基于惡劣天氣情況下對信號燈及其感應裝置的改進

方坤 裴柳 蔣宇春 熬谷昌

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基于惡劣天氣情況下對信號燈及其感應裝置的改進

方坤 裴柳 蔣宇春 熬谷昌

重慶交通大學交通運輸學院信息科學與工程學院，重慶 400000

本設計是對基于惡劣天氣情況下對信號燈及其感應裝置的改進，其中主要模塊：根據環境亮度自動調節信號燈光亮度；綜合運用單片機原理，微型原理、微機接口技術等方面的知識，組成的交通燈控制系統。系統除基本交通燈功能外，還有根據天氣（如霧霾、大霧、暴雨等）的變化，使光敏電阻發生變化，單片機根據這一變化控制信號燈的亮度增強，增大信號燈的可見范圍。自適應燈光控制通過有效、可靠地檢測環境光照強度，尤其是在雨、雪、霧等特殊天氣狀況下，根據光照強度控制輸出信號，實時調節信號燈的亮度。使信號燈的亮度可以實現智能化，減少交通事故，改善道路交通環境，節約交通能源，減輕駕駛員的疲勞程度，最終實現安全、舒適、快速、經濟的交通環境。

惡劣天氣；信號燈；光敏電阻；激光感應；單片機

1 研究背景

目前在路口使用的信號燈基本為固定亮度輸出模式，因信號燈亮度不變，隨著環境光照強度的變化，信號燈的視覺效果也跟著變化從而導致司機、行人不好辨認信號燈，從而容易發生交通事故，而本作品能夠根據天氣情況而做出相應的調整已取得更好的視覺效果，也避免了交通事故的發生。

2 設計原理

2.1 設計思路

隨著經濟的飛速發展，私家車越來越多，道路越來越擁堵，同時，也存在著很多安全隱患。近年來，各地霧霾情況越來越嚴重，司機由于看不清信號燈閃爍的情況而發生交通事故時有發生。為解決這個問題，本作品提出解決方案：對于因霧霾情況嚴重而導致交通事故問題提出的解決方案是：由于光在霧霾、霧、暴雨等的穿透力很小，導致司機很難觀察到信號燈的閃爍情況，這時候需要增大光的亮度來達到能夠在較大的距離范圍內觀察到信號燈，而當天氣是晴天時，就沒有必要增大光的亮度。所以，本設計把光敏電阻加到信號燈中，當天氣有霧霾、大霧或者暴雨等天氣時，光的強度減小，導致光敏電阻的阻值增大。當電阻增大時，引起電路中電壓的減小，電壓的變化傳到單片機中，再由單片機控制信號燈的亮度增強，從而增大了信號燈的可見范圍。而當光線很強時，光敏電阻的阻值也發生變化，導致單片機控制信號燈光的強度變弱。這樣既避免了資源的浪費，減少了資源的損耗并且也避免了一些交通事故的發生[1]。

2.2 研究方法

采用實物模擬方法及探索性研究法，依照信號燈的主要特征及其變化屬性，創設了信號燈的實物改進的模型，能夠很好地在惡劣的天氣情況工作。針對目前信號燈的特點，包括負載特性、發光特性等，在此基礎上根據環境的亮度變化自動調節信號燈的亮度，以實現節能和提高出行者的視覺舒適度。針對光敏電阻對環境亮度的檢測，主要采用相關的數字化處理技術，并結合不同天氣（包括雨、雪、霧、霧霾等惡劣氣象）條件下的檢測可靠性[2]。

2.3 信號燈的亮度隨天氣的變化而自動調節模塊

STCA60S2芯片是本模塊中非常重要的一個部分，能夠達到信號燈智能控制的目的。眾所周知，人眼對光強的感受是非線性的，弱光時，光強增加一倍，人眼感覺到的增強多于一倍；強光時，光強增加一倍，人眼感覺到的增強不足一倍。當天氣晴朗時，我們不需要信號燈的亮度很大就能看清楚信號燈的閃爍情況，而當出現惡劣天氣時，能見度很低的情況下就需要增加光的強度來增強信號燈的視覺效果。本作品利用光敏電阻來檢測光的強度，光敏電阻的阻值隨著光強的增強而變小，當電阻減小時，光敏電阻的兩端電壓減小，電壓的大小通過D/A傳到單片機中，通過單片機對電壓的判斷輸出控制信號，控制信號又通過A/D來控制信號燈的亮度[3]。

