基于模糊控制的智能交通燈控制系統(tǒng)

1、一、課題訓(xùn)練內(nèi)容1.使學(xué)生進(jìn)一步鞏固和加深對(duì)基礎(chǔ)理論、基本技能和專業(yè)知識(shí)的認(rèn)識(shí)和掌 握，使之條理化、系統(tǒng)化和綜合化。了解和熟悉交通燈控制的方法，掌握AT89S51 單片機(jī)的使用方法。2.培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能進(jìn)行分析問題和解決實(shí)際問題的 能力，將理論與實(shí)踐結(jié)合，培養(yǎng)觀察生活和體驗(yàn)生活的能力。3.培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)計(jì)算、工程繪圖、實(shí)驗(yàn)方法、數(shù)據(jù)處理、文件編輯、文 字表達(dá)、文獻(xiàn)查閱、MS Office. PROTEL、Keil C51等專業(yè)軟件應(yīng)用和程序調(diào)試 等基本實(shí)踐能力，以及外文資料的閱讀和翻譯的基本技能，使學(xué)生初步掌握科學(xué) 研究的基本方法。4.培養(yǎng)學(xué)主利用單片機(jī)進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的能力

2、，掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè) 計(jì)的一般方法和步驟，達(dá)到能夠進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的日的。熟悉和掌握 AT89S51單片機(jī)的調(diào)試方法繼而系統(tǒng)設(shè)計(jì)。5.使學(xué)生樹立符合國(guó)情和生產(chǎn)實(shí)際的正確設(shè)計(jì)思想和觀點(diǎn)，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)、負(fù) 責(zé)、實(shí)事求是、刻苦鉆研、用于探索、具有創(chuàng)新意識(shí)、善于與他人合作的工作作 風(fēng)。6.使學(xué)生獲得從事科研工作的初步訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作、獨(dú)立思考和 綜合運(yùn)用已學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，尤其注重培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立獲取新知識(shí)的能 力。二、設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)和要求1.設(shè)計(jì)任務(wù)1） 以MSC-51系列單片機(jī)和可編程并行I/O接口芯片8255A為中心器件， 設(shè)計(jì)一個(gè)智能交通燈控制系統(tǒng)。2） 設(shè)計(jì)能動(dòng)態(tài)檢測(cè)道口車流量的

3、系統(tǒng)，使十字路口的紅綠燈能根據(jù)車流量 的大小自動(dòng)改變紅綠燈的顯示時(shí)間。3） 設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)紅綠燈的顯示電路，并采用倒計(jì)時(shí)顯示。4） 設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)用程序以及各功能模塊子程序。2、設(shè)計(jì)要求1）系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。2） 車流量自動(dòng)檢測(cè)功能，并達(dá)到準(zhǔn)確和有效作用。3） 實(shí)時(shí)顯示紅綠燈時(shí)間，并采用倒計(jì)時(shí)方式。4） 系統(tǒng)框圖和詳細(xì)原理圖，并對(duì)各部分進(jìn)行詳細(xì)說明。5） 要考慮經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性和可靠性。6）武漢科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）格式模板要求書寫設(shè)計(jì)報(bào)告。三、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）主要參數(shù)及主要參考資料1.主要參考資料1謝維成，楊加國(guó).單片機(jī)原理與應(yīng)用及C51程序設(shè)北京:淸華技大學(xué)岀版社,2006.2余錫存，曹國(guó)華.單片機(jī)

4、原理及接口技術(shù)M.陜西：西安電子科技大學(xué)岀版設(shè)社，2000.7.3求是科技.單片機(jī)典型模塊設(shè)計(jì)實(shí)例導(dǎo)航M.北京:人民郵電出版社,2004.4邊海龍，孫永奎.單片機(jī)開發(fā)與典型工程項(xiàng)目實(shí)例詳解M.北京：電子工業(yè)出版社，200&閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第三版）M.北京：高等教冇出版社，1989.馀吉萬.城市文通的汁算機(jī)控制和管理M.北京測(cè)繪出版杜，1985.7張輝.8051單片機(jī)控制交通信號(hào)燈的方法研究J.邵陽(yáng)師范髙等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2001, 23（5）.8李靜.單交叉口交通燈信號(hào)模糊控制及英仿真J.微計(jì)算機(jī)信息，2006, 22（7）.9李明.基于微波檢測(cè)器交通燈智能控制系統(tǒng)的研究與設(shè)南民族大學(xué)學(xué)

5、報(bào)（自然科 學(xué)版），2007, 33.10田海，薛艷春.基于模糊控制的十字路口交通燈控制系統(tǒng)J.自動(dòng)化與信息工程，200&29(4).畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告課題名稱基于模糊控制的智能交通燈控制系統(tǒng)院系名稱電子信息學(xué)院專業(yè)自動(dòng)化班級(jí)學(xué)生姓名一、 課題的意義和依據(jù)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市交通問題越來越引起人們的關(guān)注。人、車、路三者 關(guān)系的協(xié)調(diào)，已成為交通管理部門需要解決的重要問題之一。城市交通控制系統(tǒng)是 用于城市交通數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、交通信號(hào)燈控制與交通疏導(dǎo)的計(jì)算機(jī)綜合管理系統(tǒng)，它是 現(xiàn)代城市交通監(jiān)控指揮系統(tǒng)中最重要的組成部分。當(dāng)今時(shí)代是一個(gè)自動(dòng)化時(shí)代，交通燈控制等很多行業(yè)的設(shè)備都與計(jì)算機(jī)密切相 關(guān)。因

6、此，一個(gè)好的交通燈控制系統(tǒng)，將給道路擁擠、違章控制等方面給予技術(shù)革 新。十字路口車輛穿梭，行人熙攘，車行車道，人行人道，有條不紊。那么黑什么 來實(shí)現(xiàn)這井然秩序呢？靠的是交通信號(hào)燈的自動(dòng)指揮系統(tǒng)。智能的交通信號(hào)燈指揮 著人和各種車輛的安全運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)紅、黃、綠燈的自動(dòng)指揮是城鄉(xiāng)交通管理現(xiàn)代化 的重要課題。在城鄉(xiāng)街道的十字交義路口，為了保證交通秩序和行人安全。一般在 每條道路上各有一組紅、黃、綠交通信號(hào)燈，其中紅燈亮，表示該條道路禁止通行; 黃燈亮，表示該條道路上未過停車線的車輛停止通行，已過停車線的車輛繼續(xù)通行; 綠燈亮，表示該條道路允許通行。交通燈控制電路自動(dòng)控制十字路口兩組紅、黃、 綠交通燈的

7、狀態(tài)轉(zhuǎn)換，指揮各種車輛和行人安全通行，實(shí)現(xiàn)十字路口城鄉(xiāng)交通管理 自動(dòng)化。二、智能交通燈的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀城市道路交通自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展是以城市交通信號(hào)控制技術(shù)為前導(dǎo)，與汽車 工業(yè)并行發(fā)展的。在其各個(gè)發(fā)展階段，山于交通的各種矛盾不斷出現(xiàn)，人們總是盡 可能地把各個(gè)歷史階段當(dāng)時(shí)的最新科技成果應(yīng)用到交通自動(dòng)控制中來，從而促進(jìn)了 交通自動(dòng)控制技術(shù)的不斷發(fā)展。早在1850年,城市交義口處不斷增長(zhǎng)的交通就引發(fā)了人們對(duì)安全和擁堵的關(guān)注。 世界上第一臺(tái)交通自動(dòng)信號(hào)燈的誕生，拉開了城市交通控制的序幕，1868年，英國(guó) 工程師納伊特在倫敦威斯特敏斯特街口安裝了一臺(tái)紅綠兩色的煤氣照明燈，用來控 制交義路口馬車的通行

