机场交通信号灯单片机控制系统设计

摘要本文针对桂林两江机场复杂的交通环境，设计并实现基于STM32F103C8T6单片机的交通信号灯控制系统。该交通信号灯系统围绕机场交通流量潮汐式的变化和复杂的环境特性，构建了自动与手动双模式智能切换机制，自动模式下能通过单片机定时器实现红、黄、绿三色信号灯精准定时切换，误差控制在±20μs内且支持时间灵活调整；手动模式则在紧急状况时保障应急交通疏导。同时系统集成实时故障检测与声光报警功能，利用ADC模块监测信号灯电流电压，在1秒内快速响应故障，通过声光报警与LCD界面显示故障信息。最后，基于RS485通信协议实现远程监控，支持远程获取信号灯状态、修改时间参数等操作。在硬件设计方面，以STM32F103C8T6为核心搭建包含显示、按键、信号控制等功能单元的系统架构；软件采用模块化编程，各模块协同工作。经测试，系统功耗≤10W，工作温度范围达-20℃~+60℃，满足机场复杂环境的需求。关键词：STM32F103C8T6单片机；桂林两江机场；交通信号灯控制系统

AbstractThispaperdesignsandimplementsatrafficsignalcontrolsystembasedonSTM32F103C8T6microcontrollerforthecomplextrafficenvironmentofGuilinLiangjiangAirport.Thetrafficsignalsystemaroundtheairporttrafficflowtidalchangesandcomplexenvironmentalcharacteristics,theconstructionofautomaticandmanualdual-modeintelligentswitchingmechanism,automaticmodecanbeachievedthroughthemicrocontrollertimerred,yellow,greenthree-colorsignallampsaccuratetimingswitching,theerrorcontrolwithin±20μsandsupportforflexibleadjustmentofthetime;manualmodetoprotecttheemergencytrafficduringemergencies.Atthesametime,thesystemintegratesreal-timefaultdetectionandsoundandlightalarmfunction,usingADCmoduletomonitorthecurrentandvoltageofthesignallamp,respondingtofaultsquicklywithin1second,anddisplayingfaultinformationthroughsoundandlightalarmandLCDinterface.Finally,basedonRS485communicationprotocoltorealizeremotemonitoring,supportremoteaccesstothesignallampstatus,modifythetimeparametersandotheroperations.Intermsofhardwaredesign,STM32F103C8T6isusedasthecoretobuildasystemarchitecturethatincludesdisplay,key,signalcontrolandotherfunctionalunits;thesoftwareadoptsmodularizedprogramming,andthemodulesworktogether.Aftertesting,thepowerconsumptionofthesystemis≤10W,andtheoperatingtemperaturerangeis-20℃~+60℃,whichmeetstheneedsofthecomplexenvironmentoftheairport.Keywords：STM32F103C8T6microcontroller;GuilinLiangjiangAirport;trafficsignalcontrolsystem

目录TOC\o"1-3"\h\u300531引言 1127641.1研究背景及意义 127121.2国内外研究现状 1253911.1.1国外研究现状 1188081.1.2国内研究现状 2156511.3本文研究内容 2190712交通信号灯系统单片机控制的设计分析 355062.1交通信号灯系统单片机控制的设计思路 357922.2交通信号灯系统单片机控制的功能要求分析 3313592.2.1智能切换工作模式 3123282.2.2故障报警 4262532.2.3远程监控 429882.3本章小结 561683交通信号灯系统硬件设计 6167483.1硬件系统设计方案 6214623.2硬件电路设计 7171103.2.1主控单元 7201683.2.2显示单元 7320123.2.3按键输入单元 895123.2.4信号控制单元 8226723.2.5声光报警单元 8117283.2.6通信单元 9183263.3本章小结 9137974交通信号灯系统软件设计 10244494.1Keli软件简介 10201694.2各模块功能设计 1080774.2.1主程序模块 10267804.2.2LCD显示模块 11219624.2.3RS485通信模块 1115014.2.4声光报警模块 12237484.3中断服务函数 12309424.4本章小结 13326535总结 1425142致谢 1532523参考文献 16引言1研究背景及意义近几年，随着科技的发展和人类生活的日益进步，交通模式也发生了一定转变。