基于模糊控制的智能交通灯控制系统

1、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、MS Office. PROTEL、Keil C51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.培养学主利用单片机进行应用系统开发的能力

2、，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日的。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

3、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程序设北京:淸华技大学岀版社,2006.2余锡存，曹国华.单片机

4、原理及接口技术M.陕西：西安电子科技大学岀版设社，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，200&阎石.数字电子技术基础（第三版）M.北京：高等教冇出版社，1989.馀吉万.城市文通的汁算机控制和管理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.邵阳师范髙等专科学校学报，2001, 23（5）.8李静.单交叉口交通灯信号模糊控制及英仿真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南民族大学学

5、报（自然科 学版），2007, 33.10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，200&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

6、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。那么黑什么 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、黃、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义路口，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、黃、绿交通信号灯，其中红灯亮，表示该条道路禁止通行; 黃灯亮，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

7、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，山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,城市交义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 制交义路口马车的通行

8、，但一次煤气爆炸事故致使这种交通信号灯儿乎销声匿迹了 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儿。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，把六个交义路口作为一个系 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、可鼎、价格便宜，很快在美国推广普及。这种系统

9、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 交义口的时间延误，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釆集系统中，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

10、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，不仅仅依黑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义口信 号灯控制，而城市交通的区域协调控制，是在整个城市范圉内对交通进行控制，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

11、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，在近白年的发展中，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讣的 方法。H前，国内的交通灯一般设在十

12、字路门，在醒目位置用红、绿、黃三种颜色 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悄况，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，交义路口经常出现拥堵。利用单片机控制技术，提出了软 件和硬件设汁方案及改进措施：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

13、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义路口 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，并釆用倒计时方法。5. 同步设置人行横道红、

14、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，两车道应该釆取的措施。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 片与可编程并行1/0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

15、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；紧急车辆通行车辆传感器或多I 路开关最小系统外围接口电路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，讣数器硬件延时程序, 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

16、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：11张毅坤.单片微型计算机原理及应用切.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）如.北京：高等教育出版社，1990.6阎石.数字电子技术基础（第三版）切.北京：高等教育出版社，1989.7周润景.PE0TEUS在MC

17、S-51&ARM7系统中的英语那个白例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H.北京：人民文通出版社，1992.并行接口扩 展时间 显示交通灯 显示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.Ill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

18、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显示器进行倒讣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

19、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ABSTRACTABSTRACTWith the development of economy and the improvement of urban modernization level, the demand of traffic and the number of cars have been growing rapidly. As the traffic congestion, traffic accidents

20、 and environment pollution has become more obvious, that, it has become the global economic and social problemThis system uses MSC-51 series microcontroller and 8255A to design the traffic controller to manage the traffic road. It uses simple hardware circuit to simulate the alternative transformati

21、on of the traffic lights and to realize the circular illumination of the lights We use the LED as the countdown instructions. In this project, we add the traffic detection circuit, which uses the fuzzy control algorithm to change the time of the traffic lights automatically to control the traffic li

22、ghts time. This design can make sure that the LED keeps the pace with the state lamp. What is more, while it can keep the traffic safe, at the same time, it can make the traffic running smoothly, operation efficient, and also can reduce the number of traffic accidents, save energy consumption. Above

23、 all, this system has great realistic signification.Keywords: Intersection management; Fuzzy logic control; MCU51;traffic detection ; Traffic light1绪论.111.1交通灯研究的背景和意义.111.2国内外交通灯研究的发展概况.112系统的总体方案设计与分析.132.1交通灯总体设计的描述.132.2交通灯控制系统的工作原理.142.2.1十字路口调度系统模糊控制器的设计.142.2.2路口管理系统模糊控制器.152.2.3十字路口车辆通行模式.18

24、2.2.4交通灯的工作原理.183系统硬件电路设计.193.1单片机最小系统外围电路.193.1.1AT89S51芯片内部结构 .193.1.2AT89S51单片机主要引脚功能 .203.1.3看门狗电路.233.1.48255A 芯片简介.233.1.574LS373 简介 .243.2显示电路.253.2.1时间显示电路的设计.253.2.2红绿灯的显示电路.263.3车流量检测电路.274.2.4紧急状态控制模块.313.4紧急车通行电路.284系统软件设计.284.1软件总体设计思想.284.2软件主要模块程序流程图.284.2.1系统初始化程序 .284.2.2模糊控制器程序 .30

25、4.2.3系统显示模块程序设计 .305总结与展望.31参考文献.33附录 .错误!未定义书签。外文资料 .错误!未定义书签。中文译文 .错误!未定义书签。致谢 .错误!未定义书签。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讣算机综合管理系 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

26、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，山此造成的影响是很多交通控制策略根本不能实现。在少数儿个例子中， 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。 山于缺

27、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，儿乎 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:门。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

28、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

29、，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圉内、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，

30、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，本文就是通过对交义路口交通信号的智能控制，达到优化路 口交通流的目的洌。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，每个交义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，

31、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

32、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，网络路山控制等。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U前应用比较好的交通系 统：SCOO

