基于STM32的交通灯控制系统的设计与实现.docx

早期，交通信号灯采用的是固定配时的控制方式，无法根据车流量的变化而随时调整绿灯时间，这导致绿灯的使用效益降低，同时也增加了车辆在交叉口的延误。因此，经常出现交通堵塞的情况，给城市带来了极大的压力，对国民幸福感指数产生了影响。本论文以STM32单片机为核心，设计了一种具备基本功能和根据车流量调节时间的交通灯系统。该系统旨在改善道路交通拥堵问题，提供人民愉快的出行体验。交通灯系统具有简单实用和操作方便的特点，因此在实际应用中得到广泛的应用。通过对车流量的实时检测和分析,交通灯系统能够智能地调整红绿灯时间，以确保交通流畅和安全。本论文的研究成果对于交通管理和道路安全具有重要的意义，并为未来的交通灯设计和改进提供了有益的参考。关键词：交通灯；车流量识别；紧急控制；AbstractTheearlyuseoftrafficlightsisafixedtimingcontrolmethod,andthegreenlighttimecannotbeadjustedwiththechangeoftrafficflow,whichreducestheefficiencyofgreenlightuseandincreasesthedelayofvehiclesatintersections1.Trafficjamsoccurfrequently,whichbringsgreatinconveniencetocitizens1workandlife,andaffectsthenationaleconomy.Thetrafficlightdesignisbasedonasingle-chipmicrocomputerSTM32.Basedontheknowledgeofthesingle-chipmicrocomputerandthecurrentdevelopmentoftrafficlights,atrafficlightisdesignedtohavebasicfunctions.Allowsambulances,policecarsandfiretruckstopass.Improvetrafficcongestionandcreateapleasanttravelexperienceforthepeople.Trafficlightsarewidelyusedbecausetheyaresimple,practical,flexible,andeasytooperate.Alleviatedtheproblemoftrafficcongestion.Keywords:Trafficlights;Trafficflow;Emergencycontrol目录摘要IAbstractII第一章绪论21.1 交通灯的发展背景及意义21.2 国内外研究现状21.3 经济学分析与社会影响31.3.1 经济学分析31.3.2 社会影响431.4本章小结4第二章交通灯的总体设计52.1 交通灯系统框图52.2 研究内容62.3 设计要求62.4 本章小结7第三章系统硬件设计93.1 系统设计93.2 单片机的概述93.2.1 单片机特点93.2.2 STM32单片机引脚功能93.2.3 最小系统103.2.4 复位电路113.2.5 时钟电路123.3 电源电路133.3.1 电源电路的设计133.3.2 电源工作原理143.4 车流量检测模块153.4.1 光电开关概述153.4.2 车流量检测方案163.4.3 主控器的选择183.4.4 显不模块19(1) 显示方案选择19(2)数码管原理19(3)数码管显示部分203.4.6 ESP8266模块163.4.7 紧急模块223.5本章小结18第四章系统程序设计234.1 编程语言环境234.1.1 编程语言的选择234.1.2 系统语言开发环境234.2 交通灯流程图设计244.2.1 主程序设计244.2.2 定时及计数程序设计254.3 中断程序设计254.3.1 显示程序设计264.4 手机APP开发214.5 本章小结21第五章仿真与调试285.1 Protues简介285.2 绘制仿真原理图285.3 加载仿真程序295.4 系统仿真295.5 系统调试325.6 本章小结25总结与展望34总结34展望34参考文献36致谢37附录38第一章绪论1.1 交通灯的发展背景及意义自新中国成立以来，我国的经济持续高速增长，城市和农村一路修建高速公路、架桥和马路，车辆数量不断增加，导致交通拥堵和事故频发，造成生命和财产的巨大损失。