交通灯控制系统的设计.doc

交通灯控制系统的设计前言本文介绍了交通灯控制系统的基本原理。在当今社会下车辆越来越多，频繁出现的交通事故也让我们触目惊心。于是我们便需要更为可靠地，更为精确的交通灯控制系统。这是对自己负责也是对他人负责。因此有了交通灯控制系统。这个系统也是当今将科技技术融入生活的一个实例。本文主要从LM3S8962的应用上来实现十字路口交通灯智能化的管理，用来控制来往车辆的正常运行。最早的交通灯控制系统是用燃煤气为红，绿两色的机械板手式信号灯来指挥车辆通行的。随着时间的推移交通灯系统也变得越来越成熟，直到现今的用计算机精确控制。 毫无疑问道路交通标志将会成为交通管理中一个非常重要的组成部份。国家也十分重视，因此各类标志迅猛发展。图形形象直观、并且版面大方美观，拥有合理的结构。从形状、颜色、字符等设计具有醒目度、易读性、公认度，为车辆驾驶人员提供完善和清晰的情报。 在此为了让更少的交通事故有了交通灯控制系统。1 单片机11什么是单片机所谓单片机就是单片微型计算机，又可以称为MCU，是将计算机的基本部分微型化，使之高度集成化在一个芯片上的微型机。片内有CPU,ROM,RAM,计数器等等，也有与外界进行交换的GPIO接口等等。它就是一个嵌人式系统，同时也是其它嵌入式系统的核心。比如我们生活中的刷的各种各样的卡，还有更为复杂一些的手机都包含有单片机。1971年intel公司研制出世界上第一个4位的微处理器；Intel公司的霍夫研制成功世界上第一块4位微处理器芯片Intel 4004，标志着第一代微处理器问世，微处理器和微机时代从此开始。因发明微处理器，霍夫被英国经济学家杂志列为“二战以来最有影响力的7位科学家”之一 。 1971年11月，英特尔推出了MCS-4微型计算机系统（包括4001 ROM芯片，4002 RAM芯片，4003移位寄存器芯片和4004微处理器）和4004（图）包含2300个晶体管，尺寸为3mm4mm的计算性能远数年的ENIAC，最初售价为200元。 英特尔8008的8位微处理器，1972年4月，霍夫等人开发的。由于8008是一个P-沟道MOS微处理器，因此仍然是第一代微处理器。8位微处理器，英特尔8080的8位微处理器由Intel公司开发，于1973年8月，8080,1973，霍夫等人开发，以取代P-沟道N沟道MOS电路，第二代微型处理器诞生了。时钟2MHz的8080芯片运算速度比8008的10倍，您可以访问64KB的内存，使用6000基于晶体管的6微米技术，处理速度0.64MIPS的（百万条指令每秒）。 1975年4月，MITS发布Altair8800，售价在$375一般1KB的内存。这是世界上第一台微型计算机。 1976年，集成MCS-49系列8位微控制器的微控制器，它的问世。 Zilog公司Z80微处理器开发1976年9月，被广泛应用于微计算机和工业自动化设备。 Zilog的公司，摩托罗拉公司和英特尔公司的微处理器的三大支柱。 80年代初期，英特尔公司的MCS-48系列单片机，MCS-51系列的基础上，8个高端微控制器的推出。 MCS-51系列单片机片内RAM容量，I / O端口功能，+系统的可扩展性，并大大提高了。常用单片机芯片简介 STC单片机 STC公司的单片机主要是基于8051内核,是新一代增强型单片机,指令代码完全兼容传统8051,速度快812倍,带ADC,4路PWM,双串口,有全球唯一ID号,加密性好，抗干扰强. PIC单片机： 是MICROCHIP公司的产品,其突出的特点是体积小,功耗低,精简指令集,抗干扰性好,可靠性高,有较强的模拟接口,代码保密性好,大部分芯片有其兼容的FLASH程序存储器的芯片. EMC单片机： 是台湾义隆公司的产品,有很大一部分与PIC 8位单片机兼容,且相兼容产品的资源相对比PIC的多,价格便宜,有很多系列可选,但抗干扰较差. ATMEL单片机(51单片机)： ATMEl公司的8位单片机有AT89、AT90两个系列,AT89系列是8位Flash单片机,与8051系列单片机相兼容,静态时钟模式;AT90系列单片机是增强RISC结构、全静态工作方式、内载在线可编程Flash的单片机,也叫AVR单片机. PHLIPIS 51LPC系列单片机(51单片机)： PHILIPS公司的单片机是基于80C51内核的单片机,嵌入了掉电检测、模拟以及片内RC振荡器等功能,这使51LPC在高集成度、低成本、低功耗的应用设计中可以满足多方面的性能要求. HOLTEK单片机： 台湾盛扬半导体的单片机,价格便宜,种类较多,但抗干扰较差,适用于消费类产品. TI公司单片机(51单片机)： 德州仪器提供了TMS370和MSP430两大系列通用单片机.TMS370系列单片机是8位CMOS单片机,具有多种存储模式、多种外围接口模式,适用于复杂的实时控制场合;MSP430系列单片机是一种超低功耗、功能集成度较高的16位低功耗单片机,特别适用于要求功耗低的场合 松翰单片机（SONIX）： 是台湾松翰公司的单片，大多为8位机，有一部分与PIC 8位单片机兼容，价格便宜，系统时钟分频可选项较多，有PMW ADC 内振 内部杂讯滤波。