CN205405904U

CN205405904U - 基于lm555多谐振荡器的智能交通控制系统

Info

Publication number: CN205405904U
Application number: CN201620140694.3U
Authority: CN
Inventors: 徐帆云; 邹麟
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2016-02-25
Filing date: 2016-02-25
Publication date: 2016-07-27
Anticipated expiration: 2026-02-25

Abstract

本实用新型公开了一种基于LM555多谐振荡器的智能交通控制系统，由东、西、南、北四个方向的红外传感器、东西方向计数判断单元、南北方向计数判断单元、两个方向车流量比较单元、LM555多谐振荡器、以及前后方综合分析判断单元、交警求助系统等构成。路口红外传感单元和后方红外传感单元安装于道路两侧，对接收到的持续时间超过一定阈值的反射信号做有效计数，判断分析后，由R1、R2电阻值自动调节系统改变LM555多谐振荡器的电阻R1、R2，从而控制红灯、绿灯信号持续的时间。本实用新型成本更加低廉，自适应应对各种不同方向不同车流量情况下，采取相应措施改变红绿灯信号持续时间长短，以最佳方式协调不同方向来车。

Description

基于LM555多谐振荡器的智能交通控制系统

技术领域

本实用新型属于交通系统控制技术领域，特别涉及一种基于LM555多谐振荡器的智能交通控制系统。

背景技术

目前，各种车辆数目不断增多，道路交通拥堵的问题难以解决，国家对部分城市提出单双号限行的规定，但由于汽车种类多、数量巨大，特别是在上下班高峰期时段，堵车问题越发严重。

人们为解脱人力也在智能交通控制领域设计了许多的解决方案，以达到在尽可能减少人为疏导的情况下保证交通畅通。大部分的交通信号控制系统需要通过电子眼监控道路实时交通状况，并人为地对红绿灯信号延迟时间做出适应性的调整，这种系统完全无法解脱人力，需要人长时间观察电子眼拍摄的情况并手动调整，并且电子眼的能见度经常受到雾霾等天气影响，无法观测离路口较远处的车流量情况。

有相当多的交通控制设备采用了压敏传感装置，压敏传感装置一定会埋设于地下，当车辆通过时产生压力传感，但是在车流量大的路段，压敏传感器会经常损坏，更换也相当困难，并且压敏传感器只要受到压力就会认为有机动车通过，这样会将行人和非机动车通过时误判为机动车，从而影响计数，导致交通状况更加复杂混乱。更为关键的问题是压敏传感器大多仅安装于路口，对单位时间内通过路口的车辆数目进行统计，进而做出相应的调整。倘若发生堵车的情况，在一定时间段内，压敏传感器不会受到压力或者受到为数不多的压力，此时系统便会判断此路口车流量较少，无需采取措施甚至缩短绿灯时间恰恰与所需的解决方案背道而驰。

另外，绝大多数交通信号灯经验性地直接将某一个方向绿灯通行时间设置较长，而压缩另一个方向的通行时间，并且无论是在上下班高峰期，还是在深夜车流量极少的情况下仍然保持相同的持续时间，这样一方面虽在另一个方向无车的情况下但应红灯却无法通行而耽误时间；另一方面，在上下班高峰期各个方向车流量均较大，会使得绿灯较短方向的交通出现拥堵。交通出现拥堵时，无法对交通指挥部门提出警示，使得需要人为指挥时却又无法得知现场情况。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种基于LM555多谐振荡器的智能交通控制系统，本系统成本更加低廉，自适应应对各种不同方向不同车流量情况下，采取相应措施改变红绿灯信号持续时间长短，以最佳方式协调不同方向来车，并在堵车的情况下，向交警发出提示信号。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：

一种基于LM555多谐振荡器的智能交通控制系统，包括东西方向红外传感单元、东西方向计数判断单元、南北方向红外传感单元、南北方向计数判断单元、第一电阻调节单元、第二电阻调节单元、多谐振荡单元、红绿灯控制单元、和信号灯显示单元；

