浅谈交通灯系统设计与控制方案

周庆博

摘要：该文引入了交通灯的系统设计和系统控制方案，此方案设计的交通灯控制系统是基于单片机的。本系统采用MSC-51系列单片机AT89S51为中心器件来设计交通灯控制器。本系统具有实用性强、操作简单、扩展功能强等优点。

关键词：单片机；交通灯

中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）09-2028-02

1 控制器软件设计

1.1 交通管理方案概述

设在十字路口，分为东西向和南北向，在任一时刻只有一个方向通行，另一方向禁行，持续一定时间，经过短暂的过渡时间，将通行禁行方向对换。

通过具体的路口交通灯状态的演示分析我们可以把这四个状态归纳如下：

1）东西方向红灯亮，同时绿灯灭，南北方向黄灯灭，同时绿灯亮，倒计时10秒。此状态下，东西向禁止通行，南北向允许通行。

2）东西方向红灯亮，南北方向黄灯闪亮，倒计时5秒。此状态下，除了已经正在通行中的其他所以车辆都需等待状态转换。

3）南北方向红灯亮，同时绿灯灭，东西方向黄灯灭，同时红灯亮，倒计时10秒。此状态下，东西向允许通行，南北向禁止通行。

4）南北方向绿灯灭，同时黄灯闪亮，东西方向红灯亮，倒计时5秒。此状态下，除了已经正在通行中的其他所以车辆都需等待状态转换。

为了满足车流的变化该设计可以人为的增加或者减少红绿交通灯通行时间，由此设置了两个按钮。P2.0口用来增加通行时间（在10秒的基础上），P2.1口用来减少通行时间（在10秒的基础上）。这个功能极大地增加了此交通系统在应用中的实用性同时也在很大程度上节省了在交通灯系统更新中的花费。

而为了应对紧急情况，如救护车，消防车，警车以及重大交通事故，该交通灯系统设置了三个人为强制转换按钮。三个按钮开通时，分别会输出高电平到P2.2，P2.3，P2.4口；P2.2口信号设定为东西口为红灯，南北向为绿灯，禁止东西向交通流，准许南北向交通流通过；P2.3信号会设定东西口为绿灯，南北口为红灯，禁止南北向交通流，准许东西向交通流通过；P2.4口信号设定为东西向及南北向均为红灯，禁止一切交通流，以应对十字路口重大交通事故。当启动人为强制功能时，倒计时数码管不再显示倒计时，而是全部熄灭以警示众人。

1.2 系统工作原理

1.2.1 普通模式工作原理

在没有强制按钮按下，系统处于普通模式。普通模式总共有四个状态，以东西口为例，四个状态分别为红灯、黄灯、绿灯及左转、黄灯。普通模式工作原理就是以这四个状态为周期，循环工作。以东西向为例，通过P0口输出先给东西口亮红灯，再给P1及P3口输出，动态显示红灯倒计时，之后不断调用显示子程序，直到红灯倒计时为零；接着通过P0口输出，使东西向黄灯亮起，同样动态显示黄灯倒计时，直到零；然后通过P0口输出，使东西向绿灯以及左转灯亮起，显示倒计时到零；最后通过P0输出，使东西向黄灯亮起，再倒计时到零；这样，就完成了一个周期的显示控制，程序将跳转回到给东西向亮红灯处，循环执行。同时，由于交通流日新月异的发生着改变，可以根据需求来改变通行时间，通过P2口输出经过P0口，从而改变显示的时间。

1.2.2 紧急模式工作原理

可供选择的紧急模式有三种。当十字路口发生重大交通事故时，需要把两边交通都关断，这时，可开启开关5，就会输出高电平到P2.4，单片机处理后，会输出信号到P0口，使东西向与南北向均亮起红灯，同时调用显示程序，使显示数码管全部熄灭。当事故解除，开启返回开关7时，程序会回到主程序，重新进入普通模式。开关4会使P2.3输入为高电平，单片机处理后，会使东西向亮起红灯，南北向亮绿灯，只准许南北向通行，同样数码管会全部熄灭，危急情况解除后，同样回到主程序，继续执行普通模式。开关3会使P2.2输入为高电平，单片机处理后，会使南北向亮起红灯，东西向亮绿灯，只准许东西向通行，同样数码管会全部熄灭，危急情况解除后，同样回到主程序，继续执行普通模式。

在单片机不断执行主程序，以普通模式控制交通流的时候，它会不断的扫描P2.2，P2.3以及P2.4口，以检查是否有紧急情况发生，当三个端口有紧急信号出现，单片机就会跳出主程序，执行相应的紧急信号程序。

