基于A(yíng)T89S51的智能交通燈控制系統設計與仿真

摘要：針對城市交通控制問(wèn)題，提出以AT89S51作為系統的控制核心，實(shí)現正常情況下各個(gè)方向信號燈的輪流指示及倒計時(shí)顯示。系統能根據各方向車(chē)輛的實(shí)際通行情況及時(shí)切換通行方向，并保證緊急情況下特殊車(chē)輛的及時(shí)通行。最后利用Proteus仿真調試驗證了系統設計的正確性。

隨著(zhù)經(jīng)濟與社會(huì )的快速發(fā)展，城市交通壓力越來(lái)越大，如何通過(guò)有效的交通管理，實(shí)現人、車(chē)、路三者之間的協(xié)調，已經(jīng)成為交管部門(mén)亟待解決的主要問(wèn)題之一。除了通過(guò)多種交通出行方式緩解交通壓力以外，在路面交通控制中，對交通信號燈的靈活有效控制，已經(jīng)成為城市交通控制系統中重要組成部分。

傳統的十字路口交通控制系統中，一般只采用紅綠黃燈分方向輪流控制形式，沒(méi)有考慮到實(shí)時(shí)的各方向路面車(chē)流輛情況，緊急突發(fā)事件的應急處理等，這樣的控制顯得不夠靈活，無(wú)法達到最優(yōu)的交通指揮目的。本文提出的智能交通燈控制系統，可通過(guò)對通行方向實(shí)際路面車(chē)輛有無(wú)的檢測，及時(shí)切換通行方向，并針對緊急情況，保證特殊車(chē)輛的優(yōu)先通行。此外，還可實(shí)現對各方向時(shí)間的倒計時(shí)顯示，使交通指揮高效靈活。

1 系統設計要求

智能交通燈控制系統要求實(shí)現以下控制目的：

1)設東西道為A道，南北道為B道;A道放行60 s;B道放行30 s;綠燈放行，紅燈停止;綠燈轉紅燈時(shí)，黃燈亮3 s。

2)當一道有車(chē)而另一道無(wú)車(chē)時(shí)，交通燈控制系統立即讓有車(chē)的車(chē)道放行。

3)遇到特殊情況，可撥動(dòng)應急開(kāi)關(guān)，使各方向均為紅燈，特殊車(chē)輛不受紅燈限制，保證其順利通過(guò)后將開(kāi)關(guān)撥回原位，系統恢復原狀態(tài)進(jìn)行。

4)具有遞減時(shí)間顯示功能。

2 系統設計方案

系統的控制方案有多種，可采用PLC、CPLD、單片機或純電路設計等設計方案。從控制的靈活性、實(shí)現的方便程度以及性?xún)r(jià)比等方面綜合考慮，本設計采用AT89S51單片機作為控制核心器件。采用紅、綠、黃燈各4個(gè)作為交通指示，采用霍爾傳感器分別檢測兩個(gè)方向有無(wú)車(chē)輛通行。處理緊急車(chē)輛的開(kāi)關(guān)接到外部中斷引腳INT0。使用兩位數碼管進(jìn)行遞減時(shí)間顯示，并采用動(dòng)態(tài)掃描的顯示方式。此外，單片機系統工作需要時(shí)鐘電路和復位電路構成最小系統。

整個(gè)系統的組成框圖如圖1所示。

3 硬件電路設計

1)單片機最小系統：原理圖如圖2所示。AT89S51作為控制核心，加上時(shí)鐘電路及復位電路組成單片機最小系統如圖2所示。其中時(shí)鐘電路的晶振頻率為12 MHz，為單片機工作提供基本的工作時(shí)序。采用按鍵復位電路，在系統上電以及非正常工作時(shí)實(shí)現復位。

2)信號燈顯示電路：采用12個(gè)交通燈模型來(lái)模擬實(shí)際交通信號燈，其中P1.0～P1.2輸出控制A道的紅、綠、黃燈，即P1口的1個(gè)輸出引腳同時(shí)控制同一道上不同方向的兩個(gè)信號燈，若驅動(dòng)能力不夠時(shí)可增加驅動(dòng)電路以達到功率匹配。同理，P1.3～P1.5輸出控制B道的紅、綠、黃燈，交通燈模型在單片機輸出引腳為高電平時(shí)點(diǎn)亮。原理圖如圖3所示。(注：為描述方便，單片機引腳表示方法如：P1.0引腳用P10符號表示。)

