基于車(chē)流量檢測(cè)的交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 燕

(山西大學(xué)商務(wù)學(xué)院 信息學(xué)院， 太原 030031)

引言

隨著科技的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車(chē)走進(jìn)了千家萬(wàn)戶，給人們的出行帶來(lái)了便利,同時(shí)也造成了交通擁堵，尤其是早晚高峰期。人、車(chē)、路三者關(guān)系的協(xié)調(diào)受到了各級(jí)部門(mén)的重視，也成為衡量一個(gè)城市基礎(chǔ)建設(shè)的基本硬件指標(biāo)。目前的交通存在的問(wèn)題有如下幾點(diǎn)：

(1)城市規(guī)劃的部分道路不合理，比如：路口的設(shè)計(jì)位置。

(2)人們出行比例失衡，早晚高峰期郊區(qū)的車(chē)輛大多向城市中心行駛，而反方向的車(chē)很少。

(3)交通管理系統(tǒng)不夠完善。

傳統(tǒng)的交通燈控制采用固定配時(shí)的方法，按丁字路口、十字路口與多路口分別進(jìn)行紅綠黃燈控制各路口的車(chē)輛和行人依次通行，這樣容易造成“空等”的現(xiàn)象，即無(wú)車(chē)或少車(chē)的路口還是按照原先設(shè)定的時(shí)間亮著綠燈，而車(chē)多的路口綠燈通行時(shí)間又太短而堵車(chē)，這樣的交通控制系統(tǒng)通行效率低，嚴(yán)重浪費(fèi)了交通資源，增加了人們出行時(shí)間。這種固定配時(shí)的方案已經(jīng)不能滿足實(shí)際交通的需要。盡管目前在一些城市采用了分時(shí)段控制的方案，即在出行高峰期和平緩期分配不同的通行時(shí)間，在一定程度上緩解了部分路段的交通壓力，但不具有實(shí)時(shí)性，起到的效果僅為有限。針對(duì)這一現(xiàn)象，本文提出了一種自適應(yīng)交通燈控制方案，由安裝在路口上方的紅外傳感器裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)車(chē)流量，通過(guò)運(yùn)算得出最合適的通行時(shí)間，調(diào)整交通燈運(yùn)行時(shí)間，從而有效改善交通擁堵現(xiàn)象，提高道路通行效率。

1 交通控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

研究設(shè)計(jì)的交通燈控制系統(tǒng)由STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)、車(chē)流量檢測(cè)模塊、按鍵控制模塊、交通燈顯示模塊和數(shù)碼管倒計(jì)時(shí)顯示模塊這五大模塊組成，能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制和自動(dòng)控制交通燈的功能。手動(dòng)控制時(shí)，通過(guò)按鍵手動(dòng)切換模式以及設(shè)置紅綠燈點(diǎn)亮?xí)r間。自動(dòng)控制時(shí)，采用紅外發(fā)射與接收模塊對(duì)十字路口東西方向和南北方向的車(chē)流量進(jìn)行檢測(cè)，并將接收到的車(chē)流量數(shù)據(jù)送至單片機(jī)主控模塊，通過(guò)單片機(jī)編程運(yùn)用相應(yīng)自適應(yīng)算法計(jì)算通行時(shí)間和等待時(shí)間，并控制交通燈的亮滅和數(shù)碼管倒計(jì)時(shí)的顯示，指揮機(jī)動(dòng)車(chē)和行人的通行，當(dāng)有突發(fā)或者緊急情況時(shí)，可以通過(guò)按鍵控制實(shí)現(xiàn)2個(gè)方向均亮起紅燈，待通過(guò)后，交通燈又可以恢復(fù)原本狀態(tài)。系統(tǒng)的功能框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的功能框圖Fig. 1 Function block diagram of the system

1.1 STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)

STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)可以劃分為三部分：復(fù)位電路、供電電路和時(shí)鐘電路。復(fù)位電路實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)的初始化操作，為其賦一個(gè)最初的值，始終從這個(gè)值開(kāi)始工作，按RESET鍵就表示回到原始狀態(tài)；時(shí)鐘電路包括內(nèi)部時(shí)鐘電路和外部時(shí)鐘電路，本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部時(shí)鐘電路即可使整個(gè)系統(tǒng)可以正常運(yùn)行，采用12 MHz的晶振來(lái)穩(wěn)定振蕩器。

