STM32智能交通信号控制系统教程

原创已于 2024-11-21 12:24:05 修改 · 3.2k 阅读

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#stm32 #嵌入式硬件 #单片机

于 2024-07-08 14:12:38 首次发布

引言
环境准备
智能交通信号控制系统基础
代码实现：实现智能交通信号控制系统 4.1 数据采集模块 4.2 数据处理与控制算法 4.3 通信与网络系统实现 4.4 用户界面与数据可视化
应用场景：交通信号控制应用与优化
问题解决方案与优化
收尾与总结

1. 引言

智能交通信号控制系统通过STM32嵌入式系统结合各种传感器、执行器和通信模块，实现对交通信号灯的实时监测、自动控制和数据传输。本文将详细介绍如何在STM32系统中实现一个智能交通信号控制系统，包括环境准备、系统架构、代码实现、应用场景及问题解决方案和优化方法。

2. 环境准备

硬件准备

开发板：STM32F4系列或STM32H7系列开发板
调试器：ST-LINK V2或板载调试器
传感器：如车辆检测传感器、红外传感器等
执行器：如LED交通信号灯、蜂鸣器等
通信模块：如以太网模块、Wi-Fi模块等
显示屏：如OLED显示屏
按键或旋钮：用于用户输入和设置
电源：12V或24V电源适配器

软件准备

集成开发环境（IDE）：STM32CubeIDE或Keil MDK
调试工具：STM32 ST-LINK Utility或GDB
库和中间件：STM32 HAL库和FATFS库

安装步骤

下载并安装STM32CubeMX
下载并安装STM32CubeIDE
配置STM32CubeMX项目并生成STM32CubeIDE项目
安装必要的库和驱动程序

3. 智能交通信号控制系统基础

控制系统架构

智能交通信号控制系统由以下部分组成：

数据采集模块：用于采集交通流量、车辆检测等数据
数据处理与控制算法模块：对采集的数据进行处理和分析，执行控制算法
通信与网络系统：实现交通信号控制器之间和与服务器的通信
显示系统：用于显示系统状态和控制信息
用户输入系统：通过按键或旋钮进行设置和调整

功能描述

通过各种传感器采集交通流量和车辆检测等数据，并实时显示在OLED显示屏上。系统通过自适应控制算法和网络通信，实现对交通信号灯的自动化控制和数据传输。用户可以通过按键或旋钮进行设置，并通过显示屏查看当前状态。

4. 代码实现：实现智能交通信号控制系统

4.1 数据采集模块

配置车辆检测传感器

使用STM32CubeMX配置GPIO接口：

打开STM32CubeMX，选择您的STM32开发板型号。
在图形化界面中，找到需要配置的GPIO引脚，设置为输入模式。
生成代码并导入到STM32CubeIDE中。

代码实现：

#include "stm32f4xx_hal.h"

#define VEHICLE_SENSOR_PIN GPIO_PIN_0
#define VEHICLE_SENSOR_PORT GPIOA

void GPIO_Init(void) {
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    GPIO_InitStruct.Pin = VEHICLE_SENSOR_PIN;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    HAL_GPIO_Init(VEHICLE_SENSOR_PORT, &GPIO_InitStruct);
}

uint8_t Read_Vehicle_Sensor(void) {
    return HAL_GPIO_ReadPin(VEHICLE_SENSOR_PORT, VEHICLE_SENSOR_PIN);
}

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    GPIO_Init();

    uint8_t vehicle_detected;

    while (1) {
        vehicle_detected = Read_Vehicle_Sensor();
        HAL_Delay(1000);
    }
}

配置红外传感器

使用STM32CubeMX配置GPIO接口：

打开STM32CubeMX，选择您的STM32开发板型号。
在图形化界面中，找到需要配置的GPIO引脚，设置为输入模式。
生成代码并导入到STM32CubeIDE中。

代码实现：

#include "stm32f4xx_hal.h"

#define IR_SENSOR_PIN GPIO_PIN_1
#define IR_SENSOR_PORT GPIOA

void GPIO_Init(void) {
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    GPIO_InitStruct.Pin = IR_SENSOR_PIN;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    HAL_GPIO_Init(IR_SENSOR_PORT, &GPIO_InitStruct);
}

uint8_t Read_IR_Sensor(void) {
    return HAL_GPIO_ReadPin(IR_SENSOR_PORT, IR_SENSOR_PIN);
}

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    GPIO_Init();

    uint8_t ir_detected;

    while (1) {
        ir_detected = Read_IR_Sensor();
        HAL_Delay(1000);
    }
}

4.2 数据处理与控制算法

数据处理模块将传感器数据转换为可用于控制系统的数据，并进行必要的计算和分析。

交通信号控制算法

实现一个简单的交通信号控制算法，用于自适应交通信号灯控制：

typedef enum {
    RED,
    GREEN,
    YELLOW
} TrafficLightState;

