智能交通指示灯系统的设计

　第1章绪论

随着科学技术的发展，为了更好地服务人民，监测系统应用越来越广泛。随着中国城市交通管理体系的不断发展，20世纪90年代，一些大学和科学研究机构纷纷投入到了对交通状况的实时监测与评估中。当时，受限于技术条件，他们主要参考了X、英国和澳大利亚等国的先进控制系统，例如SCOOT和SCATS等。尽管当前我国大多数交通信号控制系统仍然是基于定时信号控制和人力辅助指挥，但随着现代交通情况的不断变化以及与国外的差异，开发适合我国自身特点的智能交通灯管理控制系统已成为当务之急。智能交通系统的主要目的是解决日益严重的交通拥堵问题，而现在许多专业人员正在研究智能交通系统的设计。在本文中，我们将设计一种基于STM32的智能交通指示灯系统，通过信息采集和智能控制，在不同的车流量路况下智能调节交通红绿灯时间，有效缓解交通压力，提高十字路口通行效率。

　1.1课题研究的目的与意义

　　1.1.1研究目的

智能交通指示灯系统的研究目的是改进传统的交通信号灯系统，通过引入智能化技术和算法来提高交通流量的效率、减少交通拥堵和改善交通安全。具体的研究目的可能包括以下几个方面：

1.提高交通流量效率：研究旨在设计和实现一种智能交通指示灯系统，以优化交通流量，减少交通拥堵并提高道路利用率。通过智能算法和实时数据分析，系统可以根据实际交通情况智能地调整信号灯的时序和配时，以最大程度地提高交通效率。

2.节能环保：研究旨在设计一种节能环保的智能交通指示灯系统，通过优化信号灯的能耗管理和智能控制策略，降低能源消耗。系统可以根据实时交通流量和需求智能地调整信号灯亮灭时间，减少不必要的能源浪费，从而降低对环境的负面影响。

3.引入智能化技术：研究目的是探索和应用新兴的智能化技术，如机器学习、计算机视觉、物联网等，将其应用于智能交通指示灯系统中。通过数据分析和算法优化，系统可以更加智能地判断和响应交通状况，提供更加高效、安全和便利的交通管理解决方案。

　1.1.2研究意义

交通系统是社会经济的”血液循环系统”。随着社会的持续发展，车流量逐渐增加，导致交通拥堵和堵塞问题日益突出，城市交通问题变得严峻，已成为我国城市严重的问题之一。在十字路口设置交通灯可以使车辆井然有序的通行，并为交通参与者的安全提供了强有力的保障。但是随着社会、经济的快速发展，传统的交通灯控制系統已经不能适应现在日益繁忙的交通状况。如何改善交通灯控制系統，使其适应现在的交通状况，已成为研究的课题。

目前，大部分城市中十字路口交通灯的控制普遍仍采用固定转换时间的控制方法。由于十字路口不同时刻车流量是复杂的、随机的，采用固定时间的控制方法，经常造成道路有效利用时问的浪费，出现空等现象，影响了道路的畅通。因此，采用根据车流量实时控制红绿灯时长的方案设计，能较好地解决这个问题。

1.2国外发展现状

在交通灯的设计方面，许多国家引入了新的技术和功能。例如，一些国家开始采用LED技术作为交通灯的光源，这种技术具有高亮度、低能耗和长寿命的优势。LED交通灯不仅可以提供更好的能见度，还能够实现灯光的变换和定制，以适应不同的交通情况和需求。

交通灯的控制方式也在不断演变。传统的定时控制逐渐被自适应交通信号控制系统所取代。这些系统利用传感器和实时数据来监测交通流量和拥堵情况，根据实际情况动态地调整交通灯的信号时序，以实现交通的高效流动。这种智能化的交通信号控制系统在提高交通效率的同时，也能够减少交通拥堵和碳排放。

在交通灯的可视化和人机交互方面，一些国家开始引入高清晰度的显示屏和触摸屏技术。这些显示屏可以向驾驶员提供更多的交通信息和提示，例如实时交通状况、行驶速度限制和道路施工信息等。通过与交通灯系统的互动，驾驶员可以更好地适应交通环境，提高驾驶安全性和舒适性。

国外还在研究和开发新的交通灯技术和系统。例如，一些国家正在探索无人驾驶车辆和交通灯的互联互通，以实现更智能、高效的交通管理。同时，还有研究关注于交通灯与城市智能交通系统的整合，以实现交通流量优化和城市可持续发展的目标。

　　1.3国内发展现状

红绿灯在我国的应用始于1923年的上海英租界。新中国建立后，我国的交通信号灯逐渐出现在大江南北城市中。八十年代后，随着国家经济的发展，交通运输事业也得到了发展，带有程序化控制功能的信号控制设备开始引入我国应用。从那时开始，交警再也不用手动控制信号灯切换来管理路面交通通行。

从1858年英国出现世界上第一盏带有道路交通信号指示功能的交通设备至今，道路交通信号灯已经经历了三次变革。第一代交通信号“灯”，真正意义上只能称作为交通信号指示器，有采用煤油灯作为光源的，也有采用指示牌作为交通通行指示的；自从爱迪生发明了白炽灯，交通信号灯才实现了真正意义上的“统一形式”的第二代红绿灯。第二代交通信号灯大约经历了一百多年的时间，直到上世纪九十年代末期，伴随半导体照明技术的逐渐成熟，节能高效的第三代交通信号灯——LED红绿灯得到广泛的应用

