分 类 号___________ 密级_____________ 收藏编号___________ 学号_____________ 学校代码 10386 编号_____________
应用研究
基于单片机的交通信号灯 智能控制系统的设计
工研
程究
领方
域： 向： 名：
研究生姓
指导教师、职称： 所
在
学
院：
答辩委员会主席签名：
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二〇一 年 月
一 遵守学术行为规范承诺
本人已熟知并愿意自觉遵守《福州大学研究生和导师学术行为规范暂行规定》和《福州大学关于加强研究生毕业与学位论文质量管理的规定》的所有内容，承诺所提交的毕业和学位论文是终稿，不存在学术造假或学术不端行为，且论文的纸质版与电子版内容完全一致。
二 独创性声明
本人声明所提交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得福州大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
三 关于论文使用授权的说明
本人完全了解福州大学有关保留使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵守此规定）
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研究生本人签名： 签字日期：20 年 月 日
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研究生导师签名： 签字日期：20 年 月 日
基于单片机的交通信号灯智能控制系统的设计
中 文 摘 要
随着城市交通智能化的日益发展，城市交通控制也步入了新的时代，在当代，智能交通领域交通信号灯的合理高效使用，是治理城市交通拥堵的有效的手段之一。虽然困扰城市交通的问题有很多种，如基础设施建设跟不上现代交通的发展，未能充分利用城市空间或者道路设置不合理等问题，但在实际现有交通的设施的基础上最大化的充分利用却是一个亟需解决的问题，交通灯的智能控制正是解决这一问题的重要方法。
在本文中选用STC系列的8位单片机作为整个交通灯控制系统的核心，配合最小系统以及其他外围功能芯片在实验室电路上模拟对交通灯的控制，采用LED显示功能结合外部扩展的DS1302芯片实现交通灯的倒数读秒功能，通过外部车辆检测传感器测量通过路口的车辆数以及等待的车辆数，并对这些数据进行模糊处理，采用模糊控制输出来实时调整信号灯的时间，并将数据通过RS232传递给上位机便于控制室人员掌握信息。
在本设计中交通信号灯采用模糊控制算法，实现了对交叉路口的模糊控制，文中通过MATLAB仿真和实物电路实验验证了算法的可行性和实际的可操作性，表明该算法可以很好的实现交通信号灯的智能控制。
关键词：智能交通，单片机，模糊控制，Matlab
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The Design of Intelligent Traffic Lights Control System
based on SCM
ABSTRACT
With the development of city traffic, city traffic control has entered into a new era, signal lamp reasonably and efficiently used that to solve the city traffic jam in intelligent transportation systems. Although troubled city traffic problem has developed many kinds of such as infrastructure construction can not keep up with the modern traffic, not full use of city space or road is unreasonable, but the maximum based on actual existing traffic facilities on the full use of it is a problem to be solved, the intelligent control of traffic lights is an important method to solve this problem.
In this paper the 8 bit MCU used for the traffic light control system, with the minimum system and other peripheral chips simulation to control the traffic lights in the laboratory circuit, using LED to achieve the traffic lights by DS1302.The chip has the function of countdown. Vehicle detection sensors measurement the vehicle that are through the cross and waiting. Those data are fuzzed, then use fuzzy control output the real-time to adjustment of signal. The data transmitted to the host computer for control room personnel information by RS232.
The traffic light control algorithm using fuzzy control, fuzzy control can realize the intersection without the establishment of mathematical model, in this paper use MATLAB
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simulation and the actual circuit to validate the feasibility and operability, simulation results and circuit experiments show that the algorithm can adjust the traffic signal lamp .
