韓旭東 韓樂樂 林邦演 蔡瑞紅 王淇任 鄺川明

廣州城市理工學(xué)院 廣東省廣州市 510800

科學(xué)發(fā)展促使著人們生活水平的提高，也使得私家汽車成為習(xí)以為常的代步工具，隨著人們汽車持有量日益提高，相應(yīng)的導(dǎo)致交通壓力也日益增長，大量的汽車在交通道路上行駛所帶來的交通擁堵問題也日益突顯，并且由于每時(shí)每刻交通路口上各個(gè)方向的車數(shù)量是實(shí)時(shí)變化的，很多時(shí)候會(huì)出現(xiàn)這樣一種情況，在十字路口上某個(gè)路口車輛會(huì)很多而某個(gè)路口的車輛又很少，而路口的交通信號(hào)燈通行時(shí)長都是固定的，不論這個(gè)路口車流量多少，都是按照程序運(yùn)行。這就必然會(huì)導(dǎo)致道路通行的效率變低，特別是在上班和下班的時(shí)段，如果堵塞嚴(yán)重還會(huì)影響城市的交通網(wǎng)絡(luò)。所以提高路口的通行效率的需求逐漸增長。目前很多專業(yè)人士已經(jīng)對(duì)智能交通燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，但是目前絕大部分研究在統(tǒng)計(jì)車流量時(shí)都是采用紅外技術(shù)模塊來對(duì)通過的車輛進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的。這樣的方法是會(huì)有部分誤差的，因?yàn)闇y量點(diǎn)與停止線有一段距離，所以這種理論統(tǒng)計(jì)的車流量方法不能實(shí)時(shí)得到真正處于路口等待的車數(shù)目。所以設(shè)計(jì)一款可以實(shí)時(shí)對(duì)等待車輛進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)數(shù)然后再使用擁有特殊算法及其控制能力的智能交通燈對(duì)各個(gè)道路的紅綠燈等待或者通行的時(shí)長進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控，這樣的智能交通燈控制系統(tǒng)才是未來所需，我們的研究就是基于這樣的想法進(jìn)行智能交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這不僅僅是我們的想法也是對(duì)于交通管控以及優(yōu)化城市交通網(wǎng)絡(luò)勢(shì)在必行的必然結(jié)果。

研究智能交通系統(tǒng)首先需要對(duì)智能交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初步了解，還需要知道紅綠燈的運(yùn)行邏輯。在了解了以上內(nèi)容之后，首先我們需要從根本上出發(fā)，智能交通系統(tǒng)的本質(zhì)是一種可以緩解交通壓力、使十字路口通行效率最大化的智能交通系統(tǒng)。

最早的智能交通系統(tǒng)起源于美國，21世紀(jì)初美國即設(shè)計(jì)出了許多關(guān)于ITS的發(fā)展方案。許多年的發(fā)展之后，美國的智能交通控制率已大于85%，大大領(lǐng)先于世界上其他國家。

歐洲與日本限于領(lǐng)土面積的有限的問題，人口密度大、汽車普及率高、汽車密度大的情況導(dǎo)致其交通壓力甚大，因此智能紅綠燈系統(tǒng)亦應(yīng)運(yùn)而生的較早。目前，歐洲各國已計(jì)劃通過對(duì)不同國之間現(xiàn)有的信息系統(tǒng)和通信設(shè)備的繼承，融合各個(gè)國家的道路交通基礎(chǔ)措施，從而實(shí)現(xiàn)了歐洲國家的智能交通互聯(lián)。其他國家的智能交通也在這個(gè)時(shí)間段逐漸噴涌出來，關(guān)于這方面的研究，目前已經(jīng)得到一些初步的方案，我們的研究也是正式從這些方案中得到的啟發(fā)的。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 紅外檢測裝置

