基于車流量紅外檢測的自適應交通燈設計

童瑤（合肥市第六中學，安徽合肥，230039）

基于車流量紅外檢測的自適應交通燈設計

童瑤
（合肥市第六中學，安徽合肥，230039）

交通燈作為一種交通管制手段，如果能實現不同路段的差異化控制，對于城市交通擁堵問題將起到緩解作用。本設計運用紅外車流量檢測裝置對十字路口車流量進行量化處理，采取自適應算法，實現交通燈根據車流量大小的自適應控制；同時，本設計還增加了模擬的交通控制中心，實現了對十字路口的遠程監視和超限自動報警功能、人為干預和緊急處置功能，從而實現更符合實際情況、解決實際交通問題。

交通燈；自適應控制；模擬交通控制中心；車流量檢測；紅外探測

0 引言

隨著城市車輛的增加，交通擁堵問題日益加劇。交通燈作為一種交通管制手段，如果能實現不同路段的差異化控制，對于城市交通擁堵問題將起到緩解作用本設計方案希望通過對交通燈的智能化改造，實現交通燈根據車流量大小的自適應控制，緩解交通擁堵問題，提高社會效率。

1 系統方案的設計與實現

1.1 系統設計方案概述

設計的系統組成如圖1所示，系統由車流量采集模塊、交通燈控制系統和模擬交通控制中心三大部分組成。其中交通燈控制系統負責交通燈光控制、獲取車流量采集模塊的數據以及計時顯示的控制。模擬交通控制中心采用無線藍牙通信實現與交通燈控制中心的數據交換，并使用小鍵盤輸入控制指令并實時顯示車流量信息。

圖1 系統組成框圖

系統工作流程如下：車流量采集模塊將十字路口各個方向上的車流量信息發送至交通燈控制系統，控制系統根據車流量信息對交通燈和計時顯示模塊進行相應控制，同時控制系統將車流量信息發送至模擬交通控制中心，模擬交通控制中心控制顯示模塊顯示車流量信息，當車流量超出設置的預警值時，模擬交通控制中心發出警報，當有用戶通過輸入設備發出控制指令時，模擬交通控制中心將控制信號發送至交通燈控制系統，控制系統對交通燈和計時顯示模塊進行相應控制。

1.2 車流量檢測的設計實現

1.2.1 車流量檢測的硬件實現

紅外收發對管是一種利用紅外線的開關管，接受管在接受和不接受紅外線時電阻發生明顯的變化，利用外圍電路可以時輸出產生明顯的高低電平的變化。高低電平的變化輸入單片機就可使之識別，從而實現智能控制。如圖2接收電路由紅外接收管和放大電路組成。

圖2 紅外接收電路

Q4接收到紅外信號后，經過三極管Q1進行第一級放大，放大后的信號送入三極管Q3進行第二級放大，通過Rx就可以得到放大后的紅外接收信號。為了降低干擾，Tx一般采用調制方式。如果VCC為5V，發射接收對管的有效距離（單片機可檢測）大概20cm；如果VCC為3V，發射接收對管的有效距離（單片機可檢測）大概10cm。可滿足原理演示樣機的距離要求。

1.2.2 車流量檢測的軟件件實現

紅外對管的排列方式如上圖3所示，采用輪詢掃描方式判斷紅外對管的遮擋情況，根據紅外對管的遮擋數量可以計算出車等待通過十字路口的車輛長度。輪詢掃描方式的時間間隔為1s，與紅綠燈的刷新時間保持一致，降低單片機能源消耗。

圖3 紅外對管排列示意圖

1.3 交通燈的設計實現

1.3.1 交通燈的硬件實現

本設計中采用LED燈作為交通燈的燈光信號器件。數字顯示采用的是數碼管，通過分時輪流控制各個數碼管的COM端，就使各個數碼管輪流受控顯示，在輪流顯示過程中，每位數碼管的點亮時間為1～2ms，由于人的視覺暫留現象及發光二極管的余輝效應，盡管實際上各位數碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩定的顯示數據，不會有閃爍感，動態顯示的效果和靜態顯示是一樣的，能夠節省大量的I/O端口，而且功耗更低。

