一种动态道路交通信号控制系统论文和设计-刘苡辰

全文摘要

本实用新型公开一种动态道路交通信号控制系统，包括信号接受及处理电路和信号灯控制及能源电路，信号接受及处理电路包括滤波电容C1、检测模块SIP4、引脚扩展及中继模块和52单片机U1；所述信号灯控制及能源电路包括多条信号灯支路，各条信号灯支路中的发光LED安装于埋地信号灯内，多个埋地信号灯埋设于各条车道线上；每个埋地信号灯的来向侧和去向侧各设一个仅单向来车可见的发光LED。本实用新型作为到路口交通信号灯在道路段的延伸，对道路资源分配的精度及灵活性有着显著提升；其在安装距离等参数上更灵活，排列方式也可视道路情况设计实施，能充分迎合需求并解决特定问题。

主设计要求

1.一种动态道路交通信号控制系统，其特征在于，包括信号接受及处理电路（9）和信号灯控制及能源电路（10）；所述信号接受及处理电路（9）包括滤波电容C1、检测模块SIP4、引脚扩展及中继模块和52单片机U1；滤波电容C1并联于向检测模块SIP4、引脚扩展及中继模块和52单片机U1供电的直流稳压电源的两端；检测模块SIP4的SDA、SCl引脚分别与52单片机U1的P2B1和P2B2管脚连接，实现检测信号的输出和控制信号的输入；引脚扩展及中继模块的SER、RCLK和SCl引脚分别与52单片机U1的P3B4、P3B5和P3B6管脚连接；所述信号灯控制及能源电路（10）包括多条信号灯支路，每条信号灯支路的限流电阻R一端与电源VCC连接，另一端与发光LED（6）正极端连接，发光LED（6）负极端与N沟道增强型MOS管Q的漏极d连接；N沟道增强型MOS管Q的源极s接地，栅极g接信号接受及处理电路（9）中引脚扩展及中继模块的QA引脚；各条信号灯支路中的发光LED（6）安装于埋地信号灯内，多个埋地信号灯埋设于各条车道线上；每个埋地信号灯的来向侧和去向侧各设一个仅单向来车可见的发光LED（6）。

设计方案

1.一种动态道路交通信号控制系统，其特征在于，包括信号接受及处理电路（9）和信号灯控制及能源电路（10）；

所述信号接受及处理电路（9）包括滤波电容C1、检测模块SIP4、引脚扩展及中继模块和52单片机U1；滤波电容C1并联于向检测模块SIP4、引脚扩展及中继模块和52单片机U1供电的直流稳压电源的两端；检测模块SIP4的SDA、SCl引脚分别与52单片机U1的P2B1和P2B2管脚连接，实现检测信号的输出和控制信号的输入；引脚扩展及中继模块的SER、RCLK和SCl引脚分别与52单片机U1的P3B4、P3B5和P3B6管脚连接；

所述信号灯控制及能源电路（10）包括多条信号灯支路，每条信号灯支路的限流电阻R一端与电源VCC连接，另一端与发光LED（6）正极端连接，发光LED（6）负极端与N沟道增强型MOS管Q的漏极d连接；N沟道增强型MOS管Q的源极s接地，栅极g接信号接受及处理电路（9）中引脚扩展及中继模块的QA引脚；

各条信号灯支路中的发光LED（6）安装于埋地信号灯内，多个埋地信号灯埋设于各条车道线上；每个埋地信号灯的来向侧和去向侧各设一个仅单向来车可见的发光LED（6）。

2.根据权利要求1所述的动态道路交通信号控制系统，其特征在于，所述埋地信号灯下部设有预埋件（1），预埋件（1）底端埋设于地面内，顶端设有灯座（5），灯座（5）上设有两个发光LED（6），两个发光LED（6）之间设有用于隔光的梯形台（11）；灯座（5）顶部设有盖板（2），盖板（2）在对应于发光LED（6）的位置设置有透明窗（4）。

