寧雪輝,段元梅

(湖南科技學(xué)院 智能制造學(xué)院,湖南 永州 425199)

1 背景及意義

交通信號(hào)控制機(jī)是城市交通控制調(diào)節(jié)的重要指揮管理系統(tǒng),它承載著維持城市道路交通秩序,緩解交通擁堵的重任[1-2]。在傳統(tǒng)的紅綠燈配時(shí)方案不能解決城市交通擁堵的形勢(shì)下,智能化信號(hào)控制器正為解決未來交通擁堵提供更多科學(xué)的解決方案[3]。

2 需求分析

2.1 設(shè)計(jì)的基本要求

基于單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)十字路口交通燈控制系統(tǒng),用于模擬道路十字路口交通燈實(shí)際運(yùn)行的場(chǎng)景。東西向、南北向依次進(jìn)行周期通行。默認(rèn)設(shè)置為東西向直行(綠燈)時(shí)間30秒,左轉(zhuǎn)(藍(lán)燈)時(shí)間15秒,南北向直行(綠燈)時(shí)間20秒,左轉(zhuǎn)(藍(lán)燈)時(shí)間10秒。每次直行(綠燈)變左轉(zhuǎn)(藍(lán)燈)和左轉(zhuǎn)(藍(lán)燈)變停車(紅燈)前,黃燈需先閃爍3秒,此3秒時(shí)長(zhǎng)包含在上述直行和左轉(zhuǎn)時(shí)間內(nèi)。通過控制臺(tái)按鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)十字路口進(jìn)行交通管制的功能,通過控制臺(tái)按鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)十字路口各方向的通行時(shí)間進(jìn)行設(shè)置的功能[4]。

2.2 功能說明

整個(gè)十字路口由東西向道路和南北向道路垂直交叉形成,可采用“上北下南,左西右東”的慣例進(jìn)行構(gòu)圖。每個(gè)方向都有一組4色的LED燈來控制交通的流向和節(jié)奏。流向也即方向,通過不同LED燈顏色進(jìn)行表征:紅燈停,綠燈行,黃燈等一等,這里左轉(zhuǎn)可用藍(lán)燈表示;節(jié)奏通過倒計(jì)時(shí)時(shí)間進(jìn)行控制,該時(shí)間的時(shí)基由單片機(jī)的定時(shí)器提供。十字路口的倒計(jì)時(shí)時(shí)間分別通過4個(gè)2位的七段共陰極數(shù)碼管顯示。綠燈點(diǎn)亮道路上的數(shù)碼管顯示的數(shù)字是該道路所剩余的可通行時(shí)間,紅燈點(diǎn)亮道路上的數(shù)碼管顯示的數(shù)字是該道路所剩余的禁行時(shí)間,此處需要注意區(qū)分兩者不同的物理含義。系統(tǒng)上電后,默認(rèn)運(yùn)行在“正常模式”下。此時(shí)南北向綠燈點(diǎn)亮,允許直行;東西向紅燈點(diǎn)亮,禁止直行和左轉(zhuǎn)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

整個(gè)架構(gòu)主要由4個(gè)部分組成。分別是MCU單片機(jī)控制模塊、按鍵輸入掃描模塊、數(shù)碼管顯示模塊和交通燈顯示模塊。按鍵、數(shù)碼管和LED燈都是典型的人機(jī)交互的元器件,按鍵用于接收命令,數(shù)碼管和LED燈用于反饋信號(hào)和狀態(tài)。數(shù)據(jù)流向也是單向的,由左至右。

3.2 運(yùn)行模式

對(duì)照日常生活,交通燈運(yùn)行的模式如下。“正常模式”:模擬十字路口正常運(yùn)行的場(chǎng)景,交通燈按正常的順序進(jìn)行周期循環(huán);“夜間模式”:模擬十字路口夜間運(yùn)行的場(chǎng)景,東西向和南北向的黃燈同時(shí)閃爍;“緊急模式”:模擬十字路口進(jìn)入緊急情況下的場(chǎng)景(救護(hù)車、消防車通過等),東西向和南北向的紅燈全部點(diǎn)亮;“強(qiáng)制東西向通行模式”:強(qiáng)制東西向通行,南北向停車等待?！皬?qiáng)制南北向通行模式”:強(qiáng)制南北向通行,東西向停車等待。

3.3 “正常模式”下狀態(tài)遷移之狀態(tài)機(jī)

