智能交通信號燈的設計與實現

朱浩宇ZHU Hao-yu；湯金龍TANG Jin-long；劉大誠LⅠU Da-cheng

（江蘇電子信息職業學院，淮安 223003）

0 引言

信號燈是交通控制信號的重要組成部分，城市交管部門在面臨城市交通擁擠以及改善城市道路使用率等問題時，首選采用設置或者安裝交通信號燈這一有效手段進行解決[1]，因此交通信號燈的控制是否科學成為直接影響城市交通系統能否良好運轉的關鍵。

目前，大多數城市的交通信號燈系統采用的是固定配時的控制方式，配時方案已經無法滿足逐漸增長的交通需求，往往與實際的交通流量不適應，現有的交通路網沒有辦法發揮最大的效率[2]；并且特殊情況下不能實現實時控制和及時處理。各個城市尤其大城市越來越多的遇到交通擁堵和事故多發的難題，特別是各交叉路口，更成為城市交通中通行的短板和事故頻發的來源。

本文設計的智能交通信號燈控制系統，通過對交叉路口的交通流的檢測，實現交通信號燈的動態配時，比傳統的固定配時控制方式更加科學，能有效減少車輛排隊長度和等待時間，有效促進城市道路交通暢行，是實現智能交通的重要組成部分，具有重要的現實意義和社會意義[3]。

1 系統設計

當前城市交通信號燈系統主要存在以下問題：

①上下班高峰期和非高峰期時，都會出現主干車道車流量較大，而次干道方向的車輛相對較少，但由于路口的通行時間固定，這樣就容易出現空放和打結現象。

②當有消防車、救護車、警車等特殊車輛通行時，交通信號燈無法及時改變信號指示，使得交叉路口由于堵塞無法及時通行。當路口發生突發緊急狀況時，不能人為地控制交通，甚至可能引起二次事故的發生[4]。

本文設計的智能交通信號燈系統除了具有交通燈控制的基本功能外，針對以上缺點，具備了以下功能：

①具有動態配時功能。根據通車流量檢測，實時優化信號綠燈時長，減少車輛擁堵狀況。

②具有臨時控制和緊急模式功能。當有消防車等特殊車輛通行時，采用紅外遙控智能控制信號燈的變換；當交叉路口發生特殊情況時，通過緊急模式按鍵可以人為臨時干預交通，有效減少二次事故的發生概率。

智能交通信號燈系統以單片機控制為核心，由電源模塊、控制模塊、車流量檢測模塊、紅外遙控模塊、按鍵控制模塊、顯示模塊等幾個功能模塊組成，顯示模塊分為交通信號燈顯示和倒計時時間顯示，系統整體設計方案如圖1所示。

圖1 整體設計方案

1.1 硬件設計

以單片機AT89S52 為控制核心，硬件主要由電源電路、控制電路、紅外傳感器、按鍵電路、時鐘電路、復位電路、顯示電路等組成。

紅外通信是在發送端將基帶二進制信號調制為一系列的脈沖串信號（載波信號），通過紅外發射管發射紅外信號。常用的信號調制有脈寬調制和脈時調制兩種方法，本設計采用脈時調制方法。紅處線發射和接收控制電路均采用單片機來實現，發射時將從串行發射口送出的數據進行內部調制，送出后經紅外發射二極管發射出去，發射距離可達10 米。接收時采用與發射部分配套的紅外接收頭，將發射出的數據接收后送到串行口中，再由系統進行確認接收數據是否與發送數據是否相符，相符則開鎖并以發光二極管點亮顯示，不相符則放棄并以發光二極管滅顯示。

本系統采用紅外傳感技術檢測實時的車流量，統計排隊等待紅燈的車輛數量。每當輛車經過時，傳感器就會輸出一個信號給控制電路，單片機系統計數一次，以此類推，這樣就完成了對車流量的統計；依據上個時段內東西和南北兩個方向統計數據對比，動態調整下個時段綠燈的時長，實現路口通行時間與等待紅燈車輛數目的動態匹配，有效提高車輛通行效率。

LED 燈作為交通控制信號燈，東南西北四個方向分別設置紅、綠、黃三種信號燈來模擬十字路口的信號燈。數碼管顯示信號燈的倒計時，實現交通信號燈系統狀態的實時顯示。顯示通行時間選用二位數碼管，由單片機的I/O 口可以直接驅動，用三極管鎖存。采用數碼管的動態掃描方式來處理，對于7 段數碼管，占用7 個單片機的I/O 口；另外設置2 個電子開關對2 位顯示進行配合，占用2 個I/O端口；十字路口共需4 組紅綠燈，加上轉換黃燈，需要用12 個端口進行控制；再加兩個方向的緊急模式按鍵，占2個I/O 端口和1 個蜂鳴器端口，因此實際占用的單片機I/O 口為24 個。

