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(wèn)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(guò)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(wú)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(lái)調(diào)整時(shí)間，但控制起來(lái)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(lái)越旺盛，而我國(guó)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(lái)的問(wèn)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(yǔ)

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(guò)，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(guò)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(guò)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(wèn)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(guò)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(yáng)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)。