基于Arduino的智能交通信号灯设计


    摘
    智交通灯控制系统交通控制系统完善着重作更控制交通系统缓解交通压力文基Arduino设计智交通信号灯根道口检测交通车流量实现红绿灯动切换功
    基Arduino交通信号灯型号ATmega328AVR单片机作控制器控制芯片系统实现五种功:
    (1)实现数码倒计时控制
    (2)实现信号灯显示基功
    (3)检测车流量调整通行时间通压力传感器车流量进行计数达定数值采中断延时程序
    (4)利红外线传感器蜂鸣器结合组成报警电路闯红灯行发出安全警报
    (5)利光敏电阻特性设计路口违规车辆检测电路该设计更精确十字路口交通进行检测交通更加通畅违规行进行监控
    文设计功做出相应系统试验设计出应程序代码设计智交通灯做测试实现方绿灯25s黄灯5s红灯30s基计数功实现报警电路违规监测功车流量检测功设计样实现做实验缺陷
    关键字:智 交通灯 Arduino 传感器











    Abstract
    智交通灯控制系统交通控制系统完善着重作现代化城市中济发展越城市交通拥堵问题会越严重城市中机动车辆该城市污染物排放量会增设计智交通灯缓解城市交通拥堵带压力着缺位时减污染物排放气造成破坏
    Intelligent traffic control system play an important role in the traffic control system 更控制交通系统缓解交通压力提高生活效率时弥补传统交通灯显示时间固定缺陷文设计基Arduino智交通灯
    In order to better control the transportation system alleviate traffic pressure This paper designs the intelligent traffic light based on Arduino According to the traffic flow crossing detection traffic lights to achieve automatic switching function
    基Arduino交通信号系统包括ATmega328单片机作控制器控制芯片控制四方信号灯显示数码倒计时车流量检测违规检测安全警报系统实现基交通信号外实现流量检测调整通行时间通压力传感器车流量进行计数达定数值采中断延时程序利红外线传感器蜂鸣器结合组成报警电路闯红灯行发出安全警报利光敏电阻特性设计路口违规车辆检测电路该设计更精确十字路口交通进行检测交通更加通畅违规行进行监控
    Traffic signal system based on the Arduino use ATmega328 micro controller as the main control chip of the controller The system can achieve five basic and innovative features
    Firstly digital tube can achieve countdown
    Secondly the digital lights can display
    Thirdly it also can realize the flow rate of traffic detection and adjustment of the passage of time it count the number of the flow rate of traffic up through the pressure sensor for traffic when it comes to a certain value the interrupt latency of the program will be executed
    Fourthly this design also combines with the use of infrared sensor and the buzzer to be an alarm circuit when the red light of the pedestrian issues a security alert
    Last the use of photosensitive resistance characteristic design of intersection vehicle violation detection circuit the design can be more precise of intersection traffic and make the traffic more smoothly and to monitor violations
    文设计功做出相应实物设计出应程序代码设计智交通灯做测试实现方绿灯25s黄灯5s红灯30s基计数功实现报警电路违规监测功车流量检测功设计样实现做实物缺陷
    Make the corresponding experience according to the function of design designed the corresponding program code In the design of intelligent traffic light test can realize each direction of the green 25s yellow light 5S red 30s basic counting function but also to achieve the alarm circuit and illegal monitoring function The traffic flow detection function is not in accordance with the design as to realize this is a limitation for the real thing
    关键字:智 交通灯 Arduino 传感器
    Keywords Intelligent Traffic light Arduino Sensor

    目 录
    摘 I
    Abstract II
    1 绪 1
    11研究背景 1
    12研究意义 2
    13设计容 3
    2 总体设计方案 5
    21智交通信号灯功 5
    22系统模块框图 6
    23控制器选择 6
    231 AVR芯片 7
    232 DSP芯片 7
    233 ARM芯片 8
    234 确定芯片 8
    24 章结 9
    3 硬件设计 10
    31硬件设计结构 10
    32原理图 10
    321 芯片选择 10
    322 Arduino基介绍 12
    323数码显示模块 17
    324信号灯显示模块 21
    325车流量检测模块 23
    326报警电路 24
    327违规检测模块 26
    33ATmega328结构图 28
    34智交通信号灯工作原理 29
    35章结 29
    4 软件设计 31
    41功设计 31
    42程序设计 32
    421交通灯时间显示子程序 32
    422 报警电路子程序 36
    423违规检测子程序 39
    424 车流量检测子程序 40
    43章结 43
    5总结 44
    致谢 45
    参考文献 46
    附录I 48
    附录II 48