据不完全统计，现如今机动车的保有量以及每年购车率都在逐年增长，这意味着交通堵塞问题可能加剧、通行效率更低、事故风险以及碳排放量显著增加REF_Ref14138\r\h[1]。其中，机场作为重要的交通枢纽拥有绝对的客流量和货物运输量，在全球经济发展中扮演着重要的角色。随着航空业的飞速发展，越来越多的人选择乘坐方便且速度快的飞机，交通流量也由于航班起降时间或周末、节假日等因素呈现潮汐式涨幅。以桂林两江机场为例，在高峰时段进出的航班多至百架次，由此带来的旅客、车辆流动形成复杂庞大的交通网络。在此情况下，交通系统的高效运行不仅仅关系到机场的运营效率和旅客的出行体验，还与生命财产安全直接相关。交通信号灯作为整个交通管理体系的核心所在，在两江机场交通网络中发挥着重要的作用。而相较于城市主要道路的交通信号灯，机场的交通信号灯有着更为特殊的应用场景和更完善的功能要求。其一，机场交通流量有着显著的周期性和突发性，航班起降节点或节假日时段都会导致人流量高度集中，形成流量高峰；其二，无论是机场的内部环境还是外部道路都是极为复杂的，包含大量交叉路口、主要道路等，这也对交通信号灯的功能和技术提出了更高的要求REF_Ref14726\r\h[2]。传统的常规城市道路交通信号灯已经不能满足机场动态变化的交通需求，所以设计更智能、更精确的交通信号灯以提升交通运行效率和拥堵风险具有重要意义。在交通控制领域，单片机由于其成本低、可靠性高、控制性强等优点被广泛应用，这也为解决机场的交通智能化问题提供了有效解决方案。单片机拥有实时采集数据和逻辑控制能力，使得单片机控制的交通信号灯拥有动态调整信号灯切换时间与定时控制、感应控制、紧急优先控制等控制策略，实现高峰时段通行效率最大化；单片机还具有多个接口可与多种传感器、通信设备联合使用，构建具备实时故障检测与远程调控等智能化系统；此外，单片机较低的开发和运行维护成本也适于机场进行大规模使用REF_Ref15017\r\h[3]。目前随着电力电子技术的快速进步，单片机控制系统的性能随之提高，这也为两江机场交通智能信号灯的控制系统优化提供硬件基础。1.1国内外研究现状机场的交通信号灯控制系统作为交通网络基础设施的重要组成之一，针对它的研究和创新备受关注。国内外学者针对机场的交通流量特性、控制算法优化和应用创新等展开研究，形成了系统的研究和技术体系。国外研究现状美国作为最先发展航空业的国家，在机场的交通网络管理领域处于全球领先地位。联邦航空管理局早在2015年就将交通信号灯控制划分在交通全域协同管理中。加州大学伯克利分校PankajKumar团队REF_Ref15075\r\h[4]开发了基于多源数据融合的信号灯自适应控制系统，通过单片机接口配置毫米波雷达与视频识别设备实时采集各种数据，如车辆速度、密度及排队长度，结合改进的元胞传输模型（CellTransmissionModel，CTM）模型动态优化信号灯配时，将其应用在洛杉矶国际机场使得通行效率提升，延误时间减少。加拿大温哥华国际机场在特种车辆优先控制技术上取得突破，其研发的应急车辆信号优先系统通过车载标签与信号灯控制器的实时通信，在消防车接近路口时自动触发绿灯延长或红灯缩短，响应时间小于500ms，保障车辆通行效率提升40%REF_Ref15141\r\h[5]。此外，美国亚利桑那州立大学MichaelWalton团队REF_Ref15186\r\h[6]提出了基于强化学习的信号灯控制算法，通过构建机场交通流状态空间模型，使系统在高峰时段的运行效率较传统定时控制提升18%-25%，该算法已在达拉斯—沃思堡国际机场进行试点应用。国内研究现状国内针对交通信号灯控制系统的早期研究主要以传统常规的控制理论为基础，清华大学早在2005年也针对机场的交通信号灯进行了仿真研究，主要是基于PLC技术设计三色灯定时控制系统，包括周期切换、手动控制。这对于我国早期尚不发达的中小型机场附近道路出现的交通拥堵情况提供了有效解决方法REF_Ref15229\r\h[7]。时代的快速发展推动科技进步。在交通控制领域，智能算法的出现使得模糊控制这一算法理论成为多数学者研究的方向，北京航空航天大学李建军、王宇航等学者建立了一种二维模糊控制器，主要通过实时的车流量和旅客密度制定模糊规定以实现交通信号灯配时的自适应调整REF_Ref15268\r\h[8]。在硬件基础方面，深圳机场联合华为公司联合开发了单片机集成化信号灯控制器，主要采用STC89C52为主控芯片，集成LED驱动、按键输入、LCD显示及故障检测模块，满足了温度可调、时间可调、手动/自动模式切换及声光报警等功能实现REF_Ref15314\r\h[9]。1.2本文研究内容本文提出了一个基于两江机场交通信号灯单片机控制系统的设计。该设计需满足机场复杂的交通环境并构建单片机智能化控制系统，系统首先需要满足最基础的红、黄、绿三色信号灯自动切换功能且切换时间可根据交通流量等多种复杂因素调整；支持手动控制模式，方便工作人员能够通过按键手动切换信号灯状态以应对突发状况；此外系统需具备完善的故障检测功能，当信号灯故障时能够发出声光报警；同时设计LCD显示界面，及时将交通信号灯的运行状态和故障信息呈现出来。在性能方面为更好满足两江机场复杂多变的环境，做到系统的功耗满足小于等于10W；工作温度范围在-20℃～+60℃内。