8、，但一次煤氣爆炸事故致使這種交通信號(hào)燈兒乎銷聲匿跡了 近半個(gè)世紀(jì)。1914年及稍晚一些時(shí)候，美國(guó)的克利夫蘭、紐約和芝加哥才重新出現(xiàn) 了交通信號(hào)燈，它們采用電力驅(qū)動(dòng)，與現(xiàn)在意義上的信號(hào)燈已經(jīng)相差無兒。1926年 英國(guó)人第一次安裝和使用自動(dòng)化的控制器來控制交通信號(hào)燈，這是城市交通自動(dòng)控 制的起點(diǎn)。1917年，在美國(guó)鹽湖市開始使用聯(lián)動(dòng)式信號(hào)系統(tǒng)，把六個(gè)交義路口作為一個(gè)系 統(tǒng)，以人工方式加以集中控制。1922年，美國(guó)休斯頓市建立了一個(gè)同步系統(tǒng)，它以 一個(gè)交通亭為中心控制十二個(gè)交叉路口。1928年，上述系統(tǒng)經(jīng)過改進(jìn)，形成“靈活 步進(jìn)式”定時(shí)系統(tǒng)；由于它簡(jiǎn)單、可鼎、價(jià)格便宜，很快在美國(guó)推廣普及。這種系統(tǒng)

9、以后不斷改進(jìn)、完善，成為當(dāng)今的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。20世紀(jì)30年代初，美國(guó)最早開始用車輛感應(yīng)式信號(hào)控制器，之后是英國(guó)，當(dāng)時(shí) 使用的車輛檢測(cè)器是氣動(dòng)橡皮管檢測(cè)器。車輛感應(yīng)控制器的特點(diǎn)是它能根據(jù)檢測(cè)器 測(cè)量的交通流量來調(diào)整綠燈時(shí)間的長(zhǎng)短，使綠燈時(shí)間更有效地被利用，減少車輛在 交義口的時(shí)間延誤，比定時(shí)控制方式有更大的靈活性。車輛感應(yīng)控制的這一特點(diǎn)刺 激了車輛檢測(cè)器技術(shù)的發(fā)展。繼氣動(dòng)橡皮管式檢測(cè)器之后，雷達(dá)、超聲波、光電、 地磁、電磁、微波、紅外以及環(huán)形線圈等檢測(cè)器相繼問世。當(dāng)今在城市道路交通自 動(dòng)控制、交通監(jiān)測(cè)和交通數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)中，應(yīng)用最廣的是環(huán)形線圈車輛檢測(cè)器。超 聲波檢測(cè)器主要在日本等少數(shù)國(guó)家得到廣泛

10、應(yīng)用。伴隨著城市交通信號(hào)控制系統(tǒng)的迅速發(fā)展。人們認(rèn)識(shí)到，要更好地提高城市管 理水平，不僅僅依黑硬件設(shè)備的更新和改進(jìn)，還必須同時(shí)在控制邏輯和方法上有所 突破，即城市交通的區(qū)域協(xié)調(diào)控制。傳統(tǒng)的城市道路交通控制指的是區(qū)域交義口信 號(hào)燈控制，而城市交通的區(qū)域協(xié)調(diào)控制，是在整個(gè)城市范圉內(nèi)對(duì)交通進(jìn)行控制，這 無論是從理論角度還是實(shí)踐角度，都是一個(gè)極其復(fù)雜的大系統(tǒng)控制問題。進(jìn)入20世紀(jì)80年代后期，隨著城市化進(jìn)程的加快和汽車的普及，城市交通擁 擠、阻塞現(xiàn)象日趨惡化，由此引發(fā)的事故、噪聲和環(huán)境污染己成為日益嚴(yán)重的社會(huì) 問題，交通問題成為困擾世界各國(guó)的普遍性難題。人們對(duì)交通系統(tǒng)的規(guī)模復(fù)雜性和 開放性特征有了更深

11、一層的認(rèn)識(shí)，并開始意識(shí)到單獨(dú)考慮車輛或道路方面很難從根 本上解決交通擁擠現(xiàn)象，只有把路口交通流運(yùn)行與信號(hào)控制的藕合作用綜合考慮， 且賦以現(xiàn)代的各種高新技術(shù)方可徹底消除有關(guān)問題。于是，智能交通系統(tǒng)（ITS）應(yīng)運(yùn) 而生，并得到迅猛發(fā)展?？梢哉f，在近白年的發(fā)展中，道路交通信號(hào)控制系統(tǒng)經(jīng)歷了無感應(yīng)控制到有感 應(yīng)控制、手動(dòng)控制到自動(dòng)控制再到智能控制、單點(diǎn)控制（點(diǎn)控）到干線控制（線控）再 到區(qū)域控制和網(wǎng)絡(luò)控制（面控）的過程。目前設(shè)計(jì)交通燈的方案有很多，有應(yīng)用CPLD設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)燈控制器方法； 有應(yīng)用PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；有應(yīng)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)交通信號(hào)燈設(shè)訃的 方法。H前，國(guó)內(nèi)的交通燈一般設(shè)在十

12、字路門，在醒目位置用紅、綠、黃三種顏色 的指示燈。加上一個(gè)倒計(jì)時(shí)的顯示計(jì)時(shí)器來控制行車。對(duì)于一般情況下的安全行車, 車輛分流尚能發(fā)揮作用，但根據(jù)實(shí)際行車過程中出現(xiàn)的悄況，還存在缺點(diǎn)：兩車道 的車輛輪流放行時(shí)間相同且固定，在十字路口，經(jīng)常一個(gè)車道為主干道，車輛較多， 放行時(shí)間應(yīng)該長(zhǎng)些；另一車道為副干道，車輛較少，放行時(shí)間應(yīng)該短些。針對(duì)道路交通擁擠，交義路口經(jīng)常出現(xiàn)擁堵。利用單片機(jī)控制技術(shù)，提出了軟 件和硬件設(shè)汁方案及改進(jìn)措施：根據(jù)各道路路口車流量的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)通行時(shí)間。三、研究的基本內(nèi)容設(shè)計(jì)一個(gè)單片機(jī)控制的交通燈系統(tǒng)，使其能模仿城市十字路口的交通燈功能； 運(yùn)用模糊控制原理設(shè)計(jì)能根據(jù)十字路口車流量

13、來自動(dòng)調(diào)整紅綠燈時(shí)間的交通控制 器，并能進(jìn)行特殊控制，這就是研究的基本內(nèi)容。設(shè)計(jì)的要求如下：1設(shè)計(jì)一個(gè)十字路口的交通燈控制電路，要求南北方向和東西方向兩個(gè)交義路口 的車輛交替運(yùn)行，兩個(gè)方向能根據(jù)車流量的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)行時(shí)間，車流量大，通 行時(shí)間長(zhǎng)；車流量小，通行時(shí)間短。2. 該設(shè)計(jì)能控制東，南，西，北四個(gè)道口紅，綠信號(hào)燈正常工作。3.當(dāng)東西方向準(zhǔn)行，南北方向禁行時(shí)，東西方向亮綠燈，南北方向亮紅燈。當(dāng) 南北方向準(zhǔn)行，東西方向禁行時(shí)，南北方向亮綠燈，東西方向亮紅燈。4. 東西方向，南北方向車道除了有紅、綠燈指示燈外，每種燈亮的時(shí)間都用數(shù)碼 管顯示器顯示，并釆用倒計(jì)時(shí)方法。5. 同步設(shè)置人行橫道紅、