所述东西方向红外传感单元，包括一个路口红外传感单元和一个后方红外传感单元，用于记录经过两个红外传感器的发射信号；

所述东西方向计数判断单元，用于接收东西方向红外传感器单元的输出信号，并对东西方向红外传感单元记录的时间大于0.5s(也可人为另外设置)的发射信号的接收次数做累加计数；

所述南北方向红外传感单元，包括一个路口红外传感单元和一个后方红外传感单元，用于记录经过两个红外传感器的发射信号；

所述南北方向计数判断单元，用于接收南北方向红外传感器单元的输出信号，并对南北方向红外传感单元记录的时间大于0.5s(也可人为另外设置)的发射信号的接收次数做累加计数；

所述第一电阻调节单元，用于根据东西方向计数判断单元输出的信号次数，调整多谐振荡单元的第一输入电阻R1；

所述第二电阻调节单元，用于根据南北方向计数判断单元输出的信号次数，调整多谐振荡单元的第二输入电阻R2；

多谐振荡单元，基于LM555的多谐振荡单元，用于产生周期方波信号，该信号的正脉冲和负脉冲分别为红绿灯的原始控制信号；

红绿灯控制单元，基于74LS161D的红绿灯控制单元，将多谐振荡单元产生的周期方波信号形成2分频、4分频、6分频、8分频，即形成红绿灯控制信号；

信号灯显示单元，根据红绿灯控制单元的红绿灯控制信号，显示红绿灯；

在所述多谐振荡单元中，LM555集成电路各引脚的连接关系为：第一输入电阻R1一端接电源VCC，另一端接DIS引脚，第二输入电阻R2一端接DIS引脚，另一端接THR引脚，THR还通过电容C1接地，CON引脚通过电容C2接地。

进一步的，还设置有黄灯控制单元，所述黄灯控制单元采用74LS161的进位信号作为黄灯控制信号，当控制红灯亮的输出信号与控制黄灯亮的输出信号同时满足时，输出黄灯信号。

进一步的，所述黄灯控制单元中，采用另一个LM555集成电路产生周期方波信号，其连接关系为：输入电阻R3一端接电源VCC，另一端接DIS引脚，输入电阻R4一端接DIS引脚，另一端接THR引脚，THR还通过电容C3接地，CON引脚通过电容C4接地。

进一步的，所述多谐振荡单元产生的周期方波信号，周期方波信号的周期、正脉冲宽度、负脉冲宽度分别为：

周期：T＝t_w1+t_w2，

正脉冲宽度：t_w1＝ln2·(R₁+R₂)·C，

负脉冲宽度：t_w2＝ln2·R₂·C。

进一步的，所述东西方向计数判断单元采用74LS90D和74LS92D集成电路，所述南北方向计数判断单元采用74LS90D和74LS92D集成电路。

进一步的，还包括拥堵判断单元，所述拥堵判断单元为：根据路口红外传感单元和后方红外传感单元的计数，若单位时间内，路口红外传感单元的计数值远小于后方红外传感单元计数值，向交警指挥部发出脉冲警示信号；若单位时间内，路口红外传感单元的计数值与后方红外传感单元计数值相差不大，系统继续工作。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1)使用成本最低廉的元件构建逻辑电路，不采用埋设于路面下的传感系统，安装方便，不需要频繁更换。