2 系统硬件连接电路

系统硬件电路部分将分为以下几部分来介绍，分别是主面板电路，供电电源电路，单片机系统的时钟电路，单片机系统的复位电路，数码管显示电路，信号灯控制电路，车辆检测电路等。

2.1 主面板电路

系统采用5V直流稳压电源供电，供电电压为+5V。

系统复位电路采用的是开关复位的方式，可以人工对单片机进行复位操作。同时，单片机上电时，电容的存在会使得复位引脚的电压维持在高电位超过两个周期，系统会自动复位；而按下复位开关，系统就可人工复位。

振荡电路使用的是12MHz的石英晶振，即单片机的主频为12MHz，一个机器周期为12个时钟周期，所以它的机器周期为1?s，这位定时器初值的计算带来了方便。

两个路口的12个发光二极管每六个为一组，作为东西向，南北向的两组交通灯，每个发光二极管串联一个1kΩ电阻，以灌电流方式，连接到单片机P3口和P1口，当单片机P3和P1口的某个口输出为低电平时，相应的发光二极管亮起，表示相应的信号灯亮起。

2.2 5V直流稳压电源电路

该单片机由5V直流稳压电源进行供电。

5V直流稳压电压工作原理：220V交流电经变压器，从副边输出为9V交流电。9V交流经整流桥整流，电容滤波，被加到三端集成稳压器7805上，经7805后输出5V直流，直流输出后经电容滤波，滤去其中高频分量以及低频分量，最后输出5V直流电用于单片机系统供电。

2.3 单片机系统时钟复位电路

ATMEL公司生产的AT89S51单片机它是硬件电路的核心部分，时钟电路晶振使用12MHz，复位电路采取按键复位方式。

2.4 单片机数码管显示电路

显示电路采用8个共阳数码管，P1口作为数码管的输入，P0.4、P0.5、P0.6 P0.7分别控制东西南北四路数码管的位选端C1，C2，C3，C4。

3 结论

本设计的重点在于解决交通灯时间固定、缺乏灵活性不能根据日新月异的车流变化适时改变以及缺乏紧急状况应对能力这两项缺点。

传统交通灯时间固定，不能根据车流量的变化来调节时间，只能通过不断的更换系统来实现，这样做不但耗时耗力、还会浪费大量的财力物力。

另一方面，传统交通灯缺乏紧急状况应对能力。当交通路口发生交通事故时，交通灯不能第一时间做出反应来处理交通流；此外，对于紧急车辆，交通灯也无法进行反应来应对紧急情况。这样是很致命的，因为缺乏紧急情况应对能力，极有可能使得紧急情况变得复杂甚至可能危及生命。

本设计主要解决的是交通灯上述两项缺陷。

针对交通灯时间固定的问题，本系统可以通过手动调节来增加或者是减少红绿灯时间以满足车流量不断变化的需求，从而不但延长了此系统的使用寿命对工作人员的使用要求很低，而且还节省大量的财力物力。

针对交通灯缺乏紧急情况应对能力的问题，该系统增设了紧急模式。当交通路口发生重大交通事故或者路口有消防、救护等紧急车辆时，交通灯可以做出相应的响应，让紧急车辆优先通过，从而尽可能将可预见的损失减小到最小的程度。于此同时，在进行一系列的紧急操作时，相应的系统的数码管显示部分会全部熄灭，来告诉路口的司机，路口有紧急情况发生。

本系统以一块AT89S51单片机为核心，充分利用单片机I/O口，来实现对交通灯路口的交通流控制。

系统有两种工作模式：普通模式与紧急模式。

普通模式每个路口一个周期的显示状态依次为为：红灯10s，绿灯5s，黄灯5s，红灯10s，绿灯5s如此反复。红绿灯所设置的初始时间并不是不可以改变的，它可以根据实际需求来改变以满足实际的需求。在每个状态，数码管都会显示信号灯倒计时，以提醒司机信号灯转换剩余时间。

紧急模式下，可以做出三种认为强制措施：东西向，南北向都亮红灯，该交通路口禁止通行；东西向亮红灯，南北向亮绿灯，东西向禁止通行，南北向车辆通行；东西向亮绿灯，南北向亮红灯，东西向车辆通行，南北向车辆禁止通行。紧急模式下，数码管会恒定全部熄灭，以提示司机紧急情况的发生。直到紧急情况解除，数码管才会回到普通模式。

该系统充分考虑到传统交通灯信号灯时间固定，应对紧急情况性能不佳等问题，并对这些问题进行了处理。因此，在交通控制效率以及紧急情况处理等方面，该交通灯控制系统要优于当前的传统交通灯控制系统。