基于Proteus的智能交通燈設計與仿真實現

李珍香　李永華

摘要：針對現實中越來越嚴重的城市交通擁堵現象，文章介紹了一種十字路口交通信號燈智能控制系統。該系統實現了正常時段交通信號燈的輪換，解決了十字路口車輛的正常行駛；并可通過外部中斷或手動設置解決一些緊急事件或由于某方向車道車流量不均衡所造成的十字路口交通資源浪費或堵塞問題。通過在Proteus V7.8仿真平臺中運行，系統具有較強的可靠性。

關鍵詞：Proteus；智能交通燈；仿真實驗

中文分類號：TP368 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）17-0050-03

隨著現代化社會經濟的快速發展，城市車輛大幅度增加，交通擁擠、道路阻塞、車輛通行緩慢等問題受到了人們極大的關注，特別是早晚交通高峰時的十字路口，因此智能交通控制就顯得尤為重要。傳統的交通燈控制，是根據一定時間段的各車道車流量的調查而分配出的相對合理的固定周期換燈的控制方式，不管是車流高峰還是低谷；也有一些交通燈能根據簡單劃分的時間段來調整時間，但控制起來不是很靈活，這使得城市車流的調節不能達到最優，經常出現通行時間與車流量不相適應的情況，特別是特定時間的十字路口，會出現某一方向車輛早已通行完，而另一方向車輛排隊等綠燈的情況[1]。本文介紹的是一種采用8086 CPU和8259中斷控制器配以7段數碼管設計實現的十字路口智能交通燈控制系統，其能根據實時車流量對路口的綠燈時間進行動態調節，大大加強了其靈活性和實時性，并通過Proteus仿真軟件平臺實現了仿真。

一、總體設計方案

本文以十字路口單行車輛通行為研究對象，東南西北四個方向對應路口都設綠、紅、黃三色圓燈信號（東西為一向，南北為一向），正常工作狀態見表1，具體控制思想如下：（1）車輛流量的采集；（2）分析計算停止車輛排隊長度，計算車流量比值，以1為基值判斷雙方車流量大?。唬?）車輛輸出量確認，根據各個方向車輛排隊長度給定每個路口的紅、綠燈時間值；（4）根據比值，增減另一方向車輛紅、綠燈時長；（5）以3秒鐘為單位，最大變化不超過18秒；（6）檢測采用每周期循環一次，從而實現對整個信號燈的智能控制。

按照此思想，系統主要包括6個模塊，如圖1所示。以8086 CPU為主控制器，控制其他模塊協調工作。其中信號燈模塊顯示各車道的通行情況；數碼管倒計時模塊顯示信號燈燃亮時間；闖紅燈報警模塊實時監測車輛違規行為；緊急通行模塊用于處理非正常通行，以外部中斷方式控制[2]；時間手動設置模塊以通過鍵盤進行手動設置，增加人為的可控性，用于在緊急狀態下，通過設置所有燈變為紅燈以避免自動故障和意外發生。

二、Proteus仿真設計

1.Proteus仿真平臺簡介。Proteus是英國Labcenter electronics公司研發的多功能EDA軟件，其由ISIS原理圖編輯與仿真軟件包和ARES布線編輯軟件包組成，是目前世界上唯一將電路仿真、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺。Proteus V7.5 SP3以上的版本中增加了對8086 CPU及相關接口芯片的仿真功能。另外，Proteus還提供有示波器、邏輯分析儀、信號發生器、交直流電壓/電流表、數字圖案發生器、定時器/計數器、邏輯探頭、虛擬終端等很多虛擬儀器，是一個全開放性的仿真實驗平臺，相當于一個設備齊全的綜合性實驗室。本文介紹所使用的為Proteus V7.8軟件。Proteus本身未提供8086編譯器，而是通過添加外部代碼編譯器，將編寫好的源程序加入工程，編譯并生成可執行程序。本文介紹的采用EMU8086提供的編譯環境進行程序的編寫和匯編。EMU8086是一可在Windows環境下運行的8086 CPU匯編真軟件，其集成了文本編輯器、編譯器、反編譯器、真調試、虛擬設備和驅動器為一體。Proteus僅支持8086最小模式，8086模型可直接加載BIN、COM和EXE格式的文件到內部RAM中，不需要DOS，而且允許對Microsoft（Codeview）和Borland格式中包含了調試通過的程序可以進行源程序或反匯編后的調試，因此源碼匯編和鏈接過程的參數相當重要[3]。

