基于STM32的公路交叉路口的數據采集模塊的設計

摘要：本文主要是介紹硬件設計部分中的數據采集模塊以及顯示效果。系統工作時，超聲波探頭采集道路信息，處理器判斷道路信息后由LED點陣顯示屏和紅綠燈給人以警示，超聲波檢測到有人闖紅燈時，處理器驅動報警電路。光強度檢測到環境太暗時，照明設備點亮。聲音檢測模塊檢測到緊急車輛通過時，系統進入緊急模式。本文網絡版地址：http：//www.eepw.eom.cn/article/269817.htm

關鍵詞：數據；超聲波；光強；聲音；單片機；交叉路口

DOI：10.3969/i.iss n.1005-5517.2015.2.010

本項目榮獲河北省高等學校科學研究項目支持（項目編號22014088）

本項目榮獲河北省自然科學基金支持（項目編號E2013202247）

本項目榮獲河北省自然科學基金面上項目支持（項目編號F2014202046）

韓力英（1977-），女，講師，研究方向：數據采集與信號處理，集成電路技術。

引言

隨著經濟水平的不斷增長，機動車也在快速增多，我們國家的道路建設規模雖然也在加大，但仍趕不上車輛的增長速度，交通管理方面水平還欠發展，與世界其他發達國家相比，差距很大。尤其是我國城市與農村中的交通管理和交通安全的現代化建設還不健全。在車輛、道路和交通管理系統，在交通管制中采用人工智能技術、信息采集、信息處理、信息傳輸技術等方面都與其他發達國家有較大的差距。近來，雖然有部分地區進行研究，但大部分只是考慮鐵路與公路的交叉路口，對于城市邊緣的交叉路口很少有交通燈設施。

針對交通的這種實際問題，如果沒有紅綠燈設施，人們行路沒有規則，很容易發生撞車事故；而車輛不太多時，如果按照固定化的信號燈配時系統，就會造成時間分派上的不合理，降低道路的利用率。

本文主要針對車輛不太多且沒有設置紅綠燈的路口，設計了一款智能警示系統。該系統采用STM32微控制器做主控，有效的解決了上述提到的問題，可以大大提高道路的利用率，節省路人的寶貴時間，同時也可以給交通規則意識不強的行人和司機一個很好的警示，交叉路口的交通事故可以減小，具有很好的實用價值和實際意義。

1 整體設計

該系統采用神舟三號STM32開發板，主處理器采用高性能、低成本、低功耗、I/O口多的STM32F103ZET6芯片，內核為ARM Cortex-M3系列。硬件設計包括：電源模塊、超聲波測距模塊、光強度檢測模塊、按鍵模塊、聲音檢測模塊、LED點陣顯示模塊、LCD彩屏顯示模塊、照明模塊、報警電路。該系統的硬件模塊總體框圖如圖1所示。

2 系統主體數據模塊設計

2.1 超聲波傳感器模塊的設計

超聲波是一種頻率高于20000赫茲的聲波，它方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能，可用于測距。

這里采用HC-SR04超聲波模塊，它采用5V供電，可直接與STM32通信。如圖2所示，超聲波模塊使用時，只需要給Trig引腳lOus以上的高電平信號，然后左邊超聲波發射頭會自動發出8個40kHz的超聲波方波，如果超聲波遇到障礙物，會反射回來，被右邊超聲接收頭接收，接著Echo會輸出一個高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間。測試距離=（高電平時間*聲速（340M/S））/2。

2.2 光強度傳感器模塊的設計

圖2（左）為光敏電阻電路設計，實踐證明把光敏電阻和10K電阻串聯起來正合適，然后接到電源和地上，在兩個電阻之間接出引線連接單片機GPIOC3管腳。GPIOC3管腳采用模擬輸入的方式，將電壓值經過AD轉換后顯示在LCD上。隨著光強度的變化，光敏電阻值也隨之變化，GPIOC3上的電壓隨之變化，從而測量出外界的光強度。

圖2（右）是實物圖，光敏電阻安裝到了模塊的后面，因為當它放在正面時，如果環境光強弱下來，系統會點亮大功率LED，大功率LED的光照亮了光敏電阻，LED熄滅。這樣形成了死循環，達不到預期效果。

2.3 聲音傳感器模塊的設計

聲音模塊對環境聲音強度很敏感，用來檢測周圍環境的聲音強度。模塊在環境聲音強度達不到設定閾值時，OUT輸出高電平，當外界環境聲音強度超過設定閾值時，模塊OUT輸出低電平，閾值的大小可通過模塊上的電位器調節。

小板數字量輸出TTL電平，可與單片機直接通信，OUT端與單片機直接相連，通過單片機來檢測高低電平，由此來檢測環境的聲音。高電平持續時間超過三秒作為啟動緊急模式的信號。

軟件上采用了外部中斷的方式，當高電平持續時間足夠長時，會進入中斷函數，調用中斷處理程序。

3 效果顯示

硬件的整體連接圖如圖4所示，主板與單片機一起固定在了一塊木板上，防止移動硬件時兩者之間的杜邦線斷開，杜邦線統一分配到了主板后面，盡量不擋住主界面，保持美觀。每塊洞洞板的后部又疊上一層洞洞板，保護洞洞板背后的電路連線。主板上所有模塊均可輕松拔下，便于更換與測試。

固定主板時發現，該木板具有弱導電能力，木板與主板之間形成一個電容，手接觸木板時會影響主板后面的線路，導致點陣顏色不穩定。實踐證明把木板接地以后可大大減小外界干擾。圖5是運行過程中的兩個效果圖。

限于篇幅，圖一中其它的模塊設計就不再一一列舉了，系統完成調試后具有的功能如下：

（1）在自動運行狀態下當東西方向和南北方向都沒有行人和車輛時，兩個方向的警示牌都亮綠燈，并且大屏幕顯示牌上顯示“前方道路通暢，請放心行駛”的字樣。

（2）當只有一方來車時，該方向的警示牌內容不變，而另一個方向的紅綠燈顯示紅色。

（3）當兩個方向都有車輛（或行人）時，哪方車輛或行人先進入預先設定的范圍內，哪方亮綠燈并顯示“前方路口有車，請慢行”和倒計時15秒的字樣；而另一方亮紅燈并顯示出“前方有車輛通過，請稍等”的字樣。

（4）當對方的倒計時結束而車卻遲遲不通過路口時，兩個路口交換顯示內容。

（5）在大霧、陰天、或者夜晚的情況下，自動點亮路燈。

（6）當有特殊車輛（如警車、消防車、救護車）需要緊急通過路口時，笛聲持續三秒，系統可進入特殊情況模式，兩邊亮紅燈，并顯示“緊急車輛通過，請避讓”的字樣。

（7）對于闖紅燈的行為（即在紅燈狀態下進入設定距離范圍內），現場會有鈴聲警報，以譴責這種行為，并顯示“請遵守交通規則”字樣。

（8）本地和遠程都可以控制進入人工控制模式，人工控制紅綠燈。

（9）所有的數據都可顯示在上位機和TFT彩屏上。

4 結論

本文分析了現代道

路交通控制與管理問題的現狀，結合交通的實際問題，給出了交叉路口數據采集系統的設計，通過各種傳感器的采集相關信息，可以實現警示效果。該設計采用了低功耗、低成本、高性能的STM32單片機，并充分利用了其內部資源。系統采用硬件模塊化設計，各個模塊均可靈活插拔，極大方便了更換和調試，具有很好的實用價值和實際意義。