我国的交通灯发展同样也经历了不同的阶段，从一开始的“裸光源”应用，到采用“二次光学设计”，具有较高光效的LED交通信号灯，一直到目前在上海等大城市出现的具有更高光效和光学均匀度的大功率LED交通信号灯；我国的LED交通信号灯随着半导体光源技术的不断突破，产品的技术创新也在不断地提高。

　1.4主要设计内容

本文旨在设计一种新型的交通信号灯控制系统，该系统可应用于智能交通系统。该系统安装灵活，并采用模块化和结构化设计，使其具有良好的可扩展性。系统的运行安全稳定，且具有高效性。其主要研究内容包括：

（1）一种基于STM32的智能交通指示灯系统的模拟方案

设计为精准适配于实际环境，需要对交通情况进行模拟，研究车辆拥堵情况的不同而制定不同的交通管理方案，以保证整个模拟环境的准确性。

（2）超声波技术检测模拟环境车流量进行实时分析的设计

通过超声波技术检测道路车流量由从单片机发送至主单片机，再通过主单片机控制系统合理给予各个不同方向的道路最优通行的方案，以实现车辆的高效通行。

　第2章总体方案设计

　　2.1系统总体设计方案

本设计是基于STM32的智能交通指示灯系统。系统由六个部分组成，包括STM32开发板、车流量监测模块、按键控制模块、LED显示模块、交通灯驱动模块和WiFi模块。系统采用多个主从式单片机，以STM32为主控制器。在十字路口，通过车流量监测模块对车流量进行数据采集，然后将四个路口的数据信号由独立的四个从单片机传送至主单片机。主单片机根据接收到的数据信号发出指令，以改变道路交通指示灯在十字路口不同方向上的分配时间，实现交通指示灯红绿灯时间的动态调节。同时，为应对紧急事件，设计了按键模块，当突发紧急事件时可以快速调控红绿灯。系统的总体框架如图2.1所示。

图2.1系统总体框架图

　　系统核心是STM32F103C8T6，通过外部中断控制信号灯驱动模块的外围接口。根据横纵向车流量实时调整交通信号灯的时间。信号灯使用多个发光二极管LED进行控制。由于发光二极管需要较高电压，而单片机为小功率器件，所以电气隔离是必要的。此外，系统还配备按键模块，可以切换运行模式和调节通行时间，增加系统的合理性、人性化和便利性，以优化交通管理。

　第3章硬件电路设计

硬件设计对于整个系统来说是十分重要的，需要考虑多方面的因素。除了实现交通指示灯的基本功能外，还需要考虑以下几个方面：①系统的稳定性；②器件的通用性和易获取性；③软件编程的易实现性；④系统的其他功能和性能指标。因此，合理的硬件设计至关重要。本文将逐个分析和探讨各功能模块的实现方式。

　3.1单片机的基本结构

　　3.1.1单片机的介绍

单片机（Microcontroller）是一种集成了处理器核心、内存、输入/输出接口和其他外围设备的集成电路芯片。它被广泛应用于各种电子系统和嵌入式系统中，用于控制和执行特定的任务。以下是对单片机的基本介绍：

单片机采用微控制器架构，通常包含一个或多个处理器核心（如ARM、AVR、PIC等），内部集成了闪存/存储器、RAM、时钟电路、定时器/计数器、通信接口（如UART、SPI、I2C等）、模拟输入/输出和数字输入/输出等功能。

单片机的主要功能是控制和执行特定的任务。它可以读取输入信号、处理数据、执行算法和逻辑操作，并控制外部设备或执行相应的输出操作。单片机还可以通过编程来实现各种功能，如数据采集、通信、驱动电机、控制器件等。

单片机通常具有内部的闪存或EEPROM存储器，用于存储程序代码和数据。这使得单片机可以通过加载不同的程序来执行不同的任务。

为了开发和编程单片机，通常使用专门的集成开发环境（IDE）和编译器。这些工具提供了编写、调试和烧录程序的功能，以及与单片机进行通信和仿真的能力。

单片机广泛应用于各个领域，包括家用电器、工业自动化、通信设备、汽车电子、医疗设备、消费电子、物联网等。它们提供了一种经济高效、灵活可编程的解决方案，适用于许多嵌入式系统和控制应用。

单片机的发展趋势主要集中在以下几个方面：

1、多功能

为了单片机功能的多样性，将所需的存储器和输入/输出口集成在同一芯片上变得非常重要。举例来说，单片机可以集成A/D转换器、PWM控制器、可编程计数器阵列PCA、监视定时器、高速I/O口以及计数器的捕获/比较逻辑等功能。这样的集成设计使得单片机具备更多的功能，并提高了整体系统的效率。

2、高效率和高性能

单片机的高效率体现在其快速执行指令的能力上。采用RISC（精简指令集计算机）架构、流水线和DSP（数字信号处理）设计技术，使得单片机能够以更高的时钟频率运行，并且在同样频率下提供更高的运行效率。这意味着单片机能够更快地处理任务和响应外部输入，提高系统的响应速度和实时性。

随着集成电路技术的进步，单片机内部集成了更多的功能模块，如定时器、ADC（模数转换器）、SPI（串行外设接口）、I2C（串行总线接口）和USART（通用同步/异步收发传输器）等。这些功能模块的集成使得单片机能够同时处理多个任务，提高系统的整体性能和效率。

