趙正陽(yáng) 梁一鋒 張雨帥

摘? ?要：隨著私家車的不斷增加，傳統(tǒng)的交通控制系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足路口交通的需要，因此，交通控制系統(tǒng)正朝著智能化、低成本化方向不斷發(fā)展。文章完成了以STC89C51單片機(jī)為控制核心的十字路口交通控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)交通系統(tǒng)，除了包括車輛信號(hào)燈指示模塊、人行道通行指示燈模塊、計(jì)時(shí)模塊以外，還包括了緊急按鍵模塊、通行時(shí)間加減模塊、紅外遙控模塊、行人闖紅燈報(bào)警模塊。除了能簡(jiǎn)潔、直觀地顯示十字路口的通行規(guī)則，提高車輛和行人的通行效率外，系統(tǒng)還具有一定的可擴(kuò)展性，將進(jìn)一步提高十字路口的交通安全和通行效率。

關(guān)鍵詞：交通控制;單片機(jī);人行道;計(jì)時(shí)

我國(guó)修建道路的水平越來(lái)越高，路也越修越多，道路交通早已與每一個(gè)個(gè)體休憩相關(guān)，人們的日常生活、工作、學(xué)習(xí)都離不開(kāi)交通這一活力動(dòng)脈。隨著道路的建設(shè)，道路擁堵問(wèn)題也逐漸成為城市發(fā)展的桎梏，限制了城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1]，所以道路交通控制系統(tǒng)的發(fā)展勢(shì)在必行。進(jìn)入21世紀(jì)，信號(hào)燈系統(tǒng)已經(jīng)將車輛、行人，甚至一些地面軌道交通整合。人們對(duì)交通出行效率的要求越來(lái)越高，因此交通控制系統(tǒng)的發(fā)展仍然不可或缺。在電氣化時(shí)代，一些微型控制系統(tǒng)的出現(xiàn)極大地促進(jìn)了交通系統(tǒng)的發(fā)展。交通系統(tǒng)正朝著數(shù)字化、功率化、多樣化的方向發(fā)展，根據(jù)道路現(xiàn)狀車流分析進(jìn)行通行策略的制定，是交通史上的重大變革，所以在交通系統(tǒng)中嵌入智能管理系統(tǒng)具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義[2]。

1? ? 設(shè)計(jì)方案

本嵌入式交通控制系統(tǒng)在十字路口各個(gè)不同的方向分別設(shè)置交通燈，用紅燈代表禁止通行、黃燈代表等待、綠燈代表允許通行。除了直行信號(hào)燈外，在東南西北4個(gè)方向還各設(shè)置左拐信號(hào)燈一個(gè)（共4個(gè)）。4個(gè)兩位一體共陰極數(shù)碼管來(lái)分別顯示不同個(gè)方向的左拐、禁止、允許通過(guò)時(shí)間。正常工作時(shí)一個(gè)工作周期分為8個(gè)狀態(tài)。其中狀態(tài)0到狀態(tài)3與狀態(tài)4到狀態(tài)7過(guò)程一致，將南北方向定義為方向1，東西方向定義為方向2，下面給出狀態(tài)0到狀態(tài)3。

狀態(tài) 0 時(shí)：方向1的車輛和行人可以直行，方向2的車輛禁止通行;

狀態(tài) 1 時(shí)：方向1黃燈開(kāi)始亮起，方向2禁止通行;

狀態(tài) 2 時(shí)：方向1允許車輛左轉(zhuǎn)，兩個(gè)方向均禁止直行;

