基于单片机交通灯智能控制系统研究样本.doc

基于单片机交通灯智能控制系统研究温欣玲1，张玉叶21、郑州航空工业管理学院 机电工程系，河南 郑州 4500152、咸阳师范学院 物理系 应用电子技术教研室，陕西 咸阳 71摘要：简介了一种基于单片机借助CAN总线技术设计分布式区域交通信号灯智能控制系统。系统采用AT89C51作为核心控制器，红外接受器接受来自发射器红外信号，经解调后输入单片机进行解决，单片机与CAN总线控制器构成CAN总线通信系统进行数据传播，实现了依照车流信息、遥控、PC机控制系统设计。文章详细简介了系统总体方案及某些硬件设计方案。 核心词：交通信号；AT89C51；CAN总线；智能控制中图分类号：TP212 文献辨认码：A 文章编号：Research of Traffic Signal Light Intelligent Control System Based On MicrocontrollerWEN Xin-ling1，ZHANG Yu-ye21、 Department of Machinery and Electricity Engineering，Zhengzhou Aeronautics Industrial Management College，Zhengzhou 450005,China;2、 Department of Physics,application electronics technique branch,XianyangTeachercollege，Xianyang 71,China.Abstract：A development of distributed area traffic signal lights control based on single-chip microcontroller through CAN BUS is described. With the core of AT89C51，infrared receiver receives the infrared signal coming from launcher. The demodulation signal is treated by single-chip microcontroller. The single-chip microcontroller controls the CAN BUS controller to structure CAN BUS communication system to transmit the data. The designator of distributed traffic signal lights intelligent control system was carried out by three control styles of Vehicle flux，remote and PC. The paper introduces total scheme and hardware design of the system in detail.Key words：Traffic signal；AT89C51；CAN BUS；Intelligent control 1 引言随着经济发展，汽车数量急剧增长，都市道路日渐拥挤，交通拥塞已成为一种国际性问题。因而，设计可靠、安全、便捷多功能交通灯控制系统有极大现实必要性。普通状况下，交通信号灯控制重要有两个缺陷：1、车道放行车辆时，时间设定相似且固定，十字路口经常浮现主车道车辆多，放行时间短，车流无法在规定期间内通过，而副车道车辆少，放行时间明显过长；2、未考虑急车强通（譬如，消防车执行紧急任务时，两车道都应等待消防车通过）。由于交通信号灯控制系统缺少有效应急办法，导致十字路口交通受阻，导致不必要经济损失。本系统运用单片机AT89C51，借助CAN总线作为现场通信总线实现智能交通信号灯控制系统设计，实现了依照区域车流、红外遥控以及PC机进行十字路口交通信号灯智能控制，并在软、硬件方面采用某些改进办法，实现了依照十字路口车流、红外遥控进行交通信号灯智能控制，使交通信号灯现场控制灵活、有效。从一定限度上解决了交通路口堵塞、车辆停车等待时间不合理、急车强通等问题。系统具备构造简朴、可靠性高、成本低、实时性好、安装维护以便等长处，有广泛应用前景。2 设计方案与系统构造本智能交通信号灯控制系统硬件重要由车流信息检测电路、键盘时间设立电路、红外遥控发射/接受电路、单片机控制器、CAN总线控制器、CAN总线收发器、光电隔离芯片、单片机并行接口、看门狗电路等电路构成。本系统设立与上位PC机相连上位节点为主节点，各路口信号灯控制装置为底层节点，共同构成区域交通信号灯控制系统。系统原理框图如图1所示。键盘时间设立红外遥控编码锁存器单片机控制器扩展CPU并行接口看门狗时间显示信号灯控制车流信息CAN总线控制器CAN总线接受器CAN BUS光电隔离PC通讯串口图1 系统原理框图系统运用红外遥控装置实现各十字路口现场信号灯控制，红外发射器发射出编码信号经接受器接受后送入单片机控制器，控制信号灯红绿变换、等待时间、急车强通。此外，车流检测装置安放在各十字路口东西、南北道路方向实时检测车道车流信息。并将检测到信息输至单片机进行解决，通过单片机编程技术实现信号灯绿、红切换及等待时间设定。此外，PC机通过通讯串口与节点上单片机控制器进行通信，实现数据信息在CAN总线上发送与接受。PC机负责网络上所有信号灯控制装置集中管理功能；同步向各信号灯控制器下传工作模式控制信息。3 系统设计3.1 红外遥控发射电路由于系统需实现十字路口不同方向信号灯变化。假设两方向为东西、南北方向。则需实现东西、南北两个方向信号灯选定、时间增减、急车强通等功能。红外遥控发射电路原理框图如图2所示。电源驱动红外遥控发射装置东西控制南北控制电源控制载频发生信号放大时间控制信号发射图2 红外遥控发射原理框图红外遥控发射器与外接陶瓷谐振器、电容器构成振荡电路，分频产生一定脉冲宽度载频信号。输出编码信号，经达林顿管放大后，驱动红外线发射二极管向外发射。