新型智能交通信号控制系统(终)

1、新型智能交通信号控制系统报名号：BS2011-B241 设计者：GARDING 指导教师：匿名摘要：本作品针对当前日益严重的交通拥堵问题，以EXP-89S51单片机为核心，设计出了一种新型智能交通信号控制系统，实现了对交通信号灯的实时智能控制。该新型控制系统在控制方案上采用了我们自主设计的新型两级模糊控制方案，该方案是一种同时具有自适应控制、分级模糊控制、相位繁忙优先和准确显时等优势的控制方案，更适用于实际的交通情况，且已获国家实用新型专利和相关论文已在科技核心期刊现代电子技术上发表。在软件设计上，采用了MATLAB和VB进行动态模拟，并与当前正在采用的几种控制方案进行了对比验证，验证了新方案

2、的优越性。在硬件设计上，我们采用了EXP-89S51单片机、SP-MDCE25A交通灯模组、E-TRY通用板和倒计时LED数码管模块等，并搭建了较好的逼真的外围平台来对其实现更具真实性的实时控制。该作品不论是在创新性、实用性、技术先进性，还是在可靠性、经济性上都具有很强的优势。关键词：智能交通信号 新型两级模糊控制 VB动态模拟 EXP-89S51单片机1、系统总体方案介绍1.1自主提出的新型智能交通信号控制的总控制系统原理我们自主提出的新型智能交通信号控制的总控制系统原理如图1所示：图1自主提出的新型智能交通信号控制的总控制系统原理图 在该系统中，交叉口的交通参数经检测装置检测，将被测参数转

3、换成统一的标准电信号，再经A/D转换器进行模数转换，转换后的数字量通过I/O接口电路送入新型两级模糊控制器再到控制台。在新型两级模糊控制器和控制台内部，用软件对采集的数据进行处理和计算，然后经数字量输出通道输出。输出的数字量通过D/A转换器转换成模拟量，再经驱动模块对交通情况进行控制，从而实现对交叉口的实时智能交通控制。1.2 基于EXP-89S51单片机的新型智能交通信号控制系统的总控制系统设计本系统运用我们的新型两级模糊控制方案，采用了EXP-89S51来控制智能交通系统。系统的整体结构框图如图2所示：图2 系统的整体结构框图本系统主要由电源、EXP-89S51单片机、E-TRY通用板和S

4、P-MDCE25A交通灯模组构成。SP-MDCE25A交通灯模组中包含红绿灯模块和倒计时LED数码管模块。EXP-89S51单片机作为整个系统的主控板，采用了我们的新型两级模糊控制方案模拟真实交通灯的功能。红、绿灯交替闪亮，倒计数显示时间，方向灯指示方向等。2 实现原理新型两级模糊控制方案的提出与优越性验证2.1交叉口交通平面几何设计与相位设计通过对当前城市交叉口交通平面几何设计和相位设计的具体情况进行深入调研并参考了大量文献后，确定出当前相对最优的一种交叉口交通平面几何设计方案如图3所示。交叉路口分东、南、西、北四个通行方向,每个通行方向均有左转、直行和右转三股车流。图3 典型的单交叉路口几

5、何设计方案图针对当前存在的各种相位设计方案，从其交叉口利用率、安全性、人性化和实用性等方面综合分析对比后，确定出当前相对最优的相位设计方案如图4所示，即南北直行、南北左右转、东西直行和东西左右转，行人和非机动车可以在第1相位和第3相位开通时顺利通行。本作品将以此为研究对象。相位1 相位2 相位3 相位4图4 典型的单交叉路口的相位设计示意图22交通信号新型两级模糊控制思想新型两级模糊控制方案的整体控制图如图5所示，先通过车辆检测器检测出当前所有处于红灯相位的等待车辆数和各车流方向自上次绿灯以来的红灯持续时间，然后将检测出来的交通流数据传送到新型两级模糊控制器。图5 新型两级模糊控制系统整体控制

6、框图第一模糊控制级接收到车辆检测器检测出的红灯相位等待车辆数和红灯持续时间后，经过该模糊控制级处理推出当前各红灯相位的繁忙度，从而可以确定出在当前绿灯相位跳转前一瞬间下一个该亮绿灯的等待相位。同时，找出繁忙度最大的两个相位，并返回去得到这繁忙度最大的两个相位的交通流数据（即这两相位的相位等待车辆数）。第二模糊控制级通过对繁忙度最大的两个相位的交通流数据处理后，推出下一个绿灯等待相位的绿灯时间，并将该绿灯时间传到交通显时信号灯上。当等到上一绿灯相位亮完绿灯后立即让第一级模糊控制选出的绿灯等待相位显示绿灯，同时使其显示绿灯时间，其显示时间即为第二级模糊控制确定出的绿灯时间。这样周而复始的运行，即可

