低峰期交通紅綠燈減少候燈時間系統(tǒng)設計*

張亞婉，胡洽鋒，唐艷鳳，黃信維

（廣東工業(yè)大學華立學院，廣州 511300）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，城市人口越來越多，居民自駕車出行頻率逐年呈上漲趨勢，道路擁堵現(xiàn)象越來越嚴重，人們經(jīng)常會因道路擁擠、交通秩序混亂、出行時間過長等城市問題感到苦惱[1]。

目前，世界各國每年都因交通擁堵導致巨大的經(jīng)濟損失。例如，交通擁堵導致中國每月經(jīng)濟損失達141.67億元，美國平均每月經(jīng)濟損失達52.58億美元，倫敦每月生產(chǎn)力價值損失高達1 160萬美元。從以上情況得知，交通擁堵已嚴重影響了經(jīng)濟的發(fā)展。據(jù)調(diào)查表明，每年因交通擁堵導致的交通事故一直呈上升趨勢[2]。由此可知，交通擁堵不但浪費運輸資源，還會大大降低運輸效率，過度消耗社會成本，嚴重阻礙城市的發(fā)展，故緩解交通擁堵迫在眉睫[3－4]。

為了有效緩解交通堵塞，本文提出一種交通燈控制系統(tǒng)，使用壓力傳感器實時檢測路口車流量的大小來調(diào)整紅綠燈亮燈時長，能有效提高十字路口通行量，減少道路擁堵。結果證明，此方法能夠提高道路服務質(zhì)量，是緩解交通堵塞的有效途徑之一。

1 系統(tǒng)總體設計

本文以STC89C51為核心控制器，基于壓力傳感器檢測車流輛的智能紅綠燈控制系統(tǒng)，利用安裝于道路上的壓力傳感器獲取車輛實時數(shù)據(jù)，通過單片機對數(shù)據(jù)進行分析處理，實現(xiàn)交叉路口車流量的實時檢測。系統(tǒng)硬件電路包括電源模塊、STC89C51單片機、壓力傳感器、狀態(tài)燈、LED顯示、驅動電路、按鍵等組成，利用傳感器進行主車道車流量檢測，與單片機的外部端口相連接。單片機根據(jù)檢測到的車流量的大小調(diào)整紅綠燈的顯示時長。并設置按鍵開關，通過按鍵開關控制3種狀況，分別為東西通行、南北通行、東西南北都不通行。4組紅黃綠LED燈顯示紅黃綠燈的狀態(tài)，4個2位的共陰極LED數(shù)碼管顯示東西南北方向的倒計時時間。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示[5]。

圖1 系統(tǒng)總框圖

2 硬件設計

為實現(xiàn)方便可行的交叉路口的交通燈策略，本系統(tǒng)硬件電路由STC89C51單片機、狀態(tài)燈、LED顯示、驅動電路、壓力傳感器等模塊組成。控制系統(tǒng)以單片機為核心，采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。

2.1 電源設計

用5.0 V電壓給最小系統(tǒng)板供電，其中LM2596S為開關電壓調(diào)節(jié)器，可以輸出3 A驅動電流，并具有良好的線性和負載調(diào)節(jié)特性，內(nèi)部含有固定頻率振蕩器和基準穩(wěn)壓器，具有完善的保護電路、限流電路、熱關斷電路等，可以提供3.3 V、5 V、12 V等小于37 V的各種電壓。主控芯片與供電電路如圖2所示。

圖2 供電電路

2.2 主控電路

核心控制電路采用的是美國某公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機AT89C51[6]。由單片機、晶振電路和復位電路構成了單片機最小系統(tǒng)。在單片機最小系統(tǒng)電路上增加外圍設備，例如數(shù)碼管、LED燈、按鍵開關、傳感器開關等。通過軟件編程就可以實現(xiàn)用單片機進行控制的智能交通燈，主控電路如圖3所示。

圖3 主控電路

2.3 車流量檢測

采用壓力傳感器檢測車流量。89C52單片機從相應端口讀取車輛重量的設定值，并且把設定值保存到外部ROM中，檢測電路功能是把壓力傳感器中電阻應變片的電阻值轉變?yōu)殡妷褐递敵?，壓力傳感器采用橋式等臂電橋。被測物體通過壓力傳感器，將檢測的車輛重量通過數(shù)碼管顯示，單片機可以根據(jù)設定的車輛重量計算通過車輛個數(shù)，并由數(shù)碼管顯示，完成車流量的統(tǒng)計，根據(jù)車流量的大小轉去執(zhí)行相對應的程序[7]，電路如圖4所示。

