基于超聲計(jì)數(shù)的智能交通燈控制系統(tǒng)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車數(shù)量越來越多，城市道路壓力越來越大。交通信號(hào)燈作為管制交通流量、提高道路通行能力的有效手段，對(duì)減少交通事故有明顯效果。而傳統(tǒng)的交通燈采用固定的時(shí)間控制，不能根據(jù)車流量大小來控制紅綠燈時(shí)間，經(jīng)常出現(xiàn)通行時(shí)間與車流量不適應(yīng)情況，不僅浪費(fèi)了時(shí)間，容易造成“堵車”現(xiàn)象。為克服這種少車路口綠燈時(shí)無車通行或多車路口綠燈通行時(shí)間短而堵車等資源浪費(fèi)的現(xiàn)象，本文采用超聲計(jì)數(shù)的方式設(shè)計(jì)了一種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車流量的智能交通燈控制，通過動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)增加了靈活性和實(shí)用性。

1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由微控制器模塊、電源管理模塊、超聲車流量檢測(cè)模塊、紅外遙控模塊、十字路口交通燈組和以太網(wǎng)接口等幾部分組成，系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。系統(tǒng)在每個(gè)交通路口安裝超聲檢測(cè)裝置，單片機(jī)通過該裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)路口的狀態(tài)，根據(jù)程序邏輯控制交通燈組，實(shí)現(xiàn)對(duì)交通燈的智能控制。由于單片機(jī)的調(diào)控能力有限，在特殊的情況下需要交警進(jìn)行手動(dòng)控制。雖然現(xiàn)行使用的交通燈控制系統(tǒng)提供人為干預(yù)功能，但都是由交警在遠(yuǎn)離路口的交通燈機(jī)箱處進(jìn)行控制，非常不方便，為此設(shè)計(jì)了紅外遙控模塊，交警在十字路口的任何地方都能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)交通燈的控制。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

系統(tǒng)中預(yù)留了以太網(wǎng)接口模塊。采集的數(shù)據(jù)可通過節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)浇煌ú块T的計(jì)算機(jī)主機(jī)，提供遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)交通路口的狀況功能，同時(shí)還允許對(duì)交通燈進(jìn)行遠(yuǎn)程的控制，為交通系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、信息化管理奠定基礎(chǔ)。

系統(tǒng)的MCU選擇為MSP430F449，主要完成本系統(tǒng)對(duì)路口16個(gè)監(jiān)測(cè)裝置的信號(hào)檢測(cè)，數(shù)據(jù)處理和對(duì)4個(gè)燈組的控制。

2、車輛檢測(cè)

2.1、超聲檢測(cè)模塊的安裝

考慮到右轉(zhuǎn)車道車輛可以直接通過，只在直行車道和左轉(zhuǎn)車道上架設(shè)超聲傳感器。在每個(gè)方向的通道上均架設(shè)兩組超聲傳感器，具體架設(shè)位置如圖2所示。前一組緊挨停車線，檢測(cè)駛離該方向通道的車輛數(shù)(下文中稱其為超聲模塊組1);后一組架設(shè)在距停車線80～100m處(下文中稱其為超聲模塊組2)，檢測(cè)駛?cè)朐摲较蛲ǖ赖能囕v數(shù)。兩者之差既是該時(shí)刻該通道上的車輛數(shù)，也是該通道等待通行的車輛數(shù)，此數(shù)據(jù)是控制該路口交通燈通行時(shí)間的依據(jù)。

圖2 超聲計(jì)數(shù)模塊架設(shè)平面上示意圖

2.2、超聲計(jì)數(shù)模塊

2.2.1、超聲測(cè)距原理

超聲波測(cè)距是通過超聲脈沖回波渡越時(shí)間法來實(shí)現(xiàn)的。設(shè)超聲波脈沖由傳感器發(fā)出，經(jīng)障礙物反射，到回波的接收所歷經(jīng)的總時(shí)間為t，超聲波在空氣中的傳播速度為v，則從傳感器到目標(biāo)物體的距離D可用下

式求出：

D=t&mes;v/2 (1)

