基于Arduino智能交通信号灯设计.docx

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1、基于Arduino智能交通信号灯设计摘 要 智能交通灯限制系统对交通限制系统的完善有着重要作用，为了更好地限制交通系统，缓解交通压力，本论文基于Arduino设计智能交通信号灯,依据道口检测的交通车流量，实现红绿灯自动切换的功能。基于Arduino的交通信号灯是以型号为ATmega328的AVR单片机作为限制器的主限制芯片。系统可实现以下五种功能： （1）、可以实现数码管倒计时的限制； （2）、能实现信号灯显示的基本功能； （3）、检测车流量调整通行时间，这是通过压力传感器对车流量进行计数，达到肯定数值后采纳中断延时的程序； （4）、利用红外线传感器与蜂鸣器结合，组成报警电路，对于闯红灯的行人

2、发出平安警报； （5）、利用光敏电阻的特性设计路口违规车辆检测电路，该设计可以更精确的对十字路口的交通进行检测，使交通更加通畅，并对违规行为进行监控。根据本论文设计的功能做出相应的系统试验，设计出了对应的程序代码。在对设计的智能交通灯做测试后，能实现各个方向绿灯25s，黄灯5s，红灯30s的基本计数功能，还实现了报警电路以及违规监测的功能。对于车流量检测的功能还并不能根据设计的那样去实现，这是所做试验的一个缺陷。关键字：智能 交通灯 Arduino 传感器 Abstract 智能交通灯限制系统对交通限制系统的完善有着重要作用。在现代化城市当中，经济发展越好的城市，交通拥堵问题就会越严峻，并且，

3、城市当中的机动车辆许多，那么该城市的污染物排放量也会随之增多。设计智能交通灯对缓解城市交通拥堵带来的压力有着不行或缺的地位，同时，也能减小因污染物排放对大气造成的破坏。Intelligent traffic control system play an important role in the traffic control system. 为了更好地限制交通系统，缓解交通压力，提高人们的生活效率；同时也为了弥补传统交通灯显示时间固定的缺陷。本论文设计了基于Arduino的智能交通灯。In order to better control the transportation system,

4、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. 基于Arduino的交通信号系统包括以ATmega328单片机作为限制器的主限制芯片，限制四个方向的信号灯显示、数码管倒计时、车流量检测、违规检测、平安警报。系统除了实现了基本的交通信号外，可以实现

5、流量检测并调整通行时间，这是通过压力传感器对车流量进行计数，达到肯定数值后采纳中断延时的程序；利用红外线传感器与蜂鸣器结合，组成报警电路，对于闯红灯的行人发出平安警报。利用光敏电阻的特性设计路口违规车辆检测电路，该设计可以更精确的对十字路口的交通进行检测，使交通更加通畅，并对违规行为进行监控。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 a

6、nd 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 tra

7、ffic, 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 resi

8、stance 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. 根据本论文设计的功能做出相应的实物，设计出了对应了程序代码。在对设计的智能交通灯做测试后，能实现各个方向绿灯25s，黄灯5s，红灯30s的基本计数功能，还实现了报警电路以及违规监测的功能。对于车流量检

9、测的功能还并不能根据设计的那样去实现，这是所做实物的一个缺陷。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 ac

10、hieve 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：智能 交通灯 Arduino 传感器 Keywords: Intelligent Traffic light Arduino Sensor 目 录 摘 要 I Abstract II 1 绪论 1 1.1探讨背景 1 1

11、.2探讨意义 2 1.3设计内容 3 2 总体设计方案 5 2.1智能交通信号灯的功能 5 2.2系统模块框图 6 2.3限制器选择 6 2.3.1 AVR芯片 7 2.3.2 DSP芯片 7 2.3.3 ARM芯片 8 2.3.4 确定所运用的芯片 8 2.4 本章小结 9 3 硬件设计 10 3.1硬件设计结构 10 3.2原理图 10 3.2.1 芯片选择 10 3.2.2 Arduino的基本介绍 12 3.2.3数码管显示模块 17 3.2.4信号灯显示模块 21 3.2.5车流量检测模块 23 3.2.6报警电路 24 3.2.7违规检测模块 26 3.3ATmega328结构图

