王年超,， 李志軍， 吳力普

　?。ū狈焦I(yè)大學(xué) 現(xiàn)場(chǎng)總線及自動(dòng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,，北京 100144）

　　摘要：設(shè)計(jì)了一種基于AVR的城市道路交通模擬沙盤系統(tǒng)，沙盤系統(tǒng)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)采用立式導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu),。系統(tǒng)包括LED燈驅(qū)動(dòng)和顯示模塊,、通信模塊、MEGA16最小系統(tǒng)控制模塊,。完成整體PCB設(shè)計(jì),、軟件的設(shè)計(jì)，使用PC通過(guò)RS485通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)城市道路交通的模擬,。此沙盤系統(tǒng)為研究城市道路交通模擬提供了平臺(tái),，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

　　關(guān)鍵詞：AVR單片機(jī)；道路交通沙盤,；RS485通信協(xié)議

0引言

　　面對(duì)當(dāng)今世界全球化,、信息化發(fā)展趨勢(shì)，傳統(tǒng)的交通技術(shù)和手段已不適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的要求,。智能交通系統(tǒng)是交通事業(yè)發(fā)展的必然選擇,，是交通事業(yè)的一場(chǎng)革命。通過(guò)先進(jìn)的信息技術(shù),、通信技術(shù),、控制技術(shù)、傳感技術(shù),、計(jì)算器技術(shù)和系統(tǒng)綜合技術(shù)有效地集成和應(yīng)用,，使人、車,、路之間的相互作用關(guān)系以新的方式呈現(xiàn),，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確,、高效,、安全、節(jié)能的目標(biāo),。交通安全,、交通堵塞及環(huán)境污染是困擾當(dāng)今國(guó)際交通領(lǐng)域的三大難題，本文針對(duì)交通堵塞問(wèn)題對(duì)城市道路交通的車輛流量進(jìn)行模擬,，根據(jù)實(shí)際的城市道路實(shí)現(xiàn)模擬沙盤仿真,，對(duì)實(shí)際城市道路的道路承載能力進(jìn)行模擬。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　1.1總體設(shè)計(jì)方案

　　該城市道路模擬沙盤系統(tǒng)主要完成道路車輛流量的顯示和路口紅綠燈的變化,，整個(gè)沙盤包含6個(gè)路口,，最后實(shí)現(xiàn)一個(gè)動(dòng)態(tài)的整體顯示?？刂瓢鍍?nèi)核采用ATmega16單片機(jī),，通信協(xié)議采用RS485，是一對(duì)多通信,。單片機(jī)內(nèi)部EEPROM存儲(chǔ)控制板地址,，高效率地利用片內(nèi)資源和減少硬件的不必要設(shè)計(jì)。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案［1］如圖1所示,。

　　1.2平面圖模型設(shè)計(jì)

　　該城市道路模擬沙盤系統(tǒng)平面圖如圖2所示,，沙盤總共有6個(gè)路口，寬路車輛是雙向運(yùn)行即兩個(gè)路口之間的路段,，窄路車輛是單向運(yùn)行即單個(gè)路口的路段［2］,。路口紅綠燈用紅色和綠色發(fā)光LED模擬指示,，道路上車流量使用一排連續(xù)排列的LED燈指示，車流量越多LED指示燈亮的個(gè)數(shù)越多,。其中硬件包括LED燈驅(qū)動(dòng)模塊,、通信模塊、LED燈顯示模塊,、MEGA16最小系統(tǒng)控制模塊,。

2硬件模塊的設(shè)計(jì)

　　2.1控制模塊

　　圖3和圖4是ATmega16單片機(jī)接線電路和最小系統(tǒng)所需的復(fù)位電路以及外部晶振電路。復(fù)位電路：?jiǎn)?dòng)后讓單片機(jī)從初始狀態(tài)執(zhí)行程序,；振蕩電路：?jiǎn)纹瑱C(jī)是一種時(shí)序電路,，必須施加脈沖信號(hào)才能工作。MEGA16內(nèi)部有RC震蕩電路,，但相比外部的晶體震蕩電路還是不夠準(zhǔn)確,，另外它也可以使用外部晶振工作，兩者之間的切換通過(guò)熔絲位來(lái)選擇［3］,。單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)時(shí)鐘產(chǎn)生電路,，只要接上兩個(gè)電容和一個(gè)晶振即可正常工作。

