斑马线智能控制系统的研究

贵州商学院 蒋元敬 苏 藏 任亚哥 胡灿婷 刘 卫

随着物联网相关技术在各个领域得到广泛应用，使得信息感知及采集技术的即时性成为可能，交通系统的感知能力得到空前提升，大幅缓解了交通拥堵现状，提升城市交通路网的效能与出行质量。本文设计了一个模型基于AT89C51单片机智能斑马线，每个功能模块设计主要是连接到主控制系统，通过将收集的信息将被发送到主控制模块，各个模块主控制模块接收到相应的信号和相应的控制机构给各个模块，从而协调斑马线的正常运行。当行人通过斑马线时，斑马线将会通过系统阻止车辆通行，以减少车祸发生频次。

1 智慧线系统背景

1.1 斑马线交通的现状及背景

目前，随着科技的进步和人们生活水平的提高，私家车已经成为许多家庭不可缺少的交通工具。然而，它也带来了很多交通问题，如交通拥堵，行人过马路，事故频发，早晚高峰时段交通拥堵。这种矛盾容易加剧，已成为亟待解决的交通问题。根据国家统计局提供的数据，全球每年约有125万人死于道路交通事故，相当于每天有3500人死于交通事故。世界卫生组织表示，道路交通死亡和受伤的主要风险是超速驾驶。因此，目前交通事故也是世界面临的一个重大问题。

根据近几年的汽车拥有量及其年份的数据分析，通过数据拟合方式，预估以后车辆多少的走向。

通过对民用汽车拥有量和私人汽车拥有量进行数据汇总得到总汽车拥有量数据，总汽车拥有量和年份通过EXCEL建立简单一元线性回归，总体趋势为随年份的增长，总汽车拥有量不断增多。简单线性回归方程的R方为0.955，接近于1，说明方程拟合程度良好。2014-2020年上半年中国机动车和汽车保有量如图1所示。2010-2021年分析总汽车量随着年份变化的关系如图2所示。

图1 2014-2020年上半年中国机动车和汽车保有量

图2 2010-2021年分析总汽车量随着年份变化的关系

1.2 交通事故数据分析及其痛点

通过交通事故数据进行图形分析。柱形图的交通事故总计数是呈现一个波动的变化趋势，其中2018年达到了近十年事故总计的顶峰。其中死亡人数呈现波动小的趋势的上升情况，直接财产损失也是逐步上升的趋势。如图3所示。

图3 交通事故柱状图

2 智慧线硬件设计

2.1 智慧线总体模块设计

本设计是主要是通过AT89C51单片机进行设计，根据其接受到的信号控制交通灯的循环显示、电机驱动模块驱动电机工作、红外人体检测模块的工作状态和语音模块提示违规行人。整个系统运行的启动与停止将通过按键模块进行相应控制，系统总体的电路设计如图4所示。

图4 系统框图

设计智能识别系统的功能，将强行闯红灯的行人记录并上传存入交管部门，当达到一定次数后通知其提交相应的处罚。最后一个功能则是在装置50m远处放有车辆检测装置，在显示屏幕提示，即将过马路的行人将有车辆到来注意观察周围情况。以免不必要的事故发生。整个系统运行的启动与停止将通过按键模块进行相应自动控制。

2.2 智慧线各个功能模块的选择

2.2.1 主控制器模块

主控制模块主要选用AT89C51单片机，主要是因为它是最基础的控制器，支持掉电模式和低功耗模式，当系统自动掉电后，单片机控制器中的数据不会随着掉电而丢失。并且是一款4K字节可编程flash存储器的高性能8位嵌入式高效微处理器，在闲置模式下，CPU保持睡眠状态，较为节能，比较好的是单片机中RAM、串口、计数器、计时器及中断系统始终保持激活状态。

2.2.2 电机模块

主要采用L298电机驱动器，来控制斑马线屏障栏装置的升降，将步进电机以及电机的驱动模块相结合对斑马线屏障栏装置进行升降控制，优点在于这款电机能够耐高压，且是由L298电机驱动器制作而成，该电机能够实现反转和正转等功能。具有高电压、高电流、带负载能力强和抗干扰能力强等优点

2.2.3 智能斑马线屏障栏模块

考虑到驾驶员因驾驶速度过快不能及时减速，可能导致和斑马线屏障栏碰撞的情况，故将斑马线屏障栏装置制作材料改成物理心态为硬胶的合成橡胶，避免此类情况。该合成橡胶具有耐高温、耐腐蚀和较强可逆形变的弹性。当驾驶员刹车失灵或闯红灯时，斑马线屏障栏会被压缩至地面，当车间经过后，会自动复原，就避免了因意外导致的事故，使得行人安全通行和驾驶员安全驾驶。