3、低电压和低功耗

单片机通常具备低功耗模式，包括睡眠、停机和待机模式。在无需执行任务时，单片机可以进入低功耗模式以降低能耗，延长电池寿命或减少能源消耗。这种低功耗模式的设计使得单片机在移动设备、传感器网络等对能耗要求高的应用中更具优势。

　3.1.2单片机的选择

系统的主控芯片是整个控制系统的核心部分。本控制系统采用最小系统模块STM32F103C8T6作为系统控制核心，主要由STM32F103C8T6单片机组成，时钟电路，复位电路，电源等，可以自己识别和处理。STM32系列微控制器集成度高，可靠性好，命令系统丰富，功耗低，串口编程，价格便宜。根据相关实验数据显示，STM32单片机不仅功耗更低，而且在处理速度、浮点运算和需要复杂运算的环境等方面的性能明显优于MSP430和C51系列单片机。STM32F103系列微控制器的主要特性如表3.1所示。

该单片机内置了128KB的闪存程序存储器，因此本次设计的代码量完全足够，并且还拥有高达20KB的SRAM。

这些特性使得STM32F103C8T6成为一款强大而灵活的微控制器，适用于各种应用领域。STM32F103C8T6管脚图如图3.1。

图3.1 STM32F103C8T6管脚图

　　3.1.3 STM32F103C8T6最小系统

最小系统是指包含了该微控制器芯片以及必要的外围电路和元件，以便使其能够正常运行。以下是STM32F103C8T6最小系统的基本构成：

1.STM32F103C8T6芯片：它是微控制器的核心部分，具有32位处理能力和丰富的外设功能。该芯片通常带有48引脚，以提供足够的接口和功能。

2.时钟电路：STM32F103C8T6需要稳定的时钟信号来驱动其内部运行。最小系统通常包括一个晶体振荡器和相关的电容、电阻元件，用于提供系统时钟。

3.复位电路：复位电路用于在系统上电或复位时将芯片初始化为已知状态。它通常包括复位按钮、电阻和电容元件。

4.调试/编程接口：最小系统可以提供SWD（Serial Wire Debug）或JTAG（Joint Test Action Group）接口，以便进行调试和编程。这些接口允许通过调试器或编程器与微控制器进行通信。

5.电源电路：最小系统需要适当的电源电路来为STM32F103C8T6芯片提供电源。它通常包括稳压器、电容和电感元件，以确保芯片能够获得稳定和适宜的电压。

6.引脚连接：最小系统的引脚布局需要与STM32F103C8T6芯片的引脚分配相匹配，以确保正确的连接和功能。

最小系统的设计目的是提供一个基本的硬件平台，使STM32F103C8T6芯片能够运行并与外部环境进行交互。根据具体需求，最小系统还可以包括其他外设和元件，如LED指示灯、按钮、UART串口、GPIO接口等，以满足特定的应用需求。

　　3.1.4单片机的多机通信

如图3.3单片机构成的多机系统，采用主从式结构。所谓主从式，即在多个单片机中，有一个是主机，其余的是从机，创建服从主机的调动、支配。本次设计采用的是利用WiFi模块的SoftAP模式实现主机与从机的无线通信。

对各从单片机进行编号1-4号分别代表东、西、南、北方向路段，轮流发送车流量信息至主单片机，在主单片机选择出最优方案后再按照编号发送至各个从单片机去执行各路段所分配到的任务，再通过从单片机对交通指示灯进行实时调控。

　3.2其他外围模块组成及介绍

　　3.2.1电源模块

系统要在正常而稳定的状态下工作，必须要有可靠的电源。而本次基于单片机的设计需要显示的芯片较多，电源供应量大，持续可靠的供电电源是系统正常工作的前提，如果系统电源供电不稳定，将致使单片机、传感器模块、WIFI通信模块等硬件无法正常工作，导致整个系统运行出现异常。因此本次设计了如下三种方案。

方案一：利用独立的稳压电源供电。优点是可提供稳定而可靠电源，而且可以利用220V电压转化，不受各种因素的限制。

方案二：采用USB转接口5V电压供电，这样简单明了，但是单单一个5V电源供电可能会显得电源不足，而无法满足实际的需要。

考虑到实际情况和电路的简洁，本设计采用了第一套方案，此方案在电路的设计上可以把系统分为两大模块，使系统设计简单化，从而又可以提供稳定而可靠电源。

为满足交通LED灯电压要求，本系统采用单相220V电源进行供电，由于单片机及各个模块为小功率器件，不能承受过大的电压，为满足各模块电源符合要求，我们需要采取电气隔离，对单片机部分进行降压操作。本系统采取如下电源设计方案首先通过交流降压变压器将单相220V交流电压降压至12V，再经逆变桥将对应交流电压逆变至直流电，最后由LM7805和AMS1117稳压电路分别将电压转至5V和3V，以此满足系统各模块要求。具体电源电路如图3.4所示。

图3.4电源电路

　　3.2.2车流量监测模块

基于超声波模块的车流量检测模块是一种常用的技术，用于实时监测道路上的车辆流量。车流量检测模块利用超声波技术来测量车辆在道路上的存在和行驶情况。它通常由多个超声波传感器组成，这些传感器发射超声波信号并接收其反射回来的信号。通过计算信号的时间延迟和距离，可以确定车辆的存在和位置。该模块可以实时检测道路上的车辆流量，并提供相关的数据统计。它可以记录通过道路的车辆数量、车辆速度和通行时间等信息。这些数据对于交通管理、道路规划和交通流量优化非常有用。车流量检测模块将通过超声波传感器获取的数据传输至主控制单元进行处理。主控制单元使用算法和模式识别技术对数据进行分析，计算车辆数量和速度等指标。这些数据可以通过无线通信方式进行传输。

