城市交通交叉口信号仿真系统设计

2022-11-22陕西铁路工程职业技术学院王青苗雷赐涛

内江科技 2022年10期

◇陕西铁路工程职业技术学院王青苗雷赐涛

本文分析引导当前城市交通十字交叉口交通流的方式，在总结目前十字交叉口的交通信号灯的设置方式基础上，设计了一种基于AT89C52单片机控制的信号机模拟仿真系统。文中给出了系统的硬件和软件设计架构及实现控制流程，该系统能实现十字路口交通灯的模拟仿真功能。

1 背景

在我国城市的道路交通控制模式中，为了方便车辆和行人能按照一定规律顺利通过十字交叉口，通常在十字路口设置交通信号机来指挥引导交通流，且大部分交通信号机在具有颜色显示的同时也具有倒计时显示功能和提示功能[1-2]。在控制过程中，信号机的颜色显示和倒计时数字按照一定规则进行切换显示，指挥车和行人遵循规则通过，从而保证交叉口不发生拥堵。十字路口的交通信号灯是作为交通流控制常见的设备。目前，它们的控制和管理主要是依靠位于路旁的控制机柜直接控制的[3]。基于这种思路，本文设计了一种信号机控制仿真系统，能模拟实际的信号机的显示功能，为教学和演示提供方便。

2 系统架构设计

本系统利用单片机作为该系统的控制核心设备，设计基于单片机的城市交通交叉口信号机的仿真控制系统，能模拟实现交叉路口的交通控制，达到引导十字交叉车流和人流的目的[4]。本系统为了实现仿真控制相关功能，将整个系统分为两个部分进行设计：系统的硬件设计和软件设计。本系统硬件以单片机为控制核心，配合其他模块来构建仿真模拟平台的搭建，单片机通过设定的程序来控制其他模块。软件设计主要涉及对各个模块软件控制流程与控制思想的设计。本文的控制逻辑如图1所示，其中电源模块分别为单片机、信号机、倒计时模块提供工作所需要的电源，单片按照烧录的设定程序，循环输出指令控制信号机显示不同的颜色灯光，并且控制倒计时模块配合不同相位的灯光显示计时。

图1 系统的控制逻辑图

2.1 硬件架构

本文设计的硬件系统主要为该系统模拟提供承载界面，能为该系统提供显示、控制、电源以及模拟交叉口的平台，按照功能将硬件系统分为以下4个模块。

（1）显示模块。显示模块用来模拟十字交叉口的信号机的颜色及倒计时信息，包括信号灯显示以及倒计时显示模块[5]。按照实际相位逻辑关系，来设置信号机上信号灯的颜色显示，信号灯颜色顺序每个方向从左到右一次排列为绿、黄、红，信号灯分别采用三种不同颜色的发光二极管来表示，倒计时功能为采用数码管显示方式进行显示，信号灯和倒计时模块组合一起设置于信号机架上。

（2）单片机控制模块。作为本系统的控制核心，本系统选用AT89C52单片机进行程序控制，这种类型的单片机具有在线编程功能，具有在布线和电路连接时较简单、系统工作稳定和功能多等优点[6-7]。本系统通过对该单片机进行程序编写来控制转换不同相位的信号显示及倒计时。

（3）电源模块。系统的供电模块采用电压变换电路，通过转换电路将220V交流电源转换成AT89C52单片机使用的12V电压。对于信号灯和倒计时显示模块的供电电源也采用此种方式实现[8]。

（4）交叉口平台。搭建交叉口的十字路口硬件模拟平台，制成十字交叉口状结构，标注十字交叉口的边缘线、人行通道、车道以及十字交叉口的仿真模拟路面等，在交叉口平台上布置交通灯、倒计时模块等，在模拟平台盒体内部按照电路设计设置单片机及布线及供电电源，且平台容易打开取出内部的单片机芯片，方便必要时容易操作对单片机芯片内部程序进行更改[9]。

2.2 软件架构

本系统设计的软件主要是为了实现信号灯的显示以及倒计时功能，系统为各个相位的信号灯颜色显示配备相应的同步倒计时时间，按照程序设定流程进行显示并且周期循环进行切换。

3 系统实现

3.1 硬件系统的实现

本系统设计的硬件结构示意如图2所示，图中展示了设计的十字交叉口控制台的平面图，在一个交叉口的四个方向均设计了信号机柱，信号灯和倒计时器均设置于机柱上，从而实现对交叉路口四个方向的控制，各个方向的计时功能均采用倒计时的方式来实现，为平台提供电源和程序控制的电源模块、单片机控制电路、电路走线设置于该平台的内部，在底部设置设置电源插座，保证该系统接电源正常可用。

图2 十字交叉口控制台平面布置示意图

3.2 软件系统的实现

本系统设计的软件流程按如图3所示步骤进行：在系统启动时，先对系统进行初始化，使得南北方向显示绿灯，并且配备倒计时显示时间，等倒计时完绿灯显示后，南北方向倒计时显示3s黄灯，在此时间段内，东西方向一直显示红灯，当南北方向的黄灯显示结束后，接下来使得南北方向显示红灯，与此同时东西方向显示绿灯倒计时，结束后显示3s黄灯。在显示过程中东西方向的灯光显示刚好和南北方向的显示颜色是相反的，如此重复循环，则可达到对交叉口信号灯光配时周期控制的目的。

图3 软件实现流程

本文设计的软件系统是控制东西南北方向的灯光显示以及倒计时器的显示达到控制交通流的目的，为了便于控制区分，本文中将该系统的软件部分划分为两个相位来分别编写程序：南北相位与东西相位[10]。文中假设南北相位为相位1的配时，东西相位为相位2的配时，设计初始程序中配时情况为相位1绿灯时间显示为45s，相位2的红灯时间为48s，其中相位1在显示绿灯及倒计时信息为0后，该相位继续保持3s的黄灯显示并倒计时直至清零，这样就能保证在绿灯相位时最后几秒进入交叉口的车辆能顺利通过交叉口。下一步相位1转换为显示红灯48s，相位2转换为绿灯显示45s、黄灯显示3s。随着倒计时器的计时，信号灯的颜色也进行了相应的变换，从而模拟了十字交叉口的信号机的变换情况。