基于小波束角超声测距的自适应式交通灯控制系统研究与设计

廉志凯

（秦皇岛职业技术学院，河北 秦皇岛 066100）

0 引言

国内外城市交通压力的日益增大，智能交通系统（英文简称“ITS”）的研究逐渐成为热点。10多年来，交通信号灯的自适应控制作为ITS研究的一部分，也由探索阶段进入到了工程应用阶段[1]。但目前，自适应式交通灯控制系统并没有发展到成为一种易于推广的产品阶段。基于此，本文将从成本低、易实施、有推广性的角度来介绍自适应式交通灯控制系统的研究和设计。

目前10余种检测技术中，视频检测技术、微波雷达技术、超声波技术优势较明显[2]。从我国目前的国情和ITS技术现状的角度分析，超声波检测技术实现原理简单，对系统调试的要求不高，体积小，便于安装、移动和后期维护。视频技术与微波雷达技术的科技含量高，目前中小型企业还没有跟上，必然影响这两种重要技术的普及。相比之下，超声检测技术的方法更容易普及（见表1）。

表1 三种检测技术的比较

1 硬件设计

1.1 系统组成及安装

本系统由总控制器、交通灯控制器、车流量检测器组成，其中每个车流量检测器都与两个超声波传感器相连接。在图1中总控制器的实际安装位置并非十字路口中央，而是路口的拐角处。

图1 交通灯控制系统俯视图

由于系统中节点数目多，因此各节点与总控制器间采用无线的通信方式。为了安装和移动方便，车流量检测器整体安装在铁架上；此外，总控制器、交通灯控制器、车流量检测器均采用太阳能电池板供电，旨在从整体上减小安装和施工的难度。

1.2 整体结构

系统工作时，4个路口的车流量检测器将采集到的车流量数据通过无线模块传送到总控制器中，总控制器经过运算与算法分析后向4个交通灯控制器发送控制命令，对信号灯和倒计时显示器进行控制，控制关系如图1中箭头所示。车流量检测器、总控制器的硬件框、交通灯控制器图分别为图2中的a）、b）、c）。

图2 系统各组成部分框图

1.3 一体式小波束角超声测距模块设计

1.3.1 总体电路设计

该电路中使用的传感器为收发一体式小波束角超声波传感器NU40E60TR—1，其标称频率为40.0±3.0kHz，波束角为15°±2°。一体式超声测距模块电路如图3所示。超声波发射通过单片机I／O 口及74LS04完成，回波的接收通过CX20106A及其相关电路完成。该电路中发射与接收都使用同一超声波传感器，因此采用了电子模拟开关将收发电路隔离。

图3 一体式小波束角超声测距模块原理图

1.3.2 隔离电路设计

回波信号本来就很微弱，且回波信号可能被发射电路吸收，因此接收电路可能检测不到回波；还有可能发射信号没经过探头而直接被传到接收电路，造成放大电路的烧毁，所以收发一体方式必须要考虑收发隔离控制。设计中采用CD4053，它是三2通道数字控制模拟开关，有三个独立的数字控制输入端A、B、C，具有低导通阻抗和低的截止漏电流。当INH端输入1时，所有通道被禁止。在图3中，用P1.1～P1.4分别控制A、B、C、INH，当A、B均为0时，超声传感器接通发射电路；当A、B均为1时，超声传感器接通接收电路。

1.4 LED驱动模块电路设计

当LED的外加电压达到二极管导通电压后，外加电压的微变可以引起二极管电流的巨变，使LED温度升高；在相同电压下，温度升高将促使LED电流增大，使温度进一步提高。以此循环，会加剧光衰，出现明而不亮的现象。

本设计中LED电源驱动采用恒流源，旨在减小光衰与延长LED寿命。恒流源电路由集成运放和NPN型达林顿管构成，负载RL在达林顿管的集电极与电源之间，达林顿管的发射极与地之间有一个电阻Rc为采样电阻。达林顿管前接有运放工作在深度负反馈状态，运放的同相输入端电压来源于PWM的输出，反向输入端与采样电阻Rc相连。由于负反馈的作用，PWM的占空比D%直接决定了采样电阻Rc上通过的电流。单片机的A／D实时采集Rc上电压，通过单片机的运算，返回来控制PWM的占空比，通过控制运放的同向输入端控制运放的输出电压，从而实现动态恒流。同时放大器的反馈环节将稳定电流，形成闭环控制（如图4所示）。

图4 恒流电路

1.5 光伏模块设计

太阳能电池板在受到光照后实现太阳能到电能的转换，产生直流电压。直流电经过输入滤波、DC／DC变换、输出滤波，可得到满足负载需求的直流输出电压，并输入到蓄电池中完成能量的传递。系统各个部分的控制功能由单片机来完成[3]。

从便于安装和节能的角度考虑，总控制器、交通灯控制器、车流量检测器均采用独立光伏系统供电。光伏模块的结构框图如图5所示，由太阳能电池板、蓄电池、蓄电池控制器组成。控制器主要由充电控制电路、供电控制电路、电池监测电路组成。此外，蓄电池控制器中还包括报警电路，当电池异常或需更换时，可及时发出报警信号。

图5 光伏模块结构框图

2 通信方式

本系统中无线收发模块选择的是PRT2000，它是一种超小型、低功耗、高速率的无线收发一体式数据模块，无须使用许可证[4]。

在整个系统中，各模块间的数据通信采用PRT2000无线主从式多机通讯串口通信模式。主机负责发送从机地址、控制命令及调度，从机负责采集个路口车流量信息，进行一定的数据处理，根据主机的要求返回数据，并执行主机发出的命令。通信协议中主机主动发送命令或数据，从机则等待主机的命令。由于发送和接收共用同一信道，因此在任意时刻只允许一台从机处于发送状态。主机与从机通信时，主机先呼叫某从机地址，唤醒被叫从机后，主、从两机之间进行数据交换，其他从机继续处于等待状态。

3 结语

经模型测试，本系统在自适应时间分配上误差较大。应用小波束角超声波传感器对车辆压行车道分界线行驶，并排行驶，前车、后车距离较近行驶几种特殊情况进行检测时，都得到了正确的结果。说明本系统在车流量检测方面性能可靠，算法需进一步研究和优化。

[1]余稳.基于微波单片集成电路的交通信息采集技术研究[D].西安：西安电子科技大学，2007.

[2]彭春华，刘建业，刘岳峰，等.车辆检测传感器综述[J].传感器与微系统，2007，26（6）：4-7.

[3]杨化鹏.基于单片机的IGBT光伏充电控制器的研究[D].西安：西安理工大学，2006.

[4]马鸿文，陈松立，陈治国，等.一种新型无线十字路口交通灯智能动态感应控制系统[J].微计算机应用，2009，30（4）：62-66.