智能交通灯系统设计Word文件下载.docx

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交通灯诞生于19世纪的英国，1958年，在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红、蓝两色的机械扳手式信号灯，用以指挥马车通行。

1868年，英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的会议大厦前的广场上安装了煤气红绿灯。

1914年，电气启动的红绿灯出现在美国，这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成。

1918年又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯，带控制的红绿灯，一种是把压力探测器按在地下，车辆接近时，红灯变为绿灯；

另一种是用扩音器来启动红绿灯，司机遇红灯是按一下喇叭，就使红灯变为绿灯。

红外线红绿灯当当行人踏上对压力敏感的路面时，它就能觉察到有人要过马路。

红外光束能把红灯延长一段时间，推迟汽车放行。

信号灯的出现，对交通进行有效管理，疏导交通流量、提高了道路通行能力，减少交通事故具有显著效果。

欧洲及日本在交通灯的研究上起步较早，美国于上世纪九十年代才开始逐渐重

图2-1总体流程图

基于PLC的智慧交通灯采用红外传感器与声音传感器相配合的感知系统，红外传感器实时计算通过路口的车流量，并且实时与微处理器通讯，反馈车流量数据。

同时声音传感器采集相应车辆声音频率，如消防车、医疗车等具有特殊发声器的特殊车辆。

若匹配对应频率，将数据及时反馈给微处理器。

经由微处理器计算处理，统计出车流量数据和标识特殊车辆。

一方面微处理器可以通过车流量数据与特殊车辆数据控制交通灯本体，自适应改变交通灯红绿灯时间。

在车流量高峰期，如上下班以及上下学等特殊时期，增加或减少红灯时间，车辆能够有序快速通过路口，利于减少交通堵塞。

若遇特殊情况，如火灾、事故，通过声音传感器识别到特殊车辆，减少相应车道的红灯时间，特殊车辆能够快速通过，及时救灾，减少人员财产损失。

另一方面通过Zigbee、Wifi、4G网络等无线通信协议，车流量数据与特殊车辆数据传送到云端。

经过云计算与云数据存储，开放相应接口，提供给车辆管理中心、开发者及用户。

车辆管理中心实时监控相关路面的车流量信息，如遇特殊车流量高峰，可以及时派发人手疏导交通，减少交通拥挤情况，同时减少二氧化碳的排放，保护环境，促进绿色经济发展。

开发者通过车流量数据及特殊车辆数据，为用户开发出相应的app以及相应的车载硬件系统。

用户获取每个路口车流量数据，能够合理规划自己时间路程安排，不给交通添堵，不耽误自己事情。

总体方案如图2所示。

控制系统具体实施设想如下：

车辆检测装置实施方法有以下几种：

在紧急车辆上安装红外发射器或超声波发射器，在距红绿灯一定距离的空间安装红外接收器或声波接收器，通过接收器对紧急车辆进行检测；

在距离红绿灯一定距离的地方安装车牌辨别器，按车道对紧急车辆进行检测；

检测信号处理方法：

对检测器检测的信号进行初步处理，该处理的思想是把检测信号处理为0、1信号，0是常值信号，为无紧急车辆通过，不对红绿灯系统产生任何影响，当检测器检测到信号时，0便变为1，代表有紧急车辆通过，对红绿灯产生控制；

检测信号的传输及对红绿灯系统的控制：

检测信号通过处理后，根据紧急车辆所在车道，通过有线传输方式或无线传输方式传输到相应红绿灯信号控制系统（推荐用无线信号传输方式，例电磁波传输），信号传输到红绿灯信号控制系统后，根据以前的分析，0时无影响，1时强制性使红绿灯系统变为绿灯；

当车辆通过红绿灯时检测装置、信号处理、信号传输均与前面所述相似，只是在控制时，1时表示车辆尚未通过,0时表示车辆已经通过，使红绿灯控制系统恢复正常。

2.车流量监测模块设计

2.1.车流量监测原理

十字路口的车流量实时监测对于交通控制系统具有十分重要的意义，传统的监测方式一般在距离十字路口约一百米的地下埋上感应线圈，当车辆经过时便可以计数，但是该方法实时性比较差，误差较大，因此在本文中采用红外传感器监测的方式。

即在距离十字路口一定距离的道路两旁安装红外传感器，当车辆经过时传感器便开始计数，这种流量监测方式实时性好，误差较小，其微处理器采用的是PLC，其原理框图如下图1.1所示；

车辆的流量记数、交通灯的时长控制可由可编程控制器（PLC）来实现。

当然，也可选用其他种类的计算机作为控制器。

本文选用PLC作为控制器件是因为可编程控制器核心是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。

它具有高可靠性丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力；

它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程；

它采用模块化结构，编程简单。

图3-1检测模块原理框图

本文中PLC选用三菱FX2N，其输入端接收来自各个路口的车辆探测器测得的输出标准电脉冲，输出接十字路口的红绿信号交通灯。

2.2.车流量监测放大电路的设计

在本文中,采用新型热释电红外传感器探测车流量信息,并将其转换成微弱的电信号输出，再经运算放大器放大及比较器滤去干扰后，所得信号被送入PLC以启动计数器计数。

检测放大电路的原理图如图3-2所示。

图3-2检测放大电路原理图

上图中:

PT为高灵敏度热释电红外传感器，放大器选用LM324集成运算放大器。

当检测区间有车辆通过时，PT输出相应的电压脉冲信号，经U1D放大、电容C5隔直后，由U1C进行第二级放大，输出信号进入窗口电压比较器。

电位器RW2决定了一个窗口电压区间，低于该电压区间，则或门U3A输出为低电平；

高于该电压区间，则或门U3A输出为高电平。

或门的输出与PLCT0端和INT0端同时相连接。

R2和C1构成阻容滤波，其他滤波电路根据测试情况进行调整。

RW1是对放大倍数进行调整。

当U1C的输出在V1（U1B-）和V2（U1A+）之间时，比较器1（U1B）和比较器2（U1A）均输出低电压，或门U3A输出为低电平；

当U1C的输出高于V1（U1B-）时，比较器1（U1B）输出高电平，或门U3A输出为高电平；

U1C的输出低于V2（U1A+）时，比较器2（U1A）输出高电平，或门U3A输出为高电平，即U1B和U1A的输出经逻辑或输出脉冲信号到PLC。

变阻器RW2用于设定窗口的阀值电平，RW1和RW2可调节检测放大电路的灵敏度，使得低于车辆红外特征的干扰信号被滤除。

2.3.车流量检测系统组成

该车流量监测系统由热释电红外传感器检测电路、放大电路、PLCFX2N、MAX813L组成的看门狗电路等组成。

该系统可以实现对应车道的车流量统计。

车流量检测系统的方案设计如图3-3所示。

2.4.传感器的放置

热释电红外传感器需安装于道路上方适当的高度和位置。

当有车辆通过时，传感器输出的微弱信号被送到检测放大电路，经放大整形后输出脉冲信号，最终形成矩形脉冲送入PLC进行计数处理。

我们设定在每个车行道上中的出口地（停车线处）以及在离出口地一定远的进口的地方各安放一个相同的传感器，方案如图3-4（以典型的十子路口为例），同一股道上的两传感器相距的距离为该股道正常运行时所允许的最长停车车长为好。

图3-4传感器的安装图

3.声音检测模块设计

随着当代科学技术的飞速发展，在智能交通中，交通灯（红绿灯）系统的人性化、智能化控制越来越重要。

红绿灯是对行人和车辆起到秩序化的放行和安全通行的交通设备，红绿灯安装在各个道口上，已成为疏通交通车辆最常见和最有效的手段，交通灯使交通得到有效的管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力、减少交通事故有明显的效果。

但是随着现在社会的发展，道路上行驶的车辆也越来越多，且红绿灯在道路上比较普遍，几乎每个路口都会出现，变换时间周期长。

遇到紧急情况后，比较常见的便是联系110、119、120三个救助站，需要这些紧急车辆以最快的速度到达现场。

目前虽然紧急车辆可以不受交通系统的限制，但是紧急车辆闯红灯会导致交通系统的混乱，也极有可能出现交通事故，因此，如何保证紧急车辆在道路上不受红绿灯的限制但又不闯红灯，使之畅通无阻的行驶，这便成为亟待解决的问题。

针对以上提出的问题，本文提出紧急车辆安全通行系统，以保证紧急车辆在行驶过程中可以更加通畅的行驶。

紧急车辆安全通行系统总体方案如图4-1所示，每台紧急车辆上配有特殊超声波的声音发射装置，在距离每个安装交通灯路口的相应位置设置能够识别该超声波的声音传感器，当紧急车辆行驶距离交通路口一定距离时，声音传感器便可识别紧急车辆发出的相应超声波，随即传输到PLC控制端子。

PLC控制端子接收到来自声音传感器传递的信号后，对信号进行处理，处理后的信号经PLC控制系统的输出端输出，传输到交通灯控制系统，完成对交通灯的控制。

1）超声波发生

超声波是用来判别进给车辆与普通车辆的重要方式。

在每个进给车辆上都可配备同一波频的超声波发生器。

发生器的原理是首先由信号发生器来产生一个特定频率的信号，这个信号可以是正弦信号，也可以是脉冲信号，这个特定频率就是换能器的频率，一般应用在超声波设备中的超声波频率为20KHz、25KHz、28KHz、33KHz、40KHz、60KHz等。

2）超声波检测

紧急车辆发出特定频率的超声波后，需要特定的装置对该超声波进行检测并识别。

超声波检测可以采用声音传感器来实现，声音传感器可以检测到由超声波发生器发出的超声波，对其进行识别，并作初步的简单处理。

经声音传感器检测并处理的信号传输到PLC数据处理系统中，以完成后期的工作。

3）信息处理

PLC数据处理系统接收到来自声音传感器简单处理的信号后，需对其进行相应的处理，由声音信号转换为电信号，不同的信号其对应的波频不同，根据不同的波频便可输出相应的电信号，电信号可用方波信号来实现，即0/1信号，以便后期的处理。

4）控制交通灯

经PLC处理的信号传输到交通灯系统后，根据不同的信号对交通灯实现不同的控制，如检测到紧急车辆时，即便现在正处于红灯状态，也需强制性的转换为绿灯，直至紧急车辆通过该路口为止。

4.创新点

1）采用声音识别模块，能够准确识别特殊车辆，使其快速通过路口，减少特殊车辆等待时间。

2）基于云服务，将实时车流量数据发送到云端进行处理。