智能化斑馬線交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車數(shù)量增多，城市道路壓力越大。人車密集的路上經(jīng)常出現(xiàn)人車爭道的現(xiàn)象，因此造成的交通事故經(jīng)常發(fā)生。很多城市采用了斑馬線交通燈以平衡行人和車輛的關(guān)系，但忽視了不同時段的實(shí)時交通狀況，無法滿足多變的交通需求，本文設(shè)計(jì)的智能化斑馬線交通燈可根據(jù)行人數(shù)量與車流量及時調(diào)整交通燈控制結(jié)果，較好的應(yīng)對相應(yīng)問題。

2、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

交通燈行人指示方向可顯示紅綠兩色及時間，車輛指示方向顯示紅綠黃三色及時間，其中行人指示方向的紅燈時間等于車輛指示方向綠燈和黃燈時間之和，行人指示方向的綠燈時間等于車輛指示方向紅燈時間。雙向通過近似采集車流量及等待過馬路行人數(shù)量，實(shí)時調(diào)節(jié)雙向通行時間，車輛高峰期間，行人積累到較高預(yù)設(shè)值時可開啟過路計(jì)時，通行時間控制較短;車輛低峰時段相反，其中行人數(shù)量捕捉由計(jì)數(shù)器或壓力傳感器完成，此方案采用壓力傳感器完成。根據(jù)任務(wù)要求，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要由以下幾個模塊組成：①控制及擴(kuò)展模塊;②檢測及轉(zhuǎn)換模塊;③復(fù)位及晶振模塊;④顯示模塊。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 ?系統(tǒng)的總體框圖

在該系統(tǒng)中，控制及擴(kuò)展模塊用來完成系統(tǒng)的控制任務(wù);檢測及轉(zhuǎn)換模塊的作用是通過壓力傳感器測量道路的車流量與行人道等待通行的人數(shù)量，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量以便單片進(jìn)行處理;復(fù)位及晶振模塊的作用是結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機(jī)所需的時鐘頻率以及在不同需求下對電路進(jìn)行復(fù)位;顯示模塊的作用是顯示設(shè)定的通行或等待時間。

3、硬件設(shè)計(jì)

3．1、控制及擴(kuò)展模塊

（1）控制模塊控制部分采用MCS－51系列單片機(jī)8051，其價格低廉，結(jié)構(gòu)簡單，易于開發(fā)，有較強(qiáng)的位處理功能，有全雙工異步串行通信口。其中，每秒鐘的設(shè)定采用計(jì)數(shù)器硬件軟件相結(jié)合的方式延時。單片機(jī)的主脈沖頻率經(jīng)過12分頻后，1s將超過計(jì)數(shù)器的最大定時時間，采用在主程序中設(shè)定一個初值為20的軟件計(jì)數(shù)器使T0定時50ms。這樣每當(dāng)T0到50ms時CPU就響應(yīng)溢出中斷請求，進(jìn)入中斷服務(wù)子程序。在中斷服務(wù)子程序中，CPU先使軟件計(jì)數(shù)器減1，然后判斷它是否為0，為0表示1s已到，可以返回輸出時間顯示程序。8051時鐘頻率可1．2～12MHz之間任意選擇，在不影響系統(tǒng)總功率的前提下，時鐘頻率選擇低一些可降低系統(tǒng)對其它元器件工作速度的要求，從而降低成本和提高系統(tǒng)的可靠性。本系統(tǒng)單片機(jī)器時鐘頻率采用6MHz。

（2）擴(kuò)展模塊MCS－51系列單片機(jī)共有4個8位并行I/O口，但這些I/O口并不能完全提供給用戶使用。對于內(nèi)有ＲOM/EPＲOM的單片機(jī)8051，在不使用外部擴(kuò)展時，才允許這4個I/O口作為用戶I/O使用，然而對于大多數(shù)8051需外部擴(kuò)展時，MCS－51單片機(jī)可提供給用戶使用的I/O口只有P1口和P3口，因此，在大部分的MCS－51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中都不可避免地要進(jìn)行I/O口的擴(kuò)展。

3．2、檢測及轉(zhuǎn)換模塊

系統(tǒng)采用壓力傳感器可以測量某一時刻行人與車流量狀況，將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電流信號，經(jīng)過放大和濾波，輸入到A/D轉(zhuǎn)換裝置中，并形成數(shù)字信號輸入到單片機(jī)中。單片機(jī)預(yù)設(shè)相應(yīng)值與輸入值進(jìn)行對比，調(diào)整雙向信號燈時間以控制通行時間。其中，設(shè)行人平均體重在40～100kg，車輛質(zhì)量平均為200kg～10t，可采用PTH501壓力傳感器作為檢測儀器，其量程為0～1～150（MPa），精度為±0．2%FS，響應(yīng)時間為5ms。

檢測及轉(zhuǎn)換模塊原理框圖如圖2所示。

圖2 檢測及轉(zhuǎn)換模塊原理框圖

3．3、復(fù)位及晶振模塊

（1）復(fù)位模塊

復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，其主要功能是把PC初始化為0000H，使CPU從0000H單元開始執(zhí)行程序。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫困境，也需按復(fù)位鍵重新啟動。此設(shè)計(jì)采用自動復(fù)位方式，為保證復(fù)位成功，只要復(fù)位端口保持足夠時間（即兩個周期以上）的高電平，就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動上電復(fù)位。

（2）晶振模塊

8051內(nèi)部有1個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器。引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸出端和輸入端。這個放大器與片圖3時鐘電路外石英晶體和陶瓷諧振器一起構(gòu)成了一個自激振蕩器，接線如圖3所示。外接晶體時，C1和C2通常選擇為30pF;外接陶瓷諧振器時，C1和C2的典型值約為47pF。它的振蕩頻率在1．2～12MHz。它采用12MHz晶振，與8051單片機(jī)的XTAL1和XTAL2相接，為CPU提供計(jì)時基準(zhǔn)。

圖3 ?時鐘電路

3．4、顯示模塊

LED（Light－EmittingDiode）是發(fā)光二極管的簡稱，LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)簡單，發(fā)光效率高，生產(chǎn)成本低，工作性能穩(wěn)定高效，壽命長，顏色鮮艷，易于觀察，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，性價比高，可減少接口數(shù)目，同時LED還有節(jié)能、安全和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。采用8段共陰數(shù)碼管及動態(tài)驅(qū)動顯示。

4、軟件部分

軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)控制部分的核心，當(dāng)系統(tǒng)啟動并初始化以后，通過設(shè)置在不同位置的壓力傳感器收集到行人與道路的流量信息并分別進(jìn)行處理，然后將輸出進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，與單片機(jī)預(yù)先設(shè)定控制內(nèi)容進(jìn)行對照，并形成控制方案，最終進(jìn)行顯示以用來給予兩向通行者的提示。系統(tǒng)主程序流程如圖4所示。

圖4 ?主程序流程圖

5、總結(jié)

本系統(tǒng)是以單片機(jī)8051芯片為核心控制部件，通過設(shè)在雙向的壓力傳感器實(shí)現(xiàn)了根據(jù)實(shí)時交通狀況調(diào)整雙向紅、綠燈燃亮?xí)r間，達(dá)到了較好的控制效果，具有適用性強(qiáng)、操作簡單、擴(kuò)展性強(qiáng)、可靠性高、設(shè)計(jì)周期短、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。