　　2.2通信模塊

　　圖5RS485通信電路圖5所示是MAX485通信電路,。采用單一電源+5 V工作,，額定電流為300 μA，采用半雙工通信方式,。它完成將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS485電平的功能,。MAX485芯片的結(jié)構(gòu)和引腳都非常簡(jiǎn)單,內(nèi)部含有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器。RO和DI端分別為接收器的輸出和驅(qū)動(dòng)器的輸入端,，與單片機(jī)連接時(shí)只需分別與單片機(jī)的RXD和TXD相連即可,。RE和DE端分別為接收和發(fā)送的使能端,，當(dāng)RE為邏輯0時(shí),，器件處于接收狀態(tài)；當(dāng)DE為邏輯1時(shí),，器件處于發(fā)送狀態(tài),，因?yàn)镸AX485工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機(jī)的一個(gè)管腳控制這兩個(gè)引腳即可,。A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號(hào)端,當(dāng)A引腳的電平高于B時(shí),，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1；當(dāng)A的電平低于B端時(shí),，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0,。在與單片機(jī)連接時(shí)接線非常簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)信號(hào)控制MAX485的接收和發(fā)送即可,。

　　2.3LED顯示模塊

　　如圖6所示,，單片機(jī)IO口輸出信號(hào)通過(guò)74HC154譯碼,、74LS04反相器、4位IO口輸出驅(qū)動(dòng)多位發(fā)光二極管,，74HC573鎖存器實(shí)現(xiàn)IO口信號(hào)狀態(tài)的鎖定,。顯示電路采用10個(gè)LED燈一組的顯示模塊，設(shè)計(jì)硬件時(shí)10個(gè)LED模塊總共100個(gè)LED,都接有上拉電阻,，可以實(shí)現(xiàn)車流量模擬顯示［4］,。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3.1通信協(xié)議格式

　　對(duì)于城市道路交通模擬沙盤，軟件部分至關(guān)重要,。本系統(tǒng)通過(guò)串口給控制器發(fā)送數(shù)據(jù),，通過(guò)程序中的協(xié)議規(guī)則處理接收數(shù)據(jù)［5］。通信協(xié)議格式如圖7,、圖8及圖9所示,。

　　協(xié)議的每一位均使用十六進(jìn)制數(shù)，具體的協(xié)議規(guī)則如下:

　?。?）顯示紅綠燈數(shù)據(jù)格式：發(fā)送A5F2001122AF,。其中A5、AF分別為發(fā)送數(shù)據(jù)格式的起始數(shù)據(jù)位和終止數(shù)據(jù)位,，07為控制器的地址,，112211為紅綠燈要顯示的數(shù)據(jù)，0表示熄滅,，1表示紅燈,，2表示綠燈。

　?。?）顯示燈條數(shù)據(jù)格式：發(fā)送A5F2000000AF,。其中A5、AF分別為發(fā)送數(shù)據(jù)格式的起始數(shù)據(jù)位和終止數(shù)據(jù)位,，F(xiàn)2為控制器的地址,，0A141E為燈條要顯示的數(shù)據(jù)，燈條1顯示10個(gè)LED燈,，燈條2顯示20個(gè)LED燈,，燈條3顯示30個(gè)LED燈。

　?。?）修改控制板數(shù)據(jù)格式：發(fā)送A5F2000000AE,。此條數(shù)據(jù)只能一對(duì)一地發(fā)送。其中A5,、AE分別為發(fā)送數(shù)據(jù)格式的起始數(shù)據(jù)位和終止數(shù)據(jù)位,，F(xiàn)2為想要修改的地址，000000為無(wú)效數(shù)據(jù)位,。

