青島港灣職業(yè)技術學院 武玉升

以Arduino uno單片機為核心處理器，以Proteus 8.5電路仿真軟件為平臺，設計了基于提高主路通行效率的智能交通燈控制系統(tǒng)仿真電路。系統(tǒng)中設計了六個超聲波測距傳感器，用于檢測十字路口各個方向有無機動車。采用Proteus可視化編程技術編寫了系統(tǒng)控制程序。在保證主路機動車優(yōu)先通行的基礎上，動態(tài)檢測到輔路方向有機動車通行要求時，系統(tǒng)自動分配通行時間。系統(tǒng)成功仿真運行，實現(xiàn)了提高主路通行效率的目的。

為了解決交通擁堵問題，許多城市在交通繁忙的十字路口開始設置智能交通燈控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)車流量動態(tài)設置交通燈控制時間，從而提高了通行效率。但是對于一些交通不太繁忙的十字路口，大多還是設置的普通交通燈控制系統(tǒng)，各方向的通行時間設置是固定的，在一個方向上車流量相對較大的情況下，不能有效提高通行效率（章偉,張代遠.基于車流量的交通燈控制系統(tǒng)設計[J].計算機技術與發(fā)展,2015(05):196-204）。有些十字口一條路車流量明顯高于另一條路，車流量較大的本文稱為主路，相應的另一條稱為輔路。主路行人及車流量比輔路大，如果交通燈設置不合理，常常會出現(xiàn)輔路沒有通行需要的情況下，依然給輔路設置通行時間，主路的行人和車輛依然需要等待一個信號燈周期，這無疑降低了通行效率。

對于具有主路和輔路特點的十字路口，本文研究了一種智能交通燈控制系統(tǒng)，通過Proteus仿真軟件成功進行了仿真運行。本系統(tǒng)以Arduino uno單片機為核心處理器，設計了六個超聲波測距傳感器，用于檢測十字路口各個方向有無機動車。假設東西向為主路，南北向為輔路，主路交通流量大于輔路。在輔路方向上沒有通行要求時，交通燈將保證主路方向持續(xù)通行。在動態(tài)檢測到輔路方向有通行要求時，系統(tǒng)自動給輔路分配通行時間，從而實現(xiàn)了提高主路通行效率的目的。

圖1 電路的總體結構框圖

圖2 十字路口布局圖

1 智能交通燈控制系統(tǒng)總體設計

總體控制電路結構框圖如圖1所示，十字路口的布局圖如圖2所示?？刂齐娐分饕ˋrduino uno單片機控制系統(tǒng)、超聲波車輛檢測電路，I/O接口擴展電路、數(shù)碼管顯示電路、紅綠燈顯示電路和工作模擬控制電路（吳文亮,張靚.基于多單片機的智能控制交通信號燈設計[J].寧波職業(yè)技術學院學報,2015(05):87-90）。

Arduino uno是整個電路的核心，用于處理超聲波車輛檢測電路送來的信號、控制紅綠燈按照交通控制規(guī)則顯示、控制各通行方向上的數(shù)碼管顯示計時信息。超聲波車輛檢測電路設有六個超聲波傳感器，圖2中A、B兩點各設置兩個，C、D兩點各設置一個，用于檢測有無機動車要求通過輔路。I/O接口擴展電路用于擴展單片機的I/O接口，以連接所需數(shù)量的數(shù)碼管和紅綠燈。數(shù)碼管顯示電路設有四組數(shù)碼管，如圖2所示，每組數(shù)碼管能夠顯示兩位十進制數(shù)，用于顯示通行方向上紅燈、綠燈和黃燈的顯示剩余時間。紅綠燈顯示電路由六組紅綠燈組成，每組紅綠燈設有紅燈、綠燈和黃燈各一個，分別設置在六個通行方向上。