    1 绪
    11研究背景
    智交通现代化交通运输中作缺国发展智化交通控制系统已年智交通方针路段情况设置交通理系统公交通系统等路口行车信息通车载导航仪收音机等设备传达行驶某处驾驶员出建议提示等够信息够时传达智交通系统需卫星通讯微波通讯信息接收发送出[1]现代智交通发展中潮流发展完善值继续开发设计时路口会进行实时摄进行实时监控智交通系统中包含雷达测速类传感器装置收费站入口处设置电子收费设备结束停车收费老方法样技术没国国ITS技术没全部运路口交通控制中器规模已相引进国外ITS技术结合国交通复杂性制定混合控制方案协调交通运输系统
    现交通路口理监控需前样交警路口指挥交通采高端监控设备进行24时停抓拍采集图做信息提取分析否违规车辆然设备质量绝够应付种恶劣天气变化种干扰进行屏蔽时采测速装置超速行车进行抓拍抓拍图够显示出切数具体时间点尤车牌号记录违规行法逃路口监控设备
    交通工具数量快速增长带便捷生活时道路带严重压力道路建设法赶交通工具数量变化必然造成交通拥堵现象智交通信号灯作智交通控制系统部分交通控制关重作传统交通灯方时间变化固定出现方车流量方车流量较现象车流量方造成压力更发生交通拥堵样控制方法显非常实交通会造成汽车正常行驶时消耗更汽油汽油完全燃烧会造成气污染资源浪费智交通灯设计解决合理设计带问题现政府交通控制系统日益重视采引进开发相结合方针定程度缓解交通压力国相位交通岔口情况系统定适现需解决问题设计切实行实实时智化交通控制系统
    解决交通问题方法增加交通设施建设交通设施建设发展期间交通问题然存需外办法缓解交通压力交通信号控制系统功夫需采取智化交通控制系统控制智交通系统简称ITS(Intelligent Transportation Systems)车流量进行检测车流高峰期采取延时设置实时准确高效控制交通系统
    文Arduino设计智交通控制系统基开放性集思广益设计程中获取设计理念方法文设计车流量检测进通行时间实时改变控制系统缓解交通拥堵减轻车流量负担帮助
    12研究意义
    交通量快速增长道路建设发展变化交通理系统完善扩建道路没起明显效果城市中十字岔路叉路情况决定道路交通必然发生交通拥堵状况城市交通设施程度运交通拥堵带压力起缓解作已成部门需解决问题种情况交通信号灯发挥着重作交通灯设计目增绿信(延长绿灯时间)需考虑方通行时间避免方造成交通拥堵智化交通系统社会发展生活具代作
    该设计终目减缓交通流量带压力然针路段交通问题设计功交通灯采具体问题具体分析方法问题采取解决办法智交通灯设计目减少交通事发生国年交通事造成交通拥堵事件少数社会造成生命财产损失应该发生果拥智化交通系统合理分配通行时间违规车辆进行监控进行积分处罚罚款等系列强制性措施根出行起警示作然安全出行需位公民提高保护遵守交通规意识样交通灯作发挥
    智交通灯设计浅显意义说确实减轻车流量带压力果深处想想交通通畅交通花费时间缩短提高生活效率现代社会济快速发展短时间里创造更价值争取时间工作学断提高智交通灯设计天减少少时间然智交通灯设计目止然该设计根解决汽油燃烧环境造成破坏确实种减破坏方法然根解决交通拥挤问题建立更交通线相式交通枢纽配合监部门强制措施
    设计智化交通信号灯然交通拥挤出现问题法根解决程度缓解部分问题带压力智交通灯解决交通拥挤带压力重方法
    13设计容
    设计智交通灯进行研究设计结合路段实际情况设计相应控制系统设计针中路段设计智交通控制系统现交通配置进行优化设计容包括:
    (1) 根需选取合适控制器利完成时间计时信号灯亮灭行道语音提示车流量计数违规车辆检测功
    (2) 利拓展芯片功工作原理IO数口进行拓展文MAX7221芯片74HC595芯片Arduino Uno进行IO口拓展
    (3) 该智交通灯具般交通灯时间计数功文MAX7221四组阴极数码结合完成方时间计数功
    (4) 通SPI串口协议建立位机信号机间通信信号机反馈信号做出处理采取优化措施文采SPI协议建立ATmega328MAX7221间通讯根时间检测数做出反应处理
    (5) 74HC595移位寄存器完成信号灯驱动模拟路口信号灯工作状况
    (6) 针车流量进行统计利压力传感器通车流量进行计数统计根测量车流量通行时间做出动调整
    (7) 斑马线两端设置报警电路报警电路利红外线传感器反相器结合蜂鸣器连接模拟红灯时穿越斑马线时语音警示功
    (8) 设计车辆违规行驶检测电路利光敏电阻原理特性Arduino进行连接读取模拟量应数字量根车辆违规时电阻变化作出反应
    (9) 系统设计框图程序流程图设计编写程序代码行代码作注释方便读写程序程序C语言进行编程设计数码计时信号灯工作车流量计数违规行功通程序实现








    2 总体设计方案
    章中设计智交通总体框架设计出智交通灯功功设计功模块针交通拥堵问题文车流量进行计数统计定时间里车流量达定数值时信号灯数码时间做出相应延时行闯红灯行文设计报警电路警示行注意安全制止车辆违规行驶设计针违规车辆检测电路红灯期间车辆违规行驶时直处检测状态电路会控制反馈信号控制器做出相应响应综述文设计智交通灯应该具模块控制器控制数码显示模块信号灯显示模块车流量计数模块报警电路违规检测模块模块间协调工作实现智交通灯功
    21智交通信号灯功
    智交通灯设计中需根设计功设计应软件程序文设计交通信号灯包括功:
    (1) 东西南北四方信号灯显示方数码倒计时车辆拥堵时设置绿灯通行时间25秒黄灯时间5秒红灯禁止通行时间30秒车流量达定数值时进入中断延时时设置绿灯通行时间35秒黄灯5秒红灯时间40秒
    (2) 种控制功够针时段做出应时间调整尤针班车流高峰期时段应适设计绿信较控制程序
    (3) 通车流量计数统计达定数值该方通行时间加延时舒缓通车压力
    (4) 特殊状况采取手动控制方案行道闯红灯现象动触发警报装置达行警示作
    (5) 某方红灯亮起时该方违规检测电路开始工作违规车辆进行拍

    22系统模块框图
    图21中模块建立智交通灯重组成模块数码模块数字显示色灯点亮时程序设计时间数码倒计时开始交通程中通观察时间等应时间LED灯显示模块红绿灯相应时间决定颜色灯亮灭信号灯亮灭时间程序设定车流量检测模块安装距离红绿灯定距离外处时间段通车辆数进行计数做出判断时间段里否采外种延时通行方案违规检测模块针机动车红灯期间闯红灯现象时时违规车辆车牌进行拍留档便进行处罚报警电路等红灯时设置安全警告电路红灯期间超出等红灯安全线会启动报警电路模块控制通控制器控制需选择适合控制器决定总电路正常工作关键设计中控制器需驱动数码控制器IO驱动力必须足够

