道路發光標線控制系統電路設計

新疆大學 王書文 孫均友 王 兵 曾維剛 王偉剛 吳 旭

交通擁堵是當前人們關注社會熱點、難點問題，增設可變車道是解決當今平交口擁堵問題的方法之一，但現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，不能適用于大多數平交口。文章針對該問題利用Proteus搭建電路，研制了一種道路發光標線控制系統，系統用燈帶替代傳統道路標線，利用燈帶亮滅及顏色的可變性來表示各種情況下的道路標線狀態，實現了車道功能的變化。

1 系統開發背景

近年來隨著車輛數量的持續劇增，道路擁堵問題日顯嚴重，改善交通擁堵是當前國內外學者研究的熱點問題。在當前道路條件下，增設可變車道是解決當今平交口擁堵問題的切實可行方法之一，但現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，不能根據平交口的不同時段內不同車流量情況進行變化調整，不能適用于大多數平交口。文章針對該問題研制了一種道路發光標線控制系統，該系統使用燈帶替代傳統道路標線進行地面鋪設，利用燈帶亮滅及顏色的可變性來表示各種情況下的道路標線狀態，實現了車道功能的變化，進一步拓展了可逆車道的使用空間。系統通過Proteus仿真平臺進行構建，設計系統各模塊電路，通過程序對用于表示道路標線的燈帶進行控制。通過控制黃、白燈帶亮滅來表示道路渠化的變化情況，實現了對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于當前車道的需求，然后通過放置道路障礙物或者更改道路標線等方式來對原有的車道情況進行更改，以達到使用需求。本設計基于雙向兩車道平交口，平峰期仍使用原道路設計，高峰期則改變部分道路標線。由于一般地面劃線標志不具有可變能力，因此本設計不使用固定地面標線，而使用燈帶地面鋪設的方法。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，車道②的功能是直行+左轉；高峰期各出口車道的功能為：車道①的功能是直行+右轉，車道②的功能是直行專用，車道③的功能是左轉專用。

圖1 燈帶位置示意圖

3 Proteus系統構建

3.1 設計思路

利用總線構建出一個雙向兩車道的平交口，通過改變總線的顏色，表示出道路的黃、白色標線。在可變標線位置處使用黃、白燈帶，通過程序控制平高峰時間，當平峰期轉換成高峰期時，燈帶顏色及亮滅情況會發生變化，從而實現可變渠化功能。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中各燈帶亮起狀態時，a處白色燈帶表示白色實線，b處白色燈帶表示白色虛線、黃色燈帶表示黃色實線，c處黃色燈帶表示黃色實線，d處白色燈帶表示白色虛線、黃色燈帶表示黃色實線，e處白色燈帶表示白色實線。通過控制各顏色燈帶的亮滅來表示平交口可變渠化的具體情況。

3.2 虛擬電路設計

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、38譯碼器、LED燈、電阻和雙位八段數碼管。電路仿真軟件Proteus可通過內置的元器件庫進行搜索，將所需的元器件添加至設計界面中進行電路設計，在電路設計結束后，該系統控制程序采用uVision集成環境開發下的Keil軟件編寫C語言程序進行編譯并調試，最終生成HEX文件加載入系統中進行仿真運行。

（1）主控電路設計

根據系統實際需要，本設計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，型號為美國ATMEL公司生產的AT89C51。它具有51內核的低功耗、高性能的8位單片機，內含4K字節Flash只讀程序存儲器，兼容MCS-51指令和80C5l引腳結構，它具有如下特點：128字節內部RAM，32個I/O口線，看門狗，兩個16位定時和計數單元，一個5兩級中斷結構的向量，一個UART通信口，內部晶振和時鐘電路。為了使整體控制更加的協調統一，整個電路設計僅使用一個單片機作為控制中心。

（2）交通顯示設計

由于Proteus軟件的元器件庫中沒有可以使用的LED燈帶，為了盡可能的表現出燈帶的效果，本設計使用多個LED燈排列的形式，來表示相應顏色的燈帶。由于Proteus電路設計模塊的默認工作電壓為5V，為使LED燈正常工作且亮度適合，經計算和反復調試后確定需要與每個LED燈分別串聯一個阻值為270Ω的RES電阻（現實情況中需要阻值為1kΩ）。本設計中除可變標線處使用燈帶外，方向指示牌也使用燈帶進行表示。其中，方向指示取消了原有的地面標線，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 系統仿真

在Proteus軟件設計界面完成虛擬仿真系統控制電路搭載后，將HEX文件加載到主控模塊AT89C51單片機中，點擊運行按鈕進行仿真，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

結合圖1和圖3，以西進口為例，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，整體標線情況與原始道路標線保持一致。此時，出口車道仍然保持兩個，且各出口車道的功能如圖3中標志牌所示，即車道①的功能仍為直行+右轉，車道②的功能仍為直行+左轉。

結合圖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。此時整體標線情況發生變化，部分車道功能發生改變，具體情況為：車道①的功能未發生變化，車道②的功能由直行+左轉變為直行專用，車道③由進口車道變為出口車道且功能為左轉專用。

文章通過Proteus搭建了道路發光標線控制系統電路，使用Keil軟件編寫控制程序，研制了一套基于燈帶的可變渠化標線控制系統，系統用燈帶替代傳統道路標線，利用燈帶亮滅及顏色的可變性來表示各種情況下的道路標線狀態，通過仿真，實現了車道功能的變化。