基于单片机模煳控制的智能交通灯设计(编辑修改稿)

基于单片机模煳控制的智能交通灯设计(编辑修改稿)内容摘要：

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。 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 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 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 系统硬件框图 交通灯控制系统的工作原理 十字路口调度系统模糊控制器的设计 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 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 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（ negative big） NM 负中 (negative medium) NS负小（ negative small） ZE 零（ zero） PS正小（ positive） PM 正中（ positive medium） PB正大（ positive big） 模 糊 化 模 糊 推 理 清 晰 化 对 象语 言 规 则yreyui 图 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]。 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]。 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 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 所示。 2406 8 1 01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4 8 1 21 62 0Y红 灯 期 间 排 队 等 候 车 辆 数 图 红绿灯期间车辆数的隶属函数 北图 传感器的设置 （ 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 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 X Y 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 22 9种模糊状态 状态 X Y T G1 多 多 T。