摘要：设计了一种以单片机为核心，根据车流量的动态变化，运用模糊控制算法对交通信号灯进行动态控制的路口交通管理系统。实现了路口优化管理。
关键字：交通管理，单片机，动态变化，模糊控制。
A traffic control system based on μ'nSP single-chip microcomputer
Wang Yong Luo Xuefang Hou Yuanbin
(Electrical and Control Engineering College of Xi'an University of Science and Technology )
(Xi'an 710054)
Abstract: A new traffic control system is designed in this paper. The system which is based on fuzzy control algorithm is designed to improve the efficiency of traffic control according to the dynamic variations of traffic flows by use of u'nSP single-chip microcomputer.
.
Key words: traffic control, μ'nSP single-chip microcomputer, dynamic variation, fussy control. 1 引言
随着我国经济的发展，各大中城市的机动车辆数量急剧增加，使得城市交通的拥挤现象日益严重。而在现有的财力、物力的条件下，通过改善道路的几何布局可能无法实现改善这种现象的目的。于是，路口管理在加强和改善交通管理就显得尤为重要。而每个路口的交通流量不同，现有的固定的交通红绿灯方式也难以达到要求。本文设计了一种根据车流量实现路口优化管理的动态管理系统。
2 系统设计
本系统的处理器采用台湾公司的μ'nSPCE系列单片机，此类单片机的特色在于其强大的语音、数字处理功能。它具有两路语音输出，而且具有16位的ALU，对于一般的数字处理已经足够了。另外，为了达到对道路上车辆的实现简单的控制，本系统对探测到的车流量大小运用模糊控制的原理进行处理。从而根据车流量大小自己改变红绿灯的时间长度。达到道路的最佳利用。
2.1 硬件部分
车辆传感器的设置[1]：每个十字路口安放八个传感器，每个方向安放两个。一个放在十字路口斑马线处，另一个放在离斑马线20米处。
一般情况下，设在十字路口或在多干道的岔道上的红绿灯是为了调整路口的交通秩序。其基本作用是：红灯亮表示车辆、行人禁止通行，绿灯亮表示车辆、行人可以通过。绿灯转换成红灯前几秒，可用黄灯来暗示行人或驾驶员即将禁止通行。该系统的时间显示采用倒计时方式。另外，还加上了人行横道的通行灯显示（见图1）。结合单片机的特点，再加上语音。语音提示的内容如下：1、提示行人注意车辆；2、对违规车辆发出警告。
东西灯： 绿 黄 红 绿 黄 红
南北灯： 红 绿 黄 红 绿 黄
东西行人： 红 绿 红 绿
南北行人： 绿 红 绿 红
图1 灯的状态变化 Fig.1 The state variation of lighting
此外，十字路口东西、南北任一通道上加上光敏二极管检测是否有车辆闯红灯。当有车闯红灯时，光敏二极管会被遮住。将这一信号传到单片机。
为了达到对红绿灯的时间的控制，需要对道路上的车流量进行检测。当前比较流行的车流量检测器件就是一种自感式的车辆传感器。它的工作原理是当车辆经过传感器是，引起其自感的变化。从而得到了道路上的车流量大小。本系统采用一种手动的操作方式。即用多路开关模拟两个方向上的车流量的大小。
根据以上说明系统硬件框图如图2所示：
图2 硬件框图 Fig.2 Hardware block
2.2 μ'nSP061A单片机介绍[3]
台湾公司的这款16位单片机，其CPU内核采用最新推出的μ'nSPTM(Microcontroller and Signal Processor)16位微处理芯片。此类芯片以μ'nSPTM内核为中心集成不同规模的ROM,RAM和丰富的各种外设部件，如图3所示。
其主要性能如下：
图 3 μ'nSP模块化结构
Fig.3 μ'nSP's modularized structure
SPCE061A的结构如图4所示
:
图4 SPCE061A的结构图
Fig.4 The structure of SPCE061A
SPCE061A具有两种中断方式：快速中断请求FIQ(Fast Interrupt Request)中断和中断请求IRQ(Interrupt
Request)中断。中断控制器可处理3种FIQ中断和14种IRQ中断，以及一个由指令BREAK控制的软中断。另外，SPCE061A提供了两个16位的定时器/计数器：TimerA和TimerB。TimerA为通用计数器；TimerB为多功能计数器。TimerA的时钟源由时钟源A和时钟源B进行
3 系统软件设计
系统软件设计主要思路为根据车流量的动态变化，运用模糊控制算法实现路口优化管理，其中包括主程序和三个子程序：模糊判断子程序、时间循环显示子程、语音提示子程序。系统的运行总框图如图5所示。
本系统的交通管理作用体现在模糊控制器的设计中。根据典型控制器的设计[2]，我们需要解决的问题如下：
(1) 对传感器的检测量进行模糊化；
(2) 模糊规则的建立，并根据模糊规则对模糊化的输入量进行处理；
