基于车流感知的新能源交通灯智能控制系统设计.pdf

第 17 期2023 年 9 月无线互联科技Wireless Internet TechnologyNo.17September,2023作者简介:孙丛丛(1990),女,山东聊城人,硕士,讲师;研究方向:微电网,智能控制,电子技术。基于车流感知的新能源交通灯智能控制系统设计孙丛丛(菏泽技师学院,山东 菏泽 274000)摘要:针对路口拥堵、道路通行效率较低的问题,文章提出并设计了基于车流感知的新能源交通灯智能控制系统,利用车流量监测传感器的信息融合与处理、双电源自动切换等关键技术,实现交通灯交替时长随车流量动态调整。首先,对新能源智能交通灯控制系统进行总体设计,采用 AT89S52 单片机作为控制核心以及常规电源、光储双路电源供电;其次,设计硬件电路,将单片机作为核心,构建集车流量收集、自动控制、信息处理、双电源自动切换的闭环控制系统。然后,设计软件程序,并对智能交通灯控制系统进行测试。最后,通过 Proteus 软件仿真及试验验证,结果表明,文章设计的系统实现了交通灯交替变换时间随车流量信息进行动态调整的功能,提高了路口通行效率,且在交通灯常规电源失电时,自动切换为光储电源供电,保障了交通灯的正常工作。关键词:智能交通灯;车流感知;光储电源;动态调整中图分类号:TN98 文献标志码:A0 引言 随着社会经济的高速发展,人民生活水平不断提高,汽车的普及率及保有量急剧增加,极大地改善了通行条件,但是由此引发的交通拥堵问题也日益突显1-3。近年来,为打造“交通强国”建设目标,我国不断出台相关政策,助力智慧交通的建设,以数字化、网络化、智能化为主线,不断推动交通基础设施数字转型、智能升级,助力交通更加高效、便捷4-5。在城市交通道路中,交叉路口是国内外最易发生交通拥堵和交通事故的地点,是诱发道路拥堵甚至影响城市交通网的重要因素。交通信号灯是保障道路交通有序顺畅的重要技术措施,自应用以来,其有效地疏导了交通,保障了车辆的有序通行,现已成为交通管理中至关重要的技术措施6-8。当前,大多数交通灯的切换时间是预先设定的,即无论车流量的多少,交通灯交替切换时间是预先设定、固定不变的,这就容易出现“绿灯时间过长而没有车辆通行”或者“绿灯时间过短而车辆不能通过路口”的现象,前者影响了交叉路口的通行效率,交通基础设施得不到充分的利用;后者会因为车辆积压,易造成交叉路口车辆堵塞,甚至会因为连锁反应影响到整个路段乃至整个诚实的通行效率。此外,当供电电源因突发故障或者临时检修时,交通信号灯失电更容易造成交叉路口通行的无序及堵塞。为此,本文提出并设计了基于车流感知的新能源交通灯控制系统,不仅实现了现有红绿灯的基本功能,还增加了车流量监测传感器,可以根据车流量信息动态调整交通灯交替时间;该系统将光储新能源作为交通灯控制系统的第二电源,凭借双电源自动切换技术实现秒级切换,具备缓解道路拥堵、提高道路通行效率和交通基础设施利用率以及促进社会节能减排等现实意义。1 系统整体方案 智能交通灯控制系统的总体架构主要由主控制器(MCU)、电源模块、车流量监测模块、LED 交通灯模块以及倒计时显示模块 5 个关键模块组成,其中主控制器采用 AT89S52 单片机,通过车流量监测传感器实时采集道路上的车辆信息,经同相对侧信息融合处理后,实时传至主控制器,再由主控制器经过运算处理,发出指令从而改变交通灯所分配的时间,使得交通灯的交替变化时间与道路车流量相匹配。电源模块采用常规电源与光储双路电源,实现秒级自动切换,保证交通灯的可靠电力供应。该系统总体框架如图 1 所示。图 1 系统整体框架本文采用先左转、再直行的逻辑顺序,主控制器通过判断最大通行时间与车流量传感器实时信息,在10 s 至 60 s 范围内动态调整交通灯通行时间,确保实现最大通行效率。交通灯控制系统工作逻辑如图 2所示,假设当前该路口的东西方向左转为绿灯,其余方向为红灯,东西左转方向的红外光电反射传感器进行工作,实时监测通行车辆,经过内部算法计算处理,控制通行时间。若在最大通行时间范围内判断无车辆通行,则进行倒计时显示,倒计时结束后转换为下03第 17 期2023 年 9 月无线互联科技智能控制No.17September,2023一通行状态;反之,若到了最大通行时间仍有车辆通行,为兼顾其他方向的车辆通行,交通灯直接进入倒计时,倒计时结束后转换为下一通行状态。以此循环,实现路口通行时长随通行车辆数目的动态调整。图 2 工作逻辑2 系统硬件设计 该智能控制系统硬件部分主要由 AT89S52 单片机、交通灯模块、数码管显示模块、车流量监测模块、电源模块等部分组成。2.1 主控制器 本系统使用 AT89S52 单片机作为核心控制模块。AT89S52 是一个高性能 CMOS 8 位微控制器,该芯片包含 8k bytes ROM 和 256 bytes 的 RAM,AT89S52 单片机在电子行业中有着广泛的应用9-11。2.2 交通灯模块 本系统采用 LED 灯作为交通控制信号灯源,因为 LED 照明灯具有亮度高、功耗小、寿命长、不发热等优越性能12。控制系统共有 24 个 LED 灯,每个路口各有两个红、黄、绿 LED 灯,分别表示左转以及直行方向的禁行、警示和通行信号。