33、T（经典交通系统），他们都是主要釆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，要想建立实用性较強的数学模型 是十分困难。利用模糊控制智能控制技术进行交义口信号灯控制能取得比定时控 制与感应控制更好的效果，是今后单交义路口信号灯控制的主要研究方向。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，车俩分流尚能发挥作用，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

34、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 灯设讣的方法。针对道路拥挤，交义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

35、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，我们釆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

36、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。通行倒讣时显示釆用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

37、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y为系统设定值，y为系统输出值，它们都是清晰 量。e和g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

38、,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 (zero)PS 止小(positive)PM 正中(positive medium)PB 正大(positive big)（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，乂称事实。以已知的规则库和输 入变量为依据，基于模

39、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：。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。2.2.2路口管理系统模糊控制器一般情况下，红

40、绿灯设在十字路口或在多干道德岔口上，LI的是为了调整岔 口的交通秩序。而且，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。釆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，并山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语言规则图2.2模糊

41、控制系统结构困难的，这是山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儿个问 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）绿灯方向车流量一一单位时间通过道口的车辆数量。2）红灯方向排队

42、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X内可能滞留的车辆最大数量为/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。（3）输出及其模糊分类1）南北向绿灯时间延时论从属度从属度图2. 4红绿灯期间车辆数的隶属函数2）东西向红灯延时时间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

43、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，山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J、J的论域定义为（0-20）,将其分三个模糊子集：T长、T中、T短。输入量和输岀量的论域、模糊子集、从属度函数的设讣关系、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，采用试探一一修正法设讣，与 设计者的经验有密切关系。（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力。其结构如表2-1所示。

44、表2-1模糊规则结构表XY多中少多T.,THT.t.中T :T ：TK少T.TKT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2-2 9种模糊状态状态XYTG1多多G2多中G3中多T短G4多少T.PG5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更=30s、T中=40s、T氏=55so2.2.3十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SI、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

45、 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

46、绿灯，东西方向左转绿灯2. 2.4交通灯的工作原理本系统山AT89S51单片机控制，山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。3系统硬件电路设计3.1单片机

47、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11.0592H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CM0S8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. 1

48、AT89S51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，CPI；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RAMo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 乂多种类型，在89系列单片机中全部采用闪存。AT89S51内部配置了 4

49、KB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，另一种是采用通用汁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。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（10） 口8051共有4组8位I/O 口（P0、Pl、P2或P3）,用于对外部数据的传输。 每个口都111 1个锁存器和一个驱动器组成。它们主要

50、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。(T2) P1.0C1 14040(T2 EX) P1.1E239P1.2C338Pl.3 匚437P1.4 匚536(MOSDP1.5C6AT8SS 牛51(MISO) P1.6L734(SCK) P1.7 匚833RSTC932(RXD) P3.0 匚101031(TXD) P3.1 匚111130(INTO) P3.2 匚121225（riTrr）円.3 匚131328(TO) P3.4 匚1427(TDP3.5r151526P3.6 匚161625(RD) P3.7 r171724XTAL2 匸181823XTAL

51、1 r1922GND匚2021VCCPo.o (ADO)P0.1 (AD1)P0.2 IAD2)P0.3 (AD3)P0.4 (AD4)P0.5 (AD5)P0.6(AD6)P0.7 (AD7)ALBFTALBFTO5O5P5ERP5ERJ P2.7 (A15)P2.6(A14)P2.5 (A13)P2.4 (A12)P2.3(A11)P2.2(A1O)P2.1 (P2.0 (AS)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

52、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何。3. 1.2 AT89S51单片机主要引脚功能AT89S51单片机釆用4OPin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3. 1如图所示。图3. 1 AT89S51单片机引脚图各引脚说明为：1输入输出引脚POD：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

53、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

54、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 3-1。表3-1具有第二功能的P3 口引脚引脚第二功能P3. 0RXD 串行口输入端P3. 1TXD串行口输出端P3. 2/INTO外部中断0请求输入端，低电平有效P3. 3/INT1外部中断1请求输入端，低电平有效P3.4T0定时/计数器0计数脉冲输入端P3. 5T1定时/计数器1计数脉冲输入

55、端P3. 6/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P3. 7/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/PR0G（30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。PSEN （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

56、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/Vpd（9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

57、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2IV编程电源Vpp的输入端肌。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3.2 (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3.2(b)所示。图3.2(a)内部时钟方式图3. 2(b)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

58、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，系统内部复位凹。复位有两种方式：上电复位和按钮复位, 如图3.3。图3. 3 MCS-51复位电路XT.U1 XTAL2连。其连接如图3. 5所示。图3.4 DS1232引脚逻辑图3. 1.3看门狗电路山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

59、。考虑系统可靠性设讣， 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3. 4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 口相图中的看门狗定时器TC1232的操作很简单：如果单片机的Pl. 1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管脚输岀一个复位信号使单片机复位。

60、VCCZSTOO -5VTOL1 GNDPBRST TDDS1232RST1P1.18051RST图3.5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3. 1.4 8255A芯片简介8255A是在单片机应用系统中广泛釆用的可编程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CD,对应 于引脚PA7PAO、PB7PBO和PC7PCO。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。