图5 系统总框图
Fig.5 The system block figure
(3) 输出量的清晰化；
系统的传感器采集到两种输入量：一是绿灯方向的车辆流量，二是红灯方向排队等候的车辆数量。安放在每个方位的2个传感器检测到两个数据。红灯期间，离斑马线20米处的传感器记录进入道口排队等候的车辆。考虑到绿灯期间车辆
通过道口的速度约15－20Km/h，知道10s内可能通过的车流量为10，因此绿灯时通过车流量的论域为(0-10),将它分为3个模糊子集：
图6 模糊控制器的输入 Fig.6 The input of fuzzy controller
控制器的输出量是红绿灯的时间。通常黄灯时间是固定的5秒，假定红灯的时间为T，那么绿灯的时间就是(T－5)秒。所以此控制器的输出就是红灯时间输出。根据经验红灯时间长度一般为40秒。我们把输出论域T定义为(0－45)秒，将其分为5个模糊子集：T长，T中，T短。
输入量和输出量的论域、模糊子集、从属度函数的设计关系到整个系统的控制效果和性能。通常情况下，模糊子集分的越细，输出就会越精确。本文只是为了说明问题，故所定模糊子集均比较简单。
模糊规则的确定。此系统有两个输入和一个输出，其模糊规则的结构如下：
表1 模糊规则结构
表 Tab.1 Fuzzy rule table
根据以上的模糊规则图，可以得到如下的9条模糊规则：
1 IF X = 多 and Y = 多 TNEN T = T短 ；
2 IF X = 多 and Y = 中 TNEN T = T短 ；
3 IF X = 中 and Y = 多 TNEN T = T短 ；
… …
9 IF X = 少 and Y = 少 TNEN T = T长 ；
下面将输出清晰化，规定T短＝35秒、T中＝40秒、T长＝45秒。然后再把它转化为C语言或汇编语言在单片机上实现。
完成了对路口的检测，选定了红灯时间。下面就要对路口进行红绿灯的显示管理。根据图1可知，路口各种灯的变化是循环的。由于μ'nSP061A单片机有32个IO口，可以给每个灯分配一个IO口。每一次灯的状态变化就是给IO口送一次数。据此得到显示的程序框图分为如下几步：①初始化并进入红灯-绿灯显示，调用显示。判断(T-5)秒完否，未完则返回；完了则转红灯-黄灯；②进入红灯-黄灯显示，判断T秒完否，未完则返回，完了则转绿灯-红灯；③初始化并进入绿灯-红灯显示，调用显示。判断(T-5)秒完否，未完则返回；完了则转黄灯灯-红灯；④进入黄灯-红灯显示，判断T秒完否，未完则返回，完了则转①。
显示子程序(如图7)中包括：调用中断1s、送灯的显示、时间的倒计时显示以及开外部中断。此设计在每倒计1S的同时对灯的显示刷新一次，确保灯的状态正确。而且系统在红灯期间需要开外部中断（接了光敏二极管），用来检测违规车辆。一旦发现有违规，则需要转到语音提示的子程序。由于外部中断的优先级比用于计时1秒的内部中断高，而且语音时间也较长。所以系统在语音提示的同时要对显示进行刷新。即在语音子程序[3] (如图8)中要加入时间刷新程序。
图7 显示子程序 图8 语音播放子程序
Fig.7 The show subprogram Fig.8 The sound play subprogram
4 结论
此路口管理系统完成了在语音和显示配合下的交通路口优化管理的功能。由于采用了高性能单片机μ'nSP061A单片机，其工作速度高，接口数量多，中断功能强，特别是它的语音功能，给路口管理带来了很大的方便，节省了人力资源，也使得接口电路大大简化，减少了系统的成本。另外，模糊控制技术在系统中的应用使得系统有了很大的灵活性。可以随时根据路口的车流量的动态状况进行调整。因此，在我国公路事业高度发达的今天，此系统可提供一种简单可行的路口管理方案。
参 考 文 献
[1] 赵连凤，何熙文，徐承深等 微处理器 2000，(3): 56-58
[2] L.A.Zadel. Fuzzy Algorithms. Information and Control 1968:94-102
[3] 北阳技资室 SPCE061A单片机应用 2003: 4-5
作者简介：王 勇（1981－），男，安徽宣城人，本科，主要从事控制理论与控制工程方面研究
摘要：设计了一种以单片机为核心，根据车流量的动态变化，运用模糊控制算法对交通信号灯进行动态控制的路口交通管理系统。实现了路口优化管理。
关键字：交通管理，单片机，动态变化，模糊控制。
A traffic control system based on μ'nSP single-chip microcomputer
Wang Yong Luo Xuefang Hou Yuanbin
(Electrical and Control Engineering College of Xi'an University of Science and Technology )
(Xi'an 710054)
Abstract: A new traffic control system is designed in this paper. The system which is based on fuzzy control algorithm is designed to improve the efficiency of traffic control according to the dynamic variations of traffic flows by use of u'nSP single-chip microcomputer.
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Key words: traffic control, μ'nSP single-chip microcomputer, dynamic variation, fussy control. 1 引言
随着我国经济的发展，各大中城市的机动车辆数量急剧增加，使得城市交通的拥挤现象日益严重。而在现有的财力、物力的条件下，通过改善道路的几何布局可能无法实现改善这种现象的目的。于是，路口管理在加强和改善交通管理就显得尤为重要。而每个路口的交通流量不同，现有的固定的交通红绿灯方式也难以达到要求。本文设计了一种根据车流量实现路口优化管理的动态管理系统。
2 系统设计
本系统的处理器采用台湾公司的μ'nSPCE系列单片机，此类单片机的特色在于其强大的语音、数字处理功能。它具有两路语音输出，而且具有16位的ALU，对于一般的数字处理已经足够了。另外，为了达到对道路上车辆的实现简单的控制，本系统对探测到的车流量大小运用模糊控制的原理进行处理。从而根据车流量大小自己改变红绿灯的时间长度。达到道路的最佳利用。
2.1 硬件部分
车辆传感器的设置[1]：每个十字路口安放八个传感器，每个方向安放两个。一个放在十字路口斑马线处，另一个放在离斑马线20米处。
一般情况下，设在十字路口或在多干道的岔道上的红绿灯是为了调整路口的交通秩序。其基本作用是：红灯亮表示车辆、行人禁止通行，绿灯亮表示车辆、行人可以通过。绿灯转换成红灯前几秒，可用黄灯来暗示行人或驾驶员即将禁止通行。该系统的时间显示采用倒计时方式。另外，还加上了人行横道的通行灯显示（见图1）。结合单片机的特点，再加上语音。语音提示的内容如下：1、提示行人注意车辆；2、对违规车辆发出警告。
东西灯： 绿 黄 红 绿 黄 红
南北灯： 红 绿 黄 红 绿 黄
东西行人： 红 绿 红 绿
南北行人： 绿 红 绿 红
图1 灯的状态变化 Fig.1 The state variation of lighting
此外，十字路口东西、南北任一通道上加上光敏二极管检测是否有车辆闯红灯。当有车闯红灯时，光敏二极管会被遮住。将这一信号传到单片机。
为了达到对红绿灯的时间的控制，需要对道路上的车流量进行检测。当前比较流行的车流量检测器件就是一种自感式的车辆传感器。它的工作原理是当车辆经过传感器是，引起其自感的变化。从而得到了道路上的车流量大小。本系统采用一种手动的操作方式。即用多路开关模拟两个方向上的车流量的大小。
根据以上说明系统硬件框图如图2所示：
图2 硬件框图 Fig.2 Hardware block
2.2 μ'nSP061A单片机介绍[3]
台湾公司的这款16位单片机，其CPU内核采用最新推出的μ'nSPTM(Microcontroller and Signal Processor)16位微处理芯片。此类芯片以μ'nSPTM内核为中心集成不同规模的ROM,RAM和丰富的各种外设部件，如图3所示。
其主要性能如下：
图 3 μ'nSP模块化结构
Fig.3 μ'nSP's modularized structure
SPCE061A的结构如图4所示
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图4 SPCE061A的结构图
Fig.4 The structure of SPCE061A
SPCE061A具有两种中断方式：快速中断请求FIQ(Fast Interrupt Request)中断和中断请求IRQ(Interrupt
Request)中断。中断控制器可处理3种FIQ中断和14种IRQ中断，以及一个由指令BREAK控制的软中断。另外，SPCE061A提供了两个16位的定时器/计数器：TimerA和TimerB。TimerA为通用计数器；TimerB为多功能计数器。TimerA的时钟源由时钟源A和时钟源B进行
3 系统软件设计
系统软件设计主要思路为根据车流量的动态变化，运用模糊控制算法实现路口优化管理，其中包括主程序和三个子程序：模糊判断子程序、时间循环显示子程、语音提示子程序。系统的运行总框图如图5所示。
本系统的交通管理作用体现在模糊控制器的设计中。根据典型控制器的设计[2]，我们需要解决的问题如下：
(1) 对传感器的检测量进行模糊化；
(2) 模糊规则的建立，并根据模糊规则对模糊化的输入量进行处理；
图5 系统总框图
Fig.5 The system block figure
(3) 输出量的清晰化；
系统的传感器采集到两种输入量：一是绿灯方向的车辆流量，二是红灯方向排队等候的车辆数量。安放在每个方位的2个传感器检测到两个数据。红灯期间，离斑马线20米处的传感器记录进入道口排队等候的车辆。考虑到绿灯期间车辆
通过道口的速度约15－20Km/h，知道10s内可能通过的车流量为10，因此绿灯时通过车流量的论域为(0-10),将它分为3个模糊子集：
图6 模糊控制器的输入 Fig.6 The input of fuzzy controller
控制器的输出量是红绿灯的时间。通常黄灯时间是固定的5秒，假定红灯的时间为T，那么绿灯的时间就是(T－5)秒。所以此控制器的输出就是红灯时间输出。根据经验红灯时间长度一般为40秒。我们把输出论域T定义为(0－45)秒，将其分为5个模糊子集：T长，T中，T短。
输入量和输出量的论域、模糊子集、从属度函数的设计关系到整个系统的控制效果和性能。通常情况下，模糊子集分的越细，输出就会越精确。本文只是为了说明问题，故所定模糊子集均比较简单。
模糊规则的确定。此系统有两个输入和一个输出，其模糊规则的结构如下：
表1 模糊规则结构
表 Tab.1 Fuzzy rule table
根据以上的模糊规则图，可以得到如下的9条模糊规则：
1 IF X = 多 and Y = 多 TNEN T = T短 ；
2 IF X = 多 and Y = 中 TNEN T = T短 ；
3 IF X = 中 and Y = 多 TNEN T = T短 ；
… …
9 IF X = 少 and Y = 少 TNEN T = T长 ；
下面将输出清晰化，规定T短＝35秒、T中＝40秒、T长＝45秒。然后再把它转化为C语言或汇编语言在单片机上实现。
完成了对路口的检测，选定了红灯时间。下面就要对路口进行红绿灯的显示管理。根据图1可知，路口各种灯的变化是循环的。由于μ'nSP061A单片机有32个IO口，可以给每个灯分配一个IO口。每一次灯的状态变化就是给IO口送一次数。据此得到显示的程序框图分为如下几步：①初始化并进入红灯-绿灯显示，调用显示。判断(T-5)秒完否，未完则返回；完了则转红灯-黄灯；②进入红灯-黄灯显示，判断T秒完否，未完则返回，完了则转绿灯-红灯；③初始化并进入绿灯-红灯显示，调用显示。判断(T-5)秒完否，未完则返回；完了则转黄灯灯-红灯；④进入黄灯-红灯显示，判断T秒完否，未完则返回，完了则转①。
显示子程序(如图7)中包括：调用中断1s、送灯的显示、时间的倒计时显示以及开外部中断。此设计在每倒计1S的同时对灯的显示刷新一次，确保灯的状态正确。而且系统在红灯期间需要开外部中断（接了光敏二极管），用来检测违规车辆。一旦发现有违规，则需要转到语音提示的子程序。由于外部中断的优先级比用于计时1秒的内部中断高，而且语音时间也较长。所以系统在语音提示的同时要对显示进行刷新。即在语音子程序[3] (如图8)中要加入时间刷新程序。
图7 显示子程序 图8 语音播放子程序
Fig.7 The show subprogram Fig.8 The sound play subprogram
4 结论
此路口管理系统完成了在语音和显示配合下的交通路口优化管理的功能。由于采用了高性能单片机μ'nSP061A单片机，其工作速度高，接口数量多，中断功能强，特别是它的语音功能，给路口管理带来了很大的方便，节省了人力资源，也使得接口电路大大简化，减少了系统的成本。另外，模糊控制技术在系统中的应用使得系统有了很大的灵活性。可以随时根据路口的车流量的动态状况进行调整。因此，在我国公路事业高度发达的今天，此系统可提供一种简单可行的路口管理方案。
参 考 文 献
[1] 赵连凤，何熙文，徐承深等 微处理器 2000，(3): 56-58
[2] L.A.Zadel. Fuzzy Algorithms. Information and Control 1968:94-102
[3] 北阳技资室 SPCE061A单片机应用 2003: 4-5
作者简介：王 勇（1981－），男，安徽宣城人，本科，主要从事控制理论与控制工程方面研究