基于單片機(jī)交通燈智能控制系統(tǒng)研究

基于單片機(jī)交通燈智能控制系統(tǒng)研究
溫欣玲1，張玉葉2
 1、鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 機(jī)電工程系，河南 鄭州 450015
 2、咸陽師范學(xué)院 物理系 應(yīng)用電子技術(shù)教研室，陜西 咸陽 712000
摘要：介紹了一種基于單片機(jī)借助CAN總線技術(shù)設(shè)計(jì)的分布式區(qū)域交通信號(hào)燈智能控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用AT89C51作為核心控制器，紅外接收器接收來自發(fā)射器的紅外信號(hào)，經(jīng)解調(diào)后輸入單片機(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)與CAN總線控制器構(gòu)成CAN總線通信系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)車流信息、遙控、PC機(jī)控制的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。文章詳細(xì)介紹了系統(tǒng)總體方案及部分硬件設(shè)計(jì)方案。
關(guān)鍵詞：交通信號(hào)；AT89C51；CAN總線；智能控制
中圖分類號(hào)：TP212       文獻(xiàn)識(shí)別碼：A    文章編號(hào)：1 引言
 
 隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，汽車數(shù)量急劇增加，城市道路日漸擁擠，交通擁塞已成為一個(gè)國(guó)際性的問題。因此，設(shè)計(jì)可靠、安全、便捷的多功能交通燈控制系統(tǒng)有極大的現(xiàn)實(shí)必要性。通常情況下，交通信號(hào)燈控制主要有兩個(gè)缺陷：1、車道放行車輛時(shí)，時(shí)間設(shè)定相同且固定，十字路口經(jīng)常出現(xiàn)主車道車輛多，放行時(shí)間短，車流無法在規(guī)定時(shí)間內(nèi)通過，而副車道車輛少，放行時(shí)間明顯過長(zhǎng)；2、未考慮急車強(qiáng)通（譬如，消防車執(zhí)行緊急任務(wù)時(shí)，兩車道都應(yīng)等待消防車通過）。由于交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)缺乏有效的應(yīng)急措施，導(dǎo)致十字路口交通受阻，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。
 本系統(tǒng)利用單片機(jī)AT89C51，借助CAN總線作為現(xiàn)場(chǎng)通信總線實(shí)現(xiàn)智能交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)區(qū)域車流、紅外遙控以及PC機(jī)進(jìn)行十字路口交通信號(hào)燈智能控制，并在軟、硬件方面采取一些改進(jìn)措施，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)十字路口車流、紅外遙控進(jìn)行交通信號(hào)燈智能控制，使交通信號(hào)燈現(xiàn)場(chǎng)控制靈活、有效。從一定程度上解決了交通路口堵塞、車輛停車等待時(shí)間不合理、急車強(qiáng)通等問題。系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低、實(shí)時(shí)性好、安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，有廣泛的應(yīng)用前景。
2 設(shè)計(jì)方案與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
 本智能交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)硬件主要由車流信息檢測(cè)電路、鍵盤時(shí)間設(shè)置電路、紅外遙控發(fā)射/接收電路、單片機(jī)控制器、CAN總線控制器、CAN總線收發(fā)器、光電隔離芯片、單片機(jī)并行接口、看門狗電路等電路組成。本系統(tǒng)設(shè)置與上位PC機(jī)相連的上位節(jié)點(diǎn)為主節(jié)點(diǎn)，各路口信號(hào)燈控制裝置為底層節(jié)點(diǎn)，共同構(gòu)成區(qū)域交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。
 
