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1、第一章 绪 论1.1课题背景近年来，我国经济发展迅速，在汽车工业欣欣向荣，国民收入的日益增上这两个大背景下，中国的汽车保有量急剧增加，私家车的普及已经日益成为趋势，然而这样的情况也产生了很多不利的因素，如道路时常堵塞、交通事故频繁发生而这些情况又往往发生在道路最繁密的地方交通路口，因为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，导致这些情况的原因主要是由于调度系统不够完善，不够智能，从而没有起到其应有的作用，不能合理利用道路的资源，例如，一味的采用定时控制，并不能合理疏散交通，反而造成道路有效应用时间的浪费，出现绿灯方向车辆较少，红灯方向车量积压，大大影
2、响了道路的使用效率。从而大量的车在十字路口停留，并不断地无意义的消耗汽油，造成能源浪费并且导致环境污染。由于土地的限制，所有这些问题的解决又不能仅依靠道路的扩建来完成，一个智能的交通路口调动系统显得尤为必要。正是出于这样的原因，设计了基于模糊理论的微机控制交通路口调度系统。根据十字路口红绿灯交替变换的特点，本系统的硬件电路主要分为三大部分：单片机最小系统的外围电路、车流量监测电路以及时间和红绿灯的显示电路。这里将为什么选择单片机进行介绍。首先介绍单片机的历史和特点1。1.2智能交通灯的研究意义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。汽车现已成为人们日常生
3、活中必不可少的交通工具。汽车在给人们带来便利的同时，也带来了一系列令人困惑的问题，如环境污染、交通拥挤、交通事故频繁发生，给人们的生命和财产带来了很大的损失。城市交通问题困扰城市发展、制约城市经济建设的重要因素，人们对交通有效控制的意识越来越强烈。城市交通信号控制是通过对交通流的调节、警告和诱导以达到改善人和货物的安全运输，提高运营效率。其目标在于改善交通流的质量，更好的利用现有运输能力，提高交通流的安全性、快速性和舒适性。交叉口是组成城市道路网的基本单元，城市交通控制分为单交叉口控制和多交叉口协调控制，并非前者比后者控制效果好，他们各有自己的适用范围。单交叉口担负着线控、面控控制方案的落实。
4、我国城市建设资金短缺，而协调控制一般投资较大，这就限制了其使用。所以我国目前各个城市的绝大多数交叉口都在使用单交叉口控制方式。如何赋予单路口控制方式一些新的策略，使之对于大量的交叉口进行行之有效的控制，最大限度的提高其通行能力及安全，对解决我国目前城市交通有着非常现实的意义，也可为协调控制的研究提供帮助。1.3国内外发展现状智能交通系统在日本的发展始于70年代。从1973年至1978年，日本成功地开展了一个叫动态路径诱导系统的实验。在这个实验中，车上的驾驶员可以根据装在车上的显示器上所显示的道路交通堵塞状况及诱导方向，选择自己到达目的地的最佳路线。从80年代中期至lJ90年代中期的10年间，日
5、本相继完成了道路与车辆之问通信系统、交通信息通信系统、宽区域旅行信息系统、超智能车辆系统、安全车辆系统以及新交通管理系统等方面的研究。在此基础上，1994年1月，由日本警察厅、通产省、运输省、邮电省和建设省等五个部门联合成立了日本道路交通车辆智能化推进协会用以推动ITS在日本的发展。美国交通系统的智能化研究是最早的，始于本世纪60年代末，那时叫做电子路径导向系统。中间暂停了目前我国城市街道交叉路口的交通信号灯虽然是自动的，但是仔细观察就会发现红绿灯的交替转换是定时式的，即转换的间隔时间是固定不变的。定时式并不符合实际要求。因为，如果东西和南北两方向车流量相差很大，而信号灯还是平均分配导通时间，
6、就会出现这样的问题：车多的方向导通时间不足，而车少的方向导通时间剩余，造成一方向车拥挤，另一方向车流量少的不合理的局面，这就是机器自动控制不如人工现场指挥的差别。然而人工指挥劳动强度大，我们应充分发挥计算机的作用，用计算机模拟人的智能来控制交通灯，从而提高经济和社会效益。为了达到对红绿灯的时间的控制，需要对道路上的车流量进行检测。当前比较流行的车流量监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，引起自感的变化。1.4 设计任务本课题设计的目的：通过单片机来控制交通路口的调度，包括了外围电路的设计、车流量检测电路及红绿灯和时间显示电路等。通过自动调节红绿灯时间解决了塞车问
