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基于单片机交通灯智能控制系统研究
温欣玲1，张玉叶2
1、郑州航空工业管理学院 机电工程系，河南 郑州 450015
2、咸阳师范学院 物理系 应用电子技术教研室，陕西 咸阳 712000
摘要：介绍了一种基于单片机借助CAN总线技术设计的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，红外接收器接收来自发射器的红外信号，经解调后输入单片机进行处理，单片机与CAN总线控制器构成CAN总线通信系统进行数据传输，实现了根据车流信息、遥控、PC机控制的系统设计。文章详细介绍了系统总体方案及部分硬件设计方案。
关键词：交通信号；AT89C51；CAN总线；智能控制
中图分类号：TP212 文献识别码：A 文章编号：

Research of Traffic Signal Light Intelligent Control System Based On Microcontroller
WEN Xin-ling1，ZHANG Yu-ye2
1、 Department of Machinery and Electricity Engineering, Zhengzhou Aeronautics Industrial Management College, Zhengzhou 450005,China;
2、 Department of Physics,application electronics technique branch,XianyangTeacher’college, Xianyang 712000,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，汽车数量急剧增加，城市道路日渐拥挤，交通拥塞已成为一个国际性的问题。因此，设计可靠、安全、便捷的多功能交通灯控制系统有极大的现实必要性。通常情况下，交通信号灯控制主要有两个缺陷：1、车道放行车辆时，时间设定相同且固定，十字路口经常出现主车道车辆多，放行时间短，车流无法在规定时间内通过，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乏有效的应急措施，导致十字路口交通受阻，造成不必要的经济损失。
本系统利用单片机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，实现了根据区域车流、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、硬件方面采取一些改进措施，实现了根据十字路口车流、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。从一定程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。系统具有结构简单、可靠性高、成本低、实时性好、安装维护方便等优点，有广泛的应用前景。
2 设计方案与系统结构
本智能交通信号灯控制系统硬件主要由车流信息检测电路、键盘时间设置电路、红外遥控发射/接收电路、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、看门狗电路等电路组成。本系统设置与上位PC机相连的上位节点为主节点，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
设置
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
接收器
CAN BUS
光电
隔离
PC
通讯串口

图1 系统原理框图

系统利用红外遥控装置实现各十字路口现场信号灯控制，红外发射器发射出的编码信号经接收器接收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。另外，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。并将检测到的信息输至单片机进行处理，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的单片机控制器进行通信，实现数据信息在CAN总线上的发送与接收。PC机负责网络上所有信号灯控制装置的集中管理功能；同时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的选定、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、电容器组成振荡电路，分频产生一定脉冲宽度的载频信号。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 红外遥控接收电路
红外接收、解调模块接收来自发射器的红外信号，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，送至接收器，由接收器解调模块进行译码。当发射器相应键按下时，接收器输出高电平信号，通过或非门接入单片机控制器的外中断，申请中断，由中断服务程序检测键按下状态，从而完成相应的中断服务。红外接收器与单片机控制器接口电路如图3所示。
红外接收装置
单片机控制
电源驱动
信号接收
信号解调
信号放大

图3 红外接收原理框图

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的通讯都通过各自的CAN总线接口模块完成。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，控制实现数据的接收和发送等通信任务。CAN总线收发器与CAN总线接口部分采用了一定的安全和抗干扰措施。为增强CAN总线节点的抗干扰能力，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的电气隔离。但是，光耦电路所采用的VCC和VDD电源必须完全隔离，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，尤其在一些条件比较恶劣、噪声大的场合，常会出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的运行而死机，造成系统不能正常工作。设置看门狗是为了防止单片机死机、提高单片机系统抗干扰性的一种重要途径。考虑系统可靠性设计，满足苛刻环境下的正常运行，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，可有效防止运行程序进入“死循环”。保证系统不受恶劣天气及环境条件造成的干扰。
3.5 分布式检测控制系统
由于CAN总线具有较强的抗干扰能力，通讯中没有地址的概念及节点数不受限制等优点，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机组成CAN总线通信系统方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，设置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。接收数据通过中断进行，CAN BUS数据经CAN总线收发器接收并写入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/接收器使用BA5104/BA5302设计。利用MAX692设计看门狗监控电路。总线通信接口中选取PHILIPS公司的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。系统硬件电路利用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要求。
为了提高系统通讯抗干扰性及可靠性，在总线收发器82C250的CANH和CANL引脚通过5Ω电阻与CAN总线相连，保护其免受过流冲击的影响；82C250的CANH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的作用；总线两端接入120Ω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出现瞬变干扰时，通过防雷击管放电起到保护总线的作用，避免了雷电天气对系统通讯的影响。这些部分虽然增加了节点的复杂度，但却有效保证了数据通信的稳定性和安全性。
5 结语
交通信号灯智能控制系统为改善城市交通拥堵，提高道路的交通运输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，系统亦可应用于其他控制领域，应用前景广阔。
参考文献：
[1] 胡光永.总线节点电路的设计与实现.微计算机信息[J].2006 年第22 卷第1-2期,1-2..
[2] SJA1000 CAN Controller.Product specification. Philips Semiconductors，2000.
[3] PCA82C250 CAN Controller Interface.Product Specification. Philips Semiconductors，2000.
[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.2003.6,154-155.
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，方便实现多区域实时在线检测控制。同时，大大降低了系统材料、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行死机，系统可靠性大大提高；另外，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）等对系统的影响；
3、系统基于单片机技术，程序扩展能力强；另外，通过PC机方便实现控制方案上传下载。
项目经济效益: 根据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，硕士，主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：200751021