基于单片机的无警化的交通控制系统的设计

金相宇 朱海华 文雪勤 李云正 刘红薇

（上海理工大学 上海市 200093）

1 设计方案

该设计基于太阳能发电原理，将太阳能电池板所产生的不稳定电压稳定成系统和电池所需的稳定电压，再利用充电模块给负载和电池供电[1]；升压模块和降压模块，达到所需电压，给时钟模块、温湿度采集模块、无线模块、高清点阵等模块供电。该设计也能根据不同电池电量来选择充电方式，将能量储存到电池中，提高能量的利用率。最终能够实现的系统流程图如图1所示。

1.1 STC89C52单片机最小系统

STC89C52 单片机最小系统可以分成三个部分：复位电路，电源电路和时钟电路。复位电路实现对单片机的初始化操作，按RESET 键即表示可复位系统。时钟电路主要包括内部时钟和外部时钟电路，本设计采用内部时钟电路即可使整个系统正常运行。

1.2 太阳能升降压充电模块

太阳能充电模块由以下几个模块组成：太阳能发电板、电压升降压模块、充电模块，18650 电池充电保护模块。太阳能发电板的最大功率为 20W，最大功率点电压为 18V，开路电压为21.6V，最大功率点电流为 1.11A，短路电流为 1.22A。太阳能发电板可以通过光生伏特效应将光能转换成电能，通过一系列的变化为电池充电和其他模块供电。太阳能发电板产生的电压随着季节、时间的变化而变化。

太阳能发电板产生的电压波动性较大，所产生的电压应经过升降压模块将电压稳定到15V 才能给充电模块利用。在冬季的一天中，在早上7:00 到9:00 和晚上17:00 到18:30 的时间段里，太阳能板要能产生高于7V 的电压，升降压模块就可以开始工作，将低电压加以利用，升到15V。在9:00 到17:00 的时间段里太阳能板产生的电压高于15V 时，模块可以将电压降为15V，转换效率在90%以上。升降压模块可以将7V～22V 的输入电压通过XL6009 模块输出15V的电压，不仅能够延长模块发电的工作时间，还能充分利用太阳能能源。原理图如图2所示。

1.3 无线模块

无线模块采用 SX1278 芯片控制，该芯片主要是起一个远程通信的作用，发生交通事故时，能及时的将信息通过无线通信传输到相邻的十字路口，用于提醒司机及路人绕道行驶，避免因发生交通事故造成交通拥堵现象。该模块与 MCU 芯片通过串口通信的方式进行数据传输，稳定性高，读写速度快。此芯片在未使用时能自动进入休眠模式，耗能低；MCU 发出指令能迅速被唤醒并进入工作状态，反应时间短。采用工业级晶振，稳定性、一致性高，精度均小于业内普遍采用的 10ppm，数据传输稳定性较高。且具有数据加密和压缩功能，数据压缩功能有概率减小传输时间，减小受干扰的概率，提高可靠性和传输效率。无线模块连接方式如图3所示。

图1：程序流程总设计图

图2：太阳能升降压原理图

图3：无线模块连接方式

1.4 高清点阵显示模块：

该模块由 32 块 8*8 点阵组合而成，排成 64*32 点阵显示屏。其 16*16 模块原理图如图 6所示。8 列的位选由 8 块 3-8 译码器控制，将 8 块 3-8 译码器分成四组，每相邻的两片 A0、A1、A2 接在一起由同一 I/O 口控制，一片的 E3(低电平)和另一片的 E1 接在统一 IO 口，控制片选。点阵显示模块通过 MCU 的控制来显示相应的信息，当路况情况良好时，模块可实时显示当前日期时间、温度、湿度。在路段交通情况比较复杂或者发生交通拥堵时为驾驶员提供参考信息，以便于驾驶员做出相应的判断。点阵显示模块将所采集到的数据通过串口传输后进行比对分析，然后再自动控制相应的硬件。通过软件部分和硬件相互配合，从而能够实现点阵多种功能显示。例如前方道路发生交通事故时，可通过远程无线控制该路段口的红绿灯和高清点阵，来提醒司机前方发生事故请绕路而行，从而降低道路交通事故的发生率，对持续拥堵所带来的不必要污染起到减少的作用。