    图21 智交通信号灯模块框图
    23控制器选择
    单片机分类非常广泛针需设计属单片机提高工作效率单片机环境然样设计中三种单片机选择分:AVR单片机DSP芯片ARM芯片
    231 AVR芯片
    AVR单片机中32寄存器直接ALU连接瓶颈突破1MHz实现1MIPS处理力1128KBFlash ROM置中部集成UART(通异步收发传输器)SPI(步串行外设接口)PWM(脉宽度调制)WDT(门狗)10bitAD转换器等器件[2]系统载通片EEPROM支持C语言汇编语言Flash存储器次擦写户生产开发提供便利时mega系列IO口驱动力强直接驱动LED灯ATmega328P例款芯片中22输入输出口然口口驱动力高达40mA智交通灯中驱动发光二极利硬件设计[2]
    232 DSP芯片
    DSP芯片处理速度高数字化信号处理器相微处理器DSP芯片设计身性较芯片标新立异方采高新技术时钟周期达667ns意味着芯片时钟频率已高达150MHz需高性CMOS实现芯片中数存储器程序存储器总线分开说址总线数总线独立空间DSP芯片芯片处然DSP设计根哈弗结构改进程序代码数存储空间进行数通讯改进哈弗结构(modified Harvard architecture)外取指译码取数执行芯片执行程序编代码般步骤DSP芯片利流水线技术提高程序执行速度RAMROM空间分开执行译码指令时条指令进行取指[3]执行取数时时进行前取指译码操作样相流水生产线般提高工作效率
    32位信号处理器TMS320F2812例时钟周期 32*32者两16*16法累加运算64位数处理均完成性该处理器够实现更高精度处理务快速中断相应该系列芯片够保护关键寄存器快速相应外部异步事件时8级带流水线存储器访问流水线保护机制芯片高速运行时会占少快速存储器存分支跳转硬件专门控制减少条件指令执行时间条件存储器操作更进步提高芯片功[46]
    233 ARM芯片
    ARM芯片种嵌入式芯片嵌入式意思微型机嵌入象体系中实现象体系智化控制[7]嵌入式系统包括软硬件两部分硬件部分嵌入式处理器中心周围装置存储器输入输出口位机实现通讯设备等嵌入式芯片采技术DSP芯片类似采流水线技术嵌入式流水线技术高达7级速度较DSP更快时采RISC技术采RISC够时钟周期情况够执行更指令增加程序运算效率样系统更寄存器存放数者址[8]
    三种芯片较适合制作智交通灯AVR输入输出口驱动力较强DSP芯片处理速度快ARM指令集精简方便编程性较AVRDSP较DSP数字处理领域实处理速度非常快适图处理分析ARMLinux系统进步开发作相DSP芯片ARM芯片购买成较高然设计智交通灯两种芯片实现需设计功实材济适
    234 确定芯片
    设计中选AVR单片机Arduino基AVR单片机设计电路板板输入输出口直接连接外接电路Arduino款开放源代码简单输入输出台包括软件硬件两部分软件部分设计者根喜运软件编程C语言C++VB汇编初学者说Arduino设计样系统错选择现成程序官方网站载设计者需根需进行修改硬件设计连接简单易懂Arduino现成数字输入输出口模拟输入口然模拟输入口做数字输入口Arduino便捷处次需51单片机样解部结构寄存器懂程序编程知识便容易手需烧录代码烧录器载程序USB串口通讯线完成程序载操作简单设计智交通灯优越性Arduino设计功模块IO口拓展模块时基开源台封装库设计者直接载Arduino设计智交通灯降低硬件制作难度
    24 章结
    章节中介绍智交通信号灯需实现功功模块图AVRDSPARM三种控制器作进步较确定适合设计智交通信号灯控制器

    3 硬件设计
    根第二章介绍已出智交通信号灯设计模块框图章模块作具体介绍
    31硬件设计结构
    根第二章设计功模块框图设计功模块控制器间控制关系框图图31虚线框中显示模块包含数码显示信号灯显示

    图31 智交通信号灯总体设计框图
    32原理图
    设计智交通灯中种种模块包括数码显示信号灯显示违规检测报警设置车流量检测电路组成面重点介绍模块组成原理
    321 芯片选择
    根章选择处理器AVR单片机AVR单片机设计开发板设计中Arduino UnoMega 2560两种选择区处理器样Arduino UnoATmega328Mega 2560ATmega2560芯片功基相似支持相串口协议IO口驱动力时达40mA采指令集RISC(精简指令集)片较容量非易失性程序数工作存储器外部性微控制器基相似性 [9]
    表31两款处理器区存2560较占优势IO口328然2560相328优势设计时需物设计智交通灯时基外围设备传感器需16模拟口尤设计程序时设计程序根达32KB果2560会浪费存会浪费串口数字口模拟口选择芯片充分选ATmega328款芯片实现设计需功口设计合适
    表31 ATmega328ATmega2560区
    技术参数
    Arduino Uno
    Mega 2560
    处理器
    ATmega328
    ATmega2560
    程序存储器
    32 KB
    256 KB
    数存储器
    2 KB
    8 KB
    EEPROM
    1 KB
    4 KB
    芯片引脚
    28
    100
    数字IO引脚
    14
    54
    模拟输入
    6
    16
    PWM输出
    6
    14
    串口
    1
    4
    322 Arduino基介绍
    Arduino UNO板包括部分:电源电路USB电源串口串口电路模拟输入口数字输入输出口晶振电路单片机复位电路稳压电路
    Arduino UNO核心型号ATmega328P双列直插式单片机款单片机28引脚中22引脚分PBPCPDIO口组中PD口时数字输入输出口D0D7中D0D1两口串口通讯ATmega328PB口串口通讯芯片ATmega16U2MU连接该芯片够USB口ATmega328芯片进行串口通讯直接通USB编写程序载进ATmega328芯片程序存储器中PB口作数字IO口D8D13中引脚供SPI串口协议拓展芯片分D10D11D13D11供串行输入口D13提供连续脉然IO口做通IO口芯片PC口模拟输入口A0A5外接传感器类原件通设置作数字输出口AVR芯片引脚包括:复位引脚参考电压引脚电源接端参考电压设置重决定电路板中高低电判断