14、綠燈指示。要解決的主要問題是：1兩車道車輛輪流放行時(shí)間相同且固定，而在十字路口，經(jīng)常一個(gè)車道為主干道, 車輛較多，放行時(shí)間應(yīng)該長(zhǎng)些，另一車道為副干道，車輛較少，放行時(shí)間應(yīng)該短些; 這是要解決的第一個(gè)問題。2. 要考慮緊急車通過時(shí)，兩車道應(yīng)該釆取的措施。3. 運(yùn)用模糊控制理論來檢測(cè)道口的車流量來控制系統(tǒng)紅綠燈的顯示時(shí)間。四、研究步驟、方法及措施：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制交通燈系統(tǒng)需要軟件和硬件結(jié)合。硬件：采用MCS-51系列單片機(jī)AT89S51 片與可編程并行1/0接口芯片8255A 為中心器件來設(shè)計(jì)交通燈控制器。利用到單片機(jī)內(nèi)部資源有定時(shí)計(jì)數(shù)器、單片機(jī)與 鍵盤接口、串并行接口、時(shí)鐘電路、系統(tǒng)顯示電路等。共陰

15、極的七段數(shù)碼管8個(gè)， 雙向晶閘管若干，紅綠交通燈，開關(guān)鍵盤及連線若干。軟件：交通信號(hào)燈控制管理，基本上涉及到單片機(jī)系統(tǒng)中擴(kuò)展簡(jiǎn)單接口的方法；緊急車輛通行車輛傳感器或多I 路開關(guān)最小系統(tǒng)外圍接口電路數(shù)據(jù)輸出程序的設(shè)計(jì)方法；模擬交通燈控制的方法。在此基礎(chǔ)上可對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)， 加入中斷的要求，從而涉及外部中斷技術(shù)的基本使用方法和編程方法。8051內(nèi)部定 時(shí)/計(jì)數(shù)器的使用和編程方法。主要包括：每秒鐘的設(shè)定程序，訃數(shù)器硬件延時(shí)程序, 軟件延時(shí)程序，時(shí)間及信號(hào)燈的顯示程序，最后再綜合成程序源代碼。系統(tǒng)總框圖如下：需要研究的主要內(nèi)容：1.掌握單片機(jī)的原理，熟悉匯編語(yǔ)言或者C語(yǔ)言；2.選擇合適的擴(kuò)展器件，搭建控

16、制電路：3.系統(tǒng)軟件和硬件設(shè)計(jì)；4.實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)控制，并將紅綠燈的時(shí)間在LED上顯示出來。5.模糊控制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。五、主要參考文獻(xiàn)：11張毅坤.單片微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用切.陜西：西安電子科技大學(xué)出版社，1998.2余錫存，曹國(guó)華.單片機(jī)原理及接口技術(shù)M.陜西：西安電子科技大學(xué)出版社， 2000. 7.3雷麗文.微機(jī)原理與接口技術(shù)M.北京：電子工業(yè)出版社，1997.4葉挺秀.應(yīng)用電子學(xué)M.杭州：浙江大學(xué)出版社，1994.5朱承高.電子及電子技術(shù)基礎(chǔ)（第三版）如.北京：高等教育出版社，1990.6閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第三版）切.北京：高等教育出版社，1989.7周潤(rùn)景.PE0TEUS在MC

17、S-51&ARM7系統(tǒng)中的英語(yǔ)那個(gè)白例M.北京：電子工業(yè)出 版社，2006.8李朝青.單片機(jī)原理及接口技術(shù)（第三版）M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社, 2005.9楊佩昆.交通管理與控制H.北京：人民文通出版社，1992.并行接口擴(kuò) 展時(shí)間 顯示交通燈 顯示10馀吉萬.城市文通的計(jì)算機(jī)控制和管理M.北京:測(cè)繪出版杜,1985.Ill張輝.8051單片機(jī)控制交通信號(hào)燈的方法研究J.邵陽(yáng)師范高等?？茖W(xué)校學(xué) 報(bào)，2001, 23(5).12 李廣弟.單片機(jī)基礎(chǔ)M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.13 趙佩華.單片機(jī)接口技術(shù)及應(yīng)用J.北京：0t械工業(yè)出版社，2003.指導(dǎo)教師簽名：_年 月 日

18、隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市現(xiàn)代化程度不斷提高，交通需求和交通量迅速增長(zhǎng)， 城市交通網(wǎng)絡(luò)中交通擁擠日益嚴(yán)重，道路運(yùn)輸所帶來的交通擁堵、交通事故和環(huán) 境污染等負(fù)面效應(yīng)也日益突出，逐步成為經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中的全球性共同問題。本系統(tǒng)采用MSC-51系列單片機(jī)和可編程并行I/O接口芯片8255A為中心器 件來設(shè)計(jì)交通燈控制器，進(jìn)行交通路口的管理。它用簡(jiǎn)單的硬件電路模擬交通信 號(hào)燈的交替變換，實(shí)現(xiàn)紅綠燈循環(huán)點(diǎn)亮，用LED數(shù)碼管作為倒計(jì)時(shí)指示。本次設(shè) 計(jì)中增加了車流量檢測(cè)電路，運(yùn)用模糊控制算法來自動(dòng)調(diào)整紅綠燈時(shí)間，實(shí)時(shí)的 控制當(dāng)前交通燈時(shí)間使LED顯示器進(jìn)行倒訃時(shí)工作并與狀態(tài)燈保持同步，在保持 交通安全的同時(shí)最大限

19、度的提高交通能順暢交替運(yùn)行，大大提高交通運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)行 效率，還可以減少交通事故，節(jié)省能源消耗，具有巨大的現(xiàn)實(shí)意義。 關(guān)鍵詞：路口管理；模糊控制；51單片機(jī)；車流量檢測(cè)；交通燈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緒論.111.1交通燈研究的背景和意義.111.2國(guó)內(nèi)外交通燈研究的發(fā)展概況.112系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)與分析.132.1交通燈總體設(shè)計(jì)的描述.132.2交通燈控制系統(tǒng)的工作原理.142.2.1十字路口調(diào)度系統(tǒng)模糊控制器的設(shè)計(jì).142.2.2路口管理系統(tǒng)模糊控制器.152.2.3十字路口車輛通行模式.18

24、2.2.4交通燈的工作原理.183系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì).193.1單片機(jī)最小系統(tǒng)外圍電路.193.1.1AT89S51芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu) .193.1.2AT89S51單片機(jī)主要引腳功能 .203.1.3看門狗電路.233.1.48255A 芯片簡(jiǎn)介.233.1.574LS373 簡(jiǎn)介 .243.2顯示電路.253.2.1時(shí)間顯示電路的設(shè)計(jì).253.2.2紅綠燈的顯示電路.263.3車流量檢測(cè)電路.274.2.4緊急狀態(tài)控制模塊.313.4緊急車通行電路.284系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).284.1軟件總體設(shè)計(jì)思想.284.2軟件主要模塊程序流程圖.284.2.1系統(tǒng)初始化程序 .284.2.2模糊控制器程序 .30

