1、引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車數(shù)量增多，城市道路壓力越大。人車密集的路上經(jīng)常出現(xiàn)人車爭(zhēng)道的現(xiàn)象，因此造成的交通事故經(jīng)常發(fā)生。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，但忽視了不同時(shí)段的實(shí)時(shí)交通狀況，無(wú)法滿足多變的交通需求，本文設(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。雙向通過近似采集車流量及等待過馬路行人數(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。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12分頻后，1s將超過計(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)50ms。這樣每當(dāng)T0到50ms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1s已到，可以返回輸出時(shí)間顯示程序。8051時(shí)鐘頻率可1.2～12MHz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6MHz。

(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。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。

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40～100kg，車輛質(zhì)量平均為200kg～10t，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5ms。

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

(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。

(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)放大器與片圖3時(shí)鐘電路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30pF;外接陶瓷諧振器時(shí)，C1和C2的典型值約為47pF。它的振蕩頻率在1.2～12MHz。它采用12MHz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)。

圖3 時(shí)鐘電路

3.4、顯示模塊

LED(Light-EmitTIngDiode)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)。