缺点RAM空间过小，抗干扰较好。 1.2单片机的发展特点、广泛选择和应用。据统计，我国的单片机年使用量已达到13亿片，且正在以每年大约15%的速度增长。因此可以说单片机的是非常有发展前景的。但是单片机市场我国的占有率还相当低，现在使用的基本上还是外国的芯片。单片机根据程序存储方式的不同，可以分为EPROM、OTP、QTP。我国一开始都采用ROMMless 型单片机。对单片机的普及起了很大作用，但这种强调接口的单片机无法广泛应用，而且有可能走入误区。现如今单片机一味强调接口外接GPIO及存储器，这便便得单片机失去特色。目前单片机大都将程序存储体置于其内，所以给应用带来了极大的方便。值得注意的是，以往OTP 型单片机的价格比QTP 的价格贵很多，而现在已降至和OTP差不多的价格，因而可以大量选用OTP 型，选用OTP 型以免订货周期、批量的麻烦是可取的。现在随着CMOS工艺的发展，单片机功耗得以大幅下降，低电压供电的单片机电源下限已由2.7V 降至2.2V、1.8V。不仅如此随着工艺的发展使得单片机计算数度也越来越快。应用的领域也自然增多。1.3单片机的内部组成之Cortex-M3芯片简介图1 Cortex-M3管脚图1.3.1 Cortex-M3内核结构。打开MCS-51单片机内部组成结构，讲解：内核区、系统支持区、外围设备区。由此过渡到Cortex-M3的内部结构。Cortex-M3是ARM 2006年推出的一款高性能32位内核。内部结构分成两大部分：内核和外设。ARM公司只设计内核，外设交给其他半导体公司加工并生产芯片。Cortex-M3引出总线：地址总线和数据总据，半导体公司直接在外设总线上扩展设备。因此，基于Cortex-M3的芯片各具个性，百花齐放，满足了社会的需求。1.3.2 内核寄存器组织。MCS-51单片机内核寄存器：ACC、B、DPTR、PSW、SP、PC、R0-R7。这些寄存器对程序存储器和和据存储器数据的存取就完成了特定的任。Cortex-M3内核寄存器：R0-R15、xPSR、中断屏蔽寄存器（PRIMASK、FAULTMASK、BASEPRI）、CONTROL。各寄存器的作用：R0-R12是属于通用寄存器，数据中转与存取都在这些寄存器中进行。R13为堆栈指针寄存器，并为双堆栈（MSP、PSP），与51机不一样，堆栈地址增长方向：向低地址方向增长。特别说明存储器地址，地址空间是以字节为单位的。R14为程序连接寄存器，作用有二，其一：调子程序时，保存断点连处地址。其二：中断反回保存反回状态。其一：在黑板上演示这一过程。Cortex-M3内部没有51机中的子程序反回指令，因此需要保存断点处的地址。xPSR:程序状态寄存器,反映程序在运行过程中的各种状态。N、Z、C、V、Q。中断屏蔽寄存器有三个，其中PRIMASK最重要。管理所有外设，这也外围模块中断源的总开关。寄存器本身是32位的，但只用到最末一位，当该位为“0”表示开中断总开关，“1”表示关中断总开关。CONTROL：中断控制寄存器。作用是切换处理工作级别和堆栈切换。位0：工作级别（0特权级、1用户级）；位1：堆栈选择（0主堆栈，1进程堆栈）。1.3.3 中断处理过程ARM Cortex-M3中异常涉及异常的类型、优先级、向量表等，本节并以Luminary系列微控制器为例说明异常的具体行为。Cortex-M3和MCS-51单片机中断及中断处理方式都一样。1.3.4 SysTick定时器SysTick定时器被捆绑在NVIC中，用于产生SysTick异常。在以前，操作系统还有所有使用了时基的系统，都必须一个硬件定时器来产生需要的“滴答”中断，作为整个系统的时基。滴答中断对操作系统尤其重要。例如，操作系统可以为多个任务许以不同数目的时间片，确保没有一个任务能霸占系统；或者把每个定时器周期的某个时间范围赐予特定的任务等，还有操作系统提供的各种定时功能，都与这个滴答定时器有关。因此，需要一个定时器来产生周期性的中断，而且最好还让用户程序不能随意访问它的寄存器，以维持操作系统“心跳”的节律。 Cortex-M3处理器内部包含了一个简单的定时器。因为所有的CM3芯片都带有这个定时器，软件在不同 CM3器件间的移植工作就得以化简。