3.根据权利要求2所述的动态道路交通信号控制系统，其特征在于，所述梯形台（11）两侧面均设有反光面板（7）。

4.根据权利要求2所述的动态道路交通信号控制系统，其特征在于，所述盖板（2）、灯座（5）和预埋件（1）通过固定螺丝（3）固定连接。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及交通信号控制技术领域，具体为一种动态道路交通信号控制系统。

背景技术

随着经济的发展，城市汽车的保有量日益增长，但是由于我国的大部分城市基础设施建设较晚，缺乏前瞻性，所以汽车与道路空间资源之间的矛盾日益增长，其中最为明显的便是交通拥堵现象。而机车处于不同的工作状态(怠速、加速、匀速、减速)时，对交通排放的影响不同，车辆频繁处于减速或怠速状态时会增大排放量。在交通拥堵下，汽车会频繁处于减速或怠速状态，故长期的交通拥堵造成了石油、天然气资源的极度浪费和大气污染物排放的巨大增加。可变车道可实时充分利用道路的空间资源，通过改变道路的行车方向从而重新分配空间资源，可以从很大程度上缓解交通拥堵问题，从而大大降低交通拥堵是的汽车排放和能耗，为个人与社会带来巨大的经济效益与环保效益。

目前已有利用利用无线通信技术的交通信号装置出现，例如中国专利申请号201811560050.X公开的“无线交通信号灯管理系统”，所述的管理系统重在对交叉路口所设置的交通信号灯进行运营管理，仅从施工和技术角度进行优化，对道路空间利用率低的问题没有直接方案。

再如中国专利申请号201811579784.2公开的“一种潮汐车道的光控装置”，该专利所述的光控系统虽然采用埋地形式，但采用警示件上升、下降的方式以实现潮汐车道的开启与关闭，由于机构深度和地面空间的变化，存在施工成本大，并有新增地面障碍物而加大行车风险的可能，难以用于已经修建好的道路上。

以上两个专利所述的道路信号系统都或是在传统道路信号系统的基础上，将控制结合实时数据进行改进，或是用灵活性不高的装置进行潮汐车道指引，在道路利用效率方面还有所欠缺。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型的目的在于提供一种能实现根据需求和实时交通状况给予道路车辆行车信号的功能，且安全可靠的动态道路交通信号控制系统。技术方案如下：

一种动态道路交通信号控制系统，包括信号接受及处理电路和信号灯控制及能源电路；

所述信号接受及处理电路包括滤波电容C1、检测模块SIP4、引脚扩展及中继模块和52单片机U1；滤波电容C1并联于向检测模块SIP4、引脚扩展及中继模块和52单片机U1供电的直流稳压电源的两端；检测模块SIP4的SDA、SCl引脚分别与52单片机U1的P2B1和P2B2管脚连接，实现检测信号的输出和控制信号的输入；引脚扩展及中继模块的SER、RCLK和SCl引脚分别与52单片机U1的P3B4、P3B5和P3B6管脚连接；

所述信号灯控制及能源电路包括多条信号灯支路，每条信号灯支路的限流电阻R一端与电源VCC连接，另一端与发光LED正极端连接，发光LED负极端与N沟道增强型MOS管Q的漏极d连接；N沟道增强型MOS管Q的源极s接地，栅极g接信号接受及处理电路中引脚扩展及中继模块的QA引脚；

各条信号灯支路中的发光LED安装于埋地信号灯内，多个埋地信号灯埋设于各条车道线上；每个埋地信号灯的来向侧和去向侧各设一个仅单向来车可见的发光LED。

进一步的，所述埋地信号灯下部设有预埋件，预埋件底端埋设于地面内，顶端设有灯座，灯座上设有两个发光LED，两个发光LED之间设有用于隔光的梯形台；灯座顶部设有盖板，盖板在对应于发光LED的位置设置有透明窗。

