高美蓉

(寶雞文理學院物理與光電技術(shù)學院，陜西 寶雞 721016)

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，據(jù)公安部交管局統(tǒng)計，截至2015年底，全國機動車保有量達2.79億輛，其中汽車1.72億輛；由于汽車數(shù)量的迅速增長，給人們的生產(chǎn)生活帶來便捷的同時，也帶來了交通擁堵和大氣污染等一系列的問題。原來只有在城市有堵車現(xiàn)象，現(xiàn)在高速公路經(jīng)常也會上演堵車大戲，原來只有在大城市堵車，現(xiàn)在中小城市也開始呈現(xiàn)出了極其嚴重的堵車現(xiàn)象，而且這種情況正在呈現(xiàn)出愈演愈烈之勢。城市道路交通擁堵問題成為社會關(guān)注的焦點，交通燈是管理交通的重要工具。傳統(tǒng)的交通燈雖然可以起到管理交通的作用，但隨著城市道路的建設和機動車保有量的增加，表現(xiàn)出一些不足[1-2]：(1)紅綠燈時間設定時主車道和副車道相同且固定，通常情況下在上下班高峰期時段，主車道由于車輛多，駕駛?cè)诵枰却龓讉€紅燈才能通過，而副車道車輛可以完全通過并且時間有空余。(2)缺乏應急措施，當有緊急情況出現(xiàn)時，應采取應急方案。例如特種車輛執(zhí)行緊急任務時，應該保證交通暢通無阻。針對以上問題，在傳統(tǒng)的交通燈的基礎(chǔ)上，提出智能交通的概念，在傳統(tǒng)交通燈的基礎(chǔ)上增加了以下功能： (1)通過車流量的檢測，自動調(diào)整主車道和副車道紅綠燈的時間。(2)增加了應急按鈕，當有特殊車輛執(zhí)行緊急任務時，通過應急按鈕保證特殊車輛通行。

1 系統(tǒng)設計

基于車流量的智能交通燈控制系統(tǒng)有以下幾個部分構(gòu)成：采用AT89C51單片機作為核心控制電路、利用對射式紅外線光電開關(guān)進行車流量的檢測電路，用LED燈分別作為東西南北各個路口的顯示電路、用兩位的數(shù)碼管作為東西南北各個路口的倒計時時間顯示電路、利用單片機的實時中斷完成特殊車輛通過的應急開關(guān)電路。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

利用對射式紅外光電開關(guān)進行主車道車流量的檢測，對射式紅外光電開關(guān)與單片機的外部計數(shù)端口T0連接。對射式光電開關(guān)由紅外發(fā)射器和接收器組成，紅外發(fā)射器發(fā)出紅外線，接收管接收到紅外線時送給單片機一個高電平信號，當有車輛通過時，接收管接收不到紅外線時，送給單片機一個低電平信號。通過外部計數(shù)端口T0送入單片機完成計數(shù)，單片機根據(jù)車流量的大小調(diào)整紅綠燈的顯示時間。設置按鍵，通過按鍵控制設置三種緊急狀況：東西通行、南北通行、東西南北都不通行。4組紅黃綠LED燈顯示紅黃綠燈的狀態(tài)，4組2位的數(shù)碼管顯示倒計時時間。東西方向、南北方向交通紅黃綠燈時長分配如表1所示[3]。

2 硬件電路設計

2.1 電源設計

本設計需要提供兩種穩(wěn)定電壓：一種為圖2所示，220 V電壓通過變壓器和整流濾波電路，再通過三端穩(wěn)壓器MC7805輸出+5V電壓給單片機供電；一種為圖3所示，220 V電壓通過變壓器和整流濾波電路，再通過三端穩(wěn)壓器MC7812輸出+12 V電壓給對射式紅外光電開關(guān)供電。

表1 紅黃綠燈時長分配表

圖2 +5 V三端穩(wěn)壓電源

圖3 +12 V三端穩(wěn)壓電源

2.2 最小系統(tǒng)電路

核心控制電路采用的是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機AT89C51[4-6]。由單片機、晶振電路和復位電路構(gòu)成了單片機最小系統(tǒng)。單片機最小系統(tǒng)指的是用最少的元件組成的單片機可以工作的系統(tǒng)。在單片機最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加外圍設備，例如：LED燈、數(shù)碼管、按鍵、紅外光電開關(guān)等。通過對單片機編程就可以實現(xiàn)智能交通燈的控制。

2.3 車流量檢測電路

采用對射式紅外線光電開關(guān)HJS18-M14DNK檢測車流量。對射式紅外線光電開關(guān)由紅外發(fā)射器和接收器組成，其工作原理是：紅外發(fā)射器發(fā)出紅外線信號，接收器接收到信號輸出高電平，接收器未接收到信號輸出低電平。當有車輛通過發(fā)射器與接收器之間時，阻擋了紅外線的接收，因此接收器輸出低電平。輸出信號與計數(shù)器1的外部輸入端P3.5相連，送入單片機。同時單片機T0口對其定時，在設置的一段時間內(nèi)(如1分鐘)，通過單片機定時器T0的溢出中斷，對輸入信號按照下降沿觸發(fā)方式進行計數(shù)，完成車流量的統(tǒng)計，根據(jù)車流量的大小轉(zhuǎn)去執(zhí)行相對應的程序。

