摘要：針對路口擁堵、道路通行效率較低的問題，文章提出并設(shè)計(jì)了基于車流感知的新能源交通燈智能控制系統(tǒng)，利用車流量監(jiān)測傳感器的信息融合與處理、雙電源自動切換等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)交通燈交替時長隨車流量動態(tài)調(diào)整。首先，對新能源智能交通燈控制系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，采用AT89S52單片機(jī)作為控制核心以及常規(guī)電源、光儲雙路電源供電；其次，設(shè)計(jì)硬件電路，將單片機(jī)作為核心，構(gòu)建集車流量收集、自動控制、信息處理、雙電源自動切換的閉環(huán)控制系統(tǒng)。然后，設(shè)計(jì)軟件程序，并對智能交通燈控制系統(tǒng)進(jìn)行測試。最后，通過Proteus軟件仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，文章設(shè)計(jì)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了交通燈交替變換時間隨車流量信息進(jìn)行動態(tài)調(diào)整的功能，提高了路口通行效率，且在交通燈常規(guī)電源失電時，自動切換為光儲電源供電，保障了交通燈的正常工作。

關(guān)鍵詞：智能交通燈；車流感知；光儲電源；動態(tài)調(diào)整

中圖分類號：TN98文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，汽車的普及率及保有量急劇增加，極大地改善了通行條件，但是由此引發(fā)的交通擁堵問題也日益突顯［1-3］。近年來，為打造“交通強(qiáng)國”建設(shè)目標(biāo)，我國不斷出臺相關(guān)政策，助力智慧交通的建設(shè)，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為主線，不斷推動交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字轉(zhuǎn)型、智能升級，助力交通更加高效、便捷［4-5］。

在城市交通道路中，交叉路口是國內(nèi)外最易發(fā)生交通擁堵和交通事故的地點(diǎn)，是誘發(fā)道路擁堵甚至影響城市交通網(wǎng)的重要因素。交通信號燈是保障道路交通有序順暢的重要技術(shù)措施，自應(yīng)用以來，其有效地疏導(dǎo)了交通，保障了車輛的有序通行，現(xiàn)已成為交通管理中至關(guān)重要的技術(shù)措施［6-8］。當(dāng)前，大多數(shù)交通燈的切換時間是預(yù)先設(shè)定的，即無論車流量的多少，交通燈交替切換時間是預(yù)先設(shè)定、固定不變的，這就容易出現(xiàn)“綠燈時間過長而沒有車輛通行”或者“綠燈時間過短而車輛不能通過路口”的現(xiàn)象，前者影響了交叉路口的通行效率，交通基礎(chǔ)設(shè)施得不到充分的利用；后者會因?yàn)檐囕v積壓，易造成交叉路口車輛堵塞，甚至?xí)驗(yàn)檫B鎖反應(yīng)影響到整個路段乃至整個誠實(shí)的通行效率。此外，當(dāng)供電電源因突發(fā)故障或者臨時檢修時，交通信號燈失電更容易造成交叉路口通行的無序及堵塞。

為此，本文提出并設(shè)計(jì)了基于車流感知的新能源交通燈控制系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)有紅綠燈的基本功能，還增加了車流量監(jiān)測傳感器，可以根據(jù)車流量信息動態(tài)調(diào)整交通燈交替時間；該系統(tǒng)將光儲新能源作為交通燈控制系統(tǒng)的第二電源，憑借雙電源自動切換技術(shù)實(shí)現(xiàn)秒級切換，具備緩解道路擁堵、提高道路通行效率和交通基礎(chǔ)設(shè)施利用率以及促進(jìn)社會節(jié)能減排等現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)整體方案

智能交通燈控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)主要由主控制器（MCU）、電源模塊、車流量監(jiān)測模塊、LED交通燈模塊以及倒計(jì)時顯示模塊5個關(guān)鍵模塊組成，其中主控制器采用AT89S52單片機(jī)，通過車流量監(jiān)測傳感器實(shí)時采集道路上的車輛信息，經(jīng)同相對側(cè)信息融合處理后，實(shí)時傳至主控制器，再由主控制器經(jīng)過運(yùn)算處理，發(fā)出指令從而改變交通燈所分配的時間，使得交通燈的交替變化時間與道路車流量相匹配。電源模塊采用常規(guī)電源與光儲雙路電源，實(shí)現(xiàn)秒級自動切換，保證交通燈的可靠電力供應(yīng)。該系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

