太阳能交通信号灯系统设计

摘要：利用LED光效高、功耗低的特点，采用光伏电池供电，设计出一款LED交通信号灯。分析交通信号灯的技术要求和LED交通灯的实现方法，深入研究LED光源几种连接方式的优缺点，确定以串并混联方式作为LED信号灯的连接方式，完成LED信号灯灯头的设计，采用RS 485总线实现中心控制器与四个方向单元控制器的通信，设计了硬件电路，编写了控制程序。实验表明，该系统能够满足交通信号灯的功能要求。
关键词：LED；交通信号灯；RS 485总线；太阳能

0 引言
    传统的交通灯有以下几个缺点：反光碗的存在导致了假显示效果的出现，假显示效果会引起严重的交通事故；寿命短、维护费用高；耗能高。针对传统交通灯的缺点，采用LED发光源设计的交通灯，具有可视性强、功耗低、节能、使用寿命长、安全、工作稳定可靠等特点，所
以这种交通灯在国内外得到了越来越广泛的使用。
    传统交通信号灯一般采用市电直接供电，安装时要挖沟敷设电缆，给交通指挥的安装增加了成本。太阳能供电系统无需架线,资源丰富，太阳能电池转换效率逐渐提高，价格逐渐降低，有利于降低成本，所以得到了越来越广泛的应用。
    采用单片机控制，提高了系统的可靠性，方便安装，对保证行车安全有着重要的意义。

1 工作原理
    太阳能LED交通信号灯由光伏极板、充放电控制器、蓄电池、LED交通信号灯系统构成。系统框图如图1所示。

    其中，光伏极板是用来将太阳能转换成电能，为系统供电。
    充放电控制器是将太阳能产生的电存储到蓄电池中，同时将蓄电池中的电能供给LED交通信号灯系统，并对蓄电池的过流、过充等起到保护作用。
    LED交通信号灯系统是由中央控制器、RS 485通信模块、LED信号灯模块、信号灯模块控制系统等组成。

2 LED交通信号灯模块
    LED连接电路有三种连接方式：全串联方式、全并联方式、串并混联方式。三种方式的优缺点比较如下：

    (1)全串联方式，如图2(a)所示。优点：电路简单，流经所有LED的电流相同。通过使用恒流源，可使LED亮度一致。缺点：如果有一颗损坏，所有的LED将不能工作，需要变压器产生高电压和制作恒流源，实现成本高。
    (2)全并联方式，如图2(b)所示。优点：电路简单，一颗LED损坏，不会影响其他LED。缺点：由于LED发光源本身存在差异性，电压有浮动，导致并联的LED显色不均匀。另外，电流太大，增加成本，给电源设计也带来困难，需要性能比较高，输出电流非常大的稳压源。
    (3)串并混联方式，如图2(c)所示。蓄电池可以提供12 V直流电压，可以驱动4～6颗LED，将LED分成若干串，每串串联，然后将几串并联，这样每一串的电压相同，每一串内电流相同，电源输出的抖动被每一串内LED平分，这样可以稳定单个LED的电压，同时单个LED的损坏只能影响到同一串联的LED，其他串LED仍然正常工作。本文采用串并混联方式。

3 LED交通信号灯控制器模块
3．1 控制结构
    控制部分是LED交通信号灯系统的核心部分，由中央控制器、RS 485串行通信总线、从控制器三部分组成。LED交通信号系统的主从控制器都采用单片机AT89S51，中央控制器起到控制和协调作用，四个路口由从控制器接收中央控制器的命令，然后按照命令确定各自路口交通信号灯的状态。主从控制器之间由串口来实现信号的传输。控制器结构框图如图3所示。

3．2 从控制器模块
    从控制器通过拨码开关电路，来设定自己的地址。具体地说，单片机AT89S51的P0端低四位用于本机的地址设定，通过跳线开关S1的闭合和关断的组合可以最多设定16种地址。从控制器在开始加电工作之前设定好自己的地址，也就是将S1的开关状态设置好，本文四个从控制器分别设为0001～0004，这样从控制器在开机自检时，就可以获得本机地址。拨码开关电路如图4所示。

    从控制器利用P2口的P2．7～P2．5来控制信号灯，由于单片机I／O口的驱动能力有限，所以借助金属氧化物半导体晶体管(MOSFET)来驱动，经一电阻与MOSFET的栅极相联，漏极与交通灯的共阴极相连，灯的共阳极接12 V直流。通过多机通信，控制P2．7～P2．5的电平高低变换来改变MOSFET导通截止状态，从而实现交通灯的亮灭变化，如图5所示。

3．3 通信模块
    交通灯控制系统安置在路口之间，受现场条件影响比较大，各个路口节点之间存在很高的共模电压。虽然RS 485接口采用差分传输方式，具有一定的抗共模干扰能力，但当共模电压超过RS 485接收器的极限电压，即大于+12 V或小于-7 V时，接收器就无法正常工作了，严重时甚至会烧毁芯片和仪器设备。为了解决这个问题，本文采取：
    (1)DC～DC将系统电源和MAX485收发器的电源隔离；
    (2)为了提高抗干扰能力，各主从单片机系统与MAX485之间通过光电隔离器，本文采用光电隔离器PC410，PC357，将信号隔离，通过单片机的P1．4引脚控制MAX485的工作状态。其硬件实现电路如图6所示。

4 控制方案
    本文设计一个十字路口，东西方向和南北方向的交通灯控制电路，每个方向有三个信号灯，分别为红、黄、绿。当一个方向绿灯、黄灯亮时，另一个方向红灯亮，反之亦然，依次循环。循环运行共有四种状态，分别为：南北方向绿灯亮东西方向红灯亮、南北方向黄灯亮东西方向红灯亮、南北方向红灯亮东西方向绿灯亮、南北方向红灯亮东西方向黄灯亮，如图7所示。一个周期内(状态1～状态4)时间变化如表1所示。

    主机流程流程图如图8(a)所示，从机程序流程图如图8(b)所示，从控制器的地址帧分别是01#～04#。其中：
    主控制器向从控制器发送AA信号，LED信号灯绿灯亮30 s。
    主控制器向从控制器发送BB信号，LED信号灯红灯亮30 s。
    主控制器向从控制器发送CC信号，LED信号灯黄灯亮5 s。
    主控制器向从控制器发送DD信号，LED信号灯红灯亮5 s。

5 结语
   随着车辆的增多，对交通信号灯提出了更高的要求，本文采用LED光源和太阳能，设计了一款功耗低、寿命长、指示多样的交通信号灯。确定了系统的控制策略，设计了交通信号灯的整体方案，编写程序并实现了控制算法，完成了单片机控制的LED交通信号灯系统。实验表明，符合交通信号灯的要求，对保证行车安全有着重要的意义。