单路口交通灯的控制与显示电路仿真设计

赵慧勇，罗永革，刘珂路

（湖北汽车工业学院 汽车工程系，湖北 十堰442002）

目前，许多城市的交叉路口交通时间控制方法是事先经过车辆流量的调查，运用统计的方法将2个方向红绿灯的延时预先设置好。由于实际车辆流量的变化的不确定的，部分交通路口在不同的时段的车流量可能产生很大的差异，因而一种能够实时根据车流量变化修改红绿灯时间的系统一直是几年来研究的热点。该系统通常采用的方法是通过上位机和下位机组成分布式网络控制系统，上位机负责计算分析确定红绿灯时间，传给下位机执行，下位机实时反馈信号状态与车流量传感信号。

本文针对下位机系统中的单个十字路口交通信号显示与控制硬件电路进行设计，并使用MPlab编程软件和Proteus电路物理仿真软件进行了程序模式下的仿真运行研究［1－2］，最终确定了下位机的交通控制与显示模块的电路系统。该电路的完成，将为可以自动改变时间设定的智能交通灯系统的设计提供前期硬件基础。

1 设计方案确定

十字交通路口的交通如图1所示，各方向均有左行、右行、直行、行人信号，4个方向共有16路交通信号，其通行顺序如图2所示。［3］

每路交通信号灯均有红、黄、绿3种颜色的信号灯，以图1所示的双向六车道交叉路口为例，每个交叉路口需要16路交通信号灯，需要控制48个交通信号，使其按照规定的顺序工作。为了让每个信号均由单片机直接控制，均由LED倒计时显示，使用1片8位单片机控制1个路口的交通灯信号的显示，则需要设计控制信号选择电路，反馈信号、控制信号公共通道以减少单片机管脚的占用。

本文采用模块化设计方法，1路交通信号灯控制与显示电路为1个模块，模块电路在选择控制电路控制下，通过公共通道与单片机通讯。整个单路口的交通信号控制与显示电路的系统框图如图3所示。

图1 典型十字路口交通示意图

图2 十字路口典型通行顺序示意图

图3 硬件框图

交通信号灯的初始信号设定由单片机完成，整个程序流程如图4所示。本系统采用Microchip公司的8位单片机PIC16F877，在MPlab7.6软件环境下完成了编程，并通过与Proteus软件进行单片机系统联合仿真，验证了程序的逻辑和正确性。［4］

图4 硬件电路的程序框图

2 电路控制与显示模块设计

为减少单片机负荷，设计电路控制与显示模块时，采用倒计时控制器控制红绿灯显示，由单片机根据反馈信号为计时器和数码管赋初值。总体设计思路如下：从公共通道里接收红、黄、绿灯的控制信号和红、黄、绿灯的时间设定信号，同时反馈红、黄、绿灯的状态信号；红、黄、绿灯状态的反馈信号通过数字三极管的开通和截止控制是否与单片机通讯，红、黄、绿灯的控制信号由锁存器送出，74LS373锁存器在控制选择电路的控制下决定是否从单片机接收数据；数字三极管的开通与关闭由选择控制电路控制；LED数码管的倒计时显示由74LS190的PL管脚控制，PL管脚为低电平时，芯片接收数值，PL为高电平时，芯片转入倒计时状态，PL管脚的电平由选择控制电路控制。其中，交通灯反馈公共通道、SPI输出公共通道、交通灯状态设定公共通道直接连接到单片机相应的管脚上。所完成的电路模块如图5所示。

硬件系统的控制选择电路要完成对16路信号的选择控制，由译码器电路组成。由3片4－16译码器分别通过控制锁存器的开通、PL管脚的电平和数字三极管的通断，来接收交通灯状态反馈信号、控制交通灯显示时间设定通道以及SPI总线上数值的输出方向。本电路采用将2片74LS138译码电路串联组成4－16译码器，控制选择电路直接由PIC16F877单片机管脚控制，完成的硬件电路如图6所示。

在图5和图6中，每条连接线路分别用字母标签标识，其含义分别是：fg、fr——绿灯、红灯反馈信号通道；ld1～ld4——交通灯状态控制信号公共通道；ctld1～ctld16——1～16路发送交通灯状态控制信号的控制通道；ctf1～ctf16——1～16路发送交通信号反馈输出信号的控制通道；spi1、spi2——SPI总线的2根控制线；clock——单片机产生的始终信号通道；ctled1～ctled16——1～16路发送交通信号持续时间数值的控制通道。

图5 交通灯控制与显示电路模块

图6 交通灯控制选择电路

3 仿真分析

为便于硬件电路设计，在仿真阶段采用采用单片机提供时钟电路。同时根据设计的时序要求，预设绿灯时间为20 s，采用MPlab7.6软件完成程序设计，与Proteus软件进行联合仿真运行分析。仿真时发现，红绿灯信号反馈通道电压受干扰影响经常接收不到正确的反馈信号。为减少干扰，在连接红绿灯反馈信号的2个单片机管脚处加滤波电容，仿真运行效果良好。

4 结束语

交通灯的控制与显示电路的模块设计是智能交通系统下位机的重要组成部分，其设计直接影响到整个智能交通灯系统研究的进展。

本文使用Proteus软件完成了交通灯的控制与显示电路的设计，确定了电子元件参数，运用MPlab软件完成了单片机的程序设计，通过2个软件联合仿真，完成了交通灯的控制与显示电路系统设计。该设计方式简化了单片机程序在目标硬件上的调试工作，提高了该电路的电路板制版效率与系统开发的效率。

在设计时，采用译码电路和公共通道降低了外围电路对芯片管脚的需求，采用计时器倒计时显示交通灯信号状态，采用反馈驱动形式输入交通灯状态初值，为单片机进行额外的软件运算提供了保障。

同时，节省出的单片机芯片管脚为进一步的智能交通灯系统设计提供了选择的余地。在此基础上，智能交通灯系统可以采用激光或者微波等传感器测量车流量的车速和流量信号方式进行设计，也可以通过CCD视频摄像机监控模式，进行更为复杂的智能ITS系统设计。

［1］ 李学海.PIC单片机实用教程——提高篇 ［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2002.

［2］ 朱清慧，张凤蕊，翟天嵩，等.Proteus教程——电子线路设计、制版与仿真［M］.北京：清华大学出版社，2008.

［3］ 董云龙，王念春，张 颖.基于RTOS的智能交通灯设计方法［J］.单片机与嵌入式系统应用，2003（10）：53－56.

［4］ 吴晓渊.数字电子技术教程［M］.北京：电子工业出版社，2006.