基于MATLAB图形图像处理的智能交通灯设计方法

聂 影，程允丽

(广州南洋理工职业学院，广东 广州 510925)

1 问题的引出

随着我国经济技术的快速发展，汽车制造技术的广泛应用，公民对汽车的购买力明显增强，汽车的保有量急剧上升，导致的结果是全国各大城市甚至是二、三线城市交通堵塞，车祸频出。虽然交通局在车流量较大的十字路口都设计了红、黄、绿交通灯(如图1所示)，但这并不能缓解市中心高峰时期的车辆拥堵现象。有时候主干道的汽车排起了长龙，连绵不绝2 km，往往要等待好几个红绿灯，才能通过该十字路口。反观另外一条次干道，却车辆稀疏,而两道的红绿灯时间却是完全一样,这极大地浪费了车主的时间和道路资源。基于以上原因，笔者结合自己的专业，将所学知识应用到实际问题中，通过MATLAB图形图像处理将十字路口的车流量转换成数字信号，再与单片机控制结合起来，通过设计、编程、仿真，实现可以通过车流量来控制十字路口红绿灯延时的智能交通灯设计。

图1 十字路口交通车辆模拟图

2 设计思路

目前国内的交通灯大多采用单片机或者PLC控制，关于PLC控制和单片机控制的优劣，笔者已经在文献[1]中论述，因此本文决定采用51系列单片机AT89C51来控制交通灯信号。目前国内交通灯信号的转换时间一般介于10 s～150 s之间。不同的转换时间，驾驶人员会有不同的感受。具体分类情况见表1。

基于表1，笔者将车流量分成了A、B、C、D四个等级，并且取其中三个等级作为分支语句的条件，当主干道车流量不大时，红灯延时20 s；当主干道车流量较大时，红灯延时50 s；当主干道车流量巨大时，红灯延时100 s。

表1 交通灯信号转换周期分类

3 交通灯车流量信息的提取

3.1 车流量检测

检测道路车流量的方法大致可分为两大类：一类是传感器检测，比如基于压电回路的永久埋入式系统，但这种系统施工复杂,不便于维护；另一类是悬挂式系统,包括微波、红外线、雷达等检测系统，这类系统造价较高,采集信息单一。

随着计算机和图像处理技术的发展,基于图像处理技术的车流量检测方法因具有覆盖范围大、检测信息丰富、维护方便、安装简单等优点成为车流量检测技术的发展趋势。而且现在交通信号灯均已安装了摄像头抓拍镜头，用以处理交通违章现象。因此通过图像处理技术来进行智能交通灯的改造，只需要解决软件技术问题，硬件部分不再需要额外补充，大大节约了硬件成本。

3.2 差分混合处理技术

摄像头抓拍的照片，若是直接读取其车流量会造成很大的误差，原因如下：①抓拍的图片是动态图，图像清晰度不高；②不同时间段(早晚、晴雨、风雪、春夏)自然光强度不同，对图片信息的判断也会有误差；③道路上汽车有各种各样的颜色，深色车(如红色、黑色)和浅色车(如银色、白色)对光电势也有影响,颜色越浅光电势越强,反之则越弱；④抓取的图片角度不同，近处的车能够全部读取，远处的车就会被前面的车遮住车头，只剩下车尾，这样在图片信息转换时，读取量也势必减半。

基于以上各种原因，我们很难从摄像头中直接读取到有用的信息，因此笔者借鉴了模电放大电路中的知识点。我们知道，由于温度对三极管的影响比较大，因此由三极管构成的共射级放大电路经常会由于静态工作点的不稳定而造成信号失真(饱和失真、截止失真)，因此设计者采用差分电路来消除电路的零点漂移。对于摄像头抓拍照片存在的问题，它在X道和Y道都是一样存在的，所以我们只要将两条道路的值取出来进行比较，即可得到道路的相对拥堵情况，进而进行延时处理。

设东西方向道路为X，南北方向道路为Y(如图1所示)，我们将交通灯摄像头抓怕的照片传到电脑终端，通过MATLAB进行图形图像处理。其具体步骤如下：①读取摄像头抓拍的照片；②利用MATLAB进行灰度、阈值处理；③提取X轴车流量密度Rx；④提取Y轴车流量密度Ry；⑤混合差分处理。

将X方向与Y方向进行对比：

4 编程单片机控制智能交通灯流程

通过以上分析，我们可以编写出单片机控制智能交通灯的流程图如图2所示。

有了主程序，再加上延时子程序、显示子程序、中断子程序等(此处略)，就可构成智能交通灯的控制。为了得到更好的效果，我们可以通过Proteus软件进行仿真，或者自制出PCB板加上外围硬件电路对其进行实验验证。通过验证，可以发现理论中设想不到的问题，再根据实际问题进行更正、测试，不断完善以检查电路设计的正确性。

图2 智能交通灯主程序流程图

5 Proteus仿真

由于实验环境的局限性，本次设计只停留在Proteus仿真阶段。由于Proteus内部没有元件库与MATLAB相结合，我们可以采用智能温度传感器DS18B20来代替MATLAB传递的电路信号。

通过Keil软件进行编程，将写好的程序通过编译、链接，转换成机器代码.hex文件。最后将Keil与Proteus进行联调，仿真得到十字路口交通灯的红绿灯控制。十字路口交通灯的Proteus仿真如图3所示。

图3 十字路口交通灯的Proteus仿真

6 总结

智能交通灯的实现，可以使得各方向上的车流达到合理均衡的状态，减少停车次数，疏通交通拥挤，也提高了交通安全，同时还能够有效地减少汽车尾气的排放，保护了人们赖以生存的自然环境，给人们创造一个美好的出行环境。

参考文献：

[1] 聂影.交通灯设计方法探讨 ——比较单片机和PLC设计方法的优劣[J].中国科技纵横,2017(12):70-71.

[2] 聂影.MATLAB软件应用研究[J].软件导刊,2014,13(7):102-104.

[3] 杨洁,叶晶晶,刘海民.基于STC89C52RC十字路口交通灯的设计[J].电子测试,2016(19):14-16.

[4] 郭循钊,邝帆,邵平,等.基于单片机的多功能交通灯控制系统设计与仿真实现[J].公路交通技术,2010(1):128-131.

[5] 杜瑞雪,丁洪伟,梁竹关,等.基于FPGA的轮询控制智能交通灯系统的设计[J/OL].实验科学与技术,1-7(2017-07-03).http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1653.N.20170703.1800.010.html.