摘 要：設(shè)計(jì)中采用了AT89S51單片機(jī)作為中心控制器，通過(guò)傳感器對(duì)車(chē)流量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器將數(shù)據(jù)傳送給控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和比較，根據(jù)具體的車(chē)流量設(shè)計(jì)出信號(hào)燈時(shí)長(zhǎng)控制系統(tǒng)，使交通信號(hào)燈可根據(jù)車(chē)流量大小來(lái)改變時(shí)長(zhǎng)，并設(shè)計(jì)出一套硬件電路和對(duì)應(yīng)的軟件程序。城市紅綠燈裝置能有效的改善十字路口的交通擁堵情況。

關(guān)鍵詞：A/D轉(zhuǎn)換；時(shí)長(zhǎng)；AT89S51

中圖分類(lèi)號(hào)：TN911 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著國(guó)民生活水平的提高，城市化進(jìn)程不斷地加速，國(guó)內(nèi)汽車(chē)的數(shù)量日益增長(zhǎng)，車(chē)流量大，交通信號(hào)燈時(shí)間設(shè)置與安排不貼切實(shí)際等問(wèn)題，使交通擁堵成為人們出行不可避免的問(wèn)題，精確的紅綠燈設(shè)置也是有效的措施之一。

1 需求分析和系統(tǒng)目標(biāo)

路上的汽車(chē)越來(lái)越多，技術(shù)工藝不斷地變革，交通燈裝置也需要不斷地創(chuàng)新，我國(guó)路面交通還是存在著擁堵的問(wèn)題，對(duì)于交通信號(hào)燈的研究還存在著很大的空間。設(shè)計(jì)前期多次調(diào)查十字路口的車(chē)流量情況，利用傳感器對(duì)路面車(chē)輛情況進(jìn)行多次數(shù)據(jù)采集與捕捉，將采集的數(shù)據(jù)傳送給控制中心進(jìn)行分析。設(shè)計(jì)出系統(tǒng)所需要各項(xiàng)功能，尤其時(shí)長(zhǎng)控制功能。

為此，我們提出系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總目標(biāo)，即“實(shí)用、可靠、穩(wěn)定、環(huán)保”。能夠有效地管理道路交通情況，提高十字交叉路口的通行效率，降低因交通信號(hào)燈而導(dǎo)致的事故。同時(shí)，降低紅綠燈系統(tǒng)癱瘓的概率。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)需求分析，設(shè)計(jì)一個(gè)交通燈時(shí)長(zhǎng)實(shí)時(shí)控制模擬裝置，采用AT89S51單片機(jī)作為主控芯片，直接控制紅綠燈3種信號(hào)燈的顯示、時(shí)間的顯示、LED狀態(tài)指示、蜂鳴電路、按鍵電路和時(shí)長(zhǎng)控制模塊等功能部件，并且交通信號(hào)燈能根據(jù)路面交通的實(shí)際情況而自動(dòng)調(diào)節(jié)通行時(shí)間，進(jìn)而有效地控制路面通行情況。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 顯示電路

硬件電路的顯示部分是由數(shù)碼管顯示電路與LED顯示電路共同組成，兩者皆是硬件電路中不可缺少的重要組成部分。LED是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見(jiàn)光的器件?？梢赃x擇紅黃綠3種顏色作為十字路口交通燈，同時(shí)能使系統(tǒng)更具有展示效果，使人一目了然。硬件電路中安裝了4個(gè)數(shù)碼管顯示電路，分別為東西南北方向，相當(dāng)于實(shí)際交通的紅綠燈，完成系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)功能的顯示作用。

3.2 蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路

設(shè)計(jì)中采用了蜂鳴器作為驅(qū)動(dòng)，主要用于發(fā)聲報(bào)警作用，通過(guò)單片機(jī)控制蜂鳴器電路，將蜂鳴器接上1.5V～15V直流電壓，蜂鳴器可以開(kāi)始工作了，當(dāng)有車(chē)輛或行人越過(guò)紅外傳感器時(shí)，輸出1.5kHz～2.5kHz的音頻信號(hào)，蜂鳴器便會(huì)發(fā)出警報(bào)。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 程序整體流程

系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)分為七大模塊：狀態(tài)燈控制程序，車(chē)流量計(jì)數(shù)程序，定時(shí)中斷程序，緊急模式程序，紅綠燈時(shí)間控制程序，鍵盤(pán)設(shè)置處理程序，LED顯示程序。如圖1所示。