7、题，使路口的交通保持通畅。本课题设计的目标：1、通过单片机的应用可以显示红绿灯的工作状态和剩余时间。2、对道路上的车流量能够自动进行检测。3、根据车流量的多少能自动调整红绿灯显示时间。4、当有车辆闯红灯时，能够及时记录下来。第二章 控制系统方案论证及选择2.1 信号灯基本情况信号灯给出的信号为红黄绿三色。世界各国对交通信号灯的各种灯色含义都有明确规定，其规则基本相同。具体规定如下：(1)绿灯亮时，准许车辆、行人通行；(2)黄灯亮时，不准车辆、行人通行，但已越过停止线的车辆和进入人行横道的行人可以继续通行；(3)红灯亮时，不准车辆、行人通行；(4)绿色箭头灯亮时，准许车辆按照箭头所示方向通行；(
8、5)黄灯闪烁时，车辆、行人须在确保安全的原则下通行。对人行横道信号灯有如下规定：(1)绿灯亮时，准许行人通过人行横道；(2)绿灯闪烁时，不准行人进入人行横道，但已进入人行横道的，可以继续通行；(3)红灯亮时，不准行人进入人行横道。2.2交通信号控制的基本参数(1)步与步长当进行交通信号灯控制时，这些灯色中的某些将被点亮。某时刻，灯控路口各个方向各信号灯状态所组成的一组确定的灯色状态称为步，不同的灯色状态构成不同的步。步持续的时间称为步长。一般地，步长的最小单位为ls。(2)周期用于指挥交通的信号总是一步步循环变化的，一个循环由有限个步构成。一个循环内各步步长之和称为信号周期，简称周期。(3)相
9、位在一个周期内，平面交叉口上某一方向或几个方向的交通流所获得的通行权称为相位，一个周期内有几个信号相位，就称该信号系统为几相位系统。(4)排队长度某一相位红灯期间等待在停止线前的车辆数称为排队长度。(5)绿信比绿信比是一个信号相位的有效绿灯时长与周期时长之比，一般用A表示。A=GeC其中：A表示绿信比；C表示周期时长(单位：秒)；Ge表示有效绿灯时长(单位：秒)。2.3 交通控制系统的基本类型2.3.1 按控制区域几何特性划分1点控单交叉口交通信号控制，通常简称为“点控制”。当某个交叉口与其相邻的交叉口相距较远时，可以利用一台控制器控制其信号变化，它与相邻的交叉口之间的信号配时没有固定关系。其
10、主要控制参数是周期长C和绿性比兄。必须考虑的两个重要因素是车辆延误和交叉口的通行能力，在理想情况下，希望总延误时间最小并且得到最大的道路通行力。2线控线控方式是把一条道路延长线上的连续几个信号机在时间上相互联系起来进行信号显示，并通过减少车辆停车次数，缩短停车时间达到交通畅通的目的。为了管理控制区间上交叉路口的交通量，需要把周期长设定在最小信号周期长以上，另一方面，通常在市区内的线控范围里，尽量缩短周期长，这样可以减少延误。所以，一般来说，让系统区间内饱和度最高的交叉路口的周期长作为各交叉路口信号机的共同周期长。实际上，准备好几种信号模式，根据交通流的状态选择使用，信号的绿信比和单点定周期控制
11、的情况类似，用显示的流量饱和度之比来分配各交叉路口的有效绿灯时间。3面控面控又称为区域交通信号控制，其控制对象是城市或城市某个区域中所有交叉路口的交通信号。面控方式是将控制区域内全部交通信号的监控作为一个交通监控中心管理下的整体控制系统，它是单点信号、干线信号和网络信号系统综合控制的继承。区域控制系统是随着交通控制理论的不断发展，以及通讯、检测、计算机技术在交通控制领域的广泛应用而发展起来的现代化交通信号控制系统。2.3.2 按控制原理划分按照原理划分可以分为定时控制、感应控制和自适应控制三种类型。1定时控制这种控制方式以历史交通流数据为依据，找出以往交通流的变化规律，人工或通过计算机仿真预先
12、准备好不同同期的不同时间段内需要使用的配时方案，将这些方案存储在信号控制器或中心计算机内，在实施过程中，可以根据不同的情况调用这些配时方案。通常可用日历钟在规定的时间表控制下选用对应的配时方案，也可以按车辆检测器检测的实际交通要求来选用合适的方案。然而，由于配时方案时预先确定的，且一经确定，就不能根据实时交通情况作灵活调整，所以，这种方法存在一些明显的不足：配时方案的老化；控制对策的灵活性较差；无实时交通信号反馈。2感应控制感应控制的原理是根据车辆检测器检测的交通流量数据调整相应的绿灯时间的长短和时间顺序，感应控制使用于饱和度较低或各相交通流相差较大的交叉口的控制，特别是交通流没有明显的变化规