TrafficLightState current_state = RED;
uint32_t red_duration = 5000;
uint32_t green_duration = 5000;
uint32_t yellow_duration = 2000;
uint32_t last_state_change = 0;

void TrafficLight_Control(uint8_t vehicle_detected) {
    uint32_t current_time = HAL_GetTick();

    switch (current_state) {
        case RED:
            if (current_time - last_state_change >= red_duration) {
                current_state = GREEN;
                last_state_change = current_time;
            }
            break;
        case GREEN:
            if (current_time - last_state_change >= green_duration) {
                current_state = YELLOW;
                last_state_change = current_time;
            }
            break;
        case YELLOW:
            if (current_time - last_state_change >= yellow_duration) {
                current_state = RED;
                last_state_change = current_time;
            }
            break;
    }

    // Adjust timings based on vehicle detection
    if (vehicle_detected && current_state == GREEN) {
        green_duration = 7000;
    } else {
        green_duration = 5000;
    }
}

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    GPIO_Init();

    uint8_t vehicle_detected;

    while (1) {
        vehicle_detected = Read_Vehicle_Sensor();
        TrafficLight_Control(vehicle_detected);
        HAL_Delay(100);
    }
}

4.3 通信与网络系统实现

配置以太网模块

使用STM32CubeMX配置以太网接口：

打开STM32CubeMX，选择您的STM32开发板型号。
在图形化界面中，找到需要配置的以太网引脚，设置为以太网模式。
生成代码并导入到STM32CubeIDE中。

代码实现：

#include "stm32f4xx_hal.h"
#include "lwip.h"
#include "ethernet.h"

void Ethernet_Init(void) {
    MX_LWIP_Init();
}

void Send_Data_To_Server(TrafficLightState state) {
    char buffer[32];
    sprintf(buffer, "Traffic Light State: %d", state);
    Ethernet_Transmit(buffer, strlen(buffer));
}

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    GPIO_Init();
    Ethernet_Init();

    uint8_t vehicle_detected;

    while (1) {
        vehicle_detected = Read_Vehicle_Sensor();
        TrafficLight_Control(vehicle_detected);
        Send_Data_To_Server(current_state);
        HAL_Delay(1000);
    }
}

配置Wi-Fi模块

使用STM32CubeMX配置UART接口：

打打开STM32CubeMX，选择您的STM32开发板型号。
在图形化界面中，找到需要配置的UART引脚，设置为UART模式。
生成代码并导入到STM32CubeIDE中。

代码实现：

#include "stm32f4xx_hal.h"
#include "usart.h"
#include "wifi_module.h"

UART_HandleTypeDef huart1;

void UART1_Init(void) {
    huart1.Instance = USART1;
    huart1.Init.BaudRate = 115200;
    huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
    huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
    huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
    huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
    huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
    huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
    HAL_UART_Init(&huart1);
}

void Send_Data_To_Server(TrafficLightState state) {
    char buffer[32];
    sprintf(buffer, "Traffic Light State: %d", state);
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)buffer, strlen(buffer), HAL_MAX_DELAY);
}

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    UART1_Init();
    GPIO_Init();

    uint8_t vehicle_detected;

    while (1) {
        vehicle_detected = Read_Vehicle_Sensor();
        TrafficLight_Control(vehicle_detected);
        Send_Data_To_Server(current_state);
        HAL_Delay(1000);
    }
}

4.4 用户界面与数据可视化

配置OLED显示屏

使用STM32CubeMX配置I2C接口：

打开STM32CubeMX，选择您的STM32开发板型号。
在图形化界面中，找到需要配置的I2C引脚，设置为I2C模式。
生成代码并导入到STM32CubeIDE中。

代码实现：

首先，初始化OLED显示屏：

#include "stm32f4xx_hal.h"
#include "i2c.h"
#include "oled.h"

void Display_Init(void) {
    OLED_Init();
}

然后实现数据展示函数，将交通信号控制数据展示在OLED屏幕上：

void Display_Data(TrafficLightState state) {
    char buffer[32];
    sprintf(buffer, "Traffic Light: %s", state == RED ? "RED" : (state == GREEN ? "GREEN" : "YELLOW"));
    OLED_ShowString(0, 0, buffer);
}

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    I2C1_Init();
    Display_Init();
    GPIO_Init();

    uint8_t vehicle_detected;

    while (1) {
        vehicle_detected = Read_Vehicle_Sensor();
        TrafficLight_Control(vehicle_detected);

        // 显示交通信号状态
        Display_Data(current_state);

        HAL_Delay(1000);
    }
}