狀態(tài) 3 時(shí)：方向1黃燈開(kāi)始亮起，方向2禁止通行。

人行道的通行狀態(tài)與相同方向的車輛直行方向通行狀態(tài)相一致。當(dāng)某一方向車輛允許直行時(shí)，那么相同方向（由南向北或者由北向南）的兩條人行道也允許通行，否則該向人行道禁止通行。當(dāng)檢測(cè)到行人闖紅燈時(shí)，設(shè)置行人闖紅燈警示燈閃爍。正常情況下，交通燈從狀態(tài)0漸漸的向狀態(tài)7轉(zhuǎn)移循環(huán)，構(gòu)成了交通燈的正常工作模式?？梢詫?duì)當(dāng)前數(shù)碼管顯示的時(shí)間進(jìn)行加減。緊急模式的開(kāi)啟有兩種方式，一種是通過(guò)交警手中的紅外遙控器緊急按鍵按下后車輛和行人都禁止通行[3-4]，或者在十字路口中心的交通指揮亭中設(shè)置緊急模式按鍵。交通系統(tǒng)示意如圖1所示。

2? ? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件電路為了設(shè)置車輛的直行、左轉(zhuǎn)的信號(hào)燈與倒計(jì)時(shí)顯示，設(shè)置人行道上的通行信號(hào)，設(shè)置緊急模塊、通行時(shí)間加減模塊、紅外遙控模塊、行人闖紅燈報(bào)警模塊[5]，采用模塊化設(shè)計(jì)思想將系統(tǒng)分為主控模塊、車輛信號(hào)燈模塊、人行道信號(hào)燈模塊、驅(qū)動(dòng)電路、按鍵模塊等。在同一時(shí)間上東西、南北兩組方向只能有一組方向允許通行。車輛指示模塊由16個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成，行人通行指示模塊由16個(gè)發(fā)光二極管來(lái)顯示通行、禁止。倒計(jì)時(shí)模塊由4個(gè)8位數(shù)碼管來(lái)顯示等待或者通行時(shí)間。4個(gè)按鍵分別來(lái)控制復(fù)位操作、緊急模式操作、數(shù)碼管時(shí)間加減。行人闖紅燈報(bào)警模塊通過(guò)設(shè)置在人行道道口的對(duì)射式紅外傳感器進(jìn)行檢測(cè)，并且通過(guò)警報(bào)燈顯示是否有人闖紅燈。單片機(jī)交通控制系統(tǒng)的組成模塊如圖2所示。

3? ? 軟件設(shè)計(jì)

3.1? 程序流程

程序的好壞主要體現(xiàn)在其功能性和邏輯性上。能完整、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)要求的功能是最基本的要求。邏輯性同樣重要，一個(gè)邏輯清楚的程序在編寫(xiě)、調(diào)試、修改時(shí)都能起到事半功倍的作用。程序易于調(diào)試和修改，能夠降低軟件故障率、提高軟件的可靠性[6]。在程序編寫(xiě)完成后使用Keil軟件來(lái)進(jìn)行編譯修改，最后進(jìn)行仿真。首先進(jìn)行單片機(jī)初始化，初始化定時(shí)器T0，將各LED置低電平。其次，判斷是否有人闖紅燈，然后掃描紅外遙控器和交通指揮亭中的緊急按鍵。如果按下就進(jìn)入緊急模式，如果未按下就保持正常模式。在緊急模式中判斷復(fù)位按鍵是否按下，如果按下則進(jìn)入正常模式，否則一直保持緊急模式，程序的流程圖如圖3所示。

3.2? 相關(guān)子程序

3.2.1? 單片機(jī)初始化子程序

軟件延時(shí)和定時(shí)器都可以用來(lái)定時(shí)，但是單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器要比軟件延時(shí)要精準(zhǔn)得多。所以在通常情況下軟件延時(shí)一般用于對(duì)時(shí)間精準(zhǔn)度不高的地方，其作用相當(dāng)于NOP延時(shí)函數(shù)用來(lái)給程序執(zhí)行反應(yīng)時(shí)間?？紤]到本系統(tǒng)需要高精度定時(shí)，因此使用了設(shè)定為工作方式1的定時(shí)器來(lái)定時(shí)。

定時(shí)器的設(shè)定與幾個(gè)寄存器相關(guān)，在EA中開(kāi)啟中斷允許包括總中斷和定時(shí)器中斷。然后設(shè)定定時(shí)器的初值，最后打開(kāi)中斷允許。以上操作是在程序初始化中設(shè)置，器的初值的兩種表示方式如下：