2设计方案对比2.1方案一：基于STM32单片机的交通信号灯控制系统第一种方案选择以STM32单片机作为核心控制器，它集成了多种外设接口和传感器，针对本文的交通信号灯控制系统可以实现精准的定时需求和短延时，能够对机场的动态流量特性及时调整控制策略并实时处理数据。除了满足机场这一特殊场景的应用需求，它还做到了维护成本低、开发周期短、兼备灵活性与可靠性。硬件设计方面，方案一选用STM32F103C8T6单片机作为核心控制器，同时搭配LCD显示器、按键输入、RS485通信模块实现交通信号灯基本的自动/手动控制切换、故障检测及远程监控功能。软件设计方面，使用Keil进行初始化配置，并基于HAL库或标准库编写应用程序，实现自动控制、手动控制、故障检测等逻辑。2.2方案二：基于FPGA的交通信号灯控制系统第二种方案以FPGA为核心，由于其灵活性高、并行处理能力强给复杂的机场应用场景下的交通信号灯提供了解决方案。硬件方面，方案二选用XilinxSpartan-6系列或AlteraCycloneIV系列开发板作为核心控制器，搭配地磁传感器接口电路或红外传感器接口电路对车辆数据进行采集，基于采集到的交通数据，采用先进的控制算法实现信号灯的动态配时。软件设计上，采用在FPGA开发板上集成的嵌入式处理器（如MicroBlaze或NiosII）中运行嵌入式软件，负责系统的初始化、数据通信、故障检测与报警等任务。嵌入式软件与FPGA逻辑代码协同工作，共同完成整个交通信号灯控制系统的功能。2.3方案三：基于PLC的交通信号灯控制系统第三种方案主要是结合交通信号灯的实际时序需求，设计一个可控且稳定的基于PLC的智能交通信号灯控制系统。在设计时选用西门子S71200作为控制核心，搭配启动、停止按钮，三色信号灯以及基本的电源模块和电路。通过输入模块触发控制逻辑，由输出模块控制信号灯的状态。利用博图编程环境，选择梯形圆语言实现系统的信号灯控制逻辑，包括信号灯切换逻辑、启动、停止及状态保持功能模块等，最后进行仿真调试，保证系统运行的可靠性。2.4方案选择综合考虑成本、响应速度、灵活性、可扩展性等方面，本文选择方案一（基于STM32单片机的交通信号灯控制系统）作为最终设计方案。其一，STM32单片机的芯片成本较低且开发工具操作简单，而FPGA开发板和PLC芯片的运行和维护成本是其几十倍不等，价格高昂。对于本文的两江机场的交通信号灯控制系统，采用STM32单片机可以将硬件成本压缩，性价比极高。其二，STM32单片机通过其定时器可以达到快速响应，切换误差只有±20μs，而FPGA虽可达ns秒级时序，但开发复杂度极高，实用性不强。其三，STM32单片机外设接口丰富、扩展性强，可以集成4G/WIFI模块等外设和软件模块化设计（如主程序、通信模块）；FPGA开发板虽具备很强的数据处理能力和计算能力，但硬件接口相比STM32落后，扩展需重新设计电路板和底层驱动；PLC方案中使用的西门子芯片硬件接口类型也很固定，灵活性差。故方案一凭借高性能、低成本、灵活性和实用性这些优势，成为解决两江机场这一特殊应用场景下交通信号灯控制系统的首选设计方案3交通信号灯系统单片机控制的设计分析3.1交通信号灯系统单片机控制的设计思路针对桂林两江机场这一特殊应用场景，本设计的思路是主要基于STM32F103C8T6这一微控制器，结合机场交通信号灯的实际需求，设计一个可靠、高效且具有多项基本功能的交通信号灯单片机控制系统。首先对桂林两江机场的旅客、车辆流量进行分析，获取交通流量等各种基本信息；同时结合航班起降时刻、高峰低谷时段这种潮汐式变化综合分析机场周围道路交通管理的基本规划以确定交通信号灯的控制策略，包括红、绿、黄灯的切换时间、模式、状态与逻辑关系。其次通过单片机的定时器设置，对不同颜色的信号灯预设时间进行设置，使其按照设定的时间运行；同时在状态切换时进行逻辑处理实现交通信号灯的周期循环工作。为了整个系统能够高效运行且同时具备灵活性和可靠性，在设计时还需要关注可按需调控手动/自动控制模式并在手动切换时可以使用按键改变信号灯状态；对于可能出现的故障问题能够做到实时监测后进行声光报警，出现故障后保证不能再使用自动模式与手动模式。在具体设计时，主要使用STM32F103C8T6高性能32位微控制器作为控制核心。它集成多个定时器用于精确控制信号灯时间和时间的可调性；利用通用输入输出（GeneralPurposeInputOutput，GPIO）端口连接各类传感器并利用4G通信模块进行数据交互，为两江机场交通信号灯控制系统提供了可靠的基础。该设计不仅保证了系统的精确性，还结合硬件和软件设计保证信号灯的可靠性和灵活性，最终通过仿真设计满足交通信号灯的多功能实现和高效运行。