基于单片机控制的太阳能交通信号灯系统的设计

广东省河源技师学院 吴清华

太阳能交通信号灯系统是一种将太阳能转换成电能的信号指示产品。它由太阳能电池组、太阳能控制器、免维护蓄电池、交通信号灯以及交通信号灯控制器等主要部件组成。与普通信号灯相比，太阳能交通信号灯更环保、节电，因具有蓄电功能，在安装时不需要铺设信号电缆，可以有效避免施工造成断电等情况的发生，因此得到了越来越广泛的应用。

1.系统设计方案

太阳能交通信号灯系统由太阳能电池、充放电控制器、蓄电池、交通信号灯、交通信号灯控制器等构成。太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置，其作用是将太阳能转化为电能，或送往蓄电池中存储起来；太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用；蓄电池的作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来；本系统中的交通信号灯采用耗电小、亮度高、体积小、重量轻、寿命长的LED(发光二极管)灯，更节能环保；太阳能交通信号灯控制器主要由单片机、场效应管、三极管、数码管、按键等部分组成。系统框图如图1所示。

图1 太阳能交通信号灯系统框图

太阳能交通信号灯工作过程中，在太阳能电池控制器的作用下，太阳能电池给蓄电池充电，而蓄电池为太阳能交通信号灯控制器和信号灯提供工作电源。下面重点介绍太阳能交通信号灯系统核心部分控制电路的设计。

2.太阳能交通信号灯控制电路的设计

太阳能交通信号灯控制电路主要由电源电路、单片机最小系统、按键电路和驱动电路等组成，电路方框图如图2所示。

图2 太阳能交通信号灯控制器电路方框图

（1）电源电路

电源电路如图3所示。该电路是在单片机系统中常用的稳压电源电路，电路中常用三端稳压器LM7805作为5V电源稳压元件，在稳压元件U2输入输出端分别接入100μF电解电容C21、C22用于滤波，输出端接发光二极管D21作为电源指示灯，在限流电阻R21的作用下保持正常工作。

图3 太阳能交通信号灯控制器电源电路

（2）单片机最小系统

单片机最小系统是指用最少元件来组成的单片机可以工作的系统，主要由电源、复位电路及时钟电路组成，如图4所示。

图4 单片机最小系统

（3）按键电路

在本设计中由于按键不是太多，故采用独立按键法，这样可以减小编程的难度，图5为本设计的按键接线图。

图5 独立按键电路

（4）驱动电路

在整个系统驱动电路部分，主要考虑交通信号LED灯的驱动和双位数码管显示驱动，在这里分别选用场效应管K2645驱动电路和9012三极管驱动电路，如图6所示。

3.系统软件设计

交通信号控制系统设置在十字路口，负责东西及南北方向的车辆行驶交通信号指示。系统将东西方向的交通信号灯分为一组，而南北方向的交通信号灯为另一组。每组路口分别有三种信号灯：红色信号灯禁止车辆通行，黄色信号灯警告通行车辆，绿色信号灯允许车辆通行。因此本系统的交通信号灯共有4种信号灯显示状态。该4种状态如表1所示。

图6 驱动电路

表1 交通灯的4种状态状态

当太阳能交通信号灯控制系统工作时，系统默认设置南北方向通行绿灯10秒、黄灯5秒、红灯25秒，东西方向通行绿灯20秒、黄灯5秒、红灯15秒。然后交通信号灯进入工作状态S1，即南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，计时1 0秒；执行完状态S1后进入状态S2，即南北方向黄灯亮，东西方红灯亮，计时5秒；然后进入状态S3，即东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮，计时20秒；最后进入状态S4，即东西方向黄灯亮，南北方向红灯亮，计时5秒，重复循环如上过程。系统的主程序流程图如图7所示。

图7 太阳能交通信号灯的主程序流程图

图8 太阳能交通信号灯的仿真效果图

4.系统仿真与调试

（1）系统仿真

仿真开始，南北路口为绿灯，数码管从10开始倒计时，东西方向为红灯，数码管从15秒开始倒计时。仿真效果如图8所示。

（2）系统调试

1）检查电路是否正常

当焊接完成一个电路时，首先要做的是检查电路是否焊接的正确，有没有出现短路或者是虚焊的情况，因为不管是谁都无法保证每次焊完电路都是百分之百成功的，只有经过不断的检查与修改才能最终成功完成一个电路。

先把万用表调到蜂鸣档，如果电路短路，那么万用表会发出警告声。先检测电源和地有没有短路，单片机的20脚接地，40脚接电源。当把红黑表笔接到单片机的20脚和40脚的时候，万用表没有发出警告声说明正常，没有短路。然后检查所有的电源或者所有的地是否已经成功接上，如果万用表发出警告声说明电源或者地之间已经确保成功接上，那么就可以接上电源。

当按下开关之后，如果电路板没有反应要立刻关掉电源然后检查芯片有没有热，否则可能会烧坏芯片。

2）调试结果

按下功能键K1可对黄灯闪烁或正常工作模式进行切换。首次按下K2键时，选择调整南北绿灯通行时间，这时可通过K3键进行调整时间；再次按下K2键，选择调整东西绿灯通行时间，同样可通过K3键进行调整；第三次按下K2键时，时间设置结束，控制器按照最新设置的时间开始工作。调试效果如图9所示。

图9 太阳能交通信号灯控制器电路调试

5.结语

本文采用太阳能和LED光源, 设计了一款功耗低、寿命长、指示多样的交通信号灯。确定了系统的整体设计方案，编写程序并实现了单片机控制的太阳能交通信号灯系统设计。整个系统的硬件控制电路简单,可降低生产成本,采用单片机可提高系统的可靠性和稳定性,缩小系统的体积，调试和维护方便,同时在实际应用中并可根据具体情况修改程序中的参数，以达到更好的效果。总之，随着现在技术与科技的不断提升，太阳能交通信号灯的使用会越来越普遍，新型的太阳能交通设施产品也层出不穷，太阳能交通灯作为一种绿色环保的节能LED信号灯一直是交通路上的标杆，为道路交通安全做出贡献。

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