带流量监控的交通灯模拟控制系统设计

张迎春 张 雷 王彩凤 孙雪蕾

（1.江苏航空职业技术学院，镇江 212134；2.江苏联合职业技术学院镇江分院 机电工程系，镇江 212013）

随着我国经济水平的不断发展，人们的生活水平得到了很大提高。私家车是现如今家庭出行的主要工具。随着各个城市私家车数量的暴增，道路拥堵成为每天特别是早晚上下班时段的突出问题[1-3]。城市道路最主要的交通秩序维护方式是交通灯。很多交叉路口不同时段不同干道的车流量不同，但普通的交通灯提前设置在路口，总会出现同一时段车流量大、车辆拥堵的路口亮红灯，而车流量小甚至没有车辆的路口确亮绿灯的情况，导致道路通行率偏低。

交叉路口车辆通行率的提升是整个城市交通需要首先解决的问题。现有的交通信号灯只设置不同时段主次干道的固定时间，但具体车流下交通信号并不能实时调整[4]。因而，设计带流量监控的交通灯控制系统能够解决由于流量不均而造成的拥堵问题。本文主要以单片机为控制器件，设计了一款模拟带流量监控的交通灯控制系统，能够实现在不同流量情况下实时调整交通信号的功能。

1 硬件设计

带流量监控的交通灯模拟控制系统包括按键控制单元、车流量传感器、控制器芯片、交通信号灯显示单元、时间显示单元以及用于供电的电源模块等[5]，系统框图如图1所示。

图1 带流量监控的交通灯模拟控制系统框图

1.1 按键控制单元

按键控制单元主要包括系统启停控制、时间设置1和时间设置2共3个按键，分别与单片机芯片的输入端P1.0、P1.1和P1.2相连，功能为向单片机发出启停控制和时间设置信号。在系统停止状态下按下启停键，系统开始工作。在系统工作状态下按下启停键，系统停止工作。此时，时间设置1和时间设置2有效，可以分别设置南北、东西道路的绿灯时间，时间设置范围为2～99 s。每按下一次设置键，对应的倒计时时间加1 s。设置结束后，按下启停键，系统开始监控车流量，并按照设置时间指示交通信号。按键单元采用的是机械按键与单片机控制芯片连接的方式，触点自动弹回，按下、弹回两个状态分别反馈低电平和高电平，对应于控制芯片运算逻辑下的“0”和“1”。

因为所有的机械按键在按下和回弹的过程中都会有机械抖动，所以要对机械按键进行消抖动处理。一般消抖动方式有硬件和软件两种。硬件消抖动主要在按键与控制芯片之间加装延时电路，在控制芯片接收按键信号后进行延时处理，从而防止芯片受抖动影响而作出误判断。软件消抖动主要是在控制芯片检测到按键信号后采用延时10 ms的程序，使控制器的检测避开抖动过程后再进行判定，从而避免误操作。本设计采用软件实现消抖动，可简化硬件电路，提高系统的经济效益。

1.2 传感器单元

传感器单元采用4个钮子开关进行模拟，分别与控制器（单片机）的P1.4、P1.5、P1.6和P1.7连接。其中：传感器1和传感器2为主干道流量传感器；传感器3和传感器4为次干道流量传感器。当传感器1和传感器2同时输出高电平时，说明此时主干道流量大；当传感器1和传感器2输出的高低电平不一致时，说明此时主干道车流量正常或者很小；当传感器1和传感器2同时输出低电平时，说明此时主干道没有车流量。同理，当传感器3和传感器4同时输出高电平时，说明此时次干道流量大；当传感器3和传感器4输出的高低点平不一致时，说明此时次干道车流量正常或者很小；当传感器3和传感器4同时输出低电平时，说明此时次干道没有车流量。

