基于模糊控制的智能交通灯控制系统开题报告

题 目：

毕业设计开题报告

（“卓越计划”学生用）

基于模糊控制的智能交通灯控制系统 学 院: ____________ 电气信息学院 专

业： ________________ 自动化

学生姓名：

周志会 学 号：201301209112

学习企业：德力西电气（芜湖）有限公司 企业指导教师： ____________ 周超 学校指导教师：

杨青

2017年3月15日

-、基于模糊控制的智能交通灯发展综述

、绪论

交通灯在人类道路交通发展过程中扮演着非常重要的角色， 而我国是一个人 口超级大国，汽车工业的发展正在快速增长的阶段， 因此车辆的增加不是解 决问题的好方法。而采取增加供给，即大量修筑道路基础设施的方法，在资源、 环境矛盾越来越突出的今天，面对越来越拥挤的交通，有限的源和财力以及环境 的压力，也将受到。这就需要依靠除需求和提供道路设施之外的其他方 法来满足日益增长的交通需求。 随着经济的发展，城市现代化程度不断提高，交通需求和交通量迅速增长， 城市交通网络中交通拥挤日益严重， 道路运输所带来的交通拥堵、交通事故和环 境污染等负面效应也日益突出，逐步成为经济和社会发展中的全球性共同问题。 交通问题已经日益成为世界性的难题，城市交通事故、交通阻塞和交通污染问题 愈加突出。为了解决车和路的矛盾，常用的有两种方法：一是控制需求，最直接 的办法就是车辆的增加；二是增加供给，也就是修路。但是这两个办法都有 其局限性。 智能交通灯系统正是解决这一矛盾的途径之一。智能交通灯系统是将先进的 信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、电子控制技术及计算机处理技术 等有效的集成运用于整个地面交通灯管理系统而建立的一种在大范围内、 全方位 发挥作用的实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。 对城市交通流进行智能 控制，可以使道路畅通，提高交通效率。合理进行交通灯控制可以对交通流进行 有效的引导和调度，使交通保持在一个平稳的运行状态，从而避免或缓和交通拥 挤状况，大大提高交通运输的运行效率，还可以减少交通事故，增加交通安全， 降低污染程度，节省能源消耗，本文就是通过对交叉路口交通灯的智能控制， 达 到优化路口交通流的目的。 进入20世纪70年代，随着计算机技术和自动控制技术的发展， 以及交通流 理论的不断完善，交通运输组织与优化理论和技术水平不断提高， 控制手段越来 1977年， 越先进，形成了一批商水平有实效的城市道路交通灯控制系统。早在 Pappis等人就将模糊控制运用到交通灯控制上，通过建立规则库或是专家系统 对各种交通状况进行模糊控制，并取得了很好的效果。近年来，欧美日本等相继 建立了智能交通灯控制系统。 在这些系统中，大部分都在路口附近安装磁性环路 检测器，还使用了新型检测器等技术和设备。 这些现代化设备技术加上控制理论 和现代化科学管理技术，使得交通控制系统日益完善。随着一些研究控制理论的 学者投身到交通控制的研究中，在交通信号控制领域提出了一些新方法、新思路。 如静态多段配时控制、准动态多段配时控制、最优控制、大系统递阶控制、模糊 控制、神经网络控制，网络路由控制等。模糊交通控制已经成为了交通信号控制 的主流方向之一。国内外很多学者都进行了此类研究。

交通灯系统作为一个时变的、具有随机性的复杂系统，传统的人为设定多种 方案或是建立各种预测模型均比较困难。 城市交通控制研究的起源比较早。1868 年，英国伦敦燃汽信号灯的问世，标志着城市交通控制的开始。

1913年，在美

国俄亥俄州的Cleveland市出现了世界上最早的交通信号控制。1926年美国的 芝加哥市采用了交通灯控制方案，每个交叉口设有唯一的交通灯，适用于单一的 交通流。从此，交通控制技术和相关的控制算法得到了发展和改善， 提高了交通

控制的安全性、有效性，并减少了对环境的影响。

二、 国内外关于交通灯的研究现状及分析

交通灯的出现，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明 显效果。1968年，联合国《道路交通和道路标志信号协定》对各种信号灯的含 义作了规定。绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以直行，左转弯和右转弯，除 非另一种标志禁止某一种转向。左右转弯车辆都必须让正在路口内行驶的车辆和 过人行道的行人优先通行。红灯是禁行信号，面对红灯的车辆必须在交叉路口的 停车线后停车。黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线， 但车辆已十 分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。