Key Words：Intelligent Transportation， Single Chip Microcomputer， Fuzzy Control， Matlab
目 录
第1章 绪论 ............................................................................................................ 1
1.1 课题背景 ................................................................................................. 1 1.2国内外研究现状 ...................................................................................... 3
1.2.1国内研究现状 ................................................................................. 3 1.2.2国外研究现状 ................................................................................. 4 1.3本文研究意义、内容及创新 .................................................................. 5 第2章 交通灯控制方法和模糊控制原理 ............................................................ 7
2.1交通灯的含义及类型 .............................................................................. 7 2.2信号灯控制的基本参数及控制方式 ...................................................... 9
2.2.1基本参数 ......................................................................................... 9 2.2.2定时控制 ....................................................................................... 10 2.2.3感应式交通信号控制 ................................................................... 10 2.2.4自适应控制方式 ........................................................................... 12 2.3交通信号灯控制系统类型 .................................................................... 12 2.4模糊控制概述 ........................................................................................ 13 2.5不同控制间的比较 ................................................................................ 14 第3章 交通灯控制系统的总体设计方案 .......................................................... 17
3.1交通信号的模糊化设计 ........................................................................ 17
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3.1.1对输入参数进行模糊化 ............................................................... 18 3.3.2输出量的模糊化 ........................................................................... 19 3.3.3 模糊规则确定 .............................................................................. 20 3.3.4 模糊关系矩阵与解模糊 .............................................................. 20 3.4交通灯模糊控制器的仿真 .................................................................... 21 3.5 区域协调模糊控制系统 ....................................................................... 25
3.5.1区域协调模糊控制器的组成 ....................................................... 25 3.5.2区域协调模糊控制的基本步骤 ................................................... 27 3.5.3区域协调模糊控制输入输出系统的设计 ................................... 29 3.5.4区域协调模糊控制规则的设计 ................................................... 30 3.5.5区域协调模糊控制清晰化方法 ................................................... 31 3.6区域协调模糊控制的仿真 .................................................................... 31
