智能化斑馬線交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?

吳 寧，尚坡利

（1.蘭州工業(yè)學(xué)院電氣工程學(xué)院，甘肅蘭州 730050；2.蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070）

智能化斑馬線交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?

吳 寧1，尚坡利2

（1.蘭州工業(yè)學(xué)院電氣工程學(xué)院，甘肅蘭州 730050；2.蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070）

重點(diǎn)介紹了一種基于8051單片機(jī)為控制核心的智能化斑馬線交通燈自動(dòng)控制系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)于斑馬線交通燈控制系統(tǒng)工作環(huán)境的分析，針對(duì)現(xiàn)有斑馬線交通燈的缺點(diǎn)提出了智能化的工作方案，并進(jìn)行了相關(guān)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)可根據(jù)道路交通實(shí)時(shí)狀況自動(dòng)調(diào)節(jié)車流及人流通過(guò)時(shí)間，能耗低，性價(jià)比高，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

8051；壓力傳感器；A／D轉(zhuǎn)換

1 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城市道路交通問(wèn)題越來(lái)越引起人們關(guān)注，道路資源緊張使得在交通流量大、人車密集的道路上經(jīng)常出現(xiàn)人車爭(zhēng)道的情形，由此造成的交通事故屢屢發(fā)生。如何協(xié)調(diào)已成為交通管理部門急需解決的重要問(wèn)題之一。很多城市采用了斑馬線交通燈以平衡行人和車輛的關(guān)系，但常態(tài)化的設(shè)計(jì)忽視了不同時(shí)段的實(shí)時(shí)交通狀況，無(wú)法滿足現(xiàn)代化的交通需求，因此，對(duì)于交通燈控制性能智能化的要求也在不斷提高。筆者設(shè)計(jì)的智能化斑馬線交通燈可根據(jù)行人數(shù)量與車流量及時(shí)調(diào)整交通燈控制結(jié)果，較好的應(yīng)對(duì)相應(yīng)問(wèn)題。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

交通燈行人指示方向可顯示紅綠兩色及時(shí)間，車輛指示方向顯示紅綠黃三色及時(shí)間，其中行人指示方向的紅燈時(shí)間等于車輛指示方向綠燈和黃燈時(shí)間之和，行人指示方向的綠燈時(shí)間等于車輛指示方向紅燈時(shí)間。雙向通過(guò)近似采集車流量及等待過(guò)馬路行人數(shù)量，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)雙向通行時(shí)間，車輛高峰期間，行人積累到較高預(yù)設(shè)值時(shí)可開啟過(guò)路計(jì)時(shí)，通行時(shí)間控制較短；車輛低峰時(shí)段相反，其中行人數(shù)量捕捉由計(jì)數(shù)器或壓力傳感器完成，此方案采用壓力傳感器完成。

根據(jù)任務(wù)要求，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)模塊組成：①控制及擴(kuò)展模塊；②檢測(cè)及轉(zhuǎn)換模塊；③復(fù)位及晶振模塊；④顯示模塊。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體框圖

在該系統(tǒng)中，控制及擴(kuò)展模塊用來(lái)完成系統(tǒng)的控制任務(wù)；檢測(cè)及轉(zhuǎn)換模塊的作用是通過(guò)壓力傳感器測(cè)量道路的車流量與行人道等待通行的人數(shù)量，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量以便單片進(jìn)行處理；復(fù)位及晶振模塊的作用是結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機(jī)所需的時(shí)鐘頻率以及在不同需求下對(duì)電路進(jìn)行復(fù)位；顯示模塊的作用是顯示設(shè)定的通行或等待時(shí)間。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 控制及擴(kuò)展模塊