3)車(chē)輛檢測輸入：采用霍爾傳感器進(jìn)行車(chē)輛有無(wú)的檢測，在每個(gè)方向車(chē)道的入口處安裝一個(gè)霍爾傳感器。當該方向車(chē)輛入口處有車(chē)輛時(shí)，霍爾傳感器會(huì )發(fā)出一個(gè)脈沖，得到車(chē)輛的有無(wú)信號。本設計只在A(yíng)、B道上各放置一個(gè)霍爾傳感器(實(shí)際應是兩個(gè))。由于在Proteus仿真中沒(méi)有霍爾傳感器的模型，但是考慮到霍爾傳感器發(fā)出的是單脈沖，此處可采用一個(gè)開(kāi)關(guān)替代來(lái)進(jìn)行仿真。車(chē)輛檢測輸入部分如圖4所示。

4)緊急開(kāi)關(guān)輸入：當出現緊急情況需要特殊車(chē)輛優(yōu)先通行時(shí)，可撥通緊急開(kāi)關(guān)，緊急開(kāi)關(guān)可接至外部中斷0，此時(shí)各方向交通燈全紅，等待特殊車(chē)輛通行后在關(guān)掉緊急開(kāi)關(guān)，恢復信號燈的正常顯示。緊急開(kāi)關(guān)輸入部分如圖4所示。

5)倒計時(shí)顯示電路：采用共陽(yáng)極2位數碼管進(jìn)行60 s或30s遞減時(shí)間顯示，使用P0口輸出LED顯示器的段碼，P2口輸出LED顯示器的位碼?？紤]到采用動(dòng)態(tài)掃描方式，需增加驅動(dòng)電路，故在P0口輸出段碼時(shí)先接至74HC573鎖存器進(jìn)行驅動(dòng)，再接至LED數碼管的段控端。通過(guò)P2口輸出4個(gè)位碼時(shí)經(jīng)由74HC04反相驅動(dòng)后再接到數碼管的位控端。電路原理圖如圖5所示。

4 系統軟件設計

根據系統控制要求及硬件原理圖，軟件采用匯編語(yǔ)言進(jìn)行程序設計，主程序流程如圖6所示。將A、B車(chē)道的傳感器接至P3.6和P3.7，當P3.6=0表示A道有車(chē)輛通過(guò);P3.6=1表示A道無(wú)車(chē)輛通過(guò)。同理，可判斷B道車(chē)輛通行情況。

對緊急車(chē)輛的處理，采用外部中斷的方式，由外部中斷0服務(wù)程序處理。LED數碼管顯示采用動(dòng)態(tài)掃描方式實(shí)現倒計時(shí)的顯示，通過(guò)定時(shí)器T0進(jìn)行20ms的定時(shí)，在定時(shí)器T0服務(wù)程序中實(shí)現十位和個(gè)位時(shí)間的輪流顯示。由于篇幅限制，外部中斷0服務(wù)程序和定時(shí)器0中斷服務(wù)程序流程此處略。

5 Proteus仿真調試

軟件采用匯編語(yǔ)言設計，在Keil C51集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下將編寫(xiě)的程序進(jìn)行編譯、調試，并生成目標文件(.hex)。此外，利用EDA仿真軟件Proteus繪制出電路仿真原理圖，CPU選擇AT89S51。雙擊AT89S51，在出現的對話(huà)框中的“Program file”加入已生成的.hex文件，并進(jìn)行仿真調試。調試成功后，正常情況下A、B道的紅綠黃信號燈輪流亮并具有倒計時(shí)顯示，按下緊急開(kāi)關(guān)則A、B通道紅燈一直亮直至松開(kāi)緊急開(kāi)關(guān);若檢測到當前通行道上無(wú)車(chē)而哦、另一道上有車(chē)時(shí)，能正確切換通行方向。正常情況下的仿真效果圖如圖7所示仿真顯示當前A道紅燈，B道路燈通行，倒計時(shí)時(shí)間為16 s。

6 結論

該設計以AT89S51單片機作為控制核心，能實(shí)現正常情況的通行指示，各方向車(chē)流情況不同的及時(shí)通行切換，以及緊急情況下的特殊通行，并通過(guò)Proteus軟件的仿真調試驗證了系統設計的正確性。與傳統交通燈控制系統相比，該系統具有硬件結構簡(jiǎn)潔、控制靈活、維護方便等優(yōu)點(diǎn)，在交通控制領(lǐng)域中具有較好的實(shí)用價(jià)值。