基于车流量的智能交通控制系统的设计

高美蓉

(宝鸡文理学院物理与光电技术学院，陕西 宝鸡 721016)

0 引 言

随着社会经济的快速发展，据公安部交管局统计，截至2015年底，全国机动车保有量达2.79亿辆，其中汽车1.72亿辆；由于汽车数量的迅速增长，给人们的生产生活带来便捷的同时，也带来了交通拥堵和大气污染等一系列的问题。原来只有在城市有堵车现象，现在高速公路经常也会上演堵车大戏，原来只有在大城市堵车，现在中小城市也开始呈现出了极其严重的堵车现象，而且这种情况正在呈现出愈演愈烈之势。城市道路交通拥堵问题成为社会关注的焦点，交通灯是管理交通的重要工具。传统的交通灯虽然可以起到管理交通的作用，但随着城市道路的建设和机动车保有量的增加，表现出一些不足[1-2]：(1)红绿灯时间设定时主车道和副车道相同且固定，通常情况下在上下班高峰期时段，主车道由于车辆多，驾驶人需要等待几个红灯才能通过，而副车道车辆可以完全通过并且时间有空余。(2)缺乏应急措施，当有紧急情况出现时，应采取应急方案。例如特种车辆执行紧急任务时，应该保证交通畅通无阻。针对以上问题，在传统的交通灯的基础上，提出智能交通的概念，在传统交通灯的基础上增加了以下功能： (1)通过车流量的检测，自动调整主车道和副车道红绿灯的时间。(2)增加了应急按钮，当有特殊车辆执行紧急任务时，通过应急按钮保证特殊车辆通行。

1 系统设计

基于车流量的智能交通灯控制系统有以下几个部分构成：采用AT89C51单片机作为核心控制电路、利用对射式红外线光电开关进行车流量的检测电路，用LED灯分别作为东西南北各个路口的显示电路、用两位的数码管作为东西南北各个路口的倒计时时间显示电路、利用单片机的实时中断完成特殊车辆通过的应急开关电路。系统组成框图如图1所示。

图1 系统组成框图

利用对射式红外光电开关进行主车道车流量的检测，对射式红外光电开关与单片机的外部计数端口T0连接。对射式光电开关由红外发射器和接收器组成，红外发射器发出红外线，接收管接收到红外线时送给单片机一个高电平信号，当有车辆通过时，接收管接收不到红外线时，送给单片机一个低电平信号。通过外部计数端口T0送入单片机完成计数，单片机根据车流量的大小调整红绿灯的显示时间。设置按键，通过按键控制设置三种紧急状况：东西通行、南北通行、东西南北都不通行。4组红黄绿LED灯显示红黄绿灯的状态，4组2位的数码管显示倒计时时间。东西方向、南北方向交通红黄绿灯时长分配如表1所示[3]。

2 硬件电路设计

2.1 电源设计

本设计需要提供两种稳定电压：一种为图2所示，220 V电压通过变压器和整流滤波电路，再通过三端稳压器MC7805输出+5V电压给单片机供电；一种为图3所示，220 V电压通过变压器和整流滤波电路，再通过三端稳压器MC7812输出+12 V电压给对射式红外光电开关供电。

表1 红黄绿灯时长分配表

图2 +5 V三端稳压电源

图3 +12 V三端稳压电源

2.2 最小系统电路

核心控制电路采用的是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机AT89C51[4-6]。由单片机、晶振电路和复位电路构成了单片机最小系统。单片机最小系统指的是用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。在单片机最小系统的基础上增加外围设备，例如：LED灯、数码管、按键、红外光电开关等。通过对单片机编程就可以实现智能交通灯的控制。

2.3 车流量检测电路

采用对射式红外线光电开关HJS18-M14DNK检测车流量。对射式红外线光电开关由红外发射器和接收器组成，其工作原理是：红外发射器发出红外线信号，接收器接收到信号输出高电平，接收器未接收到信号输出低电平。当有车辆通过发射器与接收器之间时，阻挡了红外线的接收，因此接收器输出低电平。输出信号与计数器1的外部输入端P3.5相连，送入单片机。同时单片机T0口对其定时，在设置的一段时间内(如1分钟)，通过单片机定时器T0的溢出中断，对输入信号按照下降沿触发方式进行计数，完成车流量的统计，根据车流量的大小转去执行相对应的程序。

2.4 红绿灯显示模块

交通灯是由红灯、黄灯、绿灯组成。红灯亮表示禁止通行，绿灯亮表示允许通行，黄灯亮是绿灯过渡到红灯的提示灯，表示已经驶过安全线的车辆可以继续通行，其余车辆禁止通行。本系统的设计中在东南西北四个路口各设置了一组红绿灯。分别用红色、黄色、绿色的LED灯表示。由于东西方向显示一致，用P1.3控制东西方向的绿灯，P1.4控制东西方向的黄灯，P1.5控制东西方向的红灯。南北方向显示一致，P1.0控制南北方向的绿灯，P1.1控制南北方向的黄灯，P1.2控制南北方向的红灯。输出高电平时，指示灯亮。

