朱浩宇ZHU Hao-yu；湯金龍TANG Jin-long；劉大誠LⅠU Da-cheng

（江蘇電子信息職業(yè)學(xué)院，淮安 223003）

0 引言

信號燈是交通控制信號的重要組成部分，城市交管部門在面臨城市交通擁擠以及改善城市道路使用率等問題時(shí)，首選采用設(shè)置或者安裝交通信號燈這一有效手段進(jìn)行解決[1]，因此交通信號燈的控制是否科學(xué)成為直接影響城市交通系統(tǒng)能否良好運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。

目前，大多數(shù)城市的交通信號燈系統(tǒng)采用的是固定配時(shí)的控制方式，配時(shí)方案已經(jīng)無法滿足逐漸增長的交通需求，往往與實(shí)際的交通流量不適應(yīng)，現(xiàn)有的交通路網(wǎng)沒有辦法發(fā)揮最大的效率[2]；并且特殊情況下不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制和及時(shí)處理。各個(gè)城市尤其大城市越來越多的遇到交通擁堵和事故多發(fā)的難題，特別是各交叉路口，更成為城市交通中通行的短板和事故頻發(fā)的來源。

本文設(shè)計(jì)的智能交通信號燈控制系統(tǒng)，通過對交叉路口的交通流的檢測，實(shí)現(xiàn)交通信號燈的動(dòng)態(tài)配時(shí)，比傳統(tǒng)的固定配時(shí)控制方式更加科學(xué)，能有效減少車輛排隊(duì)長度和等待時(shí)間，有效促進(jìn)城市道路交通暢行，是實(shí)現(xiàn)智能交通的重要組成部分，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和社會(huì)意義[3]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)前城市交通信號燈系統(tǒng)主要存在以下問題：

①上下班高峰期和非高峰期時(shí)，都會(huì)出現(xiàn)主干車道車流量較大，而次干道方向的車輛相對較少，但由于路口的通行時(shí)間固定，這樣就容易出現(xiàn)空放和打結(jié)現(xiàn)象。

②當(dāng)有消防車、救護(hù)車、警車等特殊車輛通行時(shí)，交通信號燈無法及時(shí)改變信號指示，使得交叉路口由于堵塞無法及時(shí)通行。當(dāng)路口發(fā)生突發(fā)緊急狀況時(shí)，不能人為地控制交通，甚至可能引起二次事故的發(fā)生[4]。

本文設(shè)計(jì)的智能交通信號燈系統(tǒng)除了具有交通燈控制的基本功能外，針對以上缺點(diǎn)，具備了以下功能：

①具有動(dòng)態(tài)配時(shí)功能。根據(jù)通車流量檢測，實(shí)時(shí)優(yōu)化信號綠燈時(shí)長，減少車輛擁堵狀況。

②具有臨時(shí)控制和緊急模式功能。當(dāng)有消防車等特殊車輛通行時(shí)，采用紅外遙控智能控制信號燈的變換；當(dāng)交叉路口發(fā)生特殊情況時(shí)，通過緊急模式按鍵可以人為臨時(shí)干預(yù)交通，有效減少二次事故的發(fā)生概率。

智能交通信號燈系統(tǒng)以單片機(jī)控制為核心，由電源模塊、控制模塊、車流量檢測模塊、紅外遙控模塊、按鍵控制模塊、顯示模塊等幾個(gè)功能模塊組成，顯示模塊分為交通信號燈顯示和倒計(jì)時(shí)時(shí)間顯示，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 整體設(shè)計(jì)方案

1.1 硬件設(shè)計(jì)

以單片機(jī)AT89S52 為控制核心，硬件主要由電源電路、控制電路、紅外傳感器、按鍵電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、顯示電路等組成。

紅外通信是在發(fā)送端將基帶二進(jìn)制信號調(diào)制為一系列的脈沖串信號（載波信號），通過紅外發(fā)射管發(fā)射紅外信號。常用的信號調(diào)制有脈寬調(diào)制和脈時(shí)調(diào)制兩種方法，本設(shè)計(jì)采用脈時(shí)調(diào)制方法。紅處線發(fā)射和接收控制電路均采用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，發(fā)射時(shí)將從串行發(fā)射口送出的數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)部調(diào)制，送出后經(jīng)紅外發(fā)射二極管發(fā)射出去，發(fā)射距離可達(dá)10 米。接收時(shí)采用與發(fā)射部分配套的紅外接收頭，將發(fā)射出的數(shù)據(jù)接收后送到串行口中，再由系統(tǒng)進(jìn)行確認(rèn)接收數(shù)據(jù)是否與發(fā)送數(shù)據(jù)是否相符，相符則開鎖并以發(fā)光二極管點(diǎn)亮顯示，不相符則放棄并以發(fā)光二極管滅顯示。

