分布式智能交通信号灯控制系统研究与设计

第30卷第4期2007年8月电子器件StudyAndDesi弘ofDistributedTrafficSi驴alLightsControlSystemCHENYk,WENXi,z—Z锄g(DP声口一m跏fo,^如c^n竹i∞Zn”d觑Pf￡ric口￡至‰ginPPri行g,Zh棚g曲伽hs斑“抛o,APr0抛“硪’口Zhd“s￡叫Ma懈g研z删￡,Z矗删g如o“450015,(硫i”口Abstract:SmarttrafficsignallightscOntr01syStem、张sdesigned,rnjcrochiptechn0109y,CANBUStechnologyandInfraredr朗∞tecontroltechnologyareemployedinthissystemItscOmpOsitionprincipleandthemethods0fhard一唧edeSignwereim删uced.Vehiclenuxsignalwasprolcessed谢ththecOreofAT89C51.In梳划signalcorningfrom1auncher、张sreceivedbyin|tmedreceivermicrocOntroller,Thesignalwastreatedbyrnicrcdlipafterdemodu—lationThe试crochipcontrolstheQ气NBUScontrollerSJAl000tostructureQ~NBUScommunicationsystemtotrallsmittheda饥ThedesigmtorofdistdbutedtrafficsigmllightsmartcOntrolsyStemwas洲edoutbythreecOntrolstylesofVehiclenux,remoteandBUSPcKeywords:sin91e_chipmicrocontroller;CANBUS;distributedcontrol;trafficlightsEEACC:7220分布式智能交通信号灯控制系统研究与设计陈宇,温欣玲(郑州航空工业管理学院机电工程系,郑州450015摘要:介绍了基于单片机技术、cAN总线技术、红外遥控技术等设计的智能交通信号灯控制系统,详细介绍了系统结构组成原理及硬件电路设计方法.系统采用单片机√钒、89C51为核心控制器处理车流信号,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,同时单片机与CAN总线控制器S,A1000构成CAN总线通信系统进行数据传输.实现了根据车流、遥控及总线PC机三种方式的分布式交通信号灯智能控制系统设计.关键词:单片机;cAN总线;分布式控制;交通信号中图分类号:TP212文献标识码:A文章编号:1005—9490(200704一1303一04随着经济的发展,汽车数量的增加,城市交通拥塞已成为一个国际性的问题.其中,十字路口则是造成交通堵塞的主要“瓶颈,,[1|.世界发达国家都在积极探索如何最大限度地发挥道路通行能力,尽量减少交通堵塞造成的各种损失.本文设计了一种智能交通信号灯控制系统,可实现区域车流情况的信号灯自动控制,红外遥控装置现场控制以及利用总线将区域交通信号灯控制装置联成网络由指挥中心通过PC机控制.从本质上解决了交通路口堵塞、不同方向车流停车等待时间不合理、急车强通等问题.由于CAN总线具有高性价比、实现简单、及设计独立等优点.基于CAN总线的测控网络已经在多种工控领域取得广泛成功的应用[2].因此,采用CAN总线技术,开发设计了此分布式交通信号灯区域控制系统.由于系统具有结构简单、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.1系统结构与组成智能分布式交通信号灯控制系统硬件主要由PC机、串行通信接口、键盘、车流检测装置、红外遥控电路、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、锁存器、扩展并行接口、显示电路等组成.原理框图如图】所示.本系统设置与上位PC机相连的上位收稿日期:2006一08—231304电子器件第30卷节点为主节点,各路口信号灯控制装置为底层节点,构成区域交通信号灯控制系统.Pc机HMAx232串口键盘时间设置红外遥控编码蹴紫H篇‰H鬻訾时间显示信号灯控制车流信息图1智能交通信号灯控制系统原理图分布式智能交通信号灯控制系统实现三种信号灯有效控制.