廣東省河源技師學(xué)院 吳清華

太陽能交通信號燈系統(tǒng)是一種將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的信號指示產(chǎn)品。它由太陽能電池組、太陽能控制器、免維護蓄電池、交通信號燈以及交通信號燈控制器等主要部件組成。與普通信號燈相比，太陽能交通信號燈更環(huán)保、節(jié)電，因具有蓄電功能，在安裝時不需要鋪設(shè)信號電纜，可以有效避免施工造成斷電等情況的發(fā)生，因此得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

1.系統(tǒng)設(shè)計方案

太陽能交通信號燈系統(tǒng)由太陽能電池、充放電控制器、蓄電池、交通信號燈、交通信號燈控制器等構(gòu)成。太陽能電池是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置，其作用是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，或送往蓄電池中存儲起來；太陽能控制器的作用是控制整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對蓄電池起到過充電保護、過放電保護的作用；蓄電池的作用是在有光照時將太陽能電池板所發(fā)出的電能儲存起來，到需要的時候再釋放出來；本系統(tǒng)中的交通信號燈采用耗電小、亮度高、體積小、重量輕、壽命長的LED(發(fā)光二極管)燈，更節(jié)能環(huán)保；太陽能交通信號燈控制器主要由單片機、場效應(yīng)管、三極管、數(shù)碼管、按鍵等部分組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 太陽能交通信號燈系統(tǒng)框圖

太陽能交通信號燈工作過程中，在太陽能電池控制器的作用下，太陽能電池給蓄電池充電，而蓄電池為太陽能交通信號燈控制器和信號燈提供工作電源。下面重點介紹太陽能交通信號燈系統(tǒng)核心部分控制電路的設(shè)計。

2.太陽能交通信號燈控制電路的設(shè)計

太陽能交通信號燈控制電路主要由電源電路、單片機最小系統(tǒng)、按鍵電路和驅(qū)動電路等組成，電路方框圖如圖2所示。

圖2 太陽能交通信號燈控制器電路方框圖

（1）電源電路

電源電路如圖3所示。該電路是在單片機系統(tǒng)中常用的穩(wěn)壓電源電路，電路中常用三端穩(wěn)壓器LM7805作為5V電源穩(wěn)壓元件，在穩(wěn)壓元件U2輸入輸出端分別接入100μF電解電容C21、C22用于濾波，輸出端接發(fā)光二極管D21作為電源指示燈，在限流電阻R21的作用下保持正常工作。

圖3 太陽能交通信號燈控制器電源電路

（2）單片機最小系統(tǒng)

單片機最小系統(tǒng)是指用最少元件來組成的單片機可以工作的系統(tǒng)，主要由電源、復(fù)位電路及時鐘電路組成，如圖4所示。

圖4 單片機最小系統(tǒng)

（3）按鍵電路

在本設(shè)計中由于按鍵不是太多，故采用獨立按鍵法，這樣可以減小編程的難度，圖5為本設(shè)計的按鍵接線圖。

圖5 獨立按鍵電路

（4）驅(qū)動電路

在整個系統(tǒng)驅(qū)動電路部分，主要考慮交通信號LED燈的驅(qū)動和雙位數(shù)碼管顯示驅(qū)動，在這里分別選用場效應(yīng)管K2645驅(qū)動電路和9012三極管驅(qū)動電路，如圖6所示。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計

交通信號控制系統(tǒng)設(shè)置在十字路口，負責(zé)東西及南北方向的車輛行駛交通信號指示。系統(tǒng)將東西方向的交通信號燈分為一組，而南北方向的交通信號燈為另一組。每組路口分別有三種信號燈：紅色信號燈禁止車輛通行，黃色信號燈警告通行車輛，綠色信號燈允許車輛通行。因此本系統(tǒng)的交通信號燈共有4種信號燈顯示狀態(tài)。該4種狀態(tài)如表1所示。

圖6 驅(qū)動電路

表1 交通燈的4種狀態(tài)狀態(tài)