7、很好地对交通流进行实时智能控制了。另外，我们还充分考虑到在实际交通信号控制中，控制方案应人性化且适用性强。对此，我们对其红绿灯显时控制系统做了如下规定：显示绿灯的相位显示准确的绿灯运行时间；对于红灯相位，我们只对下一个绿灯相位就是它的红灯相位显示时间，且只在当前绿灯相位绿灯时间即将结束前瞬间（假定5s），使其显示准确的红灯倒计时间。显示了红灯时间的相位即表示下一相位该它通行，而其他不显时间的红灯相位，表示需要多等待，下一相位不是它。这样充分发挥了现有显时交通信号装置的优势，更易遵守，更具人性化，更适用于实际交通情况。2.3新型两级模糊器的设计以第一级模糊控制器的设计为例做具体设计。该模糊级为红

8、灯相位选择模块，该模块为双输入单输出模糊控制，其两个输入为：当前处于红灯相位的等待（排队）车辆数（）和各车流方向自上次绿灯以来的红灯持续时间（），输出为各红灯相位的繁忙度 ()。的基本论域为0,30，离散论域为1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，在离散论域上定义五个模糊子集很短、短、中等、长、很长；的基本论域为0,120，离散论域为1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，在离散论域上定义五个模糊子集很短、短、中等、长、很长；的基本论域为0,6，离散论域为1，2，3，4，5，6，在离散论域上定义五个模糊子集很低、低、中等、高、很高。、模糊子集的隶属度函

9、数如图6所示，模糊控制规则表见表1。图6 、隶属度函数表1 红灯相位选择模块的模糊控制规则相位繁忙度各相位排队长度很短短中等长很长红灯持续时间很短很低很低很低低中等短很低很低低中等高中等低中等中等高很高长中等高高很高很高很长偏高很高很高很高很高2.4 仿真研究为了验证新型两级模糊控制器的控制效果, 用MATLAB结合VB编写了新型两级模糊控制的仿真程序,并与当前广泛运用的感应控制和定时控制进行了比较。假定路口各方向车辆到达交叉口是随机的且服从均匀分布，利用VB中的随机函数产生12个方向车流每秒钟到达的车辆数，到达率为0-0.4辆/秒，设某车流红灯转变为绿灯后车辆以1辆/s的速率离开等候的车队，

10、以通过交叉口的平均车辆延误作为评价指标。分别对新型模糊控制、感应控制和定时控制在不同的交通条件下各进行10次仿真比较，每次仿真时间均为1200s，10次仿真的平均结果如表2所示。表2 仿真结果表交通运行时期新型模糊控制平均延误（s）感应控制平均延误（s）定时控制平均延误（s）交通低峰期25.780932.2658739.94878交通中峰期35.3073440.8547645.79226交通高峰期42.0377745.8126347.87664整体控制效果34.3753439.6444244.53923从仿真结果表中可知，采用新型两级模糊控制方法从整体控制效果上看，在平均车辆延误上比感应控制方

11、法提高了13.2908%，比定时控制方法提高了22.8201%，可见优势明显。2.5 动态模拟演示为了使其更具可观性与实用性，更易于运用到交通现场，我们还对新型两级模糊控制进行了动态模拟演示。其动态模拟演示图如图7所示。图7 新型两级模糊控制方案的动态模拟演示图我们可以对交通参数进行随意设定从而实现不同情况下的动态模拟，在演示图中我们可以通过繁忙度知道下一绿灯相位应为何相位，通过当前相位可以知道正处于绿灯的相位，且由绿灯时间可知整个相位的总绿灯时间，由绿灯剩余时间可以准确的知道其剩余绿灯时间。这样就使我们的新方案更具可观性与实用性。对于实际交通流时，只需把检测到的实时数据输入，通过我们的新型两

12、级模糊控制器就可以实现其实时在线控制了。3. 硬件设计3.1、EXP-89S51特性简介EXP-89S51是北京精仪达盛科技有限公司研发生产的性价比很高的一款8位单片机。它支持Keil C环境下的汇编、C；完全仿真P0、P1、P2口；可以设置单步全速断点运行方式；可以查阅变量RAM、xdata 等数据。该器件采用高密度非易失性存储技术， 其指令与工业标准的80C51 指令集兼容。片内程序存储器允许重复在线编程。通过把通用的8 位CPU 与可在线下载的Flash 集成在一个芯片上，EXP-89S51 便成为一个高效的微型计算机， 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案， 可用于解决