因此，交通灯的发明对于缓解这一现象非常重要。如果没有交通灯，全球将会陷入无序状态，影响人们的日常生活和经济发展。根据调查，大多数交通事故都是由于不遵守交通规则而引起的，因此交通灯的存在对于解决这一问题尤其至关重要。在我国，交通灯的发展经历了不断改进与变革，从最初的白炽灯到现在的LED灯，交通灯的作用不断得到发挥。然而，当前的交通灯仍面临着一些问题，如不能根据车流量灵活控制，不能应对紧急情况等。在此基础上，本次研究提出了一种新型STM32交通灯控制系统，该系统通过采用单片机和LED数码管，实现了车流量检测、调整和倒计时通行等功能。传统的交通灯控制系统往往存在运行效率低下和资源浪费的问题，而该系统以其简便高效的特点，有望成为未来交通灯技术的重要发展方向。1.2 国内外研究现状交通灯的演进经历了多个阶段和技术的推动。在交通灯出现之前，道路交通常常陷入混乱，交通拥堵和安全问题不断加剧。然而，随着时间的推移，交通灯得到了改进和创新。最初的交通信号灯设计可以追溯到1868年，当时一位英国工程师设计了一个旋转的红绿色交通信号灯。这个早期的设计后来演变成了使用煤气作为能源的信号灯和可翻转指示牌。然而，这些早期的信号灯仍然需要人工操作，无法实现自动化。随着技术的不断进步，交通信号灯开始向自动化方向发展。1927年，英国进行了一次电动交通信号灯的自动化实验。这一实验奠定了交通灯自动化的基础，使得交通信号灯能够根据预设的时间间隔自动切换灯光。进一步的发展发生在1936年，当时澳大利亚墨尔本开始使用了Marshal交通标志显示系统。这个系统利用了机械装置和电气信号，使得交通灯的控制更加精确和可靠。此外，晶体管和集成电路的发展也为交通灯的自动化提供了条件。这些技术的引入使得交通灯能够更加高效地运行，以适应日益增长的交通需求。多伦多市引入了一种全面交通信号灯系统，该系统由计算机芯片进行控制，并安置在十字路口的中央位置。与此不同的是，德国的交通信号灯设立在停止线处，红绿灯和右转灯都有独立的控制。在多伦多的交通信号灯系统中，车辆的直行受到红绿灯的控制，当红灯亮起时，车辆是不允许右转的，除非专门设置了右转灯。这种由计算机芯片控制的全面交通信号灯系统为城市交通管理带来了一系列的优势。首先，中央放置的交通信号灯使得驾驶员更容易观察到交通信号，减少了因视线受阻而造成的交通事故的风险。其次，计算机芯片的应用使得信号灯的控制更加精确和可靠，减少了人为操作带来的误差和不确定性。这种全面交通信号灯系统的特点还在于对右转行为的控制，确保了交通流畅和安全，避免了右转车辆与直行车辆之间的冲突。与此相比，德国的交通信号灯系统更加注重对不同方向行驶车辆的控制。通过在停止线处设置信号灯，德国的交通信号灯系统更加强调红绿灯和右转灯的独立控制。这种设置使得车辆在右转时需要专门的右转灯指示，以确保安全的右转行为。相比之下，在多伦多的交通信号灯系统中，右转行为的控制更加灵活，并且车辆的直行与红绿灯的控制密切相关。在某些美国地区，计时器交通信号灯已经被引入并成功应用，以提醒行人和车辆遵守交通规则，并显示红绿灯剩余时间。这种交通信号灯的安装已经成为全球共识，并在许多城市道路广泛使用。同时，荷兰则采用了LED交通信号灯，并将其安装在路面上，以提高人行横道的安全性。计时器交通信号灯的引入为交通管理带来了显著的益处。通过在交通信号灯上设置计时器，行人和车辆可以清晰地了解红绿灯的剩余时间，从而更好地规划行动。这不仅有助于减少行人和车辆之间的冲突，还能提高道路的交通效率。此外，计时器交通信号灯还能够增强行人和车辆的交通意识，促使他们更加谨慎和合规地行驶。与此同时，LED交通信号灯在荷兰的应用进一步提高了人行横道的安全性。