基于STM32的智能交通燈系統(tǒng)

湖北民族學(xué)院　聶云浩　邱　達(dá)　游　超　王　飛　李景花

基于STM32的智能交通燈系統(tǒng)

湖北民族學(xué)院聶云浩邱達(dá)游超王飛李景花

為了解決城市交通擁擠問題，本文進(jìn)行了基于STM32微控制器與光電傳感單元的控制智能交通燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)在于：包括STM32微控制器、光電傳感單元、交通燈模擬單元、供電單元和信號(hào)采集單元；光電傳感單元與微控制器相連，用于檢測(cè)道路的車流量；信號(hào)采集單元與微控制器相連，用于收集道路車流量信息；交通燈模擬單元與微控制器相連，用于顯示紅綠燈的計(jì)時(shí)和微控制器的程序設(shè)定；供電單元，用于給微控制器、光電傳感單元、交通燈模擬單元、信號(hào)采集單元等供電，當(dāng)?shù)缆奋囕v增多，路況擁擠時(shí)，通過基于STM32的外部中斷、內(nèi)部中斷算法對(duì)紅綠燈可進(jìn)行實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)改變，實(shí)行智能控制。

STM32微控制器；光電傳感單元；智能交通燈系統(tǒng)

0　引言

交通燈控制系統(tǒng)是現(xiàn)代城市交通控制和疏導(dǎo)的主要手段，但目前絕大多數(shù)交通燈其時(shí)間都是設(shè)定好的，無論是車流高峰還是低谷，紅綠燈的時(shí)間都固定不變。還有一些交通燈能根據(jù)簡(jiǎn)單劃分的時(shí)間段來調(diào)整時(shí)間，但控制起來都不是很靈活，這使得城市車流的調(diào)節(jié)不能達(dá)到最優(yōu)，隨著交通需求越來越旺盛，而我國城市中小交通管理和交通安全的現(xiàn)代化設(shè)施卻做得不足。智能交通系統(tǒng)主要是為解決人類交通因車輛的增多而日益擁堵帶來的問題本章闡述智能交通系統(tǒng)（ITS）領(lǐng)域，特別涉及一種基于STM32單片機(jī)的信息采集與智能控制系統(tǒng)，通過對(duì)道路車流量信息的實(shí)時(shí)采集，在不同的車流量路況下，實(shí)現(xiàn)交通系統(tǒng)的紅綠燈時(shí)間智能調(diào)節(jié)。

1　系統(tǒng)總體架構(gòu)

本設(shè)計(jì)是一種基于STM32智能交通燈系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)在于：包括STM32微控制器、光電傳感單元、交通燈模擬單元、供電單元和信號(hào)采集單元。在十字路口相應(yīng)的位置安裝上紅外傳感器，以進(jìn)行對(duì)車流量的統(tǒng)計(jì)，通過車流量檢測(cè)的智能交通控制系統(tǒng)，是對(duì)十字路口紅綠燈進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，減少十字路口車輛的滯留，提高道路的通率，緩解交通的擁擠。

系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示：

圖1　系統(tǒng)整體框圖

整個(gè)系統(tǒng)的工作原理是：通過算法實(shí)現(xiàn)智能交通信號(hào)燈的智能控制系統(tǒng)。智能交通燈控制系統(tǒng)通常要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和緊急情況。通過采用基于單片機(jī)的交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）自動(dòng)控制十字路口四組紅、綠交通燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)十字路口交通管理的自動(dòng)化。

（2）根據(jù)車流量的實(shí)際情況， 固定信號(hào)周期自動(dòng)調(diào)節(jié)紅綠燈配時(shí)比例， 以盡量減少道路交通路口的車輛滯留， 實(shí)現(xiàn)交通燈的智能化控制。

2　系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路為整個(gè)系統(tǒng)搭建了平臺(tái)，是整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。該系統(tǒng)采用Stm32單片機(jī)為主控芯片，通過外部中斷采集光電傳感器的車流量計(jì)數(shù)，根據(jù)橫向與縱向道路的車流量差別，內(nèi)部中斷實(shí)現(xiàn)紅綠燈運(yùn)行模式的切換，減少道路交通路口的車輛滯留， 實(shí)現(xiàn)交通燈的智能化控制。

2.1光電傳感器檢測(cè)電路

光電傳感器是采用光電元件作為檢測(cè)元件的傳感器。它首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，在本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中，當(dāng)?shù)缆飞嫌熊囕v經(jīng)過時(shí)，光電傳感器產(chǎn)生信號(hào)并傳送給單片機(jī)進(jìn)行車流量統(tǒng)計(jì)。

