基于車流量的智能交通控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

高美蓉

(寶雞文理學(xué)院物理與光電技術(shù)學(xué)院，陜西 寶雞 721016)

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，據(jù)公安部交管局統(tǒng)計(jì)，截至2015年底，全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)2.79億輛，其中汽車1.72億輛；由于汽車數(shù)量的迅速增長(zhǎng)，給人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)便捷的同時(shí)，也帶來(lái)了交通擁堵和大氣污染等一系列的問(wèn)題。原來(lái)只有在城市有堵車現(xiàn)象，現(xiàn)在高速公路經(jīng)常也會(huì)上演堵車大戲，原來(lái)只有在大城市堵車，現(xiàn)在中小城市也開(kāi)始呈現(xiàn)出了極其嚴(yán)重的堵車現(xiàn)象，而且這種情況正在呈現(xiàn)出愈演愈烈之勢(shì)。城市道路交通擁堵問(wèn)題成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，交通燈是管理交通的重要工具。傳統(tǒng)的交通燈雖然可以起到管理交通的作用，但隨著城市道路的建設(shè)和機(jī)動(dòng)車保有量的增加，表現(xiàn)出一些不足[1-2]：(1)紅綠燈時(shí)間設(shè)定時(shí)主車道和副車道相同且固定，通常情況下在上下班高峰期時(shí)段，主車道由于車輛多，駕駛?cè)诵枰却龓讉€(gè)紅燈才能通過(guò)，而副車道車輛可以完全通過(guò)并且時(shí)間有空余。(2)缺乏應(yīng)急措施，當(dāng)有緊急情況出現(xiàn)時(shí)，應(yīng)采取應(yīng)急方案。例如特種車輛執(zhí)行緊急任務(wù)時(shí)，應(yīng)該保證交通暢通無(wú)阻。針對(duì)以上問(wèn)題，在傳統(tǒng)的交通燈的基礎(chǔ)上，提出智能交通的概念，在傳統(tǒng)交通燈的基礎(chǔ)上增加了以下功能： (1)通過(guò)車流量的檢測(cè)，自動(dòng)調(diào)整主車道和副車道紅綠燈的時(shí)間。(2)增加了應(yīng)急按鈕，當(dāng)有特殊車輛執(zhí)行緊急任務(wù)時(shí)，通過(guò)應(yīng)急按鈕保證特殊車輛通行。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于車流量的智能交通燈控制系統(tǒng)有以下幾個(gè)部分構(gòu)成：采用AT89C51單片機(jī)作為核心控制電路、利用對(duì)射式紅外線光電開(kāi)關(guān)進(jìn)行車流量的檢測(cè)電路，用LED燈分別作為東西南北各個(gè)路口的顯示電路、用兩位的數(shù)碼管作為東西南北各個(gè)路口的倒計(jì)時(shí)時(shí)間顯示電路、利用單片機(jī)的實(shí)時(shí)中斷完成特殊車輛通過(guò)的應(yīng)急開(kāi)關(guān)電路。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

利用對(duì)射式紅外光電開(kāi)關(guān)進(jìn)行主車道車流量的檢測(cè)，對(duì)射式紅外光電開(kāi)關(guān)與單片機(jī)的外部計(jì)數(shù)端口T0連接。對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)由紅外發(fā)射器和接收器組成，紅外發(fā)射器發(fā)出紅外線，接收管接收到紅外線時(shí)送給單片機(jī)一個(gè)高電平信號(hào)，當(dāng)有車輛通過(guò)時(shí)，接收管接收不到紅外線時(shí)，送給單片機(jī)一個(gè)低電平信號(hào)。通過(guò)外部計(jì)數(shù)端口T0送入單片機(jī)完成計(jì)數(shù)，單片機(jī)根據(jù)車流量的大小調(diào)整紅綠燈的顯示時(shí)間。設(shè)置按鍵，通過(guò)按鍵控制設(shè)置三種緊急狀況：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(tài)，4組2位的數(shù)碼管顯示倒計(jì)時(shí)時(shí)間。東西方向、南北方向交通紅黃綠燈時(shí)長(zhǎng)分配如表1所示[3]。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 電源設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)需要提供兩種穩(wěn)定電壓：一種為圖2所示，220 V電壓通過(guò)變壓器和整流濾波電路，再通過(guò)三端穩(wěn)壓器MC7805輸出+5V電壓給單片機(jī)供電；一種為圖3所示，220 V電壓通過(guò)變壓器和整流濾波電路，再通過(guò)三端穩(wěn)壓器MC7812輸出+12 V電壓給對(duì)射式紅外光電開(kāi)關(guān)供電。

