arm模拟交通信号灯控制器设计

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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： 专业班级： 姓 名： 学 号： 小组成员： 指导教师： 完完 成成 日日 期期 2014 年年 11 月月 目录目录 1 概述.1 1.1 引言 1 1.2 设计思想 2 1.3 设计满足的基本功能 2 2 系统总体方案及硬件设计.4 2.1 系统方案的确定 4 2.2 显示部分 4 2.3 路灯指示电路 5 3 软件设计.6 3.1 应用系统软件设计 6 3.2 主程序模块的设计 6 3.3 软件流程图 7 3.4 两组灯路切换时间图 8 4 硬件电路设计.9 4.1 时钟电路模块设计 9 4.2 复位电路模块设计 9 4

2、.3 LED 显示电路图10 4.4 各管脚分配 .10 5 实物展示12 5.1 主干道绿灯 .12 5.2 主干道黄灯 .13 5.3 主干道红灯 .14 6 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 1 1 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

3、 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

4、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

5、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

6、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 STM

7、32 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 4 2 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

8、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

9、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 Crystal 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

10、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 5 2.3 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 2.1 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

11、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。 嵌入式系统原理与应用综合设计 6 3 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。

12、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 主程序模块的设计主程序模块的设计 该交通信号灯

13、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， 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

14、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

15、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 R1 R2 1 0 1 0 绿灯 G1 G2 1 0 1 0 黄灯 Y1 Y2 1 0 1 0 T1T1 T2 T3 图 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

16、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 9 4 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 C1 C2 Y 12M 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 VCC SW-PB 复位 + R1 220 C3 22u 5K R2 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