13、律，随机性较强的时候效果特别明显。当各向交通流接近其允许的通行能力时，绿灯时间经过调整必然要接近各方向允许的最大绿灯时间，这与定时控制并无区别。3自适应控制在一条干线或一个区域，根据交通流的动态随机变化而自动地调整信号控制参数，使控制系统自动地适应交通流的随机变化，这种控制方式就是自适应交通控制方式。综上所述，选择了用面控、自适应控制来完成这个系统的控制。第三章 系统主要芯片及模糊控制理论3.1单片机的特点及介绍单片微型计算机，简称单片机，是微型计算机的一个分支，它是在一块芯片上集成（嵌入）了CPU、一定容量的ROM和RAM存储器、I/O接口等而构成的微型计算机。它有自己的特点：a、可靠性高。
14、随着IC制造技术的发展，芯片的集成度越来越高，则其可靠性也随着大幅度提高。b、性价比高。总有一款能够既满足价格又满足性能要求。c、高度的选择灵活性。当前的单片机从8位、16位、32位应有尽有。尤其在微小系统使用的8位机，系列、种类、型号五花八门应有尽有。 d、完备的软硬件开发手段。目前国内有的单片机，一定有多种对其硬件软件开发的支持，从硬件的在线仿真器到软件的高级语言编译，以及交叉或驻留汇编应有尽有。还有很多是我们国内厂家自行研制的。e、专用性越来越强。由于IC技术的发展，推动了单片机的专用性发展，出现了很、多的语言、图像、通信、数据处理等专用类单片机。f由于体积小巧，易于构成嵌入式系统。AT
15、89C51为双列直插（DIP）式封装的51单片机芯片，有40条引脚，其引脚示意及功能分类如图3.1所示。图3.1 89C51单片机引脚图各引脚功能说明如下：（1）主电源引脚Vcc（40脚）：接+5（120）V电源正端；Vss（20脚）：接地。（2）I/O引脚P0口（3932脚）：P0.0P0.7统称为P0口。P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口,分时复用为低8位地址总线和双向数据总线。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器时，这组端口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在FLAS
16、H编程时，P0口作为原码输入口，当Flash进行校验时，P0口输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口（18脚）：P1.0P1.7统称为P1口，可作为准双向I/O口使用。P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。P1口被外部下拉为低电平时，输出电流，是因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在Flash编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口（2128脚）：P2.0P2.7统称为P2口，一般作为准双向I/O使用。P2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。P2
17、的输出缓冲器可驱动4个TTL逻辑门电路。当对P2端口写“1”时，内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，由于内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。在接有片外存储器或扩展I/O口且寻址范围超过256B时，P2口用作高8位地址总线。当给出地址为“1”时，它就利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读/写时，P2口便输出其特殊功能寄存器的内容。在FLASH编程和校验时，P2口接收高八位地址信号和控制信号。P3口（1017脚）：P3.0P3.7统称为P3口。P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口的输出缓冲器可驱动4个TTL逻