（1）t=（216-初值X）×機(jī)器周期（求X后換算成16進(jìn)制）。

（2）或者直接將（216-時(shí)間）的值進(jìn)行求商和余數(shù)。

3.2.2? 數(shù)碼管顯示程序

將這4位數(shù)碼管的控制端與P2相連來(lái)決定哪一位亮。在宏定義中已經(jīng)將對(duì)應(yīng)數(shù)字的段選碼放入了數(shù)組當(dāng)中。所以將數(shù)字對(duì)10的商就是十位數(shù)字的下標(biāo)，通過(guò)下標(biāo)在數(shù)組里找出對(duì)應(yīng)的數(shù)字來(lái)賦值給數(shù)碼管。同理將倒計(jì)時(shí)的數(shù)字對(duì)10的余數(shù)，就是個(gè)位時(shí)間的下標(biāo)。

3.2.3? 中斷函數(shù)

在本設(shè)計(jì)中用到了一個(gè)定時(shí)中斷源，為該中斷設(shè)置一個(gè)初值t秒，所以每記滿t秒就會(huì)調(diào)用一次中斷子程序。在中段子程序中實(shí)現(xiàn)的功能有兩個(gè)，分別是使車輛通行黃燈亮?xí)r黃燈能夠閃爍并且是數(shù)碼管顯示倒計(jì)時(shí)時(shí)間每隔1 s減1。在實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能時(shí)最重要的是要在定時(shí)器溢出之后，在中斷子程序中對(duì)t0重新賦值。以count來(lái)計(jì)算中斷次數(shù)在中斷函數(shù)中每次中斷執(zhí)行count++操作，來(lái)累加初值t秒。在中斷函數(shù)中判斷當(dāng)時(shí)間為0.5 s時(shí)執(zhí)行黃燈取反，當(dāng)計(jì)時(shí)為1 s時(shí)執(zhí)行數(shù)碼管減一，并且將count清0。

3.2.4? 按鍵子程序

使用者和單片機(jī)的直接交流除了代碼的修改之外就是通過(guò)硬件電路里的按鍵了。用戶按下按鍵后，單片機(jī)系統(tǒng)就會(huì)獲得相應(yīng)的鍵值，并執(zhí)行相應(yīng)的命令程序。按鍵部分的軟件設(shè)計(jì)主要是對(duì)51單片機(jī)進(jìn)行編程，從而能夠成功地讀取按鍵，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。在正常模式按鍵按下后要將初值重新賦值給各數(shù)碼管，并且可以通過(guò)按鍵來(lái)改變東西、南北方向允許通行的時(shí)間減少擁堵[7-8]。

緊急模式下，考慮到事故車輛的通過(guò)。在緊急按鍵按下時(shí)，各個(gè)方向均亮紅燈包括人行道，方便處理事故，或者讓救護(hù)車、救火車等車輛快速通過(guò)。

4? ? 軟件仿真

在Proteus中選擇完合適的元器件之后，將其按設(shè)計(jì)進(jìn)行引腳連接。在連接完成后，將.hex文件添加到芯片中進(jìn)行仿真。整個(gè)過(guò)程分為8個(gè)狀態(tài)，且前4個(gè)與后4個(gè)狀態(tài)相似，正常模式的前4個(gè)狀態(tài)如圖4所示。

當(dāng)遙控器或者交通指揮亭中緊急按鍵按下，緊急模式如圖5所示。

5? ? 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單高效、低成本，可以很好地指揮路口交通。隨著嵌入式的高速發(fā)展，人們的生活變得越來(lái)越方便、高效。未來(lái)的交通燈將變得更加智能，自我學(xué)習(xí)的人工智能也將逐漸地加入到交通控制系統(tǒng)當(dāng)中。將人工智能與車流量計(jì)算、安全警告相結(jié)合，將使得道路安全問(wèn)題得到解決。