1.3.2 交通燈的軟件實現

按照紅燈、綠燈、黃燈順序依次亮滅，各個顏色的燈根據實際需求設置時間長短，其中相對路口的燈光信號完全一致，相鄰路口一側紅燈執行時間與另一側綠燈、黃燈執行時間相等，紅綠燈的切換時機相鄰位置同步。按照以上原則，對單片機進行程序設計并利用ISIS仿真軟件，對交通燈的運行流程進行在線模擬調試，如圖4所示。

圖4 交通燈的在線模擬的電氣原理圖

1.4 模擬交通控制中心的設計實現

1.4.1 模擬交通控制中心的硬件實現

模擬交通控制中心由矩陣鍵盤、液晶顯示模塊和藍牙模塊等部分組成。其中矩陣鍵盤的按鍵個數是4×4個，能夠有效地提高單片機系統中I/O口的利用率。鍵盤輸入值可根據編程者自己的需求自定義，輸入效率高，功能全面。液晶顯示模塊選用的是1602LCD，其顯示的內容為16×2,即可以顯示兩行，每行16個字符液晶模塊（顯示字符和數字），可以實現車流量的顯示。51 單片機內部有一個全雙工串行接口，可與藍牙模塊連接，實現數據的無線接。藍牙主設備最多可與一個微微網（一個采用藍牙技術的臨時計算機網絡）中的七個設備通訊。設備之間可通過協議轉換角色，從設備也可轉換為主設備。藍牙一般應用方法為兩個連接以形成通訊通道，按照預定流程互換主從角色，實現數據的相互交換。

1.4.2 模擬交通控制中心的軟件實現

運用掃描功能對4×4矩陣鍵盤進行掃描，提取輸入字符，與預定的指令表進行比對翻譯操作指令。輸入鍵盤主要包含數字輸入、邏輯前進、邏輯返回和字符刪除功能。定時器設置時間間隔為1s的掃描周期，定時更新顯示模塊的顯示內容。51單片機的晶振頻率為11.0592MHz，可實現9600波特率的高速通信，通信效率高，為顯示模塊爭取了更多的清屏時間。藍牙模塊與串口相連接，接收交通燈的車流量信息和工作狀體信息，作為無線通信的中間載體。模擬交通控制中心的軟件流程為初始化后首先判斷識別鍵盤輸入指令并發送，其次接收并顯示車流量信息，最后判斷是否超出預警值，如超出則發出聲光報警。

2 系統測試

2.1 LED燈及數碼管顯示模塊測試

根據設計原理圖連接LED燈，適配電阻、鎖存器。運用51開發板編譯簡單測試程序，對LED燈珠的亮度，數碼管的顯示效果進行測試。LED初始匹配電阻為1K歐姆，連接單片機IO口并連接上拉電阻，給位選端口以低電平，觀察LED燈的亮度。通過測試發現，由于紅、黃、綠三種顏色的燈功率不一致，顯示亮度不一致。通過改變限流電阻的阻值，可以調節LED燈珠的亮度。數碼管的8位同時顯示，采用輪詢掃描方式，位選、消影、延時等程序按照預定方式編寫，連續顯示效果有斷續現象出現。改變延時時間，亂碼現象有所改善，但亂碼依然存在。單個數碼管、LED燈組測試時，未出現亂碼現象。結合現場線路布置情況推測是干擾、或者是電源功率不夠導致。由于材料有限，不影響演示效果的前提下，暫不修改電路，加大電源功率進行測試，數碼管顯示效果較為良好，干擾現象偶然發生。

2.2 1602液晶顯示模塊和輸入鍵盤測試

1602液晶顯示模塊主要測試液晶的顯示有無壞點、顯示效果是否清晰。利用51開發板，編寫測試程序，讓液晶顯示像素點全部顯示，未發現壞點。調節可變電阻阻值，觀察液晶顯示效果，無明顯殘余顯示點即可。矩陣鍵盤采用行列掃描方式讀取鍵值，對不同鍵值賦予不同功能，通過串口將鍵值發送到電腦串口調試助手軟件，可直接讀取鍵值的十六進制編碼。通過測試，編碼顯示完整、無重復現象、鍵盤反應速度適中。

