随着经济的发展，汽车数量越来越多，城市道路压力越来越大。交通信号灯作为管制交通流量、提高道路通行能力的有效手段，对减少交通事故有明显效果。而传统的交通灯采用固定的时间控制，不能根据车流量大小来控制红绿灯时间，经常出现通行时间与车流量不适应情况，不仅浪费了时间，容易造成“堵车”现象。为克服这种少车路口绿灯时无车通行或多车路口绿灯通行时间短而堵车等资源浪费的现象，本文采用超声计数的方式设计了一种实时监测车流量的智能交通灯控制，通过动态调节增加了灵活性和实用性。

1、系统结构

系统主要由微控制器模块、电源管理模块、超声车流量检测模块、红外遥控模块、十字路口交通灯组和以太网接口等几部分组成，系统整体框图如图1所示。系统在每个交通路口安装超声检测装置，单片机通过该装置实时检测路口的状态，根据程序逻辑控制交通灯组，实现对交通灯的智能控制。由于单片机的调控能力有限，在特殊的情况下需要交警进行手动控制。虽然现行使用的交通灯控制系统提供人为干预功能，但都是由交警在远离路口的交通灯机箱处进行控制，非常不方便，为此设计了红外遥控模块，交警在十字路口的任何地方都能够实现对交通灯的控制。

图1 系统整体框图

系统中预留了以太网接口模块。采集的数据可通过节点传输到交通部门的计算机主机，提供远程监测交通路口的状况功能，同时还允许对交通灯进行远程的控制，为交通系统的网络化、信息化管理奠定基础。

系统的MCU选择为MSP430F449，主要完成本系统对路口16个监测装置的信号检测，数据处理和对4个灯组的控制。

2、车辆检测

2.1、超声检测模块的安装

考虑到右转车道车辆可以直接通过，只在直行车道和左转车道上架设超声传感器。在每个方向的通道上均架设两组超声传感器，具体架设位置如图2所示。前一组紧挨停车线，检测驶离该方向通道的车辆数(下文中称其为超声模块组1);后一组架设在距停车线80～100m处(下文中称其为超声模块组2)，检测驶入该方向通道的车辆数。两者之差既是该时刻该通道上的车辆数，也是该通道等待通行的车辆数，此数据是控制该路口交通灯通行时间的依据。

图2 超声计数模块架设平面上示意图

2.2、超声计数模块

2.2.1、超声测距原理

超声波测距是通过超声脉冲回波渡越时间法来实现的。设超声波脉冲由传感器发出，经障碍物反射，到回波的接收所历经的总时间为t，超声波在空气中的传播速度为v，则从传感器到目标物体的距离D可用下

式求出：

D=t&mes;v/2 (1)

超声测距系统的原理框图如图3所示。

图3 超声测距系统的原理框图

2.2.2、超声计数原理

超声计数是超声测距技术的深化应用。超声测距模块架设在车道的上方，设无车时测得的距离是模块到地面的距离D1，有车时测得的距离是模块到车顶的距离D2，前后两次测得的距离差为ΔD。当车辆驶入超声模块的测量范围时，超声模块首先测得距离D1，下一周期测得距离D2，前后两次测得的距离差为ΔD=D2-D1<0;当无车通过、车辆通过的过程中距离没有任何变化ΔD=0;当车辆驶离超声模块的测量范围时，超声模块首先测得距离D2，下一周期测得距离D2，前后两次测得的距离差为ΔD=D1-D2>0。故每检测到一次ΔD<0，代表一辆车通过超声模块下方，从而实现对车辆的计数。超声计数原理如图4所示。

图4 超声计数原理

2.2.3、超声计数模块选择

本系统选择HC-SR04超声波测距模块来实现超声测距，该模块时序图如图5所示。模块回响电平的脉宽(高电平的时间)即测距渡越时间，测出脉宽并利用式(1)就能够实现对障碍物距离的测量。脉宽与距离之间存在线性关系，检测脉宽的改变，就能够实现对车辆的计数。

