智能行人闖紅燈預警系統的設計

郭怡琳，劉姝冉，梁瑞

（西安翻譯學院，陜西西安，710105）

0 引言

隨著社會進步、交通發展，交通環境變得更加復雜，交通問題也變得更加嚴峻，行人闖紅燈行為便是其問題之一。防止行人闖紅燈系統能夠通過提升行人的交通安全意識，讓人們養成不闖紅燈的習慣等方式，保障行人自身安全、維持交通穩定、維護社會秩序，從根本上減少行人闖紅燈行為的發生，解決行人闖紅燈問題。

國內面對闖紅燈行為也是方法多多，例如語音警示行人，對此闖紅燈行人拍照罰款、發短信警告等多種制止方法。為擁有良好交通環境，防止行人闖紅燈系統勢在必行，其能夠有效地實施，加深行人的交通安全意識，利于培養行人不闖紅燈、遵守交通法則的良好的習慣，同時也為交通秩序的其他方面節省了大量的人力物力。

1 系統整體設計

1.1 設計原理

本系統運行初進行定時器初始化、PWM初始化、語音模塊初始化，同時執行紅綠燈模擬系統[1]。根據紅綠燈狀態判斷行人是否闖紅燈，之后對水泵系統和語音提示系統發出相對指令，控制整個系統的運行，一個階段完成后，系統進行初始化，開始下一階段指令運行的無限循環系統。系統整體運行框圖如圖1所示。

1.2 硬件電路設計

本系統系統硬件電路的設計方向包括對行人前進方向的判斷、實現對紅綠燈狀態的讀取以及實現語音播報模塊控制。系統由五大模塊組成：電源模塊、最小系統模塊、語音提示模塊、雙紅外對管檢測模塊、水泵控制模塊。本系統采用5v電源作為供電源，維持系統正常運行[2]。硬件組成框圖如圖2所示。

圖2 硬件組成框圖

1.2.1 單片機最小系統模塊設計

本系統作為最小系統模塊主要選用STC15W401AS芯片作為控制芯片，STC15W401AS芯片工作電壓在5.5V~2.5V，共8通道10位高速ADC、3通道捕獲、比較單元（CCP/PWM/PCA），速度可達30萬次每秒。STC15W401AS芯片性能高、成本低，功耗低利于大面積應用，且抗干擾能力強，系統能夠穩定運行，更重要的是，STC15W401AS芯片的內部指令比傳統的89C52單片機快8至12倍，能減少系統運行等原因造成的延誤。STC15W401AS芯片引腳圖如圖3所示[3]。

圖3 芯片引腳圖

1.2.2 語音提示模塊的設計

語音播報模塊是DYSV5W智能語音模塊，撥碼開關設置簡單，單片機通過控制I/O組合觸發指定的曲目后釋放，當前曲目播放完后停止；如果播放途中重新觸發，則播放新的曲目，曲目播放玩后停止；如果播放途中一直觸發，則循環播放。語音播報接口如圖4所示[4]。

圖4 語音播報接口

1.2.3 雙紅外對管檢測模塊的設計

本系統由兩個雙紅外對管組成，雙紅外對管由紅外發射二極管和紅外接收二極管構成。紅外對管和常見的圓形發光二極管很像，使用時要注意紅外發射管和紅外接收管的極性，較長的引腳為正極，在引腳無法判斷時，可以通過電阻判斷出極性[5]。

紅外發射電路由電阻、PNP三極管、紅外發射管LED構成；紅外接收管由億光3638、電容、電阻組成。雙紅外對管電路圖如圖5所示[6]。

圖5 雙紅外對管電路

紅外接收電路選用億光3638紅外線接收頭，接收紅外發射電路發出的信號。億光3638功能相對穩定，抗干擾能力強，適合應用在相對復雜的環境中。

1.2.4 水泵控制模塊的設計

本系統用電機代替水泵模擬水泵控制系統，主要由電機、二極管D1、NPN三極管、Res1組成。Res1主要對控制電路進行限流，防止電路中電流過大擊穿NPN三極管[7]。電機相當于電感，二極管D1與電機構成續流電路，釋放電機儲存的能量 ，防止集電極超壓，擊穿NPN三極管。Res1和二極管都對NPN三極管由保護作用，防止其被擊穿。水泵控制電路如圖6所示。

圖6 水泵控制電路

1.3 軟件設計

本系統的整個系統軟件的設計利用KEIL C51軟件進行。KEIL C51軟件是一款強大的仿真調試C語言軟件， 集編譯器、宏匯編等多種仿真調試器于一體。運行KEIL軟件需要WIN98、WIN2000等操作系統[8]。整個系統的總體可分為定時器初始化、PWM初始化、語音模塊初始化、紅綠燈模擬、語音播報、水泵控制幾個部分。KEIL C51軟件主要對紅外對管發射與檢測算法、水泵PWM控制水流量算法、語音播報控制算法進行設計、編寫。程序流程圖如圖7所示。

圖7 程序流程圖

2 系統調試驗證

2.1 調試驗證采用方法

本系統通過黑盒測試和白盒測試兩部分對系統的實物和程序進行驗證測試，保證系統的正常運行。實物部分采用黑盒測試，對系統實現的各功能模塊進行對應的測試，判斷各功能模塊是否正常工作。通過實驗驗證，程序是否能夠正確接收輸入響應、產生輸出響應。按照系統的功能需求列表，遍歷測試每個功能模塊，經過多次驗證得出實驗結論。程序部分采用白盒測試，通過輸入多組數據，力使程序中的每一個邏輯分支，甚至每一條語句都被執行，得出期望結果[9-10]。

2.2 調試驗證結果

硬件調試驗證采用黑盒進行，對不同按鍵進行操作，查看相應的模擬LED燈是否正常運轉。測試結果如表1所示。

表1 測試結果

5 綠燈 過馬路 語音提示綠燈；水泵無響應語音提示綠燈；水泵無響應6未過馬路 語音無響應；水泵無響應 語音無響應；水泵無響應

3 結論

本文設計的智能行人闖紅燈預警系統主要由主控制系統、語音提示系統、紅外感應系統、水泵控制系統等組成。整個系統利用現有的紅外對管技術感知外界信息的變化，瞬時發現闖紅燈的行人，通過自動控水系統和語音提示系統相結合，將語音提示與水流示警充分結合，提升行人交通安全意識，養成行人不闖紅燈的良好習慣。本系統采用水泵流水設計、不會對行人造成實質性傷害，更易被人們接受，結合語音提示設計，使得行人闖紅燈的概率降低。本系統成本低，安全性高，發展空間很大，便于被廣泛實施。