传统的交通信号灯通常安装在路口的上方，但荷兰采用了一种创新的方法，将LED交通信号灯安装在路面上，直接引导行人和车辆的视线。这种设计使得交通信号灯更加清晰可见，尤其是对于行人来说，能够更直接地注意到交通信号的变化。这种安装方式不仅提高了交通信号灯的可见性，还减少了行人因不注意交通信号而引发的交通事故的风险。目前，智能交通灯系统已在多国应用。澳大利亚的SCATS系统通过传感器和视频监测道路状况，在上海、深圳等城市推广。澳大利亚还开发了TRIRAM系统，利用模拟技术预测交通行为和流量。视频摄像头广泛用于监测和计算交通量。近年来，中国城市的道路交通拥堵问题愈发严重，其中尤以东部地区为甚。为了解决这一问题，政府采取了多种措施，如修建高铁和公路等。此外，大多数交通信号灯都采用了类似的样式，即采用箭头表示直行、左转和右转，或者使用二极管灯显示。虽然交通信号灯在十字路口是自动管理的，但转换时间是固定的。为了解决交通拥堵问题和节约时间，许多交通灯采用了PLC或单片机，并编写程序来控制交通流量。1.3 经济学分析和社会影响1.3.1 经济学分析近年来，由于交通控制系统带来的流量优化，令智能交通灯市场飞速攀升。随着交通拥堵加剧、对节能解决方案的需求和智慧城市计划的实施，智能交通信号灯市场逐渐兴起。这一市场的进一步发展为交通拥堵问题提供了更多的解决方案，使得城市交通更加高效，并为城市的可持续发展做出了积极贡献。交通灯作为社会活动的命脉，在发展社会仅仅和提升群众幸福指数方面有着重要的作用。根据道路交通设施制造商介绍，自21世纪始，道路交通一直是妨碍中国城市发展的难题，并成为城市经济建设所面临的实际制约因素。针对这一问题，合理安排道路交通，并利用交通信号灯等控制手段进行疏通，是提升城市交通运输效率、加快城市发展步伐的重要途径。对于提高城市交通效率至关重要。这样能够为人们提供更为便利的交通通信方式，同时也促进了城市建设的发展。1.3.2 社会影响交通灯具有保障和控制交通状况的特点,被普及于各种交通路段。它们是十字路口、车站、码头等公共场所的必需品，为人们的出行生活提供了便利近年来，随着计算机技术的日益成熟和广泛应用，交通信号灯的功能经历了一次重大改进，即数字化技术的出现，不仅给交通信号灯带来极大的便利，还进一步扩展了其功能。比如，数字化技术可以支持交通信号灯实现闪烁警示、鸣笛警示、时间程序自动控制、倒计时显示等功能。智能控制技术的应用已经成为许多交通信号灯系统的重要组成部分，通过拍照记录违规车辆和可调节参数的设置，实现了个性化的交通调节设计。对交通信号灯系统的研究和扩大应用对于优化交通管理、提高交通效率和保障交通安全具有现实意义。本设计遵循红灯停、绿灯行的原则，保证了交通系统的有序运行和参与者的安全通行。1.4 本章小结本章主要介绍了交通灯的发展背景及意义。中国交通灯发展迅速。上海英租界最早引入交通灯，随着改革开放，交通灯普及。80年代后推出自动交通灯，分车道行驶降低事故。2000年前后LED灯成主流交通灯。本章还介绍了国内外研究现状和交通灯对社会的影响。第二章交通灯的总体设计2.1 交通灯系统框图如图2.1所示，在该设计中，单片机直接负责控制交通信号灯的变化，并结合LED数码管来进行倒计时显示，提醒行驶者注意信号灯的变化。此外，该设计还增加了车流量检测和按键功能，用于更准确地获取道路流量数据和实现相关交通控制功能。通过设置不同的按键，用户可以选择不同的模式，并且还能够在多种紧急情况下采取不同的措施，提高交通灯的应对能力。除了基本功能外，交通灯还具有以下附加功能。一、车流量检测调整随着我国经济实力增强，道路车辆增多，导致拥堵和事故增加。因此，交通灯智能化变得重要。利用单片机和程序设计，交通灯可根据车流量调整通行时间，保持最佳通行状态。这种技术方案可以大大提高交通流畅度，缓解交通压力，并使得十字路口的通行更加安全和高效。二、倒计时显示通过交通灯提示，驾车人员和行人可以根据其颜色和还剩余的时间来作出适当的选择，进而减少许多交通事故，提升道路交通安全系数。在路上，做出正确合理的选择极其重要。当看到交通灯显示不同颜色时，根据颜色和显示时间，驾驶员或行人都要依据情况作出前进或停止的决定，以确保道路交通的安全，最大程度的减少车祸的发生。