纪辛然

(山西大学商务学院,山西 太原 030031)

0 引言

交通信号灯可以保障车辆与行人顺利畅通，随着社会与经济的发展，它成为现代生活中不可或缺的一部分。据统计，一座城市的常住人口按两千多万人计算的话，每个人每天等红灯的时间大约为86400 s，共需要20278亿s。每个人出门恰巧碰到红灯的概率大致为0.44%，平均每天369 s，约为6 min，乘以人均寿命72岁，进而得出，一个正常人一生要在红灯前等待超过127 d。常见的传统交通信号灯主要通过固定时间来控制信号灯的亮灭，这种控制方式就是将信号灯按照设定好的定时方案来进行工作，称为周期控制。目前我国大多数城市依然采用传统的定时交通信号灯控制模式，伴随着城市经济的快速发展，传统的交通信号灯出现了很多缺陷：一是车辆在放行的时候，交叉路口经常出现不同车流量主次干道通行时间相同，不能实现车辆最大通行率；二是当一条干道上没有车辆时，另一条干道车辆堆积严重，但如果现在正好是没有车辆的这条干道的通行时间，造成了时间的浪费，这样就大大降低了整条道路的通过率；三是当某一方向道路车流量非常大时，不能调整绿灯的时间来增加此方向的通行时间，从而造成这条干道的车辆不能有效通过，进而造成车辆大规模堆积以及产生不必要的交通隐患。

我国对智能交通系统的研究开始于90年代初[1]。1990年前后，参照日本、美国等发达国家的先进技术，开始在北上广深等一线城市进行智能化交通系统的实际布设。到了我国第十个五年规划期间，取得了智能交通系统的技术突破，比如建立电子收费管理系统，但与日美欧等发达国家相比，还存在不小的差距。到了第十二个五年规划期间，我国增大了对智能交通领域的相关投资，从最初的15亿元到后来总额千亿的投资，增长幅度相当可观。通过行业的发展态势可以预见，各大企业会投入大量资金进行智能交通的研发、生产和普及，为今后智能交通行业的发展创造了相当有利的条件。

本文设计了一种智能车流量控制系统，通过红外传感器监测车流量，利用单片机调整信号灯指示时间，来实现城市交通车流量的最大通过率。这个智能交通信号灯系统具有成本低、安全可靠、实用性好、安装方便等优点，希望对未来交通安全能有一定的帮助。

1 总体设计

本设计中智能交通灯系统主要由监测车辆模块、数码管倒计时模块、交通灯控制模块以及电源等部分组成[2]。其中红外线传感器的数据收集和单片机相对应的处理模块作为本系统的核心部分，采用AT89C51单片机为控制核心，来对整个系统数据进行处理。通过车辆监测模块进行车辆信息监测，产生相应控制信息、控制倒计时显示电路，从而提高交通灯的智能化，进而又添加了多项附加功能来增加这个系统的实用性，系统框图如图1所示。

图1 系统总框图

2 硬件设计

2.1 传感模块设计

车辆监测选用QT30CM对射式光电开光NPN三线常开型红外线传感器，是利用监测物对光束的遮挡，通过同步回路监测物体有无。光电开关把输入电流在发送端上转换成模拟信号发送给接收端，接收端根据信号的有无进行判断后，将模拟信号转换为数字信号输出，该传感器的信号输出在没有遮挡时输出高电平，有遮挡时输出低电平，符合系统的要求。

2.2 LED点阵显示模块

点阵LED的显示主要是由各个发光二极管组成，和数码管的工作原理相类似，但两者的排列组成结构不同，如图2所示。点阵LED的显示接口采用了静态驱动和动态扫描驱动等驱动方式，在大面积汉字或图形显示的场合，通常采用点阵式LED显示器，因为所需要的是显示一个箭头即可，所以不需要过多的发光二极管，硬件成本相对很低；而如果采用静态驱动的方式，连线相对复杂，成本也相对偏高，因此通常采用的是动态扫描的驱动方式。

图2 LED点阵结构图

2.3 数码管显示模块

数码显示模块用来指示倒计时。倒计时由单片机I/O口通过反相器、数码管的数据口和选通口直接相连，由于人眼的视觉暂留效应，通过定时器进行动态扫描，使数码管显示数字，后再根据车辆检测系统检测的数据来增加倒计时的时间，如图3所示。

图3 数码显示模块

2.4 温度监测及万年历显示模块

在AT89C51单片机中，使用LCD1602显示屏显示温度和日期(时间间隔为5 s)。温度传感器采用DBS18B20温度传感器，实时监测天气温度状况。并且本设计特意加入万年历，让车辆行人在等红绿灯之余，可以了解当前温度和时间。如图4所示。

图4 温度监测与万年历显示模块

3 软件设计

3.1 理论分析与计算

假设一定条件：

1) 汽车为小型轿车，汽车长为5 m，宽为2.5 m。

2) 右转车道不作考虑，只考虑左转车道和直行。

3) 黄灯时间为常量，值为5 s。

4) 人行道所在的红绿灯由左转车道的红绿灯所决定。

5) 红灯初始时间为30 s(红灯最低时间控制在30 s)，绿灯初始时间为25 s。

对于一个十字路口，单位时间通过的车辆数量越多，其交通状况越优良，用公式：车流量=车流/时间来表示。为了获取相对真实的车流量数据，将在交通道口四个方向放置八对红外线对射传感器，如图5所示。分别检测四个方向的车流量，系统会检测到两个方向的车流量数据,除以时间,那么就可以得到单位时间的车流量,然后比较两个方向单位时间车流量多少,以确定下一次循环红绿灯时间[3]。

图5 交通路口传感器布置图

图5中S系列代表传感器，共有8组传感器，S1、S2为一组传感器，S3、S4为一组传感器。因西和北路口传感器发生的可能情况与东和南路口传感器发生的可能情况类似，所以只考虑一个情况即可，本设计只分析西和北路口传感器的情况，共计十六种可能发生的情况。因为根据相关规定西路口的红灯时间便是北路口的绿灯时间(及通行时间)，所以只考虑四种情况，每当传感器被车遮挡之后(传感器每隔一段时间工作)，绿灯时间自动往上加10 min，如表1所示。

表1 传感器监测情况表

3.2系统流程

系统流程如图6所示。

图6 红外监测车流量控制系统流程图

4 结语

相比传统交通灯，本文设计的红外监测车流量智能控制系统在AT89C51单片机的控制下，实现了智能化，可以通过实际情况改变交通灯的时间，来减少在这个车辆越来越多的时代中的拥堵情况，并且实现道路通过率的最大化，更加灵活多变。在根据车流量改变信号灯倒计时时间的基础上，还增加了闯红灯报警、温度检测、万年历以及紧急情况的中断等附加功能，具有一定的实用性。