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(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，汽車(chē)數(shù)量的急劇增加，給城市交通帶來(lái)了極大的壓力。特別是在上下班高峰期，巨大的車(chē)流量使得道路擁擠，造成了不必要的時(shí)間浪費(fèi)與經(jīng)濟(jì)損失。所以設(shè)計(jì)可靠、安全、便捷的智能交通燈控制系統(tǒng)有極大的現(xiàn)實(shí)必要性。正在使用的交通控制系統(tǒng)主要有兩個(gè)缺陷：1）車(chē)道放行車(chē)輛時(shí)，時(shí)間設(shè)定相同且固定，十字路口經(jīng)常出現(xiàn)主車(chē)道車(chē)輛多，放行時(shí)間短，車(chē)流無(wú)法在規(guī)定時(shí)間內(nèi)通過(guò)，而副車(chē)道車(chē)輛少，放行時(shí)間明顯過(guò)長(zhǎng)；2）未考慮急車(chē)強(qiáng)通。由于交通信號(hào)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(jì)損失。

本系統(tǒng)利用AT89C51單片機(jī)[1]，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)區(qū)域車(chē)流量、紅外檢測(cè)或人為操作進(jìn)行十字路口交通信號(hào)燈智能控制[2]，并在軟硬件方面采取一些改進(jìn)措施，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)十字路口車(chē)流檢測(cè)量進(jìn)行交通信號(hào)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(chē)輛通過(guò)后再恢復(fù)正常通車(chē)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低、實(shí)時(shí)性好、安裝維護(hù)方便，并且具有良好的擴(kuò)展完善特點(diǎn)，有廣泛的應(yīng)用前景。

1 總體方案設(shè)計(jì)

文中是采用了以AT89C51單片機(jī)為核心的控制方案。方案中通過(guò)車(chē)流量檢測(cè)電路檢測(cè)東西方向和南北方向的車(chē)流量大小，東西、南北兩干道交于一個(gè)十字路口，各干道有一組紅、黃、綠3色的指示燈，指揮車(chē)輛安全通行。實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)要求的具體功能，可以選用AT89C51單片機(jī)及外圍器件構(gòu)成最小控制系統(tǒng)，20個(gè)發(fā)光二極管分為2組:東西南北兩個(gè)路口車(chē)行道的紅、綠、黃以及人行道的紅、綠燈構(gòu)成信號(hào)燈指示模塊，4個(gè)LED東西南北各兩個(gè)構(gòu)成倒計(jì)時(shí)顯示模塊，車(chē)流量檢測(cè)傳感器采集流量數(shù)據(jù)，光敏傳感器捕獲違規(guī)信號(hào)，若干按鍵組成時(shí)間設(shè)置和模式選擇按鈕和緊急按鈕等，以及用1個(gè)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)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(jì)

本系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，組成一個(gè)集車(chē)流量采集、處理、自動(dòng)控制為一身的閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件電路由車(chē)流量檢測(cè)電路、單片機(jī)、違規(guī)檢測(cè)電路，交通信號(hào)燈，LED顯示，按鍵，蜂鳴器組成。

2.1 車(chē)流量檢測(cè)電路

在每車(chē)道車(chē)輛等待線的前方和后方都安裝一個(gè)地質(zhì)線圈，當(dāng)車(chē)輛通過(guò)該線圈或者停在該線圈上時(shí)，車(chē)輛本身上的鐵質(zhì)將會(huì)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(cè)到的電感量引起的電流變化，通過(guò)檢測(cè)放大電路的處理，最終實(shí)時(shí)顯示有無(wú)車(chē)輛通過(guò)，并可以累計(jì)某段時(shí)間內(nèi)車(chē)流量的大小[3]。

2.2 違規(guī)檢測(cè)電路及模擬

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

其基本設(shè)計(jì)思想是：將光敏二極管放在停車(chē)線上，當(dāng)車(chē)輛行駛過(guò)將光敏二極管遮住，這樣，光敏二極管就不導(dǎo)通，單片機(jī)檢測(cè)到這一信號(hào)執(zhí)行警報(bào)操作。違規(guī)檢測(cè)電路如圖2所示。

