毕业设计(论文)十字路口交通灯的柔性控制(软件).doc
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1、论文题目:十字路口交通灯的柔性控制(软件)专 业:测控技术与仪器本 科 生: (签名)指导老师: (签名)摘 要本系统是针对十字路口交通管理的一个设计,运用模糊控制的思想,对交通灯进行柔性控制,将所测的车流量大小分为不同级别,不同级别对应会有绿灯不同时间的延时。设计的最终效果是:当红外传感器检测部分读取到车流量数值时,向单片机输入信号,单片机经过计算比较后对该方向的绿灯延时,以应对该方向车流量大的情况。系统采用MSC-51系列单片机ATSC51为中心器件来接收检测信息并发出延时控制命令;软件程序采用C语言编程。整个系统可以实现能根据实际车流量的变化来设置红、绿灯的切换时间。本系统实用性强、操作
2、简单、扩展功能强。 关键词:单片机,交通灯,红外传感器Subject: Flexible control of the crossroads of traffic lights(Software)Specialty:Measure and Control Technology and InstrumentName: (Signature)Instructor: (Signature)AbstractThis system is the crossroads of traffic management design, It use the theory of Fuzzy to control t
3、he traffic lights flexibly. The traffic flow will be measured by size into different levels, and different levels of the corresponding will be have different green lighttime delay. The ultimate effect of the design is when the detection portion of the infrared sensor read to the traffic value then i
4、t will input signal to the MCU, and the MCU will calculate and compare the signal .At last, the MCU let the green delay of that direction in response to the traffic flow. The system uses the ATSC51 as the center to receive the detection information and issue control commands delay, and which from th
5、e MSC-51 series ; the software order programming in C language . The entire system can be achieved by according to the actual traffic flow changes to set the switching time of the red or green. The system is practical, simple operation, and strong extensions.KEY WORDS: singlechip,traffic lights,infr
6、ared sensor目录第一章 前 言11.1国内外交通控制发展概况11.2交通控制的应用和意义11.3立项依据和研究方案1第二章 总体方案设计32.1 交通灯控制的功能要求32.2.1 方案构想32.3 系统工作流程8第三章 系统硬件93.1 AT89C51单片机简介93.1.1 AT89C51单片机内部93.1.2 89C51单片机复位电路123.1.3 时钟电路123.2 八段LED数码管显示电路123.3 红外对管检测电路143.4 驱动电路153.5交通指示灯电路163.6 硬件电路总结16第四章 系统软件174.1 系统总流程图174.2 延时方法和定时器194.3 开始红灯均亮
7、5S子程序194.4 红外传感器检测车流量204.5 LED数码管倒计时显示21第五章 制作与调试235.1 制作235.2 系统调试245.2.1 KEIL调试24第六章 结论306.1 系统综述306.2 心得体会30致谢31参考文献32附录1:总硬件电路图33附录2:程序34第一章 前 言1.1国内外交通控制发展概况从历史来看,交通灯控制经历了很多次变革。从1868年英国伦敦首次使用燃汽色灯信号以来,城市交通信号机由手动到自动,交通信号由固定周期到可变周期,系统控制方式由点控到面控,从无车辆检测器到有车辆检测器,经历了近百年的历史。到1963年加拿大多伦多市建立了一套使用IBM650型计
