ARM模拟交通信号灯控制器设计

1、.嵌入式系统原理与应用综合设计模拟交通信号灯控制器设计学 院：工学院专业班级：通信工程 11 秋 2 班姓 名：学 号：小组成员：指导教师：完完 成成 日日 期期 2014 年年 7 月月目录目录1 概述.11.1 引言 .11.2 设计思想 .21.3 设计满足的基本功能 .22 系统总体方案及硬件设计.42.1 系统方案的确定 .42.2 显示部分 .42.3 路灯指示电路 .53 软件设计.63.1 应用系统软件设计 .63.2 主程序模块的设计 .63.3 软件流程图 .73.4 两组灯路切换时间图 .84 硬件电路设计.94.1 时钟电路模块设计 .94.2 复位电路模块设计 .94

2、.3 LED 显示电路图.104.4 各管脚分配 .105 实物展示.125.1 主干道绿灯 .125.2 主干道黄灯 .135.3 主干道红灯 .146 结束语.15参考文献.16附录.17嵌入式系统原理与应用综合设计11 概述概述1.1 引言引言1858 年，在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红，蓝两色的机械扳手式信号灯，用以指挥马车通行。这是世界上最早的交通信号灯。1868 年，英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上，安装了世界上最早的煤气红绿灯。它由红绿两以旋转式方形玻璃提灯组成，红色表示“停止”，绿色表示“注意”。1869 年 1 月 2 日，煤气灯爆炸，使

3、警察受伤，遂被取消。电气启动的红绿灯出现在美国，这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成，1914 年始安装于纽约市 5 号大街的一座高塔上。红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通行”。1918 年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。带控制的红绿灯，一种是把压力探测器安在地下，车辆一接近红灯便变为绿灯；另一种是用扩音器来启动红绿灯，司机遇红灯时按一下嗽叭，就使红灯变为绿灯。红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时，它就能察觉到有人要过马路。红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间，推迟汽车放行，以免发生交通事故。信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显

4、效果。1968 年，联合国道路交通和道路标志信号协定对各种信号灯的含义作了规定。绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以直行，左转弯和右转弯，除非另一种标志禁止某一种转向。左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。红灯是禁行信号，面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车。黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线，但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。随着社会的进步，人民生活水平的提高，越来越多的人加入了有车族的行列，但是随之而来的是城市道路的超负荷服役。当今中国城市交通问题越来越突出，不但京、津、沪这些大城市道路嵌入式系统原理与应用综合设计2状

5、况不容乐观，就连三、四线的小城市也是越来越堵。协调车、人、路三者之间的关系成为交通管理部门急需解决的问题。自上世纪八十年代后期许多城市纷纷修建城市高速道路、立交桥等基础交通设施，以改善人们的出行环境，在高速道路和立交桥建设完成的初期，确实曾有效地改善了当地的交通状况。但是，随着车流量的快速增长高速公路并没有起到应有的作用，高速堵车反倒成为城市一景，所以如何采用合适的方法，最大限度利用好修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的问题。城市交通控制系统是一个用计算机监测交通数据用信号灯控制交通的综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥

6、系统中的重要组成部分1。1.2 设计思想设计思想该设计在熟练掌握单片机及其仿真系统的使用方法基础上，综合应用单片机原理、微机原理、微机接口技术等课程方面的知识，设计一个采用STM32 单片机控制的交通灯控制电路。图 1.1 系统原理框架图图 1.1 为系统框架图，首先上电复位，再用按键运行 STM32 单片机中的程序，通过数据信号控制交通灯及 LCD 显示屏2。1.3 设计满足的基本功能设计满足的基本功能南北方向（主干道）车道和东西方向（支干道）车道两条交叉道路上电源电路STM32数据信号数据信号交通灯LCD显示屏按键模块定时器中断模块嵌入式系统原理与应用综合设计3的车辆交替运行，主、支干道每

7、次通行时间都设为 8 秒，黄灯时间设置为5 秒，时间可设置修改。在绿灯转为红灯时，黄灯先亮 5 秒钟，才能变换运行车道。黄灯亮时，每秒闪亮一次。LCD 显示屏可根据主干道所亮交通灯的情况变换颜色，并且显示广告，路况信息等。嵌入式系统原理与应用综合设计42 系统总体方案及硬件设计系统总体方案及硬件设计2.1 系统方案的确定系统方案的确定交通灯在安全行车过程中起着十分重要的作用，现在交通灯一般设在十字路口，在醒目位置用红、绿、黄三种颜色的指示灯，来控制行车,对于一般情况下的安全行车、车辆分流发挥着作用,但根据实际行车过程中出现的情况,如何全面有效地利用交通灯指示交通情况,我们尝试用单片机来控制交通

