基于STM32的智能交通灯设计

彭俊，陈顺材，张泽，张诗，董铮

(湖北文理学院计算机工程学院，湖北襄阳，441053)

1 研究背景和意义

随着信息技术的不断发展，各行各业中都引入了智能技术，智能交通控制系统必将是世界范围内交通行业的一场新革命。未来的交通系统将集成先进的信息、通信、控制、传感器与计算器等系统，综合这些技术有效的应用，使行人、车辆与道路之间的相互关系、相互作用更加清晰明了，达到节能、环保、有效、可靠与安全的目的。

STM32智能化交通灯系统设计可以实现交通的安全运行，提高交通管理智能化、科学化，该系统主要是利用单片机对交通信号灯进行智能控制。经过大量的实验研究表明，该系统具有结构简单、成本低、效率高等优势，能极大地提高交通通行能力。

2 系统设计方案

本系统设计主要由STM32单片机、电源模块、红绿灯模块、倒计时显示模块、语音播报模块与按键模块组成。本系统的具体结构框图如图1所示，各个模块的工作由STM32中央处理器来控制处理。按键模块用来设置红绿灯点亮时间的长短，由两个机械按键组成，两个按键的功能分别是增加时间与减少时间。倒计时显示模块用以显示红、绿、黄三个颜色的持续时间。红绿灯模块用来提示“停止”、“通行”与“注意”三个意思，其中红灯代表的是“停止”，绿灯代表的是通行，黄灯代表的是警示，此模块由红、绿、黄三个LED灯组成。整个系统由硬件组成，由软件来驱动。按键设置的是红灯的时间，绿灯的时间将比红灯的时间短3秒，默认黄灯的时间为3秒，交通灯按设置时间进行工作，扬声器按照交通灯的灯况进行语音播报。

图1 系统结构框图

3 系统硬件电路设计

3.1 STM32芯片介绍及选用

STM32芯片中，采用F103C8T6这一型号的芯片，不仅能有效的增强容量，而且其属于32位的ARM内核，而且分为64K字节、128K字节两种内存的微控制器，接口主要有USB接口、CAN接口、定时器接口、ADC接口等。其TISC内核性能在ARM®Architecture™-M3系列中属于较高性能的[1]。采用72MHz的工作频率，配备高速存储器，增强型的多个I/O端口，同时外设与两个APB总线连接。而就设备类型而言，主要有两个12位的ADC，三个通用类16位的定时器，以及一个PWM定时器，同时还设置了标准较高的通信接口，比如USB3.0，以及两个I2C接口与SPI接口，此外，还有三个USART接口和一个USB接口与CAN接口。

3.2 电源模块设计

电源模块采用USB接口给系统输入一个稳定的5V电压，其电源线路如图3.2所示。USB接口使用起来非常的便利，可以插在手机充电器、充电宝和电脑上，而且价格非常低廉，可以节约不少成本。

3.3 语音播报模块设计

语音播报模块由喇叭与芯片MY1690-12P构成，MY1690-12P为小巧的微集成式MP3模块，其主控芯片为MY1690-16S MP3能对MP3格式和WAV格式进行解码，最大支持32G拓展卡，还能外接U盘，也能通过USB数据线连接外部存储设备，也可以连接计算机来替换SD卡中的音频文件，这一模块中内置了3W的放大器，能直接将3W的扬声器驱动[2]。

3.4 按键模块设计

按键电路如图2所示，其中S1为时间上调按键，作用是对时间进行上调，S2的作用则是对时间进行下调的按键，这些按键开关均采用机械式开关。当断开或者闭合开关的时候，因为机械触点具有弹性作用，按键开关闭合时，不会迅速稳定接通。同样，按键开关断开时也不是迅速的中断，所以在断开或闭合瞬间会存在一连串抖动，而为避免这一问题，就需要对其进行消抖设计。

图2 按键电路

3.5 红绿灯模块设计

LED是一种发光二极管，它可以把电能转换成人肉眼可见的光的一种固态半导体器件[3]。它的核心为半导体晶片，半导体晶片的一端安装在支架上，一端为负极，而另一端将连接到电源的正极，为了用电安全，必须确保环氧树脂将晶片封装严实。LED最初是在仪器仪表中作为指示光源，而后续越来越多光色的LED广泛的在交通信号灯与显示屏中应用，并且带来的社会效益与经济效益良好。在交通信号灯电路中，总共包含了四组LED灯，每组都包含了红黄绿三色LED灯。其中，LED灯的负极接地，而正极则与STM32单片机的输出端相接，若STM32单片机的输出端输出高电平时，LED灯就可以正向导通而发光，

3.6 倒计时显示模块设计

倒计时显示电路如图3所示，均是采取LED数码管进行分段显示的。在LED数码管中，包含了多个采用LED封装而成的“8”字型器件来组成，而在内部已经连接好引线，只需引出它们的各个笔划与公共电极。在LED数码管中，常用段号以7为主，但是有的会加上小数点，而有的则为半位数字、1、2、3、4、5、6、8、10等，LED数码管在连接过程中，有共阳、共阴两种方式[4]。当掌握了LED这些特点之后，就能为编程带来更多的便利。这主要是由于数码管类型不同，不仅在硬件电路方面存在的差异需要了解，而且还要切实强化程序设计，但是设计的方法不同，其采用的原理和思路也不同。比如在普通的共阳极数码管中，其内部电路的发光原理虽然相同，但是其电源的极性不同。

图3 倒计时显示电路

4 系统软件设计

4.1 主流程图

本设计采用ARM为核心控制中心，采用的的是STM32F 103C8T6芯片，开发环境是Keil uVision5 by ARM软件，这款开发环境是目前STM32单片机系统。具体系统流程如图4所示。

图4 系统流程图

语音模块流程图见图5。

图5 流程图

语音模块典型程序：

5 系统测试

根据原理图检查硬件电路组线是否一致，对每个元器件的引脚正确与否、漏焊与否进行检测，当检测无误之后进行通电测试，其具体过程主要为：

（1）设置红灯时间

通过时间上调按键与下调按键，将南北方向红灯的点亮时间设置为14秒，则绿灯的点亮时间设为11秒，黄灯点亮时间为3秒。设置红灯时间如图6所示，则红灯从14秒开始计时。

图6 设置红灯时间

（2）绿灯计时

红灯计时完成后，绿灯开始11秒倒计时，绿灯计时如图7所示，同时语音模块工作，扬声器会播报声音“红灯禁行，绿灯通行”。

图7 绿灯计时

（3）黄灯计时

绿灯11秒倒计时完成之后，黄灯立即开始3秒倒计时，黄灯计时如图8所示。

图8 黄灯计时

黄灯3秒倒计时完成后，再次转换为红灯，重复上述过程，如此一直循环，硬件测试完毕。

6 结束语

本系统在传统的交通灯基础上设计了智能交通灯系统。经过多次的实验检测与调试，能够成功实现以下功能：（1）灯况能够显示；（2）灯亮的时间可显示；（3）灯亮时间能够调节；（4）有语音提示灯况。

此系统的具有一定的智能化，能够大大提高交通的通行效率，减少交通事故的发生，改善交通拥堵等问题。