18、辑门电路接收输出电流。当P3口写“1”时，通过内部的上拉电阻上拉为高电平并作为输入口。此时由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（IIL）。除作为准双向I/O口使用外，还可以将每一位用于第二功能，而且P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。P3口第二功能祥见表3.2：口线第二功能信号名称P3.0RXD串行数据接受P3.1TXD串行数据发送P3.2外中断0申请P3.3外中断1申请P3.4T0定时器/计数器0计数输入P3.5T1定时器/计数器1计数输入P3.6外部数据存储器写选通P3.7外部数据存储器读选通表 3.2 P3口第二功能表（3）外接晶体引脚XTAL1(19脚)：它
19、在单片机内部是一个反向放大器的输入端，构成了片内振荡器。当采用外部时钟时，HMOS单片机的该引脚应接地；CHMOS单片机的该引脚作为外部振荡信号的输入端。XTAL2(18脚)：它在单片机内部是片内振荡器的反向放大器的输出端。当采用外部时钟时，HMOS单片机的该引脚作为外部振荡信号的输入端；CHMOS单片机的该引脚应悬空不接。（4）控制线ALE/ (30脚)：地址锁存允许/编程信号。在访问片外程序存储器期间，此信号可用于控制锁存P0输出地址总线的低8位，ALE以每机器周期两次进行信号输出；在FLASH编程期间，此引脚用作编程脉冲的输入端。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振
20、荡器频率fosc的1/6,可作为对外输出的时钟脉冲或用于定时目的。但要注意的是：在访问片外数据存储器期间，ALE脉冲会跳空一个。若想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE执行MOVX，MOVC指令使ALE起作用。另外，该引脚将被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。（29脚）：片外程序存储器读选通信号输出端，低电平有效。在由外部程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周期内两次有效，P0口读回指令或常数。当访问内部程序存储器时，信号不跳变。RST/VPD (9脚)：RST即RESET，VPD为备用电源，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
21、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。当VCC发生故障，降低到低电平规定值或掉电时，该引脚可接上备用电源VPD（+5V）为内部RAM供电，以保证RAM中的数据不丢失。/VPP（30脚）：为片外程序存储器选用端，访问内部程序存储器控制信号。当端接高电平时，CPU访问内部程序存储器。当接低电平时，则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH)，则强调CPU访问外部存储器，而不管程序计数器的内容是多少。此外，该引脚还用做EPROM编程电压的输入端。在编程期间，
22、此引脚用作21V编程电源VPP的输入端。 AT89C51的内部结构：89C51单片机内部组成结构中包含运算器和控制器（CPU）、片内存储器、4个并行I/O接、串行口、定时/计数器、中断系统、振荡器等功能部件10。其内部结构框图如图3.3所示。图中PC是程序计数器；PSW是程序状态字寄存器；DPTR是数据指针寄存器。图3.3 AT89C51单片机内部结构框图运算器和控制器89C51的运算器和控制器功能类似于一般微机中的微处理器(CPU)，是单片机的核心部件，它决定了单片机的主要功能特性。它完成逻辑算术运算并协调单片机其它各部分的工作。各种算术、逻辑运算所涉及到的寄存器包括：累加器ACC、寄存器B
23、、暂存器1(TEMP1)和暂存器2(TEMP2)、程序状态字寄存器PSW，程序计数器PC，堆栈指针SP，数据指针寄存器DPTR等。它们位于CPU内部，又称CPU专用寄存器，以区别于I/O接口专用寄存器。存储器MCS-51系列单片机存储器组成是所谓的哈佛结构，存储器的组织方式与通用单片机系统不同，包含程序存储器与数据存储器，其地址空间是相互独立的，而不是程序存储器与数据存储器统一编址。在89C51单片机中，程序存储器采用EEPROM，而数据存储器采用RAM。它们又可以进一步分成内部或外部两类。程序存储器 程序存储器内部和外部是统一连续编址的，内部占用地址空间的低4KB，地址0000H0FFFH，