 系統(tǒng)利用紅外遙控裝置實(shí)現(xiàn)各十字路口現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)燈控制，紅外發(fā)射器發(fā)射出的編碼信號(hào)經(jīng)接收器接收后送入單片機(jī)控制器，控制信號(hào)燈紅綠變換、等待時(shí)間、急車強(qiáng)通。另外，車流檢測(cè)裝置安放在各十字路口東西、南北道路方向?qū)崟r(shí)檢測(cè)車道車流信息。并將檢測(cè)到的信息輸至單片機(jī)進(jìn)行處理，通過單片機(jī)編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)燈綠、紅切換及等待時(shí)間設(shè)定。此外，PC機(jī)通過通訊串口與節(jié)點(diǎn)上的單片機(jī)控制器進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息在CAN總線上的發(fā)送與接收。PC機(jī)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)上所有信號(hào)燈控制裝置的集中管理功能；同時(shí)向各信號(hào)燈控制器下傳工作模式控制信息。
3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 紅外遙控發(fā)射電路
 由于系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)十字路口不同方向信號(hào)燈變化。假設(shè)兩方向?yàn)闁|西、南北方向。則需實(shí)現(xiàn)東西、南北兩個(gè)方向信號(hào)燈的選定、時(shí)間增減、急車強(qiáng)通等功能。紅外遙控發(fā)射電路原理框圖如圖2所示。 
 紅外遙控發(fā)射器與外接陶瓷諧振器、電容器組成振蕩電路，分頻產(chǎn)生一定脈沖寬度的載頻信號(hào)。輸出編碼信號(hào)，經(jīng)達(dá)林頓管放大后，驅(qū)動(dòng)紅外線發(fā)射二極管向外發(fā)射。
3.2 紅外遙控接收電路
 紅外接收、解調(diào)模塊接收來自發(fā)射器的紅外信號(hào)，經(jīng)內(nèi)部集成電路放大、解調(diào)后，由輸出端輸出編碼脈沖信號(hào)，經(jīng)三極管反相放大后，送至接收器，由接收器解調(diào)模塊進(jìn)行譯碼。當(dāng)發(fā)射器相應(yīng)鍵按下時(shí)，接收器輸出高電平信號(hào)，通過或非門接入單片機(jī)控制器的外中斷，申請(qǐng)中斷，由中斷服務(wù)程序檢測(cè)鍵按下狀態(tài)，從而完成相應(yīng)的中斷服務(wù)。紅外接收器與單片機(jī)控制器接口電路如圖3所示。
  3.3 CAN總線節(jié)點(diǎn)接口電路
 各路口交通信號(hào)燈控制器與上位機(jī)的通訊都通過各自的CAN總線接口模塊完成。總線系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)硬件電路原理框圖如圖4所示。
  單片機(jī)控制器負(fù)責(zé)CAN總線控制器初始化，控制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等通信任務(wù)。CAN總線收發(fā)器與CAN總線接口部分采用了一定的安全和抗干擾措施。為增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，CAN控制器不直接與CAN收發(fā)器相連，而是通過加接高速光電隔離器芯片，實(shí)現(xiàn)總線上各節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離。但是，光耦電路所采用的VCC和VDD電源必須完全隔離，否則采用光耦電路就失去了意義，可采用小功率電源隔離模塊或不大于5V隔離輸出開關(guān)電源模塊實(shí)現(xiàn)。
3.4 看門狗電路
由于單片機(jī)控制器自身抗干擾能力較差，尤其在一些條件比較惡劣、噪聲大的場(chǎng)合，常會(huì)出現(xiàn)單片機(jī)因受外界干擾輕者導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)出錯(cuò)，重者將嚴(yán)重影響程序的運(yùn)行而死機(jī)，造成系統(tǒng)不能正常工作。設(shè)置看門狗是為了防止單片機(jī)死機(jī)、提高單片機(jī)系統(tǒng)抗干擾性的一種重要途徑。考慮系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)，滿足苛刻環(huán)境下的正常運(yùn)行，本設(shè)計(jì)中采用硬件看門狗電路。電路原理框圖如圖5所示。
 
  通過硬件看門狗電路設(shè)計(jì)，可有效防止運(yùn)行程序進(jìn)入“死循環(huán)”。保證系統(tǒng)不受惡劣天氣及環(huán)境條件造成的干擾。
3.5 分布式檢測(cè)控制系統(tǒng)
 由于CAN總線具有較強(qiáng)的抗干擾能力，通訊中沒有地址的概念及節(jié)點(diǎn)數(shù)不受限制等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于汽車、數(shù)控機(jī)床、儀器儀表、現(xiàn)場(chǎng)總線控制等領(lǐng)域[1]。本設(shè)計(jì)將若干智能交通信號(hào)燈控制器、上位節(jié)點(diǎn)接口和PC機(jī)組成CAN總線通信系統(tǒng)方便實(shí)現(xiàn)智能分布式區(qū)域信號(hào)燈實(shí)時(shí)監(jiān)控、高速數(shù)據(jù)采集等。單片機(jī)控制器與PC機(jī)實(shí)現(xiàn)串行通信，設(shè)置CAN總線控制器工作在Intel模式，由PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)寫入單片機(jī)控制器，再通過控制信號(hào)由單片機(jī)將數(shù)據(jù)寫入CAN總線控制器并通過CAN總線收發(fā)器發(fā)送。接收數(shù)據(jù)通過中斷進(jìn)行，CAN BUS數(shù)據(jù)經(jīng)CAN總線收發(fā)器接收并寫入CAN總線控制器。然后通過中斷提請(qǐng)單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)上傳PC機(jī)。