12、28 3.4智能交通信号灯工作原理 29 3.5本章小结 29 4 软件设计 31 4.1功能设计 31 4.2程序设计 32 4.2.1交通灯时间显示子程序 32 4.2.2 报警电路子程序 36 4.2.3违规检测子程序 39 4.2.4 车流量检测子程序 40 4.3本章小结 43 5总结 44 致谢 45 参考文献 46 附录I 48 附录II 48 1 绪论 1.1探讨背景 智能交通在现代化交通运输中的作用不行或缺，我国发展智能化的交通限制系统已经有好些年了，智能交通就是在每个地方针对各个路段的状况设置不同的交通管理系统以及公共交通系统等，将各路口的行车信息通过车载导航仪、收音机等设

13、备传达给即将行驶至某处的驾驶员，并给出建议提示等，为了能够使这些信息能够刚好的传达，智能交通系统须要卫星通讯、微波通讯将信息接收并发送出去1，这是现代智能交通发展当中的一个潮流，它的发展还不完善，值得接着为之开发设计；同时，在每一个路口会进行实时摄像，并进行实时监控；智能交通系统中还包含了雷达测速、各类传感器的装置；在过收费站入口处设置了电子收费设备，结束了停车收费的老方法，同样，这些技术还并没有在我国的各地所运用。我国的ITS技术还没有全部运用于各个路口的交通限制当中，但器规模已经很相当，引进国外的ITS技术，再结合我国交通的困难性制定混合限制方案协调交通运输系统。现在交通路口的管理监控不须

14、要像以前那样要交警在路口指挥交通，而是采纳高端的监控设备进行24小时不停地抓拍，对采集的图像做信息提取，分析是否有违规车辆，当然这些设备的质量肯定是能够应付各种恶劣的天气改变的以及对各种可能的干扰进行屏蔽。同时，还采纳测速装置，对超速行车进行抓拍，抓拍到的图像能够显示出一切数据，详细的时间、地点，尤其是车牌号的记录，所以这些违规行为都是无法逃过路口的监控设备的。交通工具数量的快速增长，在给人们带来便捷生活的同时，也给道路带来了严峻的压力，道路建设无法赶上交通工具数量的改变，那么必定造成交通拥堵的现象。智能交通信号灯作为智能交通限制系统的一部分对交通限制有至关重要的作用，我们传统运用的交通灯是各

15、方向的时间改变都是固定的，那么就可能出现一个方向车流量很大，另一方向车流量比较小的现象，这就对车流量大的一方造成压力，更可能发生交通拥堵。这样的限制方法就显得特别的不好用，并且交通会造成汽车的比正常行驶时消耗更多的汽油，而且这些汽油不能完全燃烧，那么就会造成大气污染和资源的奢侈。智能交通灯的设计就是为了解决这些不合理的设计带来的问题。现在，各地政府对交通限制系统日益重视，采纳引进与开发相结合的方针。这在肯定程度上缓解了交通压力，但我国多相位的交通岔口的状况，这些系统不肯定适用。所以现在最须要解决的问题就是设计切实可行、好用、实时的智能化交通限制系统。解决交通问题的方法一个是增加交通设施的建设，

16、但是在交通设施建设发展期间，交通问题依旧存在，又须要另外的方法来缓解交通压力，那么我们只有在交通信号限制系统上下功夫，我们须要实行智能化的交通限制系统来限制，智能交通系统简称为ITS（Intelligent Transportation Systems），对车流量进行检测，对于车流高峰期实行延时设置，从而实时精确高效地限制交通系统。 本论文用Arduino来设计智能交通限制系统，是基于其开放性，可以集思广益在设计过程中获得好的设计理念以及方法，本论文设计一个对于车流量检测进而对其通行时间实时变更的限制系统，这对与缓解交通拥堵，减轻车流量负担很有帮助。 1.2探讨意义 由于交通量的快速增长，道路