25、4.2.3系統(tǒng)顯示模塊程序設(shè)計(jì) .305總結(jié)與展望.31參考文獻(xiàn).33附錄 .錯(cuò)誤!未定義書簽。外文資料 .錯(cuò)誤!未定義書簽。中文譯文 .錯(cuò)誤!未定義書簽。致謝 .錯(cuò)誤!未定義書簽。1緒論1.1交通燈研究的背景和意義隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市交通問題越來越引起人們的關(guān)注。人、車、路三 者關(guān)系的協(xié)調(diào)，已成為交通管理部門需要解決的重要問題之一。城市交通控制系 統(tǒng)是用于城市交通數(shù)據(jù)檢測(cè)、交通信號(hào)燈控制與交通疏導(dǎo)的訃算機(jī)綜合管理系 統(tǒng)，它是現(xiàn)代城市交通監(jiān)控指揮系統(tǒng)中最重要的組成部分。交通燈是城市經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的命脈，對(duì)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人民生活水平的提高起著 十分重要的作用。城市交通問題是困擾城市發(fā)展、制約城市經(jīng)

26、濟(jì)將設(shè)的重要因素。 城市道路增長(zhǎng)的有限與車輛增加的無限這一對(duì)矛盾事故導(dǎo)致城市交通擁擠的根 本原因。城市街道網(wǎng)絡(luò)上的交通容量的不斷增加，表明車輛對(duì)道路容量的要求仍 然很高，短期內(nèi)還不可能改變。自從開始使用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)后，不管在控制硬 件里取得什么樣的實(shí)際發(fā)展，交通控制領(lǐng)域的控制邏輯方面始終沒能取得重大突 破?？梢钥隙ǖ恼f，對(duì)于減輕交通擁塞及其副作用特別是對(duì)于大的交通網(wǎng)絡(luò)而 言，仍然缺乏一種真正的交通響應(yīng)控制策略。計(jì)算機(jī)硬件能力與控制軟件能力很 不相符，山此造成的影響是很多交通控制策略根本不能實(shí)現(xiàn)。在少數(shù)兒個(gè)例子中， 一些新的控制策略確實(shí)能得以實(shí)現(xiàn)，但他們卻沒能對(duì)早期的控制策略進(jìn)行改進(jìn)。 山于缺

27、乏能提高交通狀況、特別是缺乏擁塞網(wǎng)絡(luò)交通狀況的實(shí)時(shí)控制策略，兒乎 可以說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號(hào)控制系 統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)和研究前沿，而針對(duì)交通系統(tǒng)規(guī)模復(fù)雜性特征的控制結(jié)構(gòu)和針對(duì)城 市交通瓶頸問題并代表智能決策的阻塞處理則是智能交通控制優(yōu)化管理的關(guān)鍵 和突破口。因此，研究基于智能集成的城市交通信號(hào)控制系統(tǒng)具有相當(dāng)?shù)膶W(xué)術(shù)價(jià) 值和實(shí)用價(jià)值。把智能控制引入到城市交通控制系統(tǒng)中，未來的城市交通控制系 統(tǒng)才能適應(yīng)城市交通的發(fā)展:門。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，該研究具有巨大的現(xiàn)實(shí)意義。1.2國(guó)內(nèi)外交通燈研究的發(fā)展概況隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市現(xiàn)代化程度不斷提高，交通需求和交通量迅速增長(zhǎng)， 城市交通

28、網(wǎng)絡(luò)中交通擁擠日益嚴(yán)重，道路運(yùn)輸所帶來的交通擁堵、交通事故和環(huán) 境污染等負(fù)面效應(yīng)也日益突出，逐步成為經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中的全球性共同問題。 交通問題已經(jīng)日益成為世界性的難題，城市交通事故、交通阻塞和交通污染問題 愈加突出。為了解決車和路的矛盾，常用的有兩種方法：一是控制需求，最直接 的辦法就是限制車輛的增加；二是增加供給，也就是修路。但是這兩個(gè)辦法都有 其局限性。交通是社會(huì)發(fā)展和人民生活水平提高的基本條件，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展必然帶 來出行的增加，而且在我國(guó)汽車工業(yè)正處在起步階段的時(shí)期，因此限制車輛的增 加不是解決問題的好方法。而采取增加供給，即大量修筑道路基礎(chǔ)設(shè)施的方法， 在資源、環(huán)境矛盾越來越突出的今天

29、，面對(duì)越來越擁擠的交通，有限的源和財(cái)力 以及環(huán)境的壓力，也將受到限制。這就需要依靠除限制需求和提供道路設(shè)施之外 的其他方法來滿足日益增長(zhǎng)的交通需求。交通系統(tǒng)正是解決這一矛盾的途徑之一。智能交通系統(tǒng)是將先進(jìn)的信息技 術(shù)、數(shù)據(jù)通訊傳輸技術(shù)、電子傳感技術(shù)、電子控制技術(shù)及計(jì)算機(jī)處理技術(shù)等有效 的集成運(yùn)用于整個(gè)地面交通管理系統(tǒng)而建立的一種在大范圉內(nèi)、全方位發(fā)揮作用 的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的綜合交通運(yùn)輸管理系統(tǒng)。對(duì)城市交通流進(jìn)行智能控制，可 以使道路暢通，提高交通效率。合理進(jìn)行交通控制可以對(duì)交通流進(jìn)行有效的引導(dǎo) 和調(diào)度，使交通保持在一個(gè)平穩(wěn)的運(yùn)行狀態(tài)，從而避免或緩和交通擁擠狀況，大 大提高交通運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)行效率，

30、還可以減少交通事故，增加交通安全，降低污染程 度，節(jié)省能源消耗，本文就是通過對(duì)交義路口交通信號(hào)的智能控制，達(dá)到優(yōu)化路 口交通流的目的洌。交通系統(tǒng)作為一個(gè)時(shí)變的、具有隨機(jī)性的復(fù)雜系統(tǒng)，傳統(tǒng)的人為設(shè)定多種方 案或是建立各種預(yù)測(cè)模型均比較困難。城市交通控制研究的起源比較早。1868 年，英國(guó)倫敦燃汽信號(hào)燈的問世，標(biāo)志著城市交通控制的開始。1913年，在美國(guó) 俄亥俄州的Cleveland市出現(xiàn)了世界上最早的交通信號(hào)控制。1926年美國(guó)的芝加 哥市采用了交通燈控制方案，每個(gè)交義口設(shè)有唯一的交通燈，適用于單一的交通 流。從此，交通控制技術(shù)和相關(guān)的控制算法得到了發(fā)展和改善，提高了交通控制 的安全性、有效性，

31、并減少了對(duì)環(huán)境的影響。進(jìn)入20世紀(jì)70年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，以及交通流理 論的不斷完善，交通運(yùn)輸組織與優(yōu)化理論和技術(shù)水平不斷提高，控制手段越來越 先進(jìn)，形成了一批商水平有實(shí)效的城市道路交通控制系統(tǒng)。早在1977年，Pappis 等人就將模糊控制運(yùn)用到交通控制上，通過建立規(guī)則庫(kù)或是專家系統(tǒng)對(duì)各種交通 狀況進(jìn)行模糊控制，并取得了很好的效果。近年來，歐美日本等相繼建立了智能 交通控制系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中，大部分都在路口附近安裝磁性環(huán)路檢測(cè)器，還使 用了新型檢測(cè)器等技術(shù)和設(shè)備。這些現(xiàn)代化設(shè)備技術(shù)加上控制理論和現(xiàn)代化科學(xué) 管理技術(shù)，使得交通控制系統(tǒng)日益完善。隨著一些研究控制理論的學(xué)者投

