基于STM32 的智能交通燈系統(tǒng)設(shè)計

韓旭東 韓樂樂 林邦演 蔡瑞紅 王淇任 鄺川明

廣州城市理工學(xué)院 廣東省廣州市 510800

科學(xué)發(fā)展促使著人們生活水平的提高，也使得私家汽車成為習(xí)以為常的代步工具，隨著人們汽車持有量日益提高，相應(yīng)的導(dǎo)致交通壓力也日益增長，大量的汽車在交通道路上行駛所帶來的交通擁堵問題也日益突顯，并且由于每時每刻交通路口上各個方向的車數(shù)量是實時變化的，很多時候會出現(xiàn)這樣一種情況，在十字路口上某個路口車輛會很多而某個路口的車輛又很少，而路口的交通信號燈通行時長都是固定的，不論這個路口車流量多少，都是按照程序運行。這就必然會導(dǎo)致道路通行的效率變低，特別是在上班和下班的時段，如果堵塞嚴(yán)重還會影響城市的交通網(wǎng)絡(luò)。所以提高路口的通行效率的需求逐漸增長。目前很多專業(yè)人士已經(jīng)對智能交通燈系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行研究，但是目前絕大部分研究在統(tǒng)計車流量時都是采用紅外技術(shù)模塊來對通過的車輛進(jìn)行統(tǒng)計的。這樣的方法是會有部分誤差的，因為測量點與停止線有一段距離，所以這種理論統(tǒng)計的車流量方法不能實時得到真正處于路口等待的車數(shù)目。所以設(shè)計一款可以實時對等待車輛進(jìn)行精準(zhǔn)計數(shù)然后再使用擁有特殊算法及其控制能力的智能交通燈對各個道路的紅綠燈等待或者通行的時長進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控，這樣的智能交通燈控制系統(tǒng)才是未來所需，我們的研究就是基于這樣的想法進(jìn)行智能交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計，這不僅僅是我們的想法也是對于交通管控以及優(yōu)化城市交通網(wǎng)絡(luò)勢在必行的必然結(jié)果。

研究智能交通系統(tǒng)首先需要對智能交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初步了解，還需要知道紅綠燈的運行邏輯。在了解了以上內(nèi)容之后，首先我們需要從根本上出發(fā)，智能交通系統(tǒng)的本質(zhì)是一種可以緩解交通壓力、使十字路口通行效率最大化的智能交通系統(tǒng)。

最早的智能交通系統(tǒng)起源于美國，21世紀(jì)初美國即設(shè)計出了許多關(guān)于ITS的發(fā)展方案。許多年的發(fā)展之后，美國的智能交通控制率已大于85%，大大領(lǐng)先于世界上其他國家。

歐洲與日本限于領(lǐng)土面積的有限的問題，人口密度大、汽車普及率高、汽車密度大的情況導(dǎo)致其交通壓力甚大，因此智能紅綠燈系統(tǒng)亦應(yīng)運而生的較早。目前，歐洲各國已計劃通過對不同國之間現(xiàn)有的信息系統(tǒng)和通信設(shè)備的繼承，融合各個國家的道路交通基礎(chǔ)措施，從而實現(xiàn)了歐洲國家的智能交通互聯(lián)。其他國家的智能交通也在這個時間段逐漸噴涌出來，關(guān)于這方面的研究，目前已經(jīng)得到一些初步的方案，我們的研究也是正式從這些方案中得到的啟發(fā)的。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 紅外檢測裝置

通過對紅外障礙探測技術(shù)對正在等待紅燈的汽車數(shù)量進(jìn)行計數(shù)，將紅外對管安裝在道路中央，如圖1所示。將紅外對管安裝在道路中央，其內(nèi)部如圖1所示。紅外對管用紅外光識別道路上是否有汽車，如果道路上有汽車停留那么紅外對管發(fā)射的信號反射信號就會被接收，用這種方法可以檢測是否有汽車等待紅綠燈。圖2左方是單行的車道，圖中的球代表安裝紅外對管的地方，在各個車道上安裝紅外對管，同時相鄰紅外對管之間保持一個車位，以確保車輛被紅外對管準(zhǔn)確識別到。

圖1 紅外對管安裝在道路中央示意圖

1.2 模塊的工作流程

通過檢測四個路口實時車輛，把檢測到的各個路口車輛等待數(shù)計入單片機(jī)進(jìn)行算法分析，然后對于各個路口的車輛數(shù)進(jìn)行紅綠燈的時間分配。車輛數(shù)量較多的路口所需分配的通行時間更長，但是這個更多的時間也需要控制，不能無限制的給予車輛等待數(shù)最多的路口通行太久。所以需要特定的算法以及對人們進(jìn)行實際的調(diào)研進(jìn)行合理的時間分配。

1.3 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)

采用單片機(jī)為系統(tǒng)的應(yīng)用裝置，以單片機(jī)為控制系統(tǒng)對智能紅綠燈系統(tǒng)進(jìn)行分析控制。采用STM32的高性能芯片進(jìn)行檢測控制，使得智能交通燈系統(tǒng)運行的更為流暢。

如圖2所示，采取Proteus軟件進(jìn)行單片機(jī)的硬件電路設(shè)計，電源回路部分，首先讓單片機(jī)vcc引腳連接電源，vss接地，運用單片機(jī)時鐘電路會發(fā)出脈沖信號對系統(tǒng)內(nèi)部計時進(jìn)行校準(zhǔn)，其中單片機(jī)內(nèi)部時鐘電路由管腳 XTAL2 以及管腳 XTAL1引出，然后與外圍電路鏈接，芯片選取晶振頻率為12 MHz。從頭開始編輯設(shè)計電路系統(tǒng)需要先完成撫慰電路系統(tǒng)設(shè)計。復(fù)位電路的設(shè)計：復(fù)位電路由9管腳引出與電容、電源、按鈕和電阻構(gòu)成，可實現(xiàn)上電復(fù)位和手動復(fù)位。

