智能压力红绿灯

四川师范大学工学院 陈祎林 沈林松 苏云垒 郭 力 张慧娴

1.绪论

1.1 设计来源

随着经济的不断发展，城市里面的机动车越来越多，随之而来的问题也层出不穷。其中一个较为严重的问题就是在交通中，对于行人和机动车通行马路的协调问题。前几年有一个热门的词，叫做“中国式过马路”，这虽然是对国民素质的一种调侃，但不可否认的是路口的红绿灯本身就存在着一定的问题即切换时间不合理，这不仅没有起到促进交通的作用反而会使人们的心情浮躁，进而产生了“中国式过马路”这种不合理的现象。通过对路口的观察我们不难发现在一个红绿灯路口行人进入等待区主要是由图1所示的1、2、3三个面进入。而过马路主要是由4这个面出去。由此本文设计了一个通过反射式光电传感器和压力传感器统计人数的系统，通过人数来合理调整红绿灯时间的智能红绿灯，同时在4这个面检测有无行人闯红灯。这样就能有效的改善现有普通红绿灯的很多缺点，比如：切换时间不合理、缺乏行人闯红灯的检测装置。

图1 路口示意图

1.2 反射式光电传感器与电阻应变式压力传感器简介

1.2.1 反射式光电传感器

自带一个光源和一个光接收装置，光源发出的光经过待测物体的反射被光敏元件接收，再经过相关电路的处理得到所需要的信息。可以用来检测地面明暗和颜色的变化，也可以探测有无接近的物体。

图2 反射式光电传感器

图3 反射式光电传感器人数统计流程图

1.2.1 电阻应变式压力传感器

电阻应变式压力传感器是一种利用电阻应变效应，将力学量转换为电信号的结构型传感器。电阻应变片是电阻应变式传感器的核心元件，其工作原理是基于材料的电阻应变效应。

图4 压力传感器人数统计流程图

电阻应变片式传感器有以下特点：

（1）应用和测量范围广，应变片可制成各种机械量传感器；

（2）灵敏度和精确度较高；

（3）结构简单，环境适应性强，频率响应好；

（4）价格便宜，易于大量应用。

1.3 国内外红绿灯研究现状

现今应用于道路上的大部分红绿灯主要是传统的红绿灯，也就是日常生活中见到的红灯和绿灯的保持时间不变的红绿灯，这种红绿灯不会随着路口的人流量的变化而变化，存在较大的缺陷。还有一种正在试运行的一种红绿灯，由一个摄像头拍摄路口的实时情况通过与程序中预定的人和车的轮廓相比较统计当前路口的人流量与车流量然后经过一系列复杂的算法来调整红绿灯时间，这种红绿灯价格不菲且需要后台处理的数据较大，存在一定的延迟。此外，还有很多种类的红绿灯，如：基于微波检测的单片机智能红绿灯、基于超声波传感和模糊算法的智能红绿灯等等，这些红绿灯大都造价比较昂贵，条件要求苛刻，不适于大范围推广。

1.4 本文研究内容

本文的研究方向就是基于STC89C52单片机设计一个结构简易、性能稳定、价格便宜的红绿灯。此系统采用STC89C52芯片，对红外传感器和压力传感器采集的信号进行处理。采用反射式红外传感器，由于遮挡导致光信号的变化从而导致电信号的变化。采用电阻应变式压力传感器，由于压力变化导致电阻的变化从而导致电信号的变化。设计一个电路用红外传感器和电阻应变式压力传感器来统计当前路口的人数，根据人数对红灯和绿灯的保持时间做出合理的调整，以达到合理改变路口红绿灯时间的目的。

2.系统设计概述

2.1 硬件系统设计

2.1.1 系统结构流程图（见图5）

2.1.2 反射式红外传感器人数统计原理

在一个路口人进出的面共有四个，在与斑马线连接的那个面上安装一个反射式红外传感器用于检测是否有人闯红灯，其仅在红灯时工作。在其余三个面上分别安装上两个反射式红外传感器用于统计人数，一个用于统计进入的人数，另一个用于统计出去的人数，一个面的人数为进入的人数减去出去的人数，见图1。最终将总人数送入的单片机内部与压力传感器统计出的人数进行加权得出路口当前的比较准确的总人数。当然得到的人数并不是最准确的人数，例如，当有几人并排通过红外传感器时单片机只接收到一个信号即人数只加一，这就造成了红外传感器统计人数的误差，所以这时候就需要结合压力传感器统计的人数来加权得出比较准确的人数。