3.2交通信号灯系统单片机控制的功能要求分析在现代交通网络中，桂林两江机场作为重要的交通枢纽，其高效运行和对旅客及货物的安全保障是至关重要的。随着航空业的发展，交通流量和类型都变得越来越复杂，这也对交通信号灯的智能化、灵活化、可靠性和便捷管理提出了更高的要求。本交通信号灯系统主要针对智能切换工作模式（自动模式、手动模式）、故障报警、远程监控等核心设计功能进行介绍，以满足多目标多优化的交通管理。3.2.1智能切换工作模式机场附近的交通流量会随着航班和时间的变化而呈现出明显的差异，在航班起降时车流量急剧增加，同时在白天与夜晚或者周末节假日时段车流量也会存在明显变化。因此，对交通信号灯智能控制系统的设计应该能够对机场交通流量进行实时检测并能够合理切换工作模式。（1）自动模式系统采用STM32F103C8T6微控制器作为控制核心，依靠内部的通用定时器TIMx作为时间控制的核心，通过配置定时器的分频器等配件，精准实现对红、绿、黄信号灯的时间设置与自动切换。先将切换时间预设为红灯30s、绿灯25s、黄灯5s（标准时长），但需注意再此基础上用户可根据LCD显示页面及按键电路实现对交通信号灯切换时间的灵活调整。同时为了实现计时的精确性，定时器以单片机内部的高速时钟作为计时基准，这样可以将误差控制在0μs-20μs内，实现计时精确且误差小。在软件设计中，从定时器控制、状态定义及状态切换逻辑和时间调整方面入手，还要注意采用LCD将内容更新显示。定义信号灯的不同状态（红灯、绿灯、黄灯）和切换条件，通过中断服务函数中递减倒计时的数值自动触发状态切换。在此模式下，还要关注能够使用不同按键修改信号灯的倒计时时间，确保状态转换逻辑严密，避免交通信号灯转换冲突或同时亮起，保障两江机场车辆与旅客通行便利。（2）手动模式手动模式的存在是由于在某些突发状况下机场交通会进行紧急应急管理，在这种情况下手动控制模式能够及时干预出现的意外。应注意，手动模式的优先级应高于自动模式，确保紧急模式下能够快速响应。系统仍采用STM32F103C8T6微控制器作为控制核心，独立的切换按键电路通过GPIO接口接入STM32，在需要切换模式时通过中断触发实现低响应触发。配置GPIO为输入模式，启用上拉或下摁电阻实现模式切换和三色信号灯状态改变。当使用按键时，GPIO引脚电平发生改变，触发中断服务函数进一步执行手动控制指令，即中断自动控制模式，对交通信号灯的模式进行快速智能化切换。手动模式的切换和实现为机场交通网络的管理带来极大便利，对于突发情况能够及时调整信号灯状态以提高机场的应急能力，如当急救车辆通过时，遇红灯可以通过手动控制的方式让所在方向的绿灯亮起，而其他方向则亮起红灯。在急救车辆通过后则可以再次按按键恢复到原本的运行状态。3.2.2故障报警交通控制网络的核心设备就是交通信号灯，受天气、工作环境和多种其他因素影响，交通信号灯运行有时也会出现异常，这就会给两江机场附近带来交通拥堵，秩序混乱等问题，甚至有引发交通事故的风险REF_Ref6130\r\h[10]。交通信号灯的故障报警功能涉及多种算法和技术实现。在硬件方面，通过STM32F103C8T6微控制器的多通道模拟数字转换器（AnalogtoDigitalConverter，ADC）模块实时采集驱动回路的电压信号和电流信号。当检测到信号灯故障时电流和电压产生不正常波动，如短路时电流急剧增加、断路时电压骤降时，ADC转换结果及时反馈触发中断，在中断服务函数中进行故障判断与处理。与此同时故障检测时间要小于等于1秒，使得ADC模块能够快速捕捉故障信号。确认故障后，STM32F103C8T6的GPIO引脚通过NPN三极管控制有源蜂鸣器和红色LED进行声光报警，完成故障检测并声光报警整个流程。同时，将故障信息通过通信模块传输至LCD显示界面进行详细显示，便于维修人员高效开展维修工作，减少故障对机场交通的不利影响。3.2.3远程监控在两江机场这一特殊应用场景下，远程监控功能主要通过RS485通信协议，打破时空限制，实现对交通信号灯系统的高效管理。远程监控的本质是通过硬件通信模块和RS485软件协议实现，将交通信号灯的状态信息上传到控制端，同时接受远程下达的指令。在STM32F103C8T6微控制器集成RS485通信模块，通过通用同步异步收发器（UniversalSynchronous/AsynchronousReceiver/Transmitter，USART）收发数据和信号并利用中断服务函数对接收到的数据进行解析，提取功能码等信息，根据功能码判断指令；若为交通信号灯状态指令可将当前信号灯的工作状态、模式与切换时间通过USART外设反馈回监控中心，达到远程控制的功能REF_Ref13643\r\h[11]。通过这种基于RS485通信协议的远程监控功能使得两江机场交通信号灯控制系统能够与远程监控中心实现实时数据交互，提升了机场交通网络系统的智能化与准确性。3.3本章小结本章针对桂林两江机场的交通管理需求，从硬件方面设计了以STM32F103C8T6微控制器为核心的交通信号灯控制系统。该系统充分考虑了机场交通流量的动态特性，如航班起降带来的高峰车流、昼夜及节假日流量变化等，通过自动与手动双模式协同工作，结合故障检测和远程监控功能，实现了对交通信号的精准调度和应急管理，从而提升机场周边道路的通行效率与安全性。STM32F103C8T6微控制器通过其定时器精确控制信号灯时序，预设其红灯为30秒、绿灯为25秒、黄灯为5秒同时可以通过按键调整时间。在智能模式切换下，支持自动模式时定时器中断确保切换误差小于等于20μs；手动模式通过GPIO中断优先响应紧急需求。故障检测则由ADC实时监测电路状态，异常响应需要在1秒内触发声光报警并在LCD界面显示故障。RS485通信支持远程监控通过USART与中心交互数据，实现智能化和集中管理。该设计不仅满足了桂林两江机场对交通信号控制系统的高精度、可靠性和灵活性的要求，还实现了故障快速响应和远程监控功能，为机场交通的高效运行提供了可靠的技术支持。