超聲測(cè)距系統(tǒng)的原理框圖如圖3所示。

圖3 超聲測(cè)距系統(tǒng)的原理框圖

2.2.2、超聲計(jì)數(shù)原理

超聲計(jì)數(shù)是超聲測(cè)距技術(shù)的深化應(yīng)用。超聲測(cè)距模塊架設(shè)在車道的上方，設(shè)無車時(shí)測(cè)得的距離是模塊到地面的距離D1，有車時(shí)測(cè)得的距離是模塊到車頂?shù)木嚯xD2，前后兩次測(cè)得的距離差為ΔD。當(dāng)車輛駛?cè)氤暷K的測(cè)量范圍時(shí)，超聲模塊首先測(cè)得距離D1，下一周期測(cè)得距離D2，前后兩次測(cè)得的距離差為ΔD=D2-D1<0;當(dāng)無車通過、車輛通過的過程中距離沒有任何變化ΔD=0;當(dāng)車輛駛離超聲模塊的測(cè)量范圍時(shí)，超聲模塊首先測(cè)得距離D2，下一周期測(cè)得距離D2，前后兩次測(cè)得的距離差為ΔD=D1-D2>0。故每檢測(cè)到一次ΔD<0，代表一輛車通過超聲模塊下方，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的計(jì)數(shù)。超聲計(jì)數(shù)原理如圖4所示。

圖4 超聲計(jì)數(shù)原理

2.2.3、超聲計(jì)數(shù)模塊選擇

本系統(tǒng)選擇HC-SR04超聲波測(cè)距模塊來實(shí)現(xiàn)超聲測(cè)距，該模塊時(shí)序圖如圖5所示。模塊回響電平的脈寬(高電平的時(shí)間)即測(cè)距渡越時(shí)間，測(cè)出脈寬并利用式(1)就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)障礙物距離的測(cè)量。脈寬與距離之間存在線性關(guān)系，檢測(cè)脈寬的改變，就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)車輛的計(jì)數(shù)。

圖5 HC-SR04超聲波測(cè)距模塊時(shí)序圖

2.3、檢測(cè)模塊與MSP430的信號(hào)交互

由圖5HC-SR04超聲波測(cè)距模塊時(shí)序圖可知，HC-SR04與MSP430之間存在信號(hào)的交互：1個(gè)為超聲模塊觸發(fā)信號(hào)，由MSP430輸出到HC-SR04;另1個(gè)為回響電平，由HC-SR04輸出到MSP430。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的觸發(fā)信號(hào)如圖6所示，回響信號(hào)如圖7所示(障礙物在2.1m處)。

圖6觸發(fā)信號(hào)

圖7回響信號(hào)

由理論分析可知觸發(fā)信號(hào)頻率不能太高，否則會(huì)引起信號(hào)的混疊，導(dǎo)致誤判;頻率也不能太低，否則不能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)車輛的實(shí)時(shí)檢測(cè)，故本系統(tǒng)選擇觸發(fā)頻率為10Hz。

利用MSP430中TImerA、TImerB的捕獲功能可以實(shí)現(xiàn)對(duì)回響脈沖的精確計(jì)時(shí)，進(jìn)而通過內(nèi)部程序算法實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的計(jì)數(shù)[7-8]。為了節(jié)省MSP430內(nèi)部的定時(shí)器資源，將超聲模塊組1四個(gè)路口的回響信號(hào)分時(shí)[9]的輸入到MSP430中。檢測(cè)模塊電路圖如圖8所示。

圖8 檢測(cè)模塊電路圖

2.4、誤差分析

2.4.1、測(cè)距誤差

本系統(tǒng)是以室溫(15℃)時(shí)的聲速(340m/s)計(jì)算距離的，而實(shí)際環(huán)境中的聲速是隨機(jī)量，有如下計(jì)算公式：

v=331.3+0.606c(2)

c為攝氏氣溫。根據(jù)式(2)知：

聲速誤差

Δv=(c-15)&TImes;0.606

有測(cè)距誤差

ΔD=TΔv(3)

測(cè)距誤差會(huì)引起車輛的誤判，最終導(dǎo)致系統(tǒng)錯(cuò)誤的分配時(shí)間。

為了消除此誤差，系統(tǒng)不以某個(gè)固定的脈寬(對(duì)應(yīng)某個(gè)固定的距離)為車輛判據(jù)，而以脈寬的顯著變化為車輛的判據(jù)，由于溫度相對(duì)測(cè)距時(shí)間是一個(gè)慢變量，在一輛車通過的時(shí)間內(nèi)(1s)認(rèn)為不變，此種處理方式可消除聲速誤差。

