智能壓力紅綠燈

四川師范大學(xué)工學(xué)院 陳祎林 沈林松 蘇云壘 郭 力 張慧嫻

1.緒論

1.1 設(shè)計(jì)來源

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市里面的機(jī)動(dòng)車越來越多，隨之而來的問題也層出不窮。其中一個(gè)較為嚴(yán)重的問題就是在交通中，對于行人和機(jī)動(dòng)車通行馬路的協(xié)調(diào)問題。前幾年有一個(gè)熱門的詞，叫做“中國式過馬路”，這雖然是對國民素質(zhì)的一種調(diào)侃，但不可否認(rèn)的是路口的紅綠燈本身就存在著一定的問題即切換時(shí)間不合理，這不僅沒有起到促進(jìn)交通的作用反而會(huì)使人們的心情浮躁，進(jìn)而產(chǎn)生了“中國式過馬路”這種不合理的現(xiàn)象。通過對路口的觀察我們不難發(fā)現(xiàn)在一個(gè)紅綠燈路口行人進(jìn)入等待區(qū)主要是由圖1所示的1、2、3三個(gè)面進(jìn)入。而過馬路主要是由4這個(gè)面出去。由此本文設(shè)計(jì)了一個(gè)通過反射式光電傳感器和壓力傳感器統(tǒng)計(jì)人數(shù)的系統(tǒng)，通過人數(shù)來合理調(diào)整紅綠燈時(shí)間的智能紅綠燈，同時(shí)在4這個(gè)面檢測有無行人闖紅燈。這樣就能有效的改善現(xiàn)有普通紅綠燈的很多缺點(diǎn)，比如：切換時(shí)間不合理、缺乏行人闖紅燈的檢測裝置。

圖1 路口示意圖

1.2 反射式光電傳感器與電阻應(yīng)變式壓力傳感器簡介

1.2.1 反射式光電傳感器

自帶一個(gè)光源和一個(gè)光接收裝置，光源發(fā)出的光經(jīng)過待測物體的反射被光敏元件接收，再經(jīng)過相關(guān)電路的處理得到所需要的信息?？梢杂脕頇z測地面明暗和顏色的變化，也可以探測有無接近的物體。

圖2 反射式光電傳感器

圖3 反射式光電傳感器人數(shù)統(tǒng)計(jì)流程圖

1.2.1 電阻應(yīng)變式壓力傳感器

電阻應(yīng)變式壓力傳感器是一種利用電阻應(yīng)變效應(yīng)，將力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號的結(jié)構(gòu)型傳感器。電阻應(yīng)變片是電阻應(yīng)變式傳感器的核心元件，其工作原理是基于材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)。

圖4 壓力傳感器人數(shù)統(tǒng)計(jì)流程圖

電阻應(yīng)變片式傳感器有以下特點(diǎn)：

（1）應(yīng)用和測量范圍廣，應(yīng)變片可制成各種機(jī)械量傳感器；

（2）靈敏度和精確度較高；

（3）結(jié)構(gòu)簡單，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，頻率響應(yīng)好；

（4）價(jià)格便宜，易于大量應(yīng)用。

1.3 國內(nèi)外紅綠燈研究現(xiàn)狀

現(xiàn)今應(yīng)用于道路上的大部分紅綠燈主要是傳統(tǒng)的紅綠燈，也就是日常生活中見到的紅燈和綠燈的保持時(shí)間不變的紅綠燈，這種紅綠燈不會(huì)隨著路口的人流量的變化而變化，存在較大的缺陷。還有一種正在試運(yùn)行的一種紅綠燈，由一個(gè)攝像頭拍攝路口的實(shí)時(shí)情況通過與程序中預(yù)定的人和車的輪廓相比較統(tǒng)計(jì)當(dāng)前路口的人流量與車流量然后經(jīng)過一系列復(fù)雜的算法來調(diào)整紅綠燈時(shí)間，這種紅綠燈價(jià)格不菲且需要后臺(tái)處理的數(shù)據(jù)較大，存在一定的延遲。此外，還有很多種類的紅綠燈，如：基于微波檢測的單片機(jī)智能紅綠燈、基于超聲波傳感和模糊算法的智能紅綠燈等等，這些紅綠燈大都造價(jià)比較昂貴，條件要求苛刻，不適于大范圍推廣。