32、身到交 通控制的研究中，在交通信號(hào)控制領(lǐng)域提出了一些新方法、新思路。如靜態(tài)多段 配時(shí)控制、準(zhǔn)動(dòng)態(tài)多段配時(shí)控制、最優(yōu)控制、大系統(tǒng)遞階控制、模糊控制、神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)控制，網(wǎng)絡(luò)路山控制等。模糊交通控制已經(jīng)成為了交通信號(hào)控制的主流方向 之一。雖然模糊控制能有效處理模糊信息，但是產(chǎn)生的規(guī)則比較粗糙，利用規(guī)則表 查表進(jìn)行控制，運(yùn)算速度雖然比較快，但沒有自學(xué)習(xí)功能。而且這些研究有些以 相序固定為前提。不能保證相序與實(shí)際交通流狀況的一致性，影響了綠燈時(shí)間的 利用率。有些研究則提出了可變相序的模糊控制方法,提高了綠燈時(shí)間的利用率, 彌補(bǔ)了相序固定的缺點(diǎn)，但同時(shí)也存在一些不足。例如U前應(yīng)用比較好的交通系 統(tǒng)：SCOO

33、T（經(jīng)典交通系統(tǒng)），他們都是主要釆用統(tǒng)計(jì)模型和經(jīng)典算法。但城市交 通系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的、隨機(jī)性很強(qiáng)的巨型系統(tǒng)，要想建立實(shí)用性較強(qiáng)的數(shù)學(xué)模型 是十分困難。利用模糊控制智能控制技術(shù)進(jìn)行交義口信號(hào)燈控制能取得比定時(shí)控 制與感應(yīng)控制更好的效果，是今后單交義路口信號(hào)燈控制的主要研究方向。目前，國(guó)內(nèi)的交通燈一般設(shè)在十字路門，在醒目位置用紅、綠、黃三種顏色 的指示燈。加上一個(gè)倒計(jì)時(shí)的顯示計(jì)時(shí)器來控制行車。對(duì)于一般情況下的安全行 車，車倆分流尚能發(fā)揮作用，但根據(jù)實(shí)際行車過程中出現(xiàn)的情況，還存在缺點(diǎn)： 兩車道的車輛輪流放行時(shí)間相同且固定，在十字路口，經(jīng)常一個(gè)車道為主干道, 車輛較多，放行時(shí)間應(yīng)該長(zhǎng)些；另一車道為副

34、干道，車輛較少，放行時(shí)間應(yīng)該短 些。2系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)與分析2.1交通燈總體設(shè)計(jì)的描述目前設(shè)計(jì)交通燈的設(shè)計(jì)方案有很多，有應(yīng)用CPLD實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)燈控制器的 設(shè)計(jì)，有應(yīng)用PLC設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)交通燈控制系統(tǒng)，同時(shí)還有應(yīng)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)交通 燈設(shè)訃的方法。針對(duì)道路擁擠，交義路口經(jīng)常出現(xiàn)擁堵的現(xiàn)象，我們提出利用單 片機(jī)控制技術(shù)，采用軟件和硬件結(jié)合的方案，以及一些改進(jìn)措施，實(shí)現(xiàn)可以根據(jù) 各道路口車流量來自動(dòng)調(diào)節(jié)通行時(shí)間的交通燈控制系統(tǒng)。由于AT89S51單片機(jī)自帶有2個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器，5個(gè)中斷源，能滿足系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)要求。用單片機(jī)設(shè)計(jì)不但涉及簡(jiǎn)單，而且成本低。用其設(shè)計(jì)的交通燈能滿足要 求，所以本文采用單片機(jī)設(shè)計(jì)十

35、字路口的交通燈。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)是基于模糊控制理論的單片機(jī)控制交通燈系統(tǒng)。采用AT89S51 單片機(jī)作控制器。根據(jù)實(shí)際生活中十字路口紅綠燈交替變換的特點(diǎn)，本系統(tǒng)的硬 件電路主要由單片機(jī)控制電路、車流量檢測(cè)電路以及時(shí)間和紅綠燈顯示電路。為 了使十字路口在最短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大的車流量，即達(dá)到最佳的性能和最高的效 率，我們釆用在各個(gè)路口檢測(cè)過往的車流量，通過車流量來決定紅綠燈的點(diǎn)亮?xí)r 間。當(dāng)前比較流行的車流量檢測(cè)器件就是一種自感式的車輛傳感器。它的工作原 理是當(dāng)車輛經(jīng)過傳感器時(shí)，引起其自感的變化?？紤]到畢業(yè)設(shè)計(jì)的資金和時(shí)間問 題，本系統(tǒng)采用一種手動(dòng)的操作方式，即車流量的檢測(cè)電路用撥斷開關(guān)代替。本系統(tǒng)結(jié)合生

36、活實(shí)際，主要實(shí)現(xiàn)人行道、車輛直行、車輛左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)、緊急 情況處理、根據(jù)車流量自動(dòng)調(diào)整時(shí)間等功能。紅燈亮表示車輛、行人禁止通行， 綠燈亮表示車輛行人可以通過。通行倒訃時(shí)顯示釆用LED數(shù)碼管，通行指示燈采 用發(fā)光二極管，LED顯示采用動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)掃描，以節(jié)省端口數(shù)。特殊緊急車輛通行 采用實(shí)時(shí)中斷完成。車流量變大時(shí)，可通過模糊控制結(jié)果（本系統(tǒng)中采用撥斷開 關(guān))來改變十字路口的各個(gè)方向的通車時(shí)間，使交通更順暢，減少堵塞。按以上 系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)具有電路簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)方便，耗電較少，可靠性高等特點(diǎn)。 緊急情況用外部中斷INTO控制，緊急情況結(jié)束后，再發(fā)一個(gè)終端來恢復(fù)以前的 狀態(tài)。根據(jù)以上介紹，得到系統(tǒng)硬件框

37、圖如圖2.1所示。圖2.1系統(tǒng)硬件框圖2. 2交通燈控制系統(tǒng)的工作原理2.2. 1十字路口調(diào)度系統(tǒng)模糊控制器的設(shè)計(jì)1.模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模糊控制能避開對(duì)象的數(shù)學(xué)模型(微分、狀態(tài)、傳遞函數(shù)等)?？梢哉f模糊 控制器是一種語(yǔ)言變量的控制器。模糊控制系統(tǒng)的示意圖如圖2. 2所示，圖中， 虛線框中為模糊控制器。其中y為系統(tǒng)設(shè)定值，y為系統(tǒng)輸出值，它們都是清晰 量。e和g也是清晰量，E和U是模糊量。從圖2.2可看出，模糊控制器的輸入 是系統(tǒng)的偏差量e,在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中它具有確定值數(shù)字量。經(jīng)過模糊化處理, 用模糊語(yǔ)言E來描述偏差，若以T (E)記作E的語(yǔ)言集合，則有T (E) = (NB,NM,NS,ZE