緊急模式按鍵用來設置交通燈的臨時狀態，當路口發生特殊情況時，按下按鍵后可以實現東西南北四方向紅燈、單向紅燈（綠燈）等功能，達到車輛臨時所有方向禁止通行或單向放行目的。

1.2 軟件設計

軟件總體設計主要完成各個模塊的功能控制和信號處理，主程序主要完成系統的初始化和數據的發送，掃描按鍵信號，同時等待外部中斷信號，根據其它信號來實現相應的指令操作。系統軟件主要是由車流量檢測程序、信號燈控制程序、倒計時顯示程序、外部中斷程序、按鍵信號處理程序等組成，形成一個集控制和處理為一體的閉環系統，如圖2 所示。

圖2 軟件設計方案

根據城市道路交通尤其交叉路口的情況，本文把交通信號燈程序控制分為兩類：

1.2.1 正常通行時程序

根據東西南北四個方向的交通擁擠情況對比，分別設置主干道和次干道的通行時間，對車輛、行人發出行進或停止的信號燈指示，從而提高交叉路口的通行能力，保障道路暢通和安全。

東西和南北方向的綠燈不能同時亮，如果發生這種情況，則自動立即關閉信號燈系統。系統開始工作后，首先南北方向（次干道）紅燈亮并維持30 秒；與此同時東西（主干道）綠燈亮25 秒，然后東西綠燈熄滅；之后東西黃燈亮并維持5 秒后熄滅，然后東西紅燈亮，同時南北紅燈熄滅綠燈亮；東西紅燈亮并維持20 秒，與此同時南北綠燈亮并維持15 秒；然后南北綠燈熄滅，南北黃燈亮維持5 秒后熄滅；同時南北紅燈亮，東西綠燈亮。至此，完成一個工作循環，如表1 所示。

表1 交通信號燈變化表

1.2.2 緊急情況時程序

通過紅外遙控信號實現交通信號燈的控制，以便于消防車、救護車等特殊車輛緊急通行。特殊情況發生時，暫時中斷正常通行程序，可以實現四個方向的臨時黃燈；如果特殊車輛通行方向為紅燈，通過紅外遙控可以啟動緊急程序，強制性使車輛行駛方向綠燈亮而其他方向紅燈亮，確保特殊車輛的安全快速通過。當緊急情況結束后，繼續執行正常通行時的程序。

2 仿真與實現

利用Proteus 軟件繪制仿真電路圖[5]（圖3），將編寫的程序導入到單片機中進行仿真調試；經過模塊單體調試和總體調試后，制作了實驗樣機（圖4）。經測試，各項數據符合設計目標，實現交通信號燈的智能控制，達到了預期的功能。

圖3 仿真電路圖

圖4 樣機實物

①利用紅外傳感器實時檢測車流量的大小動態調整倒計時的時間。車流量統計的是過去一分鐘內等待紅燈的車輛數目，讀取統計數據的時間為由綠燈變為黃燈時，這樣可以保證使用該車道上等待紅燈車輛的實時數據。系統設計中，默認是當某方向的等待紅燈車輛在20 到30 之間時該方向通行時間量增加10 秒，當數量超過30 時增加20 秒。以此循環，實現路口通行時長隨等待紅燈車輛數目的動態變化，實現交叉路口的實時動態控制，最終提高交叉路口的通行效率，緩解城市交通擁堵[6-7]。

②利用紅外遙控或按鍵實現特殊情況的臨時控制。通過接收特殊車輛上的紅外信號，控制交通信號燈的變換，以便于特殊車輛暢通。當然前提是在智能交通信號燈系統和特殊車輛上均安裝有紅外遙控裝置。同時，發生緊急狀況時，通過緊急模式按鍵，可以人為臨時控制該方向或所有方向的信號燈變為紅色，禁止該方向或所有方向車輛通行，有效防止發生二次事故。

近年來，各發達國家在大中城市建立智能交通控制系統，大力發展道路基礎設施建設。相比較而言，我國城市道路交叉路口交通信號控制系統與實際交通管理有所差別。交通信號燈控制配時固定不變、緊急通行等特殊情況下信號燈不可靈活控制等問題，都導致交通管理效率偏低[8]，與人們對于安全暢通的交通出行需求不匹配，因此道路交通信號控制系統智能化發展勢在必行[9]；同時，研究和發展屬于我國自主知識產權并能解決交通擁堵的智能交通信號燈系統確有必要，且具備經濟價值和社會意義。

3 總結

隨著汽車保有量的快速增加，道路擁擠現象日趨嚴重，針對城市交叉路口傳統交通信號燈固定燃亮時長的不足，本文設計了一款新型智能交通信號燈，它能根據道路車流量的實際情況，實時改變路口信號燈時長；并且能根據特殊情況實現臨時控制，可以最大程度地發揮城市道路的資源利用率，減少車輛的等待時間以節約能源，提高城市道路通行效率。