首先,利用红外遥控装置可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人单片机控制器,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流量信息,并将信息输入单片机进行处理,通过单片机编程技术实现根据车流量信息控制双向信号灯红、绿切换及等待时间.单片机同时控制由CAN总线控制器构成的区域CAN总线通信系统进行数据传输.此外,PC机通过串口与节点上的单片机控制器通信,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.2系统硬件设计2.1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.假设两方向为正东西、南北方向.则需实现东西方向信号灯选定、时间增减、急车强通等功能.而红外遥控发射器BA5104的3~7、9脚能发射6个持续信号,10、11能发射2个单次信号.故具有8独立通道编码遥控功能,能够满足系统设计要求.故采用BA5104为编码发射专用集成电路.发射电路设计原理如图2所示.Cl一厂]。潞ClVDDJ4地‘守k【0IlK,‘一C2D0—-oko‘一K1LED—牡K2OSl。。_oKO‘一K3OS2鲑“节寂每一K4K8—_oooK5K78图2红外遥控发射电路其中,K1、K2分别设定为东西、南北方向时间设定键,K3、I<4为东西、南北方向急车强通设定键,I<5为时间加设定键,I<6为时间减设定键,K7为信号灯遥控电源开关键.由于K-~I<6为单稳控制键,按下按键低电平接入BA5104相应管脚,信号发射.接收器BA5204接收到信号后,相应输出端变为高电平,松开则相反,信号发射停止.K7为双稳电平控制键,按下K7键,接收电路的相应输出端变为高电平并自锁,再按下该键一次,则接收电路的相应输出端又变为低电平,故作为信号灯遥控装置电源开关.红外发射器BA5104的12、13脚所内接时钟电路与外接455kHz陶瓷谐振器、电容C。、C2组成振荡电路,经内部电路分频产生38kHz载频.从BA5104的编码信号输出端Do脚输出信号,经三极管V。、Vz组成达林顿管(或D1581放大后,驱动红外线发射二极管向外辐射红外信号.2.2红外遥控接收电路红外线接收器BA5204与单片机AT89C51的接口电路如图3所示.图3红外接收电路红外接收、解调模块BA5302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V反相放大后,送至BA5204的D1端,由BA5204进行译码.当K1~K。任一键按下时,HPl~HP4输出高电平信号,通过或非门接人AT89C51的外中断INTo,申请中断,同时HPl~HP4输出信号经放大后接P1.o~P1.3,由中断服务程序检测是哪一个键按下,从而完成相应的中断服务.HP5~HP6作为时间设置加减作用,接于AT89C51的P1.4、P1.5口,CPl用作信号灯电源的遥控开关.2.3CAN总线节点接口电路万方数据第4期陈宇,温欣玲:分布式智能交通信号灯控制系统研究与设计1305可达1Mbit/s嘲.总线系统节点硬件电路如图4所示.其中,微处理器AT89c51负责SJAlooo的初始化,通过控制SJAl000实现数据的接收和发送等通信任务‘4I.联DP021『r::芑j凄m器至上&19,o—’Jt址蔓匪盥举丢—U—L土岭跖vDDl221l。b习l■峨~K1ul呱霄AvDD3萎I到%。戈2罂j图4CAN总线节点接口电路82C250与CAN总线接口部分也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,在CAN控制器SJAl000的TXo和Rxo不直接与CAN收发器82C250的TXD和RxD相连,而是通过加接6N137高速光电隔离器,实现了总线上各节点间的电气隔离.但是光耦电路所采用的%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.这些部分虽然使节点复杂,但确提高了节点的稳定性和安全性[5].82C250的CANH和CANL引脚各自通过5Q电阻与CAN总线相连,保护82C250免受过流的冲击.CANH和CANL与地之间并联了两30pF电容,起到滤除总线高频干扰和防电磁辐射的作用.