自适应交通信号灯控制系统设计

分类：交通运输论文发表 时间：2020-09-25 10:21 关注：(1)

　　文章采用51单片机设计了一款能够根据车流量的实际情况而自适应地进行时间调节的交通灯控制系统。系统不仅能实现传统定时交通灯的功能，还能自动根据车流量的动态变化，自适应的调节红绿灯时间。同时，系统还增加了正常、深夜、紧急等多种模式，增强了在实际应用中的实用性。

　　关键字：单片机；自适应交通信号灯；控制系统

　　随着社会上汽车保有量不断增长，城市道路交通拥堵现象也愈发严峻。改善城市道路交通拥堵，优化城市道路通行能力，交通信号灯在其中扮演了重要角色。目前，在很多路口使用的交通灯仍是传统固定时长的，其定时时间是事先设定好的，并不能根据路口车流量的变化，进行动态调整，这是目前城市道路十字路口车辆通行效率较低的原因之一[1-2]；同时，国内十字路口行人、非机动车辆通行数量较多，路况更为复杂，如遇到一些突发紧急情况无法及时处理，该路口就会出现大面积拥堵，影响整个道路车辆通行能力[3]。因此，研发一种能根据十字路口车流量动态变化，自动调整红绿灯时间、且具有多场景应用模式的交通灯控制系统就显得尤为重要。基于此，文章设计了一款基于51单片机的自适应交通灯控制系统，该系统不仅能够根据十字路口车流量的动态变化，自动调整各个行车方向的红绿灯时长，有效提升路口车辆通行能力；而且具备紧急、深夜、禁行等多场景应用模式，能根据突发情况，切换到相应模式，避免路口出现瘫痪、大面积拥堵等情形。

　　1总体方案设计

　　文章所提及的基于51单片机的自适应交通灯控制系统主要由五个部分组成，分别为交通灯显示模块、时间显示模块、应用场景切换模块、主控模块以及车流量检测模块，系统结构框图如图1所示。该系统的主要功能为：车流量检测模块实时采集当前绿灯通行相位及下一个通行相位车流量数据，并送入主控模块中判断分析；如果当前绿灯通行相位的排队车辆数与下一个通行相位的车辆排队数量相比，大于某一个设定值，则根据该设定值自动延长当前绿灯通行相位的绿灯时间，并将其传送给交通灯显示模块及时间显示模块进行显示，从而实现动态调整路口各个行车方向红绿灯时长的功能；同时，通过应用模式切换模块，可以调整系统当前应用场景、比如将路口设置为紧急通行状态、设置为深夜黄灯闪烁状态等。

　　2硬件系统设计

　　2.1主控模块

　　主控模块主要由STC89C52单片机、复位电路、供电电路及晶振时钟电路组成。主控模块的功能是作为系统的中枢，收集车流量检测模块采集的车辆排队数以及应用模式切换模块的输入数据，进行分析判断，将结果输出至时间显示模块及交通灯显示模块，实现动态调整十字路口红绿灯时间以及当前应用场景切换功能。

　　2.2显示模块

　　显示模块主要包括时间显示模块和交通灯显示模块两个部分。时间显示模块主要由东西南北四个方向上的2位七段数码管组成，其功能主要是完成红、绿、黄三色交通信号灯倒计时显示；交通灯显示模块主要是由东南西北四个方向上的红、绿、黄三色LED灯组成，用于指示十字路口各个相位的通行状态。

　　2.3车流量检测模块

　　车流量检测模块主要是为了实现对进入十字路口各个车道的车流量进行统计。整体设计思路是：分别在东南西北各个方向的左转车道及直行车道上各布置两个车辆检测器（前端检测器和后端检测器），两个检测器间距200米；通过这两个检测器，就能计算出任一时刻，进入当前绿灯通行相位左转车道、直行车道的车辆数，以及下一个通行相位左转车道、直行车道的车辆数。本文不对车辆检测器进行具体研究，通过按键模拟完成每个车道车辆数的统计（即在每个车道上布置两个按键，前端按键和后端按键，当前端按键按下一次，说明当前车道有一辆车从本车道驶出；当后端按键按下一次，说明当前车道有一辆车进入车辆数量统计路段）。