38、,PS,PM,PB)上式表示將E分為7段，其中：NB 負(fù)大(negative big) NM 負(fù)中(negative medium)NS 負(fù)小(negative small) ZE (zero)PS 止小(positive)PM 正中(positive medium)PB 正大(positive big)（1）模糊化模糊化是將模糊控制器輸入量的確定值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)模糊語(yǔ)言變量值的過程, 此相應(yīng)語(yǔ)言變量值均由對(duì)應(yīng)的隸屬度來定義。（2）模糊推理模糊推理包括三部分：大前提、小前提和結(jié)論。大前提是多個(gè)多維模糊條件 語(yǔ)句，構(gòu)成規(guī)則庫(kù)；小前提是一個(gè)模糊判斷句，乂稱事實(shí)。以已知的規(guī)則庫(kù)和輸 入變量為依據(jù)，基于模

39、糊變換推出新的模糊命題作為結(jié)論的過程叫做模糊推理。（3）清晰化清晰化是將模糊推理后得到的模糊集轉(zhuǎn)換為用作控制的數(shù)字值的過程：。2.模糊控制器的特點(diǎn)與傳統(tǒng)的控制器相比，模糊控制有以下特點(diǎn)：（1）適用于不易獲得精確數(shù)學(xué)模型的被控對(duì)象，其結(jié)構(gòu)參數(shù)不是很清楚或難 以求得，只要求掌握操作人員或領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)或知識(shí)。（2）模糊控制是一種語(yǔ)言變量控制器，其控制規(guī)則只用語(yǔ)言變量形式定性的 表達(dá)，構(gòu)成了被控對(duì)象的模糊模型。在經(jīng)典控制中，系統(tǒng)模型是用傳遞函數(shù)來描 述的；在現(xiàn)代控制領(lǐng)域中，則用狀態(tài)方程來描述。（3）系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，尤其適用于非線性、時(shí)變、滯后系統(tǒng)的控制。2.2.2路口管理系統(tǒng)模糊控制器一般情況下，紅

40、綠燈設(shè)在十字路口或在多干道德岔口上，LI的是為了調(diào)整岔 口的交通秩序。而且，前國(guó)內(nèi)使用的紅綠燈都是固定的工作時(shí)間，并且自動(dòng)切 換。紅燈時(shí)間和綠燈時(shí)間是根據(jù)道口東西向和南北向的車流量。利用統(tǒng)計(jì)方法確 定的。但是，實(shí)際上不同時(shí)刻的車輛流通狀況是十分復(fù)雜的，是高度非線性的、 隨機(jī)的，還經(jīng)常受人為因素的影響。釆用定時(shí)控制經(jīng)常造成道口有效時(shí)間應(yīng)用的 浪費(fèi)，出現(xiàn)綠燈方向車輛較少，紅燈方向車輛積壓。在人工控制時(shí)，交通警察不 斷地觀察十字道口兩個(gè)方向的車輛密度和流速，并山此決定是否切換紅綠燈，以 保證最佳的道路交通控制狀態(tài)。用常規(guī)閉環(huán)控制技術(shù)，在自動(dòng)紅綠燈管理中達(dá)到人工控制的最佳狀態(tài)是十分語(yǔ)言規(guī)則圖2.2模糊

41、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)困難的，這是山于十字路口交通動(dòng)態(tài)模型是很難用數(shù)字方式表達(dá)的，交警的判斷 決策過程也難用簡(jiǎn)單的程序?qū)崿F(xiàn)，所以我們采用模糊控制來解決自動(dòng)紅綠燈的最 佳控制問題。（1）工作原理根據(jù)前面對(duì)模糊控制器的介紹，實(shí)現(xiàn)紅綠燈模糊控制必須解決以下兒個(gè)問 題：1）對(duì)當(dāng)前十字道口的交通狀況的檢測(cè)。2）輸入量的模糊化：確定每一輸入量的論域，模糊子集和從屬函數(shù)。3）輸出量及其模糊化：輸出量論域、模糊子集和從屬度函數(shù)。4）設(shè)計(jì)將輸入映照到輸出的模糊規(guī)則。決定被激活的模糊規(guī)則的組合方式和清晰化處理，生成精確的輸出控制信號(hào)。（2）系統(tǒng)采集兩個(gè)輸入量1）綠燈方向車流量一一單位時(shí)間通過道口的車輛數(shù)量。2）紅燈方向排隊(duì)

42、等候車輛數(shù)。為了采集上述數(shù)據(jù)，在十字道口的四側(cè)共設(shè)置了 8個(gè)傳感器。傳感器的設(shè)置 如圖2. 3所示。紅燈期間排隊(duì)等候的車輛數(shù)量有兩部分構(gòu)成, 其一為上次綠燈期間遺留下來的車輛。返端傳感 器與道口距離100米，假設(shè)車輛平均長(zhǎng)度為n, 則X內(nèi)可能滯留的車輛最大數(shù)量為/n,如20輛， 因此，變量“紅燈方向排隊(duì)等候車輛數(shù)”的論域 為（0-20）,它將分為三個(gè)模糊子集：少、中、 多，其從屬度函數(shù)設(shè)計(jì)如圖2. 4所示。（3）輸出及其模糊分類1）南北向綠燈時(shí)間延時(shí)論從屬度從屬度圖2. 4紅綠燈期間車輛數(shù)的隸屬函數(shù)2）東西向紅燈延時(shí)時(shí)間現(xiàn)有紅綠交通燈自動(dòng)系統(tǒng)設(shè)定綠燈時(shí)間為常值，通常每一秒方向綠燈35秒。 現(xiàn)將

43、每一方向綠燈時(shí)間分為兩部分，其一為固定的35秒。作為道口狀態(tài)參數(shù)采 集時(shí)間，其二為根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)，山模糊邏輯決策的延時(shí)，最大延時(shí)時(shí)間是隨著道 口交通情況而變化的，上限為20秒，結(jié)果每一方向綠燈時(shí)間間隔為30-55秒。由此,綠燈時(shí)間延時(shí)J、J的論域定義為（0-20）,將其分三個(gè)模糊子集：T長(zhǎng)、T中、T短。輸入量和輸岀量的論域、模糊子集、從屬度函數(shù)的設(shè)訃關(guān)系、整個(gè)系統(tǒng)的控 制效果與性能，需要根據(jù)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的要求，采用試探一一修正法設(shè)訃，與 設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)有密切關(guān)系。（4）模糊規(guī)則的確定此系統(tǒng)有兩個(gè)輸入和一個(gè)輸出。在沒有任何數(shù)據(jù)資料的情況下，我們只能根 據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)其模糊規(guī)則力。其結(jié)構(gòu)如表2-1所示。

44、表2-1模糊規(guī)則結(jié)構(gòu)表XY多中少多T.,THT.t.中T :T ：TK少T.TKT長(zhǎng)根據(jù)以上得模糊規(guī)則圖，可以得出9條模糊規(guī)則，我們把它記為9種狀態(tài),如表2-2所示。表2-2 9種模糊狀態(tài)狀態(tài)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長(zhǎng)G8少中T長(zhǎng)G9少少T長(zhǎng)其中，規(guī)定T更=30s、T中=40s、T氏=55so2.2.3十字路口車輛通行模式十字路口交通流在東南西北四個(gè)方向上均有左行、直行和右行三個(gè)車道車 流。為了確保交通的井然有序，十字路口車輛通行順序如圖2. 5所示，分別設(shè)定 為SI、S2、S3、S4,交通燈以這四種狀態(tài)為一個(gè)周期，循環(huán)執(zhí)行。在實(shí)際生活