17、建设的发展跟不上改变，交通管理系统不完善，扩建道路没有起到明显的效果。而城市当中十字岔路、多叉路的状况也确定了道路交通必定发生交通拥堵的状况。所以，为了使城市交通设施得到最大程度的运用，对交通拥堵带来的压力起到最大的缓解作用，已经成为各部门最须要解决的问题。这种状况下，交通信号灯发挥着重要作用。交通灯的设计目的是尽可能的增大绿信比（即延长绿灯的时间），但是又须要考虑到另一方向的通行时间避开另一方向造成交通拥堵。因此，智能化交通系统对社会发展以及人们的生活具有不行代替的作用。该设计的最终目的就是为了减缓交通流量带来的压力，当然也是为了针对不同路段的交通问题设计不同功能的交通灯，采纳详细问题详细分

18、析的方法，不同问题实行不同解决方法。智能交通灯的设计目的也是为了削减交通事故的发生，我国每年因为交通事故造成的交通拥堵的事务不在少数，这就给人们以及社会造成生命财产的损失，这是多么不应当发生的。假如拥有智能化的交通系统，合理安排通行时间，对于违规车辆进行监控，并对其进行积分惩罚、罚款等一系列强制性措施，从根本上对人们的出行起到警示作用。当然，平安出行还须要每一位公民提高自我爱护和遵守交通规则的意识，只有这样，交通灯的作用才能发挥。智能交通灯的设计从浅显意义上来说，的确是为了减轻车流量带来的压力，可是假如我们往深处想一想，交通通畅可以使人们在交通上所花费的时间缩短，提高生活的效率，现代社会的经济

19、快速发展，为了在短时间里创建更大的价值，人们不得不争取时间去工作、学习，不断提高自己。智能交通灯的设计就能每天为人们削减不少的时间。当然，智能交通灯的设计目的不止如此，虽然该设计并不能从根本上解决汽油燃烧给环境造成的破坏，但是这的确是一种减小破坏的方法。当然要从根本上解决交通拥挤的问题，还是要建立更多交通线、多相式的交通枢纽，再协作监管部门的强制措施。所以设计智能化的交通信号灯虽然对以上交通拥挤出现的问题无法从根本上解决，但也在很大程度上可以缓解一部分问题带来的压力，智能交通灯是解决交通拥挤所带来的压力的一个重要方法。1.3设计内容 本设计对智能交通灯进行探讨和设计，结合各个路段的不同的实际状

20、况设计相应的限制系统。本设计是针对中小路段设计的智能交通限制系统，对现有的交通配置进行优化。设计内容主要包括： (1) 依据须要选取合适的限制器，利用其完成时间计时，信号灯的亮灭，人行道语音提示，车流量计数，违规车辆检测的功能。(2) 利用拓展芯片的功能以及其工作原理对I/O数据口进行拓展。本论文主要运用了MAX7221芯片以及74HC595芯片对Arduino Uno进行I/O口拓展。(3) 该智能交通灯具有一般交通灯的时间计数功能，本文运用MAX7221与四组共阴极数码管结合，完成对每个方向的时间计数的功能。(4) 通过SPI串口协议，建立上位机与信号机之间的通信，并对信号机的反馈信号做出

21、处理，实行最优化的措施。本论文采纳SPI协议建立了ATmega328与MAX7221之间的通讯，并依据不同时间检测的数据做出反应并处理。(5) 运用74HC595这一移位寄存器完成对信号灯的驱动，模拟路口的信号灯工作状况。(6) 针对车流量进行统计，利用压力传感器对通过的车流量进行计数统计，依据测量到的车流量对通行时间做出自动调整。(7) 在斑马线的两端设置报警电路，报警电路利用红外线传感器与反相器结合运用，再与蜂鸣器连接，模拟红灯时穿越斑马线时语音警示的功能。(8) 设计车辆违规行驶的检测电路，利用光敏电阻的原理与特性，将其与Arduino进行连接，并读取模拟量对应的数字量，依据车辆违规时电

22、阻的改变作出反应。(9) 系统设计框图以及程序流程图，设计编写程序代码，并对每一行的代码作注释便利以后读写程序。程序运用C语言进行编程设计，对数码管计时、信号灯工作、车流量计数、违规行为这些功能通过程序实现。 2 总体设计方案 在本章中，主要设计智能交通的总体框架，设计出智能交通灯的功能，并依据其功能所设计的功能模块。针对交通拥堵问题，本论文对车流量进行计数统计，对于在肯定时间里，车流量达到肯定数值时，对信号灯和数码管的时间做出相应的延时；对于行人闯红灯行为，本论文设计了一个报警电路用来警示行人留意平安；为了制止车辆违规行驶，设计了针对违规车辆的检测电路，当红灯期间有车辆违规行驶时，始终处于检