13、复杂的控制问题， 且成本较低，是多种智能便携仪器的理想选择。3.2、交通灯控制板模拟交通灯控制板布局示意图如图8所示。图中的表示2位7段的LED数码管（用作倒计时显示），表示双色LED（用作红黄绿灯），表示小按键（用来模拟车流）。 这是针对一个典型的十字路口，分别用1、2、3、4表明四个流向的主车道，用L、S、R、P分别表示各主车道的左行车道、直行车道、右行车道以及人行横道。 图8 模拟交通灯控制板布局示意图3.3、倒计时LED数码管模块图9 倒计时LED数码管电路图数码管完成倒计时显示功能。拿南北方向举例，数码管从绿灯的设置时间最大值往下显示，每秒钟减1，一直减到1。然后又从红灯的设置时间最

14、大值往下显示，每秒钟减1，一直减到1。接下来又是显示绿灯时间。如此循环。 系统共有4个两位的LED数码管，分别放置在模拟交通灯控制板上的四个路口。因为四个方向的数码管应该显示同样的内容，所以我们可以把它们同样对待。也就是说各个方向的数码管个位（把数码管第二位定义为个位，第一位定义为十位）用一根信号线去控制，十位用另一根信号线去控制。这里采用动态显示，段选信号线为a-dp，位选信号为CS-4和CS-5。 3.4、红绿灯模块图10 红绿灯模块电路图红绿灯模块电路可以显示红色、绿色和黄色，可以用作红绿黄灯。我们可以把16个LED分成4个组，东西南北每个方向的灯为一组。每组LED的数据线和倒计时数码管

15、的段选线共用，通过CS-0到CS-3去选通。每个方向4个灯，分别是左转弯灯、直行灯、右转弯灯和人行道灯。这些红绿灯的动作过程和实际路口一致。4、软件设计该系统软件采用模块式结构,主要分为两部分:第一部分为主程序,第二部分为倒计时LED数码管子程序、红绿灯显示子程序等。主程序流程图如图11所示图11 主程序流程框图5、实物的设计与制作 其实物设计与制作图如图12所示。图12 实物设计与制作图6 作品特色6.1作品创新性（1）作品首先确定出了当前相对最优的城市交叉口的交通平面设计与相位设计（2）提出了一种同时具有自适应控制、分级模糊控制、相位繁忙优先、准确显时等优势且更适用于实际情况的新型两级模糊

16、控制方案，新方案与当前运用成熟的定时控制的显时信号装置系统进行了有机结合，利用了可视化的时间来降低闯红灯率和交通事故率，增强了该控制系统的适应性。（3）利用了仿真软件对新方案和当前的几种控制方案进行了对比，验证了新方案的有效性和优越性（4）利用了VB程序设计软件对我们的新方案进行了动态的模拟演示，使其更真实，更易于运用到交通现场（5）采用了EXP-89S51单片机、SP-MDCE25A交通灯模组、E-TRY通用板和倒计时LED数码管模块等，很好地实现了对交通信号灯的新型实时智能控制（6）搭建了较好的逼真的外围平台来对其实现实时控制，使其更具可观性、更具真实性6.2 作品技术的先进性与性能可靠性

17、6.2.1作品技术的先进性：（1）作品在城市交叉口的交通平面设计与相位设计上，进行了精心地分析对比研究，确定出了当前相对最优的平面设计与相位设计（2）在控制方案上采用了我们自主设计的新型两级模糊控制方案，该方案是一种同时具有自适应控制、分级模糊控制、相位繁忙优先和准确显时等优势的控制方案，更适用于实际的交通情况，同时利用了仿真软件对新方案和当前的几种控制方案进行了对比仿真，验证了新方案的有效性和优越性，且相关论文已在中国科技核心期刊现代电子技术上发表（3）我们自主提出的新型智能交通信号控制系统，已获国家实用新型专利，这充分说明了该作品技术的先进性6.2.2 性能可靠性 作品在EXP-89S51

18、单片机的控制下运行相当稳定，且自主提出的新型智能交通信号控制系统不论是在动态模拟界面上模拟，还是在EXP-89S51单片机的控制下都能很好地运行，更适用于实际的交通情况。6.3作品的实用性和经济性6.3.1 实用性利用EXP-89S51单片机为核心，设计出的一种新型智能交通信号控制系统，是针对当前日益严重的交通拥堵问题。交通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。近年来，随着经济的不断增长，城市化、汽车化的急速发展，城市道路增长的有限与车辆增加的无限造成了严重的交通拥挤问题，其中以交叉口的交通拥堵问题最为严重。据数据显示，每年因交通堵塞造成的经济损失高达几十亿美元，现已成为制约经济发展和城市