1.4 本文研究內(nèi)容

本文的研究方向就是基于STC89C52單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)構(gòu)簡易、性能穩(wěn)定、價(jià)格便宜的紅綠燈。此系統(tǒng)采用STC89C52芯片，對紅外傳感器和壓力傳感器采集的信號進(jìn)行處理。采用反射式紅外傳感器，由于遮擋導(dǎo)致光信號的變化從而導(dǎo)致電信號的變化。采用電阻應(yīng)變式壓力傳感器，由于壓力變化導(dǎo)致電阻的變化從而導(dǎo)致電信號的變化。設(shè)計(jì)一個(gè)電路用紅外傳感器和電阻應(yīng)變式壓力傳感器來統(tǒng)計(jì)當(dāng)前路口的人數(shù)，根據(jù)人數(shù)對紅燈和綠燈的保持時(shí)間做出合理的調(diào)整，以達(dá)到合理改變路口紅綠燈時(shí)間的目的。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖（見圖5）

2.1.2 反射式紅外傳感器人數(shù)統(tǒng)計(jì)原理

在一個(gè)路口人進(jìn)出的面共有四個(gè)，在與斑馬線連接的那個(gè)面上安裝一個(gè)反射式紅外傳感器用于檢測是否有人闖紅燈，其僅在紅燈時(shí)工作。在其余三個(gè)面上分別安裝上兩個(gè)反射式紅外傳感器用于統(tǒng)計(jì)人數(shù)，一個(gè)用于統(tǒng)計(jì)進(jìn)入的人數(shù)，另一個(gè)用于統(tǒng)計(jì)出去的人數(shù)，一個(gè)面的人數(shù)為進(jìn)入的人數(shù)減去出去的人數(shù)，見圖1。最終將總?cè)藬?shù)送入的單片機(jī)內(nèi)部與壓力傳感器統(tǒng)計(jì)出的人數(shù)進(jìn)行加權(quán)得出路口當(dāng)前的比較準(zhǔn)確的總?cè)藬?shù)。當(dāng)然得到的人數(shù)并不是最準(zhǔn)確的人數(shù)，例如，當(dāng)有幾人并排通過紅外傳感器時(shí)單片機(jī)只接收到一個(gè)信號即人數(shù)只加一，這就造成了紅外傳感器統(tǒng)計(jì)人數(shù)的誤差，所以這時(shí)候就需要結(jié)合壓力傳感器統(tǒng)計(jì)的人數(shù)來加權(quán)得出比較準(zhǔn)確的人數(shù)。

圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖

2.1.3 應(yīng)變式壓力傳感器人數(shù)統(tǒng)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

壓力傳感器同樣也是用于測量人的重量，其放置于地面上且面積大于紅外傳感器所圍成的面積，避免有行人站在紅外傳感器區(qū)域外等待紅綠燈而無法統(tǒng)計(jì)，這大大降低了測量人數(shù)的誤差。壓力傳感器測量的是路口行人的總重量，用它除以人的平均體重得到當(dāng)前路口的人數(shù)，在單片機(jī)內(nèi)與紅外傳感器得到的總?cè)藬?shù)進(jìn)行加權(quán)得出一個(gè)比較準(zhǔn)確的人數(shù)。

2.1.4 緊急按鈕簡述

當(dāng)?shù)缆飞习l(fā)生交通事故或者有其他緊急情況時(shí)用于快速切換紅綠燈，人行道和車輛行駛的道路上的紅綠燈全部變?yōu)榧t燈，同時(shí)啟動(dòng)聲光報(bào)警裝置。用于提醒行人和司機(jī)有緊急情況發(fā)生。這樣能有效避免對傷者的二次傷害以及造成道路的持續(xù)堵塞，能有效降低事故的再次發(fā)生。緊急按鈕設(shè)置與1.5米高處（參考國外的設(shè)計(jì)）同時(shí)設(shè)置警示標(biāo)志，并且需要按下一定的時(shí)間才能觸發(fā)即在程序中設(shè)置適當(dāng)?shù)难舆t，這個(gè)高度發(fā)生緊急情況時(shí)便于按下，同時(shí)又能避免由于一些不確定因素導(dǎo)致按鈕被按下，如：兒童玩耍時(shí)按下。

2.1.5 行人等待區(qū)簡述

本文劃定了一個(gè)行人等待區(qū)，其所占區(qū)域即為壓力傳感器所占區(qū)域。劃設(shè)行人等待區(qū)有很多好處，例如以下幾點(diǎn)：

（1）引導(dǎo)廣大市民增強(qiáng)文明出行的意識(shí)。

（2）保障了行人、車輛的通行安全。

（3）減少了交通事故的發(fā)生。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖6 軟件流程圖

（1）采用紅外傳感器和壓力傳感器進(jìn)行人數(shù)統(tǒng)計(jì)。

（2）實(shí)現(xiàn)紅外傳感器統(tǒng)計(jì)的人數(shù)與壓力傳感器統(tǒng)計(jì)的人數(shù)的合理加權(quán)得出總?cè)藬?shù)。