23、测状态的电路将会给限制一个反馈信号，限制器做出相对应的响应。综上所述，本论文设计的智能交通灯应当具有的模块是以限制器限制的数码管显示模块、信号灯显示模块、车流量计数模块、报警电路以及违规检测模块。各模块之间协调工作，共同实现智能交通灯的功能。 2.1智能交通信号灯的功能 在智能交通灯的设计当中，须要依据设计的功能设计对应的软件程序。本文所设计的交通信号灯包括以下功能： （1） 东西南北四个方向的信号灯显示以及每个方向数码管的倒计时。无车辆拥堵时，设置绿灯通行时间为25秒，黄灯时间为5秒，红灯禁止通行时间为30秒。在车流量达到肯定数值时，进入中断延时。此时设置绿灯通行时间为35秒，黄灯5秒，红灯

24、时间为40秒。（2） 多种限制的功能。能够针对不同时段做出对应的时间调整，尤其是针对上下班的车流高峰期的时段，应适当设计绿信比较大的限制程序。（3） 通过对车流量的计数统计，对达到肯定数值的该方向的通行时间加以延时，舒缓通车压力。（4） 在特别状况下，可以实行手动限制的方案，对人行道闯红灯现象，自动触发警报装置达到对行人的警示作用。（5） 某一方向的红灯亮起时，该方向的违规检测电路就起先工作，并对违规车辆进行拍照。 2.2系统模块框图 图2-1中各个模块是建立智能交通灯的重要组成模块，数码管模块是用来数字显示，在不同色灯点亮时，根据程序设计的时间数码管倒计时起先，在交通过程中人们可以通过视察它

25、的时间等待对应的时间。LED灯显示模块是红绿灯，在相应的时间确定不同颜色灯的亮灭，信号灯亮和灭的时间是由程序设定。车流量检测模块则是安装与距离红绿灯肯定距离之外处，对不同时间段内通过的车辆数进行计数，并做出推断，在下一个时间段里是否采纳另外一种延时通行的方案。违规检测模块是针对机动车，在红灯期间有闯红灯现象时，刚好对违规车辆的车牌进行拍照留档，以便以后进行惩罚。报警电路是在人们等红灯时设置的一个平安警告电路，在红灯期间若有人超出等待红灯的平安线，将会对启动报警电路。这些模块的限制是通过限制器限制，所以须要选择适合的限制器是确定最终总电路正常工作的关键所在。在本设计当中，限制器须要驱动数码管，所

26、以限制器的I/O的驱动实力必需足够大。 图2-1 智能交通信号灯模块框图 2.3限制器选择 单片机的分类特别广泛，人们针对不同的须要设计属于自己运用的单片机，以此来提高工作效率，不同的单片机的运用环境当然有所不同，同样。在本设计当中我有三种单片机可以选择，分别是：AVR单片机、DSP芯片、ARM芯片。 2.3.1 AVR芯片 AVR单片机当中的32个寄存器是干脆与ALU连接，以往的瓶颈得到突破，每1MHz可以实现1MIPS的处理实力。有1-128KB的Flash ROM内置于其中，内部集成有UART（通用异步收发传输器）、SPI(同步串行外设接口)、PWM(脉冲宽度调制)、WDT(看门狗)、1

27、0bitA/D转换器等器件2。系统内的下载可以通过片内EEPROM，支持C语言以及汇编语言。运用的Flash存储器可以多次擦写，为用户的生产开发供应了便利。同时，mega系列的I/O口的驱动实力强,可以干脆驱动LED灯。以ATmega328P为例，这款芯片当中有22个输入/输出口，虽然口并不是许多，但是每个口的驱动实力可以高达40mA，在智能交通灯当中我们所要驱动的就是发光二极管，这是有利于硬件设计的2。2.3.2 DSP芯片 DSP芯片是处理速度很高的数字化信号处理器，相比于其他微处理器，DSP芯片在设计其自身性能上较其他芯片有独树一帜的地方，采纳高新能技术，比如其时钟周期达到了6.67ns

