基于红外热释电传感器的智能交通劝导系统设计

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 电子警察的出现有效控制了机动车闯红灯的现象,但人行道上行人及自行车违规的问题未得到有效解决,行人闯红灯极易导致交通事故。为减少行人、自行车的违规行为,多数城市安排交通劝导员现场指挥,一方面增加了城市交通管理费用;另一方面,受时间约束和气候条件影响,交通劝导员较难做到全天候值守。

文中介绍的智能交通劝导系统能自动检测交通信号灯及行人运动的状态,通过交通灯及行人状态综合判定行人是否违规,并采用声音信息辅助行人过马路,若发现有人闯红灯,系统可自动给予语音警示及教育,人性化的提醒违章行人遵守交通规则,同时也能为交通事故的取证提供重要依据,从而减少行人乱闯红灯现象。

1 系统组成及硬件设计

智能交通劝导系统的组成如图1所示,主要由交通灯状态检测模块、行人状态检测模块及语音提示模块三部分组成。

其中,交通灯状态检测模块采用光频转换颜色传感器TCS3200设计,用来检测交通灯的状态,自动识别当前红绿灯所亮的颜色;行人状态检测模块采用红外热释电传感器设计,用来检测是否有行人通过人行横道;微控制器P89LPC917根据当前交通灯及行人的状态来综合判定是否有行人违规;语音提示模块采用ISD1700语音录放芯片设计,用来储存并播放语音,完成对行人的语音提示。

1.1 交通灯状态检测电路设计

交通灯状态检测电路用于识别当前交通灯信号的指示状态,如红灯、黄灯、绿灯等,文中采用TCS3200作为交通灯状态检测传感器。TCS3200是TAOS公司2009年推出的可编程彩色光到频率的转换器,它将硅光电二极管、电流频率转换器和红绿蓝(RGB)三种滤波器集成在单一的CMOS电路上,在单一传感芯片上包含了64只光电二极管,其中,带有红色、绿色、蓝色及不带任何滤波器的光电二极管各16只。光电二极管在芯片内交叉排列,能最大限度地减少入射光辐射的不均匀性,增加颜色识别的精确度;同类型的16只光电二极管并联连接且均匀分布在二极管阵列中,可以消除颜色的位置误差。基于TCS3200的交通灯状态检测电路如图2所示。

采用微控制器P89LPC917作为CPU,通过LPC917的计数器端口0对颜色传感器TCS3200输出的频率信号计数,采用定时器1产生定时时基,通过计数器0和定时器1完成颜色传感器输出信号的频率测量。TCS3200的典型输出频率范围从2 Hz~500 kHz,通过引脚S0、S1可选择不同的输出频率比例因子(100%、20%、2%),对输出频率的范围进行调整,使TCS3200的输出频率范围和微控制器LPC917的测频电路相匹配。通过引脚S2、S3选择滤波器,根据三原色感应原理,颜色是由不同比例的三原色(红色、绿色、蓝色)混合而成,在测量时,依次选通红、绿、蓝三种颜色滤波器,然后对TCS3200的输出频率进行测量,可得到相应的RGB值,进而得出投射到TCS3200传感器上的光的颜色,完成交通灯状态的检测和识别。

1.2 行人状态检测电路设计

行人状态检测电路基于人体红外辐射及热释电传感器设计,用来检测是否有行人通过人行横道。红外辐射是一种波长介于可见光与微波之间的电磁波,在绝对零度以上的任何物体都能辐射红外能量,人体辐射红外线的本领很强,其中心波长在8~10 ?滋m。热释电红外传感器基于热释电效应,它将吸收的红外辐射能量转化为电压信号,当所吸收的红外辐射的强度发生变化时才有信号输出,它由探测单元、干涉滤光片和场效应管匹配电路等组成。干涉滤光片只通过特定波段的红外辐射,以消除其余波段红外线的干扰。基于热释电红外传感器的行人状态检测电路如图3所示。

采用响应波长在5.5~14 ?滋m的热释电红外传感器D205B作为行人状态检测模块的探测传感器,人体辐射的红外线经过菲涅尔透镜聚焦后,产生交替变化的红外辐射高灵敏区和盲区照射到热释电红外传感器D205B上。运算放大器U6A对D205B输出的微弱电压信号进行第一级放大,然后由C22耦合至运算放大器U6B进行第二级放大,同时将电位抬高至0.5 VCC,再经由电压比较器U7A、U7B组成的双向鉴幅器处理后,检出有效的触发信号VSA并送至微控制器LPC917。

文中所述的智能交通劝导系统通过两只热释电红外传感器构成的两个探测平面来判别行人的行走方向,微控制器根据当前路口的红绿灯状态及行人行走方向来综合判断是否有闯红灯现象发生。

1.3 语音提示电路设计

微处理器根据当前红绿灯的状态及行人是否违规来播放相应的语音段,以对行人进行语音提示。采用单片优质语音录放芯片ISD1700设计语音提示电路,如图4所示。

采用编程拷贝机将设定的语音段内容存储在ISD1700芯片内部,微控制器LPC917与ISD1700之间采用SPI总线进行通信,系统工作时,CPU通过对当前交通灯及行人状态的检测来判断并确定应播放的语音段,如行人止步提示,行人前行提示,行人快速前行提示,行人闯红灯警示等。

2 系统安装及工作过程

系统安装方法如图5所示。交通灯状态检测模块安装在行人侧红绿灯的前端,使颜色识别传感器TCS3200接收红绿灯发出的光线。行人状态检测模块安装在支架上,在热释电红外传感器外罩的菲涅尔透镜前端安装宽约1 cm的平面狭缝,形成一个探测面,使人体辐射的红外线通过平面探测狭缝到达热释电传感器。行人状态检测模块由两组行人状态检测电路组成,用来构成两个相互平行的探测面A和探测面B,实现行人过马路的状态检测及行走方向判断。

系统的工作过程如下:

(1)当检测到当前交通灯为绿灯信号时,系统播放当前绿灯,行人前行提示语音段。

(2)当检测到当前交通灯为红灯信号时,播放当前红灯,行人止步提示语音段。此时,若A、B探测面检测到有行人时,表明有人闯红灯,可通过语音进行警示。

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