本系统设计在十字路口的各路口装设前后相距100m的超声波探测装置，采集在该100m内各路段车流量长度信息并将其发送至各路段的从单片机，利用无线通信发送至主单片机进行统一整理并判断各路段拥堵情况，再将拥堵情况发送至从单片机，利用从单片机对计时模块的调控实现交通信号指示灯根据车流量进行智能调控红绿灯时长，其计算公式为:

d=v∙t/2，n=d/4.8，

式中：d为车流量长度，单位m；n为汽车数量，平均汽车长度4.8m（为简化计算，假定十字路口仅通行小型汽车）；v为超声波波速，单位m/s，在空气中，，其中T为环境温度，℃。

通过多个HC-SR04超声波模块，获取车流量的长度信息，结合历史数据辅助计算通行时间和速度。选择HC-SR04模块的原因是价格低廉，提供2~400cm的精确非接触式距离感测，测距精度可达3mm。该模块工作温度范围为-40℃至+80℃，适应我国大部分城市环境。每条道路安装2个或多个传感器模块，当车辆通过时，传感器捕获信号计算出车流量再将数据传送到主单片机。如图3.5为车流量监测模块HC-SR04原理图

　3.2.3按键控制模块

在日常生活中，城市内经常发生交通拥堵现象，一旦需要救火或者救援等紧急任务需要消防车或者救护车快速通行时，交通灯控制系统必须要采取相应有效的应急措施，以便这些车辆能够顺利通过。所以在本次智能交通指示灯系统的设计中增设了一个专门处理紧急事件的按键，用于触发紧急模式。该按键可以位于交通指示灯控制面板或其他易于访问的位置。当用户按下紧急情况按键时，按键模块会检测到信号并触发紧急情况模式。这可以通过编程实现，例如在微控制器或控制系统中编写相应的逻辑和代码。一旦紧急情况模式被触发，按键模块可以改变交通信号灯的状态以应对紧急情况。触发紧急模式后，绿灯路段立刻变为黄灯，持续3s后变为红灯，发生紧急情况路段立刻变为绿灯，使该路段车辆快速通行。

在有急车通行的情况下，要保证急车优先通过。因此交通灯控制系统要给予合适的信号让主干道和副干道的车辆全部等待，即主干道和副干道都显示红灯。这样的应急措施可以避免因为急车的强通而造成的交通堵塞交通事故。

该项目加设按键控制模块用以通过人为按键控制设置红绿灯显示时长，以确保其通行能力，在人工切换紧急模式的时候，4个方向的红灯倒计时清零，增加这个功能模块既能确保平常通行的效率，又能兼顾到紧急情况的发生。

　3.2.4显示模块

如图3.6所示，该模块由多个共阳LED数码管组成，利用数码管的动态扫描原理，由三极管进行锁存，当控制数码管的I/O口PB11和PB10为低电平时数码管被点亮。

图3.6显示模块电路

　　根据设计任务和要求，通行时间需要通过二位数码管进行显示。对于7段数码管，需要占用7个单片机的I/O口，并配合2个电子开关来控制2位数的显示，需要占用2个I/O端口。在十字路口中，共需4组红绿灯以及转换黄灯，总共是12个灯，需要使用12个端口进行控制。此外，还有两个方向的紧急通行按钮，分别占用2个I/O端口。因此，实际需要使用的单片机I/O口为23个。

3.2.5信号灯驱动模块

主单片机通过实时接收各路段车流量数据并进行汇总处理，使用控制算法计算最佳交通处理方案。然后，通过将基于目前车流量情况得到的交通处理方案通过无线通信模块发送至各个路段的从单片机，以控制各个方向的信号灯。由于每个方向需要安装3个信号灯，总共需要12个信号灯，因此需要具备高强度的I/O口驱动能力和控制能力。

在本设计中，采用了8255A驱动来控制信号灯。选择该驱动的原因是它价格低廉，并且兼容多种输入逻辑。图3.7为信号灯驱动模块原理图

图3.7信号灯驱动模块

　　实时智能控制信号灯时长是该控制系统的关键。具体原理是比较十字路口四个路段的车流量与默认标准车流量数据，并利用同一方向车流量的历史数据来调整各个信号灯的亮灭情况。同时记录该方向的历史车流量数据，以便智能地调节信号灯的状态。图3.7为模拟环境下的各个模块的安装控制图。

图3.7模拟环境

　　3.2.6 WiFi模块

无线网络技术已经成为我们日常生活中常见的技术。目前，WiFi网络已经覆盖了大多数普通家庭，使其成为智能家居控制系统和云服务器实现数据交互的途径。同时，WiFi网络的应用可以实现主从式单片机之间的无线通信，由此使得系统更加一体化，简单化，并且能够更加方便地进行操作和管理。

本系统选用ESP8266模块作为其WiFi通信模块。该模块是一款超低功耗UART-WiFi透传模块。它允许用户将自己的物理设备连接到WiFi网络实现网络功能。模块的正常工作温度范围为-20°C至+80°C，工作电压为3.3V。如图3.8所示，模块由5x5mm的ESP8266芯片组成。