24、外部地址范围1000HFFFFH，共60KB。程序存储器主要用来存放程序和常数。当程序计数器PC由内部ROM开始执行到外部ROM时，会自动寻址外接程序存储器。程序地址空间原则上可由用户任意安排，但复位和中断源的程序入口地址在51系列单片机中是固定的，用户不能改变。入口地址见表3.4。复位后，CPU从0000H地址开始执行程序。其他地址为中断服务程序入口地址，响应某个中断时，将自动从其对应的入口地址执行中断服务程序。操 作入口地址复位0000H外部中断00003H定时器/计数器0溢出000BH外部中断10013H定时器/计数器1溢出001BH串行口中断0023H定时器/计数器2溢出或T2EX端负
25、跳变（52子系列）002BH表 3.4 51单片机复位、中断入口地址数据存储器 MCS-51系列单片机数据存储器也有内部、外部之分。但与程序存储器不同，片内、片外存储器是分别独立编址的，片内数据存储器除RAM块外，还有特殊功能寄存器（SFR）块，其中片内数据存储器有128个字节，其编制为00HFFH；特殊功能寄存器也占128个字节，其编制为80HFFH；二者连续而不重叠。外部RAM地址范围0000HFFFFH，共64KB。内部存储器可直接寻址。尽管片内、片外地址空间的低256B有重叠，但寻址并不会造成混乱。这是因为片内、片外存储器使用不同的指令(MOV和MOVX)。扩展的I/O地址也占用数据存
26、储器空间。对I/O端口操作无须特殊指令且访问程序存储器是用PESN()信号选通，而访问片外数据存储器时，由RD()信号（读）和WR()信号（写）选通。寄存器区 内部数据存储器分为4个区域，数据RAM用于存放临时变量，下面介绍其他三个寄存器区：a) 工作寄存器区 它占用地址00FFH的32个内存单元，又分成4个区。每个区有R0R7共8个工作寄存器。工作寄存器区的选择又由程序状态寄存器PSW的第4位和第3位(RS1和RS0)共同指定。单片机复位时，RS1和RS0为零，故指向0区。通过位操作改变RS1和RS0的值，可以方便地指向任一个区间。b) 位寻址区 每位都有一个独立的8位地址(占据空间007F
27、)，共128位。此外，在专用寄存器SFR中还有一部分是可以位寻址的(有些位可能无定义)。c) 专用寄存器区 共有21个专用寄存器SFR，位于80FFH地址空间。这些寄存器又可以分为CPU专用寄存器和接口专用寄存器。CPU专用寄存器前面己经提过，而接口专用寄存器包括两部分。一部分就是单片机的I/O端口P0P3，分别编址为80H、90H、A0H、B0H，共4个单元，32位，每一位都可以独立寻址。另一部分为定时/计数器，串行口、中断的一些控制寄存器。定时/计数器89C51有两个16位定时/计数器(T0，T1)。在定时功能中，每个机器周期定时器加1，由于l个机器周期包含12个振荡周期，因而它的计数频率
28、为1/12，即由定时器计数到的脉冲为振荡周期频率的1/12。在计数器功能中，在外部事件相应输入脚(T0或T1)产生负跳变时，计数器加1。由于计数器的计数过程需要2个机器周期(24个振荡周期)，所以，最高的计数频率为振荡频率的1/24。这两个定时/计数器的工作状态(定时/计数)及工作方式(方式0方式3)的选择是由定时/计数器方式寄存器(TMOD)中的每位值所决定的。定时/计数器的控制由控制寄存器(TCON)完成。I/O口 89C51不仅有4个8位并行口，供单片机和外部RAM、EEPROM等扩展连接用或与其它设备交换信息用，它还有一个全双工串行口，能同时发送和接收数据。在前面的引脚功能中已对并行口
29、作了简要介绍，在此就主要介绍一下串行口。串行口也就是P3.0和P3.1的第二功能。它既能工作在异步方式，又能工作在同步方式。该串行口是全双工的，它在物理上分为两个独立的发送缓冲器和接收缓冲器SBUF，但它们占用一个特殊功能寄存器的地址99H，只需对SBUF进行写或读的操作，就可以同时发送和接收了。串行口的工作方式选择、波特率选择、串行通信协议的完成，由两个特殊功能寄存器，即串行口控制寄存器SCON和功耗控制寄存器PCON完成。中断89C51单片机提供了6个中断源，而每一个中断源都能被程控为高优先级或低优先级。其中5个中断源包括2个外部中断和3个内部中断。两个外部中断源为INT0和INT1，外部