　　3.2工作流程

　　流程介紹：首先對(duì)ATmega16單片機(jī)的IO口進(jìn)行初始化,，設(shè)定IO口為輸出,，然后對(duì)串口進(jìn)行初始化，設(shè)定為中斷方式接收上位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù),，打開(kāi)總中斷,，程序開(kāi)始進(jìn)入while循環(huán)中接收數(shù)據(jù)并處理數(shù)據(jù)，中斷到來(lái)時(shí)將數(shù)據(jù)放入之前定義好的數(shù)組中,，對(duì)數(shù)據(jù)格式進(jìn)行判斷,，數(shù)據(jù)格式有以下3種類型：

　　（1）接收的數(shù)據(jù)為燈條顯示數(shù)據(jù)格式,。判斷燈條數(shù)據(jù)格式是否正確,，如果不正確則重新接收，若正確則將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,，去掉接收數(shù)據(jù)中多余的部分,，包括數(shù)據(jù)頭、數(shù)據(jù)尾和圖6LED顯示模塊　　

　　地址數(shù)據(jù),。還有將接收的數(shù)據(jù)中地址數(shù)據(jù)與本控制板中EEPROM存入的地址數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,，若一致則為本控制板的命令數(shù)據(jù)，最后將有用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行LED顯示,。

　?。?）接收的數(shù)據(jù)為紅綠燈顯示數(shù)據(jù)格式。判斷燈條數(shù)據(jù)格式是否正確,，如果不正確則重新接收,，若正確則將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，去掉接收數(shù)據(jù)中多余的部分,，包括數(shù)據(jù)頭,、數(shù)據(jù)尾和地址數(shù)據(jù)。還有將接收的數(shù)據(jù)中地址數(shù)據(jù)與本控制板中EEPROM存入的地址數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,，若一致則為本控制板的命令數(shù)據(jù),，最后將有用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行紅綠燈顯示。

　?。?）接收的數(shù)據(jù)為修改地址數(shù)據(jù)指令,。提取接收到的數(shù)據(jù),，將要修改的地址數(shù)據(jù)提取出來(lái)存入EEPROM中［67］,。

　　系統(tǒng)工作流程圖如圖10所示。

　　33部分程序

　　本系統(tǒng)的程序由以下幾部分組成：初始化子程序,、判斷子程序,、排序子程序、顯示子程序,、關(guān)閉子程序,。初始化子程序?qū)O口和串口進(jìn)行初始化,；顯示子程序和關(guān)閉子程序負(fù)責(zé)控制燈條及紅綠燈的顯示和關(guān)閉；判斷子程序?qū)邮盏臄?shù)據(jù)格式進(jìn)行判斷,，根據(jù)判斷條件執(zhí)行相應(yīng)的程序,；排序子程序?qū)﹀e(cuò)誤的數(shù)據(jù)重新按照協(xié)議規(guī)則進(jìn)行排序。主程序如下：

　　Int main()

　　{

　　Init_IO();//IO端口初始化子程序

　　Chushihua_usart()//串口初始化子程序

　　Deng_off();//熄滅所有的燈子程序

　　SREG|=0X80;//打開(kāi)總中斷

　　Xieyi_2data［1］=eeprom_read_byte(0x0000);//啟動(dòng)時(shí)讀取EEPROM地址0x0000的數(shù)據(jù)地址,，與發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)地址相匹配

　　While(1)

　　{

　　Xieyi_paixu();//將收到的串口數(shù)據(jù) xieyi_3排序放在xieyi_1中

　　//判斷數(shù)據(jù)格式是否正確,，并且進(jìn)行顯示

　　If((xieyi_sign==0xFF)&&(xieyi_2data［1］==xieyi_1data［1］)&&(xieyi_2data［0］==xieyi_1data［0］&&(xieyi_2data［5］==xieyi_1data［5］))

　　{

　　//如果發(fā)送的數(shù)據(jù)有變化，顯示變換后的數(shù)據(jù)

　　If((xieyi_2data［2］!=xieyi_1data［2］)|(xieyi_2data［3］!=xieyi_1data［3］)|(xieyi_2data［4］!=xieyi_1data［4］))