三、紧急情况处理为了应对道路上的特殊情况，如消防车、警车或救护车需要紧急通过时，交通管理系统可以通过添加手动按键来设置不同的交通信号状态，以确保道路畅通无阻。这种手动按键的应用可以提供多种状态选择，以满足不同方向的紧急状况，确保紧急车辆顺利通行。手动按键设置的状态包括但不限于以下几种：首先是全部禁行状态，即所有方向的交通都被禁止，为紧急车辆提供优先通行的通道。其次是全部通行状态，让所有方向的交通都得以通行，以便迅速为紧急车辆腾出道路。此外，还可以设置东西通行和南北通行等特定方向通行的状态，根据实际情况调整交通流向，以确保紧急车辆能够顺利通过。通过手动按键设置不同的交通信号状态，交通管理系统能够迅速响应紧急情况，并提供相应的交通调控措施。这种灵活性和可调节性使得交通系统能够适应不同的紧急情况，为紧急车辆提供最佳的通行条件，同时最大限度地减少其他车辆的干扰。通过这些按键设置，可以更加高效地处理突发状况，减少事故发生的可能性，提高道路的流畅性和安全性。2.2 研究内容基于STM32单片机的交通灯控制系统设计包括以下几个方面：(1) STM32单片机交通灯控制系统通过动态调整信号灯的通行时间，确保道路畅通。(2) 在硬件方面，STM32单片机交通灯控制系统的设计需要考虑稳定性、可靠性和安全性，而且必须兼顾LED数码管的的显示和电源的供应等问题。(3) 车流量检测的方案及原理，是交通灯控制系统中关键的一环，它能够自动检测道路上车辆的数量，从而根据实时流量动态调整信号灯的工作方式。(4) 交通灯控制系统的程序设计及仿真交通灯控制系统的程序设计及仿真也是至关重要的一步，必须确保程序的正确性、可靠性和稳定性，同时提高仿真结果和实际情况的一致性，从而确保系统达到预期的效果。2.3 设计要求在十字路口安装交通灯，需要每个方向有两个数码管显示通行时间。共计12个数码管和红、黄、绿三色灯，分别表示禁行、警示和通行。十字路口中主干道和支干道的车流量不同，南北方向通行时间较长因为车流量大，反观东西方向则通行时间较短，因为车流量较少。图2.2展示了十字路口红绿灯的显示情况。8红绿黄 l I8黄绿。红红绿黄红绿萤 红绿黄8 Oo一图O.2十字路口交通灯(1) 南北方向绿灯，东西方向红灯。(2) 通行时间：南北方向绿灯38秒，黄灯5秒，红灯25秒；东西方向红灯43秒，绿灯20秒，黄灯5秒。(3) 根据车流量调整通行时间。(4) 按钮设置：全部通行、禁止通行、东西通行、南北通行。(5) 紧急情况下，按下按钮可同时显示东西方向和南北方向红灯。(6) 按下东西通行键，东西方向通行，南北方向禁止通行；按下南北通行键，南北方向通行，东西方向禁止通行。(7) 通过该控制方式确保不同方向的流畅通行，预防车辆冲突和交通拥堵。(8) 南北通行键可以让南北方向车道通行，同时东西方向车道的通行变为禁止。表0.1交通灯通行时间表南北方向东西方向序号状态序号状态1.绿灯亮38s,红黄灯灭1.红灯亮43s,绿黄灯灭2.黄灯亮5s,红绿灯灭2.绿灯亮20s,黄红灯灭3.红灯亮25s,绿黄灯灭3.黄灯亮5s,红绿灯灭4.回到状态14.回到状态1表0.2特殊按键通行时间表按键南北方向东西方向绿灯(三)黄灯(三)红灯(三)绿灯(三)黄灯(三)红灯(三)全部禁行6060全部通行3852520543东西通行2520南北通行38432.4 本章小结本章主要确定了任务目标和需要达到的功能，确定了主控芯片的选择，车流量检测的检测方案，倒计时的显示和紧急情况的处理，规定了南北方向和东西方向信号灯的八种状态，并规定了红绿灯时长。为后续工作筑牢了基础。第三章系统硬件设计3.1 系统设计该系统由STM32单片机和外围器件构成，使用12个发光二极管组成四组信号灯指示模块，表示交通灯状态。南北方向交通灯的绿、红、黄信号通过PLO至PL2口实现，而Pl.3-P1.5口则控制东西方向交通灯绿、红、黄的状态。同时，Po和P2口被用来控制数码管，以此来实现交通灯亮灭时间等功能。我们为紧急情况设计了四个输入信号口，分别为P3.0、P3.1、P3.2、P3.3,以实现不同的控制功能。这些功能包括：全部禁止通行、全部开放通行、允许东西通行，以及允许南北通行等。