模數轉換及參數匹配設計經環境光檢測模塊轉換得到的電壓信號是連續變化的，如果利用環境光強度進行信號燈亮度的調節需要進行模數轉換。本系統采用STCA60S2系列CPU，其模數轉換為基于逐次近似寄存器的10位數模轉換器，模數轉換器的范圍從0V到ADVREF。其支持一個8位或10位的分辨模式，轉換結果由所有通道的公共寄存器進行通告，包括一個專用通道寄存器。輸入電壓經過模數轉換為對應的數字過數量，CPU根據輸入電壓對應的數字量輸出相應的光強度調節參數，共3級亮度控制信號，通據線將光強度調節參數傳輸給調光信號發生器。

表1 實物模型模擬實驗數據

圖1 固定模式輸出亮

圖2可調節最大亮度理想效果

圖4 可調節最大亮度理想效果

圖5 固定模式輸出亮度

圖6 可調節最大亮度的理想效果

從紅、黃、綠三色信號燈最大亮度的理想效果圖與固定模式輸出下的亮度的對比可以發現，自適應燈光控制系統對信號燈的亮度調節控制效果明顯，根據環境光照度值的不同，信號燈的亮度會隨之發生改變，實現信號燈亮度的智能化控制[4]。

圖7 光敏電阻工作原理圖

3 創新特色

基于傳統信號燈上加入了能夠根據天氣變化而發生調整的部分，使之能夠在惡劣天氣下更好地為行人、駕駛員服務，減弱環境因素給交通帶來的不利影響和危害。

本作品的應用，使得信號燈可以根據周圍環境變化調節亮度關系，實現智能變化。這樣，既可以減少資源的浪費，又可以減少交通事故的發生，使交通燈控制系統地總體能力和綜合應用能力得到提升。

本作品在信號燈同時應用的激光感應和信號燈自主感應惡劣天氣的相互兼容，之間能夠較好地銜接，且能夠準確地將所感應到的變化加以分析，提高了一般信號燈工作效率，具備推廣性[5]。

本作品屬于模塊化的信號燈自帶感應裝置，適應性廣、成本較低、靈敏度高，適應性強。

4 應用前景

從電子控制角度講，雖然信號燈亮度控制是一種簡單的控制，但是在應用到繁忙街道的十字路口之后卻會產生不可低估的作用。科學的信號燈亮度控制可以提高道路的使用效率，提高城市的車輛通行速度。自適應燈光控制技術根據周圍環境亮度變化情況，可以自適應的調節信號燈的亮度，實現在環境亮度較高、天氣晴好的情況下提高信號燈的亮度，以便駕駛員可以清晰地看到信號燈的指示；同時，在環境光亮度較低或陰天、霧天的情況下，可以降低信號燈的亮度，從而可以避免引起駕駛員的視覺疲勞，還能節約能源，減少污染。因此，本作品具有很廣闊的應用前景。

[1]陳光武，舒剛.公路LED可變信息標志光學性能檢測技術[J].公路交通科技，2003，20（S1）：171-173.

[2]王波.城市道路交叉口交通組織與信號控制策略研究[D].長春：吉林大學，2005.

[3]曲大義，朱中.基于無線網格技術的遠程分布式交通信號控制系統架構[C]//第三屆中國智能交通年會論文集.南京：東南大學出版社，2007.

[4]田平印.城市交通信號燈拾趣[J].交通世界，1996（4）：31.

[5]錢勇生，王者堂，馬昌喜.交通信號燈相關標準及規范中存在的問題[J].道路交通與安全，2007，7（2）：14-17.

指導教師：熬谷昌。

U491.112

A

1009-6434（2016）03-0019-02