帶流量監控的交通燈模擬控制系統設計

張迎春 張 雷 王彩鳳 孫雪蕾

（1.江蘇航空職業技術學院，鎮江 212134；2.江蘇聯合職業技術學院鎮江分院 機電工程系，鎮江 212013）

隨著我國經濟水平的不斷發展，人們的生活水平得到了很大提高。私家車是現如今家庭出行的主要工具。隨著各個城市私家車數量的暴增，道路擁堵成為每天特別是早晚上下班時段的突出問題[1-3]。城市道路最主要的交通秩序維護方式是交通燈。很多交叉路口不同時段不同干道的車流量不同，但普通的交通燈提前設置在路口，總會出現同一時段車流量大、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，導致道路通行率偏低。

交叉路口車輛通行率的提升是整個城市交通需要首先解決的問題?，F有的交通信號燈只設置不同時段主次干道的固定時間，但具體車流下交通信號并不能實時調整[4]。因而，設計帶流量監控的交通燈控制系統能夠解決由于流量不均而造成的擁堵問題。本文主要以單片機為控制器件，設計了一款模擬帶流量監控的交通燈控制系統，能夠實現在不同流量情況下實時調整交通信號的功能。

1 硬件設計

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

圖1 帶流量監控的交通燈模擬控制系統框圖

1.1 按鍵控制單元

按鍵控制單元主要包括系統啟?？刂?、時間設置1和時間設置2共3個按鍵，分別與單片機芯片的輸入端P1.0、P1.1和P1.2相連，功能為向單片機發出啟?？刂坪蜁r間設置信號。在系統停止狀態下按下啟停鍵，系統開始工作。在系統工作狀態下按下啟停鍵，系統停止工作。此時，時間設置1和時間設置2有效，可以分別設置南北、東西道路的綠燈時間，時間設置范圍為2～99 s。每按下一次設置鍵，對應的倒計時時間加1 s。設置結束后，按下啟停鍵，系統開始監控車流量，并按照設置時間指示交通信號。按鍵單元采用的是機械按鍵與單片機控制芯片連接的方式，觸點自動彈回，按下、彈回兩個狀態分別反饋低電平和高電平，對應于控制芯片運算邏輯下的“0”和“1”。

因為所有的機械按鍵在按下和回彈的過程中都會有機械抖動，所以要對機械按鍵進行消抖動處理。一般消抖動方式有硬件和軟件兩種。硬件消抖動主要在按鍵與控制芯片之間加裝延時電路，在控制芯片接收按鍵信號后進行延時處理，從而防止芯片受抖動影響而作出誤判斷。軟件消抖動主要是在控制芯片檢測到按鍵信號后采用延時10 ms的程序，使控制器的檢測避開抖動過程后再進行判定，從而避免誤操作。本設計采用軟件實現消抖動，可簡化硬件電路，提高系統的經濟效益。

1.2 傳感器單元

傳感器單元采用4個鈕子開關進行模擬，分別與控制器（單片機）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。當傳感器1和傳感器2同時輸出高電平時，說明此時主干道流量大；當傳感器1和傳感器2輸出的高低電平不一致時，說明此時主干道車流量正?；蛘吆苄。划攤鞲衅?和傳感器2同時輸出低電平時，說明此時主干道沒有車流量。同理，當傳感器3和傳感器4同時輸出高電平時，說明此時次干道流量大；當傳感器3和傳感器4輸出的高低點平不一致時，說明此時次干道車流量正?；蛘吆苄?；當傳感器3和傳感器4同時輸出低電平時，說明此時次干道沒有車流量。

1.3 控制器

本設計采用的控制器為STC15F2K60S2型單片機，主要功能和結構如下：每個系統時鐘周期為1個機器周期；具有在系統可編程和在應用可編程功能；系統內部具備可靠性高的復位功能，具備可選復位門檻電壓共8級，外圍復位電路可以被省略；具有60 kB Flash只讀存儲器鏡像（Read Only Memory image，ROM）和2018 BS隨機存儲器（Random Access Memory，RAM）；1 kB數據Flash帶電可擦可編程只讀存儲器（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，EEPROM）的可擦寫次數達到10萬次以上；具有6個定時器（2個16位T0/T1，1個T2，3路CCP可提供3個定時器）和2個全雙工異步收發傳輸器（Universal Asynchronous Receiver Transmitter，UART），可以高效處理輸入數據和控制外圍設備。

1.4 交通信號燈顯示單元

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

1.5 時間顯示模塊

時間顯示模塊在交通信號燈系統中用于顯示信號狀態的倒計時時間。該模塊利用8段共陽極數碼管、8×100 Ω的排阻、9012晶體管放大器、2塊數字芯片74LS377組成單元以及2組數碼管實現，分別模擬主從干道信號燈的倒計時顯示屏的功能。其中：數碼管的段控端由系統總線連接；數碼管的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位輸入端分別對應連接形成D0～D7端口，再分別與控制芯片的P0口連接；兩塊74 LS377芯片的觸發信號輸入端連接形成WR寫控制信號端口；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，進而實現控制芯片對時間顯示單位的位控和段控。

2 軟件設計

帶流量監控的交通燈模擬控制系統工作原理流程，如圖2所示。上電并對系統進行初始化設置后，用戶可以通過按鍵控制單元設置主從干道的倒計時時間，其中每按一次加時間1 s。如果不設置，默認綠燈時間為10 s，系統初始狀態為主干道時間顯示10 s，次干道時間顯示12 s，黃燈閃爍時間默認為2 s。啟動系統后，根據流量監控狀態自動運行交通信號控制。

當主從干道流量狀態一致（即都很大、都沒有流量、都正常或很?。r，默認從主干道綠燈開始倒計時顯示，從干道此時顯示紅燈。綠燈12 s倒計時結束后，主干道綠燈熄滅，黃燈閃爍2 s后切換到從干道綠燈倒計時顯示。此時主干道紅燈點亮，其他燈熄滅，從干道10 s倒計時結束后黃燈閃爍2 s。主從干道信號燈顯示循環切換。

當兩個干道車流量檢測狀態不相同時，系統將自動調節控制紅綠燈的時間。當主干道車流量檢測指示車流量很大而從干道車流量為正?；蛘吆苄r，正在進行的交通信號狀態不變，在下一輪交通信號切換時主干道綠燈時間加5 s；當次干道流量很大而主干道流量很小或正常時，下一輪切換時次干道綠燈時間加5 s；當主干道流量很大而次干道沒有流量時，則提前結束當前信號狀態，主干道綠燈常亮，次干道紅燈常亮，沒有黃燈閃爍狀態；當次干道流量很大而主干道沒有流量時，則次干道綠燈常亮，主干道紅燈常亮。

在系統運行過程中，如果按下啟?？刂奇I，則系統停止工作，回到初始化狀態。帶流量監控的交通燈模擬控制模型如圖3所示。

圖3 帶流量監控的交通燈模擬控制模型

3 結語

本文主要介紹了一種以STC15F2K60S2型單片機為控制芯片的帶流量監控交通燈的設計過程。采用傳感器判斷道路車流量的狀態，然后將所得信號輸出到控制芯片判定，并能夠作出交通燈正常指示、綠燈延長時間或者擁堵路段綠燈常亮等處理，且交通信號狀態及倒計時顯示能夠實時更新。通過實驗實踐驗證，該系統硬件安裝簡單，軟件設計合理，系統穩定性、可靠性以及性價比都較高，具有良好的實踐意義，既可以用于實踐教學，也可以推廣到實際應用中。