将WiFi模块配置为服务器（AP模式）：

以下是将ESP8266模块配置为AP模式的步骤：

1.确保你的ESP8266模块已正确连接到开发板或主控制器，并且已经安装了适当的开发环境和驱动程序。

2.在你的开发环境中创建一个新的项目，并导入ESP8266的相关库和头文件。

3.在代码中引入ESP8266WiFi库，该库提供了配置和管理Wi-Fi功能的函数和方法。

4.初始化ESP8266模块。使用WiFi.begin()函数初始化ESP8266的Wi-Fi功能。

5.配置模块的工作模式为AP模式。使用WiFi.mode()函数，并将其参数设置为WIFI_AP。

6.设置AP的名称（SSID）和密码。使用WiFi.softAP()函数来设置AP的参数，包括SSID和密码。例如，使用WiFi.softAP(“MyESP8266″,”mypassword”)将AP的名称设置为”MyESP8266″，密码设置为”mypassword”。

7.可选：配置其他AP参数。你可以使用WiFi.softAPConfig()函数来设置其他AP参数，如IP地址、子网掩码和网关。如果未指定，模块将使用默认的IP地址。

8.启动AP模式。使用WiFi.softAP()函数启动ESP8266的AP模式。

9.在你的代码中添加服务器功能。你可以使用ESP8266WebServer库来实现服务器功能，并根据需要配置路由和处理程序。

10.编译和上传代码。将代码编译并上传到ESP8266模块中。

11.在你的设备或计算机的Wi-Fi设置中，搜索并连接到刚才配置的ESP8266的AP（使用之前设置的SSID和密码）。

12.通过设备上的浏览器或相应的应用程序，使用ESP8266模块的IP地址访问服务器功能。

图3.8 WiFi模块

　　3.3串口方案设计

根据智能交通指示灯系统的设计需求，选择使用STM32F103C8T6主从式单片机来进行对十字路口各路段车流量的监控以及对红绿灯计时的智能控制，从机控制无线通信模块传输车流量数据，主机接收各路段从机发送的数据进行统一处理，再根据车辆拥堵情况发送给从机信息对红绿灯进行控制。由于十字路口车流量变化多样，因此需要完成各路段从单片机与主单片机之间的接口设计，确保从机的输出信号能够顺利传输到主机，同时也要确保主机处理后的信号能够顺利传送到从机。

　3.3.1 RS485串口

串行接口是一种数据位顺序传输的通信方式，目前常见的串行接口有很多标准，例如RS232、RS422和RS485。

其中RS485似乎解决了智能仪表网络通讯的问题，采用差分负逻辑，抗噪声干扰能力强，+2V~+6V为“0”逻辑电平，-6V~-2V为逻辑电平“1”级。盘子。连接方式可选择四线制或两线制，四线制用于点对点通信，目前不常用，两线制可实现拓扑用于点对多通信的总线。因此本文档选择RS485标准来实现主从之间的数据传输。

　3.3.2 RS232串口

RS232标准串口是常见的串行通讯接口标准之一，波特率灵活，采用负逻辑传输，提高抗干扰能力，通讯距离远，-5V~-15V为逻辑“1”电压.电平，+5V~+15V为逻辑“0”电平，专为点对点通信设计，无网络功能，适用于本地设备通信。本次选用RS232标准实现无线通信模块与STM32单片机之间的数据传输。

　第4章软件部分设计

上一章介绍了智能红绿灯系统的硬件设计，包括控制单元的主从单片机和数据采集单元，以及各传感器的硬件选型。软件设计是实现控制系统功能不可或缺的环节，也是各功能模块正常发挥作用的基础。因此，本章介绍了本系统的软件设计，主要包括硬件部分的程序设计，控制单元、数据采集单元和通信模块的软件设计。包括流程设计和相应的软件工作分析，并选用Visio绘制各模块流程图

4.1 Keil5.0介绍

　　4.1.1KeilμVision5软件简介

Keil uVision5是一款功能强大的集成开发环境（IDE），专门用于嵌入式系统的软件开发，由Keil Software公司开发。它是由Keil Software开发的，已经成为了嵌入式系统开发中非常流行的工具之一。它提供了完整的工具链，包括编译器、调试器、仿真器、IDE等，用于开发各种嵌入式系统，包括单片机、微控制器和数字信号处理器等。

Keil uVision5的主要特点如下：

1.支持多种芯片架构和处理器。

2.提供完整的开发环境，包括编译器、调试器、仿真器、IDE等，方便开发者进行系统设计和调试。

3.内置多种优化技术和算法，以提高代码的效率和性能。

4.支持多种编程语言，包括C、C++、Assembly等。

5.提供丰富的库函数和例程，用于快速开发各种嵌入式系统。

Keil uVision5在嵌入式系统开发中被广泛应用，尤其在ARM Cortex-M系列单片机开发中使用较多。其强大的功能和易用性，使得开发者能够更快速地进行系统开发和调试，提高开发效率和系统性能。

　4.2主程序流程图设计

图4.1为本系统的软件总体设计图，本系统的软件设计主要包括交通灯控制模块、车流量采集模块以及无线通信模块等部分的设计，交通灯控制模块的主程序主要是处理来自数据采集各个车道的车流量情况，然后从单片机将各车道车流量情况通过WiFi模块发送到主单片机，主单片机汇总处理完信息后发送回各自从单片机，从单片机再根据车流量情况对各车道红绿灯时长进行调整，从而实现智能化，而数据采集单元的主程序主要是通过红外线模块进行车流量探测，控制单元和数据采集单元之间的通信是通过ESP8266模块来进行数据之间的通信。

