基于單片機控制的太陽能交通信號燈系統的設計

廣東省河源技師學院 吳清華

太陽能交通信號燈系統是一種將太陽能轉換成電能的信號指示產品。它由太陽能電池組、太陽能控制器、免維護蓄電池、交通信號燈以及交通信號燈控制器等主要部件組成。與普通信號燈相比，太陽能交通信號燈更環保、節電，因具有蓄電功能，在安裝時不需要鋪設信號電纜，可以有效避免施工造成斷電等情況的發生，因此得到了越來越廣泛的應用。

1.系統設計方案

太陽能交通信號燈系統由太陽能電池、充放電控制器、蓄電池、交通信號燈、交通信號燈控制器等構成。太陽能電池是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉化成電能的裝置，其作用是將太陽能轉化為電能，或送往蓄電池中存儲起來；太陽能控制器的作用是控制整個系統的工作狀態，并對蓄電池起到過充電保護、過放電保護的作用；蓄電池的作用是在有光照時將太陽能電池板所發出的電能儲存起來，到需要的時候再釋放出來；本系統中的交通信號燈采用耗電小、亮度高、體積小、重量輕、壽命長的LED(發光二極管)燈，更節能環保；太陽能交通信號燈控制器主要由單片機、場效應管、三極管、數碼管、按鍵等部分組成。系統框圖如圖1所示。

圖1 太陽能交通信號燈系統框圖

太陽能交通信號燈工作過程中，在太陽能電池控制器的作用下，太陽能電池給蓄電池充電，而蓄電池為太陽能交通信號燈控制器和信號燈提供工作電源。下面重點介紹太陽能交通信號燈系統核心部分控制電路的設計。

2.太陽能交通信號燈控制電路的設計

太陽能交通信號燈控制電路主要由電源電路、單片機最小系統、按鍵電路和驅動電路等組成，電路方框圖如圖2所示。

圖2 太陽能交通信號燈控制器電路方框圖

（1）電源電路

電源電路如圖3所示。該電路是在單片機系統中常用的穩壓電源電路，電路中常用三端穩壓器LM7805作為5V電源穩壓元件，在穩壓元件U2輸入輸出端分別接入100μF電解電容C21、C22用于濾波，輸出端接發光二極管D21作為電源指示燈，在限流電阻R21的作用下保持正常工作。

圖3 太陽能交通信號燈控制器電源電路

（2）單片機最小系統

單片機最小系統是指用最少元件來組成的單片機可以工作的系統，主要由電源、復位電路及時鐘電路組成，如圖4所示。

圖4 單片機最小系統

（3）按鍵電路

在本設計中由于按鍵不是太多，故采用獨立按鍵法，這樣可以減小編程的難度，圖5為本設計的按鍵接線圖。

圖5 獨立按鍵電路

（4）驅動電路

在整個系統驅動電路部分，主要考慮交通信號LED燈的驅動和雙位數碼管顯示驅動，在這里分別選用場效應管K2645驅動電路和9012三極管驅動電路，如圖6所示。

3.系統軟件設計

交通信號控制系統設置在十字路口，負責東西及南北方向的車輛行駛交通信號指示。系統將東西方向的交通信號燈分為一組，而南北方向的交通信號燈為另一組。每組路口分別有三種信號燈：紅色信號燈禁止車輛通行，黃色信號燈警告通行車輛，綠色信號燈允許車輛通行。因此本系統的交通信號燈共有4種信號燈顯示狀態。該4種狀態如表1所示。

圖6 驅動電路

表1 交通燈的4種狀態狀態

當太陽能交通信號燈控制系統工作時，系統默認設置南北方向通行綠燈10秒、黃燈5秒、紅燈25秒，東西方向通行綠燈20秒、黃燈5秒、紅燈15秒。然后交通信號燈進入工作狀態S1，即南北方向綠燈亮，東西方向紅燈亮，計時1 0秒；執行完狀態S1后進入狀態S2，即南北方向黃燈亮，東西方紅燈亮，計時5秒；然后進入狀態S3，即東西方向綠燈亮，南北方向紅燈亮，計時20秒；最后進入狀態S4，即東西方向黃燈亮，南北方向紅燈亮，計時5秒，重復循環如上過程。系統的主程序流程圖如圖7所示。

圖7 太陽能交通信號燈的主程序流程圖

圖8 太陽能交通信號燈的仿真效果圖

4.系統仿真與調試

（1）系統仿真

仿真開始，南北路口為綠燈，數碼管從10開始倒計時，東西方向為紅燈，數碼管從15秒開始倒計時。仿真效果如圖8所示。

（2）系統調試

1）檢查電路是否正常

當焊接完成一個電路時，首先要做的是檢查電路是否焊接的正確，有沒有出現短路或者是虛焊的情況，因為不管是誰都無法保證每次焊完電路都是百分之百成功的，只有經過不斷的檢查與修改才能最終成功完成一個電路。

先把萬用表調到蜂鳴檔，如果電路短路，那么萬用表會發出警告聲。先檢測電源和地有沒有短路，單片機的20腳接地，40腳接電源。當把紅黑表筆接到單片機的20腳和40腳的時候，萬用表沒有發出警告聲說明正常，沒有短路。然后檢查所有的電源或者所有的地是否已經成功接上，如果萬用表發出警告聲說明電源或者地之間已經確保成功接上，那么就可以接上電源。

當按下開關之后，如果電路板沒有反應要立刻關掉電源然后檢查芯片有沒有熱，否則可能會燒壞芯片。

2）調試結果

按下功能鍵K1可對黃燈閃爍或正常工作模式進行切換。首次按下K2鍵時，選擇調整南北綠燈通行時間，這時可通過K3鍵進行調整時間；再次按下K2鍵，選擇調整東西綠燈通行時間，同樣可通過K3鍵進行調整；第三次按下K2鍵時，時間設置結束，控制器按照最新設置的時間開始工作。調試效果如圖9所示。

圖9 太陽能交通信號燈控制器電路調試

5.結語

本文采用太陽能和LED光源, 設計了一款功耗低、壽命長、指示多樣的交通信號燈。確定了系統的整體設計方案，編寫程序并實現了單片機控制的太陽能交通信號燈系統設計。整個系統的硬件控制電路簡單,可降低生產成本,采用單片機可提高系統的可靠性和穩定性,縮小系統的體積，調試和維護方便,同時在實際應用中并可根據具體情況修改程序中的參數，以達到更好的效果。總之，隨著現在技術與科技的不斷提升，太陽能交通信號燈的使用會越來越普遍，新型的太陽能交通設施產品也層出不窮，太陽能交通燈作為一種綠色環保的節能LED信號燈一直是交通路上的標桿，為道路交通安全做出貢獻。

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