ARM模拟交通信号灯控制器设计.docx
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ARM模拟交通信号灯控制器设计.docx
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ARM模拟交通信号灯控制器设计
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《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
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指导教师:
完成日期2014年11月
1概述
1.1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、沪这些大城市道路状况不容乐观,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系统中的重要组成部分[1]。
1.2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]。
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的车辆交替运行,主、支干道每次通行时间都设为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。
2系统总体方案及硬件设计
2.1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
此次的LCD显示屏,LCD英文LiquidCrystalDisplay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]。
2.3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
图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~)。
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]。
3软件设计
3.1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
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,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
图
图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
图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]。
4硬件电路设计
4.1时钟电路模块设计
图为时钟电路图,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
图为按键复位电路,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。
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]。
4.3LED显示电路图
图为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
PC2
次干道黄灯
PC0
次干道红灯
PA13
运行按键
PB0-PB7
LCD显示屏上拉输入
PB8-PB15
LCD显示屏下拉输入
如表所示,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]。
5实物展示
5.1主干道绿灯
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。
5.2主干道黄灯
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。
5.3主干道红灯
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。
6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丰富了我们的知识跟阅历。
参考文献
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清华大学出版社,2009:
62-78.
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456-457.
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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
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[7]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):
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[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.
附录
主程序
#include"led.h"
#include"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
voidGreen_LED_STOP(void)
{
while(font_init())
{
while(update_font();
}
LCD_Clear(GREEN);//绿色
POINT_COLOR=BLACK;//黑色
Show_Str(85,60,"广告招商",16,0);
}
//子函数主干道黄灯广告语
voidYellow_LED_STOP(void)
{
while(font_init())
LCD_Clear(YELLOW);//黄色
POINT_COLOR=BLACK;//黑色
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}
//子函数主干道红灯广告语
voidRED_LED_STOP(void)
{
while(font_init())
{
while(update_font();
}
LCD_Clear(RED);//红色
POINT_COLOR=BLACK;//黑色
Show_Str(85,100,"广告招商",16,0);
}
//子函数交通灯全灭
voidLED_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
voidLEDZG_PASS(void)
{
LEDZG=1;LEDZY=0;LEDZR=0;
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
voidLEDZY_PASS(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
voidLEDZR_PASS0(void)
{
LEDZG=0;LEDZY=0;LEDZR=1;
LEDCG=1;LEDCY=0;LEDCR=0;
delay_ms(1000);//延时1秒
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//子函数主干道红灯、次干道黄灯
voidLEDZR_PASS1(void)
{
LEDZG=0;LEDZY=0;LEDZR=1;
LEDCG=0;LEDCY=1;LEDCR=0;
delay_ms(500);//黄灯闪烁两次各延时秒
LEDZG=0;LEDZY=0;LEDZR=1;
LEDCG=0;LEDCY=0;LEDCR=0;
delay_ms(500);
}
//子函数LED灯,LCD显示器
voidLED_INT(u8j)
{
//***************FOR主干道绿灯、次干道红灯8
Green_LED_STOP();//主干道绿灯通行广告语
for(j=8;j>0;j--)
{
LEDZG_PASS();//主干道绿灯
}
LED_STOP();//交通灯全灭
//**************FOR主干道黄灯、次干道红灯5S
Yellow_LED_STOP();//主干道黄灯通行广告语
for(j=5;j>0;j--)
{
LEDZY_PASS();//主干道黄灯
}
LED_STOP();//交通灯全灭
//***************FOR主干道红灯、次干道绿灯8S
RED_LED_STOP();//主干道红灯通行广告语
for(j=8;j>0;j--)
{
LEDZR_PASS0();//主干道红灯
}
LED_STOP();//交通灯全灭
//***************FOR主干道红灯、次干道黄灯5S
RED_LED_STOP();//主干道红灯通行广告语
for(j=5;j>0;j--)
{
LEDZR_PASS1();//主干道红灯
}
LED_STOP();//交通灯全灭
}
//主函数
intmain(void)
{
u8t;
SystemInit();//系统时钟设置
delay_init(72);//延时初始化
uart_init(9600);
NVIC_Configuration();//设置NVIC中断分组2:
2位抢占优先级,2位响应优先级
LED_Init();//初始化与LED连接的硬件接口
KEY_Init();//初始化与按键连接的硬件接口
LCD_Init();
SPI_Flash_Init();//SPIFLASH初始化
LED_STOP();
while
(1)
{
t=KEY_Scan();//得到键值
if(t)
{
switch(t)
{
case1:
while
(1){LED_INT(8);}
case3:
while
(1){LED_INT(20);}
}}}}
- 配套讲稿:
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