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的转变，而在我国，智能交通系统则刚刚处于起步阶段。 对于 传统的交通控制系统而言，对红绿灯一般采用定时控制，无法对实际的交通流进 行识别优化，以至于不能适应交通量的不确定性和随机性的原因，

往往造成交通

资源的浪费和道路的梗阻。而智能交通控制系统则在不产生大的硬件改动的情况 下有效的提高交通运输效率。

三、 智能交通灯 3.1模糊控制

交通系统是一个具有随机性、模糊性和不确定性的复杂系统，因此其数学模 型

的建立非常困难，有的甚至无法用现有的数学方法加以描述。即使经过多次简 化已经建立的数学模型，它的求解还须简化计算才能完成。 所以经典控制法很难 取得满意的效果。模糊控制主要模拟人的思维，推理，判断的一种方法，它将人 的经验常识等用自然语言表示出来，建立一种适合于计算机处理的输入输出过程 模型，它是智能控制的一个重要研究领域。 在交通控制领域，它能模仿有经验的 交警指挥交通时的思路，取得很好的控制效果。模糊控制系统设计的核心是模糊 控制器的设计，一个模糊控制系统性能的优劣，主要取决于模糊控制器的结构、 所采用的模糊规则、合成的推理算法以及模糊决策的方法等。 3.2采用基于单片机控制的智能交通灯控制系统 STCC51/52 RC/RD系列单片机的特点： ⑴ 增强型6时钟/机器周期，12时钟/机器周期8051CPU (2) 工作电压：5.5V—3.4V(5V 单片机)/3.8V — 2.0V(3V 单片机) (3) 工作频率范围：0-40MHZ,相当于普通8051的0-80MHZ,实际工作频率可 达 48MHz (4) 用户应用程序空间4K/8K/13K/16K/20K/32K/K字节 (5) 片上集成1280字节/512字节RAM (6) 通用I/O 口(32/36个)，复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向口 /弱上拉 (普通8051传统I/O 口)，P0 口是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉 电阻，作为I/O 口用时，需加上拉电阻。 (7) ISP (在线可编程)/IAP (在应用可编程)，无需专用编程器/仿真器， 可通过串口( P3.0/P3.1 )直接下载用户程序，8K程序3秒即可完成一片 (8) EEPROM功能 (9) 看门狗 (10) 内部集成MAX81C专用复位电路(D版本才有)，外部晶体20M以下时, 可省外部复位电路 (11) 共3个16位定时器/计数器，其中定时器0还可以当成2个8为定时 器使用 (12) 外部中断4路，下降沿中断或低电平触发中断，Power Down模式可由 外部中断低电平触发中断方式唤醒

(13) 通用异步串行口( UART，还可用定时器软件实现多个 UART (14) 工作温度范围：0—75C/-40 —+85C (15) 封装：LQFP-44,PDIP-40,PLCC-44,PQFP-44 单片机的应用如下：

① 智能仪器：单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化 和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸 如电压、电流、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬 度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、 智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。

② 工业控制：单片机具有体积小、控制功能强、功耗低、环境适应能力强、 扩展灵活和使用方便等优点，用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集 系统、通信系统、信号检测系统、无线感知系统、测控系统、机器人等应用控制 系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算 机联网构成二级控制系统等。

③ 家用电器：家用电器广泛采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰 箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备和白色家电等。

④ 网络和通信：现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机 进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，

通 信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼 宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话， 集

群移动通信，无线电对讲机等。

⑤ 模块化系统：某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路 中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。如音乐集成单片机，看 似简单的功能，微缩在纯电子芯片中(有别于磁带机的原理)，就需要复杂的类 似于计算机的原理。如：音乐信号以数字的形式存于存储器中(类似于 ROM，

由微控制器读出，转化为模拟音乐电信号(类似于声卡)。

四、总结

采用基于单片机控制的的智能交通灯控制系统，其模糊控制可以根据东西南 北方向上的车流量不同的大小来合理的调节交通信号灯红绿灯亮灯的时间， 这样 不仅可以有效的防治交通拥堵而且可以合理的利用交通资源， 进而大大缓解交通 压力。在基于单片机模糊控制的智能交通灯控制系统的设计过程中可能牵涉到信 号的采集与传输，在考虑到设计的成本以及设备稳定性能的前提下，

本设计主要

想采用RS-485总线串行输出信号。因为RS-485总线它的抗干扰能力强，传输信 号远。

五、参考文献

[1] 侯媛彬等，凌阳单片机原理及其毕业设计精选 2006年，科学出版社 [2] 罗亚非，凌阳十六位单片机应用基础 2013年 北京航空航天大学出版社 [3] 北京北阳电子有限公司，061A凌阳单片机及其附带光盘2013年 [4] 张毅刚等，MCS-51单片机应用设计，哈工大出版社，2014年第9版

