交通燈智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)交通燈存在不能根據(jù)車流量大小自動(dòng)調(diào)節(jié)通車時(shí)間的缺點(diǎn)，提出利用單片機(jī)設(shè)計(jì)智能交通燈的方案。進(jìn)一步作系統(tǒng)硬件電路和系統(tǒng)程序的分析與設(shè)計(jì)；簡(jiǎn)介PROTEUS的功能及用PROTEUS對(duì)電路進(jìn)行仿真的過(guò)程和結(jié)果。并且說(shuō)明硬件制作的過(guò)程與安裝調(diào)試的結(jié)果。

關(guān)鍵詞：交通燈；智能；單片機(jī)；PROTEUS仿真

中圖分類號(hào)：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2008)32-1234-04

The Design and Realization for Traffic Lights Intellectual Faculties System

YAO Lin-fang

(Taoyuan Normal School， Taoyuan 415700， China)

Abstract: According to the traditional traffic light can’t adjust the traffic rush time by vehicle flow quantity ，this paper proposes designing the project of intelligent traffic light by using the MicroControllerUnit (MCU) .More analyzing and designing the system hardware’s circuit and system procedure . Brief introduction PROTEUS’s function and the procedure and the result of simulating circuit by PROTEUS .And explaining the procedure of how to make hardware and the result of installing and debugging .

Key words: traffic light; intelligent; MCU; PROTEUS simulating

1 引言

隨著生活水平的提高，家庭汽車擁有量越來(lái)越多，城市交通堵塞問題越來(lái)越嚴(yán)重，解決城市的交通擁擠問題越來(lái)越緊迫。交通燈在這個(gè)交通環(huán)境中起著一個(gè)重要的角色，是交通管理部門管理交通的重要工具。國(guó)內(nèi)的交通燈一般設(shè)在十字路口，在醒目位置用紅、綠、黃三種顏色的指示燈，加上一個(gè)倒計(jì)時(shí)的顯示計(jì)時(shí)器來(lái)控制行車。而目前絕大多數(shù)交通燈的時(shí)間都是設(shè)定好的，還存在以下缺點(diǎn)：1）兩車道的車輛輪流放行時(shí)間相同且固定， 在十字路口，經(jīng)常一個(gè)車道為主干道，車輛較多，放行時(shí)間應(yīng)該長(zhǎng)些；另一車道為副干道，車輛較少，放行時(shí)間應(yīng)該短些。2）沒有考慮緊急車通過(guò)時(shí)，兩車道應(yīng)采取的措施，臂如，消防車或急救車執(zhí)行緊急任務(wù)通過(guò)時(shí)，兩車道的車都應(yīng)停止，讓緊急車通過(guò)。這些缺點(diǎn)的存在，決定了傳統(tǒng)交通燈不能適應(yīng)當(dāng)前城市交通的要求，不能使城市車流的調(diào)節(jié)達(dá)到最優(yōu)。

針對(duì)道路交通擁擠，交叉路口經(jīng)常出現(xiàn)擁堵的情況，提出使用智能交通燈的要求。與傳統(tǒng)交通燈比較，智能交通燈作以下兩點(diǎn)的改進(jìn)措施：1）根據(jù)各道路路口車流量的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)通行時(shí)間。2）考慮特殊車輛通行情況，設(shè)計(jì)緊急切換開關(guān)。

事實(shí)證明，智能的交通燈能有效地緩解城市的交通壓力，減少交通事故；為人民節(jié)省大量出行時(shí)間，創(chuàng)造出更多的社會(huì)價(jià)值。

2 智能交通信號(hào)燈的設(shè)計(jì)方案

2.1 智能交通燈的設(shè)計(jì)要求

1）設(shè)計(jì)一個(gè)十字路口的交通燈控制電路，要求南北方向和東西方向兩個(gè)交叉路口的車輛交替運(yùn)行，兩個(gè)方向能根據(jù)車流量大小自動(dòng)調(diào)節(jié)通行時(shí)間，車流量大，通行時(shí)間長(zhǎng)，車流量小，通行時(shí)間短。

