智能壓力紅綠燈

四川師范大學(xué)工學(xué)院 陳祎林 沈林松 蘇云壘 郭 力 張慧嫻

1.緒論

1.1 設(shè)計來源

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，城市里面的機動車越來越多，隨之而來的問題也層出不窮。其中一個較為嚴(yán)重的問題就是在交通中，對于行人和機動車通行馬路的協(xié)調(diào)問題。前幾年有一個熱門的詞，叫做“中國式過馬路”，這雖然是對國民素質(zhì)的一種調(diào)侃，但不可否認(rèn)的是路口的紅綠燈本身就存在著一定的問題即切換時間不合理，這不僅沒有起到促進交通的作用反而會使人們的心情浮躁，進而產(chǎn)生了“中國式過馬路”這種不合理的現(xiàn)象。通過對路口的觀察我們不難發(fā)現(xiàn)在一個紅綠燈路口行人進入等待區(qū)主要是由圖1所示的1、2、3三個面進入。而過馬路主要是由4這個面出去。由此本文設(shè)計了一個通過反射式光電傳感器和壓力傳感器統(tǒng)計人數(shù)的系統(tǒng)，通過人數(shù)來合理調(diào)整紅綠燈時間的智能紅綠燈，同時在4這個面檢測有無行人闖紅燈。這樣就能有效的改善現(xiàn)有普通紅綠燈的很多缺點，比如：切換時間不合理、缺乏行人闖紅燈的檢測裝置。

圖1 路口示意圖

1.2 反射式光電傳感器與電阻應(yīng)變式壓力傳感器簡介

1.2.1 反射式光電傳感器

自帶一個光源和一個光接收裝置，光源發(fā)出的光經(jīng)過待測物體的反射被光敏元件接收，再經(jīng)過相關(guān)電路的處理得到所需要的信息。可以用來檢測地面明暗和顏色的變化，也可以探測有無接近的物體。

圖2 反射式光電傳感器

圖3 反射式光電傳感器人數(shù)統(tǒng)計流程圖

1.2.1 電阻應(yīng)變式壓力傳感器

電阻應(yīng)變式壓力傳感器是一種利用電阻應(yīng)變效應(yīng)，將力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號的結(jié)構(gòu)型傳感器。電阻應(yīng)變片是電阻應(yīng)變式傳感器的核心元件，其工作原理是基于材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)。

圖4 壓力傳感器人數(shù)統(tǒng)計流程圖

電阻應(yīng)變片式傳感器有以下特點：

（1）應(yīng)用和測量范圍廣，應(yīng)變片可制成各種機械量傳感器；

（2）靈敏度和精確度較高；

（3）結(jié)構(gòu)簡單，環(huán)境適應(yīng)性強，頻率響應(yīng)好；

（4）價格便宜，易于大量應(yīng)用。

1.3 國內(nèi)外紅綠燈研究現(xiàn)狀

現(xiàn)今應(yīng)用于道路上的大部分紅綠燈主要是傳統(tǒng)的紅綠燈，也就是日常生活中見到的紅燈和綠燈的保持時間不變的紅綠燈，這種紅綠燈不會隨著路口的人流量的變化而變化，存在較大的缺陷。還有一種正在試運行的一種紅綠燈，由一個攝像頭拍攝路口的實時情況通過與程序中預(yù)定的人和車的輪廓相比較統(tǒng)計當(dāng)前路口的人流量與車流量然后經(jīng)過一系列復(fù)雜的算法來調(diào)整紅綠燈時間，這種紅綠燈價格不菲且需要后臺處理的數(shù)據(jù)較大，存在一定的延遲。此外，還有很多種類的紅綠燈，如：基于微波檢測的單片機智能紅綠燈、基于超聲波傳感和模糊算法的智能紅綠燈等等，這些紅綠燈大都造價比較昂貴，條件要求苛刻，不適于大范圍推廣。