图4.1软件总体设计图

　　本设计利用主从式单片机对十字路口红绿灯进行控制，各路口装设从单片机，用于采集车流量数据、控制红绿灯时长、发送和接收数据。主单片机用于处理由各路口的从单片机发送的车流量数据进行汇总处理，再将处理后的信息发送至各个从单片机。主从单片机程序流程图如下所示。

　　4.3车流量监测子程序设计

主程序设计是本系统软件设计的核心，对于整个控制单元，子程序的设计都是基于主程序来进行设计的。本系统的主程序流程图如图4.3所示，系统初始化后整个系统就进入了工作状态，STM32F103C8T6单片机显示整个系统的检测数据，将此数据与系统的设定数据进行对比，对各路段车流量数据进行比较，对车流量较大的路段分配更多的绿灯通行时间，对车流量较小的路段分配更多的绿灯等待时间，由主单片机处理各路段车流量信息再将信息分配至各从单片机对计时模块进行调控。整个系统只要上电，主程序将会一直循环运行，以达到实时检测与调控的目的。通过超声波探测横、纵车道车流量长度差值来进行调节红绿灯计时时长，调控方式如表3.2所示

图4.3车流量监测子程序流程图

　　4.4无线通信模块程序设计

　　4.4.1 TCP/IP传输协议

协议是计算机网络通信中的一种约定或规范，用于确保不同设备、CPU和操作系统之间的互通性。通过遵循相同的协议，不同计算机可以实现相互通信。

在本设计中，无线通信采用的协议是TCP/IP传输协议，通过ESP8266 WiFi模块实现信息传输。TCP/IP协议是互联网最基本的协议，它涉及到多个层级的协议。

应用层协议用于从传输层接收数据或向传输层传输数据。传输层的主要协议是UDP和TCP，它们提供了用户平台与计算机网络内部数据相结合的通道，用于实现数据传输和共享。网络层的主要协议是ICMP、IP和IGMP，负责数据包在网络中的传送和路由等功能。而网络接入层的主要协议是ARP、RARP等，它提供了链路管理、错误检测以及处理与不同媒体相关的信息细节等功能。

通过使用TCP/IP协议，本设计可以实现基于无线通信的数据传输和交互，确保各个设备之间的互联互通。

　4.4.2 ESP8266无线通信模块的子程序设计

本文选用ESP8266无线模块作为无线WiFi通信方式，它包括透明传输和协议传输两种工作模式。在通过WiFi模块实现通信前，首先需要对该模块进行初始化并选择适用的模式，该模块启动流程图如图4.4所示。

图4.4无线WiFi模块启动流程图

　　为实现通信功能，需要使用串口模式下的AT命令对智能交通指示灯系统进行配置，以确保模块能够正常工作。配置过程中，为了保证成功配置，需要将模块恢复到出厂设置，并通过AT指令在串口模式下设置TCP客户端和UDP等子模式。

在智能交通指示灯系统上电后，进行初始化并检测WiFi模块。通过串口的AT指令，将WiFi模块配置为AP模式，并选择透明传输作为传输模式。完成上述配置后，系统就能实现串口数据的发送和接收功能。

这些配置和设置步骤将确保智能交通指示灯系统正常工作，并能够通过串口进行数据的传输和交互。无线WiFi模块子程序流程如图4.5所示。

图4.5无线WiFi模块子程序流程图

　　4.5按键模块子程序设计

主体按键主要是为应对突发紧急情况而设计的模式切换按键。当十字路口有消防车、警车或者救护车需要快速通过时，我们可以通过按键切换，对需要切换的路口的红绿灯进行控制，以应对突发事件。按键模块子程序设计流程图如图4.4。

图4.4按键模块子程序设计流程图

　　4.6模块驱动程序设计及实现

　　4.6.1系统初始化

单片机STM32F103C8T6系统初始化是单片机程序设计的第一步，它主要负责初始化系统时钟、外设、中断控制器等，为后续的程序执行做好准备。下面是单片机STM32F103C8T6系统初始化的一般步骤：

1.确定时钟源和时钟分频

单片机STM32F103C8T6的时钟源可以选择使用内部RC振荡器、内部HSI振荡器或外部晶体振荡器。需要根据实际需求选择合适的时钟源，并根据时钟频率进行分频。

2.配置中断控制器

单片机STM32F103C8T6的中断控制器可以选择使用NVIC（Nested Vector Interrupt Controller）或EXTI（External Interrupt）进行配置。需要根据实际需求配置中断优先级、使能中断等。

3.初始化GPIO端口

单片机STM32F103C8T6的GPIO端口包括输入和输出端口。需要根据实际需求对GPIO端口进行初始化，包括设置端口方向、配置中断、设置上拉/下拉电阻等。

4.初始化定时器

单片机STM32F103C8T6的定时器包括基本定时器、通用定时器和高级定时器。需要根据实际需求进行定时器的初始化。

5.初始化串口通信

单片机STM32F103C8T6的串口通信可以选择使用USART或UART进行配置。需要根据实际需求进行串口通信的初始化，包括设置波特率、数据位、停止位、奇偶校验等。

6.初始化ADC转换器

单片机STM32F103C8T6的ADC转换器可以选择使用单通道或多通道模式进行配置。需要根据实际需求进行ADC转换器的初始化，包括设置采样率、精度、触发源等。

7.初始化DMA控制器

单片机STM32F103C8T6的DMA控制器可以选择使用基本DMA或DMA2D（Direct Memory Access 2D）进行配置。需要根据实际需求进行DMA控制器的初始化，包括设置传输方向、数据大小、传输模式等。

