基于單片機的智能交通燈控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計

何玲，吳恒玉，唐民麗

（海南軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，海南 瓊海 571400）

隨著社會經(jīng)濟快速發(fā)展，汽車數(shù)量的急劇增加，給城市交通帶來了極大的壓力。特別是在上下班高峰期，巨大的車流量使得道路擁擠，造成了不必要的時間浪費與經(jīng)濟損失。所以設(shè)計可靠、安全、便捷的智能交通燈控制系統(tǒng)有極大的現(xiàn)實必要性。正在使用的交通控制系統(tǒng)主要有兩個缺陷：1）車道放行車輛時，時間設(shè)定相同且固定，十字路口經(jīng)常出現(xiàn)主車道車輛多，放行時間短，車流無法在規(guī)定時間內(nèi)通過，而副車道車輛少，放行時間明顯過長；2）未考慮急車強通。由于交通信號燈控制系統(tǒng)缺乏有效的應(yīng)急措施，導(dǎo)致十字路口交通受阻，造成不必要的經(jīng)濟損失。

本系統(tǒng)利用AT89C51單片機[1]，實現(xiàn)了根據(jù)區(qū)域車流量、紅外檢測或人為操作進(jìn)行十字路口交通信號燈智能控制[2]，并在軟硬件方面采取一些改進(jìn)措施，實現(xiàn)了根據(jù)十字路口車流檢測量進(jìn)行交通信號燈智能控制，并且可以使用緊急按鍵使兩路口都為紅燈，讓緊急車輛通過后再恢復(fù)正常通車。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、成本低、實時性好、安裝維護(hù)方便，并且具有良好的擴展完善特點，有廣泛的應(yīng)用前景。

1 總體方案設(shè)計

文中是采用了以AT89C51單片機為核心的控制方案。方案中通過車流量檢測電路檢測東西方向和南北方向的車流量大小，東西、南北兩干道交于一個十字路口，各干道有一組紅、黃、綠3色的指示燈，指揮車輛安全通行。實現(xiàn)本設(shè)計要求的具體功能，可以選用AT89C51單片機及外圍器件構(gòu)成最小控制系統(tǒng)，20個發(fā)光二極管分為2組:東西南北兩個路口車行道的紅、綠、黃以及人行道的紅、綠燈構(gòu)成信號燈指示模塊，4個LED東西南北各兩個構(gòu)成倒計時顯示模塊，車流量檢測傳感器采集流量數(shù)據(jù)，光敏傳感器捕獲違規(guī)信號，若干按鍵組成時間設(shè)置和模式選擇按鈕和緊急按鈕等，以及用1個蜂鳴器進(jìn)行報警。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體框圖Fig.1 System block diagram

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

本系統(tǒng)以單片機為核心，組成一個集車流量采集、處理、自動控制為一身的閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件電路由車流量檢測電路、單片機、違規(guī)檢測電路，交通信號燈，LED顯示，按鍵，蜂鳴器組成。

2.1 車流量檢測電路

在每車道車輛等待線的前方和后方都安裝一個地質(zhì)線圈，當(dāng)車輛通過該線圈或者停在該線圈上時，車輛本身上的鐵質(zhì)將會改變線圈內(nèi)的磁通量，引起線圈回路電感量的變化，根據(jù)監(jiān)測到的電感量引起的電流變化，通過檢測放大電路的處理，最終實時顯示有無車輛通過，并可以累計某段時間內(nèi)車流量的大小[3]。

2.2 違規(guī)檢測電路及模擬

在紅燈和黃燈期間，車輛是禁行的，為了對那些違反規(guī)則的車輛進(jìn)行檢測，可使用超聲波車輛傳感器。但是，用于受到條件的限制，本系統(tǒng)設(shè)計中只是使用了普通光敏二極管。

其基本設(shè)計思想是：將光敏二極管放在停車線上，當(dāng)車輛行駛過將光敏二極管遮住，這樣，光敏二極管就不導(dǎo)通，單片機檢測到這一信號執(zhí)行警報操作。違規(guī)檢測電路如圖2所示。