通過對(duì)紅外障礙探測技術(shù)對(duì)正在等待紅燈的汽車數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)，將紅外對(duì)管安裝在道路中央，如圖1所示。將紅外對(duì)管安裝在道路中央，其內(nèi)部如圖1所示。紅外對(duì)管用紅外光識(shí)別道路上是否有汽車，如果道路上有汽車停留那么紅外對(duì)管發(fā)射的信號(hào)反射信號(hào)就會(huì)被接收，用這種方法可以檢測是否有汽車等待紅綠燈。圖2左方是單行的車道，圖中的球代表安裝紅外對(duì)管的地方，在各個(gè)車道上安裝紅外對(duì)管，同時(shí)相鄰紅外對(duì)管之間保持一個(gè)車位，以確保車輛被紅外對(duì)管準(zhǔn)確識(shí)別到。

圖1 紅外對(duì)管安裝在道路中央示意圖

1.2 模塊的工作流程

通過檢測四個(gè)路口實(shí)時(shí)車輛，把檢測到的各個(gè)路口車輛等待數(shù)計(jì)入單片機(jī)進(jìn)行算法分析，然后對(duì)于各個(gè)路口的車輛數(shù)進(jìn)行紅綠燈的時(shí)間分配。車輛數(shù)量較多的路口所需分配的通行時(shí)間更長，但是這個(gè)更多的時(shí)間也需要控制，不能無限制的給予車輛等待數(shù)最多的路口通行太久。所以需要特定的算法以及對(duì)人們進(jìn)行實(shí)際的調(diào)研進(jìn)行合理的時(shí)間分配。

1.3 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)

采用單片機(jī)為系統(tǒng)的應(yīng)用裝置，以單片機(jī)為控制系統(tǒng)對(duì)智能紅綠燈系統(tǒng)進(jìn)行分析控制。采用STM32的高性能芯片進(jìn)行檢測控制，使得智能交通燈系統(tǒng)運(yùn)行的更為流暢。

如圖2所示，采取Proteus軟件進(jìn)行單片機(jī)的硬件電路設(shè)計(jì)，電源回路部分，首先讓單片機(jī)vcc引腳連接電源，vss接地，運(yùn)用單片機(jī)時(shí)鐘電路會(huì)發(fā)出脈沖信號(hào)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部計(jì)時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)，其中單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘電路由管腳 XTAL2 以及管腳 XTAL1引出，然后與外圍電路鏈接，芯片選取晶振頻率為12 MHz。從頭開始編輯設(shè)計(jì)電路系統(tǒng)需要先完成撫慰電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)。復(fù)位電路的設(shè)計(jì)：復(fù)位電路由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 單片機(jī)的硬件電路

1.4 智能交通燈控制系統(tǒng)

智能交通燈控制系統(tǒng)主要由道路各個(gè)方向的紅綠燈以及各個(gè)紅綠燈的電源組成，由此來模擬十字路口的信號(hào)燈，以圖3所示，D6東西向綠燈，D5東西向黃燈引腳標(biāo)簽，D4代表東西向綠燈引腳標(biāo)簽，同理其他方位的標(biāo)簽代表著各個(gè)方向的紅綠燈，這兩組標(biāo)簽對(duì)應(yīng)單片機(jī)PB口的6個(gè)引腳，可以通過改變PB的對(duì)LED燈進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

圖3 智能交通燈模擬示意圖

1.5 時(shí)間顯示模塊

現(xiàn)實(shí)里真實(shí)的道路系統(tǒng)需要有倒計(jì)時(shí)顯示才能讓駕駛員知道自己需要等待的時(shí)長，所以設(shè)計(jì)一個(gè)倒計(jì)時(shí)顯示電路用來顯示所需等待的時(shí)長，用數(shù)字顯示芯片74HC595連接電阻及其數(shù)碼管作為等待時(shí)長顯示屏，數(shù)碼管的段控端連接總線，數(shù)碼管A-G引腳分別對(duì)應(yīng)單片機(jī)上的PA0-PA7引腳和排阻構(gòu)成的電路使單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)碼管的段控。數(shù)碼管的位選端通過芯片74HC595的引腳與單片機(jī)的 PB口連接，使單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)碼管的位控。

