智能交通信号机系统电路设计与仿真

刘德全

(宁夏师范学院 物理与信息技术学院，宁夏 固原 756000)

随着我国经济的飞速发展，交通堵塞问题已经成为制约经济发展的因素之一，智能化的交通控制系统的需求越来越高。在硬件电路设计方面，刘红修[1]提出基于PCC为主控器的智能交通控制系统的设计，王刚[2]对基于S7-300和Wincc的交通灯监控系统的设计与仿真进行了研究，但Wincc 软件仿真系统没有后续的PCB设计，不能缩短产品的设计周期。参考文献[3—4]研究了基于PLC控制的智能城市交叉路口交通灯控制系统的设计与仿真，但其仿真软件CX-P也不能缩短开发周期。参考文献[5]采用单片机和FPGA相结合的方式，用单片机控制人机交互、系统控制，FPGA实现控制和倒计时器的设计，直接用FPGA驱动数码管和LED灯，这样做虽然省去外部硬件驱动电路，但增加了产品的成本，同时要对单片机和FPGA都要编程，增加了系统开发的复杂性，在产品安装调试时有可能会增加额外的问题。在红绿灯交通控制算法方面，传统的方式是先建立交通流的数学模型，但由于交通灯所处的城市经济、地域等问题差距很大，因此具有很强的模糊性、随机性和不确定性[6]，很难用精确的数学模型进行描述。有专家提出采用自适应控制法，采用传感器检测车流量，实时产生控制方案，以达到最优化效果。徐勋倩等[7]构建了单路口交通信多相位实时配时模型，利用蚁群算法求最优解。文献[8]以交叉口通行能力最大为目标，构建了过饱和条件下的交叉线性规划优化模型进行最优化求解。文献[9—11]对基于遗传算法实现信号控制多目标优化的算法进行了分析与讨论。国内还有些学者通过模糊控制研究城市交通信号的控制，取得了一定的成果[12-16]，但由于采用模糊控制器直接综合参数来控制动作模式，很难准确获得控制。采用控制系统理论进行设计存在周期过程长、耗费资金大的缺点。若采用控制仿真软件Matlab编程，则与嵌入式微处理器编程不一致而导致仿真时也不能直观反映出微处理器在系统中的作用[17-18]。基于此，本文设计一种智能化、低功耗的智能交通信号系统电路，并采用先进的EDA技术——Proteus进行电路设计与仿真，采用AT89S52单片机芯片作为控制器，能够自行设置红灯、绿灯和黄灯信号灯的有效时间，其特点是产品体积小，成本低，功耗低，系统通用性更好。

1 设计方案

整个系统以AT89S52单片机为控制器，以低功耗、高亮度的7段数码和发光二极管作为交通信号灯。该系统主要包括交通信号灯控制器、人行横道信号灯和车道信号灯3大模块，具体结构框图见图1。

图1 智能交通信号机系统结构框图

2 电路原理图设计

2.1 微处理器控制系统

微处理器控制系统电路以AT89S52单片机为控制器构成最小系统，AT89S52单片机I/O资源分配表1。最小系统主要包括时钟电路、复位电路和I/O接口电路。时钟电路采用单片机内部振荡器产生时序，只需外接晶体振荡器和滤波电容即可；复位电路采用典型的上电复位电路；I/O接口采用扁平线接口输出，有利于模块化的电路设计和产品安装。

表1 AT89S51单片机I/O资源分配

表1(续)

2.2 人机接口电路设计

人机接口电路(见图2)通过功能不同的按键实现，为了提高CPU的利用率，使用了中断法实现按键的检测与识别，当有键按下时执行相应的按键中断服务子程序。

图2 人机接口电路

系统启动后自动进入智能模式。在不同模式下的红绿灯有效时间可以根据“时间+”和“时间-”按钮进行调整，但调整时间不能超过99 s，因为系统采用了两位数码管进行显示。为了实现这一功能，在系统程序中加入了一定的控制算法。在不同的模式下，有相应的模式信号灯指示，以方便设备的安装和调试。