2）在綠燈轉(zhuǎn)為紅燈時(shí)，要求黃燈先亮5秒鐘，才能變換運(yùn)行車道。

3）東西方向、南北方向車道除了有紅、黃、綠燈指示外，每一種燈亮的時(shí)間都用數(shù)碼管顯示器進(jìn)行顯示（采用倒計(jì)時(shí)的方法）。

4）同步設(shè)置人行橫道紅、綠燈指示。

5）考慮到特殊車輛情況，設(shè)置緊急轉(zhuǎn)換開頭。

2.2 智能交通燈的方案論證

目前設(shè)計(jì)交通燈的方案有很多，有應(yīng)用CPLD實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)燈控制器的設(shè)計(jì)，有應(yīng)用PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。有應(yīng)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)交通信號(hào)燈設(shè)計(jì)的方法。本文采用單片機(jī)作為控制器，通行倒記時(shí)顯示采用LED數(shù)碼管，通行指示燈采用發(fā)光二極管，LED顯示采用動(dòng)態(tài)掃描，以節(jié)省端口數(shù)。特殊緊急車輛通行采用實(shí)時(shí)中斷完成，車流量大小采用霍爾車輛檢測(cè)傳感器檢測(cè)電路完成。按以上系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)，由于AT89S51單片機(jī)自單帶有2計(jì)數(shù)器，6個(gè)中斷源，端口剛好滿足要求。該系統(tǒng)具有電路簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)方便，耗電較少，可靠性高等特點(diǎn)。整個(gè)電路組成框圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

整套系統(tǒng)由五部分組成：控制系統(tǒng)模塊、車流量檢測(cè)電路，信號(hào)燈電路，時(shí)間顯示電路，緊急轉(zhuǎn)換開關(guān)。如圖2為智能交通燈控制系統(tǒng)總電路原理圖。

3.1 主控制系統(tǒng)

主控制器采用AT89S51 ，是美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4k bytes 的可系統(tǒng)編程的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) 8051 指令系統(tǒng)及引腳。它集 Flash 程序存儲(chǔ)器 既可在線編程（ISP）也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用 8 位微處理器于單片芯片中，ATMEL 公司的功能強(qiáng)大，低價(jià)位 AT89S51 單片機(jī)可為我們提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。

單片機(jī)的P1口及P2口分別用于控制南北和東西方向的通行燈，P0口用于對(duì)LED記時(shí)器的控制，T0和T1作為東西方向和南北方向車流量控制，INT0和INT1用于東西方向和南北方向緊急轉(zhuǎn)換控制。

3.2 車輛檢測(cè)電路

如何判斷兩路口車輛的狀況呢？我們要設(shè)計(jì)一套科學(xué)檢測(cè)車流量而自動(dòng)調(diào)整綠燈放行時(shí)間（需設(shè)定上、下限）的控制系統(tǒng)，這樣無(wú)疑會(huì)大大提高車輛通過(guò)率，有效緩解交通壓力。我們?cè)诿寇嚨儡囕v等待線的前方都安裝一個(gè)霍爾車輛檢測(cè)傳感器，當(dāng)有一輛車通過(guò)時(shí)就產(chǎn)生一個(gè)脈沖電路，車輛通過(guò)檢測(cè)電路如圖3所示。

由于南往北，北往南時(shí)間顯示相同，所以只要一個(gè)方向多車，下次時(shí)間就要加長(zhǎng)。東往西，西往東也一樣，顯示時(shí)間選擇如表1。

3.3 信號(hào)燈電路

信號(hào)燈用來(lái)顯示車輛通行狀況，下面以一個(gè)十字路口為例，說(shuō)明一個(gè)交通燈的四種狀態(tài)見下圖。每個(gè)路口的信號(hào)的的轉(zhuǎn)換順序?yàn)椋壕G——>黃——>紅。綠燈表示允許通行，黃燈表示禁止通行，但已經(jīng)駛過(guò)安全線的車輛可以繼續(xù)通行，是綠燈過(guò)渡到紅燈提示燈。紅燈表示禁止通行。綠燈的最短時(shí)間為20秒，最長(zhǎng)時(shí)間為40秒，紅紅最短時(shí)間為25秒，最長(zhǎng)時(shí)間為45秒，黃燈時(shí)間為5秒。

