道路發(fā)光標(biāo)線控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

新疆大學(xué) 王書(shū)文 孫均友 王 兵 曾維剛 王偉剛 吳 旭

交通擁堵是當(dāng)前人們關(guān)注社會(huì)熱點(diǎn)、難點(diǎn)問(wèn)題，增設(shè)可變車道是解決當(dāng)今平交口擁堵問(wèn)題的方法之一，但現(xiàn)有可變車道功能單一，易受道路寬度和車流量等因素的制約，不能適用于大多數(shù)平交口。文章針對(duì)該問(wèn)題利用Proteus搭建電路，研制了一種道路發(fā)光標(biāo)線控制系統(tǒng)，系統(tǒng)用燈帶替代傳統(tǒng)道路標(biāo)線，利用燈帶亮滅及顏色的可變性來(lái)表示各種情況下的道路標(biāo)線狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了車道功能的變化。

1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)背景

近年來(lái)隨著車輛數(shù)量的持續(xù)劇增，道路擁堵問(wèn)題日顯嚴(yán)重，改善交通擁堵是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。在當(dāng)前道路條件下，增設(shè)可變車道是解決當(dāng)今平交口擁堵問(wèn)題的切實(shí)可行方法之一，但現(xiàn)有可變車道功能單一，易受道路寬度和車流量等因素的制約，不能根據(jù)平交口的不同時(shí)段內(nèi)不同車流量情況進(jìn)行變化調(diào)整，不能適用于大多數(shù)平交口。文章針對(duì)該問(wèn)題研制了一種道路發(fā)光標(biāo)線控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用燈帶替代傳統(tǒng)道路標(biāo)線進(jìn)行地面鋪設(shè)，利用燈帶亮滅及顏色的可變性來(lái)表示各種情況下的道路標(biāo)線狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了車道功能的變化，進(jìn)一步拓展了可逆車道的使用空間。系統(tǒng)通過(guò)Proteus仿真平臺(tái)進(jìn)行構(gòu)建，設(shè)計(jì)系統(tǒng)各模塊電路，通過(guò)程序?qū)τ糜诒硎镜缆窐?biāo)線的燈帶進(jìn)行控制。通過(guò)控制黃、白燈帶亮滅來(lái)表示道路渠化的變化情況，實(shí)現(xiàn)了對(duì)平交口可變渠化的模擬仿真。

2 可變渠化控制方法

可變渠化是由于一般情況下的車道情況已不適應(yīng)于當(dāng)前車道的需求，然后通過(guò)放置道路障礙物或者更改道路標(biāo)線等方式來(lái)對(duì)原有的車道情況進(jìn)行更改，以達(dá)到使用需求。本設(shè)計(jì)基于雙向兩車道平交口，平峰期仍使用原道路設(shè)計(jì)，高峰期則改變部分道路標(biāo)線。由于一般地面劃線標(biāo)志不具有可變能力，因此本設(shè)計(jì)不使用固定地面標(biāo)線，而使用燈帶地面鋪設(shè)的方法。如圖1所示，平峰期車道①和車道②為出口車道，車道③和車道④為進(jìn)口車道，高峰期車道①、車道②和車道③為出口車道，車道④為進(jìn)口車道。其中，平峰期各出口車道的功能為：車道①的功能是直行+右轉(zhuǎn)，車道②的功能是直行+左轉(zhuǎn)；高峰期各出口車道的功能為：車道①的功能是直行+右轉(zhuǎn)，車道②的功能是直行專用，車道③的功能是左轉(zhuǎn)專用。

圖1 燈帶位置示意圖

3 Proteus系統(tǒng)構(gòu)建

3.1 設(shè)計(jì)思路

利用總線構(gòu)建出一個(gè)雙向兩車道的平交口，通過(guò)改變總線的顏色，表示出道路的黃、白色標(biāo)線。在可變標(biāo)線位置處使用黃、白燈帶，通過(guò)程序控制平高峰時(shí)間，當(dāng)平峰期轉(zhuǎn)換成高峰期時(shí)，燈帶顏色及亮滅情況會(huì)發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)可變渠化功能。如圖1所示，a處為一列豎直白色燈帶，b處為一行橫向白色燈帶和兩行橫向黃色燈帶，c處為一排斜向黃色燈帶，d處為一行橫向白色燈帶和一行橫向黃色燈帶，e處為一列豎直白色燈帶。其中，圖1中各燈帶亮起狀態(tài)時(shí)，a處白色燈帶表示白色實(shí)線，b處白色燈帶表示白色虛線、黃色燈帶表示黃色實(shí)線，c處黃色燈帶表示黃色實(shí)線，d處白色燈帶表示白色虛線、黃色燈帶表示黃色實(shí)線，e處白色燈帶表示白色實(shí)線。通過(guò)控制各顏色燈帶的亮滅來(lái)表示平交口可變渠化的具體情況。