1.2 車(chē)流量檢測(cè)模塊

車(chē)流量檢測(cè)模塊由紅外線傳感器、計(jì)數(shù)器、延時(shí)電路等部分組成，其工作原理為：利用被檢測(cè)物對(duì)光束的反射或遮擋，通過(guò)紅外發(fā)射接收電路檢測(cè)有無(wú)物體。紅外發(fā)射將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)送出，接收模塊則將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。接收到的信號(hào)由于衰減、干擾，因此信號(hào)必須通過(guò)放大整形電路進(jìn)行預(yù)處理，最后輸入單片機(jī)計(jì)數(shù)。具體檢測(cè)原理設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 車(chē)流量檢測(cè)原理流程圖Fig. 2 Principle flow chart of vehicle flow detection

紅外線傳感器裝置檢測(cè)車(chē)流量的過(guò)程為：接通電源開(kāi)始正常工作，由發(fā)射管發(fā)射出紅外線，接收管在沒(méi)有遮擋的情況下、即沒(méi)有車(chē)輛時(shí)，接收管可以接收發(fā)射器發(fā)出的信號(hào)，接收電路中產(chǎn)生低電平；接收管在受到遮擋的情況下、即有車(chē)輛時(shí)，接收管接收不到發(fā)射器發(fā)出的信號(hào)，接收電路中產(chǎn)生高電平，車(chē)流量檢測(cè)電路就是利用每個(gè)接收電路輸出的高低電平(開(kāi)關(guān)信號(hào))判斷經(jīng)過(guò)的車(chē)輛的數(shù)量，利用單片機(jī)的中斷接口實(shí)時(shí)監(jiān)控車(chē)輛數(shù)，每響應(yīng)一次中斷，車(chē)輛數(shù)加一，并把處理過(guò)的車(chē)流量數(shù)據(jù)送到定時(shí)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。

1.3 顯示模塊

顯示模塊主要是由數(shù)碼管倒計(jì)時(shí)顯示和LED交通燈顯示兩部分構(gòu)成，兩者結(jié)合一起組成顯示模塊，顯示交通燈狀態(tài)的剩余時(shí)間，使駕駛員根據(jù)剩余時(shí)間判斷是要“停止”，還是要“通行”，做出合適的選擇。

1.4 按鍵控制模塊

按鍵控制電路模塊用于設(shè)置系統(tǒng)模式，如：正常模式和緊急模式/手動(dòng)模式。在正常模式下，除了會(huì)根據(jù)車(chē)流量數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)整通行時(shí)間外，還可以通過(guò)按鍵手動(dòng)設(shè)置。比如：當(dāng)警車(chē)或者救護(hù)車(chē)出行時(shí)，就可以啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的緊急模式，此時(shí)的狀態(tài)燈會(huì)改變?cè)瓉?lái)常規(guī)的主程序，啟動(dòng)緊急程序，路口均設(shè)置為紅燈。

2 交通控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在東西方向和南北方向均安裝紅外線傳感器裝置來(lái)感應(yīng)不同方向的車(chē)流量，接通電源后，系統(tǒng)開(kāi)始正常工作，由車(chē)流量檢測(cè)電路利用每個(gè)接收電路輸出的高、低電平(開(kāi)、關(guān)信號(hào))判斷經(jīng)過(guò)的車(chē)輛的數(shù)量，利用單片機(jī)的中斷接口實(shí)時(shí)監(jiān)控車(chē)輛數(shù)，每響應(yīng)一次中斷，車(chē)輛數(shù)加一，并把處理后的車(chē)流量數(shù)據(jù)送到定時(shí)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。根據(jù)東西和南北方向的實(shí)時(shí)車(chē)流量數(shù)據(jù)以及呈現(xiàn)的比值關(guān)系，通過(guò)一定算法自動(dòng)延長(zhǎng)相應(yīng)繁忙方向的綠燈倒計(jì)時(shí)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)紅、黃、綠燈的有序燃亮，當(dāng)某一方向的綠燈倒計(jì)時(shí)剩5 s時(shí)，黃燈閃爍警示，倒計(jì)時(shí)結(jié)束，則另一方向的綠燈倒計(jì)時(shí)開(kāi)始，如此反復(fù)進(jìn)行。