45、 中，一般的右行車道是總閃綠燈的，但是為了便于行人過馬路，故在一定的時(shí)間 內(nèi)會(huì)使右轉(zhuǎn)綠燈跳變?yōu)榧t燈，以便于行人過馬路。在本次設(shè)計(jì)中，我們?cè)谥毙熊?輛通過的一段時(shí)間內(nèi)，同時(shí)也使行人過馬路。圖2. 2的S2和S4這兩種狀態(tài)在同一個(gè)時(shí)間段中四個(gè)方向都可以通車，這種 狀態(tài)可以在一定的時(shí)間內(nèi)達(dá)到較大的車流量，效率特別高。圖2. 5交通燈的四種狀態(tài)其中：S1：東西方向人行道禁止，南北方向人行道通行；東西方向紅燈，南北方向 直行綠燈。S2：東西方向右轉(zhuǎn)綠燈，南北方向右轉(zhuǎn)綠燈，南北方向左轉(zhuǎn)綠燈。S3：南北方向人行道禁止，東西方向人行道通行；南北方向紅燈，東西方向 直行綠燈，S4：南北方向右轉(zhuǎn)綠燈，東西方向右轉(zhuǎn)

46、綠燈，東西方向左轉(zhuǎn)綠燈2. 2.4交通燈的工作原理本系統(tǒng)山AT89S51單片機(jī)控制，山8051單片機(jī)的定時(shí)器每秒鐘通過P0 口向 8255A的數(shù)據(jù)口發(fā)送信息，由單片機(jī)的P1 口和P2 口顯示紅綠燈的點(diǎn)亮情況；由 8255A的PC 口顯示每個(gè)燈的點(diǎn)亮?xí)r間。P3. 3 口接有按鈕開關(guān)，當(dāng)有急行車需要 通過時(shí)，按下此按鈕，產(chǎn)生中斷，系統(tǒng)使東西方向和南北方向所有燈都為紅燈， 當(dāng)急行車通過后，系統(tǒng)恢復(fù)正常。本系統(tǒng)增加了每次綠燈時(shí)間車流量檢測(cè)的功能, 由此改變下一周期時(shí)的綠燈持續(xù)時(shí)間，采用手動(dòng)開關(guān)實(shí)現(xiàn)，用單片機(jī)的 P3. 0-P3. 2來實(shí)現(xiàn)三種情況，具體見車輛檢測(cè)電路部分。3系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)3.1單片機(jī)

47、最小系統(tǒng)外圍電路單片機(jī)的最小系統(tǒng)包括電源（地），晶振（一般使用11.0592H或者12M）, 復(fù)位電路等，有了以上三塊內(nèi)容，單片機(jī)就能夠工作了。AT89S51單片機(jī)是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗，高性能CM0S8為單片機(jī)， 片內(nèi)含4KB的可編程的FLASH只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、 非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)及引腳。它集Flash程序存儲(chǔ) 器 既可在線編程（ISP）也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用8位微處理器于單片芯 片中,ATMEL公司的功能強(qiáng)大，低價(jià)位AT89S51單片機(jī)可為您提供許多高性價(jià)比 的應(yīng)用場(chǎng)合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域8。3. 1. 1

48、AT89S51芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.中央處理器中央處理器（CPU）是整個(gè)單片機(jī)的核心部件，是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能 處理8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼，CPI；負(fù)責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個(gè)單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工 作，完成運(yùn)算和控制輸入輸出功能等操作。2.存儲(chǔ)器單片機(jī)內(nèi)部包含有程序存儲(chǔ)器ROM和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAMo數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用于存放變化的數(shù)據(jù)。AT89S51中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址空間為256 個(gè)RAM單元，但其中能作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器供用戶使用的僅有前面128個(gè)，后128 個(gè)被專用寄存器占用。程序存儲(chǔ)器用于存放程序和固定不變的常數(shù)等。通常采用只讀存儲(chǔ)器，且其 乂多種類型，在89系列單片機(jī)中全部采用閃存。AT89S51內(nèi)部配置了 4

49、KB的程 序存儲(chǔ)器。單片機(jī)的結(jié)構(gòu)有兩種類型，一種是程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開的形式，即 哈佛（Harvard）結(jié)構(gòu)，另一種是采用通用汁算機(jī)廣泛使用的程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)器合二為一的結(jié)構(gòu)，即普林斯頓（Princeton）結(jié)構(gòu)。INTEL的MCS-51系列單片 機(jī)采用的是哈佛結(jié)構(gòu)的形式，而后續(xù)產(chǎn)品16位的MCS-96系列單片機(jī)則采用普林 斯頓結(jié)構(gòu)。3.定時(shí)計(jì)數(shù)器定時(shí)/計(jì)數(shù)器用于實(shí)現(xiàn)定時(shí)和計(jì)數(shù)功能。AT89S51有2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。4.并行輸入輸出（10） 口8051共有4組8位I/O 口（P0、Pl、P2或P3）,用于對(duì)外部數(shù)據(jù)的傳輸。 每個(gè)口都111 1個(gè)鎖存器和一個(gè)驅(qū)動(dòng)器組成。它們主要

50、用于實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備中數(shù)據(jù) 的并行輸入與輸出，有些I/O 口還有其他功能。(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.雙全工串行口A89S51內(nèi)置一個(gè)全雙工串行通信口，用于與其它設(shè)備間的串行數(shù)據(jù)傳送， 該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當(dāng)同步移位器使用。6 .中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)的作用主要是對(duì)外部或內(nèi)部的終端請(qǐng)求進(jìn)行管理與處

52、理。AT89S51 共有5個(gè)中斷源，其中又2個(gè)外部中斷源和3個(gè)內(nèi)部中斷源。7.時(shí)鐘電路8051內(nèi)置最高頻率達(dá)12MHz的時(shí)鐘電路，用于產(chǎn)生整個(gè)單片機(jī)運(yùn)行的脈沖 時(shí)序，但8051單片機(jī)需外置振蕩電容何。3. 1.2 AT89S51單片機(jī)主要引腳功能AT89S51單片機(jī)釆用4OPin封裝的雙列直接DIP結(jié)構(gòu)，40個(gè)引腳中，正電源 和地線兩根，外置石英振蕩器的時(shí)鐘線兩根，4組8位共32個(gè)I/O 口，中斷口 線與P3 口線復(fù)用。其引腳圖3. 1如圖所示。圖3. 1 AT89S51單片機(jī)引腳圖各引腳說明為：1輸入輸出引腳POD：為雙向8位三態(tài)I/O接口。在不接片外存儲(chǔ)器與不擴(kuò)展I/O接口時(shí), 可作為準(zhǔn)雙

53、向輸入/輸出口；在接有片外存儲(chǔ)器或擴(kuò)展I/O接口時(shí)，P0 口地址總 線低8位及數(shù)據(jù)總線分時(shí)復(fù)用口，可驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL負(fù)載。一般作為擴(kuò)展時(shí)的地址 /數(shù)據(jù)總線口使用。P1 口：為8位準(zhǔn)雙向I/O接口，它的每一位都可以分別定義為輸入線或者 輸出線（作為輸入時(shí)，要對(duì)端口寫1,即口鎖存器必需置1）,可啟動(dòng)4個(gè)TTL 負(fù)載。P2 口：為8位準(zhǔn)雙向I/O接口，當(dāng)它作為I/O接口使用時(shí)，可直接連接外 部I/O設(shè)備；在接有片外存儲(chǔ)器或擴(kuò)展I/O 口且尋址范圍超過256字節(jié)時(shí)，P2 口用做高8位地址總線。一般作為擴(kuò)展時(shí)地址總線的高8位使用。P3 口：為8位準(zhǔn)雙向I/O接口，輸出緩沖級(jí)可以驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4 個(gè)