　　2.4应用场景切换模式

　　应用场景切换模式用于设置系统运行模式。本系统提供正常运行模式、紧急通行模式以及深夜运行模式等多种应用场景。在正常运行模式下，系统能够根据十字路口车流量的动态变化，自动调整各个行车方向的红绿灯时长；而当十字路口出现紧急情况，只允许其中一个行车方向的车辆通行时，则可以通过按键将系统切换至紧急通行模式；若该路口深夜后，车流量较少，不需要红绿灯指引，还可以通过设置，在指定时间内，系统处于深夜运行模式。

　　3系统软件设计

　　文章在软件设计时，采用交通信号灯模糊实时配时算法[4]。在Matlab软件提供的模糊控制箱中输入当前绿灯通行相位车辆排队数量、下一相位车辆排队数量，并将当前绿灯通行相位的绿灯延迟时间设置为输出；同时，按照操作步骤配置好模糊规则及隶属度函数，在Simulink系统中进行测试仿真，则能得到一份清晰的模糊规则控制表。通过查询该表，主控模块就能根据当前绿灯通行相位的车辆数和下一相位的车辆数，分析判断出是否需延长当前通行相位绿灯时长。表3-1是部分清晰化后的模糊规则控制表，Qn表示当前绿灯相位的车辆排队数，Rn表示下一相位的车辆排队数，Ty表示当前通行相位的绿灯延时时长。通过该表可以得知，当Qn=11时，绿灯延时时长Ty为8s；当Qn=13时，绿灯延时时长Ty为10s；当Qn=15时，绿灯延时时长Ty为12s.我们设定每个通行相位绿灯初始时长是20s。当车流量检测模块采集到当前绿灯通行相位的车辆数是12时，下一相位车辆数是4时，通过查表可得当前相位绿灯延迟时长为10s，即当前相位绿灯总时长为30s。结合完整的清晰化后的模糊控制表[4]，通过查表也能获得当前通行相位的车辆数小于下一通行相位的车辆数时，当前通行相位绿灯延时时长为0或者是一个比较小的数值。系统软件设计流程图如图2，系统初始化后自动进入正常模式运行，根据各个行车方向上车辆数量的多少进行分析判断是否延长当前绿灯通行相位的绿灯时长，然后送到显示模块显示。如果系统检测有按键按下时，则进入紧急通行模式或深夜通行模式；紧急通行模式下，路口各个方向均亮红灯，只允许特殊车辆通过；深夜通行模式下，路口各个方向均亮黄灯，提醒过往车辆安全驾驶；如果要退出紧急通行模式或深夜通行模式，则只要按下退出键，则系统回复至正常模式下工作。

　　4结论

　　本文以51单片机为核心，采用交通信号灯模糊实时配时算法，设计了一个自适应交通信号灯控制系统。该系统不仅能自动根据车流量的动态变化，自适应的调节十字路口红绿灯时间，有效提升城市道路交叉路口通行效率；而且还增加了禁行、紧急通行以及深夜运行等多种管理模式，具备多种应用场景，能对十字交叉路口进行更为有效的管理，是交通信号灯控制系统设计的另一种可行性方案。

　　参考文献

　　[1]刘燕.基于车流量检测的交通灯控制系统设计[J].智能计算机与应用,2018,8(2):148-150.

　　[2]胡瑞楠.基于51单片机的智能交通灯系统设计[J].通讯世界,2018,(8):252-253.

　　[3]占雅聪,刘宽,施忠祥,徐颖秦.基于单片机的智能交通灯控制系统设计[J].电子测试，2020.8,2(6):15-16.

　　[4]张永志.交通信号灯模糊控制实时配时算法研究[J].现代信息科技,2019.11,3(21):51-53.

　　作者：张永志