    图32 Arduino UNO板框图
    1电源电路
    Arduino UNO供电方式分三种:
    (1) 柱式电源插座连接外部直流电源供电
    (2) 直流电源直接接GNDVIN引脚
    图31底部接口旁边(左边)标名称Reset(重置)引脚功板子复位钮样排VIN引脚GND引脚连接电源Arduino板供电板通外部电源供电时VIN引脚直接外部供电
    (3) USB电源接口接电脑直接供电
    USB接口面型号LM78055V稳压器功电源插孔提供7~12V电压稳定5V少7V输入电压输出电压保证5V电压值误差5左右(475V525V间)5V输出口滤波电容极性电容功电源瞬变毛刺滤

    图33 Arduino电源电路
    2串口电路
    图34Arduino原始电转换电路工作原理利三级放作RS232电压放Arduino5V电压晶体放条件发射结正偏集电结反偏[10]样话会发射极电作参考电压情况保证基极集电极电直保持相反关系样达电转换功RS232适配芯片需稳定电电压芯片部配置电转换电路提供更高级隔离保护[3]板数字输入输出口D0D1应串口RXTX然程序中果需串口通信两口作般IO口说法严谨RX(D0)信号接收器连接时果作IO口前必须RX信号接收器电路物理进行断开样必须通烙铁元件焊者直接断开板通路做Arduino电路板法通条线引导装载程序时TX(D1)作输入输出样会触发串口TX电路Arduino电路板USB接口作通讯口

    图34 RS232 TTL电转换电路
    3 AVR单片机
    (1)ATmega328
    Arduino UNO电路板芯片Atmel AVR ATmega328P电路板脑实质单芯片式计算机包括单片机样中央处理单元(CPU)时钟存阵列外围设备等该单片机采ATMEL高密度非易失性存技术片Flash通SPI接口通编程器引导BOOT程序进行编程编程利引导BOOT程序意硬件接口载应程序写入Flash应程序中[1112]ATmega328处理器工作电压宽范围里般18~55V样适合电池供电程序电压供电时会什区呢?区电压状态时钟频率支持频率样低工作电压时钟频率智达4MHz工作电压频率便达20MHzArduino电路板般采5V供电什需5V稳压器原时钟频率维持稳定值方便定时器

    图35 ATmega328P引脚图
    (2)AVR 核
    毋庸置疑单片机里会中央处理单元(CPU)ATmega328中AVR核包含系列处理部件IO端口程序计数器程序存储器静态RAM组32位寄存器指令译码器算数逻辑单元(ALU)
    1) IO口
    AVR输入输出口成数字输入输出口时AVR输入输出口具备读修改写功输入输出口引脚采推挽式方法驱动样仅产生较输出电流(般达40mA)吸收较高达20mA电流芯片输入输出口直接驱动LED显示器IO端口通AVR部三寄存器控制采方数输入引脚寄存器输入输出口均带拉电阻电路然通程序编辑判断该电阻功否效引脚通编程设置输入时数寄存器写入1时置拉电阻开启果作输出口数寄存器输出状态决定引脚电压值时芯片部Vcc电源接GND二极二极起钳位作保护电路
    然输入输出口仅作通数字输入输出口通控制信号通数字口功屏蔽掉AVR接口分三组:B口C口D口口执行第二功复位串行口ADC输入通道中断口等功通IO口通编程实现
    2)程序存储器
    程序存储器存储编写程序AVR单片机中16位宽Flash阵列编程阵列程序需重新载程序存储定容量数果写入时间长程序般会丢失数般适合存储易失数
    3)数存储器
    数存储器般分静态存储器动态存储器两种形式 [13]AVR单片机中SRAM存储器样会动态存储器样时钟信号前触发刷新数保持动作切前提需芯片保持通电样数保存
    4)寄存器
    AVR芯片中寄存器组总包含32寄存器算数逻辑单元指令直接读出者写入寄存器组寄存器图316中寄存器组中XYZ三寄存器组合组合两单寄存器组成16位指SRAM索引指针
    4晶振电路
    Arduino系统时钟控制部时间时钟频率外部陶瓷谐振器者石英晶振提供驱动系统部分
    ATmega328时钟系统部般片振荡器时钟频率外部晶体者谐振器决定振荡器低功率模式消耗功率输出时钟信号信号外面模式外种模式全幅模式增加功率消耗[26]片两频率分8MHz128KHz电阻电容(RC)振荡器软件校准(调整)8MHz振荡器频率准确率没石英晶振陶瓷谐振器精度高系统时钟分频二幂次倍片设置预分频器分频11变1256样系统时钟功率消耗降低[14]
    果系统时钟两校准RC振荡器产生低频率约32KHz时钟晶体驱动应程序中定时器计数器
    5复位电路
    复位信号时单片机输入输出口会复位恢复初始值时钟源需处运行状态复位信号消失系统中延时计数器会延时程时系统真正复位重新启动
    复位电路总4复位源:电复位外部复位门狗复位电源电压检测BOD复位[15]
    四种复位方式然触发复位信号方式电复位片检测电路检测电源电压低复位电压时复位信号触发延时系统正式复位外部复位直接外部复位引脚低电信号样需低电源电压门狗复位定时器操作时间超预定时间发生溢出门狗会出脉信号触发复位信号电源电压检测BOD复位系统运行时检测电路系统电压进行检测然检测结果预先设定电压(称阈值电压)进行较然芯片部迟滞效应防止电源产生毛刺引起复位信号误触发