1.4 本文研究內(nèi)容

本文的研究方向就是基于STC89C52單片機設(shè)計一個結(jié)構(gòu)簡易、性能穩(wěn)定、價格便宜的紅綠燈。此系統(tǒng)采用STC89C52芯片，對紅外傳感器和壓力傳感器采集的信號進行處理。采用反射式紅外傳感器，由于遮擋導(dǎo)致光信號的變化從而導(dǎo)致電信號的變化。采用電阻應(yīng)變式壓力傳感器，由于壓力變化導(dǎo)致電阻的變化從而導(dǎo)致電信號的變化。設(shè)計一個電路用紅外傳感器和電阻應(yīng)變式壓力傳感器來統(tǒng)計當(dāng)前路口的人數(shù)，根據(jù)人數(shù)對紅燈和綠燈的保持時間做出合理的調(diào)整，以達到合理改變路口紅綠燈時間的目的。

2.系統(tǒng)設(shè)計概述

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖（見圖5）

2.1.2 反射式紅外傳感器人數(shù)統(tǒng)計原理

在一個路口人進出的面共有四個，在與斑馬線連接的那個面上安裝一個反射式紅外傳感器用于檢測是否有人闖紅燈，其僅在紅燈時工作。在其余三個面上分別安裝上兩個反射式紅外傳感器用于統(tǒng)計人數(shù)，一個用于統(tǒng)計進入的人數(shù)，另一個用于統(tǒng)計出去的人數(shù)，一個面的人數(shù)為進入的人數(shù)減去出去的人數(shù)，見圖1。最終將總?cè)藬?shù)送入的單片機內(nèi)部與壓力傳感器統(tǒng)計出的人數(shù)進行加權(quán)得出路口當(dāng)前的比較準(zhǔn)確的總?cè)藬?shù)。當(dāng)然得到的人數(shù)并不是最準(zhǔn)確的人數(shù)，例如，當(dāng)有幾人并排通過紅外傳感器時單片機只接收到一個信號即人數(shù)只加一，這就造成了紅外傳感器統(tǒng)計人數(shù)的誤差，所以這時候就需要結(jié)合壓力傳感器統(tǒng)計的人數(shù)來加權(quán)得出比較準(zhǔn)確的人數(shù)。

圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖

2.1.3 應(yīng)變式壓力傳感器人數(shù)統(tǒng)計的實現(xiàn)

壓力傳感器同樣也是用于測量人的重量，其放置于地面上且面積大于紅外傳感器所圍成的面積，避免有行人站在紅外傳感器區(qū)域外等待紅綠燈而無法統(tǒng)計，這大大降低了測量人數(shù)的誤差。壓力傳感器測量的是路口行人的總重量，用它除以人的平均體重得到當(dāng)前路口的人數(shù)，在單片機內(nèi)與紅外傳感器得到的總?cè)藬?shù)進行加權(quán)得出一個比較準(zhǔn)確的人數(shù)。

2.1.4 緊急按鈕簡述

當(dāng)?shù)缆飞习l(fā)生交通事故或者有其他緊急情況時用于快速切換紅綠燈，人行道和車輛行駛的道路上的紅綠燈全部變?yōu)榧t燈，同時啟動聲光報警裝置。用于提醒行人和司機有緊急情況發(fā)生。這樣能有效避免對傷者的二次傷害以及造成道路的持續(xù)堵塞，能有效降低事故的再次發(fā)生。緊急按鈕設(shè)置與1.5米高處（參考國外的設(shè)計）同時設(shè)置警示標(biāo)志，并且需要按下一定的時間才能觸發(fā)即在程序中設(shè)置適當(dāng)?shù)难舆t，這個高度發(fā)生緊急情況時便于按下，同時又能避免由于一些不確定因素導(dǎo)致按鈕被按下，如：兒童玩耍時按下。

