智能行人闯红灯预警系统的设计
2022-08-02郭怡琳刘姝冉梁瑞
郭怡琳，刘姝冉，梁瑞
（西安翻译学院，陕西西安，710105）
0 引言
随着社会进步、交通发展，交通环境变得更加复杂，交通问题也变得更加严峻，行人闯红灯行为便是其问题之一。防止行人闯红灯系统能够通过提升行人的交通安全意识，让人们养成不闯红灯的习惯等方式，保障行人自身安全、维持交通稳定、维护社会秩序，从根本上减少行人闯红灯行为的发生，解决行人闯红灯问题。
国内面对闯红灯行为也是方法多多，例如语音警示行人，对此闯红灯行人拍照罚款、发短信警告等多种制止方法。为拥有良好交通环境，防止行人闯红灯系统势在必行，其能够有效地实施，加深行人的交通安全意识，利于培养行人不闯红灯、遵守交通法则的良好的习惯，同时也为交通秩序的其他方面节省了大量的人力物力。
1 系统整体设计
1.1 设计原理
本系统运行初进行定时器初始化、PWM初始化、语音模块初始化，同时执行红绿灯模拟系统[1]。根据红绿灯状态判断行人是否闯红灯，之后对水泵系统和语音提示系统发出相对指令，控制整个系统的运行，一个阶段完成后，系统进行初始化，开始下一阶段指令运行的无限循环系统。系统整体运行框图如图1所示。
1.2 硬件电路设计
本系统系统硬件电路的设计方向包括对行人前进方向的判断、实现对红绿灯状态的读取以及实现语音播报模块控制。系统由五大模块组成：电源模块、最小系统模块、语音提示模块、双红外对管检测模块、水泵控制模块。本系统采用5v电源作为供电源，维持系统正常运行[2]。硬件组成框图如图2所示。
图2 硬件组成框图
1.2.1 单片机最小系统模块设计
本系统作为最小系统模块主要选用STC15W401AS芯片作为控制芯片，STC15W401AS芯片工作电压在5.5V~2.5V，共8通道10位高速ADC、3通道捕获、比较单元（CCP/PWM/PCA），速度可达30万次每秒。STC15W401AS芯片性能高、成本低，功耗低利于大面积应用，且抗干扰能力强，系统能够稳定运行，更重要的是，STC15W401AS芯片的内部指令比传统的89C52单片机快8至12倍，能减少系统运行等原因造成的延误。STC15W401AS芯片引脚图如图3所示[3]。
图3 芯片引脚图
1.2.2 语音提示模块的设计
语音播报模块是DYSV5W智能语音模块，拨码开关设置简单，单片机通过控制I/O组合触发指定的曲目后释放，当前曲目播放完后停止；如果播放途中重新触发，则播放新的曲目，曲目播放玩后停止；如果播放途中一直触发，则循环播放。语音播报接口如图4所示[4]。
图4 语音播报接口
1.2.3 双红外对管检测模块的设计
本系统由两个双红外对管组成，双红外对管由红外发射二极管和红外接收二极管构成。红外对管和常见的圆形发光二极管很像，使用时要注意红外发射管和红外接收管的极性，较长的引脚为正极，在引脚无法判断时，可以通过电阻判断出极性[5]。
红外发射电路由电阻、PNP三极管、红外发射管LED构成；红外接收管由亿光3638、电容、电阻组成。双红外对管电路图如图5所示[6]。
图5 双红外对管电路
红外接收电路选用亿光3638红外线接收头，接收红外发射电路发出的信号。亿光3638功能相对稳定，抗干扰能力强，适合应用在相对复杂的环境中。
1.2.4 水泵控制模块的设计
本系统用电机代替水泵模拟水泵控制系统，主要由电机、二极管D1、NPN三极管、Res1组成。Res1主要对控制电路进行限流，防止电路中电流过大击穿NPN三极管[7]。电机相当于电感，二极管D1与电机构成续流电路，释放电机储存的能量 ，防止集电极超压，击穿NPN三极管。Res1和二极管都对NPN三极管由保护作用，防止其被击穿。水泵控制电路如图6所示。
图6 水泵控制电路
1.3 软件设计
本系统的整个系统软件的设计利用KEIL C51软件进行。KEIL C51软件是一款强大的仿真调试C语言软件， 集编译器、宏汇编等多种仿真调试器于一体。运行KEIL软件需要WIN98、WIN2000等操作系统[8]。整个系统的总体可分为定时器初始化、PWM初始化、语音模块初始化、红绿灯模拟、语音播报、水泵控制几个部分。KEIL C51软件主要对红外对管发射与检测算法、水泵PWM控制水流量算法、语音播报控制算法进行设计、编写。程序流程图如图7所示。
图7 程序流程图
2 系统调试验证
2.1 调试验证采用方法
本系统通过黑盒测试和白盒测试两部分对系统的实物和程序进行验证测试，保证系统的正常运行。实物部分采用黑盒测试，对系统实现的各功能模块进行对应的测试，判断各功能模块是否正常工作。通过实验验证，程序是否能够正确接收输入响应、产生输出响应。按照系统的功能需求列表，遍历测试每个功能模块，经过多次验证得出实验结论。程序部分采用白盒测试，通过输入多组数据，力使程序中的每一个逻辑分支，甚至每一条语句都被执行，得出期望结果[9-10]。
2.2 调试验证结果
硬件调试验证采用黑盒进行，对不同按键进行操作，查看相应的模拟LED灯是否正常运转。测试结果如表1所示。
表1 测试结果
5 绿灯 过马路 语音提示绿灯；水泵无响应语音提示绿灯；水泵无响应6未过马路 语音无响应；水泵无响应 语音无响应；水泵无响应
3 结论
本文设计的智能行人闯红灯预警系统主要由主控制系统、语音提示系统、红外感应系统、水泵控制系统等组成。整个系统利用现有的红外对管技术感知外界信息的变化，瞬时发现闯红灯的行人，通过自动控水系统和语音提示系统相结合，将语音提示与水流示警充分结合，提升行人交通安全意识，养成行人不闯红灯的良好习惯。本系统采用水泵流水设计、不会对行人造成实质性伤害，更易被人们接受，结合语音提示设计，使得行人闯红灯的概率降低。本系统成本低，安全性高，发展空间很大，便于被广泛实施。