3.2 单片机的概述3.2.1 单片机特点中央处理器、存储器和I/O接口等部分组成了STM32单片机，使其相当于微型计算机。在工业控制和智能装置等领域，STM32单片机有着广泛的应用前景。STM32单片机不仅价格便宜，而且抗干扰性强，功耗低。此外，STM32单片机在不同的发展阶段中逐步推陈出新，经历了八位、四位、十六位和三十二位等阶段。未来，相信STM32单片机会不断进化。3.2.2 STM32单片机引脚功能PlOVCCPI1239PO0(ADOIPIZ.33S-PO1(ADt)Pi34372<A02)Pt4.536.PO3AO3)Pi50”华041AD4)PlG?34POS<AO5)PlT-S3)b6(AO6)RST。32PO1<AD7)(R×D)P3O1031(TXO)P311130ALE/PROGpaa12291PSCN<rrr>PJ$.3ZaP2?(A1S(TO)P34P28<A14><T»)P35Ift2«S(A1)>WR)P31625P24<A12)(RD)PJ1IT24修23<A11>XTAL21823P22(Ai0XTAH1»22P21(A)GHO.2021r01A图0.1单片机引脚图该芯片的40号引脚(VCC)是电源端，接收5V电压。20号引脚(VSS)用作接地端。18号引脚(XTAL2)连接外部晶体和电容，产生时钟信号；若使用外部时钟则不需要连接。19号引脚(XTALl)连接外部晶体和电容，仅在使用外部时钟时输入脉冲信号。9号引脚(RST)被用作复位信号端口，需要接入高电平才能生效。29号丽一(PSEN)用于允许程序存储器输出信号。30号引脚(三7prog)用于地址锁存允许信号。若需要检查芯片是否可用，则可以用示波器检查该引脚的脉冲输出信号。31号丽(EVPP)用于外部程序存储器地址允许输入端/固话编程电压输入端。另外，该芯片还有四个I/O端口：P0、Pl、P2和P3,可以作为8位双向I/O端口使用。112号和13号引脚可用作外部中断1和外部中断0,它们的有效电平为低电平。14号和15号引脚则分别为定时器0和定时器K3.2.3 最小系统图3.2展示了一个最小系统，它是启动单片机运行的最简组合。该最小系统包括电源、晶振和复位部分。电源部分是最小系统的核心组成部分之一，它为单片机提供稳定和可靠的电力供应。电源电路通常包括电源适配器或电池以及相关的稳压和滤波器电路。这些电路的设计目的是确保单片机能够获得所需的电源电压和电流，以保证其正常运行和稳定性。晶振是另一个不可或缺的组成部分，它为单片机提供时钟信号。时钟信号是单片机内部操作的基础，它驱动各种时序和计时功能。晶振电路通常由晶体振荡器和相关的电路组成，用于产生稳定的时钟信号。准确的时钟信号是确保单片机各个部分协调工作和实现精确计时的关键。复位部分是确保单片机系统可靠启动和初始化的重要部分。复位电路通常包括复位电路和复位信号发生器。在单片机上电或复位时，复位电路会发送一个复位信号，将单片机的内部状态恢复到初始状态。这确保了单片机在启动时具有确定的初始状态，并且可以正常执行程序。UlC2§2IlT"J-JL土X土JLPOOWO W1D Po 2*CQ P03W RMQ P0&W5 POMXP0 7.WP2 W P22AW甩3? P2S13P2M14 P27A15P3 ORW图0.2最小系统3.2.4 复位电路所有单片机系统都需要一个复位电路,在每次启动时复位电路会将其置于初始状态。当运行程序发生问题时，复位电路也会发挥作用，将其复位并恢复到正常状态。复位电路通过RST引脚实现，要求输入高电平才能有效地进行复位操作。根据设计需求，复位电路可以采用自动复位或手动复位的两种实现方式，如图3.3所示。自动复位采用电容实现，当电路通电时，电容开始充电，产生一个正向脉冲信号，从而触发自动复位操作。这种自动复位方式利用电容的特性，能够在通电瞬间产生一个短暂的复位信号，将单片机恢复到初始状态。自动复位广泛应用于各种电子设备中，可以快速、可靠地实现系统的复位功能。另一种实现方式是手动复位，它需要设置一个按键。当按下手动复位按键时，按键会产生一个信号，该信号被单片机接收并触发复位状态。手动复位通常在需要人工介入的情况下使用，例如交通灯系统。