8、灯,在软、硬件方面采取一些改进措施,使交通灯在控制中灵活而有效。硬件系统是指构成单片机系统的实体和装置,通常由运算器、控制器、存储器、输入接口电路和输入设备、输出接口电路和输出设备等组成。单片机实质上是一个硬件的芯片，在实际应用中，通常很难直接和被控对象进行电气连接，必须外加各种扩展接口电路、外部设备、被控对象等硬件和软件，才能构成一个单片机应用系统。该交通灯控制系统的硬件部分主要由键盘、显示和运算部分组成。按照题目的设计要求，本课题需要使用LCD 显示屏和扩展键盘。在该交通灯系统的设计中采用 STM32 单片机。2.2 显示部分显示部分此次的 LCD 显示屏，LCD 英文 Liquid Cr

9、ystal Display 的简写，汉语称为液晶显示。无论是笔记本电脑还是桌面系统，采用的 LCD 显示屏都是由不同部分组成的分层结构。位于最后面的一层是由荧光物质组成的可以发射光线的背光层。背光层发出的光线在穿过第一层偏振过滤层之后进入包含成千上万水晶液滴的液晶层。液晶层中的水晶液滴都被包含在细小的单元格结构中，一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素。当 LCD 中的电极产生电场时，液晶分子就会产生扭曲，从而将穿越其中的光线进行有规则的折射，然后经过第二层过滤层的过滤在屏幕上显示出来3。嵌入式系统原理与应用综合设计52.3 路灯指示电路路灯指示电路在设计路灯时，采用了发光二极管代替路灯。图 2

10、.1图 2.1 为发光二极管实物图，极管工作原理是单向导通，即只有正极电压高于负极电压某特定值时才会导通，而负极电压高于正极电压是不导通的。发光二极管是一种特殊的二极管，导通时会发光（发光二极管导通压降一般为 1.7V1.9V） 。此外，工作电流要满足该二极管的工作电流。发光二极管的正负极可以用万用表进行判断，把万用表拨至二极管档或电阻挡，用两个表笔分别接触二极管的两个引出脚。若发光二极管被点亮，则与红表笔相接的引出脚为正极。从外观上看，发光二极管的正极引脚的长度也比较长。一般发光二极管与 I/O 端口之间都会再连接一个电阻，其作用在于限制通过二极管的电流，从而达到减少功耗或者满足端口对最大电

11、流的限制。一般发光二极管的点亮电流为 5mA 至 10mA。路灯设计时我采用了红、黄、绿三种发光二级管组4。嵌入式系统原理与应用综合设计63 软件设计软件设计3.1 应用系统软件设计应用系统软件设计在进行应用系统的总体设计时，软件设计与硬件设计应统一考虑，相结合进行。当系统的电路设计定型以后，软件的任务也就明确了。一般来说，软件的功能可分为两大类。一类是执行软件，它能完成各种实质性的功能，如测量计算、显示、打印、输出控制等；另一类是监控软件，它是专门用来协调各执行模块和操作者的关系，在系统软件中充当组织协调角色。我们设计时，应从以下几个方面考虑：根据软件功能的要求，将系统软件分为若干个相对独立

12、的部分。设计出合理的软件总体结构，使其清晰、简捷、流程合理。各功能程序实行模块化、子程序化。在编写应用软件之前，应绘制出程序流程图。要合理分配系统资源，包括 ROM、RAM、定时器/计数器、中断源等。本设计采用了模块化设计，主要由主程序模块、功能实现模块两大部分模块组成。3.2 主程序模块的设计主程序模块的设计该交通信号灯控制系统的四种工作状态（南北方向的交通灯为例）：南北方向 A 车道红灯亮，东西方向 B 车道绿灯亮。表示南北方向 A车道上的车辆禁止通行，东西方向 B 车道允许通行。绿灯亮足规定的时间隔时，控制器发出状态信号，转到下一工作状态。南北方向 A 车道红灯亮，东西方向 B 车道黄灯

13、亮。表示东西方向 B车道上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行，南北方向 A 车道禁止通行。黄灯亮足规定时间间隔时，控制器发出状态转换信号，嵌入式系统原理与应用综合设计7转到下一工作状态。南北方向 A 车道绿灯亮，东西方向 B 车道红灯亮。表示南北方向 A车道允许通行，东西方向 B 车道上的车辆禁止通行，绿灯亮足规定的时间间隔时，控制器发出状态转换信号，转到下一工作状态。南北方向 A 车道黄灯亮，东西方向 B 车道红灯亮。表示东西方向 B车道禁止通行，南北方向 A 车道上位过限停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行。黄灯亮足规定的时间间隔时，控制器发出状态转换信号，系统又