2.3 电路布局

以东南西北4相位的十字交叉路口进行布局，每个方向包括直行车道、左转车道、右转车道(按照交通规则，右转一般可以不考虑)，编程时主要考虑东西方向直行和左转、南北方向直行和左转，车流方向如图3所示。按照上述思路对整个电路图进行布局，并进一步勾画交叉路口人行道布局、车行道布局和信号指示灯的布局，具体布局仿真效果见图4。

3 程序设计

编程中采用模块化思路和中断法编程，优化了程序，提高了CPU的利用率。倒计时时序的产生由单片机内部定时器和中断触发器完成，提高了时间的精确性。主要模块程序流程图见图5—图7。

图3 交叉路口主要车行方向图

图4 电路布局仿真效果

图5 主程序流程图

4 Proteus环境仿真与调试

图6 定时器中断流程图

图7 人机接口程序流程图

(1) Active Popup[19]。Proteus是英国Labcenter 公司研发的一款EDA软件，Active Popup是Proteus 8 开始提供的一个新的工具，该工具可以允许在原理图中选择一定的区域在调试程序时进行观察或者交互式仿真，方便程序的调试。在使用Active Popup时要注意以下几点：

① Active Popup只能在原理图没有仿真时添加到原理图中。

② Active Popup窗口在VSM Studio中可以关闭，关闭后在Debug菜单下可以重新打开。

③ 当在Schematic中添加了Active Popup且VSM Studio处于打开状态，则单击Run Simulation按钮时，系统自动切换到VSM Studio界面开始仿真。

④ 如果原理图中没有添加Active Popup或者在VSM Studio界面中关闭了Active Popup窗口，这时单击Run Simulation按钮时，系统自动切换到原理图界面开始运行程序。

⑤ 在其他情况下，单击程序仿真按钮中Pause VSM debugging按钮，系统自动切换到VSM studio 界面并显示程序调试界面。

由上述可以看出，在原理图中创建Active Popup的目的是为了交互式调试程序，因此一般给具有动态仿真效果的输入、输出元器件(如可变电阻、开关、继电器、电机、数码管、液晶显示、点阵、传感器、信号源、虚拟仪器、图表等)添加。

还可以结合Schematic Capture中的Active Popup Mode进行调试。图8(a)为Active Popup仿真工具对人行道调试结果；将鼠标移至Active Popup包含的元器件上左击，会弹出元器件的引脚当前状态值，比如数码管的引脚电平显示如图8(b)所示。

图8 Active Popup工具

(2) 逻辑分析调试仿真。Active Proteus还提供了示波器、逻辑分析等多种工具进行仿真。图9为逻辑分析仪采集到的P0口部分数据时序。

图9 逻辑分析仪捕捉P0口部分数据时序

(3) 单片机内部结构数据观察。在暂停模式下，可以打开CPU窗口观察CPU内部数据变换，进行精确调试，CPU捕捉到的AT89S52单片机寄存器、特殊功能寄存器、内部RAM的数据见图10。

调试完全符合要求后，运行结果如图4所示，该系统能够完成智能交通信号机的功能。

5 智能交通信号系统PCB设计

在Proteus中可以直接生成PCB(印刷电路板)，输出PCB文件数据Gerber直接到生产厂家进行制版。Proteus还提供了3D预览。为了提高PCB抗干扰性，对“NET=GND”进行覆铜；为了提高PCB的稳定性，添加泪滴。最终生成PCB的效果见图11。

图11 PCB效果图

6 结束语

采用Active Proteus虚拟仿真技术进行智能交通信号系统电路设计和仿真，实现了低功耗、低成本的产品开发，缩短了产品的设计周期，开发的交通信号机性能好，不受地理环境的限制，可靠性非常高，操作简单，而且硬件电路与软件实时结合技术对其他产品的开发也提供了一定的参考价值。

[1] 刘红修.PCC在智能交通控制系统中的应用[J].公路交通科技：应用技术版,2013(3):280-281.

[2] 王刚.基于S7-300和Wincc的交通灯监控系统的设计与仿真[J].自动化与仪器仪表,2013(5):145,148.

[3] 禹翔.城市交叉路口交通灯控制系统的设计与研究[D].西安：长安大学,2011.

[4] 方贵盛,王云凤,陈剑兰.智能交通灯PLC控制实验装置研究[J].实验室研究与探索,2012(11):204-208.

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