4交通信号灯系统硬件设计4.1硬件系统设计方案在目前国内交通信号灯智能控制系统领域，主要广泛采用数字信号处理控制器（DigitalSignalProcessing，DSP）、可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）、现场可编程逻辑门阵列控制器（FieldProgrammableGateArray，FPGA）以及单片机REF_Ref16206\r\h[12-REF_Ref16210\r\h13]。而单片机由于其成本低、设计尺寸小以及低能耗等优势，成为交通信号灯控制系统中的理想选择。它具备灵活的编程接口，支持C语言和汇编语言的混合开发，可以有效减少开发时间简化流程。在硬件层面，单片机通过GPIO、USART等接口，能够快速连接多种传感器和外部设备。此外单片机还可以在-40℃至85℃的温度范围内稳定工作。综合以上种种，使用单片机进行交通信号灯控制系统硬件设计都是合理且高效的。本两江机场交通信号灯单片机控制系统采用STM32F103C8T6微控制器作为主要处理器，硬件电路包括主控单元、显示单元、按键输入单元、交通信号灯控制单元、声光报警单元和通信单元。主控单元以STM32F103C8T6芯片为核心，负责整体系统的控制与协调以更好实现系统功能；显示单元由LCD显示电路构成其像素为128×64，可以根据主控单元的信号实时刷新交通信号灯状态和故障信息；按键输入单元主要为按键电路，可以通过用户指令实现智能模式切换、时间设置、时间调整、信号灯状态切换和模拟故障检测；信号灯控制单元由LED灯电路包括红、绿、黄三色信号灯组成，通过主控板与按键输入单元的指令驱动信号灯实现自动切换和时间调整，也可以通过按键手动切换；系统还具备故障检测后声光报警的功能，依靠NPN三极管控制有源蜂鸣器、红色LED灯和驱动电路实现，同时要求响应时间小于等于1s；最后的通信单元可以模拟485数据接收与发送，支持RS485通信协议实现数据的接收与发送，满足远程监控等通信需求。图2-1为交通信号灯控制系统硬件组成框图。图3-SEQ图2-\*ARABIC1系统硬件组成框图4.2硬件电路设计4.2.1主控单元微控制器本系统采用STM32F103C8T6微控制器作为主控单元的核心，它是意法半导体（STMicroelectronics）推出的一款基于ARMCortex-M3内核的32位微控制器，最高主频可达72MHz，单指令周期效率为1.25DMIPS/MHz，这使得其具备高效的计算能力与实时处理数据的功能，能快速响应外部输入信号（如按键操作、传感器数据等）及时输出控制指令。此外该控制器还可对算法进行高效运算，如在交通信号灯控制中精准计算信号灯切换时间、快速处理故障检测逻辑，确保两江机场交通信号灯系统的稳定运行。外设接口与功能此处理器还拥有多种外设接口和丰富的功能REF_Ref20461\r\h[14]，它拥有37个可编程I/O引脚分为PA、PB、PC端口，这些端口支持多种复用功能，可以灵活配置输入或输出模式。通过端口连接不同电路实现多种功能，可以连接按键电路实现手动模式和自动模式的智能化切换；连接控制交通信号灯LED驱动电路切换三色信号灯的状态；连接显示电路将运行和故障信息实施呈现。大部分端口兼容5V信号，每个I/O端口可输入或输出8mA电流且其他GPIO均有大电流通过能力，这给驱动电路足够动力的同时大大提升了系统的稳定性和可靠性。作为具有时间可调功能的交通信号灯，定时器至关重要。主控单元具有高级控制定时器、通用定时器和看门狗定时器，这些定时器主要用于控制信号灯切换时间、测量信号周期、监测系统运行状态。对于STM32F103C8T6配备的通信接口，如USART外设接口可用于连接调试设备进行程序调试或与其他具备串口通信功能的模块（如传感器）进行数据交互，在交通系统中可传输信号灯状态信息至终端；SPI外设接口可以高速传输数据信息用于连接OLED、LCD显示屏等外设，实现显示数据的快速更新或外部存储扩展。对于故障检测（电流、电压波动异常检测）该系统依靠模数转换器，ADC由2个12位模数转换器，共16个通道，采样速率为1μs，电压转换范围为0—3.6V支持双采样和保持能力，还配置温度传感器。可用于采集模拟电流、电压信号，通过ADC转换为数字信号供主控单元处理，实现故障检测。图4-1主控单元电路图4.2.2显示单元该系统使用的显示单元为LCD显示电路，它是两江机场交通信号灯控制系统中重要的交互显示部分，可将系统的数据信息直观的呈现出来。该LCD显示单元采用128×64像素的分辨率，能够满足系统基本信息显示需求。