表1 紅黃綠燈時(shí)長(zhǎng)分配表

圖2 +5 V三端穩(wěn)壓電源

圖3 +12 V三端穩(wěn)壓電源

2.2 最小系統(tǒng)電路

核心控制電路采用的是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)AT89C51[4-6]。由單片機(jī)、晶振電路和復(fù)位電路構(gòu)成了單片機(jī)最小系統(tǒng)。單片機(jī)最小系統(tǒng)指的是用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)。在單片機(jī)最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加外圍設(shè)備，例如：LED燈、數(shù)碼管、按鍵、紅外光電開(kāi)關(guān)等。通過(guò)對(duì)單片機(jī)編程就可以實(shí)現(xiàn)智能交通燈的控制。

2.3 車流量檢測(cè)電路

采用對(duì)射式紅外線光電開(kāi)關(guān)HJS18-M14DNK檢測(cè)車流量。對(duì)射式紅外線光電開(kāi)關(guān)由紅外發(fā)射器和接收器組成，其工作原理是：紅外發(fā)射器發(fā)出紅外線信號(hào)，接收器接收到信號(hào)輸出高電平，接收器未接收到信號(hào)輸出低電平。當(dāng)有車輛通過(guò)發(fā)射器與接收器之間時(shí)，阻擋了紅外線的接收，因此接收器輸出低電平。輸出信號(hào)與計(jì)數(shù)器1的外部輸入端P3.5相連，送入單片機(jī)。同時(shí)單片機(jī)T0口對(duì)其定時(shí)，在設(shè)置的一段時(shí)間內(nèi)(如1分鐘)，通過(guò)單片機(jī)定時(shí)器T0的溢出中斷，對(duì)輸入信號(hào)按照下降沿觸發(fā)方式進(jìn)行計(jì)數(shù)，完成車流量的統(tǒng)計(jì)，根據(jù)車流量的大小轉(zhuǎn)去執(zhí)行相對(duì)應(yīng)的程序。

2.4 紅綠燈顯示模塊

交通燈是由紅燈、黃燈、綠燈組成。紅燈亮表示禁止通行，綠燈亮表示允許通行，黃燈亮是綠燈過(guò)渡到紅燈的提示燈，表示已經(jīng)駛過(guò)安全線的車輛可以繼續(xù)通行，其余車輛禁止通行。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中在東南西北四個(gè)路口各設(shè)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P1.3控制東西方向的綠燈，P1.4控制東西方向的黃燈，P1.5控制東西方向的紅燈。南北方向顯示一致，P1.0控制南北方向的綠燈，P1.1控制南北方向的黃燈，P1.2控制南北方向的紅燈。輸出高電平時(shí)，指示燈亮。

2.5 倒計(jì)時(shí)時(shí)間顯示模塊

采用四個(gè)兩位的共陰極LED數(shù)碼管顯示東西南北方向的倒計(jì)時(shí)時(shí)間。用P0口的P0.0-P0.6控制四個(gè)數(shù)碼管的七段的狀態(tài)，南北方向的倒計(jì)時(shí)時(shí)間相同，用P2.0和P2.1連接南北方向LED燈的位選端，東西方向的倒計(jì)時(shí)時(shí)間相同，用P2.2和P2.3連接?xùn)|西方向的LED燈的位選端。兩位的LED數(shù)碼管的顯示方式采用動(dòng)態(tài)顯示。每一位LED數(shù)碼管通過(guò)位選端控制，一位一位地輪流點(diǎn)亮各位數(shù)碼管，使數(shù)碼管輪流導(dǎo)通顯示。采用循環(huán)掃描的方式，當(dāng)掃描速度達(dá)到一定程度時(shí)，人眼就分辨不出來(lái)了。利用人眼的“視覺(jué)暫留"效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，人眼看到的就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，認(rèn)為兩位的數(shù)碼管同時(shí)顯示。