该定时器的时钟源可以是内部时钟（FCLK，CM3上的自由运行时钟），或者是外部时钟（ CM3处理器上的STCLK信号）。不过，STCLK的具体来源则由芯片设计者决定，因此不同产品之间的时钟频率可能会大不相同。因此，需要检视芯片的器件手册来决定选择什么作为时钟源。 SysTick定时器能产生中断，CM3为它专门开出一个异常类型，并且在向量表中有它的一席之地。它使操作系统和其它系统软件在CM3器件间的移植变得简单多了，因为在所有CM3产品间，SysTick的处理方式都是相同的。2 系统硬件设计21交通灯控制系统的设计方案制做十字路口的交通灯控制电路，使得A车道和B车道两条交叉路上的车辆交替运行，各个通行时间都设为45秒。 在绿灯转为红灯时，要求黄灯先闪亮5秒钟，才能变换运行车道。 黄灯亮时，要求每隔一秒闪亮一次。 A、B车道除了有红、绿黄灯指示外，且红绿灯灯亮的时间用显示器进行倒计时显示。22交通灯的硬件设计 选用设备LM3S8962单片机一片，共阳极数码管8个，二极管12个，电阻若干，连线若干。221系统总框图如下：图2 程序总流程图222交通灯原理图（见附录）3 系统软件设计3.1每秒钟的设定利用LM3S8962内部定时器中断来确定1秒的时间。其代码如下：TimerConfigure(TIMER0_BASE,TIMER_CFG_32_BIT_PER);TimerLoadSet(TIMER0_BASE,TIMER_A,6000000);TimerIntEnable(TIMER0_BASE,TIMER_TIMA_TIMEOUT);3.2软件延时 采用软件执行空语句。其代码如下：while(x-)for(i = 120;f 0;f-); 3.3软件中断利用内部定时器设定初值按自减1周期定时的方法产生中断。其简易代码如下：SysCtlPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_TIMER0);TimerConfigure(TIMER0_BASE,TIMER_CFG_32_BIT_PER);TimerLoadSet(TIMER0_BASE,TIMER_A,6000000);TimerIntEnable(TIMER0_BASE,TIMER_TIMA_TIMEOUT);IntEnable(INT_TIMER0A);IntMasterEnable();TimerEnable(TIMER0_BASE,TIMER_A);3.4软件促使GPIO端口输出电平给管脚相应的高底电平。其简易代码如下：SysCtlPeripheralEnable(LED0_7PERI);GPIOPinTypeGPIOOutput(LED0_7PERI,0XFF);GPIOPinWrite(LED0_7GPIO,0xff,duanmasum % 10);3.5软件使能时间及信号灯的显示其简易代码如下：GPIOPinWrite(LED0_7GPIO,0xff,duanmasum % 10);GPIOPinWrite(LED0_1GPIO,GPIO_PIN_0,weima0);GPIOPinWrite(LED0_7GPIO,0xff,0xff);delay(1);GPIOPinWrite(LED0_7GPIO,0xff,duanmasum / 10);GPIOPinWrite(LED0_1GPIO,GPIO_PIN_1,weima1);GPIOPinWrite(LED0_7GPIO,0xff,0xff);delay(1);结论该控制系统充分利用了LM3S8962芯片的GPI0引脚。系统采用Cortex-M3系列单片机LM3S8963来设计交通灯控制器，能够有效的控制车辆通行有较强的实用性。可显示红绿灯交替点亮的时间合计时。倒计时剩5秒时黄灯每隔一秒闪烁警示一次，显示剩余时间通过 LM3S8963的GPIO端口输出至数码管上面。当然该交通灯控制系统也有些不足之处，不足之处在于不能根据车量通过多少来张变红绿灯时间，也不能控制车辆的左右方向的转向等等。 当然在这次课程设计中有许多令我感触特别深的地方，因为我的单片机学得不是很好，所以对某些知识并不是很清楚，但是在老师和同学不厌其烦的讲解下最后还是完成了课程设计，他们的无私精神更另我感动不已。另外，在重复修改与设计的过程中，我又重新把单片机原理与应用技术这本书仔细的看了一下，弄懂了一些以前一知半解的东西，进一次加强和巩固了我的理论知识。这篇设计中有有足这处不过该设计的不足之处也可以根据以后的需要来完善扩充系统来实现。再次感谢老师和同学的帮助。