不同國(guó)家、不同城市、不同十字路口都有不同的狀態(tài)設(shè)置。有的路口是先直行再左轉(zhuǎn),有的路口是先允許左轉(zhuǎn)再允許直行,有的路口壓根就沒有專門的左轉(zhuǎn)燈,有的路口有人行道指示燈,而有的沒有。所謂千人千面,五官各不相同,但確有一個(gè)共性,就是都有五官。狀態(tài)機(jī)的思路可以很好地解決這個(gè)問題。表1是“正常模式”下狀態(tài)遷移之矩陣表。1-表征對(duì)應(yīng)顏色交通燈點(diǎn)亮;0-表征對(duì)應(yīng)顏色交通燈熄滅;1/0-表征對(duì)應(yīng)顏色交通燈閃爍;藍(lán)色燈-表征對(duì)應(yīng)道路左轉(zhuǎn)狀態(tài)。

表1 “正常模式”下狀態(tài)遷移之矩陣

3.4 信號(hào)燈倒計(jì)時(shí)器

信號(hào)燈倒計(jì)時(shí)器分為學(xué)習(xí)型倒計(jì)時(shí)器和通訊型倒計(jì)時(shí)器兩種。學(xué)習(xí)型倒計(jì)時(shí)器正逐步退出歷史舞臺(tái),代之而起的是通訊型倒計(jì)時(shí)。在使用信號(hào)智能控制功能時(shí),如平峰高峰轉(zhuǎn)換、步進(jìn)、交通管制等,由于實(shí)時(shí)調(diào)整信號(hào)配時(shí),會(huì)使倒計(jì)時(shí)產(chǎn)生“跳秒現(xiàn)象”。為了解決這個(gè)問題,可以選擇不使用倒計(jì)時(shí),也可以選擇使用采用倒9秒計(jì)時(shí)器。倒9秒計(jì)時(shí)器原理是這樣的:比如一個(gè)綠燈的時(shí)間是20秒,到第11秒的時(shí)候,系統(tǒng)就會(huì)判斷一次,這個(gè)方向的綠燈是否需要延時(shí)。如果不需要,就開始進(jìn)行最后9秒的倒計(jì)時(shí);如果需要,就不啟動(dòng)倒計(jì)時(shí),而進(jìn)入延時(shí)狀態(tài),到最后9秒的時(shí)候,系統(tǒng)會(huì)再次進(jìn)行判斷。9秒實(shí)際上就是這個(gè)系統(tǒng)的最短綠燈時(shí)間。當(dāng)然,系統(tǒng)中也會(huì)設(shè)定最長(zhǎng)的綠燈時(shí)間,延時(shí)幾次之后,就必須要強(qiáng)制切換紅燈了,否則另一個(gè)方向就會(huì)很難受。

3.5 仿真電路圖

因?yàn)楸疚脑O(shè)計(jì)更側(cè)重功能的實(shí)現(xiàn),對(duì)于硬件電路的設(shè)計(jì)要求不是太高,達(dá)到能用的標(biāo)準(zhǔn)方可。單片機(jī)P0一定要加上拉電阻,因?yàn)镻0口內(nèi)部為開集電極輸出,無法輸出高電平,只有加了上拉電阻,P0口才能輸出高電平。數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)一定要加限流電阻。雖然在Proteus中仿真不加,問題也不大,但是實(shí)際產(chǎn)品肯定是不允許的,而且也無法工作。LED燈驅(qū)動(dòng)一定要加限流電阻。如果不加限流電阻,單片機(jī)會(huì)工作異常,因?yàn)閱纹瑱C(jī)引腳的驅(qū)動(dòng)電流的能力是有限制的,超出則正常功能無法保證,甚至燒壞單片機(jī)。LED燈不建議直接并聯(lián)使用。雖然LED燈具有正向單調(diào)的伏安特性曲線,但是它的溫度系數(shù)卻是負(fù)向的,不利于均流。按鍵模塊采用的是普通的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的結(jié)構(gòu),但設(shè)計(jì)中也可采用矩陣式按鍵,使用者可以自行發(fā)揮。當(dāng)前的設(shè)計(jì),單片機(jī)引腳基本被全部分配用完,沒有冗余。對(duì)于實(shí)物產(chǎn)品的開發(fā)這是不被允許的,因?yàn)檫^于捉襟見肘的單片機(jī)資源完全不利于產(chǎn)品后期的功能升級(jí)和延展。如果單片機(jī)引腳緊張,除可以采用矩陣式鍵盤節(jié)省引腳外,也可以采用數(shù)字鎖存器或者譯碼器對(duì)引腳進(jìn)行擴(kuò)展使用。

4 結(jié)語

本文主要目的是設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于單片機(jī)的十字路口交通信號(hào)控制系統(tǒng)。經(jīng)過前期對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)的查閱及相關(guān)技術(shù)的學(xué)習(xí),最終完成了一個(gè)能夠很好控制的十字路口交通信號(hào)控制系統(tǒng)。