54、TTL邏輯門電路。對(duì)P3 口寫入1時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入 口。作輸入端時(shí)，被外部拉低的P3 口將用上拉電阻輸出電流。P3 口除了作為一 般的I/O 口線外，更重要的用途是它們的第二功能，而且P3 口的每一條引腳均 可以獨(dú)立定義為第一功能的輸入/輸出或第二功能。P3 口的第二功能定義見表 3-1。表3-1具有第二功能的P3 口引腳引腳第二功能P3. 0RXD 串行口輸入端P3. 1TXD串行口輸出端P3. 2/INTO外部中斷0請(qǐng)求輸入端，低電平有效P3. 3/INT1外部中斷1請(qǐng)求輸入端，低電平有效P3.4T0定時(shí)/計(jì)數(shù)器0計(jì)數(shù)脈沖輸入端P3. 5T1定時(shí)/計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)脈沖輸入

55、端P3. 6/WR外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器及I/O 口寫選通信號(hào)輸出端，低電平有效P3. 7/RD外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器及I/O 口讀選通信號(hào)輸出端，低電平有效2.控制線ALE/PR0G（30引腳）：地址鎖存信號(hào)輸出端。當(dāng)訪問外部程序器時(shí)，ALE（地址鎖存）的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。而訪問內(nèi)部程序存儲(chǔ)器時(shí)，ALE端將 有一個(gè)1/6時(shí)鐘頻率的正脈沖信號(hào)，這個(gè)信號(hào)可以用于識(shí)別單片機(jī)是否工作，也 可以當(dāng)作一個(gè)時(shí)鐘向外輸出。更有一個(gè)特點(diǎn)，當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器，ALE會(huì)跳 過一個(gè)脈沖。如果單片機(jī)是EPROM,在編程其間，該引腳將用于輸入編程脈沖。PSEN （29引腳）：片外程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出端，低電平有效。當(dāng)訪

56、問 外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，此腳輸出負(fù)脈沖選通信號(hào)，PC的16位地址數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在P0 和P2 口上，外部程序存儲(chǔ)器則把指令數(shù)據(jù)放到P0 口上，由CPU讀入并執(zhí)行。RESET/Vpd（9引腳）：復(fù)位信號(hào)復(fù)用腳。該引腳為單片機(jī)的上電復(fù)位或掉電 保護(hù)端。當(dāng)單片機(jī)振蕩器工作時(shí)，該引腳上出現(xiàn)持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平，就 可實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作，使單片機(jī)回復(fù)到初始狀態(tài)。上電時(shí)，考慮到振蕩器有一定的起 振時(shí)間，該引腳上高電平必須持續(xù)10ms以上才能保證有效復(fù)位。該引腳若接上備用電源，當(dāng)Vcc發(fā)生故障，降低到低電平規(guī)定值或者掉電時(shí),該備用電源為內(nèi)部RAM供電，以保證RAM中的數(shù)據(jù)不丟失。EA/Vpp (31引腳)：EA為片

57、外程序存儲(chǔ)器選用端。該引腳低位低電平時(shí)，選 用片外程序存儲(chǔ)器，高電平或者懸空時(shí)選用片內(nèi)程序存儲(chǔ)器。在編程期間，該引 腳用作2IV編程電源Vpp的輸入端肌。3.外接晶體引腳XTAL1、XTAL2 (19、18引腳)：當(dāng)使用單片機(jī)內(nèi)部振蕩電路時(shí)，這兩個(gè)引 腳用來外接石英晶體和微調(diào)電路，如圖3.2 (a)所示。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一 個(gè)反向放大器的輸入端，這個(gè)放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。當(dāng)采用外部時(shí)鐘時(shí)，其 原理圖如圖3.2(b)所示。圖3.2(a)內(nèi)部時(shí)鐘方式圖3. 2(b)外部時(shí)鐘方式4.復(fù)位方式計(jì)算機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)的都需要復(fù)位，復(fù)位使中央處理器CPU和內(nèi)部其他部件 處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，從這個(gè)狀態(tài)開

58、始工作。AT89S51單片機(jī)有一個(gè)復(fù)位引 腳RST,高電平有效。在時(shí)鐘電路工作以后，當(dāng)外部電路使得RST端出現(xiàn)2個(gè)機(jī) 器周期以上得高電平，系統(tǒng)內(nèi)部復(fù)位凹。復(fù)位有兩種方式：上電復(fù)位和按鈕復(fù)位, 如圖3.3。圖3. 3 MCS-51復(fù)位電路XT.U1 XTAL2連。其連接如圖3. 5所示。圖3.4 DS1232引腳邏輯圖3. 1.3看門狗電路山于單片機(jī)控制器自身抗干擾能力較差，尤其在一些條件比較惡劣.噪聲比 較大的場(chǎng)合，常會(huì)出現(xiàn)單片機(jī)因受外界干擾，輕者導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)出錯(cuò)，重者 將嚴(yán)重影響程序的運(yùn)行而死機(jī)，造成系統(tǒng)不能正常工作。設(shè)置看門狗是為了防止 單片機(jī)死機(jī)、提高單片機(jī)系統(tǒng)抗干擾性的一種重要途徑

59、?？紤]系統(tǒng)可靠性設(shè)訃， 滿足苛刻環(huán)境下的正常運(yùn)行，本設(shè)計(jì)中采用硬件看門狗電路，集成電路U2是一個(gè)看門狗定時(shí)芯片，此時(shí)我們采用型號(hào)為DS1232的芯片, 其引腳如圖3. 4所示。它的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，只有8個(gè)引腳。它的 RST管腳與單片機(jī)的RST管腳直接相連，這樣, 單片機(jī)的復(fù)位被看門狗定時(shí)器DS1232掌握 著DS1232的/ST管腳是看門狗定時(shí)器芯片的 控制輸入，它可與單片機(jī)的任意一個(gè)I/O 口相圖中的看門狗定時(shí)器TC1232的操作很簡(jiǎn)單：如果單片機(jī)的Pl. 1沒有在看門 狗定時(shí)器溢出時(shí)間之內(nèi)向/ST管腳輸出一個(gè)下降沿，看門狗就會(huì)發(fā)揮作用，向單 片機(jī)的復(fù)位端RST管腳輸岀一個(gè)復(fù)位信號(hào)使單片機(jī)復(fù)位。

60、VCCZSTOO -5VTOL1 GNDPBRST TDDS1232RST1P1.18051RST圖3.5單片機(jī)系統(tǒng)與看門狗電路通過硬件看門狗電路設(shè)計(jì)，可以有效防止運(yùn)行程序進(jìn)入死循環(huán)，從而保證系 統(tǒng)不受惡劣天氣及環(huán)境條件造成的干擾3. 1.4 8255A芯片簡(jiǎn)介8255A是在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛釆用的可編程I/O接口擴(kuò)展芯片。它有3 個(gè)8位并行I/O接口 PA、PB、PC,有三種基本工作方式。8255可編程并行接口芯片有三個(gè)輸入輸出端口，即A 口、B 口和CD,對(duì)應(yīng) 于引腳PA7PAO、PB7PBO和PC7PCO。其內(nèi)部還有一個(gè)控制寄存器，即控制 口。通常A 口、B 口作為輸入輸出的數(shù)據(jù)端口。