　　{

　　Panduan_deng_data();//判斷并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制

　　Display_deng_data();//顯示燈條

　　}

　　Xieyi_sign=0x00;//標(biāo)志位清零,，方便下次排序

　　}

　　//判斷數(shù)據(jù)地址格式是否正確,，修改地址，把地址放在EEPROM中

　　If((xieyi_sign==0xFE)&&(xieyi_1data［0］==0xA5)&&(xieyi_1data［5］==0xAE))

　　{

　　Eeprom_write_byte(0x0000,xieyi_1data［1］);

　　//將修改的地址放在EEPROM地址0x0000中

　　Xieyi_2data［1］=xieyi_1data［1］;

　　Xieyi_sign=0x00;//標(biāo)志位清零

　　}

　　}

　　}

4系統(tǒng)測(cè)試

　　測(cè)試使用其中一個(gè)路口作為測(cè)試對(duì)象,，這個(gè)路口包含4個(gè)紅綠燈,，10個(gè)燈條，每個(gè)燈條都有自己的控制器,，都被設(shè)置了地址,，通過(guò)串口連接232/485轉(zhuǎn)換器給沙盤發(fā)送數(shù)據(jù)：當(dāng)發(fā)送A5260A141EAF時(shí)，對(duì)應(yīng)26地址的3個(gè)燈條的LED燈依次亮10個(gè)燈,、20個(gè)燈,、30個(gè)燈，改變地址的值,，相應(yīng)的地址均能正確地顯示,；當(dāng)發(fā)送A521222122AF時(shí)，因?yàn)?5是紅綠燈的控制地址,，所以紅綠燈顯示相應(yīng)的燈效果,；修改地址一對(duì)一發(fā)送同樣正常運(yùn)行。不僅能單個(gè)控制器進(jìn)行發(fā)送,，還可以多個(gè)同時(shí)發(fā)送,，如：A521222122AFA5260 A141EAFA527 0A141EAFA5280A141EAFA5290A1 41EAF，運(yùn)行結(jié)果如圖11所示,。

5結(jié)論

　　隨著物質(zhì)生活的改善,，城市的車輛也快速增長(zhǎng)，合理可靠的交通控制不僅改善交通環(huán)境,，還可以提高人們的生活質(zhì)圖11系統(tǒng)測(cè)試顯示圖

　　量,，使人們生活更加美好?；贚ED的城市道路交通模擬沙盤設(shè)計(jì)提供了這樣一個(gè)平臺(tái),。本系統(tǒng)充分利用ATmega16單片機(jī)芯片，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性,。工控機(jī)作為仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入,，實(shí)現(xiàn)了模擬沙盤的動(dòng)態(tài)運(yùn)行,。同時(shí)采用MAX485作為通信模塊，實(shí)現(xiàn)了一對(duì)多的通信,。本文設(shè)計(jì)的沙盤系統(tǒng)可以對(duì)城市道路交通的車流量進(jìn)行模擬,，根據(jù)實(shí)際的城市道路實(shí)現(xiàn)模擬沙盤仿真，對(duì)城市道路的承載能力進(jìn)行了模擬,。

參考文獻(xiàn)

　?。?］ 趙紅軍, 任波. 一種基于單片機(jī)的LED控制器的硬件電路［J］. 大眾科技, 2008(11):7475.

　　［2］ 馬潮.AVR單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實(shí)踐［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,，2007.

　?。?］ 李偉偉,張俊杰,王明,等.基于單片機(jī)的太陽(yáng)能熱水器智能節(jié)水裝置［J］.微型機(jī)與應(yīng)用,2015,34(13):9496.

　　［4］ 郭志偉. 基于ATmega16的LED交通警示板的設(shè)計(jì)與仿真［J］. 科技信息, 2011(20):10200.

　?。?］ 張明長(zhǎng), 劉福平. 基于Atmega16的智能交通信號(hào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 北京印刷學(xué)院學(xué)報(bào), 2011, 19(4):3741.

　?。?］ 郭循釗, 鄺帆, 邵平,等. 基于單片機(jī)的多功能交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真實(shí)現(xiàn)［J］. 公路交通技術(shù), 2010(1):128131.

　　［7］ 朱利洋,吳夏來(lái),胡葉民,等.基于單片機(jī)的門控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用,2013,32(2):1618.