（3）設(shè)定一個(gè)運(yùn)行周期以計(jì)算這段時(shí)間內(nèi)每天的平均人數(shù)，作為調(diào)整紅綠燈時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)。

（4）將數(shù)據(jù)在單片機(jī)內(nèi)整理好后在LCD上顯示出當(dāng)前人數(shù)，并用此數(shù)據(jù)控制紅燈和綠燈的保持時(shí)間。

（5）設(shè)置一個(gè)緊急按鈕，出現(xiàn)突發(fā)情況時(shí)用于將交通燈變?yōu)榧t燈。

（6）設(shè)置一個(gè)檢測裝置，用于檢測紅燈時(shí)是否有人強(qiáng)行闖紅燈，若檢測出有行人闖紅燈則觸發(fā)聲光報(bào)警用于提醒行人不要闖紅燈。

2.3 系統(tǒng)調(diào)試

2.3.1 硬件調(diào)試

按照電路圖焊接好后，上電調(diào)試。首先，調(diào)試紅外線人數(shù)統(tǒng)計(jì)部分，能正確顯示進(jìn)和出的人數(shù)以及總?cè)藬?shù)。然后，調(diào)試壓力傳感器部分，能正常顯示出總的重量。最后，整個(gè)系統(tǒng)一起調(diào)試，能顯示出總?cè)藬?shù)，與實(shí)際模擬的人數(shù)存在一定的誤差。若按理想狀態(tài)運(yùn)行，不會(huì)產(chǎn)生誤差。但道路上的情況比較復(fù)雜可能會(huì)出現(xiàn)各種各樣情況，模擬各種情況時(shí)發(fā)現(xiàn)存在一定的誤差，且情況不同誤差大小不同。

2.3.2 軟件調(diào)試

本文采用的軟件是Keil uVision4，調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)了紅外傳感器統(tǒng)計(jì)人數(shù)部分的程序存在不能三個(gè)面同時(shí)統(tǒng)計(jì)人數(shù)的問題，這大大影響了人數(shù)的準(zhǔn)確度，最后通過改變算法減小了誤差。

3.結(jié)論

本文主要研究了將現(xiàn)有的普通紅綠燈智能化，通過紅外傳感器與壓力傳感器來統(tǒng)計(jì)路口當(dāng)前的人數(shù)再通過程序來合理調(diào)整紅綠燈的時(shí)間，這改善了普通紅綠燈的缺陷，有效降低了交通事故發(fā)生的幾率。通過實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)在統(tǒng)計(jì)人數(shù)時(shí)仍然存在誤差。如：

（1）在紅外傳感器統(tǒng)計(jì)人數(shù)時(shí)如果有行人長期遮擋紅外線，則統(tǒng)計(jì)時(shí)就會(huì)出現(xiàn)較大的誤差。

（2）紅外線傳感器統(tǒng)計(jì)的人數(shù)與壓力傳感器統(tǒng)計(jì)的人數(shù)存在較大差異，各自占的比重很難選取。

同時(shí)，由于路口情況很復(fù)雜雖然我們采取了模擬汽車衡的方式安裝，但這并不能保證這個(gè)裝置不會(huì)損壞，畢竟在道路上應(yīng)用其耐久度是一個(gè)不得不考慮的因素。采取地上衡的安裝方式（可以放置在堅(jiān)實(shí)地面上進(jìn)行稱量，也可安放在淺基坑上或在其兩側(cè)加裝帶有一定坡度的引道）安裝于地面上時(shí)便于維修，但會(huì)在路面上存在突起有一定的危險(xiǎn)因素存在。安裝于淺基坑則恰恰相反，沒有突起不存在危險(xiǎn)因素，但不便于維修。

然后，劃設(shè)了一個(gè)行人等待區(qū)，即壓力傳感器所占的區(qū)域。這樣既避免了一些危險(xiǎn)因素（如：行人在路口等待紅綠燈時(shí)隨意站阻礙正常的交通，同時(shí)可能造成交通事故），又方便統(tǒng)計(jì)人數(shù)，人們都站在行人等待區(qū)內(nèi)就能大大減小人數(shù)統(tǒng)計(jì)的誤差。

通過一定的擴(kuò)展本文的研究可以應(yīng)用到實(shí)際道路上。我認(rèn)為可以在以下幾個(gè)方面做一些改進(jìn)：

（1）改進(jìn)對紅外傳感器人數(shù)統(tǒng)計(jì)部分的程序設(shè)計(jì)。

（2）對紅綠燈控制部分加以改進(jìn)。

（3）采用新型安裝方式，達(dá)到既方便維修又可以減小危險(xiǎn)系數(shù)的效果。

（4）采用新型材料，提高其耐久度。