器有一定的起振时间，该引脚上高电平必须持续10MS以上才能保证有效复位。该引脚若接上备用电源，当VCC发生故障，降低到低电平规定值或者掉电时，该备用电源为内部RAM供电，以保证RAM中的数据不丢失。EA/VPP（31引脚）EA为片外程序存储器选用端。该引脚低位低电平时，选用片外程序存储器，高电平或者悬空时选用片内程序存储器。在编程期间，该引脚用作21V编程电源VPP的输入端11。3外接晶体引脚XTAL1、XTAL2（19、18引脚）当使用单片机内部振荡电路时，这两个引脚用来外接石英晶体和微调电路，如图32（A）所示。在单片机内部，它是一个反向放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部时钟时，其原理图如图32B所示。图32A内部时钟方式图32B外部时钟方式4复位方式计算机在启动运行时的都需要复位，复位使中央处理器CPU和内部其他部件处于一个确定的初始状态，从这个状态开始工作。AT89S51单片机有一个复位引脚RST，高电平有效。在时钟电路工作以后，当外部电路使得RST端出现2个机器周期以上得高电平，系统内部复位12。复位有两种方式上电复位和按钮复位，如图33。图33MCS51复位电路313看门狗电路由于单片机控制器自身抗干扰能力较差，尤其在一些条件比较恶劣、噪声比较大的场合，常会出现单片机因受外界干扰，轻者导致系统内部数据出错，重者将严重影响程序的运行而死机，造成系统不能正常工作。设置看门狗是为了防止单片机死机、提高单片机系统抗干扰性的一种重要途径。考虑系统可靠性设计，满足苛刻环境下的正常运行，本设计中采用硬件看门狗电路，集成电路U2是一个看门狗定时芯片，此时我们采用型号为DS1232的芯片，其引脚如图34所示。它的结构很简单，只有8个引脚。它的RST管脚与单片机的RST管脚直接相连，这样，单片机的复位被看门狗定时器DS1232掌握着。DS1232的/ST管脚是看门狗定时器芯片的控制输入，它可与单片机的任意一个I/O口相连。其连接如图35所示。图34DS1232引脚逻辑图图中的看门狗定时器TC1232的操作很简单如果单片机的P11没有在看门狗定时器溢出时间之内向/ST管脚输出一个下降沿，看门狗就会发挥作用，向单片机的复位端RST管脚输出一个复位信号使单片机复位。图35单片机系统与看门狗电路通过硬件看门狗电路设计，可以有效防止运行程序进入死循环，从而保证系统不受恶劣天气及环境条件造成的干扰13。3148255A芯片简介8255A是在单片机应用系统中广泛采用的可编程I/O接口扩展芯片。它有3个8位并行I/O接口PA、PB、PC，有三种基本工作方式。8255可编程并行接口芯片有三个输入输出端口，即A口、B口和C口，对应于引脚PA7PA0、PB7PB0和PC7PC0。其内部还有一个控制寄存器，即控制口。通常A口、B口作为输入输出的数据端口。C口作为控制或状态信息的端口，它在方式字的控制下，可以分成4位的端口，每个端口包含一个4位锁存器。它们分别与端口A配合使用，可以用作控制信号输出或作为状态信号输入。A口有3种工作方式无条件输入/输出方式、选通输入/输出方式和双向选通输入/输出方式。B口有两种工作方式无条件输入/输出方式和选通输入/输出方式。当A口和B口工作于选通输入/输出方式或双向选通输入/输出方式时，C口当中的一部分线用作A口和B口输入/输出的应答信号线14。8255有两种控制命令字；一个是方式选择控制字；另一个是C口按位置位复位控制字。其中C口按位置位复位控制字方式使用较为繁难，说明也较冗长，故在此不作叙述，需要时用户可自行查找有关资料。方式控制字格式说明如表32。表32方式控制字格式说明表D7设定工作方式标志，1有效。D6、D5A口方式选择00方式001方式11方式2D4A口功能（1输入，0输出）D3C口高4位功能（1输入，0输出）D2B口方式选择（0方式0，1方式1）D1B口功能（1输入，0输出）D0C口低4位功能（1输入，0输出）8255可编程并行接口芯片工作方式说明方式0基本输入输出方式。适用于三个端口中的任何一个。每一个端口都可以用作输入或输出。输出可被锁存，输入不能锁存。方式1选通输入输出方式。这时A口或B口的8位外设线用作输入或输出，C口的4条线中三条用作数据传输的联络信号和中断请求信号。方式2双向总线方式。只有A口具备双向总线方式，8位外设线用作输入或输出，此时C口的5条线用作通讯联络信号和中断请求信号。本次系统设计中，A口、B口和C口都工作于方式0，即基本输入输出方式。D7D6D5D4D3D2D1D031574LS373简介74LS373是一种带三态门的8D锁存器，其管脚示意图如图36所示。其中1D8D为8个输入端。1Q8Q为8个输出端。LE为数据打入端当LE为“1”时，锁存器输出状态同输入状态；当LE由“1”变“0”时，数据打入锁存器14。OE为输出允许端当OE0时，三态门打开；当OE1时，三态门关闭，输出高阻。图3图3674LS373引脚图32显示电路321时间显示电路的设计本系统采用8位的静态数码管显示。LED数码管显示器是由发光二极管按一定的结构组合起来的显示器件。在单片机应用中通常使用的是8段式LED数码管显示器。8段式数码管分为8段A、B、C、D、E、F、G、P，其中P为小数点。如图37所示。从电路讲，数码管可以分为共阳极和共阴极两种。用单片机控制驱动LED数码管有很多方法，按显示方式分。有静态显示和动态显示。本次设计，我们采用静态显示即。其公共端直接接地，各段选线分别与I/O接口线相连。要显示字符，直接在I/O线发送相应的字码段。常见的数字和字符的共阴极的字段码如表33所示。静态显示结构简单，显示方便，要显图37LED管脚图示某个字符，直接在I/O线上发送相应的字段码。显示字符共阴极字段显示字符共阴极字段表33常见的数字和字符的共阴极的字段码LED8段显示器的设置为每个方向上一对两位的显示器，两位数码管可以显示的时间为099，完全可以满足系统的要求。四个方位上共有8个LED接在8255A上面。显示时，由于我们不需要小数点，所以LED的10根管脚中，我们只用了8根。另外，十字路口只有两条通道东西、南北，所以只需PA和PC口。由于此时采用静态显示，故我们设定用PA口控制十位，用PC口控制个位。8255A的A口和C口都工作于方式0输出。连接后时间显示电路如图38所示。03FH56DH106H67DH25BH707H