28、，这就意味着芯片的时钟频率已将高达150MHz，这是须要高性能的CMOS才可以实现、芯片当中将数据存储器和程序存储器所运用的总线分开，也就是说它们的地址总线和数据总线都有自己独立的空间，这是DSP芯片与其他芯片最大的不同之处。然后DSP在设计上依据哈弗结构改进，使程序代码和数据存储空间可以进行数据通讯，这是改进的哈弗结构（modified Harvard architecture）。另外，取指、译码、取数、执行是芯片执行程序所编代码的一般步骤，那么DSP芯片利用流水线技术提高程序执行速度，这是因为RAM与ROM的空间是分开的，可以在执行译码指令时，对下一条指令进行取指3；在执行取数时，可以同时

29、进行之前取指、译码的操作，这样就相当于流水生产线一般，大大提高工作效率。以32位的信号处理器TMS320F2812为例，在时钟一个周期内， 32*32的或者两个16*16的乘法累加运算、64位的数据处理均可以完成，这些性能使该处理器能够实现更高精度的处理任务，快速的中断相应使该系列的芯片能够爱护关键的寄存器以及快速地相应外部异步事务，同时有8级带有流水线存储器访问的流水线爱护机制，因此，芯片在高速运行时并不会占用多少快速存储器的内存；分支跳转硬件是特地限制的，这就削减了条件指令的执行时间，条件存储器操作更进一步提高了芯片的功能4-6。2.3.3 ARM芯片 ARM芯片是一种嵌入式芯片，嵌入式的

30、意思是将微型机嵌入到一个对象体系当中，实现对象体系的智能化限制7；嵌入式系统也包括了软硬件两部分，硬件部分主要是以嵌入式处理器为中心，再在它四周装置存储器、输入输出口、与上位机实现通讯的设备等；嵌入式芯片所采纳的技术与DSP芯片有些类似，也采纳了流水线技术，但是嵌入式的流水线技术可以高达7级，速度较DSP更快，同时它还采纳了RISC技术，采纳RISC是为了能够在同一时钟周期的状况下，能够执行更多的指令，增加程序的运算效率，这样系统就可以运用更多的寄存器，用于存放数据或者地址8。 以上三种芯片都是比较适合制作智能交通灯，AVR的输入/输出口的驱动实力比较强，DSP芯片的处理速度很快，ARM的所运

31、用的指令集精简，便利编程，性能较AVR与DSP都很好。在比较之下，DSP在数字处理这一领域很好用，处理速度特别快，适用于图像处理和分析；ARM对Linux系统的进一步开发有很大的作用，并且，相比之下，DSP芯片与ARM芯片的购买成本比较高，虽然用来设计智能交通灯这两种芯片都能实现所需设计的功能，但实在是大材小用，不是那么经济适用。 2.3.4 确定所运用的芯片 所以在本设计当中我选用的是AVR单片机，Arduino是基于AVR单片机设计的电路板，板上的输入/输出口可以干脆连接外接电路。Arduino是一款开放源代码的简洁的输入/输出平台，包括了软件和硬件两部分。对于软件部分，设计者可依据自己的

32、喜好运用不同的软件编程，如C语言，C+，VB，汇编。并且对于初学者来说，Arduino用来设计这样的系统是一个不错的选择。因为许多现成的程序都可以在其官方网站上下载，设计者只须要依据自己的须要对其进行修改即可。对于硬件的设计连接也是简洁易懂。Arduino上有现成的数字输入/输出口，还有模拟输入口，当然，模拟输入口也可以用来做数字输入口。运用Arduino的便捷之处就在于次。它不须要像51单片机一样去了解内部结构和每一个寄存器，只要懂程序编程学问便很简单上手，而且也不须要烧录代码的烧录器去下载程序，运用USB串口的通讯线就可以完成程序的下载。操作简洁，对于设计智能交通灯有很好的优越性，并且对于