14、转换到第一种工作状态。LCD 显示屏显示内容始终和南北方向指示灯保持一致5。3.3 软件流程图软件流程图开始初始化绿灯倒计时倒计时完毕？黄灯闪烁5秒红灯倒计时倒计时完毕？是否否是嵌入式系统原理与应用综合设计8图 3.1图 3.1 为南北方向交通灯流程图，首先开始复位，让后亮绿灯，绿灯延时 8 秒然后判断是否倒计时完毕，倒计时没完则继续倒计时，若完毕则接下来黄灯闪烁 5 次共 5 秒，最后红灯倒计时，再判断是否倒计时完毕，倒计时没完毕则继续倒计时，完毕则返回绿灯继续执行6。3.4 两组灯路切换时间图两组灯路切换时间图红灯R1R21010绿灯G1G21010黄灯Y1Y21010T1T1T2T3图

15、3.2图 3.2 为两组灯路切换时间图。图中，T1 为每条道通车时限，T2 为绿灯亮，允许通车时间，T3 为黄灯闪烁时间。通车时间 T2=T1-T3，不论车道口有无车辆，允许通过时间是固定的易造成车疏之道空闲车密之道堵车。为此提出使用周期可变的切换方式，即每条道的通车时限 T1 可变。缩短车疏或无车之道的通车时间，增长车密之道通车时间7。嵌入式系统原理与应用综合设计94 硬件电路设计硬件电路设计4.1 时钟电路模块设计时钟电路模块设计C1C2Y12M图 4.1图 4.1 为时钟电路图，单片机最小系统是能够让单片机工作的最小硬件电路，除了单片机外，最小系统还应包括时钟电路和复位电路。其中时钟电路

16、由一个 12MHZ 的晶振和两个 30pF 的瓷片电容 C1 和 C2 组成。时钟电路为单片机工作提供基本的时钟。单片机内部由大量的时序电路构成，没有时钟脉冲即“脉搏”的跳动，各个部分将无法正常工作8。4.2 复位电路模块设计复位电路模块设计VCCSW-PB复位+R1220C322u5KR2图 4.2图 4.2 为按键复位电路，无论是在单片机刚开始接上电源时，还是断嵌入式系统原理与应用综合设计10电后或者发生故障后都需要复位。单片机复位是使 CPU 和系统中的其他功能部件都恢复到一个确定的初始值，并从这个状态开始工作。例如复位后 PC=0000H，这就使单片机从程序存储器的第一个单元取指令执行

17、。常见的复位电路有按键复位电路和上电复位电路两种，本次设计采用的是按键复位电路9。4.3 LED 显示电路图显示电路图VCC绿黄红绿黄红绿黄红绿黄红图 4.3图 4.3 为 LED 显示电路图，即交通灯电路图。其中负极都连在同一个地线上，同一条道上的红灯与红灯相连，黄灯与黄灯相连，绿灯与绿灯相连，两组交通灯分别接六个两组端口10。4.4 各管脚分配各管脚分配表 4.1 各管脚分配说明引脚说明PA3主干道绿灯PA4主干道黄灯PA5主干道红灯PC3次干道绿灯嵌入式系统原理与应用综合设计11PC2次干道黄灯PC0次干道红灯PA13运行按键PB0-PB7LCD 显示屏上拉输入PB8-PB15LCD 显

18、示屏下拉输入如表 4.1 所示，PA3 连接主干道红灯，PA4 连接主干道黄灯，PA5 连接住干道绿灯，PC3 连接次干道红灯，PC2 连接次干道黄灯，PC0 连接次干道红灯，PA13 连接运行按键，而 PB0-PB7 为 LCD 显示屏的上拉输入，PB8-PB15 为 LCD 显示屏下拉输入11。嵌入式系统原理与应用综合设计125 实物展示实物展示5.1 主干道绿灯主干道绿灯图 5.1图 5.1 为交通灯主干道绿灯演示图，图中主干道为绿灯，绿灯持续 8秒，次干道为红灯，红灯持续 8 秒，LCD 显示屏为绿色，显示绿灯亮时的广告语。嵌入式系统原理与应用综合设计135.2 主干道黄灯主干道黄灯图

19、 5.2图 5.2 为主干道黄灯演示图，图中，主干道为黄灯，黄灯闪烁 5 秒，每 0.5 秒闪烁一次共 5 次，此时，次干道为红灯，LCD 显示屏为黄色依然显示绿灯广告语。嵌入式系统原理与应用综合设计145.3 主干道红灯主干道红灯图 5.3图 5.3 为主干道红灯演示图，图中主干道两边为红灯，持续时间为 8秒，次干道为绿灯，持续时间为 8 秒，LCD 显示屏为红色，显示红灯广告语。嵌入式系统原理与应用综合设计156 结束语结束语这次课程设计经过反复琢磨与修改，终于完成了。从查资料，整理资料到读程序，写程序，改程序，焊接电路板，一切都充满了刻苦与艰辛，其间充满了挫折可是同时又伴随着欢乐。令我们