2.1.5 行人等待區(qū)簡述

本文劃定了一個行人等待區(qū)，其所占區(qū)域即為壓力傳感器所占區(qū)域。劃設(shè)行人等待區(qū)有很多好處，例如以下幾點：

（1）引導(dǎo)廣大市民增強文明出行的意識。

（2）保障了行人、車輛的通行安全。

（3）減少了交通事故的發(fā)生。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

圖6 軟件流程圖

（1）采用紅外傳感器和壓力傳感器進行人數(shù)統(tǒng)計。

（2）實現(xiàn)紅外傳感器統(tǒng)計的人數(shù)與壓力傳感器統(tǒng)計的人數(shù)的合理加權(quán)得出總?cè)藬?shù)。

（3）設(shè)定一個運行周期以計算這段時間內(nèi)每天的平均人數(shù)，作為調(diào)整紅綠燈時間的標(biāo)準(zhǔn)。

（4）將數(shù)據(jù)在單片機內(nèi)整理好后在LCD上顯示出當(dāng)前人數(shù)，并用此數(shù)據(jù)控制紅燈和綠燈的保持時間。

（5）設(shè)置一個緊急按鈕，出現(xiàn)突發(fā)情況時用于將交通燈變?yōu)榧t燈。

（6）設(shè)置一個檢測裝置，用于檢測紅燈時是否有人強行闖紅燈，若檢測出有行人闖紅燈則觸發(fā)聲光報警用于提醒行人不要闖紅燈。

2.3 系統(tǒng)調(diào)試

2.3.1 硬件調(diào)試

按照電路圖焊接好后，上電調(diào)試。首先，調(diào)試紅外線人數(shù)統(tǒng)計部分，能正確顯示進和出的人數(shù)以及總?cè)藬?shù)。然后，調(diào)試壓力傳感器部分，能正常顯示出總的重量。最后，整個系統(tǒng)一起調(diào)試，能顯示出總?cè)藬?shù)，與實際模擬的人數(shù)存在一定的誤差。若按理想狀態(tài)運行，不會產(chǎn)生誤差。但道路上的情況比較復(fù)雜可能會出現(xiàn)各種各樣情況，模擬各種情況時發(fā)現(xiàn)存在一定的誤差，且情況不同誤差大小不同。

2.3.2 軟件調(diào)試

本文采用的軟件是Keil uVision4，調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)了紅外傳感器統(tǒng)計人數(shù)部分的程序存在不能三個面同時統(tǒng)計人數(shù)的問題，這大大影響了人數(shù)的準(zhǔn)確度，最后通過改變算法減小了誤差。

3.結(jié)論

本文主要研究了將現(xiàn)有的普通紅綠燈智能化，通過紅外傳感器與壓力傳感器來統(tǒng)計路口當(dāng)前的人數(shù)再通過程序來合理調(diào)整紅綠燈的時間，這改善了普通紅綠燈的缺陷，有效降低了交通事故發(fā)生的幾率。通過實驗我們發(fā)現(xiàn)在統(tǒng)計人數(shù)時仍然存在誤差。如：

（1）在紅外傳感器統(tǒng)計人數(shù)時如果有行人長期遮擋紅外線，則統(tǒng)計時就會出現(xiàn)較大的誤差。

（2）紅外線傳感器統(tǒng)計的人數(shù)與壓力傳感器統(tǒng)計的人數(shù)存在較大差異，各自占的比重很難選取。

同時，由于路口情況很復(fù)雜雖然我們采取了模擬汽車衡的方式安裝，但這并不能保證這個裝置不會損壞，畢竟在道路上應(yīng)用其耐久度是一個不得不考慮的因素。采取地上衡的安裝方式（可以放置在堅實地面上進行稱量，也可安放在淺基坑上或在其兩側(cè)加裝帶有一定坡度的引道）安裝于地面上時便于維修，但會在路面上存在突起有一定的危險因素存在。安裝于淺基坑則恰恰相反，沒有突起不存在危險因素，但不便于維修。

然后，劃設(shè)了一個行人等待區(qū)，即壓力傳感器所占的區(qū)域。這樣既避免了一些危險因素（如：行人在路口等待紅綠燈時隨意站阻礙正常的交通，同時可能造成交通事故），又方便統(tǒng)計人數(shù)，人們都站在行人等待區(qū)內(nèi)就能大大減小人數(shù)統(tǒng)計的誤差。

通過一定的擴展本文的研究可以應(yīng)用到實際道路上。我認(rèn)為可以在以下幾個方面做一些改進：

（1）改進對紅外傳感器人數(shù)統(tǒng)計部分的程序設(shè)計。

（2）對紅綠燈控制部分加以改進。

（3）采用新型安裝方式，達到既方便維修又可以減小危險系數(shù)的效果。

（4）采用新型材料，提高其耐久度。