30、设备的中断请求信号、掉电等故障信号都可以从INT0而和INT1引脚输入，向CPU提出中断申请，INT0和INT1的中断请求标志IE0、IE1分别设在TCON寄存器的TCON.1、TCON.3。3个内部中断源为T0、Tl溢出中断源及片内串行发送或接收中断源，T0、Tl中断请求标志TF0和TF1分别设在TCON寄存器的TCON.5、TCON.7，串行发送或接收中断标志TI或RI设在SCON寄存器的第SCON.0、SCON.1。5个中断源中的一个、几个或全部中断源的开、关由中断允许寄存器(IE)完成，而每个中断源的优先级别的高低由中断优先级控制寄存器(IP)完成。89C51单片机中断源简要特性见表3
31、.5。名称符号标志符号标志符号位置矢量地址优先级别外部中断INT0IE0TCON.10003H最高最低定时器0溢出中断TF0TF0TCON.5000BH外部中断1INT1IE1TCON.30013H定时器1溢出中断TF1TF1TCON.7001BH串行口中断R1+T1R1SCON.00023HT1SCON.1表3.5 中断源特性表3.2 模糊控制理论3.2.1模糊控制系统的结构模糊控制能避开对象的数学模型（微方、状方、传递函数等）。可以说模糊控制器是一种语言变量的控制器6。模糊控制系统的示意图如图3.6所示，控制对象模糊控制器语言规则模糊化清晰化模糊推理 图3.6 模糊控制系统结构模糊控制系统
32、是一种自动控制系统，它是以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑推理为理论基础，采用计算机控制技术构成的一种具有闭环结构的数字控制系统。它的组成核心是就有智能性的模糊控制器。经典控制理论和现代控制理论都是建立在系统的精确模型基础之上的，对无法建立精确数学模型的系统，传统控制理论是无法求解的。而模糊控制理论就可以很方便的解决此类问题。模糊控制理论是在模糊数学的基础上发展起来的，所谓模糊数学并不是将数学变为模糊的东西，而是改变传统数学只能表示确切的有限概念。简而言之，模糊数学就是用来描述、研究、处理事物所具有的模糊特征的数学。人类语言中最常用的词汇都是很模糊的概念，如：人的体重可分为“瘦，正常
33、，胖三个等级。传统数学用集合的概念来表示，同时这些集合的边界必须是明确的。一个对象和一个集合之间只有两种关系，要么属于，要么不属于，两者必居其一。传统数学只能用绝对的集合论来描述模糊概念，不能真实地描述和处理模糊概念。模糊数学是用隶属度函数来描述模糊概念的，它的基础是模糊集合论。模糊集合中的模糊概念不像普通集合中的“内涵”和“外延都是明确的。简单来说，模糊集合用一个实数去度量元素属于该集合的程度，而这个实数就称为“隶属度”。隶属度随集合元素的变化而形成的函数就是“隶属函数。隶属函数的引入标志着模糊数学的诞生。模糊控制是智能控制的一个重要分支，它构造容易，鲁棒性好。实际上是一种基于人类语言规则的
34、人工智能控制。3.2.2 模糊控制的结构及特点模糊控制的结构指的是它的输入输出变量、模糊化算法、模糊推理规则和精确化的计算方法。其结构如图3.6所示：由于模糊控制系统中语言型规则和模糊概念的使用，使得模糊控制相对于常规控制而言有独特之处。现将这些特点概括如下：1模糊控制是一种基于规则的控制，它直接采用语言型控制规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确的数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用。2由工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控制对那些数学模型难以获取，动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适
35、用。3基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标的不同，容易导致较大差异；但一个系统语言控制规则却具有相对的独立性，利用这些控制规律间的模糊连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制器。4模糊控制是基于启发性的知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平。5模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。正是由于模糊控制的上述特点，使其在控制领域得到广泛的应用。3.2.3 实现模糊控制的具体步骤1.模糊化模糊化的过程主要完成两个功能：在采用合成推理算法时，