3.6.1各级模糊控制器系统结构的设计 ............................................... 31 3.6.2各级模糊控制器输入输出变量隶属函数的设计 ....................... 32 3.6.3各级模糊控制器模糊规则的设计 ............................................... 35 3.6.4仿真结果观测 ............................................................................... 36 3.6.5仿真结果分析 ............................................................................... 38
第4章 硬件设计 .................................................................................................. 40
4.1 硬件总体构架 ....................................................................................... 40 4.2 MCU系统 .............................................................................................. 41
4.2.1单片机选型 ................................................................................... 41 4.2.2 单片机最小系统 .......................................................................... 42 4.3 各相关电路设计 ................................................................................... 43
4.3.1数据通讯 ....................................................................................... 43 4.3.2直流稳压电源 ............................................................................... 44 4.3.3 显示及按键 .................................................................................. 45 4.3.4 传感器信号的转换及调理 .......................................................... 47 4.3.5时钟芯片DS1302 ........................................................................ 50 4.4 硬件可靠性设计 ................................................................................... 51 第5章 软件设计 .................................................................................................. 52
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5.1开发工具介绍 ........................................................................................ 53 5.2软件总流程 ............................................................................................ 53 5.3时间信息读取模块 ................................................................................ 54 5.4 传感器信号采样及计数 ....................................................................... 57 5.5 模糊控制 ............................................................................................... 58 5.6 交通灯显示输出与按键输入 ............................................................... 62 5.7 串行通讯 ............................................................................................... 64 结论与展望 ............................................................................................................ 67 参考文献 ................................................................................................................ 69 致 谢 ...................................................................................................................... 71 个人简历 ................................................................................................................ 72 在学期间的研究成果及发表的学术论文 ............................................................ 73