當(dāng)警車(chē)或者救護(hù)車(chē)出行時(shí)，就可以通過(guò)按下K1按鍵啟動(dòng)緊急模式，此時(shí)的狀態(tài)燈會(huì)改變?cè)瓉?lái)常規(guī)的主程序，啟動(dòng)緊急程序，路口均設(shè)置為紅燈。警車(chē)或者救護(hù)車(chē)通過(guò)后，就可以通過(guò)按下K2按鍵恢復(fù)到正常模式下繼續(xù)工作。還可以按下K3按鍵手動(dòng)增加現(xiàn)有的通行時(shí)間，按下K4按鍵手動(dòng)減少現(xiàn)有的通行時(shí)間，通過(guò)人為強(qiáng)制干預(yù)改變紅綠燈點(diǎn)亮?xí)r間，以適應(yīng)特殊交通狀況。研究可得，程序整體流程則如圖3所示。

圖3 程序流程圖Fig. 3 Program flow chart

3 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)交通燈控制器，實(shí)現(xiàn)按鍵手動(dòng)強(qiáng)制控制紅綠燈東西與南北方向的切換，實(shí)現(xiàn)按鍵手動(dòng)控制延長(zhǎng)紅綠燈燃亮?xí)r間，實(shí)現(xiàn)紅綠燈的倒計(jì)時(shí)時(shí)間的顯示，實(shí)現(xiàn)紅、黃、綠燈的有序燃亮，當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)剩3 s時(shí)，黃燈閃爍警示。該設(shè)計(jì)通過(guò)紅外發(fā)射與接收模塊檢測(cè)車(chē)流量，能根據(jù)實(shí)時(shí)車(chē)流量數(shù)據(jù)，自動(dòng)延長(zhǎng)相應(yīng)繁忙方向的綠燈倒計(jì)時(shí)時(shí)間。但是本設(shè)計(jì)也存在很多不足，例如未設(shè)車(chē)輛闖紅燈報(bào)警功能，以及車(chē)輛的檢測(cè)存在著一定的誤差等等，有待日后進(jìn)一步的設(shè)計(jì)完善。與其它普通交通燈控制器相比，該智能交通燈的設(shè)計(jì)具有人性化、智能化、創(chuàng)新化等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此該交通燈控制器的設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)用性。

[1] 王成勇.智能交通燈控制系統(tǒng)[J]. 廣東技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào),2006(4):92-94.

[2] OROZCO J, BARCELJ. Reactive and proactive routing strategies with real-time traffic information[J]. Procedia-Social and Behavioral Sciences, 2012(39):633-648.

[3] 柴干,趙倩,蔣珉. 城市智能交通信號(hào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2010,44(7):1241-1246.

[4] 吳黎兵,聶雷,劉冰藝,等. 一種VANET環(huán)境下的智能交通信號(hào)控制方法[J]. 計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào),2016, 39(6):1105-1119．

[5] 章偉,張代遠(yuǎn). 基于車(chē)流量的交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2015,25(5):196-199,204.

[6] 王鼎湘,李茂軍. 基于車(chē)流量的交通燈智能控制算法[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,2015,32(6):241-244.

[7] 張立成,蔣楠,杭亦文,等. 基于視頻控制的智能交通燈[J]. 電子測(cè)量技術(shù),2011,34(6):30-32,36.

[8] 易俊華,朱紅求,陽(yáng)春華. 交叉路口交通燈實(shí)時(shí)模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2011, 24(1):47-48.

[9] 張學(xué)成,錢(qián)力強(qiáng),王曉,等. 基于車(chē)流量檢測(cè)的多相位智能交通燈控制系統(tǒng)[J]. 科技視界,2015(1):72，83.

[10]孫玉芳. 一種新型的智能交通燈控制系統(tǒng)[J]. 黑龍江科技信息,2011(24):71.