2 智能交通燈控制仿真電路設計

2.1 核心微控制器選型

本文研究的智能交通燈控制系統(tǒng)，選用Arduino uno單片機是比較好的選擇。Arduino uno實際上是一塊單片機開發(fā)板，其核心是ATmega328 MCU控制器，集成了最小系統(tǒng)、閃存存儲器、I/O接口、電源電路、在線編程電路等硬件。通過一條USB數(shù)據(jù)線連接電腦，就可以實現(xiàn)供電和程序燒錄，同時還可以選擇電源適配器或9V電池供電。具備數(shù)字輸入/輸出接口、PWM輸出接口和模擬輸入接口，均可以通過杜邦線引出，電路搭接方便。采用電路仿真軟件Proteus8.5以上的版本可以方便地對Arduino uno單片機進行仿真，軟件提供了各種元器件、傳感器、顯示器件等仿真模型，可以通過電腦方便地搭建仿真電路。控制程序編寫可以采用可視化設計技術，通過連接流程圖的形式，使程序編寫更加直觀、簡潔，可以方便地實現(xiàn)多條件分支邏輯的編程（晁松杰．基于ARM智能交通燈控制系統(tǒng)的設計[J].科技創(chuàng)新與應用,2017(12):52-53）。

2.2 超聲波傳感器仿真電路設計

在智能交通燈控制系統(tǒng)中進行機動車檢測的方式有很多，本系統(tǒng)只需要檢測行車道是否有機動車，選擇采用超聲波傳感器。利用超聲波傳感器檢測機動車，具有非接觸、成本低、壽命長、安裝維護簡單等優(yōu)點。圖2中A點位于北向南車道上，設置兩個超聲波傳感器，一個用于檢測直行車道機動車，另一個用于檢測直行左轉(zhuǎn)并用車道機動車，B點同A點相對設置在南向北車道上。C點和D點各設置一個超聲波傳感器，用于檢測西向東左轉(zhuǎn)和東向西左轉(zhuǎn)車道的機動車（吳少雄,王彩紅.基于傳感器感應式的智能交通燈技術[J].福建電腦,2016(12):139-140）。

圖3 超聲波檢測機動車方法示意圖

以B點為例，利用超聲波檢測車道有無機動車的方法示意圖如圖3所示。每個超聲波傳感器都朝向相應的機動車道。若機動車正常停在車道停止線前方等待通過，超聲波傳感器發(fā)射的超聲波就會被車輛反射回來。反射回來的超聲波被接收部件接收到后，會向單片機發(fā)送相應的回響信號。通過數(shù)據(jù)處理，單片機可計算出車輛同超聲波傳感器之間的距離，從而判斷出該車道有無機動車。

2.3 單片機I/O接口擴展仿真電路設計

Arduino uno單片機的數(shù)字I/O接口只有14個，需要進行擴展。本設計選用了74HC595集成電路。74HC595是八位串行輸入/并行輸出移位寄存器，具有三態(tài)輸出和輸出鎖存功能。在數(shù)據(jù)移位的過程中，74HC595的數(shù)據(jù)輸出寄存器可以保證輸出數(shù)據(jù)保持不便，從而避免數(shù)碼管和紅綠燈出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。74HC595只占用單片機的3個I/O接口，就能實現(xiàn)8×n個并口擴展，具有電路簡單、編程方便的特點。本設計需要用六個74HC595擴展得到六個8位并口。單片機的IO0接在首位74HC595的DS引腳，提供串行數(shù)據(jù)。IO1接在所有74HC595的SH_CP引腳，通過輸出脈沖的上升沿使串行數(shù)據(jù)移位。IO2接在所有74HC595的ST_CP引腳，通過輸出脈沖的上升沿輸出并行數(shù)據(jù)。

2.4 數(shù)碼顯示仿真電路設計

如圖2所示，系統(tǒng)中需要四組數(shù)碼管顯示電路。右側(cè)的一組數(shù)碼管用于顯示西向東方向計時，左側(cè)的一組數(shù)碼管用于顯示東向西方向計時，根據(jù)控制邏輯，系統(tǒng)運行時有可能存在西向東或東向西單獨通行的情況，數(shù)碼管顯示計時數(shù)值可能不同，所以這兩組數(shù)碼管需要單片機分別驅(qū)動。上下兩組數(shù)碼管用于顯示南北雙向通行計時，南北向車道作為輔路，交通燈控制邏輯比較簡單，雙向始終同時放行或進行，兩組數(shù)碼管顯示計數(shù)值相同，所以這兩組數(shù)碼管連接在同一組驅(qū)動接口上即可。