本系統(tǒng)采用紅外傳感技術(shù)檢測實(shí)時(shí)的車流量，統(tǒng)計(jì)排隊(duì)等待紅燈的車輛數(shù)量。每當(dāng)輛車經(jīng)過時(shí)，傳感器就會(huì)輸出一個(gè)信號給控制電路，單片機(jī)系統(tǒng)計(jì)數(shù)一次，以此類推，這樣就完成了對車流量的統(tǒng)計(jì)；依據(jù)上個(gè)時(shí)段內(nèi)東西和南北兩個(gè)方向統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對比，動(dòng)態(tài)調(diào)整下個(gè)時(shí)段綠燈的時(shí)長，實(shí)現(xiàn)路口通行時(shí)間與等待紅燈車輛數(shù)目的動(dòng)態(tài)匹配，有效提高車輛通行效率。

LED 燈作為交通控制信號燈，東南西北四個(gè)方向分別設(shè)置紅、綠、黃三種信號燈來模擬十字路口的信號燈。數(shù)碼管顯示信號燈的倒計(jì)時(shí)，實(shí)現(xiàn)交通信號燈系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示。顯示通行時(shí)間選用二位數(shù)碼管，由單片機(jī)的I/O 口可以直接驅(qū)動(dòng)，用三極管鎖存。采用數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)掃描方式來處理，對于7 段數(shù)碼管，占用7 個(gè)單片機(jī)的I/O 口；另外設(shè)置2 個(gè)電子開關(guān)對2 位顯示進(jìn)行配合，占用2 個(gè)I/O端口；十字路口共需4 組紅綠燈，加上轉(zhuǎn)換黃燈，需要用12 個(gè)端口進(jìn)行控制；再加兩個(gè)方向的緊急模式按鍵，占2個(gè)I/O 端口和1 個(gè)蜂鳴器端口，因此實(shí)際占用的單片機(jī)I/O 口為24 個(gè)。

緊急模式按鍵用來設(shè)置交通燈的臨時(shí)狀態(tài)，當(dāng)路口發(fā)生特殊情況時(shí)，按下按鍵后可以實(shí)現(xiàn)東西南北四方向紅燈、單向紅燈（綠燈）等功能，達(dá)到車輛臨時(shí)所有方向禁止通行或單向放行目的。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件總體設(shè)計(jì)主要完成各個(gè)模塊的功能控制和信號處理，主程序主要完成系統(tǒng)的初始化和數(shù)據(jù)的發(fā)送，掃描按鍵信號，同時(shí)等待外部中斷信號，根據(jù)其它信號來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的指令操作。系統(tǒng)軟件主要是由車流量檢測程序、信號燈控制程序、倒計(jì)時(shí)顯示程序、外部中斷程序、按鍵信號處理程序等組成，形成一個(gè)集控制和處理為一體的閉環(huán)系統(tǒng)，如圖2 所示。

圖2 軟件設(shè)計(jì)方案

根據(jù)城市道路交通尤其交叉路口的情況，本文把交通信號燈程序控制分為兩類：

1.2.1 正常通行時(shí)程序

根據(jù)東西南北四個(gè)方向的交通擁擠情況對比，分別設(shè)置主干道和次干道的通行時(shí)間，對車輛、行人發(fā)出行進(jìn)或停止的信號燈指示，從而提高交叉路口的通行能力，保障道路暢通和安全。

東西和南北方向的綠燈不能同時(shí)亮，如果發(fā)生這種情況，則自動(dòng)立即關(guān)閉信號燈系統(tǒng)。系統(tǒng)開始工作后，首先南北方向（次干道）紅燈亮并維持30 秒；與此同時(shí)東西（主干道）綠燈亮25 秒，然后東西綠燈熄滅；之后東西黃燈亮并維持5 秒后熄滅，然后東西紅燈亮，同時(shí)南北紅燈熄滅綠燈亮；東西紅燈亮并維持20 秒，與此同時(shí)南北綠燈亮并維持15 秒；然后南北綠燈熄滅，南北黃燈亮維持5 秒后熄滅；同時(shí)南北紅燈亮，東西綠燈亮。至此，完成一個(gè)工作循環(huán)，如表1 所示。

