基于紅外監(jiān)測的車流量智能控制系統(tǒng)設(shè)計*

紀(jì)辛然

(山西大學(xué)商務(wù)學(xué)院,山西 太原 030031)

0 引言

交通信號燈可以保障車輛與行人順利暢通，隨著社會與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，它成為現(xiàn)代生活中不可或缺的一部分。據(jù)統(tǒng)計，一座城市的常住人口按兩千多萬人計算的話，每個人每天等紅燈的時間大約為86400 s，共需要20278億s。每個人出門恰巧碰到紅燈的概率大致為0.44%，平均每天369 s，約為6 min，乘以人均壽命72歲，進(jìn)而得出，一個正常人一生要在紅燈前等待超過127 d。常見的傳統(tǒng)交通信號燈主要通過固定時間來控制信號燈的亮滅，這種控制方式就是將信號燈按照設(shè)定好的定時方案來進(jìn)行工作，稱為周期控制。目前我國大多數(shù)城市依然采用傳統(tǒng)的定時交通信號燈控制模式，伴隨著城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的交通信號燈出現(xiàn)了很多缺陷：一是車輛在放行的時候，交叉路口經(jīng)常出現(xiàn)不同車流量主次干道通行時間相同，不能實現(xiàn)車輛最大通行率；二是當(dāng)一條干道上沒有車輛時，另一條干道車輛堆積嚴(yán)重，但如果現(xiàn)在正好是沒有車輛的這條干道的通行時間，造成了時間的浪費(fèi)，這樣就大大降低了整條道路的通過率；三是當(dāng)某一方向道路車流量非常大時，不能調(diào)整綠燈的時間來增加此方向的通行時間，從而造成這條干道的車輛不能有效通過，進(jìn)而造成車輛大規(guī)模堆積以及產(chǎn)生不必要的交通隱患。

我國對智能交通系統(tǒng)的研究開始于90年代初[1]。1990年前后，參照日本、美國等發(fā)達(dá)國家的先進(jìn)技術(shù)，開始在北上廣深等一線城市進(jìn)行智能化交通系統(tǒng)的實際布設(shè)。到了我國第十個五年規(guī)劃期間，取得了智能交通系統(tǒng)的技術(shù)突破，比如建立電子收費(fèi)管理系統(tǒng)，但與日美歐等發(fā)達(dá)國家相比，還存在不小的差距。到了第十二個五年規(guī)劃期間，我國增大了對智能交通領(lǐng)域的相關(guān)投資，從最初的15億元到后來總額千億的投資，增長幅度相當(dāng)可觀。通過行業(yè)的發(fā)展態(tài)勢可以預(yù)見，各大企業(yè)會投入大量資金進(jìn)行智能交通的研發(fā)、生產(chǎn)和普及，為今后智能交通行業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了相當(dāng)有利的條件。

本文設(shè)計了一種智能車流量控制系統(tǒng)，通過紅外傳感器監(jiān)測車流量，利用單片機(jī)調(diào)整信號燈指示時間，來實現(xiàn)城市交通車流量的最大通過率。這個智能交通信號燈系統(tǒng)具有成本低、安全可靠、實用性好、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，希望對未來交通安全能有一定的幫助。

1 總體設(shè)計

本設(shè)計中智能交通燈系統(tǒng)主要由監(jiān)測車輛模塊、數(shù)碼管倒計時模塊、交通燈控制模塊以及電源等部分組成[2]。其中紅外線傳感器的數(shù)據(jù)收集和單片機(jī)相對應(yīng)的處理模塊作為本系統(tǒng)的核心部分，采用AT89C51單片機(jī)為控制核心，來對整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。通過車輛監(jiān)測模塊進(jìn)行車輛信息監(jiān)測，產(chǎn)生相應(yīng)控制信息、控制倒計時顯示電路，從而提高交通燈的智能化，進(jìn)而又添加了多項附加功能來增加這個系統(tǒng)的實用性，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總框圖

2 硬件設(shè)計

2.1 傳感模塊設(shè)計

車輛監(jiān)測選用QT30CM對射式光電開光NPN三線常開型紅外線傳感器，是利用監(jiān)測物對光束的遮擋，通過同步回路監(jiān)測物體有無。光電開關(guān)把輸入電流在發(fā)送端上轉(zhuǎn)換成模擬信號發(fā)送給接收端，接收端根據(jù)信號的有無進(jìn)行判斷后，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出，該傳感器的信號輸出在沒有遮擋時輸出高電平，有遮擋時輸出低電平，符合系統(tǒng)的要求。