通过手动复位按键，交通灯系统可以根据需要重新启动，以便进行调试、设置或应对特殊情况。复位电路的选择取决于具体的应用需求和系统设计要求。自动复位适用于大多数电子设备，能够在电源通电时自动进行复位操作，无需人工干预。而手动复位适用于需要人工参与的场景，能够通过按下特定的按键来控制复位操作。9x TLAnTl-22ulk手动复位电路上电自动复位图0.3复位电路3.2.5 时钟电路时钟电路产生准确稳定的振荡信号，用于协调单片机系统的工作。缺少时钟电路会导致信号驱动无法按时执行程序。定时器电路是由石英振荡器、石英控制芯片以及电容器等元件组成的，其应用广泛4。时钟电路分为内部时钟和外部时钟两种类型即。STM32单片机在工作时可以选择使用内部时钟或外部时钟。内部时钟是通过晶体振荡器和电容器形成的稳定自激振荡器产生的脉冲信号，供时钟电路进行处理。这种内部时钟方式能够提供单片机所需的时钟信号，使其能够正常工作和执行各项任务。晶体振荡器是内部时钟产生的关键组件，通过晶体振荡的特性来稳定产生频率精确的时钟信号。电容器则与晶体振荡器结合使用，用于调节振荡频率和稳定性。通过这种内部时钟的形式，单片机可以自主产生并使用稳定的时钟信号，满足其内部各个部件的时序要求。另一种工作方式是使用外部时钟。在外部时钟方式下，单片机通过接收外部时钟信号来同步其操作。外部时钟可以是由外部设备提供的稳定时钟信号，例如晶体振荡器或其他高精度时钟源。单片机接收外部时钟信号后，可以依据该时钟信号进行操作，保持与外部设备的同步。关于内部时钟和外部时钟的详细比较，可以参看图3.4。内部翩器电路图图0.4时钟电路33电源电路1.1.1 电源电路的设计三端稳压器是一种电路元件，可调式稳压器则具有输出电压纹波小、稳压精度高等特点，通过外接电阻就能实现各种不同的输出电压。串联型稳压电路加上保护电路通常是调节器电路的主要构成方式。该电路系统通常会在某种电压水平或状态下增加输出电压。现今的三端调节器在电路设计中发挥着重要的作用，它们能够降低电压或加阻以保持稳定的输出电压。稳压电路广泛采用多个系列，其中包括78、79和138系列等。本设计选择了两种类型的电源，根据末尾两位数字确定输出电压，并具有不同的电流能力。具体地，7805调节器提供5V的电压输出，适用于单片机等需要5V供电的电子设备，而7812调节器则提供12V的电压输出。这样的设计方案可以满足不同元器件的电源需求。电路结构如图所示，该结构涵盖了稳压电路的主要组成部分。在输入端，电源输入连接到相应的交流或直流电源。接着，输入电源经过滤波和保护电路以确保稳定和可靠的电源供应。随后，输入电源通过三端调节器进行电压调节，根据具体型号输出所需的稳定电压。输出电压经过滤波和稳压电容器以确保纹波和噪声的最小化，从而提供稳定的电源给所连接的设备。这样的设计方案具有实用性和可靠性，可以满足单片机等电子设备对稳定电源的要求。7805和7812系列调节器作为稳压电路的一部分，能够提供规定的输出电压，并通过电流能力的不同适应不同设备的需求。通过合理选择电源类型和调节器型号，可以满足不同元器件的电源供应需求，为电路的正常运行提供稳定可靠的电源。1.1.2 电源工作原理在上一节的讨论中我们阐述了电源电路的设计，其中单片机需要5v的电源。现在,我们将在图3.7中呈现该电路的最终版本。W-<lzc图0.7电源电路220V依次经过变压器、桥式整流器和电容滤波器,将二次侧的交流电转换为汽流电。在该电路中，7805电压稳压器提供5V输出电压以供单片机使用。3.4 车流检测模块3.4.1 光电开关概述光电传感器是一种基于光电转换技术的传感器，通过检测光的反射来判断物体的存在与否,并利用同步电路进行检测。光电传感器的工作原理是将输入电流转换为光信号，然后将光信号输出到变送器，接收器根据光信号的强度或光的存在与否来判断物体是否存在。在光电传感器中，光电开关起着重要的作用。它能够将输入电流转化为光信号，并将光信号传递给接收器进行分析和判断。接收器根据接收到的光信号的强度或光的存在与否来确定物体的状态。通过对光信号的处理和分析，光电传感器能够实现对物体存在与否的准确检测。光电转换技术具有广泛的应用领域。