表1 交通信號燈變化表

1.2.2 緊急情況時(shí)程序

通過紅外遙控信號實(shí)現(xiàn)交通信號燈的控制，以便于消防車、救護(hù)車等特殊車輛緊急通行。特殊情況發(fā)生時(shí)，暫時(shí)中斷正常通行程序，可以實(shí)現(xiàn)四個(gè)方向的臨時(shí)黃燈；如果特殊車輛通行方向?yàn)榧t燈，通過紅外遙控可以啟動(dòng)緊急程序，強(qiáng)制性使車輛行駛方向綠燈亮而其他方向紅燈亮，確保特殊車輛的安全快速通過。當(dāng)緊急情況結(jié)束后，繼續(xù)執(zhí)行正常通行時(shí)的程序。

2 仿真與實(shí)現(xiàn)

利用Proteus 軟件繪制仿真電路圖[5]（圖3），將編寫的程序?qū)氲絾纹瑱C(jī)中進(jìn)行仿真調(diào)試；經(jīng)過模塊單體調(diào)試和總體調(diào)試后，制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)（圖4）。經(jīng)測試，各項(xiàng)數(shù)據(jù)符合設(shè)計(jì)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)交通信號燈的智能控制，達(dá)到了預(yù)期的功能。

圖3 仿真電路圖

圖4 樣機(jī)實(shí)物

①利用紅外傳感器實(shí)時(shí)檢測車流量的大小動(dòng)態(tài)調(diào)整倒計(jì)時(shí)的時(shí)間。車流量統(tǒng)計(jì)的是過去一分鐘內(nèi)等待紅燈的車輛數(shù)目，讀取統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的時(shí)間為由綠燈變?yōu)辄S燈時(shí)，這樣可以保證使用該車道上等待紅燈車輛的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，默認(rèn)是當(dāng)某方向的等待紅燈車輛在20 到30 之間時(shí)該方向通行時(shí)間量增加10 秒，當(dāng)數(shù)量超過30 時(shí)增加20 秒。以此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)路口通行時(shí)長隨等待紅燈車輛數(shù)目的動(dòng)態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)交叉路口的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制，最終提高交叉路口的通行效率，緩解城市交通擁堵[6-7]。

②利用紅外遙控或按鍵實(shí)現(xiàn)特殊情況的臨時(shí)控制。通過接收特殊車輛上的紅外信號，控制交通信號燈的變換，以便于特殊車輛暢通。當(dāng)然前提是在智能交通信號燈系統(tǒng)和特殊車輛上均安裝有紅外遙控裝置。同時(shí)，發(fā)生緊急狀況時(shí)，通過緊急模式按鍵，可以人為臨時(shí)控制該方向或所有方向的信號燈變?yōu)榧t色，禁止該方向或所有方向車輛通行，有效防止發(fā)生二次事故。

近年來，各發(fā)達(dá)國家在大中城市建立智能交通控制系統(tǒng)，大力發(fā)展道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。相比較而言，我國城市道路交叉路口交通信號控制系統(tǒng)與實(shí)際交通管理有所差別。交通信號燈控制配時(shí)固定不變、緊急通行等特殊情況下信號燈不可靈活控制等問題，都導(dǎo)致交通管理效率偏低[8]，與人們對于安全暢通的交通出行需求不匹配，因此道路交通信號控制系統(tǒng)智能化發(fā)展勢在必行[9]；同時(shí)，研究和發(fā)展屬于我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)并能解決交通擁堵的智能交通信號燈系統(tǒng)確有必要，且具備經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)意義。

3 總結(jié)

隨著汽車保有量的快速增加，道路擁擠現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，針對城市交叉路口傳統(tǒng)交通信號燈固定燃亮?xí)r長的不足，本文設(shè)計(jì)了一款新型智能交通信號燈，它能根據(jù)道路車流量的實(shí)際情況，實(shí)時(shí)改變路口信號燈時(shí)長；并且能根據(jù)特殊情況實(shí)現(xiàn)臨時(shí)控制，可以最大程度地發(fā)揮城市道路的資源利用率，減少車輛的等待時(shí)間以節(jié)約能源，提高城市道路通行效率。