圖2 違規(guī)檢測電路Fig.2 Traffic violation detection circuit

但是除了使用光敏二極管，還需使用三極管，三極管的型號是9031。由于普通光敏二極管的開關(guān)特性不太好，所以設(shè)計在電路中加入了三極管作為開關(guān)。由于普通光敏二極管在導(dǎo)通的情況下的電阻都能達(dá)到0.5～1 kΩ，所以在設(shè)計中將光敏二極管直接連到了電源上。同時三極管還可以起到一定的隔直作用。當(dāng)光敏二極管關(guān)閉時，三極管的基極為低電平，基極與發(fā)射基之間的電壓為零，三極管關(guān)斷，檢測口的電壓為高電平。同理，當(dāng)光敏二極管導(dǎo)通時，三極管的基極電壓為高，基極與發(fā)射極之間的電平為高，三極管導(dǎo)通，檢測口的電壓為低電平?；诖司涂梢詸z測是否有違規(guī)車輛了。

2.3 電源電路

電源采用輸出為+5 V直流電壓的穩(wěn)壓電源電路[4]。IC采用集成穩(wěn)壓器7805三端穩(wěn)壓器。當(dāng)輸出電流較大時，7805應(yīng)配上散熱板。C3為輸入端濾波電容，C5為輸出端濾波電容，如圖3所示。本系統(tǒng)采用220 V交流電電源，經(jīng)過5 V適配器濾波后，在固定式三端穩(wěn)壓器LM7805的Vin和GND兩端形成一個并不十分穩(wěn)定的直流電壓（該電壓常常會因為市電電壓的波動或負(fù)載的變化等原因而發(fā)生變化）。此直流電壓經(jīng)過LM7805的穩(wěn)壓和電容的濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生了精度高、穩(wěn)定度好的直流輸出電壓。

圖3 電源電路Fig.3 Power supply circuit

2.4 紅綠燈顯示電路

交通燈最基本的功能是信號燈的顯示，每個路口均需紅、黃、綠燈各一盞。20個發(fā)光二極管分為2組:東西南北兩個路口車行道的紅、綠、黃以及人行道的紅、綠燈構(gòu)成信號燈指示模塊.本系統(tǒng)選用P0口作為輸出LED數(shù)碼管的段選信號；P1口作為東西、南北方向的車行道信號燈的控制信號；P2口作為人行道信號燈的控制信號以及數(shù)碼管的位選信號，紅綠燈與單片連接如圖4所示。

圖4 紅綠燈與單片機接線圖Fig.4 Connection of red/green light to MCU

2.5 倒計時顯示電路

倒計時顯示系統(tǒng)的主要功能是對紅、黃、綠燈的延時時間進(jìn)行倒計時，給車輛駕駛員以提示。這里使用共陰極的7段數(shù)碼管作為顯示設(shè)備，各個路口上兩個數(shù)碼管，一個顯示十位，一個顯示個位采用動態(tài)掃描方式[5]。文中時間的倒計時是通過軟件來實行的，將在軟件部分進(jìn)行具體的說明。

2.6 蜂鳴器電路

本設(shè)計采用一般蜂鳴器，蜂鳴器使用PNP三極管進(jìn)行驅(qū)動控制，當(dāng)連接到單片機上的引腳輸出為低電平，PNP導(dǎo)通，蜂鳴器蜂鳴；當(dāng)連接到單片機上的引腳輸出高電平時，PNP截止，蜂鳴器停止蜂鳴，其連線圖如圖5所示。緊停按鍵和違規(guī)信號傳感器連接到外部中斷引腳INT1，P3.6捕獲到一個低電平，則進(jìn)入該中斷，中斷程序中先把蜂鳴器P3.7端口置0，啟動蜂鳴。并且等待恢復(fù)鍵S3鍵按下，然后關(guān)閉蜂鳴返回。