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基于单片机的交通信号灯智能控制系统设计
第1章 绪论
1.1 课题背景
随着城市化速度的加快,机动车日益普及,人们在赚取由机动车辆所带来的巨额利润以及充分享受汽车巨大便利的同时,也越来越受到交通拥堵，交通事故频发，环境污染加剧和燃油损耗上升所带来的困扰。国内外城市中的交通阻塞主要发生在交叉口,交叉口是两条道路相互交叉而产生的作为方向转换的枢纽,是道路网中道路通行能力的咽喉交通阻塞和事故的多发地。
日本全国每年由于交通拥挤所造成的经济损失高达12兆3千亿日元(合人民币9000多亿元)作为经济和科技都很发达的美国,每年因为交通问题导致的经济损失也高达2370亿美元,而美国交通事故约有一半发生在交叉口，我国国内百万人口以上的大城市,每年由于交通带来的直接和间接经济损失达1600亿元,相当于国内生产总值的3.2%如果我们不及早采取综合措施加以管理,则城市交通必影响我国经济发展和城市功能正常的发挥。
解决城市交通问题主要通过最直接的两种方式，一方面完善基础设施的建设，一方面增强交通管制的水平。由于城市发展现已到瓶颈阶段大范围的扩建城市路网已不太可能，所以在现有条件的基础上对智能交通的合理管控和提高基础设施的高效使用，此方法是现在现实可行有效解决道路拥堵问题的关键方法，多年前有专家提出，在现有基础上只有在城市道路的优化升级改造、城市道路的方向的合理分布和城市交通控制信号灯全面智能化三个角度来系统探讨解决城市交通问题，为城市畅通提供一个全方位的概念，只有这样才能从根本上彻底解决现有交通问题
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第1层次：城市道路优化升级改造
现有城市道路的通行保障能力能否适应交通车流的日益增长，是摆在面前必须要加以重视的问题。在现有路网的通行能力满足交通基本需求的前提下，对路网进行改扩建使得道路更加的通畅，但在现有城市中继续无节制的扩建已经不太可能。 本层次上需要做的工作是，找出已经建设网络中不能满足车流量需求的瓶颈地段，用尽量少的资金和人力投入其中去改造已经存在的网络，使
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得这些存在的路段能够满足日益发展的大流量，因此需要考虑到以下几个方面的问题：已经存在于城市的道路作为基准建立数学模型，我们暂且把道路的出口处定为集合点，将每条道路设为子集，对每个道路设定一个车辆通行数值能够体现道路对车辆的保有能力。
第2层次：城市道路矢量变更
城市道路的方向性决定了一个城市的发展方向与城市走向，对城市道路的划分方向通常有两种方式：一种是将集合中道路细分成不定数的行车道路，将每个车道规定一个主要的引导的方向，道路方向的确定直接对两个不同方向的通行能力造成影响，所以必将会对整个系统的路网通行能力造成直接的影响，对此问题的重视程度直接关乎城市交通通畅能力，所以道路走向的矢量问题是城市交通不可或缺的一个至关重要的方面。
第3层次： 交通信号灯的合理调配
在完成上述两点之后即基本实现路网交通的优化与改造，下一步的工作是进一步优化交通的通行速率，如何使得交通能够有序且高速的流动，需要采取哪些措施这些需要进一步讨论，交通灯的合理配置与高效智能管理是一个很好的手段去解决上述问题，因此如何合理高效的利用交通信号灯控制车流将会是未来城市发展的一个关键性问题
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。
交通信号灯的控制方式可以分为定时控制、感应控制、自适应控制。 定时控制：交叉口交通信号控制机均按事先设定的配时方案运行，也称定周期控制。
感应控制：感应控制是在交叉口进口道上设置车辆检测器，交通信号灯配时方案由计算机或智能化信号控制机计算，可随检测器检测到的车流信息而随时改变的一种控制方式。
自适应控制：把交通系统作为一个不确定系统，能够连续测量其状态，如车流量、停车次数、延误时间、排队长度等，逐渐了解和掌握对象，把他们与希望的动态特性进行比较，并利用差值以改变系统的可调参数或产生一个控制，从而保证不论环境如何变化，均可使控制效果达到最优或次优控制的一种控制方式。
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1.2国内外研究现状
1.2.1国内研究现状
在我国现有的城市中，对交通灯的控制有众多手段和方法，其中点对点的控制，道路线路控制以及局域地段或者地区的整体交通控制是常见的手法。据资料显示目前我国国内仅有几十家生产交通装备的企业，且产品的做工和样式比较落后，针对此现象国家出台了GA47-20025行业标准，此标准出台后厂家针对此标准制定了相应的生产流程和规则，在市场上产品质量得到很大的提升。但是纵观整个产业生态链，还是以中小企业为主至今没有出现大型企业投身到其中，整个行业也没有一个龙头企业。这有多种因素导致这个现象，首先是行业本身利润较低不能吸引大企业的投入，其次没有足够的经费投入和高端人才的加入，整体的技术水平还处于初级阶段，极少有厂家能开发出多轮信号协调控制的，因此稳定性和功能都不强。在我国城镇化过程中城市的交叉路口是越来越多，于此同时如何合理控制交通信号灯的问题也越发的重要和急迫，传统的控制属于粗放型控制不能很好的适应现代交通飞跃式的发展，
尽管现代技术手段逐渐增强，但在交通控制的研究上还处于相对薄弱的环节，虽然还是采用红黄绿三种颜色的信号灯进行控制，但是其控制的方法却在不断的改进中。其主流的算法有神经网络，模糊控制等算法都在研究中得到很好的应用。 所以在未来的发展中交通信号等水平的发展程度很大程度上决定了未来城市交通的发展程度。我国现有交通信号灯存在的不足有：
1、对机动车与非机动车的控制方式存在一些模糊概念，两种车量互相制约，导致整个交通系统运行效率不高。
2、在实际的优化道路过程中对道路通行能力考虑不够充分。
3、现有很多智能交通灯的控制系统只能实现2相位的控制，这个控制带来了一定的局限性需要进一步完善
综上所述虽然我们在交通灯控制上取得了一定的成绩并且也还在不断提升中，但我国人口基数大车辆未来保有量会有进一步扩大的这个基本国情下，快速合理的建立适合我国实际需要的交通信号规范还有待加强，开发出属于自主知识产权的能与发达国家比一比的智能交通控制系统还有很长的路要走。
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1.2.2国外研究现状
