低峰期交通紅綠燈減少候燈時間系統設計*

張亞婉，胡洽鋒，唐艷鳳，黃信維

（廣東工業大學華立學院，廣州 511300）

0 引言

隨著我國經濟的飛速發展，城市人口越來越多，居民自駕車出行頻率逐年呈上漲趨勢，道路擁堵現象越來越嚴重，人們經常會因道路擁擠、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濟損失。例如，交通擁堵導致中國每月經濟損失達141.67億元，美國平均每月經濟損失達52.58億美元，倫敦每月生產力價值損失高達1 160萬美元。從以上情況得知，交通擁堵已嚴重影響了經濟的發展。據調查表明，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，使用壓力傳感器實時檢測路口車流量的大小來調整紅綠燈亮燈時長，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量，是緩解交通堵塞的有效途徑之一。

1 系統總體設計

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，利用安裝于道路上的壓力傳感器獲取車輛實時數據，通過單片機對數據進行分析處理，實現交叉路口車流量的實時檢測。系統硬件電路包括電源模塊、STC89C51單片機、壓力傳感器、狀態燈、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。單片機根據檢測到的車流量的大小調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，4個2位的共陰極LED數碼管顯示東西南北方向的倒計時時間。系統總體框圖如圖1所示[5]。

圖1 系統總框圖

2 硬件設計

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

2.1 電源設計

用5.0 V電壓給最小系統板供電，其中LM2596S為開關電壓調節器，可以輸出3 A驅動電流，并具有良好的線性和負載調節特性，內部含有固定頻率振蕩器和基準穩壓器，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。在單片機最小系統電路上增加外圍設備，例如數碼管、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為電壓值輸出，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碼管顯示，單片機可以根據設定的車輛重量計算通過車輛個數，并由數碼管顯示，完成車流量的統計，根據車流量的大小轉去執行相對應的程序[7]，電路如圖4所示。

圖4 流量監測壓力傳感器

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 數碼驅動管電路

采用4個2位共陰極LED數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個數碼管的7段狀態，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數碼管的顯示方式采用動態顯示。每位LED數碼管通過位選通端進行控制，將數碼管輪流點亮并顯示。如果掃描速度足夠高，人眼看到的2位數碼管同時顯示，電路如圖6所示。

圖6 數碼驅動管電路

3 軟件設計與程序實現

3.1 主程序設計

為了驗證系統的交通實時運行情況，采用ISISpro?fessiona7仿真軟件進行了系統仿真。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 系統仿真

當交通燈開始正常運作后，執行初始程序：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，按鍵的次數即為車子通過的輛數。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，按鍵的次數即為車子通過的輛數。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的檢測，實現根據車流量大小調整等待紅綠燈時長。為了驗證系統的交通實時運行情況，采用ISISprofessiona7仿真軟件進行了系統仿真，仿真中引用假設的車流量參數導入交通燈仿真系統，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節作用，對緩解交通壓力有一定的實際意義。