    图36 Arduino外部晶振电路 图37 外部RC振荡器电路
    323数码显示模块
    交通信号灯组成中数码作展示需等时间数码段二极接IO口需驱动芯片驱动数码显示节中采两种行方案
    方案1 CD4511驱动数码显示
    设计数码显示时选CD4511译码器驱动数码CD4511具译码锁存消影BCD转换功
    四BCD码输入端口8译码输出口直接连接数码进行数字显示 进行译码时设置CD4511功端LE低电BILI高电样前提输入端输入应BCD二进制码数码显示相应数字制作硬件时需考虑止容仅仅实现功直接需考虑IO口交通灯设计中数码少8相两二位数码数字显示样译码端需四IO口位选端需四IO口样少需Arduino8IO口
    方案2 MAX7221驱动数码
    拓展芯片MAX7221驱动数码该芯片面直接驱动数码译码器样具备CD4511基功数码段位数码直接接芯片IO芯片接入Arduino部分需三IO通SPI协议接入Arduino进行通讯需显示位选信号段选信号送入MAX7221中
    然CD4511价格MAX7221价格少考虑IO口分配需采较少MAX7221芯片驱动数码显示
    设计中采方案2
    1数码显示模块组成
    数码显示电路实现二位阴极数码MAX7221组成数码驱动NPN型9013晶体放驱动三极发射极连接数码位选端基极连接MAX7221DIG端口控制三极导通关断达控制位选端通动态扫描数字显示出
    2MAX7221工作原理
    MAX7221种功拓展芯片支持功包括:七段显示译码器数码段选位选路扫描器段选时电流调节器亮度脉宽调节器特殊功寄存器[1617]计算机连接方便芯片采串行接口方式[18]片拓展芯片情况直接驱动8阴极8段数码表示样驱动64二极款芯片占IO口少缘IO较少Arduino Uno电路板性高编程方便灵活时具种串行接口MicrowireSPIQSPI等

    图38 MAX7221引脚图
    Din引脚MAX7221串行数输入口串行输入者输出时CS应保持低电时钟脉处升时传输数数存入部16位位寄存器
    MAX7221进行数码动态扫描前需进行初始化设置设置通寄存器址进行设置包括否译码模式设置数码亮度设置
    (分16等级)显示位数设置省电模式选择操作模式选择等[16]
    MAX7221工作原理设置数通DIN穿行输入然设置模式D8D11四位址译码器译码译出数分配寄存器(选择模式状态)SRAM串行数位D0D7数直接存入SRAMMAX7221驱动数码工作状态中译码方式寄存器需中数发送动态编码器决定数位进行译码关断寄存器动态编码器亮度宽脉译码器数码段进行控制参考电压决定段高电低电扫描位数寄存器扫描数码位数进行初始值设置样设置数存入SRAM路扫描电路根需扫描位数位驱动器进行位扫描扫描位然动态译码器协工作该位数码进行段选控制样位进行数字显示时模式寄存器控制功关断寄存器决定芯片否允许工作控制芯片工作电流电流控制150微安处省电模式时芯片会正常工作电流达250微安芯片会处正常状态亮度显示寄存器通数位D0D7低四位设置亮度分16等级等级亮度样设计醒目亮度等级值设置15显示测试寄存器分两模式:正常操作模式显示测试模式测试状态前关断寄存器屏蔽功设置屏蔽处正常模式功正常工作

    图39 MAX7221工作框图
    3阴极数码工作原理
    阴极数码阳极数码数码两种形式设计中阴极数码MAX7221IO高电工作决定阴极数码顾名思义数码中段二极阴极相连公端二极阳极接受电工作显示出数字

    图310 二位阴极数码原理图
    设计中二位数码显示等时间通MAX7221进行位选段选操作MAX7221中译码器数码段接入MAX7221段驱动位直接IO口进行连接二极导通导通电阻样定会烧坏二极根二极导通电压般17V正常工作电流710mA计算需300欧姆500欧姆左右限流电阻作保护(设计中510欧姆电阻)拓展芯片端口驱动电流足驱动数码直接数码COM端口直接接拓展芯片DIG0DIG1端口需助晶体放电流驱动数码通COM端输入放电流数码正常工作电流范围里工作[20]
    4晶体9013工作原理
    够数码MAX7221驱动程中正常点亮需通9013晶体放驱动电流基极晶体信号电压集电极电流选型号晶体放倍数正常放数码COM端接晶体集电极放电流导入COM端段分配足够工作电流

    图311 MAX7221驱动数码原理图
    324信号灯显示模块
    交通控制程中方便驾驶员行观察信号通行状态需安装信号灯提醒路否通行设计中设计模拟路口交通灯LED显示模块74HC595四组LED灯组成74HC595驱动LED灯组
    174HC595工作原理
    74HC5958位移位寄存器串行输入串行行输出寄存器采总线驱动具高阻态关断状态兼容TTL低电压电路遵守JEDEC标准存储器三态输出功[23]间时钟分开移位寄存器存储器时钟电路数会时钟升时存入寄存器中区果芯片中时钟电路串行数准确存入存储寄存器必须保证移位寄存器存入数时存储寄存器周期升没需两寄存器存入数脉时刻移位寄存器脉升时刻早存储寄存器脉升具寄存器集成芯片应该复位系统保证数传输出错时通复位数重新存入74HC595芯片低电复位电路存储寄存器然通三态8位行总线端低电效时数IO口输出[23]
    2引脚功
    Arduino送出数74HC595第11号引脚(SCK)脉升时送入移位寄存器锁存送入序QAàQBàQCà…àQGàQH
    存入移位寄存器数通74HC595第12号引脚(RCK)时钟脉升时存入存储寄存器降时数法存入芯片
    芯片第13号引脚高电时高阻态时禁止输出[24]
    芯片第10号引脚复位低电效意味着进行数传输时该引脚必须保证高电直接接5V电源

