基于AT89S51的智能交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

摘要：針對(duì)城市交通控制問題，提出以AT89S51作為系統(tǒng)的控制核心，實(shí)現(xiàn)正常情況下各個(gè)方向信號(hào)燈的輪流指示及倒計(jì)時(shí)顯示。系統(tǒng)能根據(jù)各方向車輛的實(shí)際通行情況及時(shí)切換通行方向，并保證緊急情況下特殊車輛的及時(shí)通行。最后利用Proteus仿真調(diào)試驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。

隨著經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的快速發(fā)展，城市交通壓力越來越大，如何通過有效的交通管理，實(shí)現(xiàn)人、車、路三者之間的協(xié)調(diào)，已經(jīng)成為交管部門亟待解決的主要問題之一。除了通過多種交通出行方式緩解交通壓力以外，在路面交通控制中，對(duì)交通信號(hào)燈的靈活有效控制，已經(jīng)成為城市交通控制系統(tǒng)中重要組成部分。

傳統(tǒng)的十字路口交通控制系統(tǒng)中，一般只采用紅綠黃燈分方向輪流控制形式，沒有考慮到實(shí)時(shí)的各方向路面車流輛情況，緊急突發(fā)事件的應(yīng)急處理等，這樣的控制顯得不夠靈活，無法達(dá)到最優(yōu)的交通指揮目的。本文提出的智能交通燈控制系統(tǒng)，可通過對(duì)通行方向?qū)嶋H路面車輛有無的檢測(cè)，及時(shí)切換通行方向，并針對(duì)緊急情況，保證特殊車輛的優(yōu)先通行。此外，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)各方向時(shí)間的倒計(jì)時(shí)顯示，使交通指揮高效靈活。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

智能交通燈控制系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)以下控制目的：

1)設(shè)東西道為A道，南北道為B道;A道放行60 s;B道放行30 s;綠燈放行，紅燈停止;綠燈轉(zhuǎn)紅燈時(shí)，黃燈亮3 s。

2)當(dāng)一道有車而另一道無車時(shí)，交通燈控制系統(tǒng)立即讓有車的車道放行。

3)遇到特殊情況，可撥動(dòng)應(yīng)急開關(guān)，使各方向均為紅燈，特殊車輛不受紅燈限制，保證其順利通過后將開關(guān)撥回原位，系統(tǒng)恢復(fù)原狀態(tài)進(jìn)行。

4)具有遞減時(shí)間顯示功能。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)的控制方案有多種，可采用PLC、CPLD、單片機(jī)或純電路設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)方案。從控制的靈活性、實(shí)現(xiàn)的方便程度以及性價(jià)比等方面綜合考慮，本設(shè)計(jì)采用AT89S51單片機(jī)作為控制核心器件。采用紅、綠、黃燈各4個(gè)作為交通指示，采用霍爾傳感器分別檢測(cè)兩個(gè)方向有無車輛通行。處理緊急車輛的開關(guān)接到外部中斷引腳INT0。使用兩位數(shù)碼管進(jìn)行遞減時(shí)間顯示，并采用動(dòng)態(tài)掃描的顯示方式。此外，單片機(jī)系統(tǒng)工作需要時(shí)鐘電路和復(fù)位電路構(gòu)成最小系統(tǒng)。

整個(gè)系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

1)單片機(jī)最小系統(tǒng)：原理圖如圖2所示。AT89S51作為控制核心，加上時(shí)鐘電路及復(fù)位電路組成單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖2所示。其中時(shí)鐘電路的晶振頻率為12 MHz，為單片機(jī)工作提供基本的工作時(shí)序。采用按鍵復(fù)位電路，在系統(tǒng)上電以及非正常工作時(shí)實(shí)現(xiàn)復(fù)位。

2)信號(hào)燈顯示電路：采用12個(gè)交通燈模型來模擬實(shí)際交通信號(hào)燈，其中P1.0～P1.2輸出控制A道的紅、綠、黃燈，即P1口的1個(gè)輸出引腳同時(shí)控制同一道上不同方向的兩個(gè)信號(hào)燈，若驅(qū)動(dòng)能力不夠時(shí)可增加驅(qū)動(dòng)電路以達(dá)到功率匹配。同理，P1.3～P1.5輸出控制B道的紅、綠、黃燈，交通燈模型在單片機(jī)輸出引腳為高電平時(shí)點(diǎn)亮。原理圖如圖3所示。(注：為描述方便，單片機(jī)引腳表示方法如：P1.0引腳用P10符號(hào)表示。)