更进一步的，所述梯形台两侧面均设有反光面板。

更进一步的，所述盖板、灯座和预埋件通过固定螺丝固定连接。

本实用新型的有益效果是：

1)本实用新型作为到路口交通信号灯在道路段的延伸，对道路资源分配的精度及灵活性有着显著提升；其在安装距离等参数上更灵活，排列方式也可视道路情况设计实施，能充分迎合需求并解决特定问题；

2)本实用新型采用反光板实现对信号发射角度和方向的限制，使总体结构埋地不突起，能避免车辆对装置频繁的碰撞挤压，降低维护和修理成本。

附图说明

图1是本实用新型动态道路交通信号控制系统的电路结构示意图。

图2本实用新型动态道路交通信号控制系统中埋地信号灯的整体结构的三维图。

图3是埋地信号灯拆掉壳体后的三维图。

图4是本埋地信号灯内部结构的横向剖视图。

图5是本实用新型动态道路交通信号控制系统运行时初始状态俯视图。

图6是本实用新型动态道路交通信号控制系统运行时变换状态俯视图。

图7是本实用新型动态道路交通信号控制系统运行时结束状态俯视图。

图中：1-预埋件；2-盖板；3-固定螺丝；4-透明窗；5-灯座；6-发光LED；7-反光面板；8-电线；9-信号接受及处理电路；10-信号灯控制及能源电路；11-梯形台。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明。如图1所示，一种动态道路交通信号控制系统，括信号接受及处理电路9和信号灯控制及能源电路10。

所述信号接受及处理电路9包括滤波电容C1、检测模块SIP4、引脚扩展及中继模块和52单片机U1；滤波电容C1并联于向检测模块SIP4、引脚扩展及中继模块和52单片机U1供电的直流稳压电源的两端。考虑到线路，中继模块供电视情况可能独立出来。检测模块SIP4的SDA、SCl引脚分别与52单片机U1的P2B1和P2B2管脚连接，实现检测信号的输出和控制信号的输入；检测模块SIP4的引脚设置可视情况进行调整，图1中以超声波模块作为SIP4为例给出连接方式。引脚扩展及中继模块的SER、RCLK和SCl引脚分别与52单片机U1的P3B4、P3B5和P3B6管脚连接；该引脚扩展及中继模块的接线参考74HC595，实际可灵活选择性能更强的模块进行替代。图中隐去了52单片机U1最小系统电路，该部分非本设计关键内容。

所述信号灯控制及能源电路10包括多条信号灯支路，每条信号灯支路的限流电阻R一端与电源VCC连接，另一端与发光LED6正极端连接，发光LED6负极端与N沟道增强型MOS管Q的漏极d连接；N沟道增强型MOS管Q的源极s接地，栅极g接信号接受及处理电路9中引脚扩展及中继模块的QA引脚。各条信号灯支路中的发光LED6安装于埋地信号灯内，多个埋地信号灯埋设于各条车道线上；每个埋地信号灯的来向侧和去向侧各设一个仅单向来车可见的发光LED6。

电路原理及工作过程：通电后，信号接受及处理电路9和信号灯控制及能源电路10进入工作状态。检测模块SIP4开始收集信号并传递给52单片机U1。52单片机U1处理信号后跟据判断向引脚扩展及中继模块发送信号，经过引脚扩展及中继模块分别向信号灯控制及能源电路10和其他信号灯及中断Ln发出亮灯指令。信号灯控制及能源电路10接受亮灯指令后，以数字下标1一串亮灯电路为例，Q1栅极g收到高电平，由MOS管特性，Vgs(栅源电压)>Vt(导通电压)且Vds(漏源电压)>Vgs-Vt时导通，LED1负极端接地，产生压差驱动LED1发光。

如图2、图3和图4所示，本实施例的埋地信号灯下部设有预埋件1，预埋件1底端埋设于地面内，顶端设有灯座5，灯座5上设有两个发光LED6，两个发光LED6之间设有用于隔光的梯形台11；灯座5顶部设有2，盖板2在对应于发光LED6的位置设置有透明窗4。