通过特定的接口（SPI）与主控单元STM32F103C8T6相连接，实时接收主控发送的数据进行显示。LCD依靠背光源照亮液晶层，通过控制液晶分子的偏转来调节光线的透过率，从而实现图像和文字的显示REF_Ref21010\r\h[15]。在运行过程中，LCD显示单元可实时展示三色信号灯的状态和倒计时切换时间，当信号灯出现故障时LCD也能及时显示故障信息，如绿灯故障、红灯故障并配合声光报警单元提示工作人员进行处理，此外它还能显示系统的工作模式（自动模式或手动模式），便于用户了解系统当前运行状态。图4-2显示单元电路图4.2.3按键输入单元该系统的按键输入单元主要为按键电路，它作用于交通信号灯控制系统，通过用户的指令来实现各种功能。在按键电路部分，系统采用主控单元外设借口连接多按键输入设计，有P8-P15共8个引脚连接点对应着不同的功能控制，可用于智能模式切换分别为自动模式和手动模式，正常工作时系统工作于自动模式，如需调整可将系统切换为手动模式，在手动模式下进行时间的加减设置，例如红灯预设时间为30秒，如有特殊情况也可将红灯时间增长或减短。按键还可进行三色信号灯的切换，需注意在自动模式下红黄绿三种颜色按预设轮流切换，只有在需调整时且为手动模式情况下才可以进行三色信号灯的改变。此外按键还可以模拟故障检测触发声光报警，故障会在显示单元体现，同时在故障检测时其余7个按键不可操作。按键输入单元操作简单、浅显易懂且与主控单元联系紧密，为交通信号灯控制系统实现多样化功能提供了有效硬件基础。图4-3按键输入单元电路图4.2.4信号控制单元信号灯控制单元是由LED指示灯和限流电阻构成的电路设计，主要用于模拟两江机场交通信号灯的基本功能。该电路由红色、黄色和绿色的LED灯组成，分别代表停止通行、减慢速度和允许通行，每个LED都串联了100欧姆的限流电阻以防止故障产生时过电流导致设备损坏。信号控制单元通过端口PB0-PB2与主控单元STM32F103C8T6连接起到控制红、黄、绿灯的作用。该系统工作时，主控制器STM32F103C8T6按照预设的交通信号时序逻辑通过控制端口向LED灯发送开关信号，该系统设置的交通信号灯循环是绿灯亮25s后转为黄灯短暂警示5s，最后变为红灯亮30s如此循环往复。设计中，限流电阻的作用主要是确保LED灯在安全环境下工作，延长信号灯使用寿命。同时该信号灯控制单元结构简单可靠、成本低廉、维护方便，能够清晰直观地传达交通指令。通过调整主控制器的程序和按键电路可以灵活改变各信号灯的亮灭时长和切换模式，以适应机场交通流量的需求。同时电路设计中采用的LED指示灯具有能耗低、寿命长、响应速度快等特点，适合交通信号灯控制这类需要长期稳定运行的场合。图4-4信号控制单元电路图4.2.5声光报警单元声光报警单元是一个重要的辅助功能，它通过光线和声音的双重警示，提升了整个交通信号系统的安全性和应急响应能力。作为系统的关键组成部分，这一单元在信号灯出现故障或其他紧急情况下能够快速发出警示信号，有效提醒过往行人车辆和维护人员注意安全。该声光报警单元采用了声光同步报警设计。由NPN三极管控制有源蜂鸣器和LED指示灯组成REF_Ref21804\r\h[16]。蜂鸣器负责声音警报，能够穿透环境噪声引起注意；红色LED灯则提供醒目的视觉警示，即使在白天也能清晰可见。这种设计理念充分考虑了机场这一特殊应用场景产生的各种情况，确保在故障情况下能够有效的传递警报信息。LED灯由主控单元直接驱动，同时设置了100欧姆限流电阻起保护作用，既防止了LED灯因故障产生的过电流而损坏，又确保了工作电流的稳定性，延长了元件的使用寿命。而蜂鸣器则采用了三极管驱动电路，通过NPN型三极管进行电流放大，使得蜂鸣器能够获得足够的驱动力而产生警报。声光报警单元不仅提高了交通信号灯的可靠性，也为工作人员提供了直观的故障指示，大大缩短了故障诊断和维修时间，为机场交通安全管理做出了巨大贡献。图4-5声光报警单元电路图4.2.6通信单元通信单元采用RS485通信协议设计，实现交通信号控制系统的数据传输，包含独立的接收PA9和发送PA10两个通道，每个通道均配置RXD接收、TXD发送、RTS请求发送、CTS清除发送标准串口。这种双通道设计支持全双工通信，确保数据收发互不干扰。它实现了交通信号灯系统的联网控制，使交通管理人员可以在控制中心实时监控和调整整个机场的信号灯状态，提高了交通管理效率。其次通过收集两江机场的交通信息和车流数据，为智能交通系统的数据分析提供了基础数据支持。当信号系统出现故障时，能够第一时间将报警信息上传至控制中心，缩短了故障响应时间。最重要的是这种基于RS485的通信方案具有成本低、可靠性高、技术成熟等优点，非常适合在机场交通信号灯控制系统中大规模推广应用。图4-6通信单元电路图4.3本章小结本系统采用STM32F103C8T6微控制器作为核心，构建了一套完整的交通信号灯智能控制系统，包含主控单元、显示单元、按键输入单元、信号灯控制单元、声光报警单元和通信单元。主控单元基于ARMCortex-M3内核，具备高效计算能力，支持多种外设接口（GPIO、USART、SPI、ADC等）可灵活控制交通信号灯智能切换、故障检测及通信交互。显示单元采用128×64像素的LCD显示屏，实时呈现信号灯状态及故障信息。按键输入单元支持手动/自动模式切换、时间调整及故障模拟。