當(dāng)太陽能交通信號燈控制系統(tǒng)工作時，系統(tǒng)默認設(shè)置南北方向通行綠燈10秒、黃燈5秒、紅燈25秒，東西方向通行綠燈20秒、黃燈5秒、紅燈15秒。然后交通信號燈進入工作狀態(tài)S1，即南北方向綠燈亮，東西方向紅燈亮，計時1 0秒；執(zhí)行完狀態(tài)S1后進入狀態(tài)S2，即南北方向黃燈亮，東西方紅燈亮，計時5秒；然后進入狀態(tài)S3，即東西方向綠燈亮，南北方向紅燈亮，計時20秒；最后進入狀態(tài)S4，即東西方向黃燈亮，南北方向紅燈亮，計時5秒，重復(fù)循環(huán)如上過程。系統(tǒng)的主程序流程圖如圖7所示。

圖7 太陽能交通信號燈的主程序流程圖

圖8 太陽能交通信號燈的仿真效果圖

4.系統(tǒng)仿真與調(diào)試

（1）系統(tǒng)仿真

仿真開始，南北路口為綠燈，數(shù)碼管從10開始倒計時，東西方向為紅燈，數(shù)碼管從15秒開始倒計時。仿真效果如圖8所示。

（2）系統(tǒng)調(diào)試

1）檢查電路是否正常

當(dāng)焊接完成一個電路時，首先要做的是檢查電路是否焊接的正確，有沒有出現(xiàn)短路或者是虛焊的情況，因為不管是誰都無法保證每次焊完電路都是百分之百成功的，只有經(jīng)過不斷的檢查與修改才能最終成功完成一個電路。

先把萬用表調(diào)到蜂鳴檔，如果電路短路，那么萬用表會發(fā)出警告聲。先檢測電源和地有沒有短路，單片機的20腳接地，40腳接電源。當(dāng)把紅黑表筆接到單片機的20腳和40腳的時候，萬用表沒有發(fā)出警告聲說明正常，沒有短路。然后檢查所有的電源或者所有的地是否已經(jīng)成功接上，如果萬用表發(fā)出警告聲說明電源或者地之間已經(jīng)確保成功接上，那么就可以接上電源。

當(dāng)按下開關(guān)之后，如果電路板沒有反應(yīng)要立刻關(guān)掉電源然后檢查芯片有沒有熱，否則可能會燒壞芯片。

2）調(diào)試結(jié)果

按下功能鍵K1可對黃燈閃爍或正常工作模式進行切換。首次按下K2鍵時，選擇調(diào)整南北綠燈通行時間，這時可通過K3鍵進行調(diào)整時間；再次按下K2鍵，選擇調(diào)整東西綠燈通行時間，同樣可通過K3鍵進行調(diào)整；第三次按下K2鍵時，時間設(shè)置結(jié)束，控制器按照最新設(shè)置的時間開始工作。調(diào)試效果如圖9所示。

圖9 太陽能交通信號燈控制器電路調(diào)試

5.結(jié)語

本文采用太陽能和LED光源, 設(shè)計了一款功耗低、壽命長、指示多樣的交通信號燈。確定了系統(tǒng)的整體設(shè)計方案，編寫程序并實現(xiàn)了單片機控制的太陽能交通信號燈系統(tǒng)設(shè)計。整個系統(tǒng)的硬件控制電路簡單,可降低生產(chǎn)成本,采用單片機可提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性,縮小系統(tǒng)的體積，調(diào)試和維護方便,同時在實際應(yīng)用中并可根據(jù)具體情況修改程序中的參數(shù)，以達到更好的效果?？傊S著現(xiàn)在技術(shù)與科技的不斷提升，太陽能交通信號燈的使用會越來越普遍，新型的太陽能交通設(shè)施產(chǎn)品也層出不窮，太陽能交通燈作為一種綠色環(huán)保的節(jié)能LED信號燈一直是交通路上的標(biāo)桿，為道路交通安全做出貢獻。

[1]宗平,魏學(xué)業(yè),康立學(xué).太陽能交通信號燈系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2010,33(23).

[2]牛曉玲.基于太陽能電池在交通信號燈中的應(yīng)用[J].機電一體化,2015,21(02):55-58.

[3]小紅.太陽能發(fā)電系統(tǒng)在城市交通燈中的應(yīng)用[J].科技傳播,2013,5(13):176-177.

[4]袁立順.淺談太陽能無線信號燈在交通工程中的應(yīng)用[J].黑龍江科技信息,2012(07):10.

[5]鄧忠選.基于單片機控制的交通信號燈[J].無線互聯(lián)科技,2013(02):120.

[6]蔡懷源.基于單片機的交通信號燈控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電子制作,2017(01):20-21+38.