2.2 LED點(diǎn)陣顯示模塊

點(diǎn)陣LED的顯示主要是由各個發(fā)光二極管組成，和數(shù)碼管的工作原理相類似，但兩者的排列組成結(jié)構(gòu)不同，如圖2所示。點(diǎn)陣LED的顯示接口采用了靜態(tài)驅(qū)動和動態(tài)掃描驅(qū)動等驅(qū)動方式，在大面積漢字或圖形顯示的場合，通常采用點(diǎn)陣式LED顯示器，因為所需要的是顯示一個箭頭即可，所以不需要過多的發(fā)光二極管，硬件成本相對很低；而如果采用靜態(tài)驅(qū)動的方式，連線相對復(fù)雜，成本也相對偏高，因此通常采用的是動態(tài)掃描的驅(qū)動方式。

圖2 LED點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)圖

2.3 數(shù)碼管顯示模塊

數(shù)碼顯示模塊用來指示倒計時。倒計時由單片機(jī)I/O口通過反相器、數(shù)碼管的數(shù)據(jù)口和選通口直接相連，由于人眼的視覺暫留效應(yīng)，通過定時器進(jìn)行動態(tài)掃描，使數(shù)碼管顯示數(shù)字，后再根據(jù)車輛檢測系統(tǒng)檢測的數(shù)據(jù)來增加倒計時的時間，如圖3所示。

圖3 數(shù)碼顯示模塊

2.4 溫度監(jiān)測及萬年歷顯示模塊

在AT89C51單片機(jī)中，使用LCD1602顯示屏顯示溫度和日期(時間間隔為5 s)。溫度傳感器采用DBS18B20溫度傳感器，實時監(jiān)測天氣溫度狀況。并且本設(shè)計特意加入萬年歷，讓車輛行人在等紅綠燈之余，可以了解當(dāng)前溫度和時間。如圖4所示。

圖4 溫度監(jiān)測與萬年歷顯示模塊

3 軟件設(shè)計

3.1 理論分析與計算

假設(shè)一定條件：

1) 汽車為小型轎車，汽車長為5 m，寬為2.5 m。

2) 右轉(zhuǎn)車道不作考慮，只考慮左轉(zhuǎn)車道和直行。

3) 黃燈時間為常量，值為5 s。

4) 人行道所在的紅綠燈由左轉(zhuǎn)車道的紅綠燈所決定。

5) 紅燈初始時間為30 s(紅燈最低時間控制在30 s)，綠燈初始時間為25 s。

對于一個十字路口，單位時間通過的車輛數(shù)量越多，其交通狀況越優(yōu)良，用公式：車流量=車流/時間來表示。為了獲取相對真實的車流量數(shù)據(jù)，將在交通道口四個方向放置八對紅外線對射傳感器，如圖5所示。分別檢測四個方向的車流量，系統(tǒng)會檢測到兩個方向的車流量數(shù)據(jù),除以時間,那么就可以得到單位時間的車流量,然后比較兩個方向單位時間車流量多少,以確定下一次循環(huán)紅綠燈時間[3]。

圖5 交通路口傳感器布置圖

圖5中S系列代表傳感器，共有8組傳感器，S1、S2為一組傳感器，S3、S4為一組傳感器。因西和北路口傳感器發(fā)生的可能情況與東和南路口傳感器發(fā)生的可能情況類似，所以只考慮一個情況即可，本設(shè)計只分析西和北路口傳感器的情況，共計十六種可能發(fā)生的情況。因為根據(jù)相關(guān)規(guī)定西路口的紅燈時間便是北路口的綠燈時間(及通行時間)，所以只考慮四種情況，每當(dāng)傳感器被車遮擋之后(傳感器每隔一段時間工作)，綠燈時間自動往上加10 min，如表1所示。

表1 傳感器監(jiān)測情況表

3.2系統(tǒng)流程

系統(tǒng)流程如圖6所示。

圖6 紅外監(jiān)測車流量控制系統(tǒng)流程圖

4 結(jié)語

相比傳統(tǒng)交通燈，本文設(shè)計的紅外監(jiān)測車流量智能控制系統(tǒng)在AT89C51單片機(jī)的控制下，實現(xiàn)了智能化，可以通過實際情況改變交通燈的時間，來減少在這個車輛越來越多的時代中的擁堵情況，并且實現(xiàn)道路通過率的最大化，更加靈活多變。在根據(jù)車流量改變信號燈倒計時時間的基礎(chǔ)上，還增加了闖紅燈報警、溫度檢測、萬年歷以及緊急情況的中斷等附加功能，具有一定的實用性。