圖2 單片機(jī)的硬件電路

1.4 智能交通燈控制系統(tǒng)

智能交通燈控制系統(tǒng)主要由道路各個方向的紅綠燈以及各個紅綠燈的電源組成，由此來模擬十字路口的信號燈，以圖3所示，D6東西向綠燈，D5東西向黃燈引腳標(biāo)簽，D4代表東西向綠燈引腳標(biāo)簽，同理其他方位的標(biāo)簽代表著各個方向的紅綠燈，這兩組標(biāo)簽對應(yīng)單片機(jī)PB口的6個引腳，可以通過改變PB的對LED燈進(jìn)行實時控制。

圖3 智能交通燈模擬示意圖

1.5 時間顯示模塊

現(xiàn)實里真實的道路系統(tǒng)需要有倒計時顯示才能讓駕駛員知道自己需要等待的時長，所以設(shè)計一個倒計時顯示電路用來顯示所需等待的時長，用數(shù)字顯示芯片74HC595連接電阻及其數(shù)碼管作為等待時長顯示屏，數(shù)碼管的段控端連接總線，數(shù)碼管A-G引腳分別對應(yīng)單片機(jī)上的PA0-PA7引腳和排阻構(gòu)成的電路使單片機(jī)實現(xiàn)對數(shù)碼管的段控。數(shù)碼管的位選端通過芯片74HC595的引腳與單片機(jī)的 PB口連接，使單片機(jī)實現(xiàn)對數(shù)碼管的位控。

1.6 紅綠燈系統(tǒng)檢測

紅綠燈系統(tǒng)檢測方法：首先讓東西方向的紅綠燈綠燈一定時間，南北方向紅綠燈紅燈一定時間。測試結(jié)果以東西方向為標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行多次測試然后每一次都以上一次測試結(jié)果為基礎(chǔ)。第一次測試，東西方向通過20輛車，東西通行變?yōu)?0秒，南北紅燈35秒；第二次測試再改變數(shù)據(jù)改變成東西向通過25輛車，東西通行36秒，南北等待40秒；再進(jìn)行新的測試，東西向道路只放置個位數(shù)的汽車等待，東西通行25秒，南北等待30秒；第四次測試，東西向通過10輛車，東西通行20秒，南北等待25秒。以此進(jìn)行的測試結(jié)果可以一定程度的對紅綠燈系統(tǒng)進(jìn)行檢測，可以判斷系統(tǒng)是否可根據(jù)車流量智能調(diào)節(jié)交通燈各個方向道路的紅綠燈時長。

1.7 硬件電路總體設(shè)計

硬件電路總體設(shè)計由四部分構(gòu)成：控制芯片、模擬交通燈、按鍵和顯示屏組成。總體系統(tǒng)由STM32單片機(jī)對模擬的交通燈進(jìn)行控制模擬，各個方向的等待時間顯示在各個方向的顯示屏上。目的是方便實際實驗和調(diào)試。具體硬件設(shè)計如下所示。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 主程序流程圖

首先對各個元器件和系統(tǒng)進(jìn)行初始化，主程序運行流程如圖四控制東西的LED燈使其變綠，南北的LED燈變紅，進(jìn)入圖五計時器子程序，并且給P0和P2輸入十位與個位的數(shù)字型碼，接下來進(jìn)行按鍵掃描，對需要的按鍵進(jìn)行配置，按鍵消抖等一系列對按鍵初始化的過程，有按鍵按下這里沒有給確切的按鍵，以便于后期的設(shè)置與改動，假設(shè)這里所觸發(fā)的按鍵為KEY0，按鍵初始化狀態(tài)時為低電平，按一次按鍵狀態(tài)轉(zhuǎn)為高電平，所以當(dāng)KEY0=1時進(jìn)入YES判斷環(huán)節(jié)，環(huán)節(jié)調(diào)用鍵盤（按鍵）子程序如圖六，KEY0=0時進(jìn)入NO判斷環(huán)節(jié)，再次控制東西的LED燈使其變綠，南北的LED燈變紅，同時讓黃燈閃爍（這里的黃燈閃爍可以看做即將跳入紅燈時的黃燈閃爍，也不完全是同時閃爍），顯示子程序和前面提到的一樣，是將數(shù)字型碼輸入到對應(yīng)的共陽極的2位數(shù)碼管上以實現(xiàn)精確的計時，再次跳入鍵盤掃描，緊接著跳入條件判斷，這時沒有else語句，

只是滿足KEY0=1時，直接調(diào)用鍵盤子程序（按鍵子程序），接著就是順序執(zhí)行，控制東西的LED燈變紅，南北的LED燈變綠，末尾加上return，放回主函數(shù)初始位置，及完成了本次程序的運行。如果要進(jìn)行計時器中斷，則進(jìn)行中斷子程序流程如圖7。

圖4 主程序框圖

圖5 計時器子程序流程圖

圖7 計時器中斷子程序流程圖

3 結(jié)語

圖6 按鍵子程序流程圖

智能交通燈的作用簡言之就是將各個不同領(lǐng)域的知識結(jié)合起來從而加強(qiáng)車輛與道路的關(guān)系，使三者之間聯(lián)系，運用信息技術(shù)、電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)等公路運輸系統(tǒng)從而建立起快捷方便安全、準(zhǔn)確、高效的城市交通系統(tǒng)，這就是智能交通燈所研究的最終目的。