另外,需要注意在总线两端应接两个120Q电阻[6],用于匹配总线阻抗的作用.忽略接入会使数据通信的抗干扰性及可靠性大大降低,甚至无法实现数据通信.2.4看门狗电路(图5为了提高单片机自身抗干扰的能力,设计中采用硬件看门狗电路.MAX692是微系统监控电路芯片,具有后备电池切换、掉电判别、看门狗监控等功能.其中MAX692的WDI检测输入脚,接到AT89C51的P3.1口,RESET复位输出引脚接到AT89C51复位输入端.MAX692的WDI定时周期节图5看门狗电路为1.6s,而复位脉冲宽度为200ms.如果WDI持续保持低电平时间超过看门狗定时周期1.6s,RE—SET端将产生200ms负溢出脉冲信号使AT89C51复位[7],也可通过按键S手动复位.这样便有效防止运行程序进入“死循环”.保证了系统不受恶劣天气及环境条件造成的干扰.2.5分布式检测控制系统由于cAN总线传输距离远,传输速率快,有较强的抗电磁干扰能力,已成为国际应用最广泛的现场总线之一[8].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.在控制系统领域具有非常广阔的应用前景,智能检测控制系统原理框图如图6所示.盅H黧琶H裂誉IkCANBUSoi智能交通信智能交通世口号控制器l号控制器n图6PC机与CAN总线接口框图AT89C51通过MAX232与PC机实现串行通信,设置sJAl000工作在Intel模式[9|,由PC机发送数据写入AT89C51,再通过控制信号由AT89C51将数据写入SJAl000并通过CAN收发器82C250发送.接收数据通过中断进行,CANBUS数据经82C250接收并写人SJAl000.然后通过中断提请AT89C51读取数据上传PC机3系统软件设计CAN总线节点要有效、实时地完成通信任务,软件的设计是关键[10|.本系统软件设计主要包括节点初始化程序、智能控制器节点中的单片机主要完成键盘事件处理、时间及信号灯显示程序处理、遥控信号接收、车流信息采集与数据通讯等任氖本设计中CAN总线数据通讯程序是设计难点及关键.主要包括节点初始化、报文发送、报文接收以及总线错误处理等程序设计.AT89C51和SJAl000之间状态、控制和命令的交换都是通过在复位模式或工作模式下对其的读写来完成的.在初始化SJAl000内部寄存器时应注意各节点波特率一致,且收、发双方必须同步.为提高通信实时性,系统设计采用中断接收方式.主程序流程如图7所示.万方数据1306电子器件第30卷图7系统主程序流程图4结束语智能分布式交通信号灯区域控制系统设计简便、操作简单、性能稳定、工作可靠、实用性强、对紧急指令响应及时.系统通过不同区域之间网关互联,可进一步扩大区域控制范围.另外,通过与internet连接,可为司机提供最新的道路及交通信息.系统目前仍存在不完善之处,如:不能根据十字路口不同方向车流情况及停车拥堵情况实现自动控制车辆左、右转弯以缓解交通的功能.但是,随着系统硬件扩展及软件程序的进一步编制,将会逐步完善.从而真正实现路口信号灯全自动、智能化、人性化控制.为改善城市交通拥堵状况,提高道路的交通运输能力发挥积极作用.参考文献:[1]梁子伊.一种交通信号灯遥控系统的设计口].微型机与应用,200l_1.[2]饶运涛,邹继军,郑勇芸.现场总线原理与应用技术[M].北京:北京航天航空大学出版社,2002.10一100.[3]黎新亮.基于SJAlooo的cAN总线通信模块设计口].沈阳工业大学学报,2004.2(1.[4]基于cAN总线的食品包装生产线控翩系统的设计[J].包装工程,2006.2.[5]PHIuPssimconductorssJAlooostand_aloncANcontroller1999[S].[6]高红玉,徐建城,曾成奇.基于ARM的cAN总线智能节点的设计[J].电子技术应用,2005.4.[8]肖兴达,李继方.基于cAN总线的车流检测系统口].微计算机应用,2005.5.[鲴韩党群.控制器SIAlooo及其应用口]。电子技术应用,2003(1.[10]欧德翔,汪至中.基于cAN总线分布式控制系统智能节点的设计口].自动化与仪表,2002.5.万方数据分布式智能交通信号灯控制系统研究与设计作者:陈宇,温欣玲,CHENYu,WENXin-ling作者单位:郑州航空工业管理学院,机电工程系,郑州,45