3.4 時(shí)間顯示電路

在交通信號(hào)燈的正上方安裝一個(gè)可以顯示綠燈通行時(shí)間，紅燈等待時(shí)間的顯示電路，采用數(shù)碼管顯示電路是一種很好的方法。由于東往西方向和西往東方向顯示的時(shí)間相同，南往北方向和北往南方向顯示的時(shí)間也相同，所以只需要考慮四位數(shù)碼管顯示電路，其中東西方向兩位，南北方向兩位，兩位數(shù)碼管可以顯示的時(shí)間為0-99秒完全可以滿足系統(tǒng)的要求。

一般情況下交通燈按照車流量大小合理分配通行時(shí)間，按一定規(guī)律變化，但考慮緊急車通行車況，設(shè)計(jì)緊急通行開關(guān)。

即如果南北方向有特殊車輛要求通過(guò)，南北方向轉(zhuǎn)換為綠燈，東西方向?yàn)榧t燈；如果東西方向有特殊車輛要求通過(guò)，東西方向轉(zhuǎn)換為綠燈，南北方向?yàn)榧t燈。

4 系統(tǒng)主要程序的設(shè)計(jì)

道口交通燈控制系統(tǒng)控制程序主要分為以下幾個(gè)模塊：初始化程序、主程序、定時(shí)中斷程序、緊急車輛通行實(shí)時(shí)響應(yīng)程序。初始化程序主要完成內(nèi)存的規(guī)劃、定時(shí)器工作模式的設(shè)定、中斷方式等的設(shè)定。

動(dòng)態(tài)掃描顯示程序：

MOV R6，#250;顯掃描次數(shù)

LOOP：

MOV P0，#5BH ;送2的共陰極碼

CLR P2.0；第一位顯示2

ACALL D1MS ;延時(shí)1MS

SETB P2.0 ;滅第一位

MOV P0，#3FH ;送0的共陰極碼

CLR P2.1；第二位顯示0

ACALL D1MS ;延時(shí)1MS

SETB P2.1 ;滅第二位

MOV P0，#5BH ;送2的共陰極碼

CLR P2.2；第三位顯示2

ACALL D1MS ;延時(shí)1MS

SETB P2.2 ;滅第三位

MOV P0，#6DH ;送5的共陰極碼

CLR P2.3；第四位顯示5

ACALL D1MS ;延時(shí)1MS

SETB P2.3 ;滅第四位

DJNZ R7，LOOP；不夠一秒，繼續(xù)掃描

NEXTNUMBER；到一秒顯示下一個(gè)數(shù)

D1MS: ;1MS延時(shí)程序

STAT1：MOV R4，#2

MOV R3，#250

DJNZ R3，$

DJNZ R4，STAT1

RET

5 基于PROTEUS的電路仿真

PROTEUS嵌入式系統(tǒng)仿真與開發(fā)平臺(tái)是由英國(guó)公司開發(fā)（授權(quán)風(fēng)向標(biāo)科技公司為中國(guó)大陸總代理）的EDA工具軟件，是目前世界上最先進(jìn)最完整的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真平臺(tái)。Proteus軟件有十多年的歷史，在全球廣泛使用，除了其具有和其它EDA工具一樣的原理布圖、PCB自動(dòng)或人工布線及電路仿真的功能外，其革命性的功能是，他的電路仿真是互動(dòng)的，針對(duì)微處理器的應(yīng)用，還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)試，如有顯示及輸出，還能看到運(yùn)行后輸入輸出的效果，配合系統(tǒng)配置的虛擬儀器如示波器、邏輯分析儀等，您不需要?jiǎng)e的，Proteus為您建立了完備的電子設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境！真正實(shí)現(xiàn)了在沒有目標(biāo)原形時(shí)就可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，測(cè)試和驗(yàn)證。