灯座5下部留有较大空间，底板上也留有小洞，方便与布线及传感器等的安装。发光LED6直接安装于灯座的孔位中。灯座中央梯形台两侧面安装有发光面板7。反光板实现对信号发射角度和方向的限制，使总体结构埋地不突起，能避免车辆对装置频繁的碰撞挤压，降低维护和修理成本。不锈钢盖板2直接安装于灯座之上，通过固定螺丝将不锈钢面板、灯座、预埋件直接连接。透明窗4为玻璃面板，通过玻璃胶粘贴于不锈钢盖板“工”型留空处。

所述预埋件共有一个，位于零件的最底端作为支撑件，作为整个零件的外壳既保护壳。不锈钢盖板共有一个，直接安装于灯座之上。固定螺丝共有四个，它们共同固定不锈钢面板、灯座以及预埋件。发光LED共有两个，它们两两分别位于灯座顶面梯形台两侧，直接安装于灯座的孔位中。反光面板共有两个，它们以对称的方式，粘贴于灯座梯形台两侧面。作为透明窗的玻璃面板共有两个，它们通过玻璃胶直接粘贴于“工”型不锈钢面板的留空处。

工作过程和工作原理：本装置使用时安装在道路地面标志线所在路线上。在运行时，通过外部数据和现场感应器(置于灯内或路牌背侧等)获取道路信息，经过简单处理后，单片机给出更新后的信号灯发光方案。通过初始状态、变换状态和结束状态三个阶段实现一根车道的行车方向变更。并配合其他交通指示装置给予转弯方向等部分的提醒。

在本实施例中，灯分A(去侧)、B(来侧)两侧，方向相反，分别指向仅去侧可见和仅来侧可见行车方向。如图5所示，初始状态指原道路各方向下的行车指示灯发光方案：以A侧红灯、B侧红灯为分界。以A侧绿灯、B侧红灯为去向车道中的发光状态。以B侧绿灯、A侧红灯为来向车道中的发光状态。

如图6所示，变换状态指一向车道的拥堵情况相对于另一向明显严重时，拥堵系数比值超阈值范围，对车道进行改动的发光方案：以去向拥堵严重为例，保持以A侧红灯、B侧红灯为分界。以来向道路上的A侧红灯、B侧转为黄灯闪烁，意指来向车辆应尽快驶离，以腾出车道。去向车道保持以A侧绿灯、B侧红灯的发光状态。

如图7所示，结束状态指道路经过变换状态一段时间后，腾出车道无车通行下的埋地灯信号装置发光方案：结果描述上，以A侧红灯、B侧红灯的分界向左移动一根车道，即以A侧红灯、B侧转为黄灯闪烁的灯作为新分界，原分界跳转为A侧绿灯、B侧红灯的发光状态。其他去向车道保持以B侧绿灯、A侧红灯的发光状态。

另外，本装置控制部分或采用基于STC89C51\/52、STM32等单片机编程的红外光电传感器来辅助监测车辆在车道上的形式情况。利用红外光电传感器来辅助监测车辆在车道上的形式情况，减少不必要的电能消耗。红外光电传感器可以有效避免自然风等干扰因素所造成的误差，并且本身具有很强的抗强光干扰能力，能在光线环境复杂的地铁隧道内起到有效的列车测位作用。

在运行时，通过外部数据和现场感应器(置于灯内或路牌背侧等)获取道路信息，经过简单处理后，单片机给出更新后的信号灯发光方案。通过初始状态、变换状态和结束状态三个阶段实现一根车道的行车方向变更。控制方法的步骤如下：

步骤1：实时检测车流量信息，计算拥堵比R：

计算单向车道的拥堵系数为C：

C＝k_{1<\/sub>p+k_2<\/sub>q}

其中，k_{1<\/sub>、k_{2<\/sub>为权重系数；p为当前路段车道占有率，q为当前路段速度利用率，且设计图}}

一种动态道路交通信号控制系统论文和设计

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