36、为了在实时控制中避免模糊关系矩阵合成算法所浪费的计算时间，总是采取在离线状态下将全部输入输出之间的关系计算出来，形成一张控制表存入计算机中，该表是以整数表示输入量和控制量的，当采样时就可以根据输入变量直接到控制表去查询就可以得到输出响应。为了能够生成控制表，要求必须将变量的论域进行转换。(1)论域变换输入变量的真实论域在模糊控制器中必须变换到其内部论域。若内部论域是离散的，则其论域为0，整数)，若内部论域是连续的，则其论域为一l，1)。论域变换相当于在真实论域上乘以一个比例因子变为内部论域。(2)模糊化经过论域变换后的输入变量仍为普通变量，应为它们分别定义若干个模糊集合，并在其内部论域上规定各
37、个模糊集合的隶属函数。再根据隶属函数的定义可以求出输入变量对各模糊集合的隶属度，这样就把普通变量的值变成了模糊变量的值，从而完成了模糊化的工作。输入变量的值在内部论域时是普通数值，经过模糊化以后变为0，1区间内的隶属度。2知识库知识库是模糊控制器的核心，存储着模糊控制器的一切知识。它包括数据库和规则库两部分。(1)数据库数据库中存储着有关模糊化、模糊推理、解模糊的一切知识。(2)规则库规则库中存储着模糊控制规则。模糊控制规则是在控制过程中将操作人的经验去粗取精、去伪存真，总结成若干条用自然语言描述的控制规则，利用模糊数学这一工具进行处理，构成模糊关系存放在计算机的存储器中，形成“规则库。模糊控
38、制规则是以“IFTHEN形式表示的模糊条件语句。规则库中所有的规则都是并列的。3模糊推理在逻辑推理中，命题一般成为判断。所谓推理就是从一个或几个己知的判断出发推出另一个新判断的思维形式。常用的模糊推理方法有两种即广义前向推理和广义反向推理。模糊控制规则采用”IFTHEN形式，IF部分是规则的前提，THEN部分是规则的结论。若己知规则的前提求结论，是广义前向推理；若已知规则的结论求前提，则是广义反向推理。模糊推理一般采用广义前向推理方法。4解模糊模糊控制器的输出是一个模糊集，它包含控制量的各种信息，但被控对象仅能接受一个精确的控制量。因此把模糊量转换位精确量的过程称为清晰化，又称为解模糊。3.2
39、.4 路口管理系统模糊控制器的设计一般情况下，红绿灯设在十字路口或在多干道的岔口上，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红绿时间，并自动切换。红灯时间和绿灯时间是根据道口东西向与南北向的车辆流量，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。采用定时控制造成道路有效应用时间的浪费，出现绿灯方向车辆较少，红灯方向车量积压。在人工控制时，交通警不断地观察十字道口两个方向车辆密度和流速，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
40、是十分困难的，这是由于十字路口交通动态模型是高度非线性化的，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，所以我们决定采用模糊控制来解决自动红绿灯的最佳控制问题。3.2.5 模糊控制数学模型我们先建立交通叉路口的交通流的数学模型：。其中n(x，t)为单位长度汽车数(即密度)，q(x，t)为单位时间内通过的汽车数(即流量)。若=o，则表示驶进并的汽车数量等于开出去的汽车数量；若0，则表示驶进x的汽车数量少于开出去的汽车数量；若o，则表示驶进z的汽车数量多于开出去的汽车数量。红灯时，只有汽车驶进而无汽车驶出o，则o即车辆密度增大。绿、黄灯时，既有汽车驶进又有汽车驶出，一般来说，则车
41、辆密度减小。绿灯亮时，要保障红灯时滞留的车辆和一部分绿灯时驶进的车辆有足够的时间通过叉路口。于是绿灯的时间包括驾驶员的反应时间和汽车的启动时间，车队通过路口所需的时间。设法定速度。，红灯时滞留车队长为，绿灯时驶进的部分车队长为，路口长度为L，汽车加速度为a，驾驶员的反应时间和启动时间为。于是绿灯的时长: 黄灯亮时，已越过停止线的车辆可以继续前行，未经过停止线的则禁止继续通行。对于驶进停止线的驾驶员，在他看到黄灯信号后要做出决定：是停车还是通过路口。当决定停车时，必须有足够的停车距离；当决定通过路口时，必须有足够的时间通过路口。于是黄灯的时间包括驾驶员的反应时间，车通过路口以及刹车距离所需的时间