當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始后，首先判斷是否是特殊情況，若是特殊情況，則東西南北方向均只有紅燈亮起；若不是特殊情況，則進(jìn)入下一步驟。其次判斷是否為緊急情況，若是緊急情況，則再進(jìn)行東西方向還是南北方向判斷；若不是緊急情況，則進(jìn)入下一步驟。然后判斷是否為夜間模式，若是夜間模式，則東西南北各個(gè)方向均只有紅燈閃爍；若不是夜間模式，則進(jìn)入下一步驟。最后進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)控制，由傳感器收集到路面交通信息，通過(guò)傳感器傳送給單片機(jī)處理，處理完成后將具體的時(shí)長(zhǎng)控制信息存儲(chǔ)起來(lái)，在下一輪交通燈循環(huán)中得以應(yīng)用。將四大步驟處理完了之后，進(jìn)入交通信號(hào)燈進(jìn)入循環(huán)中。循環(huán)結(jié)束之后，再回到開(kāi)始位置，重新執(zhí)行整個(gè)系統(tǒng)程序。

4.2 車(chē)流量計(jì)數(shù)模塊

在軟件程序設(shè)計(jì)中，由傳感器組成最初的信號(hào)采集部分。首先通過(guò)傳感器輸出信號(hào)并送入A/D轉(zhuǎn)換器中，由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。然后由A/D轉(zhuǎn)換器將轉(zhuǎn)換完的數(shù)字送入AT89S51單片機(jī)中，進(jìn)行分析與處理。最后將處理的結(jié)果保存在AT89S51單片機(jī)自身的微型計(jì)算機(jī)處理器中。

這一模塊的設(shè)計(jì)尤其重要，通過(guò)對(duì)車(chē)流量的準(zhǔn)確計(jì)數(shù)，可以判斷當(dāng)前交通狀況，在這個(gè)模塊中，傳感器主要收集實(shí)時(shí)車(chē)流數(shù)據(jù)，通過(guò)傳感器捕捉到信息，在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮著收集數(shù)據(jù)的作用，單片機(jī)接收傳遞過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析處理，后臺(tái)進(jìn)行程序的編寫(xiě)，就好像是人類(lèi)的大腦，能自動(dòng)處理與分析數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)這個(gè)系統(tǒng)智能化的目的。

通過(guò)這一模塊的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可以根據(jù)當(dāng)前車(chē)數(shù)量多少，能夠自動(dòng)調(diào)整紅、綠、黃3個(gè)燈的閃爍時(shí)間，以確保當(dāng)前道路的暢通。

當(dāng)來(lái)自傳感器采集來(lái)的信息，將保存于AT89C51單片機(jī)儲(chǔ)存器中，應(yīng)用于下一輪的時(shí)間調(diào)控。第一輪紅綠燈都結(jié)束后，第二輪交通燈的時(shí)長(zhǎng)開(kāi)始變化，通過(guò)這樣的方式，便可讓車(chē)輛多的方向通行時(shí)間增加，使得道路通行更加順暢。比如：第一輪默認(rèn)通行時(shí)間是20s，這時(shí)候等待車(chē)輛數(shù)大于等于10輛，第二輪通行時(shí)間將會(huì)增加5s，通行時(shí)間就變成為25s。通過(guò)這種方式使得交通信號(hào)燈的更加智能，而且道路通行方面更加順暢，因此，紅綠燈時(shí)間調(diào)整程序是車(chē)輛計(jì)數(shù)模塊的重要組成部分之一。

4.3 紅綠黃3個(gè)燈的設(shè)計(jì)模塊

設(shè)計(jì)中路面交通情況分為東西南北4個(gè)方向，各個(gè)方向都在路口安裝了顯示燈。通過(guò)顯示燈來(lái)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的處理結(jié)果，實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)燈的智能效果。與實(shí)際交通路面一樣，紅燈表示禁止通行，綠燈表示允許通行，黃燈表示警示狀態(tài)。紅綠燈狀態(tài)與通行情況，見(jiàn)表1。