东西方向对侧同色的 LED 灯共用一个单片机 I/O 口,南北方向相同,LED 灯采用共阳极接线,阴极分别接到 AT89S52 单片机的 P1 口以及 P3 口的高四位,共 12 个 I/O 口。交通灯模块原理如图 3 所示。2.3 数码管显示模块 在交通灯控制系统中,倒计时对于驾驶员的提醒是十分必要的,本系统采用 4 个二位共阳极数码管12-13,负责东南西北 4 个方向交通灯的倒计时显示。数码管的阴极(段选端)接到 P2 口,阳极(位选端)接到 74HC573 芯片上,通过 P0 口低四位控制74HC573 芯片,起到驱动放大作用,从而实现主控制器对数码管的段控和位控。数码管模块原理如图 4所示。2.4 数码管显示模块 车流量监测模块的主要功能是实时监测车辆信息,作为微控制器的输入信号。目前,车流量监测可采用磁感应、红外、超声波、视频等技术,本系统采用了红外监测技术,其原理是红外障碍物探测技术,由图 3 交通灯模块原理 图 4 数码管模块原理13第 17 期2023 年 9 月无线互联科技智能控制No.17September,2023红外光电反射传感器构成车流量监测电路,将红外光电对管安装在车道中央,如图 5 所示。东西南北驶入路口方向的 8 个车道分别安装了红外光电设备,工作时,红外光电对管发出红外光,当道路上有汽车时,会反射信号并被接收,以此判断是否有车辆通行14。图 5 红外光电反射传感器布局2.5 电源模块 本系统采用双电源互补供电模式,在常规电源供电的基础上,增加了光伏储能新能源作为第二电源15-16,图 6 所示为双电源切换电路。在正常使用情况下,光储电源可作为常规电源的补充;在常规电源检修或故障时,可作为应急电源使用,保证电源异常情况下交通灯的正常工作。两种电源的合力搭配使用,既有利于推广利用新能源、推动社会节能减排,又最大限度地避免了交通灯因常规电源异常而导致的交通拥堵现象,提高交叉路口通行效率。图 6 双电源切换电路3 系统程序设计 交通灯控制系统软件核心逻辑是在最大设定通行时间范围内,读取路口两侧车流量监测数据,直至判断两侧均无车辆时,进行倒计时并在结束后切换为下一状态。系统程序流程如图 7 所示。图 7 程序流程 交通灯初始状态为东西方向左转为绿灯,其余均为红灯,若设定最大通行时间为 60 s,最短时间为10 s,绿灯最后10 s 启动倒计时显示模块,交通灯控制系统一旦进入倒计时状态,控制系统自动屏蔽车辆监23第 17 期2023 年 9 月无线互联科技智能控制No.17September,2023测信息,倒计时结束后自动切换为下一个通行状态。以东西方向左转为例,首先对各个模块进行初始化,具体实施方式为东西方向左转绿灯开始亮时,主控制器定时器开始工作,执行 T+运算,判断 T 是否大于Tmax(50),如果 T 大于 50,则直接执行倒计时显示功能,倒计时结束后切换为下一个通行状态。反之,T小于 50,执行 T+运算,并读取东西方向左转两侧车流量监测数据,如果两侧数据显示均没有车辆,则执行倒计时显示功能,倒计时结束后切换为下一个通行状态;如果任一侧有车辆,则进行循环判断。依据上述工作原理,控制系统在东西方向左转、直行、南北方向左转、直行 4 个状态依次往复循环,实现了利用车辆感知信息,自动调节交通灯通行、禁止时间的功能,实现了路口通行效率的最大化。4 Proteus 仿真与试验验证 利用 Proteus 软件绘制出仿真电路图,并用 Keil软件编写程序,进行 Proteus 与 Keil 仿真联调,通过仿真联调后,搭建出控制系统实物,如图 8 所示。图 8 交通灯模型为便于进行试验,首先对不同数量的车辆通过交叉路口时的通行时长进行分析,调研及调试结果如表1 所示。表 1 调试参数对比车流量/辆通行时长理论值/s实际值/s420206252582828103030123232为了测试系统功能,在实验室进行了多次实物仿真模拟,将固定时长交通灯切换时间设定为 30 s。第一次试验时,假设东西方向左转有 4 辆车,东西方向直行有 4 辆车,南北方向左转有 3 辆车,南北方向直行有 5 辆,试验结果如图 9 所示。此种场景下,若路口采用本系统,16 辆车均通过该路口需要用时 78 s;若采用现有系统,16 辆车均通过该路口需要用时 120 s,通行效率提升了 53.85%。图 9 第一次仿真结果对比第二次试验时,假设东西方向左转有 1 辆车,东西方向直行有 15 辆车,南北方向左转和直行各有 1辆车,试验结果如图 10 所示。图 10 第二次仿真结果对比此种场景下,本系统用时 65 s 保证了 17 辆车一次性通过该路口,而现有系统用时 120 s,仅能通过12 辆车,其中,东西方向有 10 辆车通过,仍有 5 辆车未通过,若东西方向直行来车更多,会因为连锁反应造成该路口交通拥堵。仅从通过车辆的数量以及时间进 行 分 析 计 算 可 知,本 系 统 通 行 效 率 提 升了 161.54%。第三次试验时,假设东西方向左转有 4 辆车,东西方向直行有 4 辆车,南北方向左转有 3 辆车,南北方向直行有 5 辆,路口交通灯常规电源出现故障,试验结果如表 2 所示。