    图312 移位寄存器74HC595引脚图
    利74HC595功驱动发光二极显示路口红黄绿信号灯相方显示样样74HC595需驱动六发光二极
    驱动发光二极时需注意加300欧限流电阻保护电路

    3模块工作原理
    图313信号灯连接移位寄存器串行输出口需显示方信号灯亮灭时需芯片串行口信号灯电状态01输入输出口会显示相应状态

    图313 信号灯显示模块原理图
    325车流量检测模块
    交通灯控制系统中达智化控制必须针车流量进行检测适时合理增加缩短通行时间免发生交通拥堵设计中压力传感器针车流量进行检测计数方车辆计数达定数值时通行时间适增加方红灯等时间相应增长果两方车辆达设定数值时绿灯通行时间相应增长
    1应变片性介绍
    压力传感器通常应变片采电阻丝弹性形变测物体受压力变化需应变片需测量物体连起测量物受压力时应变片阻值会产生变化阻值变化电路中会引起电流值者电压值做出相应变化需测量值输出
    硬件设计条件限制设计中钮车流量进行计数设计钮计数中断实现样计数处占系统运行时间计数达定值通判断决定否需调子程序
    钮模拟计数时问题需消抖硬件方面采钮联01微法电容样减少毛刺带误判断
    2压力传感器全桥电路
    文采四应变片构成全桥电路提高灵敏度汽车应变片程短暂需汽车带时控制器接收压力引起电低电高电变化进行升计数样达车流量测量

    图314 车流量检测电路
    326报警电路
    报警电路设置行道斑马线两边设置电路目警示红灯期间闯红灯路闯红灯行报警电路会导通蜂鸣器语音报警提醒路注意安全
    报警电路红外线传感器绿灯期间传感器工作时报警电路会触发旦红灯行道禁止行通时报警电路触发处报警阶段旦闯红灯蜂鸣器触发工作
    1报警电路组成
    红外线射模块红外线发射接受LM393电阻组成电路模块模块通电红外工作状态果障碍物挡路径VCC端口会输出高电反射通道果没物体阻挡VCC会输出低电利特性实现报警电路控制
    2LM393工作原理
    LM393片双列直插式14引脚集成电路芯片里面具学电压较器双电压较器根学认知电压较器输入口定信号通信号幅度鉴定阈值电压(称转折电压)进行较电路超参考电压设定值时原电会反方跃变然结果高电者低电两种绝数集成运放构成电压较器正常工作时工作开环状态工作非线性状态相输入端反输入端间点点电间差值运放输出端会输出数值正电压者负电压电压较器基原理
    电压较器测量模拟信号通变化成二进制信号前说高低电两种状态构成红外线射模块接入Arduino数字接口模拟接口
    寄生电容存输入端输出端间伴耦合产生电路会发生振荡该情况产生时刻状态跃变时集成运放中加入滤波电容短时间里滤振荡产生毛刺标准PC板设计减种情况发生概率通输入电阻减10K样减反馈信号增加正反馈量输出状态快速转换寄生电容引起振荡果直接插入IC(集成电路板Integrated Circuit)引起输入—输出短转换周期引脚连接电阻产生振荡解决种情况需加入滞果输入信号脉波形升降时间非常短暂滞回需[10]
    3红外线工作原理
    红外线反射种二极常接触二极发光二极红外线发射通电转化成红外线发射出眼法见运种遥控装置中
    红外线发射发射红外光线专门接收红外线接收接收红外接受外观黑色二极黑色吸收切色光制作黑色两二极通电发射发射出红外光接受接收接收处导通状态果光射接收接收直处截止状态
    4红外线射模块工作原理
    图红外射模块工作原理模块接入电源红外线发射接收处正常导通状态时LM393相输入端处低电反相输入端电高相输入端输出端会输出低电[25]反障碍物时红外光线阻挡接收处截止状态相输入端电高电时集成运放相输入端电高反相输入端电输出端会输出高电

    图314 红外射模块图
    327违规检测模块
    该模块设计目某方信号灯处红灯禁止状态时违规检测电路处工作状态违规车辆进行实时监控进行拍(设计中采放光二极模拟拍瞬间闪光灯作)该方信号灯处状态时方检测电路会处工作状态
    1光敏电阻特性
    模块中设计方法简单两光敏电阻两定值电阻结合光敏电阻工作原理然光光强度基变光时电阻值会维持波动较趋稳定值果时该然光强更强光线射时光敏电阻阻值会迅速降某稳定值果该然光挡住阻断光敏电阻射时电阻值会相应升某固定值
    根光敏电阻灵敏度特性变化时电阻会立刻做出反应具延时反应性质做出反应前需保证光度变化存该电阻缺陷测车辆违规时车辆身长度车速快时通光敏电阻时间少10毫秒程序中光敏电阻采样时间1毫秒灵敏度缺陷里忽略
    2 Arduino模拟输入口
    该模块工作部分赖Arduino模拟输入口模拟口连接ADC模拟口读进模拟量(电压分量)ADC变换成数字量然该数字量需变换成二进制码ATmega328该芯片存储处理里需介绍执行ADC功时模拟量数字量参考电压定情况转换关系:
    Vin[Vref (2n1)]*ADC
    式中Vref参考电压测量电压值进行参考量文Arduino Uno板该Vref值5V标n芯片特数里n10ADC板模拟口测量读出数值该值程序设计时需数字量
    3违规检测电路工作原理
    图316R1R2光敏电阻R3R4定值电阻R2作参考电阻光强定时A1A2ADC读取值较稳定间误差维持相稳定范围里某方红灯点亮时A1A2模拟口进行采样读取ADC值根程序设计果车辆闯红灯R1值会变然R2值进行较R1光挡住时阻值便会增ADC值会变正常变100数值需程序设置中加入较指令果真车违规发光二极D1会模拟拍模式闪烁次

