基于单片机的十字路口交通信号控制系统设计

2022-04-20宁雪辉段元梅

无线互联科技 2022年2期

关键词：蓝灯交通灯左转

宁雪辉,段元梅

(湖南科技学院智能制造学院,湖南永州 425199)

1 背景及意义

交通信号控制机是城市交通控制调节的重要指挥管理系统,它承载着维持城市道路交通秩序,缓解交通拥堵的重任[1-2]。在传统的红绿灯配时方案不能解决城市交通拥堵的形势下,智能化信号控制器正为解决未来交通拥堵提供更多科学的解决方案[3]。

2 需求分析

2.1 设计的基本要求

基于单片机设计一个十字路口交通灯控制系统,用于模拟道路十字路口交通灯实际运行的场景。东西向、南北向依次进行周期通行。默认设置为东西向直行(绿灯)时间30秒,左转(蓝灯)时间15秒,南北向直行(绿灯)时间20秒,左转(蓝灯)时间10秒。每次直行(绿灯)变左转(蓝灯)和左转(蓝灯)变停车(红灯)前,黄灯需先闪烁3秒,此3秒时长包含在上述直行和左转时间内。通过控制台按键实现对十字路口进行交通管制的功能,通过控制台按键实现对十字路口各方向的通行时间进行设置的功能[4]。

2.2 功能说明

整个十字路口由东西向道路和南北向道路垂直交叉形成,可采用“上北下南,左西右东”的惯例进行构图。每个方向都有一组4色的LED灯来控制交通的流向和节奏。流向也即方向,通过不同LED灯颜色进行表征:红灯停,绿灯行,黄灯等一等,这里左转可用蓝灯表示;节奏通过倒计时时间进行控制,该时间的时基由单片机的定时器提供。十字路口的倒计时时间分别通过4个2位的七段共阴极数码管显示。绿灯点亮道路上的数码管显示的数字是该道路所剩余的可通行时间,红灯点亮道路上的数码管显示的数字是该道路所剩余的禁行时间,此处需要注意区分两者不同的物理含义。系统上电后,默认运行在“正常模式”下。此时南北向绿灯点亮,允许直行;东西向红灯点亮,禁止直行和左转。

3 系统设计与实现

3.1 系统架构

整个架构主要由4个部分组成。分别是MCU单片机控制模块、按键输入扫描模块、数码管显示模块和交通灯显示模块。按键、数码管和LED灯都是典型的人机交互的元器件,按键用于接收命令,数码管和LED灯用于反馈信号和状态。数据流向也是单向的,由左至右。

3.2 运行模式

对照日常生活,交通灯运行的模式如下。“正常模式”:模拟十字路口正常运行的场景,交通灯按正常的顺序进行周期循环;“夜间模式”:模拟十字路口夜间运行的场景,东西向和南北向的黄灯同时闪烁;“紧急模式”:模拟十字路口进入紧急情况下的场景(救护车、消防车通过等),东西向和南北向的红灯全部点亮;“强制东西向通行模式”:强制东西向通行,南北向停车等待。“强制南北向通行模式”:强制南北向通行,东西向停车等待。

3.3 “正常模式”下状态迁移之状态机

不同国家、不同城市、不同十字路口都有不同的状态设置。有的路口是先直行再左转,有的路口是先允许左转再允许直行,有的路口压根就没有专门的左转灯,有的路口有人行道指示灯,而有的没有。所谓千人千面,五官各不相同,但确有一个共性,就是都有五官。状态机的思路可以很好地解决这个问题。表1是“正常模式”下状态迁移之矩阵表。1-表征对应颜色交通灯点亮;0-表征对应颜色交通灯熄灭;1/0-表征对应颜色交通灯闪烁;蓝色灯-表征对应道路左转状态。

表1 “正常模式”下状态迁移之矩阵

3.4 信号灯倒计时器

信号灯倒计时器分为学习型倒计时器和通讯型倒计时器两种。学习型倒计时器正逐步退出历史舞台,代之而起的是通讯型倒计时。在使用信号智能控制功能时,如平峰高峰转换、步进、交通管制等,由于实时调整信号配时,会使倒计时产生“跳秒现象”。为了解决这个问题,可以选择不使用倒计时,也可以选择使用采用倒9秒计时器。倒9秒计时器原理是这样的:比如一个绿灯的时间是20秒,到第11秒的时候,系统就会判断一次,这个方向的绿灯是否需要延时。如果不需要,就开始进行最后9秒的倒计时;如果需要,就不启动倒计时,而进入延时状态,到最后9秒的时候,系统会再次进行判断。9秒实际上就是这个系统的最短绿灯时间。当然,系统中也会设定最长的绿灯时间,延时几次之后,就必须要强制切换红灯了,否则另一个方向就会很难受。

3.5 仿真电路图

因为本文设计更侧重功能的实现,对于硬件电路的设计要求不是太高,达到能用的标准方可。单片机P0一定要加上拉电阻,因为P0口内部为开集电极输出,无法输出高电平,只有加了上拉电阻,P0口才能输出高电平。数码管的驱动一定要加限流电阻。虽然在Proteus中仿真不加,问题也不大,但是实际产品肯定是不允许的,而且也无法工作。LED灯驱动一定要加限流电阻。如果不加限流电阻,单片机会工作异常,因为单片机引脚的驱动电流的能力是有限制的,超出则正常功能无法保证,甚至烧坏单片机。LED灯不建议直接并联使用。虽然LED灯具有正向单调的伏安特性曲线,但是它的温度系数却是负向的,不利于均流。按键模块采用的是普通的点对点的结构,但设计中也可采用矩阵式按键,使用者可以自行发挥。当前的设计,单片机引脚基本被全部分配用完,没有冗余。对于实物产品的开发这是不被允许的,因为过于捉襟见肘的单片机资源完全不利于产品后期的功能升级和延展。如果单片机引脚紧张,除可以采用矩阵式键盘节省引脚外,也可以采用数字锁存器或者译码器对引脚进行扩展使用。