1.3 控制器

本设计采用的控制器为STC15F2K60S2型单片机，主要功能和结构如下：每个系统时钟周期为1个机器周期；具有在系统可编程和在应用可编程功能；系统内部具备可靠性高的复位功能，具备可选复位门槛电压共8级，外围复位电路可以被省略；具有60 kB Flash只读存储器镜像（Read Only Memory image，ROM）和2018 BS随机存储器（Random Access Memory，RAM）；1 kB数据Flash带电可擦可编程只读存储器（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，EEPROM）的可擦写次数达到10万次以上；具有6个定时器（2个16位T0/T1，1个T2，3路CCP可提供3个定时器）和2个全双工异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver Transmitter，UART），可以高效处理输入数据和控制外围设备。

1.4 交通信号灯显示单元

交通信号灯显示单元使用3对发光二极管（Light Emitting Diode，LED）模拟红、黄、绿三色灯。LED0、LED1和LED2模拟主干道信号灯，LED3、LED4和LED5模拟从干道信号灯分别与控制芯片的P3.0～P3.5连接。

1.5 时间显示模块

时间显示模块在交通信号灯系统中用于显示信号状态的倒计时时间。该模块利用8段共阳极数码管、8×100 Ω的排阻、9012晶体管放大器、2块数字芯片74LS377组成单元以及2组数码管实现，分别模拟主从干道信号灯的倒计时显示屏的功能。其中：数码管的段控端由系统总线连接；数码管的8段段控端通过8×100 Ω的排阻引脚与一块74LS377的输出端连接；数码管的位选端通过9012晶体管放大器与另一块74LS377芯片输出端连接；2块74 LS377的8位输入端分别对应连接形成D0～D7端口，再分别与控制芯片的P0口连接；两块74 LS377芯片的触发信号输入端连接形成WR写控制信号端口；使能端分别引出形成段选控制端CS1和位选控制端CS2，再分别连接到P2.0～P2.2端口，进而实现控制芯片对时间显示单位的位控和段控。

2 软件设计

带流量监控的交通灯模拟控制系统工作原理流程，如图2所示。上电并对系统进行初始化设置后，用户可以通过按键控制单元设置主从干道的倒计时时间，其中每按一次加时间1 s。如果不设置，默认绿灯时间为10 s，系统初始状态为主干道时间显示10 s，次干道时间显示12 s，黄灯闪烁时间默认为2 s。启动系统后，根据流量监控状态自动运行交通信号控制。

当主从干道流量状态一致（即都很大、都没有流量、都正常或很小）时，默认从主干道绿灯开始倒计时显示，从干道此时显示红灯。绿灯12 s倒计时结束后，主干道绿灯熄灭，黄灯闪烁2 s后切换到从干道绿灯倒计时显示。此时主干道红灯点亮，其他灯熄灭，从干道10 s倒计时结束后黄灯闪烁2 s。主从干道信号灯显示循环切换。

当两个干道车流量检测状态不相同时，系统将自动调节控制红绿灯的时间。当主干道车流量检测指示车流量很大而从干道车流量为正常或者很小时，正在进行的交通信号状态不变，在下一轮交通信号切换时主干道绿灯时间加5 s；当次干道流量很大而主干道流量很小或正常时，下一轮切换时次干道绿灯时间加5 s；当主干道流量很大而次干道没有流量时，则提前结束当前信号状态，主干道绿灯常亮，次干道红灯常亮，没有黄灯闪烁状态；当次干道流量很大而主干道没有流量时，则次干道绿灯常亮，主干道红灯常亮。

在系统运行过程中，如果按下启停控制键，则系统停止工作，回到初始化状态。带流量监控的交通灯模拟控制模型如图3所示。

图3 带流量监控的交通灯模拟控制模型

3 结语

本文主要介绍了一种以STC15F2K60S2型单片机为控制芯片的带流量监控交通灯的设计过程。采用传感器判断道路车流量的状态，然后将所得信号输出到控制芯片判定，并能够作出交通灯正常指示、绿灯延长时间或者拥堵路段绿灯常亮等处理，且交通信号状态及倒计时显示能够实时更新。通过实验实践验证，该系统硬件安装简单，软件设计合理，系统稳定性、可靠性以及性价比都较高，具有良好的实践意义，既可以用于实践教学，也可以推广到实际应用中。