33、Arduino，人们设计了许多功能模块，I/O口拓展模块，同时，基于其开源的平台，有许多封装好的库，设计者可以干脆下载运用。所以运用Arduino设计智能交通灯，大大降低了硬件制作的难度。2.4 本章小结 在本章节中，主要介绍了智能交通信号灯的须要实现的功能和功能模块图，并对AVR、DSP、ARM这三种限制器作了进一步的比较，并确定适合设计智能交通信号灯的限制器。 3 硬件设计 依据其次章的介绍我们已经给出了智能交通信号灯设计的模块框图，本章将对于各个模块作详细的介绍。 3.1硬件设计结构 依据其次章设计的功能模块框图，设计了各功能模块与限制器之间的限制关系框图，如图3-1，虚线框中为显示模块

34、包含了数码管显示与信号灯显示。 图3-1 智能交通信号灯总体设计框图 3.2原理图 在所设计的智能交通灯当中，运用各种多种模块，包括数码管显示、信号灯显示、违规检测、报警设置、车流量检测。这些都是有不同的电路组成的，下面将重点介绍各个模块的组成及原理。 3.2.1 芯片选择 依据上一章的选择，我们运用的处理器为AVR单片机，以AVR单片机为主的设计开发板有许多，在本设计当中，我们有Arduino Uno和Mega 2560两种选择，他们的区分在于运用的处理器是不一样的，Arduino Uno所运用的是ATmega328，而Mega 2560则是运用ATmega2560，芯片的功能基本相像，都支

35、持相同的串口协议，I/O口的驱动实力都是可以同时达到40mA，采纳的指令集也都是RISC（精简指令集），片内有较大容量的非易失性程序和数据以及工作存储器，并且他们的外部性能和微限制器有基本相像的性能 9。如表3-1，这是这两款处理器的区分，在内存上2560比较占优势，并且在I/O口上也比328多；虽然2560相对于328的优势许多，但是我们在设计时须要物尽其用，在设计智能交通灯时，我们所运用的都是基本的外围设备，运用的传感器也不须要16个模拟口那么多，尤其是在设计程序时，我们所设计的程序根本达不到32KB，假如运用2560，那么将会奢侈很大的内存，也会奢侈全部的串口，我所运用的只是数字口和模拟

36、口，为了使得所选择的芯片得到最充分的运用，我选用ATmega328这一款芯片，既可以实现设计须要的功能，又能将各个口都得到运用，所以运用它设计是最合适的。表3-1 ATmega328与ATmega2560的区分 技术参数 Arduino Uno Mega 2560 处理器 ATmega328 ATmega2560 程序存储器 32 KB 256 KB 数据存储器 2 KB 8 KB EEPROM 1 KB 4 KB 芯片引脚 28 100 数字I/O引脚 14 54 模拟输入 6 16 PWM输出 6 14 串口 1 4 3.2.2 Arduino的基本介绍 Arduino UNO主板包括以下

37、几个部分：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的核心是型号为ATmega328P的一个双列直插式的单片机，这款单片机有28个引脚其中的22个引脚分为PB、PC、PD的I/O口组，在这当中PD口时用来当数字输入/输出口D0至D7，其中D0和D1这两个口也是串口通讯，它是ATmega328的PB口与串口通讯芯片ATmega16U2-MU连接，该芯片能够将USB口与ATmega328芯片进行串口通讯，可以干脆通过USB将所编写的程序下载进ATmega328芯片的程序存储器当中；PB口是当作数字I/O口的D8至D

38、13运用，其中还有几个引脚是供SPI串口协议的拓展芯片运用，分别是D10、D11、D13，D11是供串行输入的口，D13是供应连续脉冲的，当然每个I/O口都是可以当做通用I/O口运用。芯片的PC口是我们运用的模拟输入口A0至A5，这是用来外接传感器之类的原件，通过设置也可当作数字输出口运用。AVR芯片的其他引脚包括：复位引脚，参考电压引脚，电源和接地端，参考电压的设置是很重要的，这确定了电路板当中凹凸电平的推断。 图3-2 Arduino UNO主板框图 1.电源电路 Arduino UNO的供电方式分为三种： （1） 柱式电源插座连接外部直流电源供电 （2） 直流电源干脆接在GND和VIN引