如圖2所示為光電傳感器檢測(cè)電路。

圖2　光電傳感器檢測(cè)電路

2.2微處理器STM32F103介紹

STM32F103處理器具有ARM32位Cortex-M3CPU，最高工作頻率72MHz，1.25DMIPS/MHz。能進(jìn)行單周期乘法和硬件除法，在片上集成32-512KB的Flash存儲(chǔ)器，6-64KB的SRAM存儲(chǔ)器，3個(gè)12位的us級(jí)的A/D轉(zhuǎn)換器（16通道），2通道12位D/A轉(zhuǎn)換器，最多多達(dá)11個(gè)定時(shí)器，最多多達(dá)13個(gè)通信接口，帶有低功耗的特性，性價(jià)比較高，在本設(shè)計(jì)中優(yōu)先選擇。

3　智能交通燈系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及軟件設(shè)計(jì)

通過上述硬件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，構(gòu)建模擬的交通系統(tǒng)模型如圖3所示。

圖3　智能交通系統(tǒng)模型圖

為實(shí)現(xiàn)交通系統(tǒng)的智能調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)如圖4所示為智能交通系統(tǒng)的程序流圖。

智能交通燈統(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示，其主要包括：（1）紅外檢測(cè)：通過光電傳感器檢測(cè)道路的車流量。（2）外部中斷：采集光電傳感器的檢測(cè)計(jì)數(shù)，通過對(duì)橫向與縱向車流量的差異判斷是否改變運(yùn)行模式。（3）內(nèi)部中斷智能調(diào)節(jié)：?jiǎn)纹瑱C(jī)根據(jù)已采集的道路上的車流量改變運(yùn)行模式，增加擁擠道路的通行時(shí)間以減少道路交通路口的車輛滯留， 實(shí)現(xiàn)交通燈的智能化控制。

圖4　智能交通系統(tǒng)程序框圖

圖5　模式橫向車道左轉(zhuǎn)

圖6　擁擠模式橫向車道左轉(zhuǎn)

如圖4所示的程序流程圖，當(dāng)橫向車道數(shù)量超過縱向車道數(shù)量達(dá)到一個(gè)門檻值時(shí)（門檻值為50），且處于下一個(gè)紅綠燈周期時(shí)，交通系統(tǒng)改變?yōu)閾頂D模式，t1和t2對(duì)應(yīng)橫向車道左轉(zhuǎn)時(shí)間和直行時(shí)間增加；next==1表征著下個(gè)紅綠燈周期；相反的next==0表示本紅綠燈周期。這是為了防止在紅綠燈運(yùn)行的本周期內(nèi)，車流量超過門檻值時(shí)，引起紅綠燈計(jì)時(shí)時(shí)間的跳變，同理縱向車道如此設(shè)計(jì)。如圖5所示為交通系統(tǒng)在正常模式下的橫向車道運(yùn)行情況。

當(dāng)橫向車道數(shù)量超過縱向車道數(shù)量達(dá)到一個(gè)門檻值時(shí)，且處于下一個(gè)紅綠燈周期時(shí)，交通系統(tǒng)改變?yōu)閾頂D模式，t1和t2對(duì)應(yīng)橫向車道左轉(zhuǎn)時(shí)間和直行時(shí)間增加，如圖6所示。

4　結(jié)語

本系統(tǒng)基于STM32的智能交通燈系統(tǒng)，其特征是：在紅綠燈運(yùn)行時(shí)，當(dāng)有車輛通過，信號(hào)采集單元輸出一個(gè)幅值為3V左右的高電平，微控制器接收此信號(hào)并計(jì)數(shù)，十字路口處各進(jìn)車車道都設(shè)有相隔間距為100米的信號(hào)采集模塊，車道滯留車輛為前后兩個(gè)模塊計(jì)數(shù)值之差，當(dāng)各車道滯留車輛未超過擁堵設(shè)置量時(shí)，十字路口處紅綠燈以固定模式控制各路口車輛通行，當(dāng)出現(xiàn)任一車道滯留車輛超過預(yù)設(shè)值，微控制器增加該車道通行時(shí)間；需要注意的是該系統(tǒng)是以固定模式運(yùn)行，微控制器調(diào)節(jié)是在此模式上增加相應(yīng)擁堵車道通行時(shí)間。在實(shí)踐調(diào)節(jié)中，車流量的計(jì)數(shù)識(shí)別上仍然存在計(jì)數(shù)不全面的問題，所以該系統(tǒng)還需要更加精準(zhǔn)的車輛識(shí)別技術(shù)，在后續(xù)的過程中將進(jìn)行射頻識(shí)別加入到系統(tǒng)中已實(shí)現(xiàn)更加精確的車量計(jì)數(shù)。

［1］楊佩昆.交通管理與控制［M］.北京：人民文通出版社，1992.

［2］李明.基于微波檢測(cè)器交通燈智能控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)［J］.西南民族大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，33（4）.

［3］張輝.8051單片機(jī)控制交通信號(hào)燈的方法研究［J］.邵陽師范高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2001，23（5）.

湖北省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（201510517017）。

邱達(dá)。