太阳能交通信号灯系统设计

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传统的交通灯有以下几个缺点:反光碗的存在导致了假显示效果的出现,假显示效果会引起严重的交通事故;寿命短、维护费用高;耗能高。针对传统交通灯的缺点,采用LED发光源设计的交通灯,具有可视性强、功耗低、节能、使用寿命长、安全、工作稳定可靠等特点,所以这种交通灯在国内外得到了越来越广泛的使用。

传统交通信号灯一般采用市电直接供电,安装时要挖沟敷设电缆,给交通指挥的安装增加了成本。太阳能供电系统无需架线,资源丰富,太阳能电池转换效率逐渐提高,价格逐渐降低,有利于降低成本,所以得到了越来越广泛的应用。

采用单片机控制,提高了系统的可靠性,方便安装,对保证行车安全有着重要的意义。

1 工作原理

太阳能LED交通信号灯由光伏极板、充放电控制器、蓄电池、LED交通信号灯系统构成。系统框图如图1所示。

太阳能交通信号灯系统设计

图1 系统框图

其中,光伏极板是用来将太阳能转换成电能,为系统供电。

充放电控制器是将太阳能产生的电存储到蓄电池中,同时将蓄电池中的电能供给LED交通信号灯系统,并对蓄电池的过流、过充等起到保护作用。

LED交通信号灯系统是由中央控制器、RS 485通信模块、LED信号灯模块、信号灯模块控制系统等组成。

2 LED交通信号灯模块

LED连接电路有三种连接方式:全串联方式、全并联方式、串并混联方式。三种方式的优缺点比较如下:

(1)全串联方式,如图2(a)所示。优点:电路简单,流经所有LED的电流相同。通过使用恒流源,可使LED亮度一致。缺点:如果有一颗损坏,所有的LED将不能工作,需要变压器产生高电压和制作恒流源,实现成本高。

(2)全并联方式,如图2(b)所示。优点:电路简单,一颗LED损坏,不会影响其他LED。缺点:由于LED发光源本身存在差异性,电压有浮动,导致并联的LED显色不均匀。另外,电流太大,增加成本,给电源设计也带来困难,需要性能比较高,输出电流非常大的稳压源。

(3)串并混联方式,如图2(c)所示。蓄电池可以提供12 V直流电压,可以驱动4~6颗LED,将LED分成若干串,每串串联,然后将几串并联,这样每一串的电压相同,每一串内电流相同,电源输出的抖动被每一串内LED平分,这样可以稳定单个LED的电压,同时单个LED的损坏只能影响到同一串联的LED,其他串LED仍然正常工作。本文采用串并混联方式。

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图2 LED电路连接方式

3 LED交通信号灯控制器模块

3.1 控制结构

控制部分是LED交通信号灯系统的核心部分,由中央控制器、RS 485串行通信总线、从控制器三部分组成。LED交通信号系统的主从控制器都采用单片机AT89S51,中央控制器起到控制和协调作用,四个路口由从控制器接收中央控制器的命令,然后按照命令确定各自路*通信号灯的状态。主从控制器之间由串口来实现信号的传输。控制器结构框图如图3所示。

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图3 控制器结构框图

3.2 从控制器模块

从控制器通过拨码开关电路,来设定自己的地址。具体地说,单片机AT89S51的P0端低四位用于本机的地址设定,通过跳线开关S1的闭合和关断的组合可以最多设定16种地址。从控制器在开始加电工作之前设定好自己的地址,也就是将S1的开关状态设置好,本文四个从控制器分别设为0001~0004,这样从控制器在开机自检时,就可以获得本机地址。拨码开关电路如图4所示。

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图4 拨码开关电路图

从控制器利用P2口的P2.7~P2.5来控制信号灯,由于单片机I/O口的驱动能力有限,所以借助金属氧化物半导体晶体管(MOSFET)来驱动,经一电阻与MOSFET的栅极相联,漏极与交通灯的共阴极相连,灯的共阳极接12 V直流。通过多机通信,控制P2.7~P2.5的电平高低变换来改变MOSFET导通截止状态,从而实现交通灯的亮灭变化,如图5所示。

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图5 交通灯控制电路

3.3 通信模块

交通灯控制系统安置在路口之间,受现场条件影响比较大,各个路口节点之间存在很高的共模电压。虽然RS 485接口采用差分传输方式,具有一定的抗共模干扰能力,但当共模电压超过RS 485接收器的极限电压,即大于+12 V或小于-7 V时,接收器就无法正常工作了,严重时甚至会烧毁芯片和仪器设备。为了解决这个问题,本文采取:

(1)DC~DC将系统电源和MAX485收发器的电源隔离;

(2)为了提高抗干扰能力,各主从单片机系统与MAX485之间通过光电隔离器,本文采用光电隔离器PC410,PC357,将信号隔离,通过单片机的P1.4引脚控制MAX485的工作状态。其硬件实现电路如图6所示。

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图6 串口通信原理图

4 控制方案

本文设计一个十字路口,东西方向和南北方向的交通灯控制电路,每个方向有三个信号灯,分别为红、黄、绿。当一个方向绿灯、黄灯亮时,另一个方向红灯亮,反之亦然,依次循环。循环运行共有四种状态,分别为:南北方向绿灯亮东西方向红灯亮、南北方向黄灯亮东西方向红灯亮、南北方向红灯亮东西方向绿灯亮、南北方向红灯亮东西方向黄灯亮,如图7所示。一个周期内(状态1~状态4)时间变化如表1所示。

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图7 交通灯状态变化

主机流程流程图如图8(a)所示,从机程序流程图如图8(b)所示,从控制器的地址帧分别是01#~04#。其中:

主控制器向从控制器发送AA信号,LED信号灯绿灯亮30 s。

主控制器向从控制器发送BB信号,LED信号灯红灯亮30 s。

主控制器向从控制器发送CC信号,LED信号灯黄灯亮5 s。

主控制器向从控制器发送DD信号,LED信号灯红灯亮5 s。

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图8 控制流程图

5 结语

随着车辆的增多,对交通信号灯提出了更高的要求,本文采用LED光源和太阳能,设计了一款功耗低、寿命长、指示多样的交通信号灯。确定了系统的控制策略,设计了交通信号灯的整体方案,编写程序并实现了控制算法,完成了单片机控制的LED交通信号灯系统。实验表明,符合交通信号灯的要求,对保证行车安全有着重要的意义。

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