基于车流量红外检测的自适应交通灯设计

童瑶（合肥市第六中学，安徽合肥，230039）

基于车流量红外检测的自适应交通灯设计

童瑶
（合肥市第六中学，安徽合肥，230039）

交通灯作为一种交通管制手段，如果能实现不同路段的差异化控制，对于城市交通拥堵问题将起到缓解作用。本设计运用红外车流量检测装置对十字路口车流量进行量化处理，采取自适应算法，实现交通灯根据车流量大小的自适应控制；同时，本设计还增加了模拟的交通控制中心，实现了对十字路口的远程监视和超限自动报警功能、人为干预和紧急处置功能，从而实现更符合实际情况、解决实际交通问题。

交通灯；自适应控制；模拟交通控制中心；车流量检测；红外探测

0 引言

随着城市车辆的增加，交通拥堵问题日益加剧。交通灯作为一种交通管制手段，如果能实现不同路段的差异化控制，对于城市交通拥堵问题将起到缓解作用本设计方案希望通过对交通灯的智能化改造，实现交通灯根据车流量大小的自适应控制，缓解交通拥堵问题，提高社会效率。

1 系统方案的设计与实现

1.1 系统设计方案概述

设计的系统组成如图1所示，系统由车流量采集模块、交通灯控制系统和模拟交通控制中心三大部分组成。其中交通灯控制系统负责交通灯光控制、获取车流量采集模块的数据以及计时显示的控制。模拟交通控制中心采用无线蓝牙通信实现与交通灯控制中心的数据交换，并使用小键盘输入控制指令并实时显示车流量信息。

图1 系统组成框图

系统工作流程如下：车流量采集模块将十字路口各个方向上的车流量信息发送至交通灯控制系统，控制系统根据车流量信息对交通灯和计时显示模块进行相应控制，同时控制系统将车流量信息发送至模拟交通控制中心，模拟交通控制中心控制显示模块显示车流量信息，当车流量超出设置的预警值时，模拟交通控制中心发出警报，当有用户通过输入设备发出控制指令时，模拟交通控制中心将控制信号发送至交通灯控制系统，控制系统对交通灯和计时显示模块进行相应控制。

1.2 车流量检测的设计实现

1.2.1 车流量检测的硬件实现

红外收发对管是一种利用红外线的开关管，接受管在接受和不接受红外线时电阻发生明显的变化，利用外围电路可以时输出产生明显的高低电平的变化。高低电平的变化输入单片机就可使之识别，从而实现智能控制。如图2接收电路由红外接收管和放大电路组成。

图2 红外接收电路

Q4接收到红外信号后，经过三极管Q1进行第一级放大，放大后的信号送入三极管Q3进行第二级放大，通过Rx就可以得到放大后的红外接收信号。为了降低干扰，Tx一般采用调制方式。如果VCC为5V，发射接收对管的有效距离（单片机可检测）大概20cm；如果VCC为3V，发射接收对管的有效距离（单片机可检测）大概10cm。可满足原理演示样机的距离要求。

1.2.2 车流量检测的软件件实现

红外对管的排列方式如上图3所示，采用轮询扫描方式判断红外对管的遮挡情况，根据红外对管的遮挡数量可以计算出车等待通过十字路口的车辆长度。轮询扫描方式的时间间隔为1s，与红绿灯的刷新时间保持一致，降低单片机能源消耗。

图3 红外对管排列示意图

1.3 交通灯的设计实现

1.3.1 交通灯的硬件实现

本设计中采用LED灯作为交通灯的灯光信号器件。数字显示采用的是数码管，通过分时轮流控制各个数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。

1.3.2 交通灯的软件实现

按照红灯、绿灯、黄灯顺序依次亮灭，各个颜色的灯根据实际需求设置时间长短，其中相对路口的灯光信号完全一致，相邻路口一侧红灯执行时间与另一侧绿灯、黄灯执行时间相等，红绿灯的切换时机相邻位置同步。按照以上原则，对单片机进行程序设计并利用ISIS仿真软件，对交通灯的运行流程进行在线模拟调试，如图4所示。

图4 交通灯的在线模拟的电气原理图

1.4 模拟交通控制中心的设计实现

1.4.1 模拟交通控制中心的硬件实现

模拟交通控制中心由矩阵键盘、液晶显示模块和蓝牙模块等部分组成。其中矩阵键盘的按键个数是4×4个，能够有效地提高单片机系统中I/O口的利用率。键盘输入值可根据编程者自己的需求自定义，输入效率高，功能全面。液晶显示模块选用的是1602LCD，其显示的内容为16×2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字），可以实现车流量的显示。51 单片机内部有一个全双工串行接口，可与蓝牙模块连接，实现数据的无线接。蓝牙主设备最多可与一个微微网（一个采用蓝牙技术的临时计算机网络）中的七个设备通讯。设备之间可通过协议转换角色，从设备也可转换为主设备。蓝牙一般应用方法为两个连接以形成通讯通道，按照预定流程互换主从角色，实现数据的相互交换。

1.4.2 模拟交通控制中心的软件实现

运用扫描功能对4×4矩阵键盘进行扫描，提取输入字符，与预定的指令表进行比对翻译操作指令。输入键盘主要包含数字输入、逻辑前进、逻辑返回和字符删除功能。定时器设置时间间隔为1s的扫描周期，定时更新显示模块的显示内容。51单片机的晶振频率为11.0592MHz，可实现9600波特率的高速通信，通信效率高，为显示模块争取了更多的清屏时间。蓝牙模块与串口相连接，接收交通灯的车流量信息和工作状体信息，作为无线通信的中间载体。模拟交通控制中心的软件流程为初始化后首先判断识别键盘输入指令并发送，其次接收并显示车流量信息，最后判断是否超出预警值，如超出则发出声光报警。

