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1、1 基于单片机模糊控制交通信号灯 摘要 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;
2、 交通灯 Abstract This 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 transformation of the traffic lights and to realize the circular illumination of the lights. We use the LED
3、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 lights time. This design can make sure that the LED keeps the pace with the state lamp. What is m
4、ore, 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 all, this system has great realistic signification. Keywords: Intersection management; Fuzzy l
5、ogic control; MCU51; traffic detection ; Traffic light 一、绪论 1.1 交通灯研究的背景和意义 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。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。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。
6、 1.2 国内外交通灯研究的发展概况 随着经济的发展，交通问题已经日益成为世界性的难题。交通系统正是解决这一问题 的途径之一。它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2 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。早
7、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。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。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。
8、二、系统的总体方案设计与分析 2.1 交通灯总体设计的描述 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。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
9、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，指示灯用发光二极管，LED显示采用动态扫描。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。 根据以上介绍，得到系统硬件框图如图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一3 种语言
10、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 为系统设定值，y为系统输出值，它们都是清晰量。e和 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,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
11、中（positive medium） PB正大（positive big） 图 2.2 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。 2.2.2 路口管理系统模糊控制器 一般情况下，红绿灯设
12、在十字路口或在多干道岔口上，目的是为了调整岔口的交通秩 序。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
13、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。 4 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 2.3 所示。 图 2.3 传感器的设置 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
14、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（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。 图 2.4 红路灯期间车辆数的隶属函数 3.输出及其模糊分类 5 （1）南北向绿灯时间延时 （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
15、为 30-55 秒。 由此，绿灯时间延时 、 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 2-1 所示。 表 2-1 模糊规则结构表 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 2.2.3 十字路口车辆通行
16、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 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，一般的右行车道总是亮绿灯 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 2.5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。6 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
