基于STM32的智能交通燈設計

彭俊，陳順材，張澤，張詩，董錚

(湖北文理學院計算機工程學院，湖北襄陽，441053)

1 研究背景和意義

隨著信息技術的不斷發展，各行各業中都引入了智能技術，智能交通控制系統必將是世界范圍內交通行業的一場新革命。未來的交通系統將集成先進的信息、通信、控制、傳感器與計算器等系統，綜合這些技術有效的應用，使行人、車輛與道路之間的相互關系、相互作用更加清晰明了，達到節能、環保、有效、可靠與安全的目的。

STM32智能化交通燈系統設計可以實現交通的安全運行，提高交通管理智能化、科學化，該系統主要是利用單片機對交通信號燈進行智能控制。經過大量的實驗研究表明，該系統具有結構簡單、成本低、效率高等優勢，能極大地提高交通通行能力。

2 系統設計方案

本系統設計主要由STM32單片機、電源模塊、紅綠燈模塊、倒計時顯示模塊、語音播報模塊與按鍵模塊組成。本系統的具體結構框圖如圖1所示，各個模塊的工作由STM32中央處理器來控制處理。按鍵模塊用來設置紅綠燈點亮時間的長短，由兩個機械按鍵組成，兩個按鍵的功能分別是增加時間與減少時間。倒計時顯示模塊用以顯示紅、綠、黃三個顏色的持續時間。紅綠燈模塊用來提示“停止”、“通行”與“注意”三個意思，其中紅燈代表的是“停止”，綠燈代表的是通行，黃燈代表的是警示，此模塊由紅、綠、黃三個LED燈組成。整個系統由硬件組成，由軟件來驅動。按鍵設置的是紅燈的時間，綠燈的時間將比紅燈的時間短3秒，默認黃燈的時間為3秒，交通燈按設置時間進行工作，揚聲器按照交通燈的燈況進行語音播報。

圖1 系統結構框圖

3 系統硬件電路設計

3.1 STM32芯片介紹及選用

STM32芯片中，采用F103C8T6這一型號的芯片，不僅能有效的增強容量，而且其屬于32位的ARM內核，而且分為64K字節、128K字節兩種內存的微控制器，接口主要有USB接口、CAN接口、定時器接口、ADC接口等。其TISC內核性能在ARM?Architecture?-M3系列中屬于較高性能的[1]。采用72MHz的工作頻率，配備高速存儲器，增強型的多個I/O端口，同時外設與兩個APB總線連接。而就設備類型而言，主要有兩個12位的ADC，三個通用類16位的定時器，以及一個PWM定時器，同時還設置了標準較高的通信接口，比如USB3.0，以及兩個I2C接口與SPI接口，此外，還有三個USART接口和一個USB接口與CAN接口。

3.2 電源模塊設計

電源模塊采用USB接口給系統輸入一個穩定的5V電壓，其電源線路如圖3.2所示。USB接口使用起來非常的便利，可以插在手機充電器、充電寶和電腦上，而且價格非常低廉，可以節約不少成本。

3.3 語音播報模塊設計

語音播報模塊由喇叭與芯片MY1690-12P構成，MY1690-12P為小巧的微集成式MP3模塊，其主控芯片為MY1690-16S MP3能對MP3格式和WAV格式進行解碼，最大支持32G拓展卡，還能外接U盤，也能通過USB數據線連接外部存儲設備，也可以連接計算機來替換SD卡中的音頻文件，這一模塊中內置了3W的放大器，能直接將3W的揚聲器驅動[2]。

3.4 按鍵模塊設計

按鍵電路如圖2所示，其中S1為時間上調按鍵，作用是對時間進行上調，S2的作用則是對時間進行下調的按鍵，這些按鍵開關均采用機械式開關。當斷開或者閉合開關的時候，因為機械觸點具有彈性作用，按鍵開關閉合時，不會迅速穩定接通。同樣，按鍵開關斷開時也不是迅速的中斷，所以在斷開或閉合瞬間會存在一連串抖動，而為避免這一問題，就需要對其進行消抖設計。

圖2 按鍵電路

3.5 紅綠燈模塊設計

LED是一種發光二極管，它可以把電能轉換成人肉眼可見的光的一種固態半導體器件[3]。它的核心為半導體晶片，半導體晶片的一端安裝在支架上，一端為負極，而另一端將連接到電源的正極，為了用電安全，必須確保環氧樹脂將晶片封裝嚴實。LED最初是在儀器儀表中作為指示光源，而后續越來越多光色的LED廣泛的在交通信號燈與顯示屏中應用，并且帶來的社會效益與經濟效益良好。在交通信號燈電路中，總共包含了四組LED燈，每組都包含了紅黃綠三色LED燈。其中，LED燈的負極接地，而正極則與STM32單片機的輸出端相接，若STM32單片機的輸出端輸出高電平時，LED燈就可以正向導通而發光，

3.6 倒計時顯示模塊設計

倒計時顯示電路如圖3所示，均是采取LED數碼管進行分段顯示的。在LED數碼管中，包含了多個采用LED封裝而成的“8”字型器件來組成，而在內部已經連接好引線，只需引出它們的各個筆劃與公共電極。在LED數碼管中，常用段號以7為主，但是有的會加上小數點，而有的則為半位數字、1、2、3、4、5、6、8、10等，LED數碼管在連接過程中，有共陽、共陰兩種方式[4]。當掌握了LED這些特點之后，就能為編程帶來更多的便利。這主要是由于數碼管類型不同，不僅在硬件電路方面存在的差異需要了解，而且還要切實強化程序設計，但是設計的方法不同，其采用的原理和思路也不同。比如在普通的共陽極數碼管中，其內部電路的發光原理雖然相同，但是其電源的極性不同。

圖3 倒計時顯示電路

4 系統軟件設計

4.1 主流程圖

本設計采用ARM為核心控制中心，采用的的是STM32F 103C8T6芯片，開發環境是Keil uVision5 by ARM軟件，這款開發環境是目前STM32單片機系統。具體系統流程如圖4所示。

圖4 系統流程圖

語音模塊流程圖見圖5。

圖5 流程圖

語音模塊典型程序：

5 系統測試

根據原理圖檢查硬件電路組線是否一致，對每個元器件的引腳正確與否、漏焊與否進行檢測，當檢測無誤之后進行通電測試，其具體過程主要為：

（1）設置紅燈時間

通過時間上調按鍵與下調按鍵，將南北方向紅燈的點亮時間設置為14秒，則綠燈的點亮時間設為11秒，黃燈點亮時間為3秒。設置紅燈時間如圖6所示，則紅燈從14秒開始計時。

圖6 設置紅燈時間

（2）綠燈計時

紅燈計時完成后，綠燈開始11秒倒計時，綠燈計時如圖7所示，同時語音模塊工作，揚聲器會播報聲音“紅燈禁行，綠燈通行”。

圖7 綠燈計時

（3）黃燈計時

綠燈11秒倒計時完成之后，黃燈立即開始3秒倒計時，黃燈計時如圖8所示。

圖8 黃燈計時

黃燈3秒倒計時完成后，再次轉換為紅燈，重復上述過程，如此一直循環，硬件測試完畢。

6 結束語

本系統在傳統的交通燈基礎上設計了智能交通燈系統。經過多次的實驗檢測與調試，能夠成功實現以下功能：（1）燈況能夠顯示；（2）燈亮的時間可顯示；（3）燈亮時間能夠調節；（4）有語音提示燈況。

此系統的具有一定的智能化，能夠大大提高交通的通行效率，減少交通事故的發生，改善交通擁堵等問題。