漆 顥，胡 敏，龔?fù)砹?/p>

（1.湖北中醫(yī)藥大學(xué)，湖北 武漢 430065；2.武漢大學(xué)，湖北 武漢 430072）

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們的生活水平日益提高，私家車也成為了家庭的必備品，但汽車數(shù)量的爆發(fā)式增長(zhǎng)，所帶來(lái)的交通擁堵問(wèn)題也日益突顯出來(lái)[1]，特別是一些城市道路，不同時(shí)段不同方向的車流量是處于變化的，而路口交通信號(hào)燈通行時(shí)長(zhǎng)都是預(yù)先設(shè)置好的，不論這個(gè)路口車流量多少，都是按照同一個(gè)數(shù)值運(yùn)行。這就必然會(huì)導(dǎo)致路口的通行效率很低，特別是在早晚高峰時(shí)段，可能會(huì)引發(fā)連鎖反應(yīng)，最終影響整個(gè)城市的交通網(wǎng)絡(luò)。因此，提高交叉路口的通行效率就顯得尤為重要[2]。國(guó)內(nèi)外已有關(guān)于智能交通控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在統(tǒng)計(jì)車流量時(shí)大都是采用紅外技術(shù)模塊對(duì)路過(guò)該測(cè)量點(diǎn)的車輛進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，然后傳入單片機(jī)控制系統(tǒng)中。由于測(cè)量點(diǎn)與停止線有一段距離，因此，這種統(tǒng)計(jì)車流量方法不能實(shí)時(shí)地得到真正處于等待的小車數(shù)目[3-5]。

本次設(shè)計(jì)的智能交通系統(tǒng)可依據(jù)路口等待紅燈的車輛數(shù)目對(duì)路口通行時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)合多個(gè)紅外傳感器，利用黃燈閃爍時(shí)刻反饋的參數(shù)對(duì)交通燈進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)十字路口的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制，最終提高十字路口的通行效率，緩解城市交通擁堵的問(wèn)題。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)是基于51單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，主要包括車流量統(tǒng)計(jì)模塊、交通燈控制模塊、時(shí)間顯示模塊[6-8]，如圖1所示。車流量統(tǒng)計(jì)模塊將等待紅燈車道上的小車數(shù)量傳送到單片機(jī)中，利用內(nèi)部算法程序?qū)⒌群蜍囕v數(shù)目轉(zhuǎn)換為即將亮起的綠燈通行時(shí)長(zhǎng)，同時(shí)在時(shí)間顯示模塊中利用數(shù)碼管顯示倒計(jì)時(shí)時(shí)間，以此循環(huán)。另外，讀取車輛數(shù)目的時(shí)機(jī)選在由綠燈變?yōu)辄S燈時(shí)，也就是倒計(jì)時(shí)還剩3 s時(shí)，這樣可以保證該車道上車輛的即時(shí)數(shù)據(jù)。

圖1 智能交通系統(tǒng)功能模塊

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 車流量統(tǒng)計(jì)模塊設(shè)計(jì)

車流量統(tǒng)計(jì)模塊的主要功能是統(tǒng)計(jì)等待紅燈的車的數(shù)量，其原理是紅外障礙探測(cè)技術(shù)[9-10]，將紅外對(duì)管安裝在道路中央，其內(nèi)部如圖2右邊所示。紅外對(duì)管發(fā)出紅外光，當(dāng)?shù)缆飞贤Ｓ衅嚂r(shí)，會(huì)反射信號(hào)并被接收，以此判斷是否有等待汽車[11]。圖2左邊是某個(gè)方向的行車道，紅色小球代表紅外對(duì)管安裝位置，相鄰兩個(gè)紅外對(duì)管的距離保持一個(gè)車距，保證一輛小車被一個(gè)紅外對(duì)管探測(cè)到，東南西北駛?cè)肼房诜较虻?條道路都按此方法安裝紅外設(shè)備。該模塊的工作流程如圖3所示。假設(shè)目前十字路口南北方向?yàn)榧t燈，東西方向綠燈，南北方向道路上的紅外對(duì)管實(shí)時(shí)探測(cè)等待紅燈車輛的數(shù)目，當(dāng)東西方向綠燈變成黃燈時(shí)，讀取并比較東西方向車輛數(shù)目，取2條車道中車輛數(shù)目最大的傳入單片機(jī)中，經(jīng)過(guò)內(nèi)部算法處理轉(zhuǎn)換為下個(gè)時(shí)段南北方向綠燈的時(shí)長(zhǎng)，倒計(jì)時(shí)結(jié)束，這時(shí)十字路口狀態(tài)就變成東西方向紅燈，南北方向綠燈。以此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)路口通行時(shí)長(zhǎng)隨等待紅燈車輛數(shù)目的動(dòng)態(tài)變化[12]。

2.2 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)