2.4 紅綠燈顯示模塊

交通燈是由紅燈、黃燈、綠燈組成。紅燈亮表示禁止通行，綠燈亮表示允許通行，黃燈亮是綠燈過渡到紅燈的提示燈，表示已經(jīng)駛過安全線的車輛可以繼續(xù)通行，其余車輛禁止通行。本系統(tǒng)的設計中在東南西北四個路口各設置了一組紅綠燈。分別用紅色、黃色、綠色的LED燈表示。由于東西方向顯示一致，用P1.3控制東西方向的綠燈，P1.4控制東西方向的黃燈，P1.5控制東西方向的紅燈。南北方向顯示一致，P1.0控制南北方向的綠燈，P1.1控制南北方向的黃燈，P1.2控制南北方向的紅燈。輸出高電平時，指示燈亮。

2.5 倒計時時間顯示模塊

采用四個兩位的共陰極LED數(shù)碼管顯示東西南北方向的倒計時時間。用P0口的P0.0-P0.6控制四個數(shù)碼管的七段的狀態(tài)，南北方向的倒計時時間相同，用P2.0和P2.1連接南北方向LED燈的位選端，東西方向的倒計時時間相同，用P2.2和P2.3連接東西方向的LED燈的位選端。兩位的LED數(shù)碼管的顯示方式采用動態(tài)顯示。每一位LED數(shù)碼管通過位選端控制，一位一位地輪流點亮各位數(shù)碼管，使數(shù)碼管輪流導通顯示。采用循環(huán)掃描的方式，當掃描速度達到一定程度時，人眼就分辨不出來了。利用人眼的“視覺暫留"效應，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，人眼看到的就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，認為兩位的數(shù)碼管同時顯示。

2.6 應急開關(guān)模塊

設置應急開關(guān)按鈕，當有特殊車輛通過時，通過應急開關(guān)按鈕設置東西方向通行，南北方向禁止通行；東西方向禁止通行，南北方向通行；東西方向和南北方向都禁止通行。電路仿真測試中，可以用按鍵模擬車流量的輸入，紅綠燈的狀態(tài)用單片機控制，兩位的數(shù)碼管顯示倒計時的時間。智能交通控制系統(tǒng)電路圖如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件是在Keil C51的環(huán)境下完成程序設計，由主程序、控制子程序和中斷程序等部分組成。主程序完成對系統(tǒng)的初始化，然后進行連續(xù)按鍵掃描，流程圖如圖4所示。初始化函數(shù)包含液晶、定時器、外部中斷和串口中斷初始化以及打開總中斷、設置中斷優(yōu)先級等。

3.1 主程序流程圖

主程序開始先進行初始化，通過鍵盤掃描進行判斷有沒有緊急狀況，如果有緊急狀況或特殊車輛通過，轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應的程序：如果K3按下，東西南北方向都禁止通行；如果K2按下，南北方向禁止通行；如果K1按下，東西方向禁止通行。如果沒有特殊狀況，進行主車道車流量的檢測，如果每分鐘車流量大于30，東西方向綠燈延時20 s；如果每分鐘車流量大于20，東西方向綠燈延時10 s； 如果每分鐘車流量小于20，紅綠燈按照正常狀態(tài)變化。主程序流程圖如圖5所示。

圖4 智能交通控制系統(tǒng)電路圖

圖5 主程序流程圖

3.2 紅綠燈和時間顯示流程圖

圖6 紅綠燈運行狀態(tài)圖

紅綠燈運行狀態(tài)如圖6所示，正常狀態(tài)下，狀態(tài)1東西方向綠燈25 s，南北方向為紅燈30 s，當東西方向綠燈顯示時間減為零，變?yōu)闋顟B(tài)2東西方向變?yōu)辄S燈5 s倒計時，南北方向為紅燈5 s；當顯示時間減為零，變?yōu)闋顟B(tài)3東西方向變?yōu)榧t燈20 s倒計時，南北方向為綠燈15 s倒計時；當顯示南北方向為綠燈時間減為零，變?yōu)闋顟B(tài)4東西方向變?yōu)榧t燈5 s倒計時，南北方向為黃燈5 s倒計時，當顯示時間減為零，回到狀態(tài)1繼續(xù)執(zhí)行。倒計時時間顯示流程圖如圖7所示。

3.3 中斷程序流程

圖8 中斷程序流程圖

車流量監(jiān)測通過采用對射式紅外線光電開關(guān)，將信號送入單片機的計數(shù)器1的外部輸入端P3.5，同時定時/計數(shù)器0進行定時，將檢測到的1分鐘的計數(shù)值，送給車流量變量。主程序根據(jù)車流量變量的值執(zhí)行相應的程序。計數(shù)器1清0，開始重新進行計數(shù)。中斷程序流程如圖8所示。

4 結(jié)束語

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)試和維護方便。 另外，本系統(tǒng)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，大大提高了道路的利用效率[7]；還引用了外部中斷技術(shù)，使緊急車輛得以及時順利通過。 而且，本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、成本低、實時性好、安裝維護方便，傳感器在實際中也很容易實現(xiàn)。具有相對較強的應用價值,值得推廣使用。

[1] 竇廣健.基于車流量的智能交通燈控制系統(tǒng)[J].城市地理,2016,9(8)：194.

[2] 章偉,張代遠．基于車流量的交通燈控制系統(tǒng)設計[J]．計算機技術(shù)與發(fā)展,2015,25(5): 196-199.

[3] 諸一琦,程欽,吳丹程,等.基于車流量的智能交通控制系統(tǒng)設計[J]. 常州大學學報(自然科學版), 2013,25(4) ：83-87.

[4] 溫志達,梁桂榮,陳碧銘,等.基于車流量的智能交通燈控制系統(tǒng)[J]. 自動化技術(shù)與應用, 2009,28(6):115-118.

[5] 金茂菁.我國智能交通系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].交通信息與安全,2012,30(5)：1-5.

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[7] 何玲,吳恒玉,唐民麗.基于單片機的智能交通燈控制系統(tǒng)的研究與設計[J].電子設計工程,2011,19(22):144-146.