基于单片机交通灯智能控制系统研究

1 引言
 
随着经济发展，汽车数量急剧增加，城市道路日渐拥挤，交通拥塞已成为一个国际性的问题。因此，设计可靠、安全、便捷的多功能交通灯控制系统有极大的现实必要性。通常情况下，交通信号灯控制主要有两个缺陷：1、车道放行车辆时，时间设定相同且固定，十字路口经常出现主车道车辆多，放行时间短，车流无法在规定时间内通过，而副车道车辆少，放行时间明显过长；2、未考虑急车强通（譬如，消防车执行紧急任务时，两车道都应等待消防车通过）。由于交通信号灯控制系统缺乏有效的应急措施，导致十字路口交通受阻，造成不必要的经济损失。
本系统利用单片机AT89C51，借助CAN总线作为现场通信总线实现智能交通信号灯控制系统设计，实现了根据区域车流、红外遥控以及PC机进行十字路口交通信号灯智能控制，并在软、硬件方面采取一些改进措施，实现了根据十字路口车流、红外遥控进行交通信号灯智能控制，使交通信号灯现场控制灵活、有效。从一定程度上解决了交通路口堵塞、车辆停车等待时间不合理、急车强通等问题。系统具有结构简单、可靠性高、成本低、实时性好、安装维护方便等优点，有广泛的应用前景。
2 设计方案与系统结构
本智能交通信号灯控制系统硬件主要由车流信息检测电路、键盘时间设置电路、红外遥控发射/接收电路、单片机控制器、CAN总线控制器、CAN总线收发器、光电隔离芯片、单片机并行接口、看门狗电路等电路组成。本系统设置与上位PC机相连的上位节点为主节点，各路口信号灯控制装置为底层节点，共同构成区域交通信号灯控制系统。系统原理框图如图1所示。

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系统利用红外遥控装置实现各十字路口现场信号灯控制，红外发射器发射出的编码信号经接收器接收后送入单片机控制器，控制信号灯红绿变换、等待时间、急车强通。另外，车流检测装置安放在各十字路口东西、南北道路方向实时检测车道车流信息。并将检测到的信息输至单片机进行处理，通过单片机编程技术实现信号灯绿、红切换及等待时间设定。此外，PC机通过通讯串口与节点上的单片机控制器进行通信，实现数据信息在CAN总线上的发送与接收。PC机负责网络上所有信号灯控制装置的集中管理功能；同时向各信号灯控制器下传工作模式控制信息。
3 系统设计
3.1 红外遥控发射电路
由于系统需实现十字路口不同方向信号灯变化。假设两方向为东西、南北方向。则需实现东西、南北两个方向信号灯的选定、时间增减、急车强通等功能。红外遥控发射电路原理框图如图2所示。
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红外遥控发射器与外接陶瓷谐振器、电容器组成振荡电路，分频产生一定脉冲宽度的载频信号。输出编码信号，经达林顿管放大后，驱动红外线发射二极管向外发射。
3.2 红外遥控接收电路
红外接收、解调模块接收来自发射器的红外信号，经内部集成电路放大、解调后，由输出端输出编码脉冲信号，经三极管反相放大后，送至接收器，由接收器解调模块进行译码。当发射器相应键按下时，接收器输出高电平信号，通过或非门接入单片机控制器的外中断，申请中断，由中断服务程序检测键按下状态，从而完成相应的中断服务。红外接收器与单片机控制器接口电路如图3所示。
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3.3 CAN总线节点接口电路
各路口交通信号灯控制器与上位机的通讯都通过各自的CAN总线接口模块完成。总线系统节点硬件电路原理框图如图4所示。
 
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单片机控制器负责CAN总线控制器初始化，控制实现数据的接收和发送等通信任务。CAN总线收发器与CAN总线接口部分采用了一定的安全和抗干扰措施。为增强CAN总线节点的抗干扰能力，CAN控制器不直接与CAN收发器相连，而是通过加接高速光电隔离器芯片，实现总线上各节点间的电气隔离。但是，光耦电路所采用的VCC和VDD电源必须完全隔离，否则采用光耦电路就失去了意义，可采用小功率电源隔离模块或不大于5V隔离输出开关电源模块实现。
3.4 看门狗电路
由于单片机控制器自身抗干扰能力较差，尤其在一些条件比较恶劣、噪声大的场合，常会出现单片机因受外界干扰轻者导致系统内部数据出错，重者将严重影响程序的运行而死机，造成系统不能正常工作。设置看门狗是为了防止单片机死机、提高单片机系统抗干扰性的一种重要途径。考虑系统可靠性设计，满足苛刻环境下的正常运行，本设计中采用硬件看门狗电路。电路原理框图如图5所示。

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通过硬件看门狗电路设计，可有效防止运行程序进入“死循环”。保证系统不受恶劣天气及环境条件造成的干扰。
3.5 分布式检测控制系统
由于CAN总线具有较强的抗干扰能力，通讯中没有地址的概念及节点数不受限制等优点，已经被广泛应用于汽车、数控机床、仪器仪表、现场总线控制等领域[1]。本设计将若干智能交通信号灯控制器、上位节点接口和PC机组成CAN总线通信系统方便实现智能分布式区域信号灯实时监控、高速数据采集等。单片机控制器与PC机实现串行通信，设置CAN总线控制器工作在Intel模式，由PC机发送数据写入单片机控制器，再通过控制信号由单片机将数据写入CAN总线控制器并通过CAN总线收发器发送。接收数据通过中断进行，CAN BUS数据经CAN总线收发器接收并写入CAN总线控制器。然后通过中断提请单片机读取数据上传PC机。
4 实验分析
本系统单片机控制器选用MSC-51系列IntelAT89C51芯片，红外遥控发射/接收器使用BA5104/BA5302设计。利用MAX692设计看门狗监控电路。总线通信接口中选取PHILIPS公司的SJA1000 CAN总线控制器及82C250总线收发器[2] [3]。光耦合器采用6N137芯片。系统硬件电路利用Protel DXP设计并制板。
通过实验测试，按下红外遥控发射器按键K1-K6有效地控制了东西、南北方向时间设定、急车强通，时间增、减。持续使WDI低电平时间>1.6s后，看门狗RESET端产生200ms负溢出脉冲信号使AT89C51复位，均有效地达到了系统设计要求。
为了提高系统通讯抗干扰性及可靠性，在总线收发器82C250的CANH和CANL引脚通过5Ω电阻与CAN总线相连，保护其免受过流冲击的影响；82C250的CANH和CANL与地之间分别并联30pF电容，滤除总线高频干扰并起到防电磁辐射的作用；总线两端接入120Ω终端电阻[4]，匹配总线阻抗。此外，在CAN总线输入端与地之间接防雷击管，当两输入端与地之间出现瞬变干扰时，通过防雷击管放电起到保护总线的作用，避免了雷电天气对系统通讯的影响。这些部分虽然增加了节点的复杂度，但却有效保证了数据通信的稳定性和安全性。
5 结语
交通信号灯智能控制系统为改善城市交通拥堵，提高道路的交通运输能力发挥了积极作用。本系统设计实现了十字路口信号灯自动化、智能化、人性化实时控制。通过系统功能扩展，系统亦可应用于其他控制领域，应用前景广阔。