寧雪輝,段元梅

(湖南科技學院 智能制造學院,湖南 永州 425199)

1 背景及意義

交通信號控制機是城市交通控制調節(jié)的重要指揮管理系統(tǒng),它承載著維持城市道路交通秩序,緩解交通擁堵的重任[1-2]。在傳統(tǒng)的紅綠燈配時方案不能解決城市交通擁堵的形勢下,智能化信號控制器正為解決未來交通擁堵提供更多科學的解決方案[3]。

2 需求分析

2.1 設計的基本要求

基于單片機設計一個十字路口交通燈控制系統(tǒng),用于模擬道路十字路口交通燈實際運行的場景。東西向、南北向依次進行周期通行。默認設置為東西向直行(綠燈)時間30秒,左轉(藍燈)時間15秒,南北向直行(綠燈)時間20秒,左轉(藍燈)時間10秒。每次直行(綠燈)變左轉(藍燈)和左轉(藍燈)變停車(紅燈)前,黃燈需先閃爍3秒,此3秒時長包含在上述直行和左轉時間內。通過控制臺按鍵實現對十字路口進行交通管制的功能,通過控制臺按鍵實現對十字路口各方向的通行時間進行設置的功能[4]。

2.2 功能說明

整個十字路口由東西向道路和南北向道路垂直交叉形成,可采用“上北下南,左西右東”的慣例進行構圖。每個方向都有一組4色的LED燈來控制交通的流向和節(jié)奏。流向也即方向,通過不同LED燈顏色進行表征:紅燈停,綠燈行,黃燈等一等,這里左轉可用藍燈表示;節(jié)奏通過倒計時時間進行控制,該時間的時基由單片機的定時器提供。十字路口的倒計時時間分別通過4個2位的七段共陰極數碼管顯示。綠燈點亮道路上的數碼管顯示的數字是該道路所剩余的可通行時間,紅燈點亮道路上的數碼管顯示的數字是該道路所剩余的禁行時間,此處需要注意區(qū)分兩者不同的物理含義。系統(tǒng)上電后,默認運行在“正常模式”下。此時南北向綠燈點亮,允許直行;東西向紅燈點亮,禁止直行和左轉。

3 系統(tǒng)設計與實現

3.1 系統(tǒng)架構

整個架構主要由4個部分組成。分別是MCU單片機控制模塊、按鍵輸入掃描模塊、數碼管顯示模塊和交通燈顯示模塊。按鍵、數碼管和LED燈都是典型的人機交互的元器件,按鍵用于接收命令,數碼管和LED燈用于反饋信號和狀態(tài)。數據流向也是單向的,由左至右。

3.2 運行模式

對照日常生活,交通燈運行的模式如下?！罢ＤＪ健?模擬十字路口正常運行的場景,交通燈按正常的順序進行周期循環(huán);“夜間模式”:模擬十字路口夜間運行的場景,東西向和南北向的黃燈同時閃爍;“緊急模式”:模擬十字路口進入緊急情況下的場景(救護車、消防車通過等),東西向和南北向的紅燈全部點亮;“強制東西向通行模式”:強制東西向通行,南北向停車等待。“強制南北向通行模式”:強制南北向通行,東西向停車等待。

3.3 “正常模式”下狀態(tài)遷移之狀態(tài)機

不同國家、不同城市、不同十字路口都有不同的狀態(tài)設置。有的路口是先直行再左轉,有的路口是先允許左轉再允許直行,有的路口壓根就沒有專門的左轉燈,有的路口有人行道指示燈,而有的沒有。所謂千人千面,五官各不相同,但確有一個共性,就是都有五官。狀態(tài)機的思路可以很好地解決這個問題。表1是“正常模式”下狀態(tài)遷移之矩陣表。1-表征對應顏色交通燈點亮;0-表征對應顏色交通燈熄滅;1/0-表征對應顏色交通燈閃爍;藍色燈-表征對應道路左轉狀態(tài)。

表1 “正常模式”下狀態(tài)遷移之矩陣

3.4 信號燈倒計時器

信號燈倒計時器分為學習型倒計時器和通訊型倒計時器兩種。學習型倒計時器正逐步退出歷史舞臺,代之而起的是通訊型倒計時。在使用信號智能控制功能時,如平峰高峰轉換、步進、交通管制等,由于實時調整信號配時,會使倒計時產生“跳秒現象”。為了解決這個問題,可以選擇不使用倒計時,也可以選擇使用采用倒9秒計時器。倒9秒計時器原理是這樣的:比如一個綠燈的時間是20秒,到第11秒的時候,系統(tǒng)就會判斷一次,這個方向的綠燈是否需要延時。如果不需要,就開始進行最后9秒的倒計時;如果需要,就不啟動倒計時,而進入延時狀態(tài),到最后9秒的時候,系統(tǒng)會再次進行判斷。9秒實際上就是這個系統(tǒng)的最短綠燈時間。當然,系統(tǒng)中也會設定最長的綠燈時間,延時幾次之后,就必須要強制切換紅燈了,否則另一個方向就會很難受。

3.5 仿真電路圖

因為本文設計更側重功能的實現,對于硬件電路的設計要求不是太高,達到能用的標準方可。單片機P0一定要加上拉電阻,因為P0口內部為開集電極輸出,無法輸出高電平,只有加了上拉電阻,P0口才能輸出高電平。數碼管的驅動一定要加限流電阻。雖然在Proteus中仿真不加,問題也不大,但是實際產品肯定是不允許的,而且也無法工作。LED燈驅動一定要加限流電阻。如果不加限流電阻,單片機會工作異常,因為單片機引腳的驅動電流的能力是有限制的,超出則正常功能無法保證,甚至燒壞單片機。LED燈不建議直接并聯使用。雖然LED燈具有正向單調的伏安特性曲線,但是它的溫度系數卻是負向的,不利于均流。按鍵模塊采用的是普通的點對點的結構,但設計中也可采用矩陣式按鍵,使用者可以自行發(fā)揮。當前的設計,單片機引腳基本被全部分配用完,沒有冗余。對于實物產品的開發(fā)這是不被允許的,因為過于捉襟見肘的單片機資源完全不利于產品后期的功能升級和延展。如果單片機引腳緊張,除可以采用矩陣式鍵盤節(jié)省引腳外,也可以采用數字鎖存器或者譯碼器對引腳進行擴展使用。

4 結語

本文主要目的是設計實現一個基于單片機的十字路口交通信號控制系統(tǒng)。經過前期對相關文獻的查閱及相關技術的學習,最終完成了一個能夠很好控制的十字路口交通信號控制系統(tǒng)。