基于小波束角超聲測距的自適應(yīng)式交通燈控制系統(tǒng)研究與設(shè)計

廉志凱

（秦皇島職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 秦皇島 066100）

0 引言

國內(nèi)外城市交通壓力的日益增大，智能交通系統(tǒng)（英文簡稱“ITS”）的研究逐漸成為熱點。10多年來，交通信號燈的自適應(yīng)控制作為ITS研究的一部分，也由探索階段進(jìn)入到了工程應(yīng)用階段[1]。但目前，自適應(yīng)式交通燈控制系統(tǒng)并沒有發(fā)展到成為一種易于推廣的產(chǎn)品階段?；诖?，本文將從成本低、易實施、有推廣性的角度來介紹自適應(yīng)式交通燈控制系統(tǒng)的研究和設(shè)計。

目前10余種檢測技術(shù)中，視頻檢測技術(shù)、微波雷達(dá)技術(shù)、超聲波技術(shù)優(yōu)勢較明顯[2]。從我國目前的國情和ITS技術(shù)現(xiàn)狀的角度分析，超聲波檢測技術(shù)實現(xiàn)原理簡單，對系統(tǒng)調(diào)試的要求不高，體積小，便于安裝、移動和后期維護(hù)。視頻技術(shù)與微波雷達(dá)技術(shù)的科技含量高，目前中小型企業(yè)還沒有跟上，必然影響這兩種重要技術(shù)的普及。相比之下，超聲檢測技術(shù)的方法更容易普及（見表1）。

表1 三種檢測技術(shù)的比較

1 硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成及安裝

本系統(tǒng)由總控制器、交通燈控制器、車流量檢測器組成，其中每個車流量檢測器都與兩個超聲波傳感器相連接。在圖1中總控制器的實際安裝位置并非十字路口中央，而是路口的拐角處。

圖1 交通燈控制系統(tǒng)俯視圖

由于系統(tǒng)中節(jié)點數(shù)目多，因此各節(jié)點與總控制器間采用無線的通信方式。為了安裝和移動方便，車流量檢測器整體安裝在鐵架上；此外，總控制器、交通燈控制器、車流量檢測器均采用太陽能電池板供電，旨在從整體上減小安裝和施工的難度。

1.2 整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)工作時，4個路口的車流量檢測器將采集到的車流量數(shù)據(jù)通過無線模塊傳送到總控制器中，總控制器經(jīng)過運算與算法分析后向4個交通燈控制器發(fā)送控制命令，對信號燈和倒計時顯示器進(jìn)行控制，控制關(guān)系如圖1中箭頭所示。車流量檢測器、總控制器的硬件框、交通燈控制器圖分別為圖2中的a）、b）、c）。

圖2 系統(tǒng)各組成部分框圖

1.3 一體式小波束角超聲測距模塊設(shè)計

1.3.1 總體電路設(shè)計

該電路中使用的傳感器為收發(fā)一體式小波束角超聲波傳感器NU40E60TR—1，其標(biāo)稱頻率為40.0±3.0kHz，波束角為15°±2°。一體式超聲測距模塊電路如圖3所示。超聲波發(fā)射通過單片機I／O 口及74LS04完成，回波的接收通過CX20106A及其相關(guān)電路完成。該電路中發(fā)射與接收都使用同一超聲波傳感器，因此采用了電子模擬開關(guān)將收發(fā)電路隔離。

圖3 一體式小波束角超聲測距模塊原理圖

1.3.2 隔離電路設(shè)計

回波信號本來就很微弱，且回波信號可能被發(fā)射電路吸收，因此接收電路可能檢測不到回波；還有可能發(fā)射信號沒經(jīng)過探頭而直接被傳到接收電路，造成放大電路的燒毀，所以收發(fā)一體方式必須要考慮收發(fā)隔離控制。設(shè)計中采用CD4053，它是三2通道數(shù)字控制模擬開關(guān)，有三個獨立的數(shù)字控制輸入端A、B、C，具有低導(dǎo)通阻抗和低的截止漏電流。當(dāng)INH端輸入1時，所有通道被禁止。在圖3中，用P1.1～P1.4分別控制A、B、C、INH，當(dāng)A、B均為0時，超聲傳感器接通發(fā)射電路；當(dāng)A、B均為1時，超聲傳感器接通接收電路。

1.4 LED驅(qū)動模塊電路設(shè)計

當(dāng)LED的外加電壓達(dá)到二極管導(dǎo)通電壓后，外加電壓的微變可以引起二極管電流的巨變，使LED溫度升高；在相同電壓下，溫度升高將促使LED電流增大，使溫度進(jìn)一步提高。以此循環(huán)，會加劇光衰，出現(xiàn)明而不亮的現(xiàn)象。

本設(shè)計中LED電源驅(qū)動采用恒流源，旨在減小光衰與延長LED壽命。恒流源電路由集成運放和NPN型達(dá)林頓管構(gòu)成，負(fù)載RL在達(dá)林頓管的集電極與電源之間，達(dá)林頓管的發(fā)射極與地之間有一個電阻Rc為采樣電阻。達(dá)林頓管前接有運放工作在深度負(fù)反饋狀態(tài)，運放的同相輸入端電壓來源于PWM的輸出，反向輸入端與采樣電阻Rc相連。由于負(fù)反饋的作用，PWM的占空比D%直接決定了采樣電阻Rc上通過的電流。單片機的A／D實時采集Rc上電壓，通過單片機的運算，返回來控制PWM的占空比，通過控制運放的同向輸入端控制運放的輸出電壓，從而實現(xiàn)動態(tài)恒流。同時放大器的反饋環(huán)節(jié)將穩(wěn)定電流，形成閉環(huán)控制（如圖4所示）。

圖4 恒流電路

1.5 光伏模塊設(shè)計

太陽能電池板在受到光照后實現(xiàn)太陽能到電能的轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生直流電壓。直流電經(jīng)過輸入濾波、DC／DC變換、輸出濾波，可得到滿足負(fù)載需求的直流輸出電壓，并輸入到蓄電池中完成能量的傳遞。系統(tǒng)各個部分的控制功能由單片機來完成[3]。

從便于安裝和節(jié)能的角度考慮，總控制器、交通燈控制器、車流量檢測器均采用獨立光伏系統(tǒng)供電。光伏模塊的結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示，由太陽能電池板、蓄電池、蓄電池控制器組成?？刂破髦饕沙潆娍刂齐娐?、供電控制電路、電池監(jiān)測電路組成。此外，蓄電池控制器中還包括報警電路，當(dāng)電池異常或需更換時，可及時發(fā)出報警信號。

圖5 光伏模塊結(jié)構(gòu)框圖

2 通信方式

本系統(tǒng)中無線收發(fā)模塊選擇的是PRT2000，它是一種超小型、低功耗、高速率的無線收發(fā)一體式數(shù)據(jù)模塊，無須使用許可證[4]。

在整個系統(tǒng)中，各模塊間的數(shù)據(jù)通信采用PRT2000無線主從式多機通訊串口通信模式。主機負(fù)責(zé)發(fā)送從機地址、控制命令及調(diào)度，從機負(fù)責(zé)采集個路口車流量信息，進(jìn)行一定的數(shù)據(jù)處理，根據(jù)主機的要求返回數(shù)據(jù)，并執(zhí)行主機發(fā)出的命令。通信協(xié)議中主機主動發(fā)送命令或數(shù)據(jù)，從機則等待主機的命令。由于發(fā)送和接收共用同一信道，因此在任意時刻只允許一臺從機處于發(fā)送狀態(tài)。主機與從機通信時，主機先呼叫某從機地址，喚醒被叫從機后，主、從兩機之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，其他從機繼續(xù)處于等待狀態(tài)。

3 結(jié)語

經(jīng)模型測試，本系統(tǒng)在自適應(yīng)時間分配上誤差較大。應(yīng)用小波束角超聲波傳感器對車輛壓行車道分界線行駛，并排行駛，前車、后車距離較近行駛幾種特殊情況進(jìn)行檢測時，都得到了正確的結(jié)果。說明本系統(tǒng)在車流量檢測方面性能可靠，算法需進(jìn)一步研究和優(yōu)化。

[1]余穩(wěn).基于微波單片集成電路的交通信息采集技術(shù)研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2007.

[2]彭春華，劉建業(yè)，劉岳峰，等.車輛檢測傳感器綜述[J].傳感器與微系統(tǒng)，2007，26（6）：4-7.

[3]楊化鵬.基于單片機的IGBT光伏充電控制器的研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2006.

[4]馬鴻文，陳松立，陳治國，等.一種新型無線十字路口交通燈智能動態(tài)感應(yīng)控制系統(tǒng)[J].微計算機應(yīng)用，2009，30（4）：62-66.