基于STM32單片機(jī)的智能紅綠燈設(shè)備

顧成才 王大雷

宿州學(xué)院

目前，大部分城市交通信號(hào)燈的控制方法是：事先經(jīng)過(guò)車(chē)流量的調(diào)查，利用統(tǒng)計(jì)得來(lái)的時(shí)間，控制信號(hào)燈的時(shí)長(zhǎng)。然而，不同的路口，不同的時(shí)間等，都會(huì)影響車(chē)流量。本文設(shè)計(jì)的智能紅綠燈控制系統(tǒng)解決了控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題[1]，具有安全、易擴(kuò)展和成本低等特點(diǎn)，整個(gè)控制系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計(jì)思想[2]，降低了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度。

一、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)本控制系統(tǒng)功能需求進(jìn)行分析并結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)手段，將系統(tǒng)主要分為以下幾個(gè)模塊：信號(hào)采集輸入模塊、控制中心模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊和輸出模塊[3-4]。

本系統(tǒng)的主要架構(gòu)是通過(guò)傳感器模塊采集信號(hào)，運(yùn)用I/O把采集的信號(hào)送入單片機(jī)控制中心進(jìn)行處理，處理后的結(jié)果反饋給執(zhí)行機(jī)構(gòu)作進(jìn)一步處理，再通過(guò)通信協(xié)議把結(jié)果顯示到輸出模塊[5]。

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)南北或者東西紅綠燈交替運(yùn)行，若南北或者東西車(chē)輛較多，則綠燈時(shí)間相應(yīng)延長(zhǎng)，LCD1602液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)運(yùn)行信息。

（一）硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文的控制系統(tǒng)是以器件集成化方法進(jìn)行研究的設(shè)計(jì)，主要是將集成化的器件分成塊狀的控制部分。研究的數(shù)據(jù)處理分支和數(shù)據(jù)傳輸分支，分別滿(mǎn)足各部分所需要的功能，所有的分支完成后組合在一起，設(shè)計(jì)出完整的控制系統(tǒng)，最后進(jìn)行綜合測(cè)試。本控制系統(tǒng)選擇以ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32系列MCU為信號(hào)處理中心[6]，紅外避障電路作為信號(hào)輸入端，LED燈和LCD1602液晶顯示屏作為信號(hào)輸出端。首先由總電源轉(zhuǎn)換電路為STM32系列MCU提供電源，使電路正常工作；其次紅外避障傳感器進(jìn)行工作，將檢測(cè)到的車(chē)輛或行人信息輸入到MCU中；經(jīng)過(guò)MCU處理將最終的結(jié)果用LED燈和LCD1602液晶顯示屏進(jìn)行展示。

（二）軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要采用Keil uVision5軟件編寫(xiě)與調(diào)試程序，程序語(yǔ)言采取易讀性和移植性更高的C語(yǔ)言編寫(xiě)。當(dāng)系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行模塊初始化，若有模塊器件損壞，則不能正常運(yùn)行；其次系統(tǒng)開(kāi)始采集數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)，若處理的數(shù)據(jù)正確，則開(kāi)始接受數(shù)據(jù)并傳輸?shù)捷敵龆俗鬟M(jìn)一步處理。控制器與各個(gè)電路模塊間數(shù)據(jù)通信主要有一個(gè)主流程和四個(gè)子流程，主流程是系統(tǒng)軟件不斷訪(fǎng)問(wèn)各個(gè)子模塊以及子模塊把數(shù)據(jù)反饋到控制中心，子流程是請(qǐng)求處理數(shù)據(jù)信號(hào)與相應(yīng)功能子函數(shù)之間的通信。

二、系統(tǒng)信號(hào)采集與處理

（一）紅外傳感器程序設(shè)計(jì)。紅外傳感器系統(tǒng)程序，采用信號(hào)查詢(xún)方式進(jìn)行。系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行模塊初始化，然后傳感器發(fā)送紅外信號(hào)，當(dāng)有信號(hào)反射回來(lái)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算高電平持續(xù)時(shí)間，利用這個(gè)時(shí)間就能計(jì)算傳感器到遮擋物之間的距離是否在檢測(cè)范圍內(nèi)。

（二）LCD1602顯示屏程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)上電后，LCD1602顯示屏首先進(jìn)行模塊初始化，然后顯示固定不變的字符；若液晶空閑，則控制中心給液晶發(fā)送顯示的字符，若顯示的字符有效，則LCD1602顯示屏輸出顯示。

三、系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1.道路為東西南北走向的十字路口，每條馬路各有2套紅綠燈，即紅、黃、綠。系統(tǒng)正常模式下，均為紅燈亮10秒，然后黃燈亮3秒，然后綠燈亮10秒，并依次循環(huán)。（同一時(shí)刻，每套紅綠燈系統(tǒng)只有1個(gè)燈亮）

2.在南北方向的馬路增加1路紅外避障檢測(cè)，如果南北綠燈情況下，檢測(cè)到車(chē)輛過(guò)多以5個(gè)位例，5個(gè)及以上，綠燈延時(shí)10s，對(duì)應(yīng)東西紅燈相應(yīng)延時(shí)10s。保證南北綠燈時(shí)間延長(zhǎng)，通車(chē)多，防止堵車(chē)；在東西方向的馬路增加1路紅外避障檢測(cè)，如果東西綠燈情況下，檢測(cè)到車(chē)輛過(guò)多以5個(gè)位例，5個(gè)及以上，綠燈延時(shí)10s，對(duì)應(yīng)南北紅燈相應(yīng)延時(shí)10s。保證東西綠燈時(shí)間延長(zhǎng)，通車(chē)多，防止堵車(chē)。

3.每次綠燈，人數(shù)過(guò)多只能延時(shí)一次，否則影響另一方向車(chē)道行駛。LCD1602顯示屏顯示東西南北燈的參數(shù)，以及車(chē)流量參數(shù)。

結(jié)束語(yǔ)：本文參考和研究分析了目前所擁有的智能紅綠燈系統(tǒng)，利用STM32 F103單片機(jī)為控制芯片，利用各個(gè)組合模塊電路，主要以硬件設(shè)備小型化、程序設(shè)計(jì)模塊化的方向，設(shè)計(jì)了這款數(shù)字智能控制系統(tǒng)方案。簡(jiǎn)要說(shuō)明了這種研究方法中所包含的關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用平臺(tái)，包括各種硬件模塊電路的設(shè)計(jì)等。使交通得以有效管制，疏導(dǎo)交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故。保障道路高效運(yùn)行，保障行人全部安全通過(guò)紅綠燈，盡量避免行人需要連奔帶跑過(guò)馬路的問(wèn)題。