基于单片机的多功能交通信号控制机的设计

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    1  引言
    随着我国经济建设的发展，城市交通堵塞拥挤已成为越来越突出的问题。交通信号控制的发展趋势已从单交叉口孤立的“点控”模式逐渐发展成为干道上多个交叉口协调控制的“线控”模式和区域范围内若干个交叉口协调控制的“面控”模式。这种趋势迫切需要有一种功能强大的交通信号控制机（以下简称信号机）的出现。本文正是在这一背景下研制了一种基于STC89C58单片机的多功能交通信号控制机。
2  信号机硬件结构分析与设计
  以普通十字交叉口四相位交通控制为例分析，信号机要通过红、黄、绿三种灯色实现对路口机动力车及行人的有效通行控制，需要7个信号灯：机动车的左转、直行、右转绿灯，直行禁止红灯，黄灯，行人红灯，行人绿灯，所以交通信号控制机需提供四个方向共4×7=28路信号输出通道。对交叉口每个方向直行、左转不同车道入口车流量通过埋设的检测线圈进行数据采集，共需采集8组数据，因此需要8个输入通道。另外，信号机要实现干道和区域协调控制，以及与上位机的数据交换，必须有通讯接口。
  基于以上分析，选择STC89C58RD+单片机作为主控芯片。该单片机内部集成8K字节的EEPROM，能够满足存储信号机运行所需的全部数据的需求。系统原理框图如图1所示。系统中所用到的所有锁存器、译码器等常规逻辑器件及信号灯检测都可以通过一片CPLD（EPM7032）实现。





图1  系统原理框图
2.1 信号输出电路
  为了不占用较多的单片机I/O口，采用总线方式实现28路信号灯的输出控制。用4片74LS377锁存，ULN2803芯片作为输出驱动。信号输出电路如图2所示。图2中LED灯在信号机控制板上起指示作用，实际的路口信号灯要经过功率驱动模块输出。74LS377的D0-D7脚接单片机的P0口，每片377的使能端OE接单片机P2口的一个脚，即实现给4片377分配四个地址空间，这样就可以通过写外部数据存储器的方式实现对信号灯的控制。





图2   信号输出模块电路图
注：L1为左转绿灯，L2为直行绿灯，L3为右转绿灯，L4为黄灯，L5为红灯，L6-1，L6-2均为人行红灯，L7-1，L7-2为人行绿灯。
  为保证信号机输出与交叉口灯色相对应，还要取出可能产生的绿冲突灯位，并对其检测。采用CPLD实现逻辑分析电路，有绿冲突时产生中断后报警，启动黄闪控制。
2.2 时钟电路
  时钟电路用来给信号机提供实时时间，信号机可以根据当前时间自动执行预设时段表中设置的运行方案，因此提供准确的时间非常重要。
2.3 通讯模块
  通讯模块用来实现单片机与上位机数据的传输以及信号机的联网控制，采用标准RS232端口连接MODEM，实现远程通讯能力。在通讯之前，需协调上位机与单片机的通讯格式，采用相互一致的通讯协议。信号机接收上位机下传的配时数据，或将配时配色数据上传至上位机备份。借助通讯网络上位机可控制多个路口的信号机，形成“线控”或“面控”系统。
2.4 车辆检测模块
  通过车道上埋设的地感线圈检测接口，对每个方向直行、左转不同车道入口车流量数据采集，共采集8组数据，由74LS138译码器选通检测，即选通哪一路，该路感应振荡电路工作，将检测数据送入单片机。
3  信号机控制方案及灯色存储结构





图3   交通控制方案配置图





图4  灯色配置图
  本设计将灯色信息单独存储，有利于灵活配置相位方案和节约存储空间。以图3、图4所示的上位机控制方案设置及灯色配置界面截图进行说明：进行方案设置时，只需在上位机设置时对照灯色配置表进行设置即可。例如黄闪控制方案（对应图3中的方案1），灯色号为1、2时表示图4中所示的第一列和第二列，即分别代表只有黄灯亮起和信号灯全灭，步长（单位为s）为1表示四个信号灯组维持当前步伐灯色状态时间为1s，这样就实现了闪烁频率为1次/2s的黄闪方案的定义。
  控制方案是相位设置、相序设置、信号配时的有序集合，是信号机运行的数据源，所以其数据存储结构异常重要。采用灯色信息和方案信息分开存储的方法，只需在单片机内部EEPROM中分配出相应的地址空间。从图3可以看出，每个方案最多占用20*2=40个字节，共20种方案需要800个字节空间。从图4可以看出，每组灯色号用以规定28路信号灯的亮灭，一个信号灯的亮灭可以用一个bit数据来控制，因此28路灯的20种灯色组合需要20*4=80个字节存储空间。
4  软件设计
  信号机软件设计主程序流程图如图5所示。用C语言编写程序，编译链接，下载到单片机中。每种控制方式的执行过程，都是单片机根据预先设置的方案切换方式，按图3（图3再调用图4所示灯色数据表）自动执行、切换不同的方案。在具体实现中，通过提高硬件及软件抗干扰措施，来改善信号机运行的可靠性问题。





图5  主程序流程图
5  结束语
  本文设计的交通信号机功能全面，并且适应了信号机从“点控”、“线控”到“面控”的发展趋势，可实现多种控制方案，并且配置方便灵活，经试验表明性能稳定可靠，能够达到城市普通交叉口的交通管理与控制的要求。
         
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