基于紅外熱釋電傳感器的智能交通勸導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計 - 全文

　　電子警察的出現(xiàn)有效控制了機(jī)動車闖紅燈的現(xiàn)象，但人行道上行人及自行車違規(guī)的問題未得到有效解決，行人闖紅燈極易導(dǎo)致交通事故。為減少行人、自行車的違規(guī)行為，多數(shù)城市安排交通勸導(dǎo)員現(xiàn)場指揮，一方面增加了城市交通管理費(fèi)用；另一方面，受時間約束和氣候條件影響，交通勸導(dǎo)員較難做到全天候值守。

　　文中介紹的智能交通勸導(dǎo)系統(tǒng)能自動檢測交通信號燈及行人運(yùn)動的狀態(tài)，通過交通燈及行人狀態(tài)綜合判定行人是否違規(guī)，并采用聲音信息輔助行人過馬路，若發(fā)現(xiàn)有人闖紅燈，系統(tǒng)可自動給予語音警示及教育，人性化的提醒違章行人遵守交通規(guī)則，同時也能為交通事故的取證提供重要依據(jù)，從而減少行人亂闖紅燈現(xiàn)象。

　　1 系統(tǒng)組成及硬件設(shè)計

　　智能交通勸導(dǎo)系統(tǒng)的組成如圖1所示，主要由交通燈狀態(tài)檢測模塊、行人狀態(tài)檢測模塊及語音提示模塊三部分組成。

　　其中，交通燈狀態(tài)檢測模塊采用光頻轉(zhuǎn)換顏色傳感器TCS3200設(shè)計，用來檢測交通燈的狀態(tài)，自動識別當(dāng)前紅綠燈所亮的顏色；行人狀態(tài)檢測模塊采用紅外熱釋電傳感器設(shè)計，用來檢測是否有行人通過人行橫道；微控制器P89LPC917根據(jù)當(dāng)前交通燈及行人的狀態(tài)來綜合判定是否有行人違規(guī)；語音提示模塊采用ISD1700語音錄放芯片設(shè)計，用來儲存并播放語音，完成對行人的語音提示。

　　1.1 交通燈狀態(tài)檢測電路設(shè)計

　　交通燈狀態(tài)檢測電路用于識別當(dāng)前交通燈信號的指示狀態(tài)，如紅燈、黃燈、綠燈等，文中采用TCS3200作為交通燈狀態(tài)檢測傳感器。TCS3200是TAOS公司2009年推出的可編程彩色光到頻率的轉(zhuǎn)換器，它將硅光電二極管、電流頻率轉(zhuǎn)換器和紅綠藍(lán)（RGB）三種濾波器集成在單一的CMOS電路上，在單一傳感芯片上包含了64只光電二極管，其中，帶有紅色、綠色、藍(lán)色及不帶任何濾波器的光電二極管各16只。光電二極管在芯片內(nèi)交叉排列，能最大限度地減少入射光輻射的不均勻性，增加顏色識別的精確度；同類型的16只光電二極管并聯(lián)連接且均勻分布在二極管陣列中，可以消除顏色的位置誤差?；赥CS3200的交通燈狀態(tài)檢測電路如圖2所示。

　　采用微控制器P89LPC917作為CPU，通過LPC917的計數(shù)器端口0對顏色傳感器TCS3200輸出的頻率信號計數(shù)，采用定時器1產(chǎn)生定時時基，通過計數(shù)器0和定時器1完成顏色傳感器輸出信號的頻率測量。TCS3200的典型輸出頻率范圍從2 Hz～500 kHz，通過引腳S0、S1可選擇不同的輸出頻率比例因子（100%、20%、2%），對輸出頻率的范圍進(jìn)行調(diào)整，使TCS3200的輸出頻率范圍和微控制器LPC917的測頻電路相匹配。通過引腳S2、S3選擇濾波器，根據(jù)三原色感應(yīng)原理，顏色是由不同比例的三原色（紅色、綠色、藍(lán)色）混合而成，在測量時，依次選通紅、綠、藍(lán)三種顏色濾波器，然后對TCS3200的輸出頻率進(jìn)行測量，可得到相應(yīng)的RGB值，進(jìn)而得出投射到TCS3200傳感器上的光的顏色，完成交通燈狀態(tài)的檢測和識別。

　　1.2 行人狀態(tài)檢測電路設(shè)計

　　行人狀態(tài)檢測電路基于人體紅外輻射及熱釋電傳感器設(shè)計，用來檢測是否有行人通過人行橫道。紅外輻射是一種波長介于可見光與微波之間的電磁波，在絕對零度以上的任何物體都能輻射紅外能量，人體輻射紅外線的本領(lǐng)很強(qiáng)，其中心波長在8~10 ？滋m。熱釋電紅外傳感器基于熱釋電效應(yīng)，它將吸收的紅外輻射能量轉(zhuǎn)化為電壓信號，當(dāng)所吸收的紅外輻射的強(qiáng)度發(fā)生變化時才有信號輸出，它由探測單元、干涉濾光片和場效應(yīng)管匹配電路等組成。干涉濾光片只通過特定波段的紅外輻射，以消除其余波段紅外線的干擾。基于熱釋電紅外傳感器的行人狀態(tài)檢測電路如圖3所示。