39、脚 在图3-1的底部的接口旁边（最左边）有一个标出名称为Reset（重置）的引脚，它的功能与板子上的复位按钮是一样的。在其同一排的VIN引脚与GND引脚连接电源可以给Arduino主板供电；当主板通过外部电源供电时，VIN引脚可以干脆对外部供电。 （3） USB电源接口接在电脑上干脆供电 USB接口下面是型号为LM7805的5V的稳压器，它的功能是将电源插孔供应的712V的电压稳定在5V。至少是7V的输入电压，输出电压才能保证5V的电压值，误差5%左右（即4.75V到5.25V之间）。5V输出口还有一个滤波电容，这是一个极性电容，其功能就是将电源的瞬变和毛刺滤除。 图3-3 Arduino电源

40、电路 2.串口电路 如图3-4，这是Arduino运用的最原始的一个电平转换电路，其工作原理是利用三级管的放大作用，将RS232的电压放大到Arduino所运用的5V电压。晶体管的放大条件是“放射结正偏，集电结反偏10”，这样的话就会使得以放射极电平作为参考电压的状况下，保证基极与集电极的电平始终保持相反的关系，这样就达到了电平转换的功能。由于RS232适配芯片须要稳定牢靠的电平电压，芯片内部配置了全部电平转换电路，能供应更高级的隔离与爱护3。在主板的数字输入/输出口的D0和D1对应的是串口的RX和TX，虽然在程序当中假如不须要串口通信，这两个口可以当作一般的I/O口，但这一说法并不是那么严谨

41、。因为RX（D0）信号与接收器连接时，假如要将其用作I/O口之前必需将RX信号与接收器电路从物理上进行断开，那么这样就必需通过烙铁将元件焊下来，或者干脆断开主板上的这一通路，但是这么做之后Arduino电路板将无法再通过这条线引导装载程序。同时，TX（D1）可以用作输入/输出，但是同样会触发串口的TX电路。所以，后来Arduino主电路板上运用USB接口当作通讯口。 图3-4 RS232 / TTL电平转换电路 3. AVR单片机 （1）ATmega328 Arduino UNO电路板运用的芯片是Atmel AVR ATmega328P，它就是电路板的大脑，实质上就是单芯片式的计算机，那么它就

42、包括了与其他单片机一样的中心处理单元（CPU）、时钟、内存阵列、外围设备等。该单片机采纳ATMEL的高密度非易失性内存技术，片内Flash可以通过SPI接口、通用编程器以及自引导BOOT程序进行编程和自编程，利用自引导BOOT程序，可以运用随意硬件接口下载应用程序，并写入到Flash的应用程序中11-12。ATmega328这个处理器的工作电压可以在一个很宽的范围里，一般是1.85.5V，同样适合电池供电的程序。那么不同电压供电时会有什么区分呢？区分在于，不同电压状态下，时钟频率所支持的最大频率是不一样的，比如在最低工作电压下，时钟频率智能达到4MHz，而在最大工作电压下，这一频率便可达到20

43、MHz。所以，在Arduino电路板上一般都采纳5V供电，这也是为什么须要5V稳压器的缘由，将时钟频率维持在一个稳定的值，便利以后定时器的运用。 图3-5 ATmega328P引脚图 （2）AVR 内核 毋庸置疑，每一个单片机里都会有一个中心处理单元（CPU），在ATmega328中的是AVR内核，包含了一系列的处理部件，I/O端口、程序计数器、程序存储器、静态RAM、一组32位的寄存器、一个指令译码器、算数逻辑单元（ALU）。 1） I/O口 当我们把AVR的输入/输出口当成数字输入/输出口时，AVR的输入/输出口就具备了读-修改-写的功能。每一个输入/输出口引脚都是采纳推挽式的方法对其驱动

44、，这样不仅可以产生较大的输出电流（一般可以达到40mA），也可以汲取较大的高达20mA的电流，所以这个芯片的输入/输出口可以干脆驱动LED的显示器。I/O端口是通过AVR内部的三个寄存器来限制的，采纳的是方向、数据、输入引脚寄存器，并且各个输入/输出口均带有上拉电阻电路，然后通过程序的编辑推断该电阻的功能是否有效，当引脚通过编程设置为输入时，再对数据寄存器写入1，那么此时内置的上拉电阻就被开启；假如作为输出口，数据寄存器的输出状态确定了引脚上的电压值。同时，在芯片内部的Vcc电源和接地GND都有二极管，这些二极管是起钳位作用，用来来爱护电路。当然，输入/输出口不仅可以当作通用数字输入/输出口，