圖5 蜂鳴器連接圖Fig.5 Buzzer connection

2.7 按鍵控制電路

本設(shè)計設(shè)置了3個鍵：S1鍵，S2鍵，S3鍵。S1鍵設(shè)置系統(tǒng)的輸入模式，分紅綠燈時間自動和紅綠燈時間設(shè)置，S2鍵是緊停按鍵和違規(guī)信號，S3鍵是復(fù)位鍵。每個按鍵一端接地，另一端接上拉電阻。低電平有效，當(dāng)按鍵按下端口接地，單片機捕獲到低電平，從而知道相應(yīng)的輸入信息，如圖6所示。

3 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計

全部控制程序?qū)嶋H上分為若干模塊：鍵盤設(shè)置處理程序，紅綠燈控制程序，LED顯示程序，消抖動延時程序，次狀態(tài)判斷及處理程序，緊?；蜻`規(guī)判斷程序，中斷服務(wù)子程序，車流量計數(shù)程序，紅綠燈時間調(diào)整程序等。

圖6 按鍵示意圖Fig.6 Diagram of buttons

3.1 延時子程序

單片機的1秒鐘延時可以有兩種方法[6]，一種是利用AT89C51單片機內(nèi)部定時器溢出中斷來確定1 s的時間；另一種是采用軟件延時來確定1 s的時間。

3.2 數(shù)碼管倒計時顯示子程序

數(shù)碼管倒計時顯示程序如下：

3.3 緊急車輛子程序

本設(shè)計用到兩個中斷服務(wù)例程：INT0、T0。其中INT0實現(xiàn)緊急車通行時，東西南北各個路口都亮紅燈；T0在執(zhí)行倒計時子程序的同時，實現(xiàn)數(shù)碼管精確倒計時。

1）緊急車中斷服務(wù)例程的設(shè)計。緊急車中斷服務(wù)例程流程圖如圖7所示。

2）定時器T0中斷服務(wù)例程的設(shè)計

本系統(tǒng)計數(shù)器/定時器0采用工作方式1，計數(shù)初值后，將初值轉(zhuǎn)換成16進(jìn)制數(shù)，高8位裝入TH0中，低8位裝入TL0中。定時器T0中斷服務(wù)例程流程圖如圖8所示。

4 結(jié)束語

圖7 緊急車中斷服務(wù)流程圖Fig.7 Emergency car interrupt program

圖8 定時器T0中斷服務(wù)流程圖Fig.8 Timer T0 interrupt program

本系統(tǒng)采用了單片機作為核心控制器，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，并且系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)方便。另外，本系統(tǒng)由于采用了車流量檢測系統(tǒng)，紅綠燈的顯示時間是動態(tài)的，使十字路口更加暢通，避免了現(xiàn)有的交通燈系統(tǒng)的紅綠燈顯示時間固定所帶來的不便；還引用了外部中斷技術(shù)，使緊急車輛得以計時順利通過。而且，本系統(tǒng)中的交通燈可用型號較大的指示燈，傳感器在實際中也很容易實現(xiàn)。本系統(tǒng)今后還要進(jìn)一步完善，增加更強的功能。

[1]孫育才.MCS-51系列單片微型計算機及其應(yīng)用[M].南京：東南大學(xué)出版社，2004：78-91.

[2]林軍.用單片機控制的交通信號燈 [J].電腦學(xué)習(xí)，2001，8（4）:25-28.LIN Jun.Traffic signal lights controlled by MCU[J].Computer Study，2001，8（4）:25-28.

[3]李寧.一種感應(yīng)線圈車輛檢測器的抗干擾方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2001（12）:74-75.LI Ning.An induction loop vehicle detector interference method[J].Modern ElectronicsTechnique，2001（12）:74-75.

[4]樓然苗，李光飛.單片機課程設(shè)計指導(dǎo)[M].北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2007：115-130.

[5]余錫存，曹國華.單片機原理及接口技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2000：74-88.

[6]丁向榮，賈平.單片機應(yīng)用系統(tǒng)與開發(fā)技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009，117-142.