2.信號燈電路設計。信號燈組由紅、黃、綠三色燈組成，4組共12盞燈，其亮滅及閃爍方式與十字路口的紅、黃、綠燈同步，由8255A芯片的A口通過方式0控制6個開關量（12盞燈）；七段數碼管采用共陰極接法，由8255A芯片的B口通過方式0輸出控制，其中低四位控制個位顯示，高四位控制十位顯示。8259中斷控制器的IR0接8253的OUT2，實現對于緊急情況的外部中斷處理。譬如控制紅綠信號燈，實現相應車道通行、另一車道禁行，同時熄滅所有的數碼管；或者遇有某方向路段忙時，信號燈的燃亮時間可根據車流量情況設置時間。

3.軟件設計。程序主要包括“jjsj”和“zcsj”兩個子程序。系統正常運行都在執行“zcsj”子程序，初始化十字路口的交通信號燈狀態及燃亮時間，啟動8253定時器數碼管開始倒計時。在倒計時期間，當遇有某方向車輛特別多或遇忙等其他緊急情況時，通過外部中斷請求執行“jjsj”子程序模塊。綠燈倒計時完畢后，轉換黃色信號燈，持續到規定時間后，東西和南北方向路口信號燈互換，如此一直循環運行[4]。程序設計流程如圖2所示。

三、Proteus仿真實現

1.8255A初始化。從圖3所示的硬件原理圖得知，8255A芯片的片選端連接在74HC154譯碼器的輸出端，74HC154的4個引腳D、C、B、A分別與鎖存器74LS273輸出的A12、A11、A10、A9相連，當A12、A11、A10、A9=0001時8255A有效，所以8255A的4個端口地址分別為0200H、0202H、0204H、0206H；初始化方式選擇控制字為89H（A、B口方式0輸出，C口方式0輸入）。

2.實際問題處理。①定時時間的動態調整。定時時間設計為倒計時，用兩位七段數碼管顯示，倒計時小于等于5秒時黃燈每0.5秒亮和滅切換一次，倒計時顯示0秒時兩個方向的紅色燈和綠色燈切換。定時時間可以通過軟件設計實現動態調整。方法為：將8253A計數器0工作在方式2，CLK0接2MHZ的時鐘頻率，設一計數初值（假設為2000），OUT0接CLK1，8253計數器1工作在方式0，設一計數初值（假設為500），則OUT1的輸出頻率為：2MHZ/2000/500=2HZ脈沖，相應周期為0.5秒。根據實際路況，通過改變計數初值可調整倒計時間。②時間差異。Proteus中利用8253A表示的時間和真實時間有差異，設定的時間比實際時間要長很多。所以，在仿真實驗中為了看到與實際相符的交通燈變化，本應是0.5秒的時間需在源程序中將延時時間設置為0.25秒，這樣運行起來更貼近實際[5，6]。

3.仿真效果。如圖4所示為東西路口綠燈燃亮，南北路口紅燈燃亮倒計時運行在18秒時的仿真結果圖。

本系統以8086 CPU為核心，程序調試階段采用EMU86進行在線編程及修改，設計的交通燈可控制十字路口的車輛及行人的交通管理，采用3個7段數碼管，可以直觀地顯示紅綠燈的開放和關閉時間。實際交通中的每個路口不完全一樣，所以交通燈顯示也沒有固定規則，通常會根據具體情況設置相應的程序。由于Proteus沒有提供箭頭標志，本系統按單行道設計，指示燈不是專門的箭頭指向燈，只是紅、黃、綠三色圓燈信號燈，所以系統只考慮并實現了簡單的十字路口交通行駛，即紅燈亮時不能直行也不能左轉，但可以右轉；綠燈亮時，直行、左轉、右轉都可以，當遇有某方向車輛多或其他緊急情況時，通過中斷可加以靈活性控制[7]。另外，系統在實現了十字路口基本的交通燈控制基礎上，還引用了外部中斷技術和時間手動設置，這可避免因無序和搶行等無控制原因造成的不必要阻塞甚至癱瘓情況發生。Proteus從V8版本開始支持ARM/Cortex-M3，這樣，將會給交通燈系統增添更多現代化功能。

參考文獻：

[1]李萍.基于AT89S51的智能交通燈控制系統設計與仿真[J].電子設計工程，2014，22（01）：190-193.

[2]王維松，等.十字路口智能交通燈控制系統的FPGA實現[J].電子科技，2012，25（9）：37-39，44.

[3]顧暉，陳越，梁惺彥，等.微機原理與接口技術-基于8086和Proteus仿真[M].北京：電子工業出版社，2011：110-135

[4]周靈彬，任開杰.基于Proteus的電路與PCB設計[M].北京：電子工業出版社，2013：1-38.

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[6]張曉榮，李永紅.智能交通燈的設計及其FPGA的實現[D].傳感器世界，2013，（12）：27-30.

[7]趙金亮.自適應交通路口控制系統設計與實現[J].太原理工大學學報，2013，44（4）：531-535.endprint