1.6 紅綠燈系統(tǒng)檢測

紅綠燈系統(tǒng)檢測方法：首先讓東西方向的紅綠燈綠燈一定時(shí)間，南北方向紅綠燈紅燈一定時(shí)間。測試結(jié)果以東西方向?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行多次測試然后每一次都以上一次測試結(jié)果為基礎(chǔ)。第一次測試，東西方向通過20輛車，東西通行變?yōu)?0秒，南北紅燈35秒；第二次測試再改變數(shù)據(jù)改變成東西向通過25輛車，東西通行36秒，南北等待40秒；再進(jìn)行新的測試，東西向道路只放置個(gè)位數(shù)的汽車等待，東西通行25秒，南北等待30秒；第四次測試，東西向通過10輛車，東西通行20秒，南北等待25秒。以此進(jìn)行的測試結(jié)果可以一定程度的對(duì)紅綠燈系統(tǒng)進(jìn)行檢測，可以判斷系統(tǒng)是否可根據(jù)車流量智能調(diào)節(jié)交通燈各個(gè)方向道路的紅綠燈時(shí)長。

1.7 硬件電路總體設(shè)計(jì)

硬件電路總體設(shè)計(jì)由四部分構(gòu)成：控制芯片、模擬交通燈、按鍵和顯示屏組成?？傮w系統(tǒng)由STM32單片機(jī)對(duì)模擬的交通燈進(jìn)行控制模擬，各個(gè)方向的等待時(shí)間顯示在各個(gè)方向的顯示屏上。目的是方便實(shí)際實(shí)驗(yàn)和調(diào)試。具體硬件設(shè)計(jì)如下所示。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 主程序流程圖

首先對(duì)各個(gè)元器件和系統(tǒng)進(jìn)行初始化，主程序運(yùn)行流程如圖四控制東西的LED燈使其變綠，南北的LED燈變紅，進(jìn)入圖五計(jì)時(shí)器子程序，并且給P0和P2輸入十位與個(gè)位的數(shù)字型碼，接下來進(jìn)行按鍵掃描，對(duì)需要的按鍵進(jìn)行配置，按鍵消抖等一系列對(duì)按鍵初始化的過程，有按鍵按下這里沒有給確切的按鍵，以便于后期的設(shè)置與改動(dòng)，假設(shè)這里所觸發(fā)的按鍵為KEY0，按鍵初始化狀態(tài)時(shí)為低電平，按一次按鍵狀態(tài)轉(zhuǎn)為高電平，所以當(dāng)KEY0=1時(shí)進(jìn)入YES判斷環(huán)節(jié)，環(huán)節(jié)調(diào)用鍵盤（按鍵）子程序如圖六，KEY0=0時(shí)進(jìn)入NO判斷環(huán)節(jié)，再次控制東西的LED燈使其變綠，南北的LED燈變紅，同時(shí)讓黃燈閃爍（這里的黃燈閃爍可以看做即將跳入紅燈時(shí)的黃燈閃爍，也不完全是同時(shí)閃爍），顯示子程序和前面提到的一樣，是將數(shù)字型碼輸入到對(duì)應(yīng)的共陽極的2位數(shù)碼管上以實(shí)現(xiàn)精確的計(jì)時(shí)，再次跳入鍵盤掃描，緊接著跳入條件判斷，這時(shí)沒有else語句，

只是滿足KEY0=1時(shí)，直接調(diào)用鍵盤子程序（按鍵子程序），接著就是順序執(zhí)行，控制東西的LED燈變紅，南北的LED燈變綠，末尾加上return，放回主函數(shù)初始位置，及完成了本次程序的運(yùn)行。如果要進(jìn)行計(jì)時(shí)器中斷，則進(jìn)行中斷子程序流程如圖7。

圖4 主程序框圖

圖5 計(jì)時(shí)器子程序流程圖

圖7 計(jì)時(shí)器中斷子程序流程圖

3 結(jié)語

圖6 按鍵子程序流程圖

智能交通燈的作用簡言之就是將各個(gè)不同領(lǐng)域的知識(shí)結(jié)合起來從而加強(qiáng)車輛與道路的關(guān)系，使三者之間聯(lián)系，運(yùn)用信息技術(shù)、電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)等公路運(yùn)輸系統(tǒng)從而建立起快捷方便安全、準(zhǔn)確、高效的城市交通系統(tǒng)，這就是智能交通燈所研究的最終目的。