2 系统测试

2.1 LED灯及数码管显示模块测试

根据设计原理图连接LED灯，适配电阻、锁存器。运用51开发板编译简单测试程序，对LED灯珠的亮度，数码管的显示效果进行测试。LED初始匹配电阻为1K欧姆，连接单片机IO口并连接上拉电阻，给位选端口以低电平，观察LED灯的亮度。通过测试发现，由于红、黄、绿三种颜色的灯功率不一致，显示亮度不一致。通过改变限流电阻的阻值，可以调节LED灯珠的亮度。数码管的8位同时显示，采用轮询扫描方式，位选、消影、延时等程序按照预定方式编写，连续显示效果有断续现象出现。改变延时时间，乱码现象有所改善，但乱码依然存在。单个数码管、LED灯组测试时，未出现乱码现象。结合现场线路布置情况推测是干扰、或者是电源功率不够导致。由于材料有限，不影响演示效果的前提下，暂不修改电路，加大电源功率进行测试，数码管显示效果较为良好，干扰现象偶然发生。

2.2 1602液晶显示模块和输入键盘测试

1602液晶显示模块主要测试液晶的显示有无坏点、显示效果是否清晰。利用51开发板，编写测试程序，让液晶显示像素点全部显示，未发现坏点。调节可变电阻阻值，观察液晶显示效果，无明显残余显示点即可。矩阵键盘采用行列扫描方式读取键值，对不同键值赋予不同功能，通过串口将键值发送到电脑串口调试助手软件，可直接读取键值的十六进制编码。通过测试，编码显示完整、无重复现象、键盘反应速度适中。

2.3 串口通信测试

运用上位机串口调试助手，对蓝牙波特率进行设置。同时测试通信的质量，程序对数据处理的准确性及实时性。当控制器处于不同工作模式下时，会向交通灯控制芯片发送不同的编码，编码包括通信头指针，以及标准格式的数据串，还有校验尾。通过测试，无线通讯在系统上电时，会产生连续无意义字符串，采用软件强制隔离的方式，可以消除此影响。

2.4 车流量检测模块测试

图5 运用汽车模型对车流量检测方案测试

利用汽车模型，按照实际马路情况测试车流量的检测情况，测试场景如图5所示。方案采用1602液晶显示模块实时显示，如图6所示。通过测试发现当有较长的车辆处于检测区域时，车流量显示不准确，测量值偏大，增大光电对管的安装间隔，有时会出现车流量检测偏小的情况，利用优化软件的检测方式和逻辑约束，可以排除部分意外情况，车流量检测更加稳定准确。

图6 车流量显示

2.5 系统功能测试

2.5.1 紧急模式测试

当系统处于紧急模式时，交通的灯处于封锁四个方向车辆的状态，时间为20秒。系统初始化的阶段，交通灯默认处于紧急状态。当交通灯正常控制车辆通行时，操作控制键盘，设置为紧急模式，交通灯在下一个控制周期内可以转换为紧急模式，如果模式不变的情况下，系统会一直保持紧急状态。测试效果良好，通信质量可靠。紧急模式进行了长时间的运行，未发现意外情况。

2.5.2 自动模式测试

处于自动模式下的交通灯，会面临三种情况。当两个方向上的车流量不同时，系统会根据车流量的不同自动装载通行时间。当一个方向有车一个方向无车时，系统会封锁一侧路口，按照车流量的大小设置通行时间。当两个路口都没有车时，系统处于待定状态，黄灯不断闪烁。若有车辆驶入检测区域，交灯会立即转入放行状态。通过人为设置不同的车辆通行情况，观察记录交通灯的显示内容，内容与实际情况的处置预案一致。

2.5.3 手动模式测试

处于手动模式时，通过手动设置交通灯的各个方向放行时间，可以人为控制交通灯的放行方案。测试中通信稳定，未出现通信错误，交通灯显示准确，时间与设置时间一致。模式切换流畅，未发现系统漏洞。

3 总结

本文提出了集自动指挥、人工手动指挥、紧急状况下的指挥以及交通控制中心于一身的智能交通灯设计方案，体现了多功能、高效率和智能化程度高的特点。本文灯提出了一种基于车流量检测数据的交通灯自适应控制方法，该方法充分利用了闲暇绿灯的时间，提高了十字路口的通行时间比例，达到了降低十字路口的交通堵塞和提高通行效率的目的。还设计了一种用于十字路口车流量检测的红外对管，该装置采用了红外主动探测方式，与图像分析、空气管道检测、微波检测、超声波检测等方式相比，具有架设简单、环境适应性好和成本低的显著优势。

未来的设想，在此交通灯的基础上可根据车辆安装的定位系统、全市交通十字路口状况以及全市道路拥堵状况等，智能为车辆司机选择一条最通畅、最省时的路线抵达目的地。

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Adaptive Traffic Light Design Based on Vehicle Flow Infrared Detection

Tong Yao
(Hefei sixth middle school, Hefei Anhui, 230039)

Traffic lights as a means of traffic control, if different sections of the differential control can be achieved, for urban traffic congestion will play a role in mitigation. The use of design flow detection device of infrared vehicle traffic crossroads is quantified, adopt adaptive algorithm based on adaptive traffic lights to achieve the volume of traffic control; at the same time, the design also adds to the traffic control center simulation, realize the automatic alarm function, human intervention and emergency disposal function of remote monitoring and overrun of crossroads In order to achieve more in line with the actual situation, to solve the actual traffic problems.

traffic lights;adaptive control;traffic control center;vehicle flow detection;infrared detection