表 2 第三种场景验证对比项目本系统用时/s现有系统用时/s东西方向左转20东西方向直行20南北方向左转16南北方向直行22总用时78 此种场景下,本系统采用光伏+储能进行应急供电,交通灯正常工作,所有车辆通过该路口需要用时78 s;若采用现有系统,由于交通灯失电,造成了交通无序、拥堵的现象,通行时间更长。通过比较上述 3 种场景中的数据可知,本系统相较于定时长交通灯,不同场景下的交通通行效率均得到提高,明显减少了交叉路口中的交通拥堵现象;且33第 17 期2023 年 9 月无线互联科技智能控制No.17September,2023当交通灯常规电源失电时,可以迅速切换为光储能源供电,切实保障了交通灯工作的可靠性,避免了交通灯失电后的交通无序及拥堵现象。5 结语 为了提高交叉路口通行效率,减少交通拥堵现象,本文提出并设计了基于车流感知的新能源交通灯控制系统。文中详细阐述了其硬件原理及软件逻辑,该系统能够实现车流量实时监测、动态调整交通灯交替时长以及双电源自动切换等核心功能。经过仿真调试及试验验证,本系统相较于现有定时长交通灯,明显提高了交叉路口的车辆通行效率,当交通灯失电时,可以迅速切换为光储能源供电,切实保障了交通灯工作的可靠性,避免了交通灯失电后的交通无序及拥堵现象。参考文献1陈晨,陈长金.基于智慧城市的交通拥堵治理探讨J.黑龙江交通科技,2023(1):154-156.2杨强,杜芳芳,宋沁峰.结合自适应思想的智慧交通灯控制方法研究J.电脑知识与技术,2021(28):120-121,124.3许雪梅,刘娇娇,李涛,等.基于单片机的交通灯控制系统设计J.电子测试,2018(23):33-34,133.4中经视觉.交通强国J.经济,2023(6):12-13.5马琨.交通强国,智慧的路与聪明的车缺一不可J.汽车纵横,2022(12):39-42.6牛亚莉.基于单片机的智能交通灯控制系统设计J.电子设计工程,2020(18):136-139.7滕岳,李德月,刘洋,等.基于单片机的智能交通控制系统设计J.电子设计工程,2022(15):86-89.8殷玲,许永康.一种自适应交通信号灯系统J.物联网技术,2023(3):94-96.9于信生.基于单片机 AT89S52 智能窗的硬件设计J.科学技术创新,2023(5):217-220.10顾亚龙.基于 AT89S52 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overall design of the new energy intelligent traffic light control system is carried out using the AT89S52 microcontroller as the control core and dual power supply of conventional power and optical storage.Secondly the hardware circuit with a microcontroller as the core to construct a closed-loop control system that integrates traffic flow collection automatic control information processing and dual power automatic switching is designed.Then the software program is designed and the intelligent traffic light control system is tested.Finally carrying out Proteus software simulation and experimental verification the results show that the system has achieved the function of dynamically adjusting the switching time of traffic lights with traffic flow information improving the efficiency of intersection traffic and automatically switching to optical storage power supply when the conventional power supply of traffic lights loses power ensuring the normal operation of traffic lights.Key words intelligent traffic lights traffic flow perception optical storage power supply dynamic tuning43