圖4 流量監(jiān)測壓力傳感器

2.4 紅綠燈顯示模塊

紅綠燈顯示模型由12個發(fā)光二極管與8個LED燈分別組成紅燈、黃燈與綠燈和倒計時顯示模塊，若干個按鈕構成緊急情況與夜間模式[8]。本系統(tǒng)的設計中在東、南、西、北4個路口各設置了一組紅綠燈，分別用紅色、黃色、綠色的LED燈表示。由于東西方向顯示一致，用P2.1控制東西方向的綠燈，P2.2控制東西方向的黃燈，P2.3控制東西方向的紅燈。南北方向顯示一致，P2.5控制南北方向的綠燈，P2.6控制南北方向的黃燈，P2.7控制南北方向的紅燈。輸出高電平時，指示燈亮，紅綠燈顯示模塊如圖5所示。

圖5 紅綠燈顯示模塊

2.5 數(shù)碼驅動管電路

采用4個2位共陰極LED數(shù)碼管顯示東西南北方向的倒計時時間。使用74HC573譯碼器。通過單片機P0.0－P0.7口控制4個數(shù)碼管的7段狀態(tài)，南北方向的倒計時時間相同，通過P1.0－P1.7口連接南北方向LED燈的選通端，東西方向的倒計時時間相同，通過P1.2－P1.3口連接東西方向的LED燈的位選通端。對于2位LED數(shù)碼管的顯示方式采用動態(tài)顯示。每位LED數(shù)碼管通過位選通端進行控制，將數(shù)碼管輪流點亮并顯示。如果掃描速度足夠高，人眼看到的2位數(shù)碼管同時顯示，電路如圖6所示。

圖6 數(shù)碼驅動管電路

3 軟件設計與程序實現(xiàn)

3.1 主程序設計

為了驗證系統(tǒng)的交通實時運行情況，采用ISISpro?fessiona7仿真軟件進行了系統(tǒng)仿真。當東西方向保持綠燈，南北方向紅燈時，默認在路況暢通時，平均每2 s通過1輛車，當壓力傳感器檢測到車輛較多，即判斷車流較高峰，下次東西方向的綠燈時長增加5 s，南北方向紅綠燈時間不變；當壓力傳感器檢測到車輛較少，即判斷車流較低峰，下次東西方向的綠燈時長減少5 s，最小值綠燈通過時間為15 s，南北方向紅綠燈時間不變，程序框圖如圖7所示[9]。

圖7 程序框圖

3.2 系統(tǒng)仿真

當交通燈開始正常運作后，執(zhí)行初始程序：南北方向紅燈，東西方向綠燈，東西方向通車時間20 s，黃燈5 s，南北方向紅燈保持25 s；然后南北方向綠燈，東西方向紅燈，南北方向通車時間20 s，黃燈5 s，東西方向紅燈保持25 s后，重新掃描。

當東西方向保持綠燈，南北方向紅燈時，默認在路況暢通時，平均每2 s通過一輛車，按鍵的次數(shù)即為車子通過的輛數(shù)。當通過車輛比當前紅綠燈一半的時間還多，即判斷車流較高峰，下次東西方向的綠燈時長增加5 s，南北方向紅綠燈時間不變；當通過車輛比當前紅綠燈一半的時間還少，即判斷車流較低峰，下次東西方向的綠燈時長減少5 s，最小值綠燈通過時間為15 s，南北方向紅綠燈時間不變。當檢測到南北方向有車輛通過時，蜂鳴器鳴笛，默認闖紅燈。一個周期過后，重新掃描。東西方向加時5 s綠燈。

當南北方向保持綠燈，東西方向紅燈時，默認在路況暢通時，平均每2 s通過一輛車，按鍵的次數(shù)即為車子通過的輛數(shù)。當通過車輛比當前紅綠燈一半的時間還多，即判斷車流較高峰，下次南北方向的綠燈時長增加5 s，東西方向紅綠燈時間不變；當通過車輛比當前紅綠燈一半的時間還少，即判斷車流較低峰，下次南北方向的綠燈時長減少5 s，最小值綠燈通過時間為15 s，東西方向紅綠燈時間不變。當檢測到東西方向有車輛通過時，蜂鳴器鳴笛，默認闖紅燈。一個周期過后，重新掃描。南北方向減時5 s綠燈。

4 結束語

本文針對目前大多數(shù)城市交通路口紅綠燈等候時長為固定值，通過紅綠燈路效率低的問題，提出一種基于AT89C51單片機低峰期紅綠燈自動遙控減少候燈時間系統(tǒng)設計方案。采用壓力傳感器進行車流輛檢測，實時計算通過路口的車流量，以實施城市街道交通流量參數(shù)的檢測，實現(xiàn)根據(jù)車流量大小調(diào)整等待紅綠燈時長。為了驗證系統(tǒng)的交通實時運行情況，采用ISISprofessiona7仿真軟件進行了系統(tǒng)仿真，仿真中引用假設的車流量參數(shù)導入交通燈仿真系統(tǒng)，結果表明該設計方案能有效提高車輛的通行效率。對復雜的交通狀況起到一定的調(diào)節(jié)作用，對緩解交通壓力有一定的實際意義。