帶流量監(jiān)控的交通燈模擬控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張迎春 張 雷 王彩鳳 孫雪蕾

（1.江蘇航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鎮(zhèn)江 212134；2.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院鎮(zhèn)江分院 機(jī)電工程系，鎮(zhèn)江 212013）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的不斷發(fā)展，人們的生活水平得到了很大提高。私家車是現(xiàn)如今家庭出行的主要工具。隨著各個(gè)城市私家車數(shù)量的暴增，道路擁堵成為每天特別是早晚上下班時(shí)段的突出問題[1-3]。城市道路最主要的交通秩序維護(hù)方式是交通燈。很多交叉路口不同時(shí)段不同干道的車流量不同，但普通的交通燈提前設(shè)置在路口，總會(huì)出現(xiàn)同一時(shí)段車流量大、車輛擁堵的路口亮紅燈，而車流量小甚至沒有車輛的路口確亮綠燈的情況，導(dǎo)致道路通行率偏低。

交叉路口車輛通行率的提升是整個(gè)城市交通需要首先解決的問題。現(xiàn)有的交通信號(hào)燈只設(shè)置不同時(shí)段主次干道的固定時(shí)間，但具體車流下交通信號(hào)并不能實(shí)時(shí)調(diào)整[4]。因而，設(shè)計(jì)帶流量監(jiān)控的交通燈控制系統(tǒng)能夠解決由于流量不均而造成的擁堵問題。本文主要以單片機(jī)為控制器件，設(shè)計(jì)了一款模擬帶流量監(jiān)控的交通燈控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)在不同流量情況下實(shí)時(shí)調(diào)整交通信號(hào)的功能。

1 硬件設(shè)計(jì)

帶流量監(jiān)控的交通燈模擬控制系統(tǒng)包括按鍵控制單元、車流量傳感器、控制器芯片、交通信號(hào)燈顯示單元、時(shí)間顯示單元以及用于供電的電源模塊等[5]，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 帶流量監(jiān)控的交通燈模擬控制系統(tǒng)框圖

1.1 按鍵控制單元

按鍵控制單元主要包括系統(tǒng)啟停控制、時(shí)間設(shè)置1和時(shí)間設(shè)置2共3個(gè)按鍵，分別與單片機(jī)芯片的輸入端P1.0、P1.1和P1.2相連，功能為向單片機(jī)發(fā)出啟停控制和時(shí)間設(shè)置信號(hào)。在系統(tǒng)停止?fàn)顟B(tài)下按下啟停鍵，系統(tǒng)開始工作。在系統(tǒng)工作狀態(tài)下按下啟停鍵，系統(tǒng)停止工作。此時(shí)，時(shí)間設(shè)置1和時(shí)間設(shè)置2有效，可以分別設(shè)置南北、東西道路的綠燈時(shí)間，時(shí)間設(shè)置范圍為2～99 s。每按下一次設(shè)置鍵，對(duì)應(yīng)的倒計(jì)時(shí)時(shí)間加1 s。設(shè)置結(jié)束后，按下啟停鍵，系統(tǒng)開始監(jiān)控車流量，并按照設(shè)置時(shí)間指示交通信號(hào)。按鍵單元采用的是機(jī)械按鍵與單片機(jī)控制芯片連接的方式，觸點(diǎn)自動(dòng)彈回，按下、彈回兩個(gè)狀態(tài)分別反饋低電平和高電平，對(duì)應(yīng)于控制芯片運(yùn)算邏輯下的“0”和“1”。