1) 用PROTEUS 繪制原理圖

運(yùn)行PROTEUS VSM 的ISIS 后出現(xiàn)相應(yīng)的界面， 點(diǎn)狀的柵格區(qū)域?yàn)槔L圖區(qū)。左側(cè)的上方為電路圖概覽區(qū)， 下方是元器件列表區(qū)。單擊P 后出現(xiàn)的Pick Device添加元器件的對(duì)話框， 輸入所要添加的器件名稱， 則該器件就會(huì)出現(xiàn)在右側(cè)， 單擊OK 按鈕， 完成一個(gè)元器件的添加。重復(fù)以上過(guò)程， 添加好電路中所需的元器件。在元器件列表區(qū)選中某元器件后， 在電路圖概覽區(qū)會(huì)出現(xiàn)該元器件， 用鼠標(biāo)將其拖至繪圖區(qū)， 將所有需要的元器件在繪圖區(qū)放置好， 即可開始連線。連線方法很簡(jiǎn)單， 將鼠標(biāo)移至元器件引腳后會(huì)出現(xiàn)一個(gè)小十字， 單擊鼠標(biāo)左鍵后移動(dòng)鼠標(biāo)， 將線引至某一引腳處會(huì)再次出現(xiàn)小十字， 再次單擊左鍵就完成了一條連線。在布線時(shí)， 如果需要轉(zhuǎn)彎，可以在轉(zhuǎn)彎處單擊鼠標(biāo)左鍵。圖6就是繪制完成的電路圖。

2) PROTEUS 對(duì)單片機(jī)內(nèi)核的仿真

電路圖繪制完成后， 再添加AT89C51 的應(yīng)用程序。將鼠標(biāo)移至AT89C52 上， 單擊鼠標(biāo)右鍵使之處于選中狀態(tài)， 在該器件上單擊左鍵， 打開如圖7所示的對(duì)話框。在 Program File 欄添加編譯好的十六進(jìn)制格式的程序文件AA.hex(可以接受3種格式的文件) ，給AT89C52輸入晶振頻率，此處默認(rèn)為12MHZ，單擊OK 按鈕完成程序添加工作， 下面就可以進(jìn)行系統(tǒng)仿真了。單擊主界面下方的按鈕開始系統(tǒng)仿真。PROTEUS VSM 所進(jìn)行的是一種交互式仿真， 在仿真進(jìn)行中可以對(duì)各控制按鈕、開關(guān)等進(jìn)行操作， 系統(tǒng)對(duì)輸入的響應(yīng)會(huì)被真實(shí)的反映出來(lái)。仿真結(jié)果如圖8。開始仿真后，開關(guān)，按鈕通過(guò)鼠標(biāo)單擊來(lái)改變狀態(tài)，所改變狀態(tài)的結(jié)果會(huì)在LED和數(shù)碼管顯示出來(lái)。仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)方案相符。

6 智能交通燈硬件的制作與調(diào)試

繪制完電路圖并用PROTEUS軟件進(jìn)行仿真后證明了系統(tǒng)運(yùn)行良好。根據(jù)仿真電路圖制作硬件電路。

1) 交通燈主電路的硬件制作

根據(jù)仿真電路圖制作交通燈主電路硬件時(shí)要注意下面幾點(diǎn)：

為了節(jié)省耗材，實(shí)際硬件制作電路與PROTEUS設(shè)計(jì)電路有所不同。實(shí)際電路只用兩組信號(hào)燈和兩組數(shù)碼管，東西方向共用一組，南北方向共用一組。

用PROTEUS仿真的電路圖可以不加復(fù)位電路，不用外接晶振，只需要在為單片機(jī)添加程序文件時(shí)輸入晶振頻率就可以了。但在制作硬件時(shí)必須焊接上復(fù)位電路和外接晶振電路。用PROTEUS仿真的電路圖單片機(jī)的EA(——)腳可以不用接高電平仿真就能正確運(yùn)行，但制作硬件時(shí)我們必須將EA(——)端連接到高電平，CPU才能執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。PCB電路如圖9。

2) 交通燈主電路的硬件調(diào)試結(jié)果

實(shí)際制作的硬件電路運(yùn)行穩(wěn)定，交通燈硬件運(yùn)行情況如圖10所示。

8 結(jié)束語(yǔ)

在本文中采用PROTEUS設(shè)計(jì)交通燈控制系統(tǒng)，借助其功能強(qiáng)大的仿真系統(tǒng)對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，以檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性與合理性，并根據(jù)仿真電路圖制作硬件電路，這種設(shè)計(jì)具有傳統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)方法所無(wú)法比擬的優(yōu)越性。

（致謝：在本文完稿和硬件制作過(guò)程中，得到廣東技術(shù)師范學(xué)院韓克、柳秀山兩位老師的精心指導(dǎo)，在此表示衷心的感謝。）

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