3)車輛檢測(cè)輸入：采用霍爾傳感器進(jìn)行車輛有無的檢測(cè)，在每個(gè)方向車道的入口處安裝一個(gè)霍爾傳感器。當(dāng)該方向車輛入口處有車輛時(shí)，霍爾傳感器會(huì)發(fā)出一個(gè)脈沖，得到車輛的有無信號(hào)。本設(shè)計(jì)只在A、B道上各放置一個(gè)霍爾傳感器(實(shí)際應(yīng)是兩個(gè))。由于在Proteus仿真中沒有霍爾傳感器的模型，但是考慮到霍爾傳感器發(fā)出的是單脈沖，此處可采用一個(gè)開關(guān)替代來進(jìn)行仿真。車輛檢測(cè)輸入部分如圖4所示。

4)緊急開關(guān)輸入：當(dāng)出現(xiàn)緊急情況需要特殊車輛優(yōu)先通行時(shí)，可撥通緊急開關(guān)，緊急開關(guān)可接至外部中斷0，此時(shí)各方向交通燈全紅，等待特殊車輛通行后在關(guān)掉緊急開關(guān)，恢復(fù)信號(hào)燈的正常顯示。緊急開關(guān)輸入部分如圖4所示。

5)倒計(jì)時(shí)顯示電路：采用共陽極2位數(shù)碼管進(jìn)行60 s或30s遞減時(shí)間顯示，使用P0口輸出LED顯示器的段碼，P2口輸出LED顯示器的位碼。考慮到采用動(dòng)態(tài)掃描方式，需增加驅(qū)動(dòng)電路，故在P0口輸出段碼時(shí)先接至74HC573鎖存器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，再接至LED數(shù)碼管的段控端。通過P2口輸出4個(gè)位碼時(shí)經(jīng)由74HC04反相驅(qū)動(dòng)后再接到數(shù)碼管的位控端。電路原理圖如圖5所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)控制要求及硬件原理圖，軟件采用匯編語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，主程序流程如圖6所示。將A、B車道的傳感器接至P3.6和P3.7，當(dāng)P3.6=0表示A道有車輛通過;P3.6=1表示A道無車輛通過。同理，可判斷B道車輛通行情況。

對(duì)緊急車輛的處理，采用外部中斷的方式，由外部中斷0服務(wù)程序處理。LED數(shù)碼管顯示采用動(dòng)態(tài)掃描方式實(shí)現(xiàn)倒計(jì)時(shí)的顯示，通過定時(shí)器T0進(jìn)行20ms的定時(shí)，在定時(shí)器T0服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)十位和個(gè)位時(shí)間的輪流顯示。由于篇幅限制，外部中斷0服務(wù)程序和定時(shí)器0中斷服務(wù)程序流程此處略。

5 Proteus仿真調(diào)試

軟件采用匯編語言設(shè)計(jì)，在Keil C51集成開發(fā)環(huán)境下將編寫的程序進(jìn)行編譯、調(diào)試，并生成目標(biāo)文件(.hex)。此外，利用EDA仿真軟件Proteus繪制出電路仿真原理圖，CPU選擇AT89S51。雙擊AT89S51，在出現(xiàn)的對(duì)話框中的“Program file”加入已生成的.hex文件，并進(jìn)行仿真調(diào)試。調(diào)試成功后，正常情況下A、B道的紅綠黃信號(hào)燈輪流亮并具有倒計(jì)時(shí)顯示，按下緊急開關(guān)則A、B通道紅燈一直亮直至松開緊急開關(guān);若檢測(cè)到當(dāng)前通行道上無車而哦、另一道上有車時(shí)，能正確切換通行方向。正常情況下的仿真效果圖如圖7所示仿真顯示當(dāng)前A道紅燈，B道路燈通行，倒計(jì)時(shí)時(shí)間為16 s。

6 結(jié)論

該設(shè)計(jì)以AT89S51單片機(jī)作為控制核心，能實(shí)現(xiàn)正常情況的通行指示，各方向車流情況不同的及時(shí)通行切換，以及緊急情況下的特殊通行，并通過Proteus軟件的仿真調(diào)試驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。與傳統(tǒng)交通燈控制系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、控制靈活、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在交通控制領(lǐng)域中具有較好的實(shí)用價(jià)值。