因?yàn)樗械臋C(jī)械按鍵在按下和回彈的過程中都會(huì)有機(jī)械抖動(dòng)，所以要對(duì)機(jī)械按鍵進(jìn)行消抖動(dòng)處理。一般消抖動(dòng)方式有硬件和軟件兩種。硬件消抖動(dòng)主要在按鍵與控制芯片之間加裝延時(shí)電路，在控制芯片接收按鍵信號(hào)后進(jìn)行延時(shí)處理，從而防止芯片受抖動(dòng)影響而作出誤判斷。軟件消抖動(dòng)主要是在控制芯片檢測(cè)到按鍵信號(hào)后采用延時(shí)10 ms的程序，使控制器的檢測(cè)避開抖動(dòng)過程后再進(jìn)行判定，從而避免誤操作。本設(shè)計(jì)采用軟件實(shí)現(xiàn)消抖動(dòng)，可簡(jiǎn)化硬件電路，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 傳感器單元

傳感器單元采用4個(gè)鈕子開關(guān)進(jìn)行模擬，分別與控制器（單片機(jī)）的P1.4、P1.5、P1.6和P1.7連接。其中：傳感器1和傳感器2為主干道流量傳感器；傳感器3和傳感器4為次干道流量傳感器。當(dāng)傳感器1和傳感器2同時(shí)輸出高電平時(shí)，說明此時(shí)主干道流量大；當(dāng)傳感器1和傳感器2輸出的高低電平不一致時(shí)，說明此時(shí)主干道車流量正常或者很小；當(dāng)傳感器1和傳感器2同時(shí)輸出低電平時(shí)，說明此時(shí)主干道沒有車流量。同理，當(dāng)傳感器3和傳感器4同時(shí)輸出高電平時(shí)，說明此時(shí)次干道流量大；當(dāng)傳感器3和傳感器4輸出的高低點(diǎn)平不一致時(shí)，說明此時(shí)次干道車流量正常或者很小；當(dāng)傳感器3和傳感器4同時(shí)輸出低電平時(shí)，說明此時(shí)次干道沒有車流量。

1.3 控制器

本設(shè)計(jì)采用的控制器為STC15F2K60S2型單片機(jī)，主要功能和結(jié)構(gòu)如下：每個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期為1個(gè)機(jī)器周期；具有在系統(tǒng)可編程和在應(yīng)用可編程功能；系統(tǒng)內(nèi)部具備可靠性高的復(fù)位功能，具備可選復(fù)位門檻電壓共8級(jí)，外圍復(fù)位電路可以被省略；具有60 kB Flash只讀存儲(chǔ)器鏡像（Read Only Memory image，ROM）和2018 BS隨機(jī)存儲(chǔ)器（Random Access Memory，RAM）；1 kB數(shù)據(jù)Flash帶電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，EEPROM）的可擦寫次數(shù)達(dá)到10萬次以上；具有6個(gè)定時(shí)器（2個(gè)16位T0/T1，1個(gè)T2，3路CCP可提供3個(gè)定時(shí)器）和2個(gè)全雙工異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receiver Transmitter，UART），可以高效處理輸入數(shù)據(jù)和控制外圍設(shè)備。

1.4 交通信號(hào)燈顯示單元

交通信號(hào)燈顯示單元使用3對(duì)發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）模擬紅、黃、綠三色燈。LED0、LED1和LED2模擬主干道信號(hào)燈，LED3、LED4和LED5模擬從干道信號(hào)燈分別與控制芯片的P3.0～P3.5連接。

1.5 時(shí)間顯示模塊

時(shí)間顯示模塊在交通信號(hào)燈系統(tǒng)中用于顯示信號(hào)狀態(tài)的倒計(jì)時(shí)時(shí)間。該模塊利用8段共陽極數(shù)碼管、8×100 Ω的排阻、9012晶體管放大器、2塊數(shù)字芯片74LS377組成單元以及2組數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)，分別模擬主從干道信號(hào)燈的倒計(jì)時(shí)顯示屏的功能。其中：數(shù)碼管的段控端由系統(tǒng)總線連接；數(shù)碼管的8段段控端通過8×100 Ω的排阻引腳與一塊74LS377的輸出端連接；數(shù)碼管的位選端通過9012晶體管放大器與另一塊74LS377芯片輸出端連接；2塊74 LS377的8位輸入端分別對(duì)應(yīng)連接形成D0～D7端口，再分別與控制芯片的P0口連接；兩塊74 LS377芯片的觸發(fā)信號(hào)輸入端連接形成WR寫控制信號(hào)端口；使能端分別引出形成段選控制端CS1和位選控制端CS2，再分別連接到P2.0～P2.2端口，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制芯片對(duì)時(shí)間顯示單位的位控和段控。