单片机STM32F103C8T6的中断控制器是NVIC，它可以管理单片机的中断请求和响应。中断是单片机系统中常用的一种机制，可以使系统在处理某些事件时及时响应，提高系统的实时性和可靠性。下面是单片机STM32F103C8T6系统中断初始化的一般步骤：

1.配置中断向量表

中断向量表是存放中断向量的地址的表格，可以通过修改中断向量表的地址来实现中断服务程序的映射。在单片机STM32F103系列，中断向量表的地址0x0800 0000。如果需要修改中断向量表的地址，可以使用NVIC_SetVectorTable()函数进行配置。

2.配置中断优先级

中断优先级是指当多个中断同时发生时，系统按照优先级的高低来处理中断请求。单片机STM32F103C8T6的中断优先级可以分为抢占优先级和响应优先级两个部分。可以使用NVIC_SetPriority()函数进行中断优先级的配置。

3.使能中断

使能中断是指允许中断发生。在单片机STM32F103C8T6中，可以使用NVIC_EnableIRQ()函数来使能中断。

　第6章环境保护与社会经济效益

随着经济的发展和人口的增长，环境污染问题已经成为全球关注的焦点。环境保护不仅是保护人类生存和发展环境的重要措施，也是维护社会经济可持续发展的重要支撑。环境保护与社会经济效益之间存在密切的联系，环境保护对社会经济效益的影响不容忽视。

6.1系统选材对环境的影响

单片机系统的选材直接影响着其在环境保护方面的应用效果。在选材过程中，应考虑以下几个方面：

1.芯片功耗

选择低功耗的芯片能够降低系统的能耗，减少对环境的负担。例如，一些单片机芯片具有低功耗模式，在系统空闲时能够自动进入低功耗状态，从而降低系统的能耗。

2.包装材料

单片机芯片的包装材料对环境的影响也不能忽视。在选材过程中，应优先选择符合环保要求的材料。例如，一些单片机芯片采用无铅封装材料，避免了铅对环境的污染。

3.可靠性

单片机系统在使用过程中需要具有较高的可靠性，以减少维护和更换的次数，降低对环境的影响。因此，在选材过程中应优先选择具有较高可靠性的芯片。

4.生产工艺

单片机芯片的生产工艺也会对环境产生一定的影响。在选材过程中，应优先选择具有环保意识的芯片供应商，避免选择采用过时的、对环境造成污染的生产工艺。

　6.2系统的经济效益分析

单片机系统的应用不仅可以带来技术上的改善，也可以在经济上产生一定的效益。下面从以下几个方面对单片机系统的经济效益进行分析：

1.节约人力成本

单片机系统能够通过自动化控制代替人力操作，从而减少人工成本。例如，在工业生产中，单片机系统能够代替人力进行设备控制和监测，减少了人力资源的浪费。

2.提高生产效率

单片机系统能够实现高精度、高速度的控制和监测，从而提高了生产效率，缩短了生产周期。在自动化生产线上，单片机能够实现自动控制和监测，从而提高了生产效率和质量。同时，单片机还可以用于电子元器件的测试和生产过程的监测，从而降低了生产成本和提高了产品质量。例如，在农业领域，智能化的单片机控制系统可以对种植过程中的温度、湿度和光照等参数进行监测和控制，从而提高了作物的生产效率和品质。这些控制系统的应用，提高了农业的经济效益，增加了农产品的质量和产量，创造了更多的经济价值。

3.减少能源消耗

单片机系统的应用可以降低能源成本，从而减少了能源的消耗。在建筑业中，单片机能够根据室内外环境和人员数量等信息实现精准的能耗控制，从而减少了能源的浪费和降低了能源成本。同样，在制造业中，自动化生产线上的单片机系统可以控制和监测生产过程中的能源消耗，从而降低生产成本。这种应用，减少了生产成本，提高了企业的经济效益。

4.提高产品质量

单片机系统能够实现高精度、高速度的控制和监测，从而提高了产品的质量。例如，在电子产品生产中，单片机系统能够实现电路控制和测试等功能，保证了产品的质量和稳定性。

　6.3单片机选型的经济性分析

在选择单片机STM32F103C8T6时，考虑到经济性，选型时要综合考虑各种因素，根据实际需求来选择性价比更高、质量更可靠的单片机。通过合理的系统设计和生产过程，可以进一步降低成本，提高单片机系统的经济效益，选择单片机应根据实际功能需求来确定，不需要过度追求高端产品或不必要的功能，否则会增加成本；单片机价格在不同供应商之间可能存在差异，可以通过比较不同供应商的价格，选择性价比更高的单片机；单片机的质量和可靠性是影响整个系统稳定性和寿命的重要因素。选择质量可靠的单片机可以减少维修和更换成本；在单片机系统设计时，需要合理规划软硬件资源，尽可能地利用已有的模块和库，减少开发时间和成本；在制造过程中，选择经验丰富的供应商，采用成熟的制造技术和工艺，可以减少生产成本和制造时间。

第八章总结与展望

　　8.1总结

汽车为人类的出行带来了便利，城市汽车随着时代的发展而日渐增多，从而致使城市交通的堵塞情况越来越严重。目前的传统的交通灯控制系统一般采用固定计时的模式，不能根据车流量情况进行实时调控，致使路口车辆无法快速、高效地通行。因此，为了提高车辆通行效率，避免交通堵塞，我们设计了可以采集车流量的装置并根据当前时段车流量对当前路口实现交通灯实时的智能控制。本文鉴于该情况开展了智能交通灯控制系统的研究，并在此基础上取得了如下主要研究成果。

