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