图5 HC-SR04超声波测距模块时序图

2.3、检测模块与MSP430的信号交互

由图5HC-SR04超声波测距模块时序图可知，HC-SR04与MSP430之间存在信号的交互：1个为超声模块触发信号，由MSP430输出到HC-SR04;另1个为回响电平，由HC-SR04输出到MSP430。实验测得的触发信号如图6所示，回响信号如图7所示(障碍物在2.1m处)。

图6触发信号

图7回响信号

由理论分析可知触发信号频率不能太高，否则会引起信号的混叠，导致误判;频率也不能太低，否则不能够实现对车辆的实时检测，故本系统选择触发频率为10Hz。

利用MSP430中TImerA、TImerB的捕获功能可以实现对回响脉冲的精确计时，进而通过内部程序算法实现对车辆的计数[7-8]。为了节省MSP430内部的定时器资源，将超声模块组1四个路口的回响信号分时[9]的输入到MSP430中。检测模块电路图如图8所示。

图8 检测模块电路图

2.4、误差分析

2.4.1、测距误差

本系统是以室温(15℃)时的声速(340m/s)计算距离的，而实际环境中的声速是随机量，有如下计算公式：

v=331.3+0.606c(2)

c为摄氏气温。根据式(2)知：

声速误差

Δv=(c-15)&TImes;0.606

有测距误差

ΔD=TΔv(3)

测距误差会引起车辆的误判，最终导致系统错误的分配时间。

为了消除此误差，系统不以某个固定的脉宽(对应某个固定的距离)为车辆判据，而以脉宽的显著变化为车辆的判据，由于温度相对测距时间是一个慢变量，在一辆车通过的时间内(1s)认为不变，此种处理方式可消除声速误差。

2.4.2、车辆的混道行驶误差

另一个会引起误差的因素是车辆的混道行驶。一种情况是右转的车辆通过模块2下方，使计数增加;一种情况是左转或者右转的车辆通过右转车道进入模块2和模块1之间的范围，使计数减少。但因其发生的概率很小，两种情况有互补作用，且少量的计数不准确不会对车辆的通车时间的设定产生很大的影响，因此可以忽略不计。

综上所述，系统的误差在允许范围内，不会对系统的功能产生很大的影响，系统可以达到智能调控交通灯的目的。

3、红外遥控模块电路设计

红外遥控模块核心部分是数据的编码发射和解码接收，本系统采用PT2262和PT2272红外发射接收芯片来实现上述功能。电路图如图9、图10所示。

4、交通灯驱动电路设计

交通灯组是大功率器件，不能直接由单片机驱动。系统利用继电器实现弱电控制强电，交通灯驱动电路如图11所示。

图11 交通灯驱动电路

5、系统软件设计

本系统的主控制程序由两部分组成：车流量智能处理模块和人工手动处理模块。主程序流程图如图12所示。

图12 主程序流程图

车流量智能处理模块：

程序分时对各个路口进行循环控制，下面以东向行驶车道为例说明，程序逻辑图见图13。

图13 东向行驶逻辑

首先根据存留车辆数预置初始时间，单个车道时间控制表见表1。此处假设已检测到东向车道存留车辆数为25，系统设置初始时间为15s。东向绿灯亮了15s后，东向超声模块组1开始检测路口通行状态。若检测时间未达到5s，模块组1在连续的0.5s内没有检测到车辆通过并且其他路口有车辆等待，东向即亮黄灯3s，转向对下一个路口的控制;若检测时间已达到5s，无论东向是否仍有车辆通过，东向也直接亮黄灯3s，转向下一个路口的控制。这样就可以减少无车车道的多余通行时间，缩短其余车道上车辆的等待时间，提高通行效率。