2.6 應(yīng)急開(kāi)關(guān)模塊

設(shè)置應(yīng)急開(kāi)關(guān)按鈕，當(dāng)有特殊車輛通過(guò)時(shí)，通過(guò)應(yīng)急開(kāi)關(guān)按鈕設(shè)置東西方向通行，南北方向禁止通行；東西方向禁止通行，南北方向通行；東西方向和南北方向都禁止通行。電路仿真測(cè)試中，可以用按鍵模擬車流量的輸入，紅綠燈的狀態(tài)用單片機(jī)控制，兩位的數(shù)碼管顯示倒計(jì)時(shí)的時(shí)間。智能交通控制系統(tǒng)電路圖如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件是在Keil C51的環(huán)境下完成程序設(shè)計(jì)，由主程序、控制子程序和中斷程序等部分組成。主程序完成對(duì)系統(tǒng)的初始化，然后進(jìn)行連續(xù)按鍵掃描，流程圖如圖4所示。初始化函數(shù)包含液晶、定時(shí)器、外部中斷和串口中斷初始化以及打開(kāi)總中斷、設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)等。

3.1 主程序流程圖

主程序開(kāi)始先進(jìn)行初始化，通過(guò)鍵盤掃描進(jìn)行判斷有沒(méi)有緊急狀況，如果有緊急狀況或特殊車輛通過(guò)，轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的程序：如果K3按下，東西南北方向都禁止通行；如果K2按下，南北方向禁止通行；如果K1按下，東西方向禁止通行。如果沒(méi)有特殊狀況，進(jìn)行主車道車流量的檢測(cè)，如果每分鐘車流量大于30，東西方向綠燈延時(shí)20 s；如果每分鐘車流量大于20，東西方向綠燈延時(shí)10 s； 如果每分鐘車流量小于20，紅綠燈按照正常狀態(tài)變化。主程序流程圖如圖5所示。

圖4 智能交通控制系統(tǒng)電路圖

圖5 主程序流程圖

3.2 紅綠燈和時(shí)間顯示流程圖

圖6 紅綠燈運(yùn)行狀態(tài)圖

紅綠燈運(yùn)行狀態(tài)如圖6所示，正常狀態(tài)下，狀態(tài)1東西方向綠燈25 s，南北方向?yàn)榧t燈30 s，當(dāng)東西方向綠燈顯示時(shí)間減為零，變?yōu)闋顟B(tài)2東西方向變?yōu)辄S燈5 s倒計(jì)時(shí)，南北方向?yàn)榧t燈5 s；當(dāng)顯示時(shí)間減為零，變?yōu)闋顟B(tài)3東西方向變?yōu)榧t燈20 s倒計(jì)時(shí)，南北方向?yàn)榫G燈15 s倒計(jì)時(shí)；當(dāng)顯示南北方向?yàn)榫G燈時(shí)間減為零，變?yōu)闋顟B(tài)4東西方向變?yōu)榧t燈5 s倒計(jì)時(shí)，南北方向?yàn)辄S燈5 s倒計(jì)時(shí)，當(dāng)顯示時(shí)間減為零，回到狀態(tài)1繼續(xù)執(zhí)行。倒計(jì)時(shí)時(shí)間顯示流程圖如圖7所示。

3.3 中斷程序流程

圖8 中斷程序流程圖

車流量監(jiān)測(cè)通過(guò)采用對(duì)射式紅外線光電開(kāi)關(guān)，將信號(hào)送入單片機(jī)的計(jì)數(shù)器1的外部輸入端P3.5，同時(shí)定時(shí)/計(jì)數(shù)器0進(jìn)行定時(shí)，將檢測(cè)到的1分鐘的計(jì)數(shù)值，送給車流量變量。主程序根據(jù)車流量變量的值執(zhí)行相應(yīng)的程序。計(jì)數(shù)器1清0，開(kāi)始重新進(jìn)行計(jì)數(shù)。中斷程序流程如圖8所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)采用了單片機(jī)作為核心控制器，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，并且系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)方便。 另外，本系統(tǒng)于采用了車流量檢測(cè)系統(tǒng)，紅綠燈的顯示時(shí)間是動(dòng)態(tài)的，使十字路口更加暢通，避免了現(xiàn)有的交通燈系統(tǒng)的紅綠燈顯示時(shí)間固定所帶來(lái)的不便，大大提高了道路的利用效率[7]；還引用了外部中斷技術(shù)，使緊急車輛得以及時(shí)順利通過(guò)。 而且，本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低、實(shí)時(shí)性好、安裝維護(hù)方便，傳感器在實(shí)際中也很容易實(shí)現(xiàn)。具有相對(duì)較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值,值得推廣使用。

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