2 軟件設(shè)計(jì)

帶流量監(jiān)控的交通燈模擬控制系統(tǒng)工作原理流程，如圖2所示。上電并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置后，用戶可以通過按鍵控制單元設(shè)置主從干道的倒計(jì)時(shí)時(shí)間，其中每按一次加時(shí)間1 s。如果不設(shè)置，默認(rèn)綠燈時(shí)間為10 s，系統(tǒng)初始狀態(tài)為主干道時(shí)間顯示10 s，次干道時(shí)間顯示12 s，黃燈閃爍時(shí)間默認(rèn)為2 s。啟動(dòng)系統(tǒng)后，根據(jù)流量監(jiān)控狀態(tài)自動(dòng)運(yùn)行交通信號(hào)控制。

當(dāng)主從干道流量狀態(tài)一致（即都很大、都沒有流量、都正常或很小）時(shí)，默認(rèn)從主干道綠燈開始倒計(jì)時(shí)顯示，從干道此時(shí)顯示紅燈。綠燈12 s倒計(jì)時(shí)結(jié)束后，主干道綠燈熄滅，黃燈閃爍2 s后切換到從干道綠燈倒計(jì)時(shí)顯示。此時(shí)主干道紅燈點(diǎn)亮，其他燈熄滅，從干道10 s倒計(jì)時(shí)結(jié)束后黃燈閃爍2 s。主從干道信號(hào)燈顯示循環(huán)切換。

當(dāng)兩個(gè)干道車流量檢測(cè)狀態(tài)不相同時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)調(diào)節(jié)控制紅綠燈的時(shí)間。當(dāng)主干道車流量檢測(cè)指示車流量很大而從干道車流量為正常或者很小時(shí)，正在進(jìn)行的交通信號(hào)狀態(tài)不變，在下一輪交通信號(hào)切換時(shí)主干道綠燈時(shí)間加5 s；當(dāng)次干道流量很大而主干道流量很小或正常時(shí)，下一輪切換時(shí)次干道綠燈時(shí)間加5 s；當(dāng)主干道流量很大而次干道沒有流量時(shí)，則提前結(jié)束當(dāng)前信號(hào)狀態(tài)，主干道綠燈常亮，次干道紅燈常亮，沒有黃燈閃爍狀態(tài)；當(dāng)次干道流量很大而主干道沒有流量時(shí)，則次干道綠燈常亮，主干道紅燈常亮。

在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，如果按下啟停控制鍵，則系統(tǒng)停止工作，回到初始化狀態(tài)。帶流量監(jiān)控的交通燈模擬控制模型如圖3所示。

圖3 帶流量監(jiān)控的交通燈模擬控制模型

3 結(jié)語

本文主要介紹了一種以STC15F2K60S2型單片機(jī)為控制芯片的帶流量監(jiān)控交通燈的設(shè)計(jì)過程。采用傳感器判斷道路車流量的狀態(tài)，然后將所得信號(hào)輸出到控制芯片判定，并能夠作出交通燈正常指示、綠燈延長(zhǎng)時(shí)間或者擁堵路段綠燈常亮等處理，且交通信號(hào)狀態(tài)及倒計(jì)時(shí)顯示能夠?qū)崟r(shí)更新。通過實(shí)驗(yàn)實(shí)踐驗(yàn)證，該系統(tǒng)硬件安裝簡(jiǎn)單，軟件設(shè)計(jì)合理，系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性以及性價(jià)比都較高，具有良好的實(shí)踐意義，既可以用于實(shí)踐教學(xué)，也可以推廣到實(shí)際應(yīng)用中。