20、感触最深的就是同学之间的倾心帮助，由于我们的单片机知识学的并不是特别扎实，所以对某些知识点并不是很清楚，可是同学们总是在一起讨论学习，互相讲解，大家不同的知识阅历另每个人都大开眼界，这都是团队合作带给我们的成长。另外，在重复修改与设计的过程中，我们再次仔细学习了嵌入式系统及其应用这本书，弄懂了一些以前一知半解的东西，进一次加强和巩固了我们的理论知识。在编写程序的过程中，也遇到了不少的困难，但是大家一起探讨就让困难迎刃而解，一个人的力量是有限的，大家的力量是无穷的。在此次课程设计过程中，我们把单片机的理论知识应用于实践中，使理论与实践相结合，使我们的理论知识的到了巩固，在查资料翻阅资料的过程中也

21、丰富了我们的知识跟阅历。嵌入式系统原理与应用综合设计16参考文献参考文献1 李娟.城乡交通灯控制系统电路设计J.科技创新导报，2013（29）：246-247.2 黄余，王强.基于单片机的交通灯控制系统设计J.铜仁学院学报，2013（15）增刊：151-152.3 杨居义.单片机课程设计指导M.北京：清华大学出版社，2009：62-78.4 蔡伟智.LED 道路交通灯的研制J.液晶与现实，2005（5）：456-457.5 李秀芳.单片机交通灯控制系统设计要点J.消费电子，2013（10）：43.6 赵明，杜坚，秦连升.一种基于单片机的交通灯控制系统J.信息通信，2014（1）：82-85.7

22、 杨汉祥，刘良福，邬喜辉.利用单片机改进交通灯系统J.北京电子科技学院学报，2005（13）：68-70.8 刘新英，高玉雪.基于单片机的交通灯控制系统设计J.电子设计工程.2014(22):174-176.9 陈延奎.基于单片机的交通灯控制系统J.重庆科学技术学院学报（自然科学版）2007（9）：59-70.10 肖传清.基于单片机控制交通灯的设计J.赤峰学院学报 2013（29）：32-33.11 熊丽萍，张翠云，马广原.基于单片机的交通灯控制系统设计J.机电工程技术，2013（42）：79-82.嵌入式系统原理与应用综合设计17附附录录主程序#include led.h#include

23、delay.h#include key.h#include sys.h#include usart.h#include lcd.h#include spi.h#include flash.h#include mmc_sd.h#include ff.h#include integer.h#include diskio.h#include text.h#include 24cxx.h#include fontupd.h/子函数 主干道绿灯广告语void Green_LED_STOP(void)while(font_init() while(update_font();LCD_Clear(GREEN

24、);/绿色POINT_COLOR=BLACK; /黑色Show_Str(85,60,广告招商,16,0); 嵌入式系统原理与应用综合设计18/子函数 主干道黄灯广告语void Yellow_LED_STOP(void)while(font_init()LCD_Clear(YELLOW);/黄色POINT_COLOR=BLACK; /黑色Show_Str(85,80,广告招商,16,0);/子函数 主干道红灯广告语void RED_LED_STOP(void)while(font_init() while(update_font();LCD_Clear(RED);/红色POINT_COLOR=B

25、LACK; /黑色Show_Str(85,100,广告招商,16,0);/子函数 交通灯全灭void LED_STOP(void) LEDZG=0;LEDZY=0;LEDZR=0; /主干道红灯 黄灯 绿灯 LEDCG=0;LEDCY=0;LEDCR=0; /主次干道红灯 黄灯 绿灯/子函数 主干道绿灯、次干道红灯void LEDZG_PASS(void) LEDZG=1;LEDZY=0;LEDZR=0;嵌入式系统原理与应用综合设计19 LEDCG=0;LEDCY=0;LEDCR=1; delay_ms(1000); /延时 1 秒/子函数 主干道黄灯、次干道红灯void LEDZY_PASS

26、(void) LEDZG=0;LEDZY=1;LEDZR=0; LEDCG=0;LEDCY=0;LEDCR=1;delay_ms(500); /黄灯闪烁两次各延时 0.5 秒LEDZG=0;LEDZY=0;LEDZR=0;LEDCG=0;LEDCY=0;LEDCR=1; delay_ms(500);/子函数 主干道红灯、次干道绿灯void LEDZR_PASS0(void)LEDZG=0;LEDZY=0;LEDZR=1;LEDCG=1;LEDCY=0;LEDCR=0; delay_ms(1000); /延时 1 秒/子函数 主干道红灯、次干道黄灯void LEDZR_PASS1(void)LEDZG=0;LEDZY=0;LEDZR=1;LEDCG=0;LEDCY=1;LEDCR=0; delay_ms(500); /黄灯闪烁 两次各