（1）控制模塊 控制部分采用MCS－51系列單片機(jī)8051，其價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于開發(fā)，有較強(qiáng)的位處理功能，有全雙工異步串行通信口［1］。其中，每秒鐘的設(shè)定采用計(jì)數(shù)器硬件軟件相結(jié)合的方式延時(shí)。單片機(jī)的主脈沖頻率經(jīng)過(guò)12分頻后，1 s將超過(guò)計(jì)數(shù)器的最大定時(shí)時(shí)間，采用在主程序中設(shè)定一個(gè)初值為20的軟件計(jì)數(shù)器使T0定時(shí)50 ms。這樣每當(dāng)T0到50 ms時(shí)CPU就響應(yīng)溢出中斷請(qǐng)求，進(jìn)入中斷服務(wù)子程序。在中斷服務(wù)子程序中，CPU先使軟件計(jì)數(shù)器減1，然后判斷它是否為0，為0表示1 s已到，可以返回輸出時(shí)間顯示程序。8051時(shí)鐘頻率可1.2～12 MHz之間任意選擇，在不影響系統(tǒng)總功率的前提下，時(shí)鐘頻率選擇低一些可降低系統(tǒng)對(duì)其它元器件工作速度的要求，從而降低成本和提高系統(tǒng)的可靠性。本系統(tǒng)單片機(jī)器時(shí)鐘頻率采用6 MHz。

（2）擴(kuò)展模塊 MCS－51系列單片機(jī)共有4個(gè)8位并行I／O口，但這些I／O口并不能完全提供給用戶使用［2－3］。對(duì)于內(nèi)有ROM／EPROM的單片機(jī)8051，在不使用外部擴(kuò)展時(shí)，才允許這4個(gè)I／O口作為用戶I／O使用，然而對(duì)于大多數(shù)8051需外部擴(kuò)展時(shí)，MCS－51單片機(jī)可提供給用戶使用的I／O口只有P1口和P3口，因此，在大部分的MCS－51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中都不可避免地要進(jìn)行I／O口的擴(kuò)展。

由于數(shù)碼管的輸出顯示、紅綠黃信號(hào)燈的顯示都要用到有限的I／O端口，因此8051的端口需要擴(kuò)展。Intel 8255是1個(gè)為8080、8085和8086／8088微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的通用I／O接口芯片，它可用程序來(lái)改變功能，通用性強(qiáng)，使用靈活，通過(guò)它可以將CPU的總線直接接向外設(shè)。采用8255并行接口芯片來(lái)擴(kuò)展I／O端口，無(wú)需外加任何邏輯電路。MCS－51系列單片機(jī)受引腳數(shù)的限制，數(shù)據(jù)線和地址線是復(fù)用的。為了將它們分離出來(lái)，以便同單片機(jī)片外的擴(kuò)展芯片正確的連接，需要在單片機(jī)外部增加地址鎖存器，此設(shè)計(jì)采用74LS373芯片。

3.2 檢測(cè)及轉(zhuǎn)換模塊

系統(tǒng)采用壓力傳感器可以測(cè)量某一時(shí)刻行人與車流量狀況，將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大和濾波，輸入到A／D轉(zhuǎn)換裝置中，并形成數(shù)字信號(hào)輸入到單片機(jī)中。單片機(jī)預(yù)設(shè)相應(yīng)值與輸入值進(jìn)行對(duì)比，調(diào)整雙向信號(hào)燈時(shí)間以控制通行時(shí)間。其中，設(shè)行人平均體重在40～100 kg，車輛質(zhì)量平均為200 kg～10 t，可采用PTH501壓力傳感器作為檢測(cè)儀器，其量程為0～1～150（MPa），精度為±0.2%FS，響應(yīng)時(shí)間為5 ms。

由于該壓力傳感器三線制型號(hào)輸出電壓為0～5 V，可經(jīng)過(guò)濾波后直接采用ADC0809進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。ADC0809是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，它由8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關(guān)樹型A／D轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器、邏輯控制和定時(shí)電路組成，其模擬輸入電壓范圍也為0～5 V。檢測(cè)及轉(zhuǎn)換模塊原理框圖如圖2所示。