⑸ 霍孟友等，单片机原理与应用，机械工业出版社，

2014.1

2005.3

⑹ 霍孟友等，单片机原理与应用学习概要及题解，机械工业出版社，

[7] 许泳龙等，单片机原理及应用，机械工业出版社， 2005.1

[8] 马忠梅等，单片机的C语言应用程序设计，北京航空航天大学出版社，2003 修订版

[9] 薛均义 张彦斌 虞鹤松 樊波，凌阳十六位单片机原理及应用，2013年，北 京航空航天大学出版社

[10] 李全利，迟荣强编著 单片机原理及接口技术 高等教育出版社，2015.1

1、开题报告

一、课题的目的与意义 1.1研究目的 本课题通过对于智能交通灯控制系统的研究，来改善现在已有的交通灯身上 留着的短板，而研究发现对于一般情况下的安全可靠性行车的话车辆的分流还是 能够发挥其作用，但是发现根据实际的行车当中会出现的情况，有着以下的劣势： ①两个车道的车辆的轮流放行的时间是一样的，如在十字路口，会将一个车道列 为主车道，在这条道上的车辆会比较多，但是给的放行时间并没有加长，所以认 为应该要给一些宽放；另外的一个车道是副车道，车子流量比较少，但是放行的 时间也并没有因此而减少。②发生紧急车通过的这种情况并没有考虑在内，如 120急救车该如何通过，两个车道如何做，才能让紧急车辆通过。 1.2研究意义 自19世纪开始，就有英国人发明了最最原始的机械式扳手交通灯后，到如 今的100多年，交通事故情况因交通灯的出世而发生了巨变， 与此同时交通灯也 在广大市民的日常生活之中起到了不可估量的作用， 跟着人们的社交活动越来越 多，经济发展越来越好，急剧增加的汽车数量，让我们的城市道路越来越拥挤， 智能控制化的交通灯将更加能够突显出它的优势，因为它能够让交通路况获得有 效明显的管理制度，这也对我们的交通疏导减轻了负担， 城市道路的导通强 度也有许多的提高，对交通事故的减少也起到了明显的作用。 改革开放以来，我们的科技发展越来越好，其中电子器件也是被广泛的应用 到各领域中，单片机也是发展很快，不断的融入到人们的生活当中。本课题设计 的模拟交通灯控制系统是利用单片机 ATC51作为其核心元件，其功能将是实现 通过信号交通灯对道路状况的智能管理控制，其作用是在一定程度上把交通堵 塞、车辆停车等待时间不合理、紧急车辆通过的问题解决。本次设计的系统将具 有结构简单、成本低、可靠性高、实时性好、安装维护方便等优势，有着极为广 泛的应用前景。 由于传统的交通灯控制系统设计比较死板， 红绿灯的交替变换时间一成不变 的劣势，智能化的交通灯控制系统设计就将更加突显出它的设计意义， 它将可以 去根据城市道路交通拥挤的情况以及交通路口经常堵塞的情况， 利用单片机控制 技术设计出软件和硬件方案，最终实现道路的最大化行车效率。

二、课题主要内容和要求

本课题对基于单片机的交通灯控制系统的设计。以单片机为核心，设计并制 作交通灯控制系统，用于城市十字交通路口的车辆以及人行的交通管理。东南西 北四个路口具有左拐和右拐以及直行、 行人四种通行指示灯，并分别用计时器显 示路口通行转换剩余时间，在紧急车辆通过时，系统可以自动的转化为紧急车辆 放行，其他的车辆暂时的禁止通行状态。 模拟交通信号灯的信号转换；最大限定 的提高交通运行顺畅度；系统的硬件运行与实现；节省能源的损耗。

2.1设计内容

模拟交通灯控制器就是使用单片机来控制一些 LED和数码管，来模拟真实的 交通灯功能，利用数码管倒计时计数显示间隔性的红黄绿灯交替闪亮， 计时牌显 示路口通行剩余时间，用于管理十字路口的车辆以及人行通道。

2.2基本功能

(1) 利用单片机完成交通灯的信号控制

(2) 该交通信号灯控制器由一条主车道和一条支车道汇合成十字路口。 (3) 在每个路口设置红绿黄三色信号灯，红灯亮的时候禁止通行，绿灯亮的 时候允许通行，黄灯亮的时候则是给行驶中的车辆有时间停在禁行线外。

