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人工智能综合.docx
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人工智能综合
湖南科技学院
本科生毕业论文(设计)
姓名蒋闰燕
学号201008003141
专业软件工程
班级软件1001
指导教师黎明
课程名称人工智能
前言
一.人工智能概述
人工智能(ArtificialIntelligence),英文缩写为AI。
它是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。
人工智能是计算机科学的一个分支,它企图了解智能的实质,并生产出一种新的能以人类智能相似的方式作出反应的智能机器,该领域的研究包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。
“人工智能”一词最初是在1956年Dartmouth学会上提出的。
从那以后,研究者们发展了众多理论和原理,人工智能的概念也随之扩展。
人工智能是一门极富挑战性的科学,从事这项工作的人必须懂得计算机知识,心理学和哲学。
人工智能是包括十分广泛的科学,它由不同的领域组成,如机器学习,计算机视觉等等,总的说来,人工智能研究的一个主要目标是使机器能够胜任一些通常需要人类智能才能完成的复杂工作。
但不同的时代、不同的人对这种“复杂工作”的理解是不同的。
例如繁重的科学和工程计算本来是要人脑来承担的,现在计算机不但能完成这种计算,而且能够比人脑做得更快、更准确,因之当代人已不再把这种计算看作是“需要人类智能才能完成的复杂任务”,可见复杂工作的定义是随着时代的发展和技术的进步而变化的,人工智能这门科学的具体目标也自然随着时代的变化而发展。
它一方面不断获得新的进展,一方面又转向更有意义、更加困难的目标。
目前能够用来研究人工智能的主要物质手段以及能够实现人工智能技术的机器就是计算机,人工智能的发展历史是和计算机科学与技术的发展史联系在一起的。
除了计算机科学以外,人工智能还涉及信息论、控制论、自动化、仿生学、生物学、心理学、数理逻辑、语言学、医学和哲学等多门学科。
人工智能学科研究的主要内容包括:
知识表示、自动推理和搜索方法、机器学习和知识获取、知识处理系统、自然语言理解、计算机视觉、智能机器人、自动程序设计等方面
2.电气自动化
电气自动化是高等院校开设的一门工科专业。
培养德、智、体全面发展,具有良好的科学素养和创新精神,培养能够从事与电气工程有
关的系统运行、自动控制、电力电子技术、信息处理、试验分析、研制开发以及电子与计
算机应用等领域工作的宽口径复合型高级工程技术人才。
本专业主要学习电子技术、电工技术、信息控制、电气测量、计算机技术等方面较宽广的
工程技术基础和专业知识。
本专业主要特点是强电弱电结合、
电工技术与电子技术相结合、
软件与硬件结合、元件与系统结合,学生受到电工电子、信息控制及计算机技术方面的基
本训练,具有解决电气工程与自动化领域技术问题的基本能力。
该专业是强电和弱电、计算机技术与电气控制技术交叉渗透的综合型专业学科。
电气工程
及其自动化专业培养出的毕业生,以理论基础扎实、专业知识面宽广、实践动手能力强、
适应性强在国内有较好的声誉
主干课程电路原理、电子技术基础、计算机技术(语言、软件基础、硬件基础、单片机)、
信号与系统、电磁场理论与应用、自动控制原理、电机学、电力电子技术、电气测量、电
力拖动与控制等。
就业方向适合到国民经济各部门从事与电气工程有关的系统运行、自动控制、电力电子技
术、信息处理、试验分析、研制开发等方面的工作,也能在科研院所、高等学校从事电气
信息与自动化技术相关的研究开发、技术引进与改造及教学工作。
三.人工智能在电气自动化方面的应用
1人工智能化在电气自动化应用中的优势
人工智能化控制是计算机的分支学科,主要是依赖计算机程序内设定好的函数公式和计算法则自动对机器进行操作。
与传统的人工控制技术相比智能化控制技术有以下几个优点。
1.1减少人力劳动的投入
传统的电气操作是一个复杂的过程,往往涉及到很多的电气设备,同时对系统运行状态的检测和实时数据分析需要外接很多线路。
因此在复杂的电力系统中就需要大量的人力资源。
而人工智能技术中最显著的特点就是它能够实现在一定程度上替代或部分替代人类复杂脑力劳动,并且在不需要外接大量线路的同时实现实时有效开展信息收集与传输,并能够自主的完成数据分析和处理,省去了很多繁琐的工作,所以人力资源得到了解放。
1.2限制人为误差
电力系统每年都会因为人为操作失误导致事故或故障。
而人工智能化系统是计算机按照事先设定好的程序控制系统运行,不会发生变动,并能完成实时数据监测分析,且基本都有自动反馈调节,系统运行数据将基本追随理论上的数据。
整个过程中很少有人参与,所以操作工程中如果不是机器出现问题,一般不会出现实际运行数据和理论数据相差太大的现象。
1.3设计无需建立控制对象模型
电其设备和系统越来越复杂,运行过程中不可控因素也较多,例如。
参数变化、非线性时等,利用传统的控制器来进行控制时,很难得到实际控制对象的精确动态方程,而传统控制器都是根据实际控制对象设计控制器的模型,所以设计出来的模型也就不可能精准,最终自动化控制的实际工作效率在一定程度上也会降低。
人工智能化控制器不需要对被控对象设计模型,因此它在源头上避免了那些不可控因素的出现,使自动化控制器的精密系数得到了提升。
1.4具有较好的一致性
在实用人工智能化技术生产电气产品的时候,由于智能化的技术是依靠机器设定的同一个程序进行重复生产的,所以保证了产品的规范化和性能的一致性。
在人工智能化控制系统,由于负反馈的存在,针对扰动引起的变化能做及时的调整,一定程度上保证了一致性。
另外,人工智能化还有能很好的适应新数据或新信息、容易扩展和修改且十分便宜等优点。
综上所述,人工智能发展的潜力无限大,提升电气设备的运行智能化,有效增强控制系统
单片机在城市智能交通灯中的控制
摘要
本论文文介绍了一个城市的智能交通灯控制系统的设计与仿真,系统能够根据城市十字路口双车道车流量的情况控制交通信号灯按特定的规律变化。
本论文文首先对智能交通灯的研究意义和智能交通灯的研究现状进行了分析,指出了现状交通灯存在的缺点,并提出了改进方法。
智能交通灯控制系统通常要实现自动控制和在紧急情况下能够手动切换信号灯让特殊车辆优先通行。
本文还对AT89S51单片机的结构特点和重要引脚功能进行了介绍,同时对智能交通灯控制系统的设计进行了详细的分析。
最后介绍了PROTEUS嵌入式系统仿真与开发平台的使用方法,利用Proteus软件对交通灯控制系统进行了仿真,仿真结果表明系统工作性能良好。
第一章绪论............................................................5
1.1城市智能交通灯控制系统的研究现状...................................5
1.2基于单片机的城市智能交通灯控制系统设计的意义.......................5
1.3智能交通灯控制系统设计实现的功能...................................6
1.4本论文的主要工作...................................................6
第二章城市智能交通灯控制系统的相关设计................................6
2.1城市智能交通灯控制系统规划.........................................6
2.2城市智能交通灯的选择方案...........................................7
2.3城市智能交通灯控制系统设计原理.....................................7
2.4城市智能交通灯控制系统设计实现的功能...............................7第三章城市智能交通灯控制系统的硬件设计................................9
3.1AT89S51单片机简介..................................................9
3.1.1AT89S51单片机的主要性能参数......................................9
3.1.2AT89S51芯片内部结构简介..........................................9
3.1.3主要引脚功能....................................................11
3.2控制器的原理框图..................................................13
3.3各模块控制电路....................................................15
3.3.1车检测电路......................................................15
3.3.2信号灯电路......................................................16
3.3.3时间显示电路....................................................16
3.3.4紧急转换电路....................................................18
第四章城市智能交通灯控制系统的软件设计...............................20
4.1交通灯的软件设计流程图............................................20
4.2控制器的软件设计..................................................20
4.2.1每秒钟的设定....................................................20
4.2.21秒的方法.......................................................21
4.2.3软件延时........................................................21
第五章系统分析及改进措施.............................................22
第一章绪论
1.1交通灯控制系统的研究现状
在今天,红绿灯安装在各个道口上,已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段。
但这一技术在19世纪就已出现了。
1858年,在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红,蓝两色的机械扳手式信号灯,用以指挥马车通行。
这是世界上最早的交通信号灯。
1868年,英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上,安装了世界上最早的煤气红绿灯。
它由红绿两色旋转式方形玻璃提灯组成,红色表示“停止”,绿色表示“注意”。
1869年1月2日,煤气灯爆炸,使警察受伤,遂被取消。
1914年,电气启动的红绿灯出现在美国。
这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成,安装在纽约市5号大街的一座高塔上。
红灯亮表示“停止”,绿灯亮表示“通行”。
而中国最早的马路交通灯却是诞生于1928年的上海英租界。
从最早的手牵皮带到20世纪50年代的电气控制,从采用计算机控制到现代化的电子定时监控,交通信号灯在科学化、自动化上不断地更新、发展和完善。
但是,随着社会的不断进步,传统的交通灯的缺陷也日益出现,其中设计过于死板,达不到道路的最大通行效率是最明显的问题,红绿灯交替变换时间过于程式化。
随着我国经济的高速发展,人们对各种交通车辆的需求量不断增大,城市的交通拥护问题日益严重,目前,大部分城市的十字路口的交通控制灯,通常的做法是:
事先经过车辆流量的调查,利用传统的方法设计好红绿灯的延时,然而,实际上的车流量是不断变化的,有的路口在不同的时间段车流量的大小甚至有很大的差异,所以说,统计的方法己不能适应迅速发展的交通现状。
1.2基于单片机的智能交通灯控制系统设计的意义
国内的交通灯一般设在十字路门,在醒目位置用红、绿、黄三种颜色的指示灯。
加上一个倒计时的显示计时器来控制行车。
对于一般情况下的安全行车,车辆分流尚能发挥作用,但根据实际行车过程中出现的情况,还存在以下缺点:
1.两车道的车辆轮流放行时间相同且固定,在十字路口,经常一个车道为主干道,车辆较多,放行时间应该长些;另一车道为副干道,车辆较少,放行时间应该短些。
2.没有考虑紧急车通过时,两车道应采取的措施,臂如,消防车执行紧急任务通过时,两车道的车都应停止,让紧急车通过。
基于传统交通灯控制系统设计过于死板,红绿灯交替是间过于程式化的缺点,智能交通灯控制系统的设计就更显示出了它的研究意义,它能根据道路交通拥护
交叉路口经常出现拥堵的情况。
利用单片机控制技术.提出了软件和硬件设计方案,能够实现道路的最大通行效率。
1.3智能交通灯控制系统设计实现的功能
智能的交通信号灯指挥着人和各种车辆的安全运行,实现红、黄、绿灯的自动指挥是城乡交通管理现代化的重要课题.在城乡街道的十字交叉路口,为了保证交通秩序和行人安全,一般在每条道路上各有一组红、黄、绿交通信号灯,其中红灯亮,表示该条道路禁止通行;黄灯亮,表示该条道路上未过停车线的车辆停止通行,已过停车线的车辆继续通行;绿灯亮,表示该条道路允许通行.交通灯控制电路自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换,指挥各种车辆和行人安全通行,实现十字路口城乡交通管理自动化。
1.4本论文主要工作
本论文为了实现交通道路的管理,力求交通管理先进性、科学化.分析应用了单片机实现智能交通灯管制的控制系统,以及该系统软、硬件设计方法,实验证明该系统实现简单、经济,能够有效地疏导交通,提高交通路口的通行能力.
首先对智能交通灯的研究意义和智能交通灯的研究现状进行了分析,指出了现状交通灯存在的缺点,并提出了改进方法。
智能交通灯控制系统通常要实现自动控制和在紧急情况下能够手动切换信号灯让特殊车辆优先通行。
本文还对AT89S51单片机的结构特点和重要引脚功能进行了介绍,同时对智能交通灯控制系统的设计进行了详细的分析。
第二章智能交通灯控制系统的相关设计
2.1智能交通灯控制系统规划
我们将系统设计成可分离单独工作的主控制机与客户端的形式,但是和传统的C/S模式不一样的是,每个终端机可以脱离主控制机而独立工作。
即使主控制机停止工作,或者由于某种原因不能正常工作,各终端机也可以照常稳定的工作。
各个终端机负责管理路口的多个信号灯。
为了方便我们称主控制机为主系统,各个终端机称为子系统。
控制系统的总框图如图2-1示
远程主系统计算机
路口子系统
路口子系统
路口子系统
……………
A干道交通信号灯
B干道交通信号灯
B干道交通信号灯
A干道交通信号灯
图2-1总框图
2.2智能交通灯的选择方案
目前设计交通灯的方案有很多,有应用CPLD设计实现交通信号灯控制器方法;有应用PLC实现对交通灯控制系统的设计;有应用单片机实现对交通信号灯设计的方法。
目前,国内的交通灯一般设在十字路门,在醒目位置用红、绿、黄三种颜色的指示灯。
加上一个倒计时的显示计时器来控制行车。
对于一般情况下的安全行车,车辆分流尚能发挥作用,但根据实际行车过程中出现的情况,还存在以下缺点:
1.两车道的车辆轮流放行时间相同且固定,在十字路口,经常一个车道为主干道,车辆较多,放行时间应该长些;另一车道为副干道,车辆较少,放行时间应该短些。
2.没有考虑紧急车通过时,两车道应采取的措施,臂如,消防车执行紧急任务通过时,两车道的车都应停止,让紧急车通过。
2.3智能交通灯控制系统设计原理
本设计中车辆检测电路中用到了模糊控制原理,模糊控制原理简单的说即是亦此亦彼的模糊逻辑,模糊逻辑不是二者逻辑——非此即彼的推理,它也不是传统意义的多值逻辑,而是在承认事物隶属真值中间过渡性的同时,还认为事物在形态和类属方面具有亦此亦彼性。
模棱两可性——模糊性。
正因如此,模糊计算可以处理不精确的模糊输入信息,可以有效降低感官灵敏度和精确度的要求,而且所需要存储空间少,能够抓住信息处理的主要矛盾,保证信息处理的实时性。
多功能性和满意性。
美国加州大学L.A.Zadeh博士于1965年发表了关于模糊集的论文,首次提出了表达事物模糊性的重要概念——隶属函数。
这篇论文把元素对集的隶属度从原来的非0即1推广到可以取区间【0,1】的任何值,这样用隶属度定量地描述论域中元素符合论域概念的程度,就实现了对普通集合的扩展,从而可以用隶属函数表示模糊集。
模糊集理论构成了模糊计算系统的基础,人们在此基础上把人工智能中关于知识表示和推理的方法引入进来,或者说把模糊集理论用到知识工程中去就形成了模糊逻辑和模糊推理;为了克服这些模糊系统知识获取的不足及学习能力低下的缺点,又把神经计算加入到这些模糊系统中,形成了模糊神经系统。
这些研究都成为人工智能研究的热点,因为它们表现出了许多领域专家才具有的能力。
同时,这些模糊系统在计算形式上一般都以数值计算为主,也通常被人们归为软计算。
智能计算的范畴。
模糊计算在应用上可是一点都不含糊,其应用范围非常广泛,它在家电产品中的应用已被人们所接受,例如,模糊洗衣机。
模糊冰箱。
模糊相机等。
另外,在专家系统。
智能控制等许多系统中,模糊计算也都大显身手。
究其原因,就在于它的工作方式与人类的认知过程是极为相似的。
在这里,笔者结合自己的研究实践,以一个建筑结构选型的专家系统为例,说明模糊推理系统是如何模仿领域专家的思维进行工作的,其中所用到的步骤。
计算过程在其他模糊系统中也具有典型的代表性。
2.4智能交通灯控制系统设计实现的功能
智能的交通信号灯指挥着人和各种车辆的安全运行,实现红、黄、绿灯的自动指挥是城乡交通管理现代化的重要课题.在城乡街道的十字交叉路口,为了保证交通秩序和行人安全,一般在每条道路上各有一组红、黄、绿交通信号灯,其中红灯亮,表示该条道路禁止通行;黄灯亮,表示该条道路上未过停车线的车辆停止通行,已过停车线的车辆继续通行;绿灯亮,表示该条道路允许通行.交通灯控制电路自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换,指挥各种车辆和行人安全通行,实现十字路口城乡交通管理自动化。
在传统交通灯控制系统的基础上,智能交通灯控制系统实现以下功能:
1)设计一个十字路口的交通灯控制电路,要求南北方向和东西方向两个交叉路口的车辆交替运行,两个方向能根据车流量大小自动调节通行时间,车流量大,通行时间长,车流量小,通行时间短
2)每次绿灯变红灯时,要求黄灯先亮5S,才能变换运行车辆.
3)东西方向、南北方向车道除了有红、黄、绿灯指示外,每一种灯亮的时间都用数码管显示器进行显示(采用倒计时的方法)。
4)同步设置人行横道红、绿灯指示。
5)考虑到特殊车辆情况,设置紧急转换开头。
由于AT89C51单片机自单带有2计数器,6个中断源,能满足系统的设计要求。
用单片机设计不但设计简单,而且成本低,用其设计的交通灯也满足了要求,所以本文采用单片机设计交通灯。
第三章智能交通灯控制系统的硬件设计
3.1AT89S51单片机简介
AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内含4kbytes的可系统编程的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准8051指令系统及引脚。
它集Flash程序存储器既可在线编程(ISP)也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中,ATMEL公司的功能强大,低价位AT89S51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合,可灵活应用于各种控制领域。
3.1.1AT89S51单片机的主要性能参数
与单片机产品兼容8K字节在系统可编程Flash存储器、1000次擦写周期、全静态操作:
0Hz~33Hz、三级加密程序存储器、32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器八个中断源、全双工UART串行通道低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符。
3.1.2AT89S51芯片内部结构简介
·中央处理器:
中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件,是8位数据宽度的处理器,能处理8位二进制数据或代码,CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作,完成运算和控制输入输出功能等操作。
·数据存储器(内部RAM):
数据存储器用于存放变化的数据。
AT89S51中数据存储器的地址空间为256个RAM单元,但其中能作为数据存储器供用户使用的仅有前面128个,后128个被专用寄存器占用。
·程序存储器(内部ROM):
程序存储器用于存放程序和固定不变的常数等。
通常采用只读存储器,且其又多种类型,在89系列单片机中全部采用闪存。
AT89S51内部配置了4KB闪存。
·定时/计数器(ROM):
定时/计数器用于实现定时和计数功能。
AT89S51共有2个16位定时/计数器。
·并行输入输出(I/O)口:
8051共有4组8位I/O口(P0、P1、P2或P3),用于对外部数据的传输。
每个口都由1个锁存器和一个驱动器组成。
它们主要用于实现与外部设备中数据的并行输入与输出,有些I/O口还有其他功能。
·全双工串行口:
A89S51内置一个全双工串行通信口,用于与其它设备间的串行数据传送,该串行口既可以用作异步通信收发器,也可以当同步移位器使用。
·时钟电路:
时钟电路的作用是产生单片机工作所需要的时钟脉冲序列。
·中断系统:
中断系统的作用主要是对外部或内部的终端请求进行管理与处理。
AT89S51共有5个中断源,其中又2个外部中断源和3个内部中断源。
图一:
AT89S51系列单片机的内部结构示意图
3.1.3主要引脚功能
图三:
AT89S51引脚图
VCC:
电源电压
·GND:
地
·P0口:
P0口是一组8位漏极开路型双向I/0口,也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时,每位能驱动8个TTL逻辑门电路,对端口写“l”可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。
·P1口:
Pl是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,Pl的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口写“l”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。
作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。
Flash编程和程序校验期间,Pl接收低8位地址。
表1:
具有第二功能的P1口引脚
端口引脚
第二功能:
P1.5
MOSI(用于ISP编程)
P1.6
MOSI(用于ISP编程)
P1.7
MOSI(用于ISP编程)
·P2口:
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口,作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时
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