基于单片机的模糊控制交通灯的设计文档格式.doc
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摘要 I
ABSTRACT II
1概述 2
1.1研究现状与发展前景 2
1.2研究意义和内容 3
2模糊控制器设计 3
2.1模糊控制理论简介 3
2.2模糊控制器的基本结构和组成 4
2.3模糊控制器的设计 6
2.3.1输入、输出及其模糊化 6
2.3.2模糊控制规则 7
2.3.3模糊控制矩阵计算 7
2.3.4模糊量精确化 8
3硬件系统设计 8
3.1总体方案设计 8
3.2单片机控制器的设计 9
3.3键盘与显示电路设计 12
3.4车辆计数传感器的选择 16
3.5红绿灯电路 18
4软件设计 19
4.1主程序设计 19
4.2T0中断程序设计 20
4.3键盘中断程序设计 21
4.4显示子程序设计 22
4.6车流量检测处理子程序设计 25
结论与展望 26
致谢 26
参考文献 27
附录一原理图 29
附录二外文文献原文及译文 30
附录三主要的参考文献及摘要 34
附录四主要源程序 36
39
1概述
1.1研究现状与发展前景
随着城市机动车辆的不断增加，十字路口车辆堵塞现象越来越严重，大部分城市仍然采用的定时控制十字路口的控制方法显然不再适用，所以新型的实时控制的交通系统应运而生，模糊控制理论在交通系统中得到了应用。
面向21世纪的智能化汽车的交通运输系统应使车、路高度智能化，使人、车、路三者合一，逐步实现汽车在公路上自动安全地运行。
为解决交通堵塞，交通事故的国际难题而发展起来的智能交通系统（ITS），是将先进的信息技术，数据通讯和传输技术、电子自动控制技术及计算机处理技术等有效地用于整个地面运输管理体系，全方位发挥作用的实时、准确、高效的公路综合管理系统。
智能交通系统（ITS，intelligenttransportsystem）是指人们将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子控制技术、传感器技术以及计算机处理技术等有效地综合运用于整个运输体系中，从而建立起的一种在大范围内、全方位发挥作用的实时、准确、高效的运输综合管理系统。
实施智能交通系统工程不仅能够提高交通的效益与效率，增强交通安全性，而且有利于合理利用土地与能源，甚至对于国民经济的持续发展与社会经济效益的全面提高都是至关重要的。
1.2研究意义和内容
单路口交通控制就是确定交叉路口红绿灯的信号配时，使通过交叉口的车辆延误尽可能小。
传统的控制一般是采用模型控制或预先人为地设定多套方案，实践表明这种方法的控制效果并不理想。
由于道路上的交通流具有较大的随机性和相当的复杂性，所实施的相位控制也应随交通流的不同而相应变化。
交通警察在实际的交通指挥中可以根据实际情况来控制交通，比如：
交警可以通过观察路口车辆数的多少来机动地控制各个路口的红绿灯时间。
如若东西方向的车流量大，则其放行时间长，南北方向这流量小，则其放行时间短。
近年来用模糊控制方法实现交通系统的控制，得到国内外学者的关注。
故本设计采用车辆计数传感器以及单片机为核心的硬件电路，总结交通警察指挥交通的经验，用软件来实现模糊控制，以解决城市交通管理问题，采用控制技术、计算机技术及人工智能相结合，进行实际交通畅通问题的研究。
2模糊控制器设计
2.1模糊控制理论简介
模糊数学诞生于1965年，它的创始人是美国的自动控制专家（L.A.Zadeh）教授，他首先提出了隶属度函数来描述模糊概念，并创立了模糊集合论，为模糊学奠定了基础。
由人作为控制器的控制系统是典型的智能控制系统，其中包含了人的高级智能活动。
模糊控制在一定程度上模仿了人的控制过程，其中包含了人的控制经验和知识。
它不需要有准确的控制对象模型。
因此它是一种智能控制的方法。
模糊控制方法既可以用于简单的控制对象，也可以用于复杂的过程。
模糊控制是模糊集合理论应用的一个重要方面。
1974年英国教授马丹尼（E.H.Mamdani）首先将模糊集合理论应用于加热器的控制，其后产生了许多应用例子。
包括交通路口的控制。
在模糊控制的应用方面，日本走在了前列。
日本在国内建立了专门的模糊控制研究所，日本仙台一条地铁的控制系统采用了模糊控制的方法取得了很好的效果。
日本还率先将模糊控制应用到了日常家电产品的控制，如照相机、吸尘器、洗衣机等，模糊控制的应用在日本已经相当普及[14]。
2.2模糊控制器的基本结构和组成
模糊控制器的基本结构见图2.1
模糊控制器的组成
模糊控制器主要有以下四部分组成
（1）模糊化
这部分的作用是将输入的精确量转换成模糊化量。
其中输入量包括外界的参考输入、系统的输出或状态等。
模糊化的具体过程如下：
知识库
模糊化
模糊推理
清晰化
被控对象
输入量e
输出量
图2.1模糊控制器的基本结构
i）首先对输入量进行处理以变成模糊控制器要求的输入量。
ii）将上述已经处理过的输入量进行尺度变换，使其变换到各自的论域范围。
iii）将已经变换到论域范围的输入量进行处理，使原先精确的输入量变成模糊量，并对相应的模糊集合来表示。
（2）知识库
知识库中包含了具体应用领域中的知识和要求的控制目标。
它通常由数据库和模糊控制规则库量部分组成。
i）数据库主要包括各语言变量的隶属函数，尺度变换因子以及模糊空间的分级数等。
