基于小波束角超聲測距的自適應式交通燈控制系統研究與設計

廉志凱

（秦皇島職業技術學院，河北 秦皇島 066100）

0 引言

國內外城市交通壓力的日益增大，智能交通系統（英文簡稱“ITS”）的研究逐漸成為熱點。10多年來，交通信號燈的自適應控制作為ITS研究的一部分，也由探索階段進入到了工程應用階段[1]。但目前，自適應式交通燈控制系統并沒有發展到成為一種易于推廣的產品階段。基于此，本文將從成本低、易實施、有推廣性的角度來介紹自適應式交通燈控制系統的研究和設計。

目前10余種檢測技術中，視頻檢測技術、微波雷達技術、超聲波技術優勢較明顯[2]。從我國目前的國情和ITS技術現狀的角度分析，超聲波檢測技術實現原理簡單，對系統調試的要求不高，體積小，便于安裝、移動和后期維護。視頻技術與微波雷達技術的科技含量高，目前中小型企業還沒有跟上，必然影響這兩種重要技術的普及。相比之下，超聲檢測技術的方法更容易普及（見表1）。

表1 三種檢測技術的比較

1 硬件設計

1.1 系統組成及安裝

本系統由總控制器、交通燈控制器、車流量檢測器組成，其中每個車流量檢測器都與兩個超聲波傳感器相連接。在圖1中總控制器的實際安裝位置并非十字路口中央，而是路口的拐角處。

圖1 交通燈控制系統俯視圖

由于系統中節點數目多，因此各節點與總控制器間采用無線的通信方式。為了安裝和移動方便，車流量檢測器整體安裝在鐵架上；此外，總控制器、交通燈控制器、車流量檢測器均采用太陽能電池板供電，旨在從整體上減小安裝和施工的難度。

1.2 整體結構

系統工作時，4個路口的車流量檢測器將采集到的車流量數據通過無線模塊傳送到總控制器中，總控制器經過運算與算法分析后向4個交通燈控制器發送控制命令，對信號燈和倒計時顯示器進行控制，控制關系如圖1中箭頭所示。車流量檢測器、總控制器的硬件框、交通燈控制器圖分別為圖2中的a）、b）、c）。

圖2 系統各組成部分框圖

1.3 一體式小波束角超聲測距模塊設計

1.3.1 總體電路設計

該電路中使用的傳感器為收發一體式小波束角超聲波傳感器NU40E60TR—1，其標稱頻率為40.0±3.0kHz，波束角為15°±2°。一體式超聲測距模塊電路如圖3所示。超聲波發射通過單片機I／O 口及74LS04完成，回波的接收通過CX20106A及其相關電路完成。該電路中發射與接收都使用同一超聲波傳感器，因此采用了電子模擬開關將收發電路隔離。

圖3 一體式小波束角超聲測距模塊原理圖

1.3.2 隔離電路設計

回波信號本來就很微弱，且回波信號可能被發射電路吸收，因此接收電路可能檢測不到回波；還有可能發射信號沒經過探頭而直接被傳到接收電路，造成放大電路的燒毀，所以收發一體方式必須要考慮收發隔離控制。設計中采用CD4053，它是三2通道數字控制模擬開關，有三個獨立的數字控制輸入端A、B、C，具有低導通阻抗和低的截止漏電流。當INH端輸入1時，所有通道被禁止。在圖3中，用P1.1～P1.4分別控制A、B、C、INH，當A、B均為0時，超聲傳感器接通發射電路；當A、B均為1時，超聲傳感器接通接收電路。

1.4 LED驅動模塊電路設計

當LED的外加電壓達到二極管導通電壓后，外加電壓的微變可以引起二極管電流的巨變，使LED溫度升高；在相同電壓下，溫度升高將促使LED電流增大，使溫度進一步提高。以此循環，會加劇光衰，出現明而不亮的現象。

本設計中LED電源驅動采用恒流源，旨在減小光衰與延長LED壽命。恒流源電路由集成運放和NPN型達林頓管構成，負載RL在達林頓管的集電極與電源之間，達林頓管的發射極與地之間有一個電阻Rc為采樣電阻。達林頓管前接有運放工作在深度負反饋狀態，運放的同相輸入端電壓來源于PWM的輸出，反向輸入端與采樣電阻Rc相連。由于負反饋的作用，PWM的占空比D%直接決定了采樣電阻Rc上通過的電流。單片機的A／D實時采集Rc上電壓，通過單片機的運算，返回來控制PWM的占空比，通過控制運放的同向輸入端控制運放的輸出電壓，從而實現動態恒流。同時放大器的反饋環節將穩定電流，形成閉環控制（如圖4所示）。

圖4 恒流電路

1.5 光伏模塊設計

太陽能電池板在受到光照后實現太陽能到電能的轉換，產生直流電壓。直流電經過輸入濾波、DC／DC變換、輸出濾波，可得到滿足負載需求的直流輸出電壓，并輸入到蓄電池中完成能量的傳遞。系統各個部分的控制功能由單片機來完成[3]。

從便于安裝和節能的角度考慮，總控制器、交通燈控制器、車流量檢測器均采用獨立光伏系統供電。光伏模塊的結構框圖如圖5所示，由太陽能電池板、蓄電池、蓄電池控制器組成。控制器主要由充電控制電路、供電控制電路、電池監測電路組成。此外，蓄電池控制器中還包括報警電路，當電池異常或需更換時，可及時發出報警信號。

圖5 光伏模塊結構框圖

2 通信方式

本系統中無線收發模塊選擇的是PRT2000，它是一種超小型、低功耗、高速率的無線收發一體式數據模塊，無須使用許可證[4]。

在整個系統中，各模塊間的數據通信采用PRT2000無線主從式多機通訊串口通信模式。主機負責發送從機地址、控制命令及調度，從機負責采集個路口車流量信息，進行一定的數據處理，根據主機的要求返回數據，并執行主機發出的命令。通信協議中主機主動發送命令或數據，從機則等待主機的命令。由于發送和接收共用同一信道，因此在任意時刻只允許一臺從機處于發送狀態。主機與從機通信時，主機先呼叫某從機地址，喚醒被叫從機后，主、從兩機之間進行數據交換，其他從機繼續處于等待狀態。

3 結語

經模型測試，本系統在自適應時間分配上誤差較大。應用小波束角超聲波傳感器對車輛壓行車道分界線行駛，并排行駛，前車、后車距離較近行駛幾種特殊情況進行檢測時，都得到了正確的結果。說明本系統在車流量檢測方面性能可靠，算法需進一步研究和優化。

[1]余穩.基于微波單片集成電路的交通信息采集技術研究[D].西安：西安電子科技大學，2007.

[2]彭春華，劉建業，劉岳峰，等.車輛檢測傳感器綜述[J].傳感器與微系統，2007，26（6）：4-7.

[3]楊化鵬.基于單片機的IGBT光伏充電控制器的研究[D].西安：西安理工大學，2006.

[4]馬鴻文，陳松立，陳治國，等.一種新型無線十字路口交通燈智能動態感應控制系統[J].微計算機應用，2009，30（4）：62-66.