圖2 違規(guī)檢測(cè)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(hào)是9031。由于普通光敏二極管的開(kāi)關(guān)特性不太好，所以設(shè)計(jì)在電路中加入了三極管作為開(kāi)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(jì)中將光敏二極管直接連到了電源上。同時(shí)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(shí)，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(cè)口的電壓為高電平。同理，當(dāng)光敏二極管導(dǎo)通時(shí)，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(cè)口的電壓為低電平。基于此就可以檢測(cè)是否有違規(guī)車(chē)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(shí)，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(guò)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(gè)并不十分穩(wěn)定的直流電壓（該電壓常常會(huì)因?yàn)槭须婋妷旱牟▌?dòng)或負(fù)載的變化等原因而發(fā)生變化）。此直流電壓經(jīng)過(guò)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(hào)燈的顯示，每個(gè)路口均需紅、黃、綠燈各一盞。20個(gè)發(fā)光二極管分為2組:東西南北兩個(gè)路口車(chē)行道的紅、綠、黃以及人行道的紅、綠燈構(gòu)成信號(hào)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(hào)；P1口作為東西、南北方向的車(chē)行道信號(hào)燈的控制信號(hào)；P2口作為人行道信號(hào)燈的控制信號(hào)以及數(shù)碼管的位選信號(hào)，紅綠燈與單片連接如圖4所示。

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

2.5 倒計(jì)時(shí)顯示電路

倒計(jì)時(shí)顯示系統(tǒng)的主要功能是對(duì)紅、黃、綠燈的延時(shí)時(shí)間進(jìn)行倒計(jì)時(shí)，給車(chē)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(gè)路口上兩個(gè)數(shù)碼管，一個(gè)顯示十位，一個(gè)顯示個(gè)位采用動(dòng)態(tài)掃描方式[5]。文中時(shí)間的倒計(jì)時(shí)是通過(guò)軟件來(lái)實(shí)行的，將在軟件部分進(jìn)行具體的說(shuō)明。

2.6 蜂鳴器電路

本設(shè)計(jì)采用一般蜂鳴器，蜂鳴器使用PNP三極管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，當(dāng)連接到單片機(jī)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(jī)上的引腳輸出高電平時(shí)，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(hào)傳感器連接到外部中斷引腳INT1，P3.6捕獲到一個(gè)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(dòng)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(jì)設(shè)置了3個(gè)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(shí)間自動(dòng)和紅綠燈時(shí)間設(shè)置，S2鍵是緊停按鍵和違規(guī)信號(hào)，S3鍵是復(fù)位鍵。每個(gè)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(jī)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(jì)

全部控制程序?qū)嶋H上分為若干模塊：鍵盤(pán)設(shè)置處理程序，紅綠燈控制程序，LED顯示程序，消抖動(dòng)延時(shí)程序，次狀態(tài)判斷及處理程序，緊停或違規(guī)判斷程序，中斷服務(wù)子程序，車(chē)流量計(jì)數(shù)程序，紅綠燈時(shí)間調(diào)整程序等。

圖6 按鍵示意圖Fig.6 Diagram of buttons

3.1 延時(shí)子程序

單片機(jī)的1秒鐘延時(shí)可以有兩種方法[6]，一種是利用AT89C51單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器溢出中斷來(lái)確定1 s的時(shí)間；另一種是采用軟件延時(shí)來(lái)確定1 s的時(shí)間。

3.2 數(shù)碼管倒計(jì)時(shí)顯示子程序

數(shù)碼管倒計(jì)時(shí)顯示程序如下：

3.3 緊急車(chē)輛子程序

本設(shè)計(jì)用到兩個(gè)中斷服務(wù)例程：INT0、T0。其中INT0實(shí)現(xiàn)緊急車(chē)通行時(shí)，東西南北各個(gè)路口都亮紅燈；T0在執(zhí)行倒計(jì)時(shí)子程序的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管精確倒計(jì)時(shí)。

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

2）定時(shí)器T0中斷服務(wù)例程的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)計(jì)數(shù)器/定時(shí)器0采用工作方式1，計(jì)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(shí)器T0中斷服務(wù)例程流程圖如圖8所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

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

圖8 定時(shí)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(jī)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(chē)流量檢測(cè)系統(tǒng)，紅綠燈的顯示時(shí)間是動(dòng)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(shí)間固定所帶來(lái)的不便；還引用了外部中斷技術(shù)，使緊急車(chē)輛得以計(jì)時(shí)順利通過(guò)。而且，本系統(tǒng)中的交通燈可用型號(hào)較大的指示燈，傳感器在實(shí)際中也很容易實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)今后還要進(jìn)一步完善，增加更強(qiáng)的功能。

[1]孫育才.MCS-51系列單片微型計(jì)算機(jī)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(jī)控制的交通信號(hào)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(chē)輛檢測(cè)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(jī)課程設(shè)計(jì)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?chē)?guó)華.單片機(jī)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(jī)應(yīng)用系統(tǒng)與開(kāi)發(fā)技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009，117-142.