圖2 檢測(cè)及轉(zhuǎn)換模塊原理框圖

3.3 復(fù)位及晶振模塊

圖3 時(shí)鐘電路

（1）復(fù)位模塊 復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，其主要功能是把PC初始化為0000H，使CPU從0000H單元開始執(zhí)行程序。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為擺脫困境，也需按復(fù)位鍵重新啟動(dòng)。此設(shè)計(jì)采用自動(dòng)復(fù)位方式，為保證復(fù)位成功，只要復(fù)位端口保持足夠時(shí)間（即兩個(gè)周期以上）的高電平，就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)上電復(fù)位［4－5］。

（2）晶振模塊 8051內(nèi)部有1個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器。引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸出端和輸入端。這個(gè)放大器與片外石英晶體和陶瓷諧振器一起構(gòu)成了一個(gè)自激振蕩器，接線如圖3所示。外接晶體時(shí)，C1和C2通常選擇為30 pF；外接陶瓷諧振器時(shí)，C1和C2的典型值約為47 pF。它的振蕩頻率在1.2～12 MHz。它采用12 MHz晶振，與8051單片機(jī)的XTAL1和XTAL2相接，為CPU提供計(jì)時(shí)基準(zhǔn)。

3.4 顯示模塊

LED（Light－Emitting Diode）是發(fā)光二極管的簡(jiǎn)稱，LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，發(fā)光效率高，生產(chǎn)成本低，工作性能穩(wěn)定高效，壽命長(zhǎng)，顏色鮮艷，易于觀察，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，性價(jià)比高，可減少接口數(shù)目，同時(shí)LED還有節(jié)能、安全和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。采用8段共陰數(shù)碼管及動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)顯示。

4 軟件部分

軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)控制部分的核心，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)并初始化以后，通過(guò)設(shè)置在不同位置的壓力傳感器收集到行人與道路的流量信息并分別進(jìn)行處理，然后將輸出進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，與單片機(jī)預(yù)先設(shè)定控制內(nèi)容進(jìn)行對(duì)照，并形成控制方案，最終進(jìn)行顯示以用來(lái)給予兩向通行者的提示。系統(tǒng)主程序流程如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

5 總 結(jié)

本系統(tǒng)是以單片機(jī)8051芯片為核心控制部件，通過(guò)設(shè)在雙向的壓力傳感器實(shí)現(xiàn)了根據(jù)實(shí)時(shí)交通狀況調(diào)整雙向紅、綠燈燃亮?xí)r間，達(dá)到了較好的控制效果，具有適用性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、擴(kuò)展性強(qiáng)、可靠性高、設(shè)計(jì)周期短、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

［1］ 胡漢才.單片機(jī)原理及其接口技術(shù)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［2］ 馮博琴.微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2002.

［3］ 付家才.單片機(jī)控制工程實(shí)踐技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［4］ 周航茲.單片機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1992.

［5］ 徐愛(ài)卿.單片微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用和開發(fā)系統(tǒng)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1993.

Design and Implementation of Intelligent Zebra Crossing Traffic Light Control System

WU Ning1，SHANG Po－li2
（1.Electrical Engineering Department，Lanzhou Institute of Technology，Lanzhou Gansu 730050，China；（2.School of Automation＆Electrical Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu 730070，China）

The article focuses on an intelligent automatic zebra crossing traffic lights control system based on 8051 microcon?troller.An intelligent solution is proposed aiming at shortcomings of the existing zebra crossing traffic lights by analysing the working environment of the crosswalk traffic light control system and related design is carried out.The system could adjust the through time of the pedestrians and vehicles according to the real－time traffic conditions automatically and it has a lot of merit such as low energy consumption，cost－effective and a high practical value.

8051；pressure sensor；A／D converter

TH122

A

1007－4414（2013）04－0179－02

2013－06－16

吳 寧（1981－），男，甘肅蘭州人，碩士，講師，主要從事計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和自動(dòng)化裝置方面的教學(xué)和研究工作。