    图315 车辆违规检测电路
    33ATmega328结构图

    图316 ATmega328结构框图

    34智交通信号灯工作原理
    图318智交通信号灯设计原理图智交通信号灯控制器ATmega328具专门拓展芯片服务拓展引脚数字口1113驱动数码减少IOMAX7221连接芯片拓展引脚CLK连接D13CS连接D11Din连接D10样驱动数码需3IO口ATmega328MAX7221工作需调SPI串口协议然串行数通拓展芯片Din脚送入样便实现数码显示工作
    ArduinoD6D7D8三口连接移位寄存器74HC595DSSH_CPST_CP输入引脚利74HC595实现信号灯驱动硬件连接方便输出口连接Q1Q66口芯片目设计方便条语句信号灯状态设置必置数
    报警电路中红外线射模块OUT脚连接Arduino模拟引脚A0模块VCC口连接方红灯阳极移位寄存器驱动红灯口驱动红外线射模块样控制红灯时报警电路会处工作状态闯红灯通读取A0口ADC值通闯红灯时ADC值较决定否需导通蜂鸣器报警蜂鸣器D4口连接
    两光敏电阻连接两定值电阻图两电阻连接A1A2A2设置供A1作参考读取ADC值通红灯期间判断两值间差值决定否需拍图中发光二极模拟相功
    35章结
    章节中根第二章设计模块模块进行设计包括芯片型号选择设计方案选择采取优设计方法部分进行硬件设计模块工作原理做具体介绍





    图317 智交通灯总设计图

    4 软件设计
    第二章第三章中已设计智交通灯整体框图部分原理功功实现需硬件软件配合ATmega328C语言进行编程设计面介绍模块控制C语言子程序
    41功设计
    智交通灯控制系统设计需模块间相互作设计功模块编写程序控制
    基Arduino智交通信号灯功:
    (1)交通灯显示模块
    模块包含两部分:数码倒计时显示红绿信号灯显示数码显示电路AVR芯片调SPI串口协议驱动MAX7221利MAX7221串行口设置数码时间段时间红绿信号灯显示电路74HC595设置红绿信号灯亮灭数码时间步
    (2)行违规报警电路
    该电路根红外射模块检测出数AD模块然AD转换数发送AVR芯片根测量值判断否闯红灯
    (3)车辆违规检测电路
    功实现利AVR芯片ADC引脚功实现两光敏电阻两定值电阻分成两组工作组作参考组作检测根车辆通检测光阻方时亮度变化检测判断否车红灯期间违规行驶
    (4)车流量检测电路
    利车辆通压电传感器时电变化检测计数车流量设计中条件限制钮代利外部中断检测电发生变化时降中断车流量计数计数数达定数值进行延时子程序调
    42程序设计
    421交通灯时间显示子程序
    1交通灯显示求
    表41示已列出数码时间显示求信号灯应时刻亮灭情况根该表设置应参数
    表41 数码计时时间信号灯亮灭
    信号灯
    东西绿 灯
    东西黄 灯
    东西红 灯
    南北绿 灯
    南北黄 灯
    南北红 灯
    计时时间单位(秒)信号灯亮灭
    25亮
    0灭
    0灭
    0灭
    0灭
    25亮
    0灭
    5亮
    0灭
    0灭
    0灭
    5 亮
    0灭
    0灭
    25亮
    25亮
    0灭
    0灭
    0灭
    0灭
    5亮
    0灭
    5亮
    0灭
    2流程图
    图41示数码显示红绿信号灯显示步工作流程图红绿信号灯转换时刻根判断数码计数否已达0样保证信号灯数码显示步
    3程序设计
    (1)数码显示子程序
    #include 调SPI串口协议库
    const int NSyinjiao10 南北方串口输入引脚
    const int EWyinjiao9 东西方串口输入引脚
    const int NSweishu2 数码显示位数
    const int EWweishu2
    void setup() 初始化设置
    {
    SPIbegin()
    pinMode(NSyinjiaoOUTPUT) 选引脚均输出引脚
    pinMode(EWyinjiaoOUTPUT)

    digitalWrite(NSyinjiaoLOW) MAX7221工作模式设置
    NSzhiLing(121) 省电模式置位
    NSzhiLing(150) 测试模式设0
    NSzhiLing(108) 亮度值8
    NSzhiLing(11NSweishu) 显示位数2
    NSzhiLing(9255) 译码器模式
    digitalWrite(NSyinjiaoHIGH)
    digitalWrite(EWyinjiaoLOW)
    NSzhiLing(121)
    NSzhiLing(150)
    NSzhiLing(108)
    NSzhiLing(11NSweishu)
    NSzhiLing(9255)
    digitalWrite(EWyinjiaoHIGH)
    }
    void loop() 程序
    {
    int NSdeng25 设置南北绿灯时间
    for(int EWdeng30EWdeng>0EWdeng) 倒计时循环
    {
    for(int i1000i>0i)
    {
    EWdisPlay(EWdeng) 显示数码
    NSdisPlay(NSdeng)
    delay(1)
    if(NSdeng0) 绿灯时间0时NSdeng5
    {
    NSdeng5
    }
    }
    NSdeng
    }
    }
    (2)信号灯显示子程序
    int chuanxingShuRu6 设置移位寄存器输入引脚
    int SH_CP7
    int ST_CP8
    void setup()
    {
    pinMode(chuanxingShuRuOUTPUT) 设置引脚输出脚
    pinMode(SH_CPOUTPUT)
    pinMode(ST_CPOUTPUT)
    }

    void loop()
    {
    ST(66) 南北方绿灯亮东西方红灯亮
    for(int EWdeng30EWdeng>0EWdeng) 30s计时
    {
    for(int i1000i>0i)
    {
    delay(1)
    if(NSdeng0) 绿灯时间结束南北黄灯亮
    {
    ST(68)
    }
    }
    }
    }