本文采用先左轉(zhuǎn)、再直行的邏輯順序，主控制器通過判斷最大通行時間與車流量傳感器實(shí)時信息，在10s至60s范圍內(nèi)動態(tài)調(diào)整交通燈通行時間，確保實(shí)現(xiàn)最大通行效率。交通燈控制系統(tǒng)工作邏輯如圖2所示，假設(shè)當(dāng)前該路口的東西方向左轉(zhuǎn)為綠燈，其余方向?yàn)榧t燈，東西左轉(zhuǎn)方向的紅外光電反射傳感器進(jìn)行工作，實(shí)時監(jiān)測通行車輛，經(jīng)過內(nèi)部算法計(jì)算處理，控制通行時間。若在最大通行時間范圍內(nèi)判斷無車輛通行，則進(jìn)行倒計(jì)時顯示，倒計(jì)時結(jié)束后轉(zhuǎn)換為下一通行狀態(tài)；反之，若到了最大通行時間仍有車輛通行，為兼顧其他方向的車輛通行，交通燈直接進(jìn)入倒計(jì)時，倒計(jì)時結(jié)束后轉(zhuǎn)換為下一通行狀態(tài)。以此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)路口通行時長隨通行車輛數(shù)目的動態(tài)調(diào)整。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該智能控制系統(tǒng)硬件部分主要由AT89S52單片機(jī)、交通燈模塊、數(shù)碼管顯示模塊、車流量監(jiān)測模塊、電源模塊等部分組成。

2.1 主控制器

本系統(tǒng)使用AT89S52單片機(jī)作為核心控制模塊。AT89S52是一個高性能CMOS 8位微控制器，該芯片包含8k bytes ROM和256 bytes的RAM，AT89S52單片機(jī)在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用［9-11］。

2.2 交通燈模塊

本系統(tǒng)采用LED燈作為交通控制信號燈源，因?yàn)長ED照明燈具有亮度高、功耗小、壽命長、不發(fā)熱等優(yōu)越性能［12］?？刂葡到y(tǒng)共有24個LED燈，每個路口各有兩個紅、黃、綠LED燈，分別表示左轉(zhuǎn)以及直行方向的禁行、警示和通行信號。東西方向?qū)?cè)同色的LED燈共用一個單片機(jī)I/O口，南北方向相同，LED燈采用共陽極接線，陰極分別接到AT89S52單片機(jī)的P1口以及P3口的高四位，共12個I/O口。交通燈模塊原理如圖3所示。

2.3 數(shù)碼管顯示模塊

在交通燈控制系統(tǒng)中，倒計(jì)時對于駕駛員的提醒是十分必要的，本系統(tǒng)采用4個二位共陽極數(shù)碼管［12-13］，負(fù)責(zé)東南西北4個方向交通燈的倒計(jì)時顯示。數(shù)碼管的陰極（段選端）接到P2口，陽極（位選端）接到74HC573芯片上，通過P0口低四位控制74HC573芯片，起到驅(qū)動放大作用，從而實(shí)現(xiàn)主控制器對數(shù)碼管的段控和位控。數(shù)碼管模塊原理如圖4所示。

2.4 數(shù)碼管顯示模塊

車流量監(jiān)測模塊的主要功能是實(shí)時監(jiān)測車輛信息，作為微控制器的輸入信號。目前，車流量監(jiān)測可采用磁感應(yīng)、紅外、超聲波、視頻等技術(shù)，本系統(tǒng)采用了紅外監(jiān)測技術(shù)，其原理是紅外障礙物探測技術(shù)，由紅外光電反射傳感器構(gòu)成車流量監(jiān)測電路，將紅外光電對管安裝在車道中央，如圖5所示。東西南北駛?cè)肼房诜较虻?個車道分別安裝了紅外光電設(shè)備，工作時，紅外光電對管發(fā)出紅外光，當(dāng)?shù)缆飞嫌衅嚂r，會反射信號并被接收，以此判斷是否有車輛通行［14］。

