基于ATmega328的交通燈控制系統設計

鄔嘉麒+許國良

摘要：文章以ATmega328單片機為控制核心，設計交通燈控制系統，實現了交通信號燈的定時切換和倒計時顯示功能，系統可根據環境光強自動切換白天與夜間運行模式，并在緊急情況下提供應急控制功能。用戶可通過液晶屏幕和按鍵操作獲取系統運行狀態、調整設置參數。文章實現的控制系統具有運行穩定、調節靈活、操作簡便的優點，可為智能化交通控制系統的研究和設計提供參考。

關鍵詞：交通燈控制系統；ATmega328；模數轉換；單片機應用設計

1 交通燈控制系統研究背景

交通燈控制系統作為常見的城市道路交通的電子管理設備，具有維持交通秩序、控制車流、疏導行人的重要作用，除了常規的倒計時顯示和信號燈指示功能外[1]，還應當具備環境適應能力和緊急情況下的應急控制功能[2]，以適應交通管理的實際需要。

本文以ATMEL公司的ATmega328為控制核心，設計交通燈控制系統，實現十字路口4個方向交通燈的定時切換和倒計時顯示。系統可根據環境光強自動切換運行狀態，并通過液晶屏幕提供運行狀態和參數信息的實時顯示和調整。

2 總體設計

2.1 功能介紹

本文設計的交通燈控制系統可在白天模式、夜間模式、緊急模式共3種工作模式下運行，通過LCD液晶顯示屏實時顯示系統當前的運行狀態。系統將根據運行環境的光線強度，自動完成白天模式和夜間模式之間的切換。用戶設置更改在下一循環周期內加載生效，保證狀態切換期間交通燈放行信號的自然過渡。

控制系統提供“設置/確定”鍵、“向上/增加”鍵、“向下/減小”鍵、“緊急狀態”鍵共4個按鍵。其中，“設置/確定”鍵用于調整LCD顯示屏的光標狀態；“向上/增加”鍵與“向下/減小”鍵可用于移動光標位置或增減當前設置項的數值。在任何狀態下，當用戶按下“緊急狀態”鍵，都會使系統立即進入或退出緊急狀態。進入緊急模式后，系統各方向信號燈的倒計時循環停止，所有方向均顯示紅燈，用戶可根據實際交通情況獨立調整4個方向的信號燈狀態，放行指定方向的車流。

2.2 整體構架

本文以ATmega328單片機為控制核心，構建了以5V直流穩壓電源供電的交通燈控制系統。系統結構框架如圖1所示，系統由交通燈顯示、倒計時顯示、液晶屏顯示3個輸出模塊，以及按鍵模塊、光感模塊2個輸入模塊組成。

本文選用的ATmega328芯片是ATMEL公司推出的8位高性能、低功耗、精簡指令集（ReducedInstructionSet，RIS）單片機[3]，在20MHz工作頻率下指令執行速度可達20MIPS，片內帶有32kB的FLASH程序編程存儲器、1KB的EEPROM和2kB的SRAM，可通過SPI串行口在線編程，可滿足交通燈控制系統實現的性能需求。

3 硬件設計

3.1 倒計時顯示與交通燈驅動模塊

根據路面實際交通情況，在東、南、西、北4個方向分別用紅、黃、綠3種顏色的信號燈展示交通信號（共計12盞）。由于單片機的I/O口資源有限，ATmega328僅提供23個I/O端口，若將各信號燈控制開關與單片機I/O口直接相連需要占用大量端口資源，不利于后續功能的實現。因此本文采用兩片74HC595級聯的方式，利用3個單片機I/O端口分別提供串行輸入信號（DIN）、移位時鐘脈沖（Shift_CLK）、鎖存時鐘脈沖（Latch_CLK），將串行邏輯控制信號轉換為并行信號，經過驅動芯片或電力電子開關控制12盞交通信號燈的亮滅。

為了節省單片機10端口資源，本文在信號燈驅動模塊中采用兩片74HC595級聯的方式，實現倒計時數碼管的動態刷新[4]。其中，低位芯片的8位輸出用于控制數碼管段碼，高位芯片的低四位輸出通過PNP三極管向數碼管輸出位碼信號。74HC595在4.5V供電的條件下最高時鐘頻率為，可滿足數碼管動態刷新的頻率要求。

3.2 光感模塊

光線強度感應功能一般可使用模數轉換器（Analog-DigitalConverter，ADC）、模擬比較器（AnalogComparator，AC）設計測量電路。根據光敏電阻CdS5506電導率隨著光線增強而顯著增大的特性，本文將光敏電阻CdS5506與10kQ電阻串聯組成分壓電路，將電阻阻值變化轉化為節點電平變化，通過ATmega328片內自帶的模數轉換器實時獲取節點電壓信號，從而向單片機間接提供了環境光照信息。