2.4.2、車輛的混道行駛誤差

另一個(gè)會(huì)引起誤差的因素是車輛的混道行駛。一種情況是右轉(zhuǎn)的車輛通過模塊2下方，使計(jì)數(shù)增加;一種情況是左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)的車輛通過右轉(zhuǎn)車道進(jìn)入模塊2和模塊1之間的范圍，使計(jì)數(shù)減少。但因其發(fā)生的概率很小，兩種情況有互補(bǔ)作用，且少量的計(jì)數(shù)不準(zhǔn)確不會(huì)對(duì)車輛的通車時(shí)間的設(shè)定產(chǎn)生很大的影響，因此可以忽略不計(jì)。

綜上所述，系統(tǒng)的誤差在允許范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的功能產(chǎn)生很大的影響，系統(tǒng)可以達(dá)到智能調(diào)控交通燈的目的。

3、紅外遙控模塊電路設(shè)計(jì)

紅外遙控模塊核心部分是數(shù)據(jù)的編碼發(fā)射和解碼接收，本系統(tǒng)采用PT2262和PT2272[10-11]紅外發(fā)射接收芯片來實(shí)現(xiàn)上述功能。電路圖如圖9、圖10所示。

4、交通燈驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

交通燈組是大功率器件，不能直接由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)利用繼電器實(shí)現(xiàn)弱電控制強(qiáng)電，交通燈驅(qū)動(dòng)電路如圖11所示。

圖11 交通燈驅(qū)動(dòng)電路

5、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的主控制程序由兩部分組成：車流量智能處理模塊和人工手動(dòng)處理模塊。主程序流程圖如圖12所示。

圖12 主程序流程圖

車流量智能處理模塊：

程序分時(shí)對(duì)各個(gè)路口進(jìn)行循環(huán)控制，下面以東向行駛車道為例說明，程序邏輯圖見圖13。

圖13 東向行駛邏輯

首先根據(jù)存留車輛數(shù)預(yù)置初始時(shí)間，單個(gè)車道時(shí)間控制表見表1。此處假設(shè)已檢測(cè)到東向車道存留車輛數(shù)為25，系統(tǒng)設(shè)置初始時(shí)間為15s。東向綠燈亮了15s后，東向超聲模塊組1開始檢測(cè)路口通行狀態(tài)。若檢測(cè)時(shí)間未達(dá)到5s，模塊組1在連續(xù)的0.5s內(nèi)沒有檢測(cè)到車輛通過并且其他路口有車輛等待，東向即亮黃燈3s，轉(zhuǎn)向?qū)ο乱粋€(gè)路口的控制;若檢測(cè)時(shí)間已達(dá)到5s，無論東向是否仍有車輛通過，東向也直接亮黃燈3s，轉(zhuǎn)向下一個(gè)路口的控制。這樣就可以減少無車車道的多余通行時(shí)間，縮短其余車道上車輛的等待時(shí)間，提高通行效率。

表1 單個(gè)車道時(shí)間控制表

人工手動(dòng)處理模塊：當(dāng)某個(gè)路口的車輛大于設(shè)定的限定值50時(shí)，說明此路口已經(jīng)進(jìn)入嚴(yán)重?fù)矶碌臓顟B(tài)，此時(shí)需要由交警進(jìn)行手動(dòng)控制。通過手動(dòng)控制硬件模塊，人工協(xié)調(diào)各個(gè)路口的通車時(shí)間，以確保擁堵交通下的道路行駛安全。

6、結(jié)語(yǔ)

以車流量檢測(cè)為基礎(chǔ)的智能交通燈控制系統(tǒng)，在道路設(shè)施一定、車流輛一定的情況下，對(duì)解決城市交通問題、提高道路利用率、提升交通自動(dòng)化水平和管理水平具有一定的意義。本設(shè)計(jì)投資少、制作簡(jiǎn)單、安裝方便、硬件穩(wěn)定可靠、功能實(shí)用，具有實(shí)際推廣應(yīng)用價(jià)值。