在表1中，將實(shí)際交通狀態(tài)分為4種情況，分別是狀態(tài)1、狀態(tài)2、狀態(tài)3、狀態(tài)4。同一時(shí)刻只有一個(gè)狀態(tài)中通行，其他的3個(gè)狀態(tài)中禁止通行和等待變換。在狀態(tài)1下，南北方向通行，東西方向禁行，此時(shí)，東西方向的紅燈亮，黃燈和綠燈滅；南北方向的綠燈亮，紅燈和黃燈滅。其中狀態(tài)3的原理同狀態(tài)1一樣。在狀態(tài)2下，南北和東西方向都是等待轉(zhuǎn)換狀態(tài)，此時(shí)，東西的紅燈亮，黃燈和綠燈滅；南北方向的黃燈亮，綠燈和黃燈滅。其中狀態(tài)4的原理與狀態(tài)2一樣。通過(guò)以上這4種狀態(tài)，把實(shí)際的十字路口交通狀況模擬出來(lái)，并采取最優(yōu)的處理方式。

狀態(tài)燈時(shí)長(zhǎng)控制部分是該模塊設(shè)計(jì)的重要部分之一。狀態(tài)燈時(shí)長(zhǎng)控制程序就好比一座橋梁，狀態(tài)燈才可以從一個(gè)狀態(tài)跨越到另一個(gè)狀態(tài)。同時(shí)要使設(shè)計(jì)更加貼合實(shí)際，就必須將轉(zhuǎn)換燈有序地轉(zhuǎn)。時(shí)長(zhǎng)控制部分軟件的設(shè)計(jì)必須和硬件結(jié)合，根據(jù)傳感器檢測(cè)到的車(chē)流量信息，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理，再通過(guò)編寫(xiě)狀態(tài)燈控制程序，控制狀態(tài)燈能有序地轉(zhuǎn)換，紅黃綠燈都能有條有序的變換閃爍，進(jìn)而使得設(shè)計(jì)更加智能化。

通過(guò)編寫(xiě)軟件程序，準(zhǔn)確設(shè)置了交通燈的方向，同時(shí)設(shè)定了默認(rèn)初始值，東西方向?yàn)?0s，南北方向?yàn)?0s。當(dāng)紅綠燈裝置開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)，首先是默認(rèn)的3個(gè)燈的亮燈時(shí)間，然后根據(jù)系統(tǒng)接收到的車(chē)流量信息和交通情況進(jìn)行調(diào)整。

4.4 特殊模塊設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中有六大開(kāi)關(guān)功能模塊：南北通行開(kāi)關(guān)、東西通行開(kāi)關(guān)、特殊模式開(kāi)關(guān)、夜間通行開(kāi)關(guān)、車(chē)輛檢查開(kāi)關(guān)、復(fù)位開(kāi)關(guān)。在電路中由6個(gè)開(kāi)關(guān)按鍵控制。其中，特殊模式開(kāi)關(guān)尤為重要，當(dāng)開(kāi)啟特殊模式時(shí)，全部交通燈置紅燈，這項(xiàng)功能在實(shí)際交通中發(fā)揮非常重要的作用。例如，當(dāng)消防車(chē)、110急救車(chē)、執(zhí)行緊急任務(wù)的警車(chē)等緊急車(chē)輛通過(guò)時(shí)，特殊模式下，其他車(chē)輛全部停止，能使得緊急車(chē)輛快速地通過(guò)路口。在特殊模塊下還有緊急模式、夜間模式等，這些模式在實(shí)際應(yīng)用中起到了很大的作用。

結(jié)論

本文以C51為依托，結(jié)合proteus仿真電路和實(shí)物電路板，設(shè)計(jì)了一個(gè)交通信號(hào)燈時(shí)長(zhǎng)控制的模擬裝置。不但能根據(jù)道路車(chē)流量大小，為交通信號(hào)燈自動(dòng)調(diào)配時(shí)間，還可以根據(jù)路面情況，選擇不同控制模式。最大的亮點(diǎn)是設(shè)計(jì)了時(shí)長(zhǎng)控制模塊，可以根據(jù)實(shí)時(shí)路面車(chē)流量狀況，自動(dòng)調(diào)整紅黃綠三個(gè)燈的轉(zhuǎn)換時(shí)間，有效地改善了路面擁堵情況。這種裝置不僅可以用在大城市的十字路口，還可以應(yīng)用在小城市、縣城的路口。今后在交通燈上還會(huì)繼續(xù)研究。不斷地進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新。

參考文獻(xiàn)

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