4 實(shí)驗(yàn)分析
 本系統(tǒng)單片機(jī)控制器選用MSC-51系列IntelAT89C51芯片，紅外遙控發(fā)射/接收器使用BA5104/BA5302設(shè)計(jì)。利用MAX692設(shè)計(jì)看門狗監(jiān)控電路。總線通信接口中選取PHILIPS公司的SJA1000 CAN總線控制器及82C250總線收發(fā)器[2] [3]。光耦合器采用6N137芯片。系統(tǒng)硬件電路利用Protel DXP設(shè)計(jì)并制板。
 通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，按下紅外遙控發(fā)射器按鍵K1-K6有效地控制了東西、南北方向時(shí)間設(shè)定、急車強(qiáng)通，時(shí)間增、減。持續(xù)使WDI低電平時(shí)間>1.6s后，看門狗RESET端產(chǎn)生200ms負(fù)溢出脈沖信號(hào)使AT89C51復(fù)位，均有效地達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。
 為了提高系統(tǒng)通訊抗干擾性及可靠性，在總線收發(fā)器82C250的CANH和CANL引腳通過5Ω電阻與CAN總線相連，保護(hù)其免受過流沖擊的影響；82C250的CANH和CANL與地之間分別并聯(lián)30pF電容，濾除總線高頻干擾并起到防電磁輻射的作用；總線兩端接入120Ω終端電阻[4]，匹配總線阻抗。此外，在CAN總線輸入端與地之間接防雷擊管，當(dāng)兩輸入端與地之間出現(xiàn)瞬變干擾時(shí)，通過防雷擊管放電起到保護(hù)總線的作用，避免了雷電天氣對(duì)系統(tǒng)通訊的影響。這些部分雖然增加了節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜度，但卻有效保證了數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定性和安全性。
5 結(jié)語
 交通信號(hào)燈智能控制系統(tǒng)為改善城市交通擁堵，提高道路的交通運(yùn)輸能力發(fā)揮了積極作用。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了十字路口信號(hào)燈自動(dòng)化、智能化、人性化實(shí)時(shí)控制。通過系統(tǒng)功能擴(kuò)展，系統(tǒng)亦可應(yīng)用于其他控制領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊。
參考文獻(xiàn)：
[1] 胡光永.總線節(jié)點(diǎn)電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).微計(jì)算機(jī)信息[J].2006 年第22 卷第1-2期,1-2..
[2] SJA1000 CAN Controller.Product specification. Philips Semiconductors，2000.
[3] PCA82C250 CAN Controller Interface.Product Specification. Philips Semiconductors，2000.
[4] 饒運(yùn)濤,鄒繼軍,鄭勇蕓著.現(xiàn)場(chǎng)總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社.2003.6,154-155.
本文創(chuàng)新點(diǎn)：
本系統(tǒng)基于CAN總線設(shè)計(jì)，各現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)裝置共同構(gòu)成總線通信系統(tǒng)，方便實(shí)現(xiàn)多區(qū)域?qū)崟r(shí)在線檢測(cè)控制。同時(shí)，大大降低了系統(tǒng)材料、安裝、維護(hù)等費(fèi)用，減小布線復(fù)雜度；
系統(tǒng)硬件看門狗電路有效防止程序運(yùn)行死機(jī)，系統(tǒng)可靠性大大提高；另外，對(duì)CAN總線通訊系統(tǒng)進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)，滿足惡劣天氣、環(huán)境（頻閃、雷電）等對(duì)系統(tǒng)的影響；
3、系統(tǒng)基于單片機(jī)技術(shù)，程序擴(kuò)展能力強(qiáng)；另外，通過PC機(jī)方便實(shí)現(xiàn)控制方案上傳下載。