3.2 虛擬電路設(shè)計(jì)

可變渠化控制電路主要包含的元器件有：黃白顏色的兩種燈帶、單片機(jī)、38譯碼器、LED燈、電阻和雙位八段數(shù)碼管。電路仿真軟件Proteus可通過(guò)內(nèi)置的元器件庫(kù)進(jìn)行搜索，將所需的元器件添加至設(shè)計(jì)界面中進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，在電路設(shè)計(jì)結(jié)束后，該系統(tǒng)控制程序采用uVision集成環(huán)境開(kāi)發(fā)下的Keil軟件編寫(xiě)C語(yǔ)言程序進(jìn)行編譯并調(diào)試，最終生成HEX文件加載入系統(tǒng)中進(jìn)行仿真運(yùn)行。

（1）主控電路設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際需要，本設(shè)計(jì)主控電路的主控芯片選擇成本低廉，便于操作的51系列單片機(jī)，型號(hào)為美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51。它具有51內(nèi)核的低功耗、高性能的8位單片機(jī)，內(nèi)含4K字節(jié)Flash只讀程序存儲(chǔ)器，兼容MCS-51指令和80C5l引腳結(jié)構(gòu)，它具有如下特點(diǎn)：128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)I/O口線，看門(mén)狗，兩個(gè)16位定時(shí)和計(jì)數(shù)單元，一個(gè)5兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)的向量，一個(gè)UART通信口，內(nèi)部晶振和時(shí)鐘電路。為了使整體控制更加的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，整個(gè)電路設(shè)計(jì)僅使用一個(gè)單片機(jī)作為控制中心。

（2）交通顯示設(shè)計(jì)

由于Proteus軟件的元器件庫(kù)中沒(méi)有可以使用的LED燈帶，為了盡可能的表現(xiàn)出燈帶的效果，本設(shè)計(jì)使用多個(gè)LED燈排列的形式，來(lái)表示相應(yīng)顏色的燈帶。由于Proteus電路設(shè)計(jì)模塊的默認(rèn)工作電壓為5V，為使LED燈正常工作且亮度適合，經(jīng)計(jì)算和反復(fù)調(diào)試后確定需要與每個(gè)LED燈分別串聯(lián)一個(gè)阻值為270Ω的RES電阻（現(xiàn)實(shí)情況中需要阻值為1kΩ）。本設(shè)計(jì)中除可變標(biāo)線處使用燈帶外，方向指示牌也使用燈帶進(jìn)行表示。其中，方向指示取消了原有的地面標(biāo)線，而采用空中懸掛電子燈帶牌的方式。

Proteus虛擬控制電路圖如圖2所示。

圖2 可變渠化控制電路圖

4 系統(tǒng)仿真

在Proteus軟件設(shè)計(jì)界面完成虛擬仿真系統(tǒng)控制電路搭載后，將HEX文件加載到主控模塊AT89C51單片機(jī)中，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕進(jìn)行仿真，仿真效果如圖3和圖4所示。

圖3 平峰期局部可變渠化電路仿真圖

圖4 高峰期局部可變渠化電路仿真圖

結(jié)合圖1和圖3，以西進(jìn)口為例，平峰期電路燈帶亮起情況為：b處兩行橫向黃燈常亮，d處一行橫向白燈常量，整體標(biāo)線情況與原始道路標(biāo)線保持一致。此時(shí)，出口車道仍然保持兩個(gè)，且各出口車道的功能如圖3中標(biāo)志牌所示，即車道①的功能仍為直行+右轉(zhuǎn)，車道②的功能仍為直行+左轉(zhuǎn)。

結(jié)合圖1和圖4，高峰期電路燈帶亮起情況為：a處一列豎直白色燈帶常量，b處一行橫向白色燈帶常量，c處一排斜向黃色燈帶常量，d處一行橫向黃色燈帶常量，e處一列豎直白色燈帶常量。此時(shí)整體標(biāo)線情況發(fā)生變化，部分車道功能發(fā)生改變，具體情況為：車道①的功能未發(fā)生變化，車道②的功能由直行+左轉(zhuǎn)變?yōu)橹毙袑Ｓ?，車道③由進(jìn)口車道變?yōu)槌隹谲嚨狼夜δ転樽筠D(zhuǎn)專用。

文章通過(guò)Proteus搭建了道路發(fā)光標(biāo)線控制系統(tǒng)電路，使用Keil軟件編寫(xiě)控制程序，研制了一套基于燈帶的可變渠化標(biāo)線控制系統(tǒng)，系統(tǒng)用燈帶替代傳統(tǒng)道路標(biāo)線，利用燈帶亮滅及顏色的可變性來(lái)表示各種情況下的道路標(biāo)線狀態(tài)，通過(guò)仿真，實(shí)現(xiàn)了車道功能的變化。