2)路口和后方均安设红外传感装置，综合分析二者之间是否有车辆囤积，发生堵车现象时自动向交警发出求助警示。

3)利用红外传感装置，传感不会受雾霾等极端恶劣天气的影响。

4)从多个方向的车流量计数情况，自主调节R1、R2的阻值大小控制通行和等待时间。

5)仅对遮挡反射时间超过0.5S(也可另外设置)的信号记为有效信号，避免将行人和非机动车误判为机动车的情况。

6)从多个方面综合分析解决可能出现的问题，保障路口畅通，且此系统适用于十字路口、丁字路口、单向路口。

附图说明

图1是本实用新型中各方向红外传感、车流量综合判断、R1、R2阻值自动调节系统工作原理示意图。

图2是本实用新型中交警求助系统判断过程原理是示意图。

图3是本实用新型中东西方向自适应调节电路图。

图4是本实用新型中南北方向自适应调节电路图。

图5是本实用新型中十字路口系统布局示意图。

图6是本实用新型中丁字路口系统布局示意图。

图7是本实用新型中单向字路口系统布局示意图。

图8是本实用新型中十字路口两个方向等时情况电路图。

图9是本实用新型中丁字路口两个方向等时情况电路图。

图10是本实用新型中单向路口两个方向等时情况电路图。

图11是本实用新型中十字路口两个方向非等时情况电路图。

图12是本实用新型中丁字路口两个方向非等时情况电路图。

图13是本实用新型中单向路口两个方向非等时情况电路图。

图14是本实用新型中74LS161分频电路输出仿真波形图。

图15是本实用新型中等时等待情况下黄灯控制系统与系统工作周期对比波形图。

图16是本实用新型中等时等待情况下一个方向红黄绿三个信号灯工作对比波形图。

图17是本实用新型中等时等待情况下另外一个方向红黄绿三个信号灯等工作对比波形图。

图18是本实用新型中等时等待情况下黄灯闪烁控制电路输出与系统工作周期对比波形图。

图19是本实用新型中LM555多谐振荡器输出作为74LS161分频电路的时钟信号对比放大波形图。

图20是本实用新型中等时等待情况下一个方向红黄绿三个信号灯工作对比放大波形图。

图21是本实用新型中等时等待情况下另外一个方向红黄绿三个信号灯工作对比放大波形图。

图22是本实用新型中双方等时等待34S的情况下两个方向红黄绿三个信号灯工作情况对比波形图。

图23是本实用新型中非等时等待情况下一个方向红黄绿三个信号灯工作对比波形图。

图24是本实用新型中非等时等待情况下两个方向红黄绿三个信号灯工作情况对比波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的说明。本实用新型基于LM555多谐振荡器的智能交通控制系统，包括东、西、南、北四个方向的红外传感器，其中每个方向有路口红外传感单元和后方红外传感单元、东西方向计数判断单元、南北方向计数判断单元、LM555多谐振荡器、交警求助系统(拥堵判断单元)等等。

东、西、南、北四个方向的红外传感器，每个方向有路口红外传感单元和后方红外传感单元，用于实时记录路口处和离路口S(m)处(S的取值根据道路状况设定)单位时间内通过的机动车数量。人双腿跨过或非机动车经过红外传感器的时间较短约小于0.5s(也可人为另外设置)，而机动车有较大的长度，经过时会产生一定时长的遮挡并反射红外线，为防止将行人非机动车误判为机动车，红外传感器仅会记录反射信号时间超过0.5s(也可人为另外设置)的信号。东西方向计数判断单元、南北方向计数判断单元对超过0.5s(也可人为另外设置)的反射信号接收次数做累加计数。

传感器接收到的信号经过计数后，其结果判据传输给R1、R2电阻值自动调节系统改变LM555多谐振荡器的电阻R1、R2，从而控制红灯、绿灯信号持续的时间。目前路口的情况仅有以下六种情况：1、十字路口两个方向等待时间相同；2、丁字路口纵横两个方向等待时间相同；3、单向路口双方以相同的时间等待行人通过；4、十字路口两个方向等待时间不同(即一方向车流量大，一方向车流量较小)；5、丁字路口纵横两个方向等待时间不同；6、单向路口双方以不同的时间等待行人通过(对于某一方向来车少，另一方向来车多)。