2.3 串口通信測試

運用上位機串口調試助手，對藍牙波特率進行設置。同時測試通信的質量，程序對數據處理的準確性及實時性。當控制器處于不同工作模式下時，會向交通燈控制芯片發送不同的編碼，編碼包括通信頭指針，以及標準格式的數據串，還有校驗尾。通過測試，無線通訊在系統上電時，會產生連續無意義字符串，采用軟件強制隔離的方式，可以消除此影響。

2.4 車流量檢測模塊測試

圖5 運用汽車模型對車流量檢測方案測試

利用汽車模型，按照實際馬路情況測試車流量的檢測情況，測試場景如圖5所示。方案采用1602液晶顯示模塊實時顯示，如圖6所示。通過測試發現當有較長的車輛處于檢測區域時，車流量顯示不準確，測量值偏大，增大光電對管的安裝間隔，有時會出現車流量檢測偏小的情況，利用優化軟件的檢測方式和邏輯約束，可以排除部分意外情況，車流量檢測更加穩定準確。

圖6 車流量顯示

2.5 系統功能測試

2.5.1 緊急模式測試

當系統處于緊急模式時，交通的燈處于封鎖四個方向車輛的狀態，時間為20秒。系統初始化的階段，交通燈默認處于緊急狀態。當交通燈正常控制車輛通行時，操作控制鍵盤，設置為緊急模式，交通燈在下一個控制周期內可以轉換為緊急模式，如果模式不變的情況下，系統會一直保持緊急狀態。測試效果良好，通信質量可靠。緊急模式進行了長時間的運行，未發現意外情況。

2.5.2 自動模式測試

處于自動模式下的交通燈，會面臨三種情況。當兩個方向上的車流量不同時，系統會根據車流量的不同自動裝載通行時間。當一個方向有車一個方向無車時，系統會封鎖一側路口，按照車流量的大小設置通行時間。當兩個路口都沒有車時，系統處于待定狀態，黃燈不斷閃爍。若有車輛駛入檢測區域，交燈會立即轉入放行狀態。通過人為設置不同的車輛通行情況，觀察記錄交通燈的顯示內容，內容與實際情況的處置預案一致。

2.5.3 手動模式測試

處于手動模式時，通過手動設置交通燈的各個方向放行時間，可以人為控制交通燈的放行方案。測試中通信穩定，未出現通信錯誤，交通燈顯示準確，時間與設置時間一致。模式切換流暢，未發現系統漏洞。

3 總結

本文提出了集自動指揮、人工手動指揮、緊急狀況下的指揮以及交通控制中心于一身的智能交通燈設計方案，體現了多功能、高效率和智能化程度高的特點。本文燈提出了一種基于車流量檢測數據的交通燈自適應控制方法，該方法充分利用了閑暇綠燈的時間，提高了十字路口的通行時間比例，達到了降低十字路口的交通堵塞和提高通行效率的目的。還設計了一種用于十字路口車流量檢測的紅外對管，該裝置采用了紅外主動探測方式，與圖像分析、空氣管道檢測、微波檢測、超聲波檢測等方式相比，具有架設簡單、環境適應性好和成本低的顯著優勢。

未來的設想，在此交通燈的基礎上可根據車輛安裝的定位系統、全市交通十字路口狀況以及全市道路擁堵狀況等，智能為車輛司機選擇一條最通暢、最省時的路線抵達目的地。

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Adaptive Traffic Light Design Based on Vehicle Flow Infrared Detection

Tong Yao
(Hefei sixth middle school, Hefei Anhui, 230039)

Traffic lights as a means of traffic control, if different sections of the differential control can be achieved, for urban traffic congestion will play a role in mitigation. The use of design flow detection device of infrared vehicle traffic crossroads is quantified, adopt adaptive algorithm based on adaptive traffic lights to achieve the volume of traffic control; at the same time, the design also adds to the traffic control center simulation, realize the automatic alarm function, human intervention and emergency disposal function of remote monitoring and overrun of crossroads In order to achieve more in line with the actual situation, to solve the actual traffic problems.

traffic lights;adaptive control;traffic control center;vehicle flow detection;infrared detection