ATmega328片上帶有6路10位逐次逼近型ADC，最多可對PC0.5端口的6路模擬輸入電壓進行采樣[5]。光強檢測模塊使用單片機的ADC通道4，通過軟件設定將PC4設置為不帶上拉電阻的輸入端口，以免內部上拉電阻影響模數轉換結果。

3.3 液晶屏顯示模塊

本設計采用帶ST7920驅動芯片的LCD12864顯示屏[6]，用作工作狀態和設置菜單的顯示設備。LCD12864可由3?5.5V直流電源供電，利用驅動芯片的光標顯隱、字體閃爍、反白顯示等功能實現菜單操作界面。

硬件電路中使用單片機3個I/O端口送出RS，R/W，EN控制信號，并使用PD0.7口作為LCD并行數據輸入口，用于向ST7920控制器傳輸繪字指令。此外還需要為LCD提供工作電源和背光電源，并向PSB端口和RST端口送入高電平信號，分別用于設置并行輸入方式和禁止復位。

3.4 整體外觀

為方便調試，根據上文所述的設計方案設計印刷電路板，并使用紅、黃、綠3色發光二極管（LED）代替實際系統中的驅動芯片或電力電子開關，以便測試系統的工作流程和控制功能。控制電路板采用20cmX15cm覆銅板制作，受電路板尺寸限制，4個方向的倒計時信息僅用2組數碼管顯示，控制電路板的外觀如圖2所示。

4 軟件設計endprint

4.1 模塊劃分

本文使用ICCAVR7.22平臺編譯單片機C語言程序。為了降低程序復雜度，提高代碼的重用性，在編寫程序前首先依據設計目標和功能設定，將軟件程序劃分為交通燈控制模塊、倒計時控制模塊、液晶屏顯示模塊、閃爍控制模塊、設置讀寫模塊、光強檢測模塊、按鍵響應模塊以及核心流程控制模塊共8個軟件模塊，并遵循自底向上的設計思路，逐一實現各軟件模塊的功能設計，分別進行模塊測試，最后組合成完整的系統程序。各軟件模塊之間的關系如圖3所示。

4.2 工作流程

為了描述交通燈主要循環流程，本文根據實際路口交通燈切換規律，設計出綠燈閃爍暫態、黃燈暫態、紅綠穩態、全紅穩態、全黃暫態、黃燈閃爍穩態共6種狀態。“暫態”和“穩態”是依據狀態的設計功能進行劃分的，“穩態”用于表示較長時間內的交通放行信號，“暫態”用于表示狀態切換過程中的信號過渡過程。控制系統的工作流程必須經由“暫態”完成模式切換，以避免控制系統在光線強度處于臨界范圍時交通燈運行狀態發生突然改變。

通過考察分析十字路口交通燈的顯示規律，繪制的狀態轉移如圖4所示，并根據圖中揭示的狀態轉移規律編寫程序。圖中每個狀態記錄了系統在一定條件下的運行情況，在程序中通過定時器中斷或外部中斷觸發狀態切換，經過過渡狀態在下一循環周期轉入新的狀態。限于篇幅，本文不再就各軟件模塊的工作流程和實現原理展開具體論述。

5 結語

本文以ATmega328為核心設計交通燈控制系統，實現了4個方向交通信號燈的定時切換和倒計時顯示功能，系統可根據環境光強自行切換運行狀態，并向用戶提供LCD菜單操作界面，用于調整系統設置參數。經過軟件設計和硬件調試，本文實現的控制系統具有運行穩定、調節靈活、操作簡便的優點，可為智能化交通控制系統的研宄和設計提供參考。

[參考文獻]

[1]宋依青，張潤.自適應交通燈控制系統的設計與實現[J].計算機測量與控制，2008（4）：497-499.

[2]王瑾，袁戰軍，李小斌.交通燈控制系統的設計與仿真[J].海南大學學報（自然科學版），2014（4）：334-339.

[3]王姝，郭昱，武麗云.基于ATmega328P_PU智能開關燈控制器的設計[J].機電工程技術，2016（12）：15-18，57.

[4]吳振羞，劉孝趙.74HC595在單片機控制多位數碼管中的應用[J].科技廣場，2013（5）：174-176.

[5]葉軍.基于AVR單片機的數據采集系統的設計[J].大眾科技，2013（9）..15-16，3.

[6]沈建良，趙文宏，賈玉坤ATmegal28單片機入門與提高[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.endprint