道路发光标线控制系统电路设计

新疆大学 王书文 孙均友 王 兵 曾维刚 王伟刚 吴 旭

交通拥堵是当前人们关注社会热点、难点问题，增设可变车道是解决当今平交口拥堵问题的方法之一，但现有可变车道功能单一，易受道路宽度和车流量等因素的制约，不能适用于大多数平交口。文章针对该问题利用Proteus搭建电路，研制了一种道路发光标线控制系统，系统用灯带替代传统道路标线，利用灯带亮灭及颜色的可变性来表示各种情况下的道路标线状态，实现了车道功能的变化。

1 系统开发背景

近年来随着车辆数量的持续剧增，道路拥堵问题日显严重，改善交通拥堵是当前国内外学者研究的热点问题。在当前道路条件下，增设可变车道是解决当今平交口拥堵问题的切实可行方法之一，但现有可变车道功能单一，易受道路宽度和车流量等因素的制约，不能根据平交口的不同时段内不同车流量情况进行变化调整，不能适用于大多数平交口。文章针对该问题研制了一种道路发光标线控制系统，该系统使用灯带替代传统道路标线进行地面铺设，利用灯带亮灭及颜色的可变性来表示各种情况下的道路标线状态，实现了车道功能的变化，进一步拓展了可逆车道的使用空间。系统通过Proteus仿真平台进行构建，设计系统各模块电路，通过程序对用于表示道路标线的灯带进行控制。通过控制黄、白灯带亮灭来表示道路渠化的变化情况，实现了对平交口可变渠化的模拟仿真。

2 可变渠化控制方法

可变渠化是由于一般情况下的车道情况已不适应于当前车道的需求，然后通过放置道路障碍物或者更改道路标线等方式来对原有的车道情况进行更改，以达到使用需求。本设计基于双向两车道平交口，平峰期仍使用原道路设计，高峰期则改变部分道路标线。由于一般地面划线标志不具有可变能力，因此本设计不使用固定地面标线，而使用灯带地面铺设的方法。如图1所示，平峰期车道①和车道②为出口车道，车道③和车道④为进口车道，高峰期车道①、车道②和车道③为出口车道，车道④为进口车道。其中，平峰期各出口车道的功能为：车道①的功能是直行+右转，车道②的功能是直行+左转；高峰期各出口车道的功能为：车道①的功能是直行+右转，车道②的功能是直行专用，车道③的功能是左转专用。

图1 灯带位置示意图

3 Proteus系统构建

3.1 设计思路

利用总线构建出一个双向两车道的平交口，通过改变总线的颜色，表示出道路的黄、白色标线。在可变标线位置处使用黄、白灯带，通过程序控制平高峰时间，当平峰期转换成高峰期时，灯带颜色及亮灭情况会发生变化，从而实现可变渠化功能。如图1所示，a处为一列竖直白色灯带，b处为一行横向白色灯带和两行横向黄色灯带，c处为一排斜向黄色灯带，d处为一行横向白色灯带和一行横向黄色灯带，e处为一列竖直白色灯带。其中，图1中各灯带亮起状态时，a处白色灯带表示白色实线，b处白色灯带表示白色虚线、黄色灯带表示黄色实线，c处黄色灯带表示黄色实线，d处白色灯带表示白色虚线、黄色灯带表示黄色实线，e处白色灯带表示白色实线。通过控制各颜色灯带的亮灭来表示平交口可变渠化的具体情况。

3.2 虚拟电路设计

可变渠化控制电路主要包含的元器件有：黄白颜色的两种灯带、单片机、38译码器、LED灯、电阻和双位八段数码管。电路仿真软件Proteus可通过内置的元器件库进行搜索，将所需的元器件添加至设计界面中进行电路设计，在电路设计结束后，该系统控制程序采用uVision集成环境开发下的Keil软件编写C语言程序进行编译并调试，最终生成HEX文件加载入系统中进行仿真运行。

（1）主控电路设计

根据系统实际需要，本设计主控电路的主控芯片选择成本低廉，便于操作的51系列单片机，型号为美国ATMEL公司生产的AT89C51。它具有51内核的低功耗、高性能的8位单片机，内含4K字节Flash只读程序存储器，兼容MCS-51指令和80C5l引脚结构，它具有如下特点：128字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗，两个16位定时和计数单元，一个5两级中断结构的向量，一个UART通信口，内部晶振和时钟电路。为了使整体控制更加的协调统一，整个电路设计仅使用一个单片机作为控制中心。

（2）交通显示设计

由于Proteus软件的元器件库中没有可以使用的LED灯带，为了尽可能的表现出灯带的效果，本设计使用多个LED灯排列的形式，来表示相应颜色的灯带。由于Proteus电路设计模块的默认工作电压为5V，为使LED灯正常工作且亮度适合，经计算和反复调试后确定需要与每个LED灯分别串联一个阻值为270Ω的RES电阻（现实情况中需要阻值为1kΩ）。本设计中除可变标线处使用灯带外，方向指示牌也使用灯带进行表示。其中，方向指示取消了原有的地面标线，而采用空中悬挂电子灯带牌的方式。

Proteus虚拟控制电路图如图2所示。

图2 可变渠化控制电路图

4 系统仿真

在Proteus软件设计界面完成虚拟仿真系统控制电路搭载后，将HEX文件加载到主控模块AT89C51单片机中，点击运行按钮进行仿真，仿真效果如图3和图4所示。

图3 平峰期局部可变渠化电路仿真图

图4 高峰期局部可变渠化电路仿真图

结合图1和图3，以西进口为例，平峰期电路灯带亮起情况为：b处两行横向黄灯常亮，d处一行横向白灯常量，整体标线情况与原始道路标线保持一致。此时，出口车道仍然保持两个，且各出口车道的功能如图3中标志牌所示，即车道①的功能仍为直行+右转，车道②的功能仍为直行+左转。

结合图1和图4，高峰期电路灯带亮起情况为：a处一列竖直白色灯带常量，b处一行横向白色灯带常量，c处一排斜向黄色灯带常量，d处一行横向黄色灯带常量，e处一列竖直白色灯带常量。此时整体标线情况发生变化，部分车道功能发生改变，具体情况为：车道①的功能未发生变化，车道②的功能由直行+左转变为直行专用，车道③由进口车道变为出口车道且功能为左转专用。

文章通过Proteus搭建了道路发光标线控制系统电路，使用Keil软件编写控制程序，研制了一套基于灯带的可变渠化标线控制系统，系统用灯带替代传统道路标线，利用灯带亮灭及颜色的可变性来表示各种情况下的道路标线状态，通过仿真，实现了车道功能的变化。