太陽能交通信號燈系統設計

傳統的交通燈有以下幾個缺點：反光碗的存在導致了假顯示效果的出現，假顯示效果會引起嚴重的交通事故；壽命短、維護費用高；耗能高。針對傳統交通燈的缺點，采用LED發光源設計的交通燈，具有可視性強、功耗低、節能、使用壽命長、安全、工作穩定可靠等特點，所以這種交通燈在國內外得到了越來越廣泛的使用。

傳統交通信號燈一般采用市電直接供電，安裝時要挖溝敷設電纜，給交通指揮的安裝增加了成本。太陽能供電系統無需架線,資源豐富，太陽能電池轉換效率逐漸提高，價格逐漸降低，有利于降低成本，所以得到了越來越廣泛的應用。

采用單片機控制，提高了系統的可靠性，方便安裝，對保證行車安全有著重要的意義。

1 工作原理

太陽能LED交通信號燈由光伏極板、充放電控制器、蓄電池、LED交通信號燈系統構成。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

其中，光伏極板是用來將太陽能轉換成電能，為系統供電。

充放電控制器是將太陽能產生的電存儲到蓄電池中，同時將蓄電池中的電能供給LED交通信號燈系統，并對蓄電池的過流、過充等起到保護作用。

LED交通信號燈系統是由中央控制器、RS 485通信模塊、LED信號燈模塊、信號燈模塊控制系統等組成。

2 LED交通信號燈模塊

LED連接電路有三種連接方式：全串聯方式、全并聯方式、串并混聯方式。三種方式的優缺點比較如下：

(1)全串聯方式，如圖2(a)所示。優點：電路簡單，流經所有LED的電流相同。通過使用恒流源，可使LED亮度一致。缺點：如果有一顆損壞，所有的LED將不能工作，需要變壓器產生高電壓和制作恒流源，實現成本高。

(2)全并聯方式，如圖2(b)所示。優點：電路簡單，一顆LED損壞，不會影響其他LED。缺點：由于LED發光源本身存在差異性，電壓有浮動，導致并聯的LED顯色不均勻。另外，電流太大，增加成本，給電源設計也帶來困難，需要性能比較高，輸出電流非常大的穩壓源。

(3)串并混聯方式，如圖2(c)所示。蓄電池可以提供12 V直流電壓，可以驅動4～6顆LED，將LED分成若干串，每串串聯，然后將幾串并聯，這樣每一串的電壓相同，每一串內電流相同，電源輸出的抖動被每一串內LED平分，這樣可以穩定單個LED的電壓，同時單個LED的損壞只能影響到同一串聯的LED，其他串LED仍然正常工作。本文采用串并混聯方式。

圖2 LED電路連接方式

3 LED交通信號燈控制器模塊

3．1 控制結構

控制部分是LED交通信號燈系統的核心部分，由中央控制器、RS 485串行通信總線、從控制器三部分組成。LED交通信號系統的主從控制器都采用單片機AT89S51，中央控制器起到控制和協調作用，四個路口由從控制器接收中央控制器的命令，然后按照命令確定各自路*通信號燈的狀態。主從控制器之間由串口來實現信號的傳輸。控制器結構框圖如圖3所示。

圖3 控制器結構框圖

3．2 從控制器模塊

從控制器通過撥碼開關電路，來設定自己的地址。具體地說，單片機AT89S51的P0端低四位用于本機的地址設定，通過跳線開關S1的閉合和關斷的組合可以最多設定16種地址。從控制器在開始加電工作之前設定好自己的地址，也就是將S1的開關狀態設置好，本文四個從控制器分別設為0001～0004，這樣從控制器在開機自檢時，就可以獲得本機地址。撥碼開關電路如圖4所示。

圖4 撥碼開關電路圖

從控制器利用P2口的P2．7～P2．5來控制信號燈，由于單片機I／O口的驅動能力有限，所以借助金屬氧化物半導體晶體管(MOSFET)來驅動，經一電阻與MOSFET的柵極相聯，漏極與交通燈的共陰極相連，燈的共陽極接12 V直流。通過多機通信，控制P2．7～P2．5的電平高低變換來改變MOSFET導通截止狀態，從而實現交通燈的亮滅變化，如圖5所示。

圖5 交通燈控制電路

3．3 通信模塊

交通燈控制系統安置在路口之間，受現場條件影響比較大，各個路口節點之間存在很高的共模電壓。雖然RS 485接口采用差分傳輸方式，具有一定的抗共模干擾能力，但當共模電壓超過RS 485接收器的極限電壓，即大于+12 V或小于-7 V時，接收器就無法正常工作了，嚴重時甚至會燒毀芯片和儀器設備。為了解決這個問題，本文采取：

(1)DC～DC將系統電源和MAX485收發器的電源隔離；

(2)為了提高抗干擾能力，各主從單片機系統與MAX485之間通過光電隔離器，本文采用光電隔離器PC410，PC357，將信號隔離，通過單片機的P1．4引腳控制MAX485的工作狀態。其硬件實現電路如圖6所示。

圖6 串口通信原理圖

4 控制方案

本文設計一個十字路口，東西方向和南北方向的交通燈控制電路，每個方向有三個信號燈，分別為紅、黃、綠。當一個方向綠燈、黃燈亮時，另一個方向紅燈亮，反之亦然，依次循環。循環運行共有四種狀態，分別為：南北方向綠燈亮東西方向紅燈亮、南北方向黃燈亮東西方向紅燈亮、南北方向紅燈亮東西方向綠燈亮、南北方向紅燈亮東西方向黃燈亮，如圖7所示。一個周期內(狀態1～狀態4)時間變化如表1所示。

圖7 交通燈狀態變化

主機流程流程圖如圖8(a)所示，從機程序流程圖如圖8(b)所示，從控制器的地址幀分別是01#～04#。其中：

主控制器向從控制器發送AA信號，LED信號燈綠燈亮30 s。

主控制器向從控制器發送BB信號，LED信號燈紅燈亮30 s。

主控制器向從控制器發送CC信號，LED信號燈黃燈亮5 s。

主控制器向從控制器發送DD信號，LED信號燈紅燈亮5 s。

圖8 控制流程圖

5 結語

隨著車輛的增多，對交通信號燈提出了更高的要求，本文采用LED光源和太陽能，設計了一款功耗低、壽命長、指示多樣的交通信號燈。確定了系統的控制策略，設計了交通信號燈的整體方案，編寫程序并實現了控制算法，完成了單片機控制的LED交通信號燈系統。實驗表明，符合交通信號燈的要求，對保證行車安全有著重要的意義。