2.5 倒计时时间显示模块

采用四个两位的共阴极LED数码管显示东西南北方向的倒计时时间。用P0口的P0.0-P0.6控制四个数码管的七段的状态，南北方向的倒计时时间相同，用P2.0和P2.1连接南北方向LED灯的位选端，东西方向的倒计时时间相同，用P2.2和P2.3连接东西方向的LED灯的位选端。两位的LED数码管的显示方式采用动态显示。每一位LED数码管通过位选端控制，一位一位地轮流点亮各位数码管，使数码管轮流导通显示。采用循环扫描的方式，当扫描速度达到一定程度时，人眼就分辨不出来了。利用人眼的“视觉暂留"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，人眼看到的就是一组稳定的显示数据，认为两位的数码管同时显示。

2.6 应急开关模块

设置应急开关按钮，当有特殊车辆通过时，通过应急开关按钮设置东西方向通行，南北方向禁止通行；东西方向禁止通行，南北方向通行；东西方向和南北方向都禁止通行。电路仿真测试中，可以用按键模拟车流量的输入，红绿灯的状态用单片机控制，两位的数码管显示倒计时的时间。智能交通控制系统电路图如图4所示。

3 系统软件

系统软件是在Keil C51的环境下完成程序设计，由主程序、控制子程序和中断程序等部分组成。主程序完成对系统的初始化，然后进行连续按键扫描，流程图如图4所示。初始化函数包含液晶、定时器、外部中断和串口中断初始化以及打开总中断、设置中断优先级等。

3.1 主程序流程图

主程序开始先进行初始化，通过键盘扫描进行判断有没有紧急状况，如果有紧急状况或特殊车辆通过，转去执行相应的程序：如果K3按下，东西南北方向都禁止通行；如果K2按下，南北方向禁止通行；如果K1按下，东西方向禁止通行。如果没有特殊状况，进行主车道车流量的检测，如果每分钟车流量大于30，东西方向绿灯延时20 s；如果每分钟车流量大于20，东西方向绿灯延时10 s； 如果每分钟车流量小于20，红绿灯按照正常状态变化。主程序流程图如图5所示。

图4 智能交通控制系统电路图

图5 主程序流程图

3.2 红绿灯和时间显示流程图

图6 红绿灯运行状态图

红绿灯运行状态如图6所示，正常状态下，状态1东西方向绿灯25 s，南北方向为红灯30 s，当东西方向绿灯显示时间减为零，变为状态2东西方向变为黄灯5 s倒计时，南北方向为红灯5 s；当显示时间减为零，变为状态3东西方向变为红灯20 s倒计时，南北方向为绿灯15 s倒计时；当显示南北方向为绿灯时间减为零，变为状态4东西方向变为红灯5 s倒计时，南北方向为黄灯5 s倒计时，当显示时间减为零，回到状态1继续执行。倒计时时间显示流程图如图7所示。

3.3 中断程序流程

图8 中断程序流程图

车流量监测通过采用对射式红外线光电开关，将信号送入单片机的计数器1的外部输入端P3.5，同时定时/计数器0进行定时，将检测到的1分钟的计数值，送给车流量变量。主程序根据车流量变量的值执行相应的程序。计数器1清0，开始重新进行计数。中断程序流程如图8所示。

4 结束语

本系统采用了单片机作为核心控制器，提高了系统的可靠性和稳定性，并且系统的调试和维护方便。 另外，本系统于采用了车流量检测系统，红绿灯的显示时间是动态的，使十字路口更加畅通，避免了现有的交通灯系统的红绿灯显示时间固定所带来的不便，大大提高了道路的利用效率[7]；还引用了外部中断技术，使紧急车辆得以及时顺利通过。 而且，本系统结构简单、可靠性高、成本低、实时性好、安装维护方便，传感器在实际中也很容易实现。具有相对较强的应用价值,值得推广使用。

[1] 窦广健.基于车流量的智能交通灯控制系统[J].城市地理,2016,9(8)：194.

[2] 章伟,张代远．基于车流量的交通灯控制系统设计[J]．计算机技术与发展,2015,25(5): 196-199.

[3] 诸一琦,程钦,吴丹程,等.基于车流量的智能交通控制系统设计[J]. 常州大学学报(自然科学版), 2013,25(4) ：83-87.

[4] 温志达,梁桂荣,陈碧铭,等.基于车流量的智能交通灯控制系统[J]. 自动化技术与应用, 2009,28(6):115-118.

[5] 金茂菁.我国智能交通系统技术发展现状及展望[J].交通信息与安全,2012,30(5)：1-5.

[6] 姚林芳.交通灯智能控制系统的设计与实现[J].电脑知识与技术,2008,4(5)：1234-1237.

[7] 何玲,吴恒玉,唐民丽.基于单片机的智能交通灯控制系统的研究与设计[J].电子设计工程,2011,19(22):144-146.