8、算的集中协调感应控制信号系统,从而标志着城市道路交通信号系统的发展进入了一个新的阶段。之后,美国、英国、德国、日本、澳大利亚等多家相继建成数字电子计算机区域交通控制系统,这种系统一般还配备交通监视系统组成交通管制中心。在西方发达国家,交通控制系统基本上完成了由传统的交通控制系统向智能交通控制系统ITS(Intelligent Transport systems)的转变。而在我国,智能交通系统则刚刚处于起步阶段。在20世纪90年代初,我国的相关学者开始意识到研究和开发ITS的重要性。到90年代中期,由于受到国外ITS研发的影响,政府部门也开始重视对ITS的研究。1.2交通控制的应用和意义随着科技
9、的飞速发展,交通运输显得越来越重要,已经被称为城市功能活动的命脉,它直接影响了社会经济、生产与生活的各个方面。科学合理的控制交通运输尤为重要,现代交通灯的控制就是通过红黄绿三种交通灯燃亮变化来提醒各个方向车辆的走与停,红灯亮时,车辆禁行,黄灯亮时,警示红绿灯将要切换,绿灯亮时,车辆通行。一个方向车辆行进,另外一个方向停止,这样交通有条不紊的控制,才能不会造成交通混乱甚至交通事故的发生。所以如何利用当今自动控制技术,设计出真正科学可行的控制系统是值得我们研究的新课题。交通灯是城市交通中的重要指挥系统,它与人们日常生活密切相关。随着人们生活水平的提高,对交通管制也提出了更高的要求,因此提供一个可靠
10、、安全、便捷的多功能交通灯控制系统有着现实的必要性。本设计旨在设计出一款良好的交通灯控制系统来改善交通紊乱问题,目的性强,也具有很强的现实意义。1.3立项依据和研究方案基于整个交通控制系统已经逐渐走向智能控制的情况,本设计主要进行如下方面的研究:用智能,集成,且功能强大的MCS-51系列单片机中的AT89C51为控制中心,设计出一套十字路口的交通控制系统,以指挥通行状态。本设计除了有红、黄、绿信号灯状态控制能实现基本的交通功能外,还增加了倒计时显示提示,基于实际情况,又要求了对车流量检测功能,基本构想是在东西南北方向上路口都安装有红外传感器检测车流量,实际当中一个方向则需要安装至少3个以上的红
11、外传感器,因为实际检测当中,可能遇到传感器正好处在前后两辆车空隙之间,这样就会有较大误差,当然,在本设计中,只要安装一个来模拟代替即可,这样只要传感器发出信号之后,表明该方向车流量较大,单片机会在下一循环当中延长绿灯时间以应对实际要求。第二章 总体方案设计2.1 交通灯控制的功能要求本设计能模拟基本的交通控制系统,用红绿黄灯表示禁行,通行和等待的信号发生,还能进行倒计时显示,车流量检测及调整功能。(1)倒计时显示倒计时显示可以提醒驾驶员在信号灯发生改变的时间里合理的选择“停止”和“通过”。驾驶员和行人普遍都愿意选择有倒计时显示的信号控制方式,认为有倒计时显示的路口更安全。通常用到的倒计时显示为
12、双位数码管。(2)车流量检测车辆检测器作为智能交通系统的基本组成部分,在智能交通系统中占有重要的地位。现阶段,车辆检测器检测方式有很多,各有其优缺点,如摄像头检测、压力传感器检测、红外线检测器、地磁检测器、机械压电检测器,磁频检测器、波频检测器、视频检测器等。(3)智能调整当检测电路部分得出数值之后会向单片机核心控制单元输入信号,这样,单片机控制单元会比较东西向和南北向车流量的大小,更大的一方就会进行调节控制,将该方向的绿灯时间延长以适应实际要求,同时另外一方红灯就会延长相同的时间,以达到两个方向的交通灯的同步循环,单片机能够根据车流量数值的增加进行连续控制,交通灯的延时量会根据车流量增加量的
13、变化而变化。2.2 交通管理方案2.2.1 方案构想一个十字路口中东西和南北两干道各有一组红、黄、绿三色的指示灯,指挥车辆和行人安全通行。红灯亮禁止通行,绿灯亮允许通行。黄灯亮提示人们注意红、绿灯的状态即将切换,且黄灯时间为东西、南北两干道的公共停车时间。本系统设定南北道为主干道东西道为支干道,主干道绿灯时间长。如图2.1示。主干道红外传感器组交通灯数码管显示图2.1 交通管理模拟图 结合目前常用的控制方案,这里主要讨论两种方案构想:第一种方案是采用连续控制方法。即随着车流量的增加而能够连续控制交通灯的延时长短,车流量越大,延时就越大,延时大小可以随着车流量的增加随时改变;第二种方案是采用模糊
14、控制方法,即将车流量增量设为不同的等级,当达到一定的等级时才会延时对应的时间。以下具体讨论两种设计方案:方案一:核心控制单元采用AT89C51单片机;检测部分采用常用的红外对管检测器,LED数码管显示倒计时同时也会显示车流量大小。本方案重点和难点在于对交通灯的连续控制,红外对管检测电路对车流量进行检测,并在LED数码管显示具体车流量大小,达到设定值后,会通过P3口输入给单片机,单片机控制P0口会控制交通灯延时,车流量每增加一定数值(如5辆),延时会自动增加1秒,可用函数式表达二者关系,如公式2.1和公式2.2(公式均表示绿灯时间,单位为秒)。主干道: Z=30+X/5 (Z120S) 公式(2
