張 婷

(山西大學(xué)商務(wù)學(xué)院,山西 太原 030001)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，車輛增多，交通也隨之發(fā)展，交通燈在各個(gè)道路的應(yīng)用必不可少。通過仔細(xì)觀察，分析了十字路口交通燈的顯示和控制策略，并利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)交通路口的交通燈控制。傳統(tǒng)的交通燈控制系統(tǒng)，每個(gè)路口通行時(shí)間固定，可以一定程度的滿足指揮交通的需求，但是隨著車流量的增大，我們經(jīng)常會(huì)遇到堵車或者一方有車走不動(dòng)，另一個(gè)方向卻沒多少車輛的情況。傳統(tǒng)的交通燈已經(jīng)顯示出不足之處。本文設(shè)計(jì)出能伴隨車流量的改變而調(diào)整紅綠燈的顯示時(shí)間的交通燈系統(tǒng)。另外，計(jì)算機(jī)的發(fā)展極大地促進(jìn)了虛擬儀器的發(fā)展。虛擬儀器可以直接利用計(jì)算機(jī)搭建與現(xiàn)實(shí)環(huán)境相差無幾的仿真環(huán)境來模擬實(shí)際應(yīng)用，極大地提高開發(fā)效率。本文利用protues軟件對(duì)設(shè)計(jì)的交通燈進(jìn)行了基本功能仿真，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)可行性，極大地縮短了研發(fā)周期，并且可以為后期更靈活的改進(jìn)設(shè)計(jì)服務(wù)。

1 交通燈基本模塊分析

交通燈由單片機(jī)控制主電路，顯示電路,信號(hào)燈模塊和車流量檢測模塊組成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖中單片機(jī)模塊是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，通過它可以控制顯示電路和信號(hào)燈模塊按照要求亮滅,也可以切換為自動(dòng)調(diào)節(jié)通行時(shí)間模式，通過車流量檢測模塊采集車流量信息從而控制通行時(shí)間長短。顯示電路用于顯示通行時(shí)間倒計(jì)時(shí)。信號(hào)燈模塊采用LED進(jìn)行紅黃綠燈顯示。電源模塊為整體電路供電。

圖1 交通燈結(jié)構(gòu)框圖

2 交通燈硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)采用AT89C52為核心控制器件。單片機(jī)想要工作，需要有時(shí)鐘電路、供電電路及復(fù)位電路配合[1]。AT89C52為常用的時(shí)鐘電路,采用內(nèi)部時(shí)鐘電路，配合外部12M晶振和電容與XTAL1和XTAL2連接組成，為單片機(jī)提供基本的機(jī)器周期脈沖。單片機(jī)復(fù)位電路為手動(dòng)復(fù)位電路，當(dāng)單片機(jī)發(fā)生異常工作時(shí)可通過復(fù)位按鈕讓單片機(jī)復(fù)位[2]。

AT89C52是一個(gè)低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，所以編程簡單。AT89C52單片機(jī)由于其控制結(jié)構(gòu)簡單，標(biāo)準(zhǔn)編程，價(jià)格低廉，在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。AT89C52有40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出(I/O)端口，AT89C52可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的 Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開發(fā)成本。單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)仿真圖

2.2 車流量檢測模塊

車流量檢測的方法有很多比如磁頻類車輛檢測器、紅外線檢測和超聲波檢測等。現(xiàn)代交通中攝像頭廣泛應(yīng)用于高速交通、隧道、立交橋和城市十字路口等。視頻采集系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是不需要破壞地面，安裝和維護(hù)比較簡單，但是也有一定的缺點(diǎn)，比如受天氣影響因素較大。

為了實(shí)現(xiàn)資源充分利用，本文綜合考慮后采用了視頻采集模塊作為傳感器，上位機(jī)端通過圖像分析對(duì)車流量進(jìn)行判斷[3]。在視頻方位內(nèi)設(shè)置虛擬框線，也就是檢測區(qū)，當(dāng)框線內(nèi)有車輛時(shí)圖像灰度值會(huì)發(fā)生變化?？稍O(shè)置多個(gè)檢測區(qū)，當(dāng)大排長隊(duì)時(shí)多個(gè)檢測區(qū)灰度值均發(fā)生變化與對(duì)向車道檢測值差別較大時(shí)，可控制信號(hào)燈增加通行時(shí)間。差別大小設(shè)置多個(gè)閾值，從而控制不同的通行時(shí)間。后期也可以除了在十字路口外，在十字路口沿線設(shè)置多點(diǎn)視頻采集，從而提高車流量信息的準(zhǔn)確率。