图5 系统结构流程图

2.1.3 应变式压力传感器人数统计的实现

压力传感器同样也是用于测量人的重量，其放置于地面上且面积大于红外传感器所围成的面积，避免有行人站在红外传感器区域外等待红绿灯而无法统计，这大大降低了测量人数的误差。压力传感器测量的是路口行人的总重量，用它除以人的平均体重得到当前路口的人数，在单片机内与红外传感器得到的总人数进行加权得出一个比较准确的人数。

2.1.4 紧急按钮简述

当道路上发生交通事故或者有其他紧急情况时用于快速切换红绿灯，人行道和车辆行驶的道路上的红绿灯全部变为红灯，同时启动声光报警装置。用于提醒行人和司机有紧急情况发生。这样能有效避免对伤者的二次伤害以及造成道路的持续堵塞，能有效降低事故的再次发生。紧急按钮设置与1.5米高处（参考国外的设计）同时设置警示标志，并且需要按下一定的时间才能触发即在程序中设置适当的延迟，这个高度发生紧急情况时便于按下，同时又能避免由于一些不确定因素导致按钮被按下，如：儿童玩耍时按下。

2.1.5 行人等待区简述

本文划定了一个行人等待区，其所占区域即为压力传感器所占区域。划设行人等待区有很多好处，例如以下几点：

（1）引导广大市民增强文明出行的意识。

（2）保障了行人、车辆的通行安全。

（3）减少了交通事故的发生。

2.2 软件系统设计

图6 软件流程图

（1）采用红外传感器和压力传感器进行人数统计。

（2）实现红外传感器统计的人数与压力传感器统计的人数的合理加权得出总人数。

（3）设定一个运行周期以计算这段时间内每天的平均人数，作为调整红绿灯时间的标准。

（4）将数据在单片机内整理好后在LCD上显示出当前人数，并用此数据控制红灯和绿灯的保持时间。

（5）设置一个紧急按钮，出现突发情况时用于将交通灯变为红灯。

（6）设置一个检测装置，用于检测红灯时是否有人强行闯红灯，若检测出有行人闯红灯则触发声光报警用于提醒行人不要闯红灯。

2.3 系统调试

2.3.1 硬件调试

按照电路图焊接好后，上电调试。首先，调试红外线人数统计部分，能正确显示进和出的人数以及总人数。然后，调试压力传感器部分，能正常显示出总的重量。最后，整个系统一起调试，能显示出总人数，与实际模拟的人数存在一定的误差。若按理想状态运行，不会产生误差。但道路上的情况比较复杂可能会出现各种各样情况，模拟各种情况时发现存在一定的误差，且情况不同误差大小不同。

2.3.2 软件调试

本文采用的软件是Keil uVision4，调试过程中发现了红外传感器统计人数部分的程序存在不能三个面同时统计人数的问题，这大大影响了人数的准确度，最后通过改变算法减小了误差。

3.结论

本文主要研究了将现有的普通红绿灯智能化，通过红外传感器与压力传感器来统计路口当前的人数再通过程序来合理调整红绿灯的时间，这改善了普通红绿灯的缺陷，有效降低了交通事故发生的几率。通过实验我们发现在统计人数时仍然存在误差。如：

（1）在红外传感器统计人数时如果有行人长期遮挡红外线，则统计时就会出现较大的误差。

（2）红外线传感器统计的人数与压力传感器统计的人数存在较大差异，各自占的比重很难选取。

同时，由于路口情况很复杂虽然我们采取了模拟汽车衡的方式安装，但这并不能保证这个装置不会损坏，毕竟在道路上应用其耐久度是一个不得不考虑的因素。采取地上衡的安装方式（可以放置在坚实地面上进行称量，也可安放在浅基坑上或在其两侧加装带有一定坡度的引道）安装于地面上时便于维修，但会在路面上存在突起有一定的危险因素存在。安装于浅基坑则恰恰相反，没有突起不存在危险因素，但不便于维修。

然后，划设了一个行人等待区，即压力传感器所占的区域。这样既避免了一些危险因素（如：行人在路口等待红绿灯时随意站阻碍正常的交通，同时可能造成交通事故），又方便统计人数，人们都站在行人等待区内就能大大减小人数统计的误差。

通过一定的扩展本文的研究可以应用到实际道路上。我认为可以在以下几个方面做一些改进：

（1）改进对红外传感器人数统计部分的程序设计。

（2）对红绿灯控制部分加以改进。

（3）采用新型安装方式，达到既方便维修又可以减小危险系数的效果。

（4）采用新型材料，提高其耐久度。