信号灯控制单元由红、黄、绿LED灯组成，通过主控单元的精准时序控制，并配备限流电阻以保障稳定性。声光报警单元通过蜂鸣器和红色LED灯实现故障快速警示，响应时间小于等于1s。通信单元采用RS485通信协议，支持远程监控和数据传输，提升管理效率。该系统具有低成本、高可靠性、强扩展性等特点，适用于机场等复杂交通场景，为智能交通管理提供了有效解决方案。5交通信号灯系统软件设计交通信号灯控制系统随着嵌入式系统技术的快速发展也在不断升级。上一章主要介绍了系统采用的STM32F103C8T6核心控制器和不同单元在硬件电路里承担的角色，此外STM32具有强大的处理能力、丰富的外设资源和较低的功耗能够更好地满足现代智能交通系统的需求。本章主要介绍该信号灯系统的软件部分设计，主要包括使用的软件开发环境介绍、各模块初始化设置及其功能等等。5.1Keli软件简介在软件设计方面，本系统选用KeilMDK编译器作为主要开发工具。KeilMDK是针对ARMCortex-M系列处理器（包括STM32）的集成开发环境，它集成了C编译器、宏汇编器、链接器、库管理工具和功能强大的调试器。通过μVisionIDE，使用者可以高效地完成代码编辑、编译、链接、调试等全部开发流程。KeilMDK支持标准的C语言特性，并针对STM32系列单片机进行了优化，提供了丰富的外设驱动库和中间件，大大提高了开发效率。交通信号灯控制系统的软件设计需要实现多项关键功能。首先是系统参数的设置与显示功能，允许用户根据实际需求配置运行参数。其次是数据通信功能，主控模块需要与各子模块进行数据交互，接收来自车辆检测系统的实时车流信息，确保系统协调工作。系统还具备故障诊断和保护功能，能够及时检测并处理硬件损坏等异常情况，保障交通信号灯的正常显示。在控制方式方面，系统实现了智能模式的灵活切换，包括手动控制、自动控制以适应不同场景的需求。信号灯配时方案是系统的重要功能模块，针对机场附近不同路口的交通状况和交通流量变化及时调整信号周期。同时系统预设基础配时方案，用户可根据机场的实际情况进行调整和优化。整个软件系统采用模块化设计，各功能模块之间通过清晰的接口进行通信，便于维护和功能扩展。5.2各模块功能设计5.2.1主程序模块主程序在系统启动后首先需要进行初始化流程，包括时钟配置、定时器设置、外设设置、LCD屏幕初始化。在时钟配置方面，STM32F103C8T6通过配置复位和时钟控制寄存器（ResetandClockControl，RCC）同时选择高速外部时钟（HSE）作为系统时钟源将系统时钟频率设置为72MHz，为各功能模块提供精准且高效的时钟信号，确保定时器计时、延时、数据处理等操作的准确性。定时器初始化时根据交通信号灯自动切换的需求，对通用定时器TIMx进行配置，设定预分频器和自动重装载寄存器的值以进行定时中断，驱动信号灯按预设时间（红灯30s、绿灯25s、黄灯5s）切换。GPIO引脚初始化时，先依据系统硬件电路连接将信号灯、按键、LCD显示屏、声光报警等设备的GPIO引脚，分别配置为浮空输入、推挽输出等模式，并在信号灯模块和声光报警模块中设置合适的电阻，提升信号的稳定性。USART初始化主要针对RS485通信功能，首先设置波特率为9600bps、字长为8位数据格式、停止位1位且无校验位，同时使能USART1接收中断，确保能实时接收远程监控中心的指令。ADC初始化则需配置ADC通道，使其与连接信号灯电流、电压传感器的引脚对应以实现对交通信号灯工作状态的采集并在故障状态下及时回馈故障信息。完成初始化后，程序进入主循环。在循环过程中通过全局变量实时查询系统工作模式标志位，若为自动模式则调用定时器模块相关函数，按照预设时间逻辑控制信号灯自动切换；若为手动模式，主程序等待按键模块反馈使用者的按键操作信息并根据指令执行信号灯状态手动切换或时间设置。同时主程序还要不断监测按键状态，一旦检测到按键按下模拟故障处理，立即触发声光报警模块，确保故障处理的及时性。通过主程序对各个模块的协调与优化，各功能模块紧密配合、合理有序且规避了风险，保障了机场交通信号灯控制系统在复杂多变的环境下能够稳定、可靠地运行。5.2.2LCD显示模块本系统所使用的LCD显示模块采用128×64像素的液晶显示屏，基于SPI和RS485通信协议来实现数据与操作的远程交互。在本章的软件设计中，LCD主要完成初始化操作、指令和数据收发REF_Ref23998\r\h[17]。在LCD初始化阶段首先要进行各种配置，主控模块会给LCD控制器发送一系列配置指令，包括显示配置、对比度调节、显示开关控制等等。初始化完成后进入数据接收与显示循环。当主控单元的定时器完成交通信号灯的状态切换会将最新的信号灯状态数据实时更新发送至LCD显示模块，LCD收到数据后及时将信号灯状态及时间反馈至显示屏上，便于车辆和旅客精准掌握时间。此外，故障检测在检测到交通信号灯出现异常时不仅会立刻触发声光报警单元，还会迅速将故障信息传递给LCD显示模块，接受信息后显示模块迅速响应并将信号灯故障以醒目字体显示在显示屏。