ii）规则库包含了用模糊语言变量的一系列控制规则。
它们反映了控制专家的经验和知识。
（3）模糊推理
模糊推理是模糊控制器的核心，它具有模拟人的基于模糊概念的推理能力。
该推理过程是基于模糊逻辑中的蕴含关系及推理规则来进行的。
（4）清晰化
清晰化的作用是将模糊推理得到的控制量（模糊量）变换为实际用于控制的清晰量。
它包含以下两部分内容：
i）将模糊的控制量经清晰化变换成表示杂论域范围的清晰量。
ii）将表示在论域范围的清晰量经尺度变换成实际的控制量。
2.3模糊控制器的设计
2.3.1输入、输出及其模糊化
本设计只针对交通路口的东西、南北直行方向的控制，所以是一个单输入、单输出模糊控制。
输入量为路口的车流量，输出为绿灯的延时时间。
在选择模糊语言变量的语言值时要兼顾简单易行和控制效果两个方面。
一般来说，一个语言变量选用2~10个语言值较适宜。
输入量e用模糊变量表示，模糊语言值选取五个元素{负大，负小，零，正小，正大}，即{NB，NS，ZO，PS，PB}。
基础论域取值{-3，-2，-1，0，1，2，3}七个。
其对应的隶属度函数见表2.1
表2.1e语言值的隶属函数表
语言值
论域取值
-3
-2
-1
1
2
3
NB
0.5
NS
ZO
PS
PB
输出量u是绿灯延时时间，其模糊语言值选取{短，较短，中等，较长，长}，即{S，BS，M，BL，L}。
基础论域值取{-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4}九个档。
其对应隶属函数见表2.2
表2.2u语言值的隶属函数表
论域值
-4
4
S
BS
M
BL
L
2.3.2模糊控制规则
由经验得到下列控制策略：
若e负大，则u短；
若e负小，则u较短；
若e零，则u中；
若e正小，则u较长；
若e正大，则u长；
状态作用表见表2.3
表2.3绿灯模糊控制状态表
if（e）
then（u）
2.3.3模糊控制矩阵计算
表2.3所示的绿灯模糊状态表所表示的是输入、输出的模糊关系，其对应的五个矩阵分别为R1，R2，R3，R4，R5。
则总的模糊关系R=R1∪R2∪R3∪R4∪R5；
其中
R1=NB×
S；
R2=NS×
BS；
R3=ZO×
M；
R4=PS×
BL；
R5=PB×
L；
2.3.4模糊量精确化
以上通过模糊推理得到的是模糊量，而对于实际的控制则必须为清晰量，因此需要将模糊量转换成清晰量，这就是清晰化计算所要完成的任务。
采用最大隶属度法即可求出输入e和输出u的对应表。
如表2.4所示:
表2.4输入e和输出u的对应表
-2.5
+1
+2
+2.5
+4
实际上显示的是具体时间，所以必需对表2.4进行比例化。
经过比例化后实际输出查询表如表2.5所示：
表2.5模糊控制输出查询表
路口车流量（辆）
0－4
5－10
11－15
16－20
21－25
26－30
31以上
绿灯延长时间（s）
8
15
21
30
40
48
56
3硬件系统设计
3.1总体方案设计
本模糊控制交通器系统硬件主要由车流信息检测电路、单片机控制器、8279键盘显示电路等电路组成。
车流检测装置安放在各十字路口东西、南北道路方向实时检测车道车流信息。
并将检测到的信息输至单片机进行处理，通过单片机编程技术实现信号灯绿、红切换及等待时间设定。
单片
机控
制器
键盘
时间显示
车流信息
信号灯控制
8279
接口
图3.1系统原理框图
在本设计方案中，首先对系统各路口的车辆计数器对车辆计数，并传送给单片机，单片机依据模糊控制理论进行处理后来控制红绿灯延时时间，并把红绿灯延长时间通过8279送到LED显示。
当有紧急情况时，可通过键盘全红灯等其他情况。
3.2单片机控制器的设计
本设计的硬件采用的是AT89S52单片机为处理核心，AT89S52单片机是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能8位单片机，片内含8Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器，与标准的MCS-51指令系统及8052产品引脚相兼容[11]。
AT89S52是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS微处理器。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89S52是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
AT89S52的脚图如图3-2所示。
1）AT89S52单片机各引脚的功能和应用介绍如下：
P0口：
P0口是开漏双向口，可以写为1使其状态为悬浮。
用作高阻输入时，P0也可以在访问外部程序存储器时作地址的低字节；
在访问外部数据存储器时，作为数据总线，此时通过内部强上拉输出1。
P1口：
P1口是带内部上拉的双向I/O口。
向P1口写入1时，P1口被内部上拉为高电平，可用作输入口；
当作为输入脚时被外部拉低的P1口，会因为内部上拉而输出电流。
P2口：
P2口是带内部上拉的双向I/O口。
向P2口写入1时，P2口被内部上拉为高电平，可用作输入口；
当作为输入脚时被外部拉低的P2口，会因为内部上拉而输出电流。
在访问外部程序存储器和外部数据时，分别作为地址高位字节和16位地址（MOVX@DPTR）。