15、.1)式中Z为主干道绿灯总时间量,X为主干道车流量。当X为0时,即红外传感器没有读取到车流量信号,则主干道绿灯照常显示30S;当读取车流量大小为5时,主干道绿灯显示31S,依次类推,当然依据实际情况,Z上限设定为120S。支干道: Z=25+X/5 (Z115S) 公式(2.2)式中Z为支干道绿灯总时间量,X为支干道车流量。当X为0时,即红外传感器没有读取到车流量信号,则支干道绿灯照常显示25S;当读取车流量大小为5时,支干道绿灯显示31S,依次类推,Z上限设定为115S。 方案一总框图如图2.2示。东西和南北方向传感器组向单片机控制模块输入车流量信号,单片机通过计算比较后对车流量更大的一方的
16、绿灯进行延时控制,LED数码管显示倒计时和车流量。东西方向传感器组LED倒计时显示单片机控制模块 交通灯南北方向传感器组LED显示车流量图2.2 方案一系统总框图方案二:以AT89C51单片机为核心控制,检测电路同样采用红外对管检测器,显示部分LED数码管是交通灯倒计时显示,不显示车流量大小。此方案设计思想采用模糊控制思想,将所测车流量大小的数值分为不同等级,当达到一定等级时延时一定时间(如30S),车流量增加到更高的等级时,延时增加(如60S)。指示灯切换的方案(以南北道车流量大为例)见表2.1。表2.1指示灯的切换方案25S3S60S3S25S3S90S东西道绿灯亮黄灯亮红灯亮黄灯亮绿灯亮
17、黄灯亮红灯亮南北道红灯亮黄灯亮绿灯亮黄灯亮红灯亮黄灯亮绿灯亮 方案二的控制思想为模糊控制理论,下面详细介绍模糊控制。所谓模糊控制,就是在控制方法上应用模糊集理论、模糊语言变量及模糊逻辑推理的知识来模拟人的模糊思维方法,用计算机实现与操作者相同的控制。该理论以模糊集合、模糊语言变量和模糊逻辑为基础,用比较简单的数学形式直接将人的判断、思维过程表达出来,从而逐渐得到了广泛应用。应用领域包括图像识别、自动机理论、语言研究、控制论以及信号处理等方面。在自动控制领域以模糊集理论为基础发展起来的模糊控制为将人的控制经验及推理过程纳入自动控制提供了一条便捷途径。在日常生活中,人们的思维其实有很多模糊的概念,
18、对一些大、小、冷、热等都没有明确的内涵和外延。只能用模糊集合来描述。人们常用的经验规则都是用模糊条件语句来表达,例如,当我们拧开水阀往水桶里注水时,有这样的经验:桶里没水或水较少时,应开大水阀;桶里水较多时,应将水阀关小些。其中“较多”、“较少”等,这些表示水位和控制阀门动作的概念都具有模糊性。模糊控制就是利用机器模拟人的思维方式,按照人的操作规则进行控制,实现人的控制经验。模糊控制理论是由美国著名学者加利福尼亚大学教授ZadehA于1965年首先提出,它以模糊数学为基础,用语言规则表示方法和先进的计算机技术,由模糊推理进行决策的一种高级控制策略。模糊控制实质上是一种非线性控制,从属于智能控制
19、的范畴。模糊控制的一大特点是具有系统化的理论,又有着大量实际应用背景。模糊控制器的基本结构:如图2.3所示。模糊控制器的基本结构包括知识库、模糊推理、输入量模糊化、输出量精确化四部分。输出量精确化知识库被控对象模糊推理输入量模糊化图2.3 模糊控制器的基本结构在方案二中,红外传感器检测车流量,当车流量较大时,交通灯延时,而车流量的大小就是个模糊概念。根据模糊控制的基本理论,本系统红外传感器于单片机相当于一个模糊控制器,被控对象即为车流量,应用当中,我们将设为三个车流量等级,进行模糊控制。这三个车流量等级可通过红外传感器安装位置不同而等级不同,在距离十字路口20米处安装3个传感器,此为一个等级,
20、这里需要注意的是:之所以安装3个传感器是为了避免实际当中,所安装的传感器正好位于两辆车之间的空隙而无法真正检测到信号,故安装多个可避免出现此类问题。在40米同样安装3个传感器,此为更高等级。如表2.2示。表2.2 延时量等级控制车流量大小等级无车20米处有车40米处有车绿灯延时量不延时延时30S延时60S方案二总框图如图2.4示。LED倒计时显示东西方向传感器组单片机控制模块南北方向传感器组交通灯图2.4 方案二系统总框图两种方案对比:以上讨论的两种方案,相同点:两种方案都采用红外传感器来检测车流量;交通灯正常情况下的切换时间都由软件直接写入,没有额外增加一个键盘输入模块。不同点:方案一对于车
21、流量的变化而引起交通灯延时更加精确,随着具体车辆的增加数值而同步的进行延时,方案二采用模糊控制,将车流量增加分档,对应的档位会有对应的延时,且LED显示部分省去了车流量大小的显示。方案二相比于方案一而言,虽然延时控制不够精确,但在实际设计中,更为简单,容易实现,且省去了车流量大小的显示,这样红外对管检测的时候单片机不用额外的计算车流量大小,只需要设定一个时间值(如5S),当在大于5S时红外传感器接收管无法收到发射管信号,则单片机控制交通灯延时(30S),随着车流量继续增大,若大于20S时红外接收管仍然无法收到发射管信号,延时增加30S,这样,不同档位的车流量大小,就会有对应的延时时间。鉴于我们
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