参考文献：1李群芳、肖看、张士军：单片机微型计算机与接口技术，电子工业出版社，2011.11，P7-P92屈召贵、刘强、孙活、晏勇：嵌入式系统原理及应用，电子科技大学出版社，2011.4，P75-P1343 程 周：可编程序控制器原理与应用，高等教育出版社，2006.4，P45-P704 吴中俊、黄永红：可编程序控制器原理及应用，机械工业出版社，2008.8 , P52-P57 5高峰：单片微机应用系统设计及应用技术，机械工业出版社，2004.7,P102-P134附录1原理图：2 程序源代码：主程序#include#includeled.hint main(void)clockinit();ledinit();Enableled();display();LED数码管及交通灯显示程序#include#includeled.huchar sum = 45, i = 0,flag = 0,flagyellow = 0;uchar duanma =0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90;uchar weima = 0xfe,0xfd;void clockinit(void)SysCtlClockSet(SYSCTL_USE_OSC|SYSCTL_OSC_MAIN|SYSCTL_XTAL_6MHZ|SYSCTL_SYSDIV_1);void ledinit(void)SysCtlPeripheralEnable(LED0_7PERI);GPIOPinTypeGPIOOutput(LED0_7PERI,0XFF);SysCtlPeripheralEnable(LED0_1PERI);GPIOPinTypeGPIOOutput(LED0_1PERI,GPIO_PIN_0|GPIO_PIN_1);SysCtlPeripheralEnable(SPARK1_2PERI);GPIOPinTypeGPIOOutput(SPARK1_2PERI,GPIO_PIN_0|GPIO_PIN_1|GPIO_PIN_2);SysCtlPeripheralEnable(SPARK3_4PERI);GPIOPinTypeGPIOOutput(SPARK3_4PERI,GPIO_PIN_3|GPIO_PIN_4|GPIO_PIN_5); SysCtlPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_TIMER0);TimerConfigure(TIMER0_BASE,TIMER_CFG_32_BIT_PER);TimerLoadSet(TIMER0_BASE,TIMER_A,6000000);TimerIntEnable(TIMER0_BASE,TIMER_TIMA_TIMEOUT);void delay(uchar x)uchar f; while(x-)for(i = 120;f 0;f-);void Enableled(void) IntEnable(INT_TIMER0A); IntMasterEnable(); TimerEnable(TIMER0_BASE,TIMER_A);void display(void)for(;) GPIOPinWrite(LED0_7GPIO,0xff,duanmasum % 10);GPIOPinWrite(LED0_1GPIO,GPIO_PIN_0,weima0);GPIOPinWrite(LED0_7GPIO,0xff,0xff);delay(1); GPIOPinWrite(LED0_7GPIO,0xff,duanmasum / 10); GPIOPinWrite(LED0_1GPIO,GPIO_PIN_1,weima1); GPIOPinWrite(LED0_7GPIO,0xff,0xff); delay(1);if(flag) GPIOPinWrite(SPARK1_2GPIO,GREEN,0xfe);GPIOPinWrite(SPARK1_2GPIO,RED,0xff);delay(1);GPIOPinWrite(SPARK3_4GPIO,RED,0xfd);GPIOPinWrite(SPARK3_4GPIO,GREEN,0xff);delay(1);if(flagyellow) GPIOPinWrite(SPARK1_2GPIO,YELLOW,0xfb); delay(1); GPIOPinWrite(SPARK1_2GPIO,YELLOW,0xff);else GPIOPinWrite(SPARK1_2GPIO,RED,0xfd);GPIOPinWrite(SPARK1_2GPIO,GREEN,0xff);delay(1);GPIOPinWrite(SPARK3_4GPIO,GREEN,0xfe);GPIOPin