其中包括物位检测、产品计数、宽度判别和速度确定等方面。在物位检测中，光电传感器可以通过检测物体与传感器之间的光反射来确定物体的位置和高度。在产品计数中，光电传感器能够对通过传感器的产品进行计数。在宽度判别中，光电传感器可以测量物体的宽度，从而进行判别和分类。在速度确定方面，光电传感器可以通过检测物体通过传感器的时间来确定物体的速度。此外，光电转换技术还可用作红外警报系统的一部分。光电传感器可以检测红外线的存在，从而实现对入侵或其他安全问题的警报和报警功能。工作原理的示意图如图3.8所示。图0.8光电开关原理图通常情况下，发射器发出的光束来源于半导体光源或者是发光二极管。光电传感器的接收器前端配备有透镜和光圈，后端则连接有检测电路，以检测有效信号。除此之外，元器件中还存在一些附件，包括发射板和光导纤维，其中还包括三角形反射镜。表0.1检测方案分类表检酒方式光珞特巨对时式扩lit检测不透明体枪涧生高运也可椅刮半造用物体的裕度绥过半）我自w光束发散角小,抗包组干扰能力强细束倩氏检出细微的孔&、线形和条状切Ifl型=光箱固定不雷调节,工作位矍精度高光纤=X=适宜空闾挟小、电的千抗大、温差大、雷防爆的危险环境反射式果距冷利透瞿和不透F工作更禹用定在光束交点附近,可通免背景悟有狭角特点同用更理,并可造枪选用朝后面的物体标志面色尿记和几骸、液施、气泡检出,测池表、水表转速r股父粒冽比高近,可检出所有物体,通用性强光纤适宜空间狭小、电磁干扰大、温差大、带彷爆的危险环境统面反明式J=O反射更离远,适宜远距物II,汪可根山透明、半透明物体根据其结构和检测方式的不同，光电开关可以被分为镜面反射式、对射式和反射式等几种类型。这些不同类型的光电开关适用于不同的应用场景和检测需求。镜面反射式光电开关集成了发射器和接收器,其工作原理是在完全遮挡光线的情况下产生检测信号。这种类型的光电开关通过反射光束在物体表面的反射来进行检测。当光束被物体遮挡时,光信号无法到达接收器，从而产生检测信号。镜面反射式光电开关适用于需要检测物体遮挡情况的场景，可以快速、准确地感知物体的存在与否。对射式光电开关适用于不透明物体的检测。它由独立的发射器和接收器组成，通过对射光束的遮挡来判断物体的存在。当物体进入发射器和接收器之间的光路时，光束被遮挡，触发检测信号的产生。对射式光电开关在需要跨越较长距离或检测较大物体的情况下具有优势，并且对透明物体不敏感。反射式光电开关适用于高亮度或具有极大反射率的情况。它通常由单一的光电开关组件构成，将光束发送到目标物体，并通过物体表面的反射光进行检测。反射式光电开关可以快速、准确地检测高亮度或具有高反射率表面的物体，适用于一些特殊要求的应用场景。3.4.2 车流检测方案目前，许多交通灯系统存在着不先进的问题，它们缺乏车流量检测功能。然而，可以采用多种方案来实现车流量的检测，其中包括视频图像、红外、超声波和地感线圈等技术。视频图像方案是一种常用的车流量检测方法。它通过安装摄像头来拍摄和分析车道内的图像，从而实现对车辆的识别和计算车流量。这种方案具有安装方便、识别率高等优势。通过图像分析算法，可以对车辆进行精确的检测和计数。然而，视频图像方案在恶劣天气条件下可能受到影响，例如雨雪天气或强烈的光照条件可能导致图像质量下降,从而影响识别准确性。下图3.9为视频图像检测的实例。I河抬1图0.9视频图像检测原理红外检测技术利用红外光发射和接收来检测车辆，光电开关会根据光的强度来判断物体是否被检测到。这种技术具有不受天气影响、价格便宜和易于安装的优点。地感线圈检测技术通过感知车辆金属部件对金属线圈电感值的改变来判断车辆是否通过。虽然该技术准确可靠，但在实施过程中需要铺设线圈，这涉及到工程量大、维护困难等问题。然而，通过合理的布置和管理，可以克服这些挑战，并提高地感线圈检测技术的可靠性和效果。超声波检测技术利用反射原理，通过计算超声波发射和接收的时间差来判定车辆是否通过。这种技术的安装非常方便，而且不需要进行路面铺设，因此可以避免对地面的破坏。此外，超声波检测技术还可以应对各种天气条件，在恶劣天气下也能保持稳定的检测效果。如图3.10所示。