42、。设法定速度为车身长为，路口长度为L，汽车刹车时轮胎与路面的摩擦系数为，重力加速度为g，驾驶员的反应时间为。于是黄灯的时长，为第四章 系统硬件设计4.1 系统的时钟电路单片机的时钟电路用来产生时钟信号，以提供单片机片内各种数字逻辑电路工作时间基准。51单片机的时钟电路可以采用内部振荡方式和外部振荡方式两种电路形式。被系统采用内部振荡方式。内部振荡方式的单片机内部XTAL1和XTAL2之间 高增益的放大器，在XTAL1和XTAL2引脚外接谐振电路，就构成了内部振荡方式的自己振荡器，并能够产生时脉冲。如图4.1所示。图4.1 时钟电路图51单片机的最高工作频率一般是20MHZ，在20MHZ范围以内
43、，振荡频率有晶振的谐振频率确定，电容器C1，C2起稳定振荡频率、快速其电容值一般为530pF,设计电路时应将C1，C2尽量靠近单片机芯片。实用系统常选用12MHz或6MHz频率的晶振。内部振荡方式电路简单，时钟信号比较稳定。4.2时间显示电路的设计该交通灯控制系统在正常工作情况下，每60秒循环变化一次，为方便提示路上行人及车辆交通等转换的剩余时间，专门为控制系统设计了一个倒计时显示装置。该显示装置选用七段数码管来显示交通灯转换的剩余时间，根据控制的要求，每个路口需要两个数码管，这样四个路口需要八个数码管。由于AT89C51单片机的I/O作为输出时，具有较大的吸收电流的能力，因此我们可以选用共阳
44、性数码管，这样由单片机的I/O就可以直接驱动，从而简化硬件电路的设计。四个路口倒计时显示装置在同一时刻显示相对应的数字，其中P0用来显示时间的十位，P2口用来显示时间的个位；东西南北方向共四个路口，令DS1和DS2是一组，DS3和DS4是一组，DS5和DS6是一组，DS7和DS8。考虑到AT89C51单片机所能提供I/O接口的数量以及该控制系统所需要的I/O个数，资源进而可以扩展更多的功能。如图4.2所示。图4.2 时间显示电路4.3红绿灯的显示电路 本设计对红绿灯的显示采用的是普通的发光二极管。这种LED也不可以直接接在+5V的电源上，但是如果直接在单片机的输出口，发光二极管又不够亮。所以，
45、在电路中将LED显示接了分流电阻。发光二极管的设置：如图4.3所示。图4.3 红绿灯的显示电路4.4违规车辆检测电路在红灯和黄灯期间，车辆是严禁通行的。为了那些违规的车辆进行检测，系统应使用的是超声波车辆传感器。但是，由于受条件限制本设计中只是用了普通光敏二极管。其基本设计思想如下：将光敏二极管放在停车线上，当车辆行驶过将光敏就不导通，单片机检测到这一信号执行警报操作。但显然，光敏二极管的灵敏度在现场是不够用的。 此检测电路除了使用光敏二极管，还使用了三极管。三极管的型号为9013.由于普通光敏二极管的开关特性不太好，所以在电路中加入了三级管作为开关。由于普通的光敏二级管在导通的情况下的电阻都
46、能达到0.51k。所以将光敏二极管直接连在了电源上。同时三极管还可起到一定的隔离作用。当光敏二极管关闭时，三极管的基极为低电平，基极与发射极之间的电压为零，三极管关断，检测口的电压维高电平，同理，当光敏二极管导通时，三极管的基极电压为高，基极与发射极之间的电平为高，三极管导通，检测口的电压为低电平，基于此就可以检测是否有违规车辆了。违规车辆检测电路的设置：每条道路的右行车道安装一组。总共四组。安装在红绿灯路口停车线上，下图4.4示了其中一组的接线情况。图4.4 违规车辆检测电路4.5 车流量检测电路车流量的检测电路需要车流量监测器。目前，市面上流行的一种车流量传感器是一种互感式的。这种传感器实
47、质上是一种振荡器，其谐振电感埋藏在道路中部，当车辆通过时，电感量变化引起振荡频率变化，由此记录一次。由于条件限制，本系统设计中将电路简化成手动方式，只用了拨断开关来代替。其基本思想为：当车流量大时，由拨断开关送出一个高电平。另外，在单片机和拨断开关之间加了光电隔离。下面将就光电隔离器件作一介绍。在模拟车流量的电路中，加上拨断开关的指示灯，由于在软件设计时，外部开关的有效电平是低电平。所以我们将LED的负极接在拨断开关S1上，一旦有低电平指示灯就会被点亮，即指示灯亮了就表示选中了这一种流量状态。为了避免干扰信号进入单片机，在电路中加入了光电耦合器。根据以上对基本元件的介绍，得到模拟车流量检测电路图如图4.5所示。中间省略了4个拨断开关。端口接相应的P1口。 图4.5 模拟车流量检测电路