表1 单个车道时间控制表

人工手动处理模块：当某个路口的车辆大于设定的限定值50时，说明此路口已经进入严重拥堵的状态，此时需要由交警进行手动控制。通过手动控制硬件模块，人工协调各个路口的通车时间，以确保拥堵交通下的道路行驶安全。

6、结语

以车流量检测为基础的智能交通灯控制系统，在道路设施一定、车流辆一定的情况下，对解决城市交通问题、提高道路利用率、提升交通自动化水平和管理水平具有一定的意义。本设计投资少、制作简单、安装方便、硬件稳定可靠、功能实用，具有实际推广应用价值。

【相关信息】智能交通灯控制系统设计

一、智能交通灯控制系统的软硬件设计分析

在智能交通灯控制系统设计过程中，软件设计和硬件设计是两大核心设计部分，需充分掌握软件和硬件设计的技术方法，这样智能交通灯控制系统的整体设计才能够得到有效优化及完善。总结起来，智能交通等控制系统的软硬件设计技术方法及内容如下：

(一)软件设计

基于智能交通控制系统的软件设计过程中，主要涵盖了两大方面的设计：其一，汇编;其二VB。其中，汇编设计，主要使下位机的参数采集得到有效实现，同时使数据通讯得到有效实现，包括：违规车辆触发信号、温湿度等测量显示。而VB设计，则使串口通讯与图像采集卡的驱动得到有效实现，同时实现图像信息处理及存储，使上位机能够正常、可靠地运行。当然，在软件设计过程中，还区分了主程序与子程序，这两大程序涉及的内容包括：

(1)软件设计的主程序，主要对整个程序的执行顺序进行梳理，通过初始化，对地址进行合理分配，并使各个子程序的工作得到有效协调。

(2)软件设计的子程序，本程序包括了液晶显示子程序、温度显示子程序、湿度测量与显示、通讯以及图像采集等。对于液晶显示子程序来说，液晶显示为RT12232带中文字库，初始化、写指令、写数据、读数据为主要的编程过程，最终将所需的数据集图形显示出来。温度显示子程序，即温度DS18B20，属于单总线数字输出传感器，软件需对其进行初始化，主要发挥启动及读写的编程作用。对于湿度测量与显示来说，其中的湿度模块输出为模拟信号，通过ADC0809A/D转换成为数字信号之后，再经过软件换算，从而使与之相对的湿度值有效得出[2]。在通讯功能实现方面，通过汇编语言的发送，每一次将一组数据采集完之后便进行发送，接收采取VB编写，可以在图形窗口将该值显示出来。此外，对于图像采集来说，采取VB对图像采集卡的工作加以控制，实现对图像的采集处理及存储，从而使软件的图像采集处理功能得到有效实现。

(二)硬件设计

在智能交通灯控制系统中，硬件设计需将交通控制规则作为基础，进一步对单片机应用系统进行优化设计。硬件设计的主要目标包括：其一，使交通灯控制功能得到有效实现;其二，能够对传感器加以应用，完成相应的环境信息检测，经液晶显示系统将提示信息发布出来，例如：天气、路况等信息;其三，需具备紧急情况处理功能，例如：对图像采集卡加以控制、对违规车牌号进行抓拍等。

系统主要使用传感器对所需要测量的参量进行采集，然后把采集模拟量经A/D转换之后，向MCS-51单片机当中输入，值得注意的是如果采集量是数字量，则采取直接输入方法，然后进行相应的处理，进一步应用LCD液晶显示器把信息传输出去;应用MCS-51单片机当中的定时系统对红灯时序的实现进行控制，確保交通的规范性;如果出现车辆闯红灯的情况，那么将触发红外传感器，经串行通讯把信息传输至PC机当中，由驱动数据采集卡对抓拍违规汽车的牌号进行控制。

