基于單片機的交通信號燈控制系統的設計

【摘要】本設計采用AT89C51單片機芯片進行控制的，通過I/O口控制發光二極管的亮滅狀態，發光二極管模擬東西南北四個方向的交通信號燈，實現東西道、南北道的輪流放行。同時在四個方向都設立了應急按鈕，在特殊條件下需要交通管制時可以實現任何方向有緊急車輛通過時，信號燈全部為紅燈。

【關鍵詞】交通信號燈；單片機；控制系統

Abstract：This design uses AT89C51 chip to control the state of emitting diode through the I/O ports，emitting diodes led to simulate the thing north and south four directions of traffic lights，realizing the east-west，north and south in turn release.At the same time，there are four emergency buttons in four directions are set up，the emergency vehicles any directions can through under the condition of special traffic，all red lights lighting.

Keywords：turn signal；singlechip；control system

1.引言

交通信號燈是是道路指揮的重要組成部分[1]，是道路交通的基本語言，在行車安全和交通秩序的維護上起著不可替代的作用[2]。交通信號燈主要由紅燈、黃燈和綠燈組成，均采用周期控制，根據不同的路況設置道路的通行時間，實現自動控制[3]。本文設計了可調整通行時間及應急情況處理的交通信號燈控制系統，以AT89C51單片機為核心，可提高電路的穩定性和可靠性。

2.工作原理

交通信號燈控制系統的原理框圖如圖1所示。

圖1 交通信號燈控制系統的原理框圖

圖2 復位電路 圖3 晶振電路

圖4 應急控制電路

單片機是整個控制系統硬件結構的核心，由振蕩電路和復位電路等組成。為了應對外界突發情況，設計了應急控制電路，采用外部中斷的方式控制。單片機P1口控制交通信號燈，通過上拉電阻將二極管的正極接高電平，負極接P1端口，通過控制單片機P1口的輸出數據控制交通信號燈的亮滅。其端口與信號燈的控制關系如表1所示。通過設置P1端口的信息，控制對應信號燈的亮滅，以此實現自動控制。信號燈控制情況如表2所示。

表1 P1口控制系統表

P1端口P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0

信號燈 東西東西東西南北南北東西

綠燈黃燈紅燈綠燈黃燈紅燈

表2 信號燈控制情況

P1數據F3HF5HDEHEEH

交通狀況南北向通行南北向警示南北向禁行南北向禁行

東西向禁行東西向禁行東西向通行東西向警示

圖5 驅動電路

圖6 控制系統主控制流程圖

圖7 南北方向綠燈通行效果

圖8 南北方向黃燈警示效果

圖9 東西方向綠燈通行效果

圖10 東西方向黃燈警示效果

3.硬件結構的設計

交通信號燈控制系統的硬件結構主要包括單片機、復位電路、晶振電路、應急控制電路、驅動電路和輸出電路。

3.1 復位電路的設計

復位電路就是在AT89C51的引腳RET端接入的一個能產生復位信號的電路。單片機上電工作時，對內部參數進行初始化。復位電路常采用上電自動復位和按鈕復位兩種形式[4]。本設計采用第二種形式，電路如圖2所示。

3.2 晶振電路的設計

晶振電路也叫時鐘電路，用于產生AT89C51單片機工作時所必需的控制信號。單片機內部電路在時鐘信號的控制下，嚴格按時序執行指令進行工作[5]。時鐘電路有兩種方式，內部時鐘方式和外部時鐘方式，本設計系統采用外接時鐘方式。由兩個電容串聯后并聯一個晶振組成，然后接入單片機時鐘引腳XTAL1端和XTAL2端。本設計選用頻率為8MHz的晶振，電容選用20pF，具體設計如圖3所示。

3.3 應急控制電路的設計

應急控制電路是為緊急情況而設置的。在發生緊急情況時，可以通過應急按鈕引入外部中斷INT0，按下按鈕，外部中斷INT0為低電平，單片機的PC指向外部中斷的入口地址，進而處理緊急的中斷程序，東西南北方向全部置為紅燈，禁止車輛通行。電路設計如圖4所示。東西南北各設置一個應急按鈕，無論在哪個方向有緊急車輛通過，按下按鈕都能實現東西南北方向均為紅燈。

3.4 驅動電路的設計

本設計在P1口與發光二極管之間采用74HC07作為驅動電路，端口線輸出高電平時，發光二極管截止，信號燈滅；端口線輸出低電平時，發光二極管導通發光，信號燈亮。電路設計如圖5所示。

4.軟件結構設計

軟件設計主要完成各部分的軟件控制和協調。本系統主程序模塊主要完成對系統的初始化，檢測信號燈亮。然后判斷是否有應急按鈕按下，如果有，程序轉向所有紅燈亮，車輛禁行；如果沒有緊急按鈕按下，就根據南北方向及東西方向設定的通行時間進行相應的操作，自動完成信號燈的控制。

控制系統主控制流程圖如圖6所示。

5.結果分析

東西方向處于禁止通行狀態時，南北方向允許通行，綠燈亮。信號燈閃爍效果如圖7所示。考慮工況南北方向是主干道，設定通行時間是30s。通行27s時，綠燈變黃燈，3s警示時間，如圖8所示。

南北方向通行結束后，進入東西方向通行。設定的東西方向為次干道，通行時間為15s，如圖9所示為東西方向綠燈通行效果。通行12s時，綠燈變為黃燈，3s警示時間，如圖10所示。

圖11為緊急情況時信號燈的效果。四個方向的信號燈全部為紅燈亮，禁止車輛通行。

圖11 緊急情況時效果

6.結論

采用AT89C51單片機作為控制核心，對整個系統電路進行控制，工作穩定。采用紅、黃、綠LED模擬交通信號燈，設定主次干道的通行時間，達到交通自動控制的目的。系統設計嚴謹，元件減少，降低了開發成本。

參考文獻

[1]王艷.城市交通信號燈智能控制系統研究[D].哈爾濱工程大學，2010.

[2]史忠科等著.交通控制系統導論[M].科學出版社，2003.

[3]張朝鑫.基于單片機的中、小城市交通燈控制系統研究[D].昆明理工大學，2010.

[4]張毅剛等.單片機原理及應用[M].北京：高等教育出版社，2010.

[5]王亞運，張琦.基于單片機的汽車智能轉向燈的設計[J].農業裝備與車輛工程，2013（10）.

作者簡介：

張惠惠（1992—），女，山東濟寧人，學士，研究方向：交通運輸。

張琦（1983—），男，河南商丘人，碩士，講師，研究方向：車輛電子控制。