图5所示的“十字路口两个方向等待时间相同”的交通信号灯控制的实现方式是：

(1)时钟脉冲电路设计：LM555多谐振荡器产生基本周期方波信号，其正脉宽度、负脉宽度、总周期由以下公式决定(式中C即为C1的值)：

周期：T＝t_w1+t_w2，正脉冲宽度：t_w1＝ln2·(R₁+R₂)·C，负脉冲宽度：t_w2＝ln2·R₂·C。

(2)分频电路设计：74LS161为分频计数模块，将LM555多谐振荡器产生基本周期方波信号形成2分频、4分频、6分频、8分频，从图8所示电路的示波器显示结果(示波器结果见图14)可以看出，QA周期是CP周期的2倍、QB周期是QA周期的2倍、QC周期是QB周期的2倍、QD周期是QC周期的2倍。当QA、QB、QC、QD全为高电平时，QCC进位输出为1，其余情况QCC为进位输出为0，将QD设置为红灯的控制信号，其周期为LM555多谐振荡器产生的基本方波周期经过74LS161八分频的值。

(3)黄灯控制逻辑电路设计：74LS161的进位信号，用作黄灯的控制信号，具体地讲，进位输出为1的持续期认为可调，这也是某一个方向可通行时间的最后两秒，此时黄灯也应该闪烁。使用逻辑电路完成逻辑设计，当控制红灯亮的输出与控制黄灯亮的输出同时满足时，与门输出用于控制黄灯。若需要黄灯以亮t1秒，灭t2秒的规律闪烁，即其运行周期为n(t1+t2)秒(n、t1、t2可人为通过改变图8中的R3、R4调整)，用同样的方式利用LM555多谐振荡器电路产生周期较小的方波信号，与上述控制黄灯可亮的信号做与运算实现在一个方向绿灯熄灭黄灯立即以亮t1秒，灭t2秒的规律闪烁，闪烁过程完成红灯立即亮起，两个方向的实时对比波形图如图22所示。

图6所示的“丁字路口纵横两个方向等待时间相同”的交通信号灯控制的实现方式是：由于等待时间相同，仅需在上述“十字路口两个方向等待时间相同”的交通信号灯控制方法中关闭没有道路的方向的交通信号灯即可，电路图如图9所示。

图7所示的“单向路口双方以相同的时间等待行人通过”的交通信号灯控制的实现方式是：由于来往双方等待车辆相同等待时间相同，仅需要在“十字路口两个方向等待时间相同”的交通信号灯控制方法中的一个通行周期内将正脉宽对应的时段用作红灯持续时间，或负脉宽对应的时段作为绿灯持续时间，反之亦然，电路图如图10所示。

图5所示的“十字路口两个方向等待时间不同(即一方向车流量大，一方向车流量较小)”的交通信号灯控制的实现方式是：纵横两个方向需要等待时间和通行时间不相等以保持车流量大的方向通行时间略长于车流量小的方向，此时R1、R2调节系统自适应地已经调节了R1、R2的阻值，在LM555多谐振荡器产生的一个方波周期内，将较长脉宽的持续时间控制车流量大的方向的绿灯，以获得较长的通行时间，此时另一个方向是红灯，车辆等待；将较短脉宽的持续时间控制车流量小的方向的绿灯，以获得较短的通行时间，另一个方向是红灯，车辆等待，电路图如图11所示，两个方向的实时对比波形图如图23、24所示。

图6所示的“丁字路口纵横两个方向等待时间不同”的交通信号灯控制的实现方式是：在上述“十字路口两个方向等待时间不同(即一方向车流量大，一方向车流量较小)”的交通信号灯控制方法中关闭没有道路的方向的交通信号灯即可，电路图如图12所示。

图7所示的“单向路口双方以相同的时间等待行人通过(对于某一方向来车少，另一方向来车多)”的交通信号灯控制的实现方式是：来去两个方向车辆需要等待行人通过，由于某一方来车多，另一方来车少，需要设定等待时间和通行时间不相等以保持车流量大的方向通行时间略长于车流量小的方向，此时R1、R2调节系统自适应地已经调节了R1、R2的阻值，在LM555多谐振荡器产生的一个方波周期内，将较长脉宽的持续时间控制车流量大的方向的绿灯，以获得较长的通行时间，此时另一个方向是红灯，车辆等待；将较短脉宽的持续时间控制车流量小的方向的绿灯，以获得较短的通行时间，此时另一个方向是红灯车辆等待，电路图如图13所示。