    图41 交通灯时间显示子程序流程图
    4调试现象
    图42示东西方25s绿灯南北方30s红灯显示时状态
    图43示南北方25s绿灯东西方30s红灯显示时状态
    图44示东西方红灯倒计时5s时该时刻南北方信号灯转黄灯5s倒计时状态
    图44示南北方红灯倒计时5s时该时刻东西方信号灯转黄灯5s倒计时状态

    图42 东西方绿灯25s 图43 南北方绿灯25s

    图44 南北方黄灯5s 图45 东西方黄灯5s
    422 报警电路子程序
    1目求
    设计行违规报警电路警示行红灯期间马路保证安全果检测闯红灯会蜂鸣器报警警示行
    2报警流程图
    图46某方红灯亮起时报警电路处工作状态 通采样判断否闯红灯
    3报警电路子程序
    int hongwaiPin0 设置模拟输入引脚A0
    int val0 设置模拟读数初始值0
    void setup()
    {
    Serialbegin(9600) 设置波特率9600
    }
    void loop()
    {
    int NSdeng25
    for(int EWdeng30EWdeng>0EWdeng)
    {
    Serialprintln(val) 串口监视器输出
    if(val<125) 果读数125表示闯红灯
    {
    noTone(4)
    }
    for(int i1000i>0i)
    {
    delay(1)
    valanalogRead(hongwaiPin) 读出ADC转换值
    if(val>125) 果读数125
    {
    tone(42093) 蜂鸣器响
    }
    }
    }
    4调试现象
    图47示南北方红灯亮时时南北方报警电路开始工作该状态闯红灯红外输出口低电
    图48示闯红灯时红外输出口高电蜂鸣器开始工作

    图46 报警电路流程图

    图47 行道报警电路启动图 图48 闯红灯蜂鸣器报警
    423违规检测子程序
    1流程图
    图49东西方红灯亮时东西方违规检测电路会工作Arduino断采集两光敏电阻模拟量ADC转换两值较判断否车违规
    2违规检测子程序
    int guangPin11 设置模拟输入口
    int guangPin22
    int val10 设置ADC初始值0
    int val20
    int shuchu2 设置模拟拍引脚2

    void setup()
    {
    Serialbegin(9600)
    pinMode(shuchuOUTPUT)
    digitalWrite(shuchuLOW) 初始状态电
    }
    void loop()
    {
    int NSdeng25
    for(int EWdeng30EWdeng>0EWdeng)
    {
    Serialprintln(val1)
    Serialprintln(val2)
    if(val1<(val250)) 果车辆违规2号引脚低电
    {
    digitalWrite(shuchuLOW)
    }
    for(int i1000i>0i)
    {
    val1analogRead(guangPin1)
    val2analogRead(guangPin2)
    if(val1>(val250)) 车违规引脚输出高电
    {
    digitalWrite(shuchuHIGH)
    }
    }
    }
    3调试现象
    图411车辆违规行驶时会安装车道中间光敏电阻时光敏电阻光强度便会减弱Arduino读取值会变根程序设计中参考值较会模拟相机发光二极闪光
    图412车辆通发光二极会亮转灭
    424 车流量检测子程序
    1流程图
    图410某方红灯亮起时时距离信号灯段距离压力传感器开始工作计数判断否计数达40决定否调延时子程序
    2子程序
    见附录P47程序中中断计数判断否进入子程序

    图49 违规检测电路流程图
    图410 车流量检测电路流程图
    模拟相开启
    时光敏电阻
    模拟车辆
    纸片挡住

    图411 车违规行驶时黄灯闪光
    模拟相关闭
    时车违规光敏电阻车通

    图412 车辆通检测电路机
    43章结
    章章节中设计模块功设计控制程序先功设计流程图流程图步骤设计程序样会降低程序设计难度设计程序思路非常清晰

    5总结
    1.结
    通交通灯国外历史背景发展现状研究智交通灯国发展历史研究结合国道路交通现状特点文设计基Arduino智交通信号灯该设计适中型十字道口
    文容出结具体:
    (1)完成基Arduino智交通信号灯总体设计规划确定系统车辆违规检测模块车流量检测模块行违规报警模块显示模块构成
    (2)根模块框图设计应硬件电路硬件芯片进行选型
    (3)根硬件电路设计相应软件程序实现数码显示计时红绿信号灯显示行违规报警车辆违规检测车流量检测功
    (4)结合SPI串口协议实现AVR芯片IO口拓展弥补IO足缺陷数码驱动更加简单
    (5)通实验测试完成AVR位机间通讯位机检测车流量实时显示出够检测出车流量实现通行时间动切换
    2 展
    文已智交通信号灯做系统研究取定成效进展技术水硬件设施等条件限制设计智交通灯没达预想中效果改进该设计做出建议:
    (1)道口交通情况确定实时控制求较高相位道口检测车流量时针某方判断进行延时切换需采优算法针情况交通状况选取合适控制方式
    (2)设计设计某道口智交通信号灯实际中片区域中会道口系统设计智交通信号灯时需道口实际情况结合起形成区域间协调控制系统

    致谢
    月毕业设计系列工作流程填写选题表审题表开题报告开始老师做认真细心设计指导写格式容出规范化指导建议感谢老师求严格次设计务时完成文中出现语句通理性错误文格式错误做出指导老师严谨工作态度文设计点敢马虎文模版根设计课题书写文老师谆谆教诲工作学潜移默化作
    时感谢组成员间互帮互助学Arduino块板相互学分工合作争取课题安排做出相应实物
    感谢电气学院位老师四年谆谆教诲专业课悉心指导做做事教诲
    感谢位评审老师文提出宝贵意见
    帮助老师学表示感谢

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    Near Future ITS[J]Intelligent Transportation Systems 200419(4)5052
    [32] Edward H Ziegler The case for megapolitan growth management in the
    twentyfirst century Regional urban planning and sustainable development in the USA[J]20091(2)3540

    附录I 原件清单











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    文档贡献者

    平***苏

    贡献于2021-06-03

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