2.3 顯示電路

顯示模塊分為倒計(jì)時(shí)顯示和紅黃綠信號(hào)燈模塊。倒計(jì)時(shí)模塊采用數(shù)碼管，信號(hào)燈采用LED燈。數(shù)碼管也稱發(fā)光管，是可以顯示數(shù)字和其他信息的電子設(shè)備[4]。本設(shè)計(jì)選用了8段發(fā)光數(shù)碼管。與單片機(jī)的IO口連接顯示十字路口紅黃綠燈的倒計(jì)時(shí)時(shí)間。由于單片機(jī)IO口有限，采用了動(dòng)態(tài)控制的方法來讓數(shù)碼管逐一顯示，縮短延時(shí)時(shí)間，從而構(gòu)成同時(shí)顯示的現(xiàn)象。

紅黃綠信號(hào)燈采用常見的發(fā)光二極管。模擬十字路口通行時(shí)，紅燈停，綠燈行，黃燈亮了等一會(huì)的信號(hào)燈情況。亮滅控制由單片機(jī)控制來實(shí)現(xiàn)。

還設(shè)置了按鍵電路，如果遇到故障可以手動(dòng)設(shè)置通行時(shí)間和控制信號(hào)燈。另外可實(shí)現(xiàn)固定通行時(shí)間和根據(jù)車流量自動(dòng)通行時(shí)間模式間的切換。

圖3 顯示模塊仿真圖

3 交通燈軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)的C51編程選用了keil4軟件。學(xué)習(xí)了keil建立一個(gè)C51工程的步驟，并最終程序編譯通過。本設(shè)計(jì)模擬了最基本的直行情況。通行過程為十字路口東西方向通行15 s，數(shù)碼管開始15 s倒計(jì)時(shí)，此時(shí)東西方向綠燈亮15 s，南北方向紅燈亮15 s；之后為黃燈等待時(shí)間，東西南北方向皆為黃燈亮且顯示3 s倒計(jì)時(shí)；隨后為十字路口南北方向通行15 s，數(shù)碼管倒計(jì)時(shí)15 s，南北方向綠燈亮，東西方向紅燈亮；最后又是黃燈等待3 s的時(shí)間。之后交替重復(fù)這4個(gè)過程。流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

4 protues仿真

對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了電路仿真[5]，本文采用了常用的電路仿真軟件protues軟件來對(duì)整體電路進(jìn)行仿真，protues里對(duì)C51程序的下載方便，加載程序后可以隨時(shí)開始運(yùn)行觀察結(jié)果，通過不斷調(diào)試得到了跟設(shè)計(jì)目的相符的結(jié)果，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)程序和電路的可行性。

根據(jù)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電路在protues中畫出仿真電路圖如圖5所示。

圖5 仿真電路圖

仿真電路中可以設(shè)定固定通行時(shí)間，也可以通過按鍵模擬車流量情況對(duì)通行時(shí)間進(jìn)行修改。驗(yàn)證了電路設(shè)計(jì)的正確性。

5 結(jié)論

通過交通燈的設(shè)計(jì)、編程與仿真，實(shí)現(xiàn)了十字路口交通燈的控制，在實(shí)際問題中提升了理論學(xué)習(xí)，又解決了一些實(shí)際問題。系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單易實(shí)現(xiàn)。但是沒有添加更復(fù)雜交通燈的控制比如左右轉(zhuǎn)，后期根據(jù)實(shí)際通行狀況，應(yīng)該給該系統(tǒng)添加復(fù)雜控制。車流量檢測可采用高級(jí)算法，精確控制。甚至后期可以加入定位模塊為整個(gè)城市的交通暢通提供便利。