此时通过内部强上拉传送1，当使用8位寻址方式（MOV@Ri）访问外部数据存储器时，P2口发送P2特殊功能寄存器的内容。
图3.2AT89S52引脚图
P3口：
P3口是带内部上拉的双向I/O口。
向P3口写入1时，P3口被内部上拉为高电平可用作输入口；
当作为输入脚时被外部拉低的P3口，会因为内部上拉而输出电流P3口还具有以下特殊功能。
RXD（P3.0） 串行输入口
TXD（P3.1） 串行输出口
INT0（P3.2） 外部中断0
INT1（P3.3） 外部中断1
T0（P3.4） 定时器0外部输入
T1（P3.5） 定时器1外部输入
WR（P3.6） 外部数据存储器写信号
RD（P3.7） 外部数据存储器读信号
ALE：
地址锁存使能在访问外部存储器时，输出脉冲锁存地址的低字节。
在正常情况下，ALE输出信号恒定为1/6振荡频率并可用作外部时钟或定时。
注意每次访问外部数据时一个ALE脉冲将被忽略，ALE可以通过置位SFR的auxlilary0，禁止置位后ALE只能在执行MOVX指令时被激活。
PSEN：
程序存储使能当执行外部程序存储器代码时，PSEN每个机器周期被激活两次；
在访问外部数据存储器时PSEN无效，访问内部程序存储器时PSEN无效。
EA：
当此脚为低电平时，对ROM的操作限定在外部程序存储器，而它为高电平时，则对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延续至外部程序存储器。
XTAL1：
晶体1反相振荡放大器输入和内部时钟发生电路输入。
XTAL2：
晶体2反相振荡放大器输出。
2）单片机最小系统的设计
单片机的最小系统包括时钟电路和复位电路，分别采用的是12M的外部晶振，和上电复位电路，时钟电路和复位电路如图3.3和3.4所示。
下面就介绍下设计中的外部时钟电路和复位电路。
（1）时钟电路
在AT89S52芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出，该反向放大器可以配置为片内振荡器，石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。
由于输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
此外，AT89S52设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下，CPU停止工作。
但RAM、定时器、计数器、串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其它芯片功能，直到下一个硬件复位为止。
本次设计电路中的电容C1和C2取30pF。
一般晶体的振荡频率范围通常是1.2MHz~12MHz，晶体振荡频率高，则系统的时钟频率也高，单片机运行速度也越快。
但反过来运行速度快对存储器的速度要求就高，对印刷电路板的工艺要求也高。
本次设计的晶振采用的频率是12MHz，选用这个频率的原因是在软件设计中的定时方面便于定时计算，同时能提高单片机运行速度。
定时振荡器的工作可由专用的寄存器PCON的PD位进行控制，把PD位置“1”，振荡器停止工作，系统进入低功耗状态。
振荡电路产生的振荡脉冲并不是直接使用，而是经过分频后再被系统所用。
振荡脉冲经过二分频后才作为系统的时钟信号，在二分频的基础上三分频产生ALE信号，六分频得到机器周期信号。
（2）复位电路
复位是单片机的初始化操作，其主要功能是把PC初试化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。
AT89S52芯片的复位引脚在RST引脚，复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡脉冲周期以上。
复位操作有上电位自动复位和按键手动复位两种方式。
上电位复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，只要外部电源接通，VCC的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。
按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。
本次设计的复位方式是采用上电位复位方式，其电路图如图3-4所示。
由于RST引脚是高电平有效，所以一旦当RST引脚通过电容C与VCC导通，得到了高电平，单片机复位开始工作。
图3.3时钟电路
图3.4复位电路
3.3键盘与显示电路设计
Intel8279是一种通用可编程键盘、显示器接口芯片。
它能完成键盘输入和显示控制两种功能。
所以本设计采用8279芯片来实现键盘和显示功能。
键盘部分提供的扫描方式，可以和具有64个按键的矩阵键盘连接，能对键盘不断扫描，自动消抖，自动识别出按下的键并给出编码，能对双键或n键同时按下实行保护。
显示部分为发光二极管、荧光管及其他显示器件提供了按扫描方式的显示接口，它为显示器提供多路复用信号，可显示16为的字符或数字。
1、8279的引脚功能：
采用单±
5V电源供电，40脚封装。
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