在R1、R2的自适应调节中，红外传感器一直在对汽车经过时的反射脉冲信号进行计数，计数结果输入74LS90；74LS90实现二进制、五进制、十进制的计数，74LS92实现二进制、三进制、六进制、十二进制的计数；将74LS90、74LS92级联起来可以构成足够多种不同模值的计数，在图3和图4中，以74LS90做五进制计数在级联74LS92做十二进制的计数构成六十进制的计数器，将路口拥堵的阀值设为60辆，在实际情况中，根据路口的大小及其他各方面情况，综合设定阈值，级联两个计数器即可；当计数在单位时间内计满60时会在74LS92的QD输出端产生一个进位脉冲信号，用于改变后续电路的工作状态；LM555的R3、R4两个电阻器均为可调电阻，可人为设定任意时间作为74LS161分频的时钟信号。

74LS161的输出QA、QB、QC、QD以及进位输出RCO均可作为74LS90的清零信号(此处以RCO输出为例)，这样实现的功能是：假设LM555输出的时钟信号周期是t秒，74LS161的输出每8t秒输出一个高电平给74LS90的R91、R92端，使其清零。在8t秒内车辆数目大于或等于60，74LS92会有脉冲输出，若8t秒内车辆数目小于60，则按照一到时间8t，立即清零，从0重新开始计数。系统在常态下选择等时电路工作，及两个方向车辆通行与等待时间相等，一旦74LS92有脉冲输出后继电器wingding5讲单刀双掷开关S12拉向不等时工作电路，同时常开开关S11吸合，与5VVCC接通S11、S12保持。

不等时电路中电阻R2是由一系列的并联的串联组电阻构成的，每一个串联组设有独立开关，根据路口的大小及其他各方面情况选择合适的电阻值以设置合适的时间长短，此处以R5、R6这一组进行说明(R7、R8组和R9、R10组的原理与R5、R6组相同)。进位脉冲通过继电器wingding5，使常开开关S7闭合，继电器与5VVCC接通，S7保持闭合，与此同时常闭开关S2断开，电阻R5不再短路，接入R2的电阻由R6变大为R5+R6。由于R2的接入电阻变大，使得系统工作周期的负脉宽变长，即车流量较大方向绿灯时间相对于红灯时间延长。将U474LS161的进位信号RCO输出继续分频分频倍数可由实际需求选择U574LS161的QA、QB、QC、QD、RCO输出决定。

以U574LS161的RCO输出为例，假设LM555输出的时钟信号周期是t秒，64t秒为一个周期，每64t秒有一个脉冲输出结果继电器wingding6工作，单刀双掷开关S12拉向等时工作电路，同时继电器wingding6工作开关S10断开，开关S12报纸接在等时电路，等待下一次车流量超过阈值收到脉冲信号又转向不等时电路。由于S10断开，继电器wingding2断电，常开开关S7断开，常闭开关S2闭合，电阻R5短路，此时表示车流量不大，双方通行与等待时间等时，另外一个方向的红外传感检测结果以与上述相同的方式控制接入R1的电阻值。

交警求助系统工作原理：红外传感单元和后方红外传感单元的计数结果传输给前后方综合分析判断单元，以判定道路是否处于堵车状态。如果单位时间内路口红外传感单元的计数值远小于后方红外传感单元计数值，说明二者之间有大量车辆堆积，若长时间处于堵车情况，则向交警指挥部发出脉冲警示信号，警示发生堵车现象；如果单位时间内路口红外传感单元的计数值与后方红外传感单元计数值相差不大，说明路口畅通，未发生了堵车现象，不警示，系统继续正常工作。

为了更加明晰地说明本实用新型的技术方案，下面以(1)、两个方向等时等待32S的情况；(2)、两个方向非等时等待一个方向等待37S，一个方向等待78S的情况作为两个实例进行阐述。