(三)系统软硬件设计评价

在智能交通灯控制系统软硬件设计中，为了确保整体系统设计的优化及完善，需注重方案设计、电路设计、硬件连接、程序设置以及系统调试等工作的积极开展[3]。加强对系统功能需求的分析，使整体设计方案体现出完善的特点;与此同时，需对系统的电路设计进行完善，使各大功能模块的设计体现出优化的特点，符合相关设计的基本要求;并使用单片机和PC机之间的通讯，使上位机和下位机之间的连接得到有效实现，进而使PV980m视频采集卡得到有效驱动，使道路交通状况的实时监控得到有效实现。

二、基于车流量的交通灯控制系统设计探讨

在上述分析过程中，认识到在交通等控制系统设计过程中，既需要重视软件部分的设计，同时也需要重视硬件部分的设计。为了更加深入掌握交通灯控制系统设计，下面重点对基于车流量的交通灯控制系统设计进行探讨，具体内容如下：

(一)设计的目的

随着城市人口的增加，交通流量也不断扩大，从而致使移动缓慢及交通堵塞。从交通控制角度分析，倘若未能采取有效控制措施，那么在交通流量超出规定范围内的情况下，便会形成交通堵塞，甚至发生交通事故等。为了使这些问题得到有效解决，便有必要对现有的交通基础设施进行扩大;与此同时，需认识到智能交通的优势，将车流量作为基础，优化设计交通等控制系统，一方面使车流量得到有效控制，另一方面使交通堵塞、事故发生等情况得到有效控制[4]。

(二)车流量检测分析

在基于车流量的交通灯控制系统设计过程中，做好车流量检测工作非常重要。比如：可以采取视频车辆检测方法，此方法对模式识别的相关原理加以利用，由路边摄像机对主要的交通监控视频进行捕获，十字路口部分把视频回送至当地的交通服务中心，然后交通服务中心对接收到的监控视频进行详细分析，进一步将相应的流量参数及事件信息获取出来[5]。对视频检测技术加以利用，能够保护目前的路基，使路基的维护成本得到有效控制，与此同时检测效果好，范围广;所以，在车流量检测过程中，便可以合理、科学地应用视频车辆检测技术。

(三)基于车流量的交通灯控制系统模拟

利用Java语言对基于车流量的交通灯控制系统的执行情况进行编写，然后将车流量与排队长度等相关信息输入进去，这样系统便能够以获取的数据对相应的算法进行执行，进一步获取绿灯时长，最终完成配时。此外，值得注意的是，基于不作操作的条件下，此模拟器的执行仅根据传统红绿灯的固定配时方案进行，红灯与绿灯的固定配时都将“45s”作为基准时间。

三、结语

通过本课题的探究，认识到智能交通是交通业发展的必然趋势，对于智能交通灯控制系统来说，其应用能够解决交通堵塞等相关问题，使交通更加通畅，控制交通事故的发生。因此，有必要重视智能交通灯控制系统的设计，将系统软件及硬件设计作为核心，使智能交通控制系统的功能得到有效实现。此外，结合此次研究，认识到基于车流量的交通等控制系统设计过程中，需明确设计的目的，进行车流量检测分析可应用到视频车辆检测技术方法，进一步利用Java语言对基于车流量的交通灯控制系统模拟，最终使交通灯控制系统在车流量控制中发挥显著作用。

参考文献

[1] 张维.基于单片机的可编程智能交通灯控制系统[J].电子设计工程，2016，04：171-174.

[2] 徐鑫，杨利亚，周磊，胡允森，郑建领.单片机智能交通灯控制系统的设计[J].电子世界，2013，23：23-24.

[3] 王贯安.基于AT89C51单片机的交通灯控制系统设计与仿真[J].硅谷，2014，07：24-37.

[4] 王晓娟.基于PLC的智能交通灯控制系统设计[J].机电一体化，2015，03：68-72.

[5] 郭秀珍，王丽丹，何真承，范玥，汪静，段书凯.基于自适应九点算法的智能交通灯控制系统[J].西南师范大学学报(自然科学版)，2017，03：157-162.