45、而且也可以通过限制信号将通用数字口的功能屏蔽掉。AVR的接口有分为三个组：B口、C口、D口。每一个口所能执行的其次功能都不同，复位、串行口、ADC输入通道、中断口等，这些功能都是通过I/O口通过编程实现。2）程序存储器 程序存储器是用来存储我们所编写的程序，在AVR单片机当中，有一个16位宽的Flash阵列，这是可编程的阵列。因为程序可能是须要重新下载程序的，所以是可以存储肯定容量的数据的。假如写入的时间过长，程序一般会丢失数据，所以这一般是不适合存储易失数据。3）数据存储器 数据存储器一般分为静态存储器和动态存储器两种形式 13。在AVR单片机中运用的是SRAM存储器，这样就不会像动态存储器

46、那样在每一个时钟信号来临之前触发刷新数据保持的动作，这一切的前提就是须要芯片保持通电，这样数据就可以保存。 4）寄存器 在AVR芯片当中有一个寄存器组，总共包含有32个寄存器，算数逻辑单元内的指令可以干脆读出或者写入这一寄存器组的每一个寄存器。在图3.1.6当中，寄存器组当中有X、Y、Z三个寄存器的组合，每个组合是由两个单个寄存器组成，都是16位指向其SRAM的索引指针。 4.晶振电路 Arduino的系统时钟是限制全部内部时间的，而时钟频率则是由外部陶瓷谐振器或者石英晶振来供应的，以此来驱动系统的各个部分。ATmega328的时钟系统内部一般都是有一个片内振荡器的，它的时钟频率是由外部晶体或

47、者谐振器来确定的，这个振荡器有低功率模式消耗最小的功率，但是不能输出时钟信号到信号外面的模式，它还有另外一种模式就是全幅模式，但是这则增加了功率的消耗26。片内还有两个频率分别为8MHz和128KHz电阻电容（RC）振荡器，软件校准（调整）运用8MHz的振荡器频率，但精确率没有石英晶振或陶瓷谐振器的精度高。为了将系统的时钟分频为二的幂次倍，片内设置有一个预分频器，可以将分频比从1:1变到1:256，这样就可以使得系统时钟的功率消耗得到降低14。假如主系统时钟是由两个校准过的RC振荡器产生的，那么就可以运用一个低频率大约为32KHz的时钟晶体驱动应用程序中的定时器/计数器。5.复位电路 在每一个

48、复位信号来临时，单片机的全部输入/输出口都会复位，复原到它们的初始值，并且时钟源并不须要处于运行状态。在复位信号消逝后，系统中的延时计数器将会经过一个延时过程，这时的系统才是真正的复位重新启动。复位电路总共有4个复位源：上电复位、外部复位、看门狗复位以及电源电压检测BOD复位15。这四种复位的的方式当然是不同的，也就是触发复位信号的方式的有所不同，上电复位是当片内的检测电路检测到电源电压低于复位电压时，复位信号被触发，经过延时，系统正式复位。外部复位则是干脆从外部给复位的引脚一个低电平信号，同样也是须要低于电源电压。看门狗复位则是由定时器操作的，当时间超过预定的时间后发生溢出，看门狗会给出一个

49、脉冲信号去触发复位信号。电源电压检测BOD复位是在系统运行时，检测电路对系统电压进行检测，然后将检测结果与一个预先设定的电压（也称为阈值电压）进行比较。当然，在芯片内部是有迟滞效应的，为的是防止电源产生的毛刺引起复位信号的误触发。 图3-6 Arduino外部晶振电路 图3-7 外部RC振荡器电路 3.2.3数码管显示模块 在交通信号灯的组成当中，数码管的作用很大，可以向人们展示所须要等待的时间，但是数码管不行能每段二极管都接在I/O口，所以须要驱动芯片驱动数码管显示。在本节当中，采纳了两种可行的方案。 方案1 CD4511驱动数码管显示 设计数码管显示时我们可以选用CD4511译码器来驱动数码管，CD4511具有译码、锁存、消影以及BCD转换的功能。 它有四个BCD码