IT：BX图0.10超声波检测模块根据分析结果显示，使用视频图像检测技术在检测车流量时受天气影响较大，而地感线圈需要将其埋入地下，工程量较大。因此，综合考虑后，采用红外车辆检测器来检测车流量。单片机的P3.4和P3.5用于车流量检测。检测器输出数字电平，0表示检测到车辆，1表示未检测到车辆。仿真测试中使用开关代替检测器，根据检测到的车辆数来触发单片机执行程序，延长交通灯的状态和倒计时时间。在状态1下，当南北车道的车辆数量达到或超过25辆时，交通灯的时间设置如下:南北绿灯持续58秒，黄灯持续5秒，红灯持续25秒，而东西绿灯持续20秒，黄灯持续5秒，红灯持续63秒。这样的时间设置可以为南北方向提供更长的绿灯时间，以满足车流量较大的需求。在状态2下，当南北车道的车辆数量在15辆到25辆之间时，交通灯的时间设置如下：南北绿灯持续48秒，黄灯持续5秒，红灯持续25秒，而东西方向的红灯持续53秒，黄灯持续5秒，绿灯持续20秒。通过这样的时间设置，可以在适当的时间内平衡南北方向和东西方向车流的需求。在状态3下，当东西南北车道的车辆数量均少于15辆时，交通灯的时间设置保持现状不变：南北绿灯持续38秒，黄灯持续5秒，红灯持续25秒，而东西绿灯持续20秒,黄灯持续5秒，红灯持续43秒。这样的时间设置适用于车流量较小的情况，以保持交通灯系统的稳定运行。3.4.3 主控器的选择虽可以使用定时器、数字电路和计数器等多种组件构成交通灯控制系统，但是它比较复杂，而且车流量的检测难以实现，因此无法完成任务。为了更好地解决交通信号灯控制的问题，本论文采用STM32作为控制器。STM32是一款广泛应用于嵌入式系统的微控制器，具备中断、并行端口和定时器/计数器等丰富的功能，非常适用于交通信号灯控制的需求。STM32的中断功能能够实现对外部事件的及时响应和处理，使得交通信号灯能够根据实时的交通状况进行灵活的调控。通过配置和使用中断功能，交通信号灯能够在需要时快速切换信号状态，以满足不同车流量和交通需求。并行端口是STM32中的一个重要特性，它可以同时处理多个输入和输出信号。在交通信号灯控制中，通过适当配置并行端口，可以实现对多个信号灯的并行控制，提高交通灯系统的效率和灵活性。此外，STM32还具备定时器/计数器功能，可以用于精确计时和时间管理。在交通信号灯控制中，定时器/计数器功能可用于精确控制交通信号灯的各个时间参数，例如绿灯时间、黄灯时间和红灯时间等。通过合理配置和使用定时器/计数器功能，可以确保交通信号灯的时间控制准确可靠。除了功能丰富外，STM32还具备低功耗、低电压和高性能等特点。低功耗设计使得交通信号灯系统能够有效地利用能源资源，提高系统的能效。低电压特性使得STM32能够适应不同的电压要求，适用于各种交通信号灯系统的电源设计。高性能保证了STM32在处理复杂任务和快速响应的能力，使得交通信号灯系统能够稳定运行并满足实时性要求。因此，STM32作为主控器是非常合适的选择。3.4.5 显示模块(1)显示方案选择为了实现完美的状态灯和倒计时显示，本论文提出了三种可供选择的方案。这些方案旨在解决数字显示有限和复杂性高等问题，以便满足实际道路需求。方案一是只使用数码管来实现状态灯和倒计时显示。然而，这种方案存在数字显示有限和复杂性高的问题，无法完全解决根本问题。由于数码管的局限性，其数字显示范围有限，无法满足复杂的显示需求，特别是在倒计时显示方面存在一定的限制。方案二采用LED显示屏，具有节能和图像质量好的优势，适合在宣传场合使用。然而，在交通场景中，这种方案可能会面临一些复杂性和体积较大的问题。由于LED显示屏的尺寸较大，其在交通中的应用可能受到空间限制，并且需要更复杂的安装和维护。为了克服以上方案的限制，本论文提出了方案三，即将LED数码管与点阵倒计时结合。这种方案既能够输出数字，又能够显示状态灯，符合实际道路需求。方案三采用LED显示状态灯，以直观的方式呈现交通状态，同时利用数码管显示倒计时时间。这样的设计不仅在视觉效果上美观，还提供了实用和便捷的功能。综合分析，认为方案三更符合要求，因此采用方案三。(2)数码管原理数码管是一种由发光二极管组成的显示器件，用于显示数字。它广泛应用于电器领域，可以通过控制电平的变化来显示不同的数