(4) 设置了左转和右转灯，左转绿灯亮的时候可以左转；左转红灯亮的时候 禁止左转，这个时候右转的绿灯闪亮，表示可以右转。

(5) 设置紧急状态，当紧急按钮按下各方向全部变红灯。

2.3设计方案

(1) 设计一个十字路口的智能交通灯控制电路，要求南北方向和东西方向的 两个交叉路口的车辆交替运行，两个方向能根据车流量的大小来自动调节通行时 间的长短，车流量大的时候，通行的时间长，车流量小的时候，通行时间短。

(2) 每次绿灯变红灯的时候，要求黄灯先亮 6S,才能变换运行车辆。 (3) 东西方向、南北方向的车道除了有红黄绿灯指示以外，每一种灯亮的时 间都需要用数码管显示器来显示，采用倒计时的方法。

(4) 考虑到紧急车辆通过的情况，设置紧急转换开关。

针对道路拥挤的交通，交叉路口经常出现堵塞的情况。我准备用单片机控制 技术来设计。

2.4设计方案以及两点改进措施

(1) 根据各道路路口的车流量的大小自动调节通行时间。 (2) 考虑紧急车辆通行情况，设计紧急开关按钮。

由于ATC51单片机自带有两个计数器，6个中断源，能满足系统的设计要 求。用单片机设计比较简单，成本相对也比较低，而且用其设计的 交通灯也能 够满足要求，所以采用单片机来设计交通灯。

2.5采用的研究手段以及手法

本系统采用ATC5係列的单片机和可编程并行I/O接口芯片为中心来设计 交通灯控制器，从而进行交通路口的路况管理。它用简单的硬件电路模拟交通信 号灯的交替变换，实现红绿灯循环点亮。用LED数码管作为倒计时指示，通行指 示灯采用发光二极管，LED显示动态扫描，以节省端口，特殊紧急车辆通行采用 实时中断完成。

本次设计中车流量较大时可以通过控制结果来改变十字路口的各个方向的 通车时间，来使得交通更加的顺畅，堵塞大大的减少。还有自动调整红绿灯时间， 时时刻刻的控制当前交通灯时间使

LED显示器进行倒计时工作并且与状态灯保

持同步，在保证交通安全的同时使交通运行的顺畅度最大化， 大大提高交通运输 的效率，更重要的是可以减少交通事故，节省能源的消耗。

2.6该设计的创新点

智能控制系统是目前设计研究的方向， 也已经取得了不少成果，但传统的定 时交替闪亮交通灯仍然在一些地方广泛的应用，那些地方相对来说车流量不大， 而且交通道路相对来说比较好的地方，在这些地方传统的交通灯还是起到了一定 的作用。随着社会的快速发展，城市化也是必然趋势，车辆增加是必然的，交通 压力大当然也是必然的，在这个时候，智能交通灯将横空出世，起到疏导交通、 改良城市的交通状况，加速城市化进程。智能交通灯控制系统在软件设计上有两 个主要的特

点，一方面是本设计采用模糊算法来控制交通车流量，模糊控制算法 不需要建立被空对象精确的数学模型， 比较适于随机的复杂的城市交通控制， 所 以以多变少为例子，在通行时间上控制设置为 20S,25S,40S,25S,20S为一个循 环，根据车流量合理的分配通行时间；另一方面设计紧急转换开关，考虑在紧急 车辆来的时候，两车道的所有车辆都应该停车，让紧急车辆先行通过。试验测试 结果证明本系统单片机能够完成交通控制的过程， 在疏导交通，提高交通路口的 通行能力上有显著的效果。 三、 工作基础

本次设计是基于单片机来控制交通灯的交替闪亮， 所以前期需要有自己的单 片机PC板，在个人计算机上需要安装keil软件。

四、 课题预期成果

（1） 1-4周 选定毕业设计题目，查阅资料，翻译外文资料。 （2） 4-5周 撰写开题报告，开题报告答辩。

（3） 5-10周 进行毕业设计的理论研究、方案设计、软硬件设计、工艺设 计、实验测试等。

（4） 11周中期检查。

（5） 11-13周 撰写毕业设计论文并完成初槁。

（6） 14-15周 指导教师检查、批改论文；学生修改论文，定稿。 （7） 15周 毕业设计答辩资格审查。 （8） 16周 毕业设计答辩。

评审意见

1企业指导教师评审意见

企业指导教师： 年 月 日

2 •学校指导教师评审意见

学校指导教师：

年 月 日

所在专业教研室审查意见：

专业负责人: