基于惡劣天氣情況下對信號燈及其感應(yīng)裝置的改進(jìn)

方坤 裴柳 蔣宇春 熬谷昌

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基于惡劣天氣情況下對信號燈及其感應(yīng)裝置的改進(jìn)

方坤 裴柳 蔣宇春 熬谷昌

重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400000

本設(shè)計是對基于惡劣天氣情況下對信號燈及其感應(yīng)裝置的改進(jìn)，其中主要模塊：根據(jù)環(huán)境亮度自動調(diào)節(jié)信號燈光亮度；綜合運(yùn)用單片機(jī)原理，微型原理、微機(jī)接口技術(shù)等方面的知識，組成的交通燈控制系統(tǒng)。系統(tǒng)除基本交通燈功能外，還有根據(jù)天氣（如霧霾、大霧、暴雨等）的變化，使光敏電阻發(fā)生變化，單片機(jī)根據(jù)這一變化控制信號燈的亮度增強(qiáng)，增大信號燈的可見范圍。自適應(yīng)燈光控制通過有效、可靠地檢測環(huán)境光照強(qiáng)度，尤其是在雨、雪、霧等特殊天氣狀況下，根據(jù)光照強(qiáng)度控制輸出信號，實時調(diào)節(jié)信號燈的亮度。使信號燈的亮度可以實現(xiàn)智能化，減少交通事故，改善道路交通環(huán)境，節(jié)約交通能源，減輕駕駛員的疲勞程度，最終實現(xiàn)安全、舒適、快速、經(jīng)濟(jì)的交通環(huán)境。

惡劣天氣；信號燈；光敏電阻；激光感應(yīng)；單片機(jī)

1 研究背景

目前在路口使用的信號燈基本為固定亮度輸出模式，因信號燈亮度不變，隨著環(huán)境光照強(qiáng)度的變化，信號燈的視覺效果也跟著變化從而導(dǎo)致司機(jī)、行人不好辨認(rèn)信號燈，從而容易發(fā)生交通事故，而本作品能夠根據(jù)天氣情況而做出相應(yīng)的調(diào)整已取得更好的視覺效果，也避免了交通事故的發(fā)生。

2 設(shè)計原理

2.1 設(shè)計思路

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，私家車越來越多，道路越來越擁堵，同時，也存在著很多安全隱患。近年來，各地霧霾情況越來越嚴(yán)重，司機(jī)由于看不清信號燈閃爍的情況而發(fā)生交通事故時有發(fā)生。為解決這個問題，本作品提出解決方案：對于因霧霾情況嚴(yán)重而導(dǎo)致交通事故問題提出的解決方案是：由于光在霧霾、霧、暴雨等的穿透力很小，導(dǎo)致司機(jī)很難觀察到信號燈的閃爍情況，這時候需要增大光的亮度來達(dá)到能夠在較大的距離范圍內(nèi)觀察到信號燈，而當(dāng)天氣是晴天時，就沒有必要增大光的亮度。所以，本設(shè)計把光敏電阻加到信號燈中，當(dāng)天氣有霧霾、大霧或者暴雨等天氣時，光的強(qiáng)度減小，導(dǎo)致光敏電阻的阻值增大。當(dāng)電阻增大時，引起電路中電壓的減小，電壓的變化傳到單片機(jī)中，再由單片機(jī)控制信號燈的亮度增強(qiáng)，從而增大了信號燈的可見范圍。而當(dāng)光線很強(qiáng)時，光敏電阻的阻值也發(fā)生變化，導(dǎo)致單片機(jī)控制信號燈光的強(qiáng)度變?nèi)?。這樣既避免了資源的浪費(fèi)，減少了資源的損耗并且也避免了一些交通事故的發(fā)生[1]。

2.2 研究方法

采用實物模擬方法及探索性研究法，依照信號燈的主要特征及其變化屬性，創(chuàng)設(shè)了信號燈的實物改進(jìn)的模型，能夠很好地在惡劣的天氣情況工作。針對目前信號燈的特點(diǎn)，包括負(fù)載特性、發(fā)光特性等，在此基礎(chǔ)上根據(jù)環(huán)境的亮度變化自動調(diào)節(jié)信號燈的亮度，以實現(xiàn)節(jié)能和提高出行者的視覺舒適度。針對光敏電阻對環(huán)境亮度的檢測，主要采用相關(guān)的數(shù)字化處理技術(shù)，并結(jié)合不同天氣（包括雨、雪、霧、霧霾等惡劣氣象）條件下的檢測可靠性[2]。

2.3 信號燈的亮度隨天氣的變化而自動調(diào)節(jié)模塊

STCA60S2芯片是本模塊中非常重要的一個部分，能夠達(dá)到信號燈智能控制的目的。眾所周知，人眼對光強(qiáng)的感受是非線性的，弱光時，光強(qiáng)增加一倍，人眼感覺到的增強(qiáng)多于一倍；強(qiáng)光時，光強(qiáng)增加一倍，人眼感覺到的增強(qiáng)不足一倍。當(dāng)天氣晴朗時，我們不需要信號燈的亮度很大就能看清楚信號燈的閃爍情況，而當(dāng)出現(xiàn)惡劣天氣時，能見度很低的情況下就需要增加光的強(qiáng)度來增強(qiáng)信號燈的視覺效果。本作品利用光敏電阻來檢測光的強(qiáng)度，光敏電阻的阻值隨著光強(qiáng)的增強(qiáng)而變小，當(dāng)電阻減小時，光敏電阻的兩端電壓減小，電壓的大小通過D/A傳到單片機(jī)中，通過單片機(jī)對電壓的判斷輸出控制信號，控制信號又通過A/D來控制信號燈的亮度[3]。

模數(shù)轉(zhuǎn)換及參數(shù)匹配設(shè)計經(jīng)環(huán)境光檢測模塊轉(zhuǎn)換得到的電壓信號是連續(xù)變化的，如果利用環(huán)境光強(qiáng)度進(jìn)行信號燈亮度的調(diào)節(jié)需要進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)采用STCA60S2系列CPU，其模數(shù)轉(zhuǎn)換為基于逐次近似寄存器的10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的范圍從0V到ADVREF。其支持一個8位或10位的分辨模式，轉(zhuǎn)換結(jié)果由所有通道的公共寄存器進(jìn)行通告，包括一個專用通道寄存器。輸入電壓經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)字過數(shù)量，CPU根據(jù)輸入電壓對應(yīng)的數(shù)字量輸出相應(yīng)的光強(qiáng)度調(diào)節(jié)參數(shù)，共3級亮度控制信號，通據(jù)線將光強(qiáng)度調(diào)節(jié)參數(shù)傳輸給調(diào)光信號發(fā)生器。

表1 實物模型模擬實驗數(shù)據(jù)

圖1 固定模式輸出亮

圖2可調(diào)節(jié)最大亮度理想效果

圖4 可調(diào)節(jié)最大亮度理想效果

圖5 固定模式輸出亮度

圖6 可調(diào)節(jié)最大亮度的理想效果

從紅、黃、綠三色信號燈最大亮度的理想效果圖與固定模式輸出下的亮度的對比可以發(fā)現(xiàn)，自適應(yīng)燈光控制系統(tǒng)對信號燈的亮度調(diào)節(jié)控制效果明顯，根據(jù)環(huán)境光照度值的不同，信號燈的亮度會隨之發(fā)生改變，實現(xiàn)信號燈亮度的智能化控制[4]。

圖7 光敏電阻工作原理圖

3 創(chuàng)新特色

基于傳統(tǒng)信號燈上加入了能夠根據(jù)天氣變化而發(fā)生調(diào)整的部分，使之能夠在惡劣天氣下更好地為行人、駕駛員服務(wù)，減弱環(huán)境因素給交通帶來的不利影響和危害。

本作品的應(yīng)用，使得信號燈可以根據(jù)周圍環(huán)境變化調(diào)節(jié)亮度關(guān)系，實現(xiàn)智能變化。這樣，既可以減少資源的浪費(fèi)，又可以減少交通事故的發(fā)生，使交通燈控制系統(tǒng)地總體能力和綜合應(yīng)用能力得到提升。

本作品在信號燈同時應(yīng)用的激光感應(yīng)和信號燈自主感應(yīng)惡劣天氣的相互兼容，之間能夠較好地銜接，且能夠準(zhǔn)確地將所感應(yīng)到的變化加以分析，提高了一般信號燈工作效率，具備推廣性[5]。

本作品屬于模塊化的信號燈自帶感應(yīng)裝置，適應(yīng)性廣、成本較低、靈敏度高，適應(yīng)性強(qiáng)。

4 應(yīng)用前景

從電子控制角度講，雖然信號燈亮度控制是一種簡單的控制，但是在應(yīng)用到繁忙街道的十字路口之后卻會產(chǎn)生不可低估的作用?？茖W(xué)的信號燈亮度控制可以提高道路的使用效率，提高城市的車輛通行速度。自適應(yīng)燈光控制技術(shù)根據(jù)周圍環(huán)境亮度變化情況，可以自適應(yīng)的調(diào)節(jié)信號燈的亮度，實現(xiàn)在環(huán)境亮度較高、天氣晴好的情況下提高信號燈的亮度，以便駕駛員可以清晰地看到信號燈的指示；同時，在環(huán)境光亮度較低或陰天、霧天的情況下，可以降低信號燈的亮度，從而可以避免引起駕駛員的視覺疲勞，還能節(jié)約能源，減少污染。因此，本作品具有很廣闊的應(yīng)用前景。

[1]陳光武，舒剛.公路LED可變信息標(biāo)志光學(xué)性能檢測技術(shù)[J].公路交通科技，2003，20（S1）：171-173.

[2]王波.城市道路交叉口交通組織與信號控制策略研究[D].長春：吉林大學(xué)，2005.

[3]曲大義，朱中.基于無線網(wǎng)格技術(shù)的遠(yuǎn)程分布式交通信號控制系統(tǒng)架構(gòu)[C]//第三屆中國智能交通年會論文集.南京：東南大學(xué)出版社，2007.

[4]田平印.城市交通信號燈拾趣[J].交通世界，1996（4）：31.

[5]錢勇生，王者堂，馬昌喜.交通信號燈相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范中存在的問題[J].道路交通與安全，2007，7（2）：14-17.

指導(dǎo)教師：熬谷昌。

U491.112

A

1009-6434（2016）03-0019-02