　　采用響應(yīng)波長在5.5~14 ？滋m的熱釋電紅外傳感器D205B作為行人狀態(tài)檢測模塊的探測傳感器，人體輻射的紅外線經(jīng)過菲涅爾透鏡聚焦后，產(chǎn)生交替變化的紅外輻射高靈敏區(qū)和盲區(qū)照射到熱釋電紅外傳感器D205B上。運(yùn)算放大器U6A對D205B輸出的微弱電壓信號進(jìn)行第一級放大，然后由C22耦合至運(yùn)算放大器U6B進(jìn)行第二級放大，同時將電位抬高至0.5 VCC，再經(jīng)由電壓比較器U7A、U7B組成的雙向鑒幅器處理后，檢出有效的觸發(fā)信號VSA并送至微控制器LPC917。

　　文中所述的智能交通勸導(dǎo)系統(tǒng)通過兩只熱釋電紅外傳感器構(gòu)成的兩個探測平面來判別行人的行走方向，微控制器根據(jù)當(dāng)前路口的紅綠燈狀態(tài)及行人行走方向來綜合判斷是否有闖紅燈現(xiàn)象發(fā)生。

　　1.3 語音提示電路設(shè)計

　　微處理器根據(jù)當(dāng)前紅綠燈的狀態(tài)及行人是否違規(guī)來播放相應(yīng)的語音段，以對行人進(jìn)行語音提示。采用單片優(yōu)質(zhì)語音錄放芯片ISD1700設(shè)計語音提示電路，如圖4所示。

　　采用編程拷貝機(jī)將設(shè)定的語音段內(nèi)容存儲在ISD1700芯片內(nèi)部，微控制器LPC917與ISD1700之間采用SPI總線進(jìn)行通信，系統(tǒng)工作時，CPU通過對當(dāng)前交通燈及行人狀態(tài)的檢測來判斷并確定應(yīng)播放的語音段，如行人止步提示，行人前行提示，行人快速前行提示，行人闖紅燈警示等。

　　2 系統(tǒng)安裝及工作過程

　　系統(tǒng)安裝方法如圖5所示。交通燈狀態(tài)檢測模塊安裝在行人側(cè)紅綠燈的前端，使顏色識別傳感器TCS3200接收紅綠燈發(fā)出的光線。行人狀態(tài)檢測模塊安裝在支架上，在熱釋電紅外傳感器外罩的菲涅爾透鏡前端安裝寬約1 cm的平面狹縫，形成一個探測面，使人體輻射的紅外線通過平面探測狹縫到達(dá)熱釋電傳感器。行人狀態(tài)檢測模塊由兩組行人狀態(tài)檢測電路組成，用來構(gòu)成兩個相互平行的探測面A和探測面B，實現(xiàn)行人過馬路的狀態(tài)檢測及行走方向判斷。

　　系統(tǒng)的工作過程如下：

　?。?）當(dāng)檢測到當(dāng)前交通燈為綠燈信號時，系統(tǒng)播放當(dāng)前綠燈，行人前行提示語音段。

　?。?）當(dāng)檢測到當(dāng)前交通燈為紅燈信號時，播放當(dāng)前紅燈，行人止步提示語音段。此時，若A、B探測面檢測到有行人時，表明有人闖紅燈，可通過語音進(jìn)行警示。

　?。?）在紅燈狀態(tài)下，根據(jù)行人到達(dá)A、B探測面的先后順序及時間間隔，可判定行人闖紅燈違規(guī)的各個階段。若探測到行人先后經(jīng)過A、B探測面，則表明當(dāng)前有行人即將走完人行橫道，可進(jìn)行快速前行語音提示；若探測到行人先后經(jīng)過B、A探測面，則表明有行人正在橫穿馬路，可進(jìn)行語音勸告并警示。

　　文中介紹的智能交通勸導(dǎo)系統(tǒng)能夠自動檢測交通燈的信號狀態(tài)及行人的運(yùn)動狀態(tài)，判定行人是否闖紅燈并采用語音輔助行人過馬路，人性化地提醒人們遵守交通規(guī)則。該系統(tǒng)能做到全天候值守，代替交通勸導(dǎo)員可降低城市交通管理費(fèi)用，對減少行人亂闖紅燈現(xiàn)象、提高人們的文明交通意識具有積極意義。