太陽能交通信號燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的交通燈有以下幾個(gè)缺點(diǎn)：反光碗的存在導(dǎo)致了假顯示效果的出現(xiàn)，假顯示效果會引起嚴(yán)重的交通事故；壽命短、維護(hù)費(fèi)用高；耗能高。針對傳統(tǒng)交通燈的缺點(diǎn)，采用LED發(fā)光源設(shè)計(jì)的交通燈，具有可視性強(qiáng)、功耗低、節(jié)能、使用壽命長、安全、工作穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，所以這種交通燈在國內(nèi)外得到了越來越廣泛的使用。

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

采用單片機(jī)控制，提高了系統(tǒng)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(tǒng)構(gòu)成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

其中，光伏極板是用來將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，為系統(tǒng)供電。

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

LED交通信號燈系統(tǒng)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(tǒng)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(lián)方式、全并聯(lián)方式、串并混聯(lián)方式。三種方式的優(yōu)缺點(diǎn)比較如下：

(1)全串聯(lián)方式，如圖2(a)所示。優(yōu)點(diǎn)：電路簡單，流經(jīng)所有LED的電流相同。通過使用恒流源，可使LED亮度一致。缺點(diǎn)：如果有一顆損壞，所有的LED將不能工作，需要變壓器產(chǎn)生高電壓和制作恒流源，實(shí)現(xiàn)成本高。

(2)全并聯(lián)方式，如圖2(b)所示。優(yōu)點(diǎn)：電路簡單，一顆LED損壞，不會影響其他LED。缺點(diǎn)：由于LED發(fā)光源本身存在差異性，電壓有浮動，導(dǎo)致并聯(lián)的LED顯色不均勻。另外，電流太大，增加成本，給電源設(shè)計(jì)也帶來困難，需要性能比較高，輸出電流非常大的穩(wěn)壓源。

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

控制部分是LED交通信號燈系統(tǒng)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(tǒng)的主從控制器都采用單片機(jī)AT89S51，中央控制器起到控制和協(xié)調(diào)作用，四個(gè)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(tài)。主從控制器之間由串口來實(shí)現(xiàn)信號的傳輸?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 控制器結(jié)構(gòu)框圖

3．2 從控制器模塊

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

圖4 撥碼開關(guān)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(jī)I／O口的驅(qū)動能力有限，所以借助金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管(MOSFET)來驅(qū)動，經(jīng)一電阻與MOSFET的柵極相聯(lián)，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(jī)通信，控制P2．7～P2．5的電平高低變換來改變MOSFET導(dǎo)通截止?fàn)顟B(tài)，從而實(shí)現(xiàn)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(tǒng)安置在路口之間，受現(xiàn)場條件影響比較大，各個(gè)路口節(jié)點(diǎn)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(dāng)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(shí)，接收器就無法正常工作了，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)龤酒蛢x器設(shè)備。為了解決這個(gè)問題，本文采?。?/p>

(1)DC～DC將系統(tǒng)電源和MAX485收發(fā)器的電源隔離；

(2)為了提高抗干擾能力，各主從單片機(jī)系統(tǒng)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(jī)的P1．4引腳控制MAX485的工作狀態(tài)。其硬件實(shí)現(xiàn)電路如圖6所示。

圖6 串口通信原理圖

4 控制方案

本文設(shè)計(jì)一個(gè)十字路口，東西方向和南北方向的交通燈控制電路，每個(gè)方向有三個(gè)信號燈，分別為紅、黃、綠。當(dāng)一個(gè)方向綠燈、黃燈亮?xí)r，另一個(gè)方向紅燈亮，反之亦然，依次循環(huán)。循環(huán)運(yùn)行共有四種狀態(tài)，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(gè)周期內(nèi)(狀態(tài)1～狀態(tài)4)時(shí)間變化如表1所示。

圖7 交通燈狀態(tài)變化

主機(jī)流程流程圖如圖8(a)所示，從機(jī)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(fā)送AA信號，LED信號燈綠燈亮30 s。

主控制器向從控制器發(fā)送BB信號，LED信號燈紅燈亮30 s。

主控制器向從控制器發(fā)送CC信號，LED信號燈黃燈亮5 s。

主控制器向從控制器發(fā)送DD信號，LED信號燈紅燈亮5 s。

圖8 控制流程圖

5 結(jié)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(shè)計(jì)了一款功耗低、壽命長、指示多樣的交通信號燈。確定了系統(tǒng)的控制策略，設(shè)計(jì)了交通信號燈的整體方案，編寫程序并實(shí)現(xiàn)了控制算法，完成了單片機(jī)控制的LED交通信號燈系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)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。