2.2.4 红外检测模块

红外模块主要采用的是HC-SR501传感器，这是一款能够通过对人体感应的传感器，主要通过感应人体来进行数据收集，具有连续和单次两种检测模式，本文设计主要采用的是连续检测模式进行检测。主要的工作电压位于4.5V-20V之间，检测的范围在7m或14m以内，根据实际可调节，并且具备高灵敏度，自动感应和低消耗模式的优点。

2.3 智慧线系统模块主要功能实现步骤

2.3.1 电机模块的功能原理

整个系统设计，需要有较大的的驱动装置，需要选择具有较大驱动电机的运转来提供动力，由于本文选用的是L298电机驱动模块，该模块主要的原理如图5所示，通过电机控制的原理，输出引脚主要作用是控制电机的正转与反转。IN1、IN2及ENA控制电机D1的转动，IN3、IN4及ENB控制电机D2的转动，为整个设计提供驱动力。

图5 电机驱动模块电路图

2.3.2 交通灯模块的功能原理

该交通灯主要采用LED灯来表示红绿灯，主要采用单向发光二极管。在本系统中，分别将三个LED正极连接到电源上，作为交通灯，LED的负极通过电阻串联到主芯片的I/O管脚上，进行电路保护。当主芯片向其发送低电平信号时，LED导通显示光态。因为51单片机的工作电压为5v，并且发光二极管的正常使用电压在5v以下，在线路中接入电阻R，目的是为了保护发光二极管，预防发光二极管损坏。交通灯模块如图6所示。

图6 交通灯模块

2.4 智慧线总体原理图实现

为了实现系统的正常运行，首先需要根据系统的功能和各个模块的工作原理，使用Altium Designer软件绘制出相应的原理图。根据原理图完成系统设计后，将运行程序下载到系统的主芯片上，检查系统是否可以正常运行。本设计采用基于C语言的KEIL4软件编写系统运行程序。在系统运行过程中，单片机运行相应的系统程序，控制交通灯的流通和电机正反向功能模块的协调，防止驾驶员和行人闯红灯，造成交通事故。当系统运行环境出现紧急情况或需要进行相应的维护时，可通过按下系统设置的按钮停止系统。Altium Designer绘制原理图如图7所示。

图7 Altium Designer绘制原理图

3 智慧线软件设计

3.1 智慧线系统程序设计

在整个系统运行中，该系统设计主要是采用上电复位方式来进行复位，将连接整个电路后恢复到初始状态，程序进行初始化之后，系统开始运行系统程序，在系统功能实现中主要是判断按键key1是否按下，若key1按键按下，则系统处于运行状态，反之终止运行，各个模块将不参与任何工作。在整个系统执行中。key2按键被按下同样终止运行。

3.2 交通灯模块的程序设计

该模块程序设计为交通灯红灯点亮一段时间之后黄灯亮起，黄灯点亮一段时间之后绿灯亮起，绿灯亮起一段时间之后红灯又会再次点亮。若该模块没有收到主控模块发出的相应指令就会一直循环此过程，直到收到主控模块发出的停止指令才会结束其运行状态，如图8所示。

图8 交通灯流程

3.3 智慧斑马线屏障栏模块程序设计

该模块的程序设计为首先判断系统中的红灯是否为点亮状态，若是则使司机端斑马线屏障栏下降，行人端斑马线屏障栏升高。完成此操作之后再判断绿灯是否点亮，当绿灯被点亮时司机端的斑马线屏障栏升高，同时行人端的斑马线屏障栏下降。若该模块收到主控模块发出的结束指令，整个模块将停止运行。如图9所示。

图9 斑马线屏障栏模块流程

3.4 语音提示及红外人体检测模块的程序设计

该模块的程序设计为首先判断红灯是否亮起，红灯亮起时红外人体检测模块将进入工作状态，若检测到斑马线上有行人主控模块将启动语音提示模块对其发出相应的语音提示。之后会判断绿灯是否被点亮，若绿灯亮起则该模块停止工作，如图10所示。

图10 红外人体及语音提示功能流程

4 智慧线系统仿真及运行

本文系统设计的主要实现功能主要以虚拟仿真的方式，对系统进行模拟，主要采用的工具是Proteus，这是对电路仿真的一种快捷方式，在该软件中绘制主控制原理图，将各个元器件及其控制芯片找到并连接好原理图，同时将编写好的代码在keil4中运行，生成.hex文档，Proteus中点击单片机，将.hex文档下载到单片机中，并查看各个电路模块是否能正常工作。本设计主要用蜂鸣器来代表语音模块。在仿真系统中，LED4、LED5和报警电路模拟红外人体检测和语音提示模块。LED4的开关状态模拟了红外人体检测模块的工作状态，LED5的闪烁状态主要模拟了红外人体检测模块对非法行人的检测。仿真结果如图11所示。

图11 智能斑马线屏障栏系统仿真图