1.5 时钟模块

DS1302 实时时钟具有能计算 2100年之前的秒、分、时、日、日期、星期、月、年的能力，还有闰年调整的能力。内部含有 31个字节静态 RAM，可提供用户访问。采用串行数据传送方式，使得管脚数量最少，简单 SPI 3 线接口。

1.6 温湿度检测模块

温湿度传感器为 DHT22，DHT22 响应快，抗干扰能力强，满足一年四季户外检测，能较准确且快速的检测当前环境的温湿度，数据输出模式为单线制串行接口，每两秒向 MCU 传输一位数据，保证数据的精准性。DHT22 的感湿元件为湿敏电容，测温元件为NTC 热敏电阻。湿敏电容具有灵敏度高、响应速度快、通信速度快等优点，当环境湿度发生改变时，湿敏电容相应的介电常数发生变化，即电容的变化量和相对湿度成正比。NTC 热敏电阻随着温度的上升电阻呈指数关系减小，即电阻的变化量和温度成反比。它DHT22 相较于DHT11 而言，具有更高的精度与分配率，工作的范围和精度非常适合此系统的温湿度的检测。

2 工作原理及性能分析

2.1 工作原理

该交通辅助管理系统通过太阳能发电板及其相应的处理模块来实现模块的供电，由无线模块、点阵显示模块、温湿度检测模块和时钟模块构成。利用无线模块进行各个系统之间的信息通信，通信距离达到 8000 米，可以实现远距离通信，从而实现不同路段之间的点阵内容显示和红绿灯控制，减少交通混乱和交通堵塞。点阵模块则达到对司机和路人的提醒显示作用，也能够显示当前的时间和温湿度情况。

2.2 性能分析

当出现交通拥堵的情况时，本装置通过交通监控系统确定事故发生路段，由太阳能供电，采用远程无线通信来让相邻路口及时显示相关交通信息来提醒司机，也可控制堵车路段附近的红绿灯来控制该道路的车流量，避免道路堵塞情况的加剧，从而减少堵车时产生的不必要污染。利用太阳能板和升降压充电模块为系统智能交替供电，当太阳能板产生的电压高于 7V 而低于 15V 时，升降压模块将电压升到 15V 为系统稳定供电。当太阳能板产生的电压高于 15V时，升降压模块将电压降到 15V 为系统稳定供电，极大程度上提高了能源利用率。

3 创新点及应用

3.1 创新点

（1）采用了太阳能升降压发电技术，充分利用太阳能，提高能源利用率，节能环保。

（2）采用了无线通信技术，形成通信局域网，将道路信息传递给相邻控制系统，从而来控制交通灯和点阵达到相应的效果。

（3）能够采集温湿度，识别恶劣天气，通过点阵提醒司机安全行驶。

3.2 应用

（1）节能型交通辅助管理系统适用于城市交通各种复杂的路况，能够更快捷地处理发生的各种交通紧急事故，能在一定程度上避免交通道路拥堵情况的加剧，从而大大减少污染物的排放，符合绿色环保交通发展理念。

（2）本装置采用无线通信技术，将信息传递给相邻的控制系统，远程控制交通灯和高清点阵交通信息显示，从而达到相应的效果。

（3）本装置能够采集温度和湿度数据，智能识别恶劣天气，通过高清点阵提示司机行驶的安全速度。

4 结束语

随着我国经济高速发展，伴随着产生的交通道路问题和环境污染问题是所面临的挑战之一，国家各相关部分对此也表示了充分的重视。本文设计的节能型交通辅助控制系统通过远程无线通信可以让上一路口或下一路口及时显示相关交通信息，以提醒司机及时调整路线行程；也可控制发生事故的路段附近红绿灯来控制该道路的车流量，避免发生道路堵塞现象，从而间接降低不必要污染的产生。本文设计的节能型交通辅助控制系统适用性广，进一步发展的空间大，成本低廉，所以具有广大的市场前景。若大范围推广使用，产生的经济效应不可估量。