2.5 電源模塊

本系統(tǒng)采用雙電源互補(bǔ)供電模式，在常規(guī)電源供電的基礎(chǔ)上，增加了光伏儲能新能源作為第二電源［15-16］，圖6所示為雙電源切換電路。在正常使用情況下，光儲電源可作為常規(guī)電源的補(bǔ)充；在常規(guī)電源檢修或故障時，可作為應(yīng)急電源使用，保證電源異常情況下交通燈的正常工作。兩種電源的合力搭配使用，既有利于推廣利用新能源、推動社會節(jié)能減排，又最大限度地避免了交通燈因常規(guī)電源異常而導(dǎo)致的交通擁堵現(xiàn)象，提高交叉路口通行效率。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

交通燈控制系統(tǒng)軟件核心邏輯是在最大設(shè)定通行時間范圍內(nèi)，讀取路口兩側(cè)車流量監(jiān)測數(shù)據(jù)，直至判斷兩側(cè)均無車輛時，進(jìn)行倒計(jì)時并在結(jié)束后切換為下一狀態(tài)。系統(tǒng)程序流程如圖7所示。

交通燈初始狀態(tài)為東西方向左轉(zhuǎn)為綠燈，其余均為紅燈，若設(shè)定最大通行時間為60s，最短時間為10s，綠燈最后10s啟動倒計(jì)時顯示模塊，交通燈控制系統(tǒng)一旦進(jìn)入倒計(jì)時狀態(tài)，控制系統(tǒng)自動屏蔽車輛監(jiān)測信息，倒計(jì)時結(jié)束后自動切換為下一個通行狀態(tài)。以東西方向左轉(zhuǎn)為例，首先對各個模塊進(jìn)行初始化，具體實(shí)施方式為東西方向左轉(zhuǎn)綠燈開始亮?xí)r，主控制器定時器開始工作，執(zhí)行T++運(yùn)算，判斷T是否大于Tmax（50），如果T大于50，則直接執(zhí)行倒計(jì)時顯示功能，倒計(jì)時結(jié)束后切換為下一個通行狀態(tài)。反之，T小于50，執(zhí)行T++運(yùn)算，并讀取東西方向左轉(zhuǎn)兩側(cè)車流量監(jiān)測數(shù)據(jù)，如果兩側(cè)數(shù)據(jù)顯示均沒有車輛，則執(zhí)行倒計(jì)時顯示功能，倒計(jì)時結(jié)束后切換為下一個通行狀態(tài)；如果任一側(cè)有車輛，則進(jìn)行循環(huán)判斷。依據(jù)上述工作原理，控制系統(tǒng)在東西方向左轉(zhuǎn)、直行、南北方向左轉(zhuǎn)、直行4個狀態(tài)依次往復(fù)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)了利用車輛感知信息，自動調(diào)節(jié)交通燈通行、禁止時間的功能，實(shí)現(xiàn)了路口通行效率的最大化。

4 Proteus仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證

利用Proteus軟件繪制出仿真電路圖，并用Keil軟件編寫程序，進(jìn)行Proteus與Keil仿真聯(lián)調(diào)，通過仿真聯(lián)調(diào)后，搭建出控制系統(tǒng)實(shí)物，如圖8所示。

為便于進(jìn)行試驗(yàn)，首先對不同數(shù)量的車輛通過交叉路口時的通行時長進(jìn)行分析，調(diào)研及調(diào)試結(jié)果如表1所示。

為了測試系統(tǒng)功能，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了多次實(shí)物仿真模擬，將固定時長交通燈切換時間設(shè)定為30s。

第一次試驗(yàn)時，假設(shè)東西方向左轉(zhuǎn)有4輛車，東西方向直行有4輛車，南北方向左轉(zhuǎn)有3輛車，南北方向直行有5輛，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