3.2 红外遥控接受电路红外接受、解调模块接受来自发射器红外信号，经内部集成电路放大、解调后，由输出端输出编码脉冲信号，经三极管反相放大后，送至接受器，由接受器解调模块进行译码。当发射器相应键按下时，接受器输出高电平信号，通过或非门接入单片机控制器外中断，申请中断，由中断服务程序检测键按下状态，从而完毕相应中断服务。红外接受器与单片机控制器接口电路如图3所示。红外接受装置单片机控制电源驱动信号接受信号解调信号放大 图3 红外接受原理框图3.3 CAN总线节点接口电路各路口交通信号灯控制器与上位机通讯都通过各自CAN总线接口模块完毕。总线系统节点硬件电路原理框图如图4所示。单片机控制CAN总线控制光耦CAN总线收发CAN BUS 图4 CAN总线节点接口原理框图单片机控制器负责CAN总线控制器初始化，控制实现数据接受和发送等通信任务。CAN总线收发器与CAN总线接口某些采用了一定安全和抗干扰办法。为增强CAN总线节点抗干扰能力，CAN控制器不直接与CAN收发器相连，而是通过加接高速光电隔离器芯片，实现总线上各节点间电气隔离。但是，光耦电路所采用VCC和VDD电源必要完全隔离，否则采用光耦电路就失去了意义，可采用小功率电源隔离模块或不不不大于5V隔离输出开关电源模块实现。3.4 看门狗电路由于单片机控制器自身抗干扰能力较差，特别在某些条件比较恶劣、噪声大场合，常会浮现单片机因受外界干扰轻者导致系统内部数据出错，重者将严重影响程序运营而死机，导致系统不能正常工作。设立看门狗是为了防止单片机死机、提高单片机系统抗干扰性一种重要途径。考虑系统可靠性设计，满足苛刻环境下正常运营，本设计中采用硬件看门狗电路。电路原理框图如图5所示。电源驱动监控电路手动复位单片机控制图5 看门狗原理框图通过硬件看门狗电路设计，可有效防止运营程序进入“死循环”。保证系统不受恶劣天气及环境条件导致干扰。3.5 分布式检测控制系统由于CAN总线具备较强抗干扰能力，通讯中没有地址概念及节点数不受限制等长处，已经被广泛应用于汽车、数控机床、仪器仪表、现场总线控制等领域1。本设计将若干智能交通信号灯控制器、上位节点接口和PC机构成CAN总线通信系统以便实现智能分布式区域信号灯实时监控、高速数据采集等。单片机控制器与PC机实现串行通信，设立CAN总线控制器工作在Intel模式，由PC机发送数据写入单片机控制器，再通过控制信号由单片机将数据写入CAN总线控制器并通过CAN总线收发器发送。接受数据通过中断进行，CAN BUS数据经CAN总线收发器接受并写入CAN总线控制器。然后通过中断提请单片机读取数据上传PC机。4 实验分析本系统单片机控制器选用MSC-51系列IntelAT89C51芯片，红外遥控发射/接受器使用BA5104/BA5302设计。运用MAX692设计看门狗监控电路。总线通信接口中选用PHILIPS公司SJA1000 CAN总线控制器及82C250总线收发器2 3。光耦合器采用6N137芯片。系统硬件电路运用Protel DXP设计并制板。通过实验测试，按下红外遥控发射器按键K1-K6有效地控制了东西、南北方向时间设定、急车强通，时间增、减。持续使WDI低电平时间1.6s后，看门狗RESET端产生200ms负溢出脉冲信号使AT89C51复位，均有效地达到了系统设计规定。为了提高系统通讯抗干扰性及可靠性，在总线收发器82C250CANH和CANL引脚通过5电阻与CAN总线相连，保护其免受过流冲击影响；82C250CANH和CANL与地之间分别并联30pF电容，滤除总线高频干扰并起到防电磁辐射作用；总线两端接入120终端电阻4，匹配总线阻抗。此外，在CAN总线输入端与地之间接防雷击管，当两输入端与地之间浮现瞬变干扰时，通过防雷击管放电起到保护总线作用，避免了雷电天气对系统通讯影响。这些某些虽然增长了节点复杂度，但却有效保证了数据通信稳定性和安全性。5 结语交通信号灯智能控制系统为改进都市交通拥堵，提高道路交通运送能力发挥了积极作用。本系统设计实现了十字路口信号灯自动化、智能化、人性化实时控制。通过系统功能扩展，系统亦可应用于其她控制领域，应用前景辽阔。参照文献：1 胡光永.总线节点电路设计与实现.微计算机信息J. 年第22 卷第1-2期,1-2.2 SJA1000 CAN Controller.Product specification. Philips Semiconductors，.3 PCA82C250 CAN Controller Interface.Product Specification. Philips Semiconductors，.4 饶运涛,邹继军,郑勇芸著.现场总线CAN原理与应用技术M.北京:北京航空航天大学出版社.6,154-155.本文创新点：1、 本系统基于CAN总线设计，各现场检测装置共同构成总线通信系统，以便实现多区域实时在线检测控制。同步，大大减少了系统材料、安装、维护等费用，减小布线复杂度；2、 系统硬件看门狗电路有效防止程序运营死机，系统可靠性大大提高；此外，对CAN总线通讯系统进行抗干扰设计，满足恶劣天气、环境（频闪、雷电）等对系统影响；3、系统基于单片机技术，程序扩展能力强；此外，通过PC机以便实现控制方案上传下载。项目经济效益：依照装置成本及市场价格定位，每套系统净利润 10万元。作者简介：温欣玲(1979)，女（汉族），吉林通化人，郑州航院机电工程系讲师，研究生，重要从事电子通讯与自动控制技术教学与科研工作。WEN XIN-Ling(1979)，Female，Henan，Zhengzhou，Lecturer of department of Machinery and Electricity Engineering，Zhengzhou Institute of Aeronautics Industrial Management，Master，Mainly engaged in teaching and researching on the electronics communication and automatic control technique.基金项目：河南省自然科学基金项目 项目编号：51021