voidOLED_ShowImage(int16_tX,int16_tY,uint8_tWidth,uint8_tHeight,constuint8_t*Image){uint8_ti=0,j=0;int16_tPage,Shift;/*将图像区域清屏*/OLED_ClearArea(X,Y,Width,Height);/*遍历指定图像占用的所有页*/for(j=0;j<(Height-1)/8+1;j++){/*遍历指定图像占用的所有列*/for(i=0;i<Width;i++){if(X+i>=0&&X+i<=127) 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/*显示图像在下一页的内容*/OLED_DisplayBuf[Page+j+1][X+i]|=Image[j*Width+i]>>(8-Shift);}}}}}5.2.3RS485通信模块RS485通信模块主要应用于该系统的远程监控功能的串行通信接口模块。基于RS485标准设计具有传输距离远、抗干扰能力强、支持多点通信等特点。RS485模块主要作用时将主控模块即微控制器和其他数字设备的信号转换为符合RS485标准的差分信号，实现远距离可靠通信。在两江机场交通信号灯这一应用场景中，RS485通信模块主要负责交通控制中心与交通信号灯之间的数据交互。交通信号控制系统通常采用主从架构，控制中心作为主节点通过RS485总线向各个路口的从节点（信号灯控制器）发送指令如切换红灯、绿灯或黄灯，调整信号配时方案或进入特殊控制模式。同时各路口交通信号灯通过RS485网络实时上传自身状态信息，包括当前信号灯状态、倒计时数据、故障报警（如LED灯损坏、电压异常）等，使控制中心能够全面监控整个路网的运行情况。在软件设计方面，RS485通信模块的协议设计需具备实时性和可靠性。交通信号灯系统通常采用自定义的轻量级协议，例如基于ModbusRTU的变种协议，通过CRC校验保证数据完整性。通信帧结构一般包含地址码、功能码（如读状态或写指令）、数据域（如信号灯颜色代码、持续时间）和校验码。为提高响应速度，软件需优化轮询机制，确保关键指令（如紧急车辆优先信号）能够被快速响应。同时，模块的固件通常具备故障自恢复功能，例如自动重发机制和总线冲突检测，避免因瞬时干扰导致系统瘫痪。5.2.4声光报警模块在机场交通信号灯控制系统中，声光报警模块是故障快速响应的反映，也是整个系统中的关键环节。该模块的软件设计主要包括初始化、故障触发逻辑和声光报警策略。声光报警模块的初始化已经涵盖在主程序初始化内容中，如将蜂鸣报警器和红色LED灯的GPIO引脚设置为推挽输出模式，确保能够输出足够的驱动力使蜂鸣器发声、LED灯闪烁。同时为避免电磁干扰影响，对GPIO引脚进行滤波设置，提高信号稳定性。声光报警模块与故障检测模块配合，利用ADC外设实时采集信号灯工作电流与电压，当检测到电流骤增、电压降低时判定此交通信号灯出现短路、断路等故障时，会立即设置一个全局故障标志位并将故障信息传递给主程序。主程序在循环监测中检测到该标志位被置位后，调用声光报警模块的启动函数，触发声光报警。声光报警启动后，软件通过控制GIPO引脚的电平变化实现报警效果。通过定时器产生周期性中断，在中断服务函数中切换GIPO引脚电平，实现LED灯的闪烁效果。在过程中，软件会持续实时监测信号灯状态，若信号灯恢复正常故障检测模块会清除故障标志位，主程序检测到后调用声光报警模块的关闭函数，停止声光报警。声光报警模块为机场交通管理和设备维修提供及时有效的警示，保障机场周边交通秩序和安全。5.3中断服务函数在交通信号灯系统的RS485通信模块和声光报警模块中，中断服务函数（InterruptServiceRoutine，ISR）的运行机制及优先级设置直接影响系统的实时性和稳定性。RS485通信模块的中断主要用于串口数据的收发，而声光报警模块的中断则用于紧急事件的快速响应，两者的优先级需根据实际需求合理分配，以确保关键任务不被延误。RS485通信模块的中断服务函数主要处理串口接收（USART)和发送（USART）事件。当数据从交通控制中心或另一台设备传输过来时，硬件串口触发接收中断，ISR立即将数据存入缓冲区，以避免因主程序处理延迟导致数据丢失REF_Ref26206\r\h[18]。同时若系统需要主动发送数据，发送中断会在数据移出寄存器后触发，确保下一字节及时填充，维持通信流畅。由于RS485通常采用半双工通信，ISR还需配合方向控制引脚（DE/RE）的切换，防止总线冲突。声光报警模块的中断服务函数通常与硬件异常检测或外部紧急触发信号关联，如看门狗定时器溢出、电压监测电路异常或手动紧急按钮按下。一旦触发ISR会立即启动蜂鸣器、LED灯等警示装置，确保现场人员迅速察觉。由于报警涉及人身安全和设备保护，其ISR通常设置为最高优先级，确保即使系统正在处理通信或其他任务，也能立即响应紧急事件。在优先级设置上，声光报警中断通常高于RS485通信中断。例如在ARMCortex-M架构中，报警模块配置为不可屏蔽中断（NMI）或最高优先级组，而RS485串口中断设为中等优先级。这样，当报警触发时，处理器会暂停当前执行的通信ISR，优先处理报警任务，待警报解除后再恢复通信。若系统还需处理其他中断（如信号灯定时切换），则需进一步分层，避免优先级反转导致关键任务阻塞。RS485通信模块和声光报警模块的中断服务函数通过硬件触发和优先级仲裁协同工作。通信ISR保障数据实时收发，而报警ISR确保紧急事件瞬时响应，两者的优先级策略使系统在复杂环境中兼顾效率与安全。图七：中断服务函数流程图5.4本章小结交