此種場景下，若路口采用本系統(tǒng)，16輛車均通過該路口需要用時78s；若采用現(xiàn)有系統(tǒng)，16輛車均通過該路口需要用時120s，通行效率提升了53.85%。

第二次試驗(yàn)時，假設(shè)東西方向左轉(zhuǎn)有1輛車，東西方向直行有15輛車，南北方向左轉(zhuǎn)和直行各有1輛車，試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

此種場景下，本系統(tǒng)用時65s保證了17輛車一次性通過該路口，而現(xiàn)有系統(tǒng)用時120s， 僅能通過12輛車，其中，東西方向有10輛車通過，仍有5輛車未通過，若東西方向直行來車更多，會因?yàn)檫B鎖反應(yīng)造成該路口交通擁堵。僅從通過車輛的數(shù)量以及時間進(jìn)行分析計(jì)算可知，本系統(tǒng)通行效率提升了161.54%。

第三次試驗(yàn)時，假設(shè)東西方向左轉(zhuǎn)有4輛車，東西方向直行有4輛車，南北方向左轉(zhuǎn)有3輛車，南北方向直行有5輛，路口交通燈常規(guī)電源出現(xiàn)故障，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

此種場景下，本系統(tǒng)采用光伏+儲能進(jìn)行應(yīng)急供電，交通燈正常工作，所有車輛通過該路口需要用時78s；若采用現(xiàn)有系統(tǒng)，由于交通燈失電，造成了交通無序、擁堵的現(xiàn)象，通行時間更長。

通過比較上述3種場景中的數(shù)據(jù)可知，本系統(tǒng)相較于定時長交通燈，不同場景下的交通通行效率均得到提高，明顯減少了交叉路口中的交通擁堵現(xiàn)象；且當(dāng)交通燈常規(guī)電源失電時，可以迅速切換為光儲能源供電，切實(shí)保障了交通燈工作的可靠性，避免了交通燈失電后的交通無序及擁堵現(xiàn)象。

5 結(jié)語

為了提高交叉路口通行效率，減少交通擁堵現(xiàn)象，本文提出并設(shè)計(jì)了基于車流感知的新能源交通燈控制系統(tǒng)。文中詳細(xì)闡述了其硬件原理及軟件邏輯，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)車流量實(shí)時監(jiān)測、動態(tài)調(diào)整交通燈交替時長以及雙電源自動切換等核心功能。經(jīng)過仿真調(diào)試及試驗(yàn)驗(yàn)證，本系統(tǒng)相較于現(xiàn)有定時長交通燈，明顯提高了交叉路口的車輛通行效率，當(dāng)交通燈失電時，可以迅速切換為光儲能源供電，切實(shí)保障了交通燈工作的可靠性，避免了交通燈失電后的交通無序及擁堵現(xiàn)象。

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Design of intelligent control system for new energy traffic lights based on traffic flow perception

SunCongcong

（Heze Technician College， Heze 274000， China）

Abstract： In response to the problems of intersection congestion and low road traffic efficiency， the intelligent control system for new energy traffic lights based on traffic flow perception is proposed and designed. The key technologies such as information fusion and processing of traffic flow monitoring sensors， automatic switching of dual power sources， etc.， are used to achieve dynamic adjustment of traffic light alternation duration with traffic flow. Firstly， the overall design of the new energy intelligent traffic light control system is carried out， using the AT89S52 microcontroller as the control core and dual power supply of conventional power and optical storage. Secondly， the hardware circuit with a microcontroller as the core to construct a closed-loop control system that integrates traffic flow collection， automatic control， information processing， and dual power automatic switching is designed. Then， the software program is designed and the intelligent traffic light control system is tested. Finally， carrying out Proteus software simulation and experimental verification， the results show that the system has achieved the function of dynamically adjusting the switching time of traffic lights with traffic flow information， improving the efficiency of intersection traffic， and automatically switching to optical storage power supply when the conventional power supply of traffic lights loses power， ensuring the normal operation of traffic lights.

Key words： intelligent traffic lights; traffic flow perception; optical storage power supply; dynamic tuning