MCS-51單片機(jī)正常工作需要三個(gè)必要條件：電源、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路[13]。如圖4所示，利用Proteus軟件畫出單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)，單片機(jī)的40管腳VCC和20管腳VSS分別接電源和接地，在此圖中省略。作為單片機(jī)的核心部分的時(shí)鐘電路，其作用是為單片機(jī)內(nèi)部提供一個(gè)高穩(wěn)定性的時(shí)鐘脈沖信號(hào)，即為單片機(jī)的指令提供基準(zhǔn)脈沖信號(hào)，該電路由18管腳XTAL2和19管腳XTAL1引出與外接的晶振和電容構(gòu)成，選取晶振頻率為12 MHz。復(fù)位電路作用是使單片機(jī)從程序的第一條指令開始運(yùn)行，也就是使單片機(jī)內(nèi)部各個(gè)寄存器的值變?yōu)槌跏紶顟B(tài)，防止單片機(jī)在運(yùn)行中出現(xiàn)混亂情況，其電路由9管腳引出與電容、電源、按鈕和電阻構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位。

圖2 車道紅外對(duì)管布局圖

圖3 智能交通系統(tǒng)功能模塊

圖4 單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)

2.3 交通燈控制模塊設(shè)計(jì)

交通燈控制模塊主要由LED燈和電源組成[14]，東南西北每個(gè)方向分別放置一組紅黃綠來(lái)模擬十字路口的信號(hào)燈，如圖5所示，水平方向?yàn)闁|西向車道，EW-R代表東西向紅燈引腳標(biāo)簽，EW-Y代表東西向黃燈引腳標(biāo)簽，EW-G代表東西向綠燈引腳標(biāo)簽，同理SN-R，SN-Y和SN-G則表示南北方向引腳標(biāo)簽，這兩組標(biāo)簽對(duì)應(yīng)單片機(jī)P1口的6個(gè)引腳，可實(shí)現(xiàn)通過(guò)改變單片機(jī)P1的數(shù)值對(duì)LED燈進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

圖5 交通燈電路設(shè)計(jì)

2.4 時(shí)間顯示模塊

在交通信號(hào)燈系統(tǒng)中，倒計(jì)時(shí)時(shí)間的顯示也是十分必要的，其電路如圖6所示，利用數(shù)碼管、排阻、數(shù)字芯片74LS245構(gòu)成倒計(jì)時(shí)顯示電路[15]，兩個(gè)數(shù)碼管分別模擬東西向和南北向信號(hào)燈的倒計(jì)時(shí)顯示屏，數(shù)碼管的段控端由系統(tǒng)總線連接，對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽值從a～h，然后通過(guò)排阻引腳連接到單片機(jī)的P0口，而數(shù)碼管的位選端則是通過(guò)芯片74LS245的引腳與單片機(jī)的P2口連接，從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)數(shù)碼管的段控和位控。

圖6 倒計(jì)時(shí)顯示電路

3 軟件設(shè)計(jì)

首先對(duì)于各個(gè)元器件進(jìn)行初始化，然后編寫程序，其主程序流程如圖7所示。交通信號(hào)燈初始狀態(tài)位南北向紅燈，東西向綠燈，4個(gè)方向倒計(jì)時(shí)均顯示20 s，當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)進(jìn)入3 s時(shí)，南北向紅燈不變，東西向綠燈轉(zhuǎn)換為黃燈閃爍，提示車輛減速，即將進(jìn)入紅燈狀態(tài)，與此同時(shí)單片機(jī)讀取南北向等待紅燈的車輛數(shù)目，取其最大值N，并與參考值進(jìn)行比較，當(dāng)N<6時(shí)，T=20 s；當(dāng) 6≤N<10時(shí)，T=20+2(N-6) s；當(dāng)N≥10時(shí)，T=30 s。其中，T表示信號(hào)燈下一個(gè)狀態(tài)即南北向綠燈，東西向紅燈時(shí)倒計(jì)時(shí)的數(shù)值，當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)T=3時(shí)，則立即讀取東西方向兩車道上車輛的最大值，并計(jì)算出下一個(gè)狀態(tài)的T值，以此循環(huán)。

圖7 主程序流程

4 軟件調(diào)試與模型實(shí)現(xiàn)

利用Proteus軟件繪制仿真電路圖[16-17]，并用Keil軟件編寫程序?qū)氲絾纹瑱C(jī)中進(jìn)行仿真調(diào)試。仿真電路圖如圖8所示，其中等候紅燈的車輛數(shù)目用隨機(jī)函數(shù)rand（）進(jìn)行模擬。通過(guò)實(shí)際調(diào)試，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)將隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生的車輛數(shù)目實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為路口的通行時(shí)長(zhǎng)，并運(yùn)行正常。調(diào)試參數(shù)對(duì)比見表1所列。

圖8 交通燈系統(tǒng)仿真電路

實(shí)物制作利用開發(fā)板模擬交通信號(hào)燈，如圖9所示。取6個(gè)流水燈分別表示南北方向和東西方向的紅綠燈，此時(shí)流水燈LED1表示南北方向紅燈，LED7表示東西向綠燈，數(shù)碼管模擬倒計(jì)時(shí)模塊。

表1 調(diào)試參數(shù)對(duì)比

圖9 交通燈系統(tǒng)開發(fā)板模型

5 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹一種以單片機(jī)為核心的智能交通燈的設(shè)計(jì)方法。采用紅外對(duì)管傳感器采集等待紅燈車輛數(shù)目，傳送至單片機(jī)中轉(zhuǎn)換為下一狀態(tài)通行時(shí)長(zhǎng)，并導(dǎo)入到交通燈控制模塊中。通過(guò)實(shí)踐表明，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以當(dāng)前路口的車流量來(lái)自動(dòng)調(diào)整信號(hào)燈的通行時(shí)間的功能。