首先，本文提出了采用超声波探测的道路车流量检测算法，该算法通过超声波模块实时检测道路车流量，使用传感器感应车流量的方法具有经济、高效、精度高等优点。

另外，本文提出了根据车流量对十字路口的红绿灯时长进行不定序分配，避免了传统交通灯因固定配时模式不能合理分配各路段绿灯通行时长，车流量相差过大而造成了拥堵情况的问题。这个算法首先使用基于超声波探测道路车流量检测算法实时获取各路段车流量状况，之后根据不同路段的车流量情况为各个车道分配绿灯时长。相比传统交通灯固定配时控制模式，本文提出的算法解决了各个车道绿灯时间与车流量不适配的问题，减少了拥堵路段车辆的等待时间，使车辆能够高效通行，提升了交通资源利用率。

接下来，需要进一步解决以下问题。当前的智能交通灯控制系统目前只对当前路段的车流量进行实时控制，而不能对整个城市的交通系统进行调控。因此，未来研究方向应朝着实现区域智能交通系统智能控制，对整个系统的车流量进行监控，协调区域内各个路口通行，从而提高整个城市交通系统的通行效率。

　8.2展望

智能交通灯控制系统是智能交通系统的一个组成部分，智能交通系统在我国的发展还很落后，处于刚起步阶段，还有很多的问题有待解决。本文所作的工作也很有限许多具体问题和实际情况没有考虑，还有待开展进一步的研究工作。

未来对于智能交通指示灯系统的发展可以从以下方面考虑：

（1）基于人工智能和大数据的优化：未来的智能交通指示灯系统可以更加智能化和自适应，利用人工智能和大数据分析来实现实时交通流量监测和预测，从而根据实际情况优化信号控制策略。这将进一步提高交通效率、减少拥堵并优化道路资源利用。

（2）与智能车辆的协同优化：随着智能车辆技术的发展，未来的智能交通指示灯系统可以与智能车辆进行协同优化。通过与车辆通信，交通指示灯可以根据车辆的位置、速度和目的地等信息进行智能调控，从而提供更加个性化和高效的交通流管理。

（3）基于城市智能化的整体优化：未来的智能交通指示灯系统可以与城市其他智能化设施和系统进行整合和协同工作。通过与城市规划、公共交通系统以及智能交通管理中心的联动，实现城市交通的整体优化和协调，提高交通系统的整体效率和可持续性。

（4）提升交通安全性：未来的智能交通指示灯系统可以结合先进的感知技术，如摄像头和传感器等，实现对交通环境的实时监测和分析。通过及时识别交通违法行为、预警交通事故风险以及提供行人和自行车等非机动车的特殊保护措施，进一步提升交通安全性。

（5）融入可持续交通理念：未来的智能交通指示灯系统可以积极融入可持续交通理念，如鼓励步行、骑行和公共交通的使用，减少汽车出行对环境的影响。通过合理的信号控制和优先权设置，促进低碳交通方式的发展，降低交通排放和城市空气污染。

　致谢

时光荏苒，我站在论文完成的起点，不禁回首过去，心中涌上满满的感激之情。在这篇论文完成的过程中，有太多的人和事值得我表达最诚挚的谢意。

首先，我要衷心感谢我的指导老师，张化勋老师。他在整个研究过程中给予了我无私的指导和宝贵的建议。他的深入学术知识和严谨的研究态度对我产生了深远的影响。张老师的耐心指导和鼓励让我不断进步，并在研究中获得了宝贵的经验和见解。

此外，我要感谢与我一同走过的室友们。四年来，我们同心协力，互相鼓励和支持，克服了许多懒散和困难。能够以积极的心态度过这四年，我们不仅拒绝了同质化，也用实际行动证明了我们的决心。无论是备考国家电网还是申请硕士研究生，我们都付出了百分之百的努力。那些埋头苦读的日夜将成为我们今后回忆的美好片段。我也祝愿寝室号为119的所有成员，在未来仍怀揣着这颗炽热的心，终有一天，我们会再度相聚于巅峰。

其次，我要感谢我的家人。他们一直是我坚强的后盾和永恒的支持者我如今的成长离不开他们默默的支持。他们默默地为我付出，给予我无私的关爱和理解。在我遇到挫折和困难时，他们始终鼓励和支持我，给予我力量和勇气。他们是我追求梦想的动力源泉，我将永远铭记他们为我所做的付出，并将这份温暖深藏心底，引领我不断前行。

我还要感谢我的朋友们，是你们在我学术和生活中陪伴着我，给予我无尽的欢笑和支持。我们一起度过了许多难忘的时光，你们的友情和真诚让我感到温暖和快乐。感谢你们的陪伴和理解，你们是我人生中宝贵的财富。

最后，我要感谢上天赐予我生命和机遇，让我有幸接触到知识的海洋，感受到学术的魅力。感谢所有关心和支持我成长的人们，你们的关怀和鼓励让我坚定前行，不断追求卓越。

在这篇论文完成之际，再次向以上所有人表示我最真挚的谢意。你们的帮助和支持是我完成这篇论文的动力和源泉。无论言语多么有限，我的感激之情将永远铭刻在心，并用更加努力和优秀的成果回报你们的关怀和期望。

　参考文献

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