(1)两个方向等时等待32S的情况(如示意图5所示)：如图1，十字路口各方向红外传感单元和后方红外传感单元在一定时间段内对通过车辆计数，东西方向计数判断单元、南北方向计数判断单元、两个方向车流量综合分析得到两个方向车流量较大，单位时间内通过车辆数相当，此时调节LM555多谐振荡器的控制电阻R1＝1Ω，R2＝288Ω、实现了东西方向、南北方向车辆均等待64S，绿灯后切换至红灯之前实现闪烁如图20、图21波形图所示。丁字路口、单向路口原理相同，单向路口仅仅需要将丁字路口无道路方向的信号灯关闭即可，电路图分别如图9、图10波形图所示。

(2)两个方向非等时等待一个方向等待37S，一个方向等待78S的情况(如示意图5所示)：如图1，十字路口各方向红外传感单元和后方红外传感单元在一定时间段内对通过车辆计数，东西方向计数判断单元、南北方向计数判断单元、两个方向综合分析得到两个方向车流量相差较大，一个方向车流量明显多于另一个方向的车流量，此时调节LM555多谐振荡器的控制电阻R1＝5.8KΩ，R2＝5.4KΩ、实现了车流量大的方向通行78S，等待37S；车流量小的方向通行37S，等待78S，绿灯后切换至红灯之前实现闪烁如图23、图24波形图所示。丁字路口、单向路口原理相同，电路图如图12、图13波形图所示。

Claims

1.一种基于LM555多谐振荡器的智能交通控制系统，其特征在于，包括东西方向红外传感单元、东西方向计数判断单元、南北方向红外传感单元、南北方向计数判断单元、第一电阻调节单元、第二电阻调节单元、多谐振荡单元、红绿灯控制单元、和信号灯显示单元；

所述东西方向计数判断单元，用于接收东西方向红外传感器单元的输出信号，并对东西方向红外传感单元记录的时间大于0.5s的发射信号的接收次数做累加计数；

所述南北方向计数判断单元，用于接收南北方向红外传感器单元的输出信号，并对南北方向红外传感单元记录的时间大于0.5s的发射信号的接收次数做累加计数；

2.如权利要求1所述的基于LM555多谐振荡器的智能交通控制系统，其特征在于，还设置有黄灯控制单元，所述黄灯控制单元采用74LS161的进位信号作为黄灯控制信号，当控制红灯亮的输出信号与控制黄灯亮的输出信号同时满足时，输出黄灯信号。

3.如权利要求2所述的基于LM555多谐振荡器的智能交通控制系统，其特征在于，所述黄灯控制单元中，采用另一个LM555集成电路产生周期方波信号，其连接关系为：输入电阻R3一端接电源VCC，另一端接DIS引脚，输入电阻R4一端接DIS引脚，另一端接THR引脚，THR还通过电容C3接地，CON引脚通过电容C4接地。

4.如权利要求1所述的基于LM555多谐振荡器的智能交通控制系统，其特征在于，所述多谐振荡单元产生的周期方波信号，周期方波信号的周期、正脉冲宽度、负脉冲宽度分别为：

周期：T＝t_w1+t_w2，

正脉冲宽度：t_w1＝ln2·(R₁+R₂)·C，

负脉冲宽度：t_w2＝ln2·R₂·C，C即是电容C1的值。

5.如权利要求1所述的基于LM555多谐振荡器的智能交通控制系统，其特征在于，所述东西方向计数判断单元采用74LS90D和74LS92D集成电路，所述南北方向计数判断单元采用74LS90D和74LS92D集成电路。

6.如权利要求1所述的基于LM555多谐振荡器的智能交通控制系统，其特征在于，还包括拥堵判断单元，所述拥堵判断单元为：根据路口红外传感单元和后方红外传感单元的计数，若单位时间内，路口红外传感单元的计数值远小于后方红外传感单元计数值，向交警指挥部发出脉冲警示信号；若单位时间内，路口红外传感单元的计数值与后方红外传感单元计数值相差不大，系统继续工作。