进入21世纪之后很多发达国家，如美日欧等从传统的粗放的不断修建路网来解决问题的模式，慢慢过渡到利用现代科技的方式来高效合理的使用现有路网系统，进一步改良和发展交通控制系统，从而最大化的利用现有系统。在降低事故死亡率，优化生态环境，保护我们共同生活的地球资源有着很多现实意义，正是基于上述考虑，智能交通控制被广泛采用也在不断的探索中积极向前进步，与此同时时代与科技共同进步的步伐，带动本行业的发展有了进一步的实质性提升，这也是发达国家能够走在前列的根本原因所在。技术发展与社会发展同步并且在科技力量的研发投入在国民生产中的比重也大，所以能协调发展。
以美国为例在上个世纪就已经致力于智能交通系统的开发与研究了，虽然起步也算比较迟的，但是其强大的经济和科研实力推动着本技术的快速高效发展，雄厚的资金投入加上科技人才的全力研发，造就了美国在本领域的国家领导地位，并最终在1991年通过立法的形式规范其交通运输体系，并配有专门的执法机构。正是这样的投入与重视导致美国研发了先进的交通控制管理系统、先进的出行信息系统，这些超前的交通控制系统为国内的道路使用者提供了极大的帮助，不仅能实时有效的反应路况信息更能为驾驶员朋友发布住宿和饮食方面的消息。这项技术融合了多门学科，在很多方面有着很多意义，这是基于这个技术的成功使用使得美国在多年后提出要在主要城市建设智能交通系统。
反观欧洲大陆，智能交通可谓是经历了一波三折，首先在起步阶段就比其他发达国家要落后，即使是在当今社会其智能交通和路网建设也不及美日等发达国家。其实在上世纪后期以法国为首的一帮欧洲国家试图发展智能交通也投入了一定的资金，想通过拓宽道路这样的基础设施以及政府相关部委的管理能力来解决交通问题，另一方面也准备在技术领域通入资金和人力来构建一套完备的系统来综合解决面临的挑战，但是由于当时社会的技术发展和人们的意识水平问题很多问题都没有很好的解决。直到2009年以欧盟为一个整体进行多单位的合作开发以无线网为基础研发出著名的Telematics这个系统的研制依靠欧洲明间的公司及科研单位，他们强烈的现实和利益需要是他们这些团体参与到其中的根本动机，正是这样的动机推动着欧洲智能交通的快速发展，先进的
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智能交通系统为整个欧洲大陆带来新的生命源泉，使得城市重新焕发了活力。
日本是一个岛国，所以对智能交通的渴望远远超过了一般国家的需求，加之日本是一个雄厚科技实力的国家所以日本在对智能交通方面不惜重金的投入换来的是一个世界领先的科技成果。比较具有代表性的是动态路径诱导系统，正是以此为基础日本人在他的现有基础上开发了多套车辆诱导和领航系统，在上世纪末期日本成立行业理事会，并通过理事会与政府的合作快速的发展了本国的交通系统，并采用世界当时最好的技术和工程师建设了东京的智能交通控制系统，在1996年开始正式启用，取得良好的效果后迅速在全国的其他地方推广，在90年代末基本已经能够覆盖全国，就是这样的渴求与技术以及资金的配套成就了日本在智能交通领域的众多第一，也是现今在这方面世界领导者，为世界智能交通的发展做出了不可或缺的努力。
1.3本文研究意义、内容及创新
有效的交通控制可以大大提高人和货物的运输安全并可以对过往行驶的车辆起到警告和疏导的作用，如何实现这些目的需要涉及到交通信号设备的安装调试和使用。城市交通的控制主要是交通信号灯的调节，通过对车辆的诱导从而实现交通控制。在高速公路主要是通过警示和信号标识来通知车辆进出匝道。本文正是基于以上的目的通过对通过车辆和等待车辆的统计采用模糊控制算法来确定交通灯的延时时间，从而实现城市交通的智能控制。
本文主要通过5章来对整个交通灯模糊控制系统进行阐述，主要结构内容如下：
第一章是绪论部分对现有城市的交通问题以及交通灯控制现在存在的一些不足进行了总体的阐述，对国内外研究的现状进行了对比，提出我国现在在交通控制方面存在的问题及未来发展的趋势，针对这些问题提出基于模糊控制的交通信号灯的解决方法。
第二章首先对交通灯一些基本参数和概念进行介绍，进一步引入交通灯在城市交通中的控制方式，最后通过这些方式的对比来说明选择模糊控制的原因和理由为下一章的引出做铺垫。
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第三章针对基于模糊控制的交通信号灯进行设计首先介绍了模糊控制的基本概念并与其它算法对比，随后介绍了整个模糊控制器的设计过程和相关参数最后通过MATLAB软件对控制器进行仿真得出仿真结果证明算法的可行性和可靠性。
第四章是基于单片机交通信号灯的硬件设计通过单片机最小系统和各个功能模块的介绍展现了一个完整控制的硬件设计。
第五章在硬件设计的基础上进一步对系统进行软件设计并给出了设计流程和部分源代码最后通过实物调试实现了总体功能。
本文的创新之处在于将模糊控制算法引入交通信号灯的控制中，并通过实验验证了算法的可行性和系统的可实现性，为今后进一步研究交通灯的高效控制提供了一定的借鉴意义。
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第2章 交通灯控制方法和模糊控制原理
通常意义上的交通智能化指的是，利用相关的设备对原始信号进行采集，然后传输到相关的控制设备上，并对获得的相关信息进行分析处理，以实现对交通的智能化实时处理，并做相应的情况做出正确的反映，从而保证路面交通的顺畅和安全。从其定义上可以知道，在进行智能交通管理时，我们主要研究的是行驶车辆，通过相关的数据处理系统和控制系统从而完成对交通的引导和控制，并及时的对驾驶员提供信息帮助，对行人提供安全指示，从而使得交通从容不迫，有条不紊的进行。停车标志红绿信号等等显示控制的设置一般设在道路的交叉处，只有合理的设计信号灯才能发挥智能交通控制的最佳效益。
2.1交通灯的含义及类型
一个城市是否发达，与该城市的路网系统有着直接的联系，当道路的联系越多那么城市越发达，但是当联系多了之后必然会有交叉之处，起初人们通过修建一个类似岛一样的地方来缓解这种路口的拥堵，通过这种方式的确在初期解决了车辆延误和堵塞，但是与此同时这也带来一些其他新的问题，例如这个建筑设施本身需要占用公共用地这就带来一个土地使用的问题，其次虽然能够分流一部分的车辆但是当短时间的出现车辆拥挤涌向一个路口时刻，这样的环型岛的分流效果也不是很明显甚至可能带来反向作用使得道路更加拥挤，经过不断的努力摸索和实践经验的总结，人们利用信号灯来改变车辆通行的时间，从而交替的让车辆通过路口，这样一种方法更加的行之有效而且不会占用太多的场地。
交通信号灯含义
1、绿灯闪亮时刻，通过但是直行的车或者人具有最高的优先级，任何想要拐弯的车或者人都不得和直行车争抢道路使用权。
2、黄灯闪亮时刻，黄灯代表警示，以禁止线为标准已经通过禁止线的车辆继续通行，没有通过的则全部暂停。现在修改后的交规有了更为细致的解释和判罚标准。
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