如果通過74HC595直接連接數(shù)碼管，則每個數(shù)碼管都要占用一個74HC595，這將使單片機的I/O接口擴展電路更加復雜，后續(xù)編寫控制程序也會比較麻煩，所以本設計采用74HC595輸出端接74LS48后再接數(shù)碼管的形式。74LS48是共陰極LED七段顯示數(shù)碼管顯示譯碼器，用于將8421BCD碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管顯示相應十進制數(shù)字的段碼。這樣一個74HC595可以通過74LS48連接兩個數(shù)碼管，編寫控制程序時只需要通過74HC595輸出相應數(shù)字的8421BCD碼即可，從而簡化了程序設計。

3 單片機控制程序設計

采用電路仿真軟件Proteus8.5仿真Arduino uno單片控制系統(tǒng)時，控制程序編寫采用可視化設計技術，所有程序都由各種功能的流程圖連接而成，程序編寫直觀、簡潔，可以方便地實現(xiàn)多條件分支邏輯的編程。

編寫控制程序之前，首先要明確系統(tǒng)的控制邏輯。為便于分析，假設各個方向綠燈持續(xù)時間均為25秒。

（1）普通運行模式。十字路口放行規(guī)則是：首先東西雙向直行放行，然后東西雙向左轉(zhuǎn)放行，最后南北雙向直行加左轉(zhuǎn)同時放行。交通燈變換規(guī)則是：通行方向上綠燈熄滅前會閃爍3秒，然后黃燈亮3秒，最后紅燈點亮。數(shù)碼管計時規(guī)則是：綠燈和紅燈都是運行時間剩余9秒時顯示倒計時數(shù)字，黃燈亮時相應數(shù)碼管顯示3秒倒計時數(shù)字，其余時間數(shù)碼管均處于熄滅狀態(tài)。

（2）智能運行模式。十字路口放行規(guī)則是：若各方向車道均有機動車等待通過，則系統(tǒng)運行方式同普通運行模式相同。在南北雙向、東西雙向左轉(zhuǎn)均無機動車和行人申請通行的情況下，系統(tǒng)將一直保持東西雙向直行放行。系統(tǒng)其它可能的運行狀態(tài)如表1所示。用序號表示的話，系統(tǒng)可能的運行順序有：①、①②、①③、①④、①②④、①③④。其中①②④順序同普通運行模式順序一致。

表1 智能運行模式運行狀態(tài)表

系統(tǒng)主程序如圖4所示，體現(xiàn)了Proteus軟件的可視化設計技術，繪制流程圖的過程就是編程的過程。其中SETUP到END程序模塊是系統(tǒng)初始化程序，包括設置單片機的I./O接口為輸入或輸出模式、設置中斷申請方式等。LOOP到END程序模塊為系統(tǒng)主循環(huán)，系統(tǒng)初始化后，單片機將一直循環(huán)執(zhí)行主循環(huán)中的程序。其中commode為普通運行子程序，usmode為智能運行子程序。

圖4 系統(tǒng)主程序

4 結論與展望

以電路仿真軟件Proteus8.5為平臺，搭建了智能交通燈控制系統(tǒng)仿真電路。系統(tǒng)選用Arduino uno單片機作為中心控制器，選用超聲波傳感器仿真模型模擬檢測行車道有無機動車，選用移位寄存器74HC595對單片機的I/O接口進行了擴展，選用七段LED數(shù)碼管譯碼顯示電路進行倒計時顯示，選用紅、黃、綠三種顏色LED作為交通信號燈。采用Proteus可視化設計技術編寫了系統(tǒng)控制程序，程序仿真運行滿足設計要求。通過手動調(diào)整超聲波傳感器仿真數(shù)據(jù)、工作模式轉(zhuǎn)換開關、行人南北通行按鍵開關，成功仿真了各車道不同通行狀態(tài)下系統(tǒng)運行情況，普通運行模式和智能運行模式實現(xiàn)正常切換。

實際應用中，對于具有主路和輔路特點的十字交叉路口，可以在現(xiàn)有交通燈控制系統(tǒng)的基礎上進行改造，不需要對路面進行大規(guī)模破土挖掘，只需要更換控制板以及在路面加裝超聲波傳感器即可。因此，利用本系統(tǒng)對原有交通燈控制系統(tǒng)進行改造技術簡單、費用低廉，但能有效提高主路的通行效率，對緩解城市道路的交通擁堵具有重要的現(xiàn)實意義。