摘要：本文针对现有交通灯存在的缺点:对于不同的车流量没有设置相应的通行时间,交通灯对车道的放行时间相对较为固定,虽然早晚放行时间有别,但多为人工控制,造成道路资源严重浪费。作者尝试设计一款交通灯智能辅助控制系统,采用工业级51系列的单片机作为CPU,提出一种利用传感器感知道路车流量,并反馈到核心CPU,根据采样信号自动对相应路口的通行控制时间进行自动化控制。
关键词：交通灯智能; 控制系统; 硬件设计;
随着交通工具爆炸性的快速发展,以及道路资源的有限性,智能交通控制就显得尤为重要。而现有交通灯存在的缺点是对于不同的车流量没有设置相应的通行时间,交通灯对车道的放行时间相对较为固定, 虽然早晚放行时间有别,但多为人工控制,造成道路资源严重浪费。作者尝试设计一款交通灯智能辅助控制系统,采用工业级51系列的单片机作为CPU,提出一种利用传感器感知道路车流量,并反馈到核心CPU,根据采样信号自动对相应路口的通行控制时间进行自动化控制。
1、交通灯智能控制系统背景资料
当今,红绿灯安装在各个道口上,已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段。但这一技术在19世纪就已出现了。1858年,在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红、蓝两色的机械扳手式信号灯,用以指挥马车通行。这是世界上最早的交通信号灯。
现有的交通等指挥系统,虽然已经根据实际行车过程中出现的情况进行了改进,但仍存在如下几个缺点: 1、现有交通灯对车道的放行时间相对较为固定, 虽然已经实现早晚放行时间有别,但仍多为人工控制。2、对于不同的车流量没有设置相应的通行时间,无法实现实时控制,道路资源浪费严重。 根据行车过程中出现的实际情况, 如何实时并且全面有效地利用交通灯指示交通情况已经成为缓解交通压力的重点研究方向, 本人尝试用设计一款交通灯智能辅助控制系统, 提出控制理念,在软、硬件方面采取一些改进措施, 根据路面实际的车流量控制通行时间,使得现有道路能得到充分利用,缓解道路交通压力。
2、交通灯智能辅助控制系统需求分析
本产品定位在智能交通辅助控制系统,是配合现有交通控制系统进行工作,弥补现有交通指挥系统的部分不足。本系统具有模块化工作的特点,方便在实际生活中应用和实施,本系统留有相应的通信接口,方便与现有交通控制系统进行整合。本系统的主要设计思路是根据路段的车流量来合理安排此路段的车量通行时间,从而达到合理利用道路资源的目的,大大减少车辆的拥堵时间。
一个完整的控制模块系统采用两片单片机作为控制单元,一片负责相应路段的车数量采集(在本模拟系统中,为了方便测试和达到很好的调试效果,我们会通过按键来模拟车辆的通过,另外还会将车的数量显示在七段数码管上,在实际中会采用磁感线圈或脉冲感应信号来进行车辆的通行数据进行采集)。一片负责中心数据的处理做出实时的控制指令,控制路段时间显示,以及对应灯光信号的输出(在实际应用中还将负责与上游控制系统的数据通信控制)。
本套智能交通辅助控制系统的应用能够实现道路的有效利用,避免原来那种有的路段无车却是绿灯亮,车很多的路段反而是红灯亮的现象出现。为现有道路交通营造了良好通行环境,人们可以更加安全的自驾车或坐公车,促进了整个社会的进一步和谐。
本系统有以下特点:
(1) 道路达到最大化的利用效果
(2) 中途遇到突发事件,人为可以参与到系统的控制
(3) 对环境的适应性很强,对温度,湿度,噪声,以及震动有很好的防御性
3、交通灯智能辅助控制系统总体设计
基于整个交通控制系统的发展情况,本设计主要进行如下方面的研究:用智能,集成,且功能强大的工业级单片机芯片为控制中心,设计出一套十字路口的交通辅助控制系统,满足于十字路口的通行状态的实时控制。 本设计主要做了如下几方面的工作:一是确定系统交通控制的总体设计方案,包括:十字路口具体的通行禁行方案设计以及系统应拥有的各项功能,在这里,本设计除了拥有现行的信号灯状态控制功能,如倒计时显示提示,现在又提出了基于实际情况进行实时控制理念,所以提出了要求对车流量进行检测及实时调整通行时间的功能,以及违规检测及处理,紧急状况处理和实现对交通控制信号进行现场设置等强大功能。二是进行车流量的数据采集模块设计,这部分主要是进行传感器的硬件电路设计,以及配套的通行时间控制显示模块等的设计,此部分重难点在于各模块之间的选择以及数据通信问题。三是进行软件系统设计,此部分是本系统的灵魂,起到至关重要的作用,难点在于用软件实现数据的处理分析。
本产品首先通过车辆计数模块中的按键进行对各个了路段车辆进行初始设定,在模拟应用过程中,通过一块负责采集数据的单片机利用传感器来进行车流量的数据采集,然后将采集的信息送到核心控制模块对数据进行加工和处理,经过逻辑和算数运算最后形成指令来完成显示模块和交通灯模块的控制工作。本系统预留与现有交通灯控制模块的通信接口,已达到与现行设备的兼容。
本产品整体的工作流程设计如图3-1所示。
图3-1 整体工作流程设计
4、硬件系统设计
本设计利用单片机强大的串行通讯技术,接受来自另一单片机所发送的路段车辆数再进行加工处理数据,最后做出逻辑判断从而控制显示倒计时和红黄绿灯的亮灭。
4.1 主控芯片的选择
根据交通灯的使用环境和本系统实现目标功能,选择AT89S52作为主控芯片,该芯片具有的特点如下:可以对IO口进行编程,有两个串行输入输出口,使得采集的数据信号能够根据系统所需要的波特率进行数据传输,稳定可靠性高,可在线调试方便开发。
4.2 74HC154芯片
74HC154译码器可接受4位高有效二进制地址输入,并提供16个互斥的低有效输出。74HC154的两个输入使能门电路可用于译码器选通,以消除输出端上的通常译码“假信号”,也可用于译码器扩展。该使能门电路包含两个“逻辑与”输入,必须置为低以便使能输出端。任选一个使能输入端作为数据输入,74HC154可充当一个1-16的多路分配器。当其余的使能输入端置低时,地址输出将会跟随应用的状态。
4.3 74LS248芯片
74LS248在系统中作为芯片数码管的译码器/驱动器使用,具有4 线BCD输入,有上拉电阻。
芯片简要说明:
(1) 248 系列芯片为有内部上拉电阻的BCD—七段译码器/驱动器。
(2) 型号共有54/74HC248 和54/74LS248四种。
4.4 4LS595芯片
595系列芯片是高速的硅结构的CMOS器件,兼容低电压TTL电路,遵守JEDEC标准。595系列芯片是具有8位移位寄存器和一个存储器,三态输出功能。数据在SCHcp的上升沿输入,在STcp的上升沿进入的存储寄存器中去。如果两个时钟连在一起,则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。移位寄存器有一个串行移位输入(Ds),和一个串行输出(Q7’),和一个异步的低电平复位,存储寄存器有一个并行8位的具备三态的总线输出,当使能OE为低电平时,存储寄存器的数据输出到总线。8位串行输入/输出或者并行输出移位寄存器,具有高阻关断状态。
双位数码管在增加一个数码管的时候,引脚A-DP公用引脚,这是一个共阴极双位数码管,接GND的两个引脚可以分别接一个I/O端口实现动态扫描,逐位进行显示,在人的视觉暂留效应的情况下,可以满足现实需要,此方式既节约功耗又同样可以达到同样的显示效果。
交通系统主要由显示倒计时,红黄绿灯,控制系统组成本系统采用七段数码管加继电器驱动,可以显示更加醒目的红色。构成显示倒计时模块,主要负责显示倒计时。路口的车辆行驶前,黄灯闪烁三下,表示等待交叉路口的车辆彻底行驶完毕。绿灯亮,交叉路口红灯亮,红黄绿灯的亮灭起到提醒作用,由显示红黄绿灯亮灭模块完成。采集车辆数据,对数据进行加工处理,形成控制信号,主要由车辆计数模块和核心模块共同完成。
在无突发事件发生的情况下,车辆计数模块采集数据,核心模块接受数据后形成控制信号,控制显示时间模块和红黄绿灯亮灭模块的工作。当有突发事件产生时,系统产生中断并发出警报,此时由工作人员来处理。