1引言交通信號燈指揮著人和各種車輛的安全運行，實現(xiàn)紅、黃、綠燈的自動指揮是城鄉(xiāng)交通管理現(xiàn)代化的重要課題。在城鄉(xiāng)街道的十字交叉路口，為了保證交通秩序和行人安全，一般在每條道路上各有一組紅、黃、綠交通信號燈，其中紅燈亮，表示該條道路禁止通行; 黃燈亮，表示該條道路上未過停車線的車輛停止通行，已過停車線的車輛繼續(xù)通行；綠燈亮，表示該條道路允許通行。交通燈控制電路自動控制十字路口兩組紅、黃、綠交通燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，指揮各種車輛和行人安全通行，實現(xiàn)十字路口城鄉(xiāng)交通管理自動化。
本文為了實現(xiàn)交通道路的管理，力求交通管理先進(jìn)性、科學(xué)化。 分析應(yīng)用了單片機實現(xiàn)智能交通燈管制的控制系統(tǒng)，以及該系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計方法，實驗證明該系統(tǒng)實現(xiàn)簡單、經(jīng)濟，能夠有效地疏導(dǎo)交通，提高交通路口的通行能力。
2 相關(guān)內(nèi)容及原理通過設(shè)計，培養(yǎng)自己綜合運用所學(xué)知識、獨立分析和解決實際問題的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，并獲得科學(xué)研究的基礎(chǔ)訓(xùn)練，加深對ARM芯片的了解；熟悉ARM芯片各個引腳的功能，工作方式，計數(shù)/定時，I/O口，中斷等相關(guān)原理，鞏固學(xué)習(xí)嵌入式的相關(guān)內(nèi)容知識。
利用ARM芯片模擬實現(xiàn)交通燈控制，自行選擇所需ARM芯片，查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，熟悉所選ARM芯片，了解所選ARM芯片各個引腳功能，工作方式，計數(shù)/定時，I/O口，中斷等相關(guān)原理，通過軟硬件設(shè)計實現(xiàn)利用ARM芯片完成交通燈的模擬控制。
3 作品設(shè)計要求要求基于Cortex系列單片機設(shè)計一具有模擬道路路口交通燈相應(yīng)功能的交通燈模擬系統(tǒng)。具體要求如下：
（1）具有三種顏色顯示：紅色、綠色和黃色，分別代表路口交通燈的三種顏色。
（2）所設(shè)計的系統(tǒng)應(yīng)至少能夠模擬兩個路口的功能，具有直行和左轉(zhuǎn)的功能。
（3）如果能力和時間允許，可以加入操作系統(tǒng)。
（4）適當(dāng)加入一些其他元素，使其更加具有人性化設(shè)計。
4 作品方案設(shè)計4.1 設(shè)計思路利用STM32F103芯片實現(xiàn)單路交通燈的控制： a 實現(xiàn)紅、綠、黃燈的循環(huán)控制。使用紅、黃、綠三種不同顏色的LED燈實現(xiàn)此功能，主干道正前方方向的LED燈，編號分別為1、2、3，分別接在單片機的PB8、PB6、PB9的引腳上；主干道右方的LED燈，編號分別為4、5、6，分別接在單片機的PA14、PA10、PA8的引腳上；主干道后側(cè)的LED燈，編號分別為7、8、9，分別接在單片機的PD10、PD12、PD14引腳上。主干道左方的LED燈，編號分別為10、11、12，分別接在單片機的PE7、PE11、PE15引腳上。以此實現(xiàn)四個路口的交通燈模擬系統(tǒng)。用軟件控制燈的亮與滅來控制車輛和行人的通行。
交通路口示意圖如圖4.1車輛遇到紅燈停綠燈行的行走情況，紅綠燈時間均為2000ms，切換時間為2000ms，最后2000ms為黃燈閃爍。
圖4.1 交通路口示意圖
4.2 總體設(shè)計框圖用ARM系列芯片STM32F103作為系統(tǒng)的主控芯片，控制交通燈的循環(huán)點亮并顯示燈亮?xí)r間（采用倒計時顯示），當(dāng)定時時間到的時候通過燈的狀態(tài)來提醒人們注意紅綠燈的狀態(tài)。
圖4.2 交通燈總體設(shè)計框圖
5 硬件電路模塊設(shè)計及其分析根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求，自行選擇電子元件，畫出電氣原理圖，并調(diào)試。一個完整的系統(tǒng)除了主控芯片以外，還需配上電源系統(tǒng)、時鐘電路、復(fù)位電路等。獨立的芯片是不能工作的。
5.1 STM32F103芯片介紹 STM32F103是基于一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的32 位 CPU 的微控制器，STM32F1系列屬于中低端的32位ARM微控制器，該系列芯片是意法半導(dǎo)體（ST）公司出品，其內(nèi)核是Cortex-M3。該系列芯片按片內(nèi)Flash的大小可分為三大類：小容量（16K和32K）、中容量（64K和128K）、大容量（256K、384K和512K）。芯片集成定時器，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART，等多種功能。
具有以下一些特性：
- ARM 32位的Cortex-M3
- 最高72MHz工作頻率，在存儲器的0等待周期訪問時可達(dá)1.25DMips/MHZ（DhrystONe2.1），從32K到512K字節(jié)的閃存程序存儲器，最大64K字節(jié)SRAM
- 2.0-3.6V供電和I/O引腳
- 上電/斷電復(fù)位（POR/PDR）、可編程電壓監(jiān)測器（PVD）
- 4-16MHZ晶振振蕩器
- 內(nèi)嵌經(jīng)出廠調(diào)教的8MHz的RC振蕩器
- 2個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，1us轉(zhuǎn)換時間（多達(dá)16個輸入通道），轉(zhuǎn)換范圍：0至3.6V，雙采樣和保持功能
- 2個DMA控制器，共12個DMA通道：DMA1有7個通道，DMA2有5個通道
- 片內(nèi)晶振頻率范圍：1～30 MHz。
- 通過片內(nèi)PLL可實現(xiàn)最大為60MHz的CPU操作頻率，PLL的穩(wěn)定時間
為100us
- 支持的外設(shè)：定時器、ADC、SPI、USB、IIC和UART
- 多達(dá)112個快速I/O端口(僅Z系列有超過100個引腳)
- 3個16位定時器，每個定時器有多達(dá)4個用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或脈沖計數(shù)的通道和增量編碼器輸入
- 1個16位帶死區(qū)控制和緊急剎車，用于電機控制的PWM高級控制定時器
- ECOPACK封裝
5.2 STM32F103主電路原理圖圖5.1為STM32F103芯片的原理圖，多達(dá)100個引腳，采用3.3V或者5V電源供電，設(shè)計所需外接器件的網(wǎng)絡(luò)名已經(jīng)標(biāo)出。
圖5.1 STM32F103芯片的原理圖
5.3 系統(tǒng)電源電路設(shè)計本電源運用5V的直流電源（圖5.2所示)。通過LM78系列芯片將5V電壓轉(zhuǎn)換為電壓，為STM32F103芯片供電，STM32F103芯片所能承受的電壓范圍是2V~3.6V。
圖5.2 直流電源電路設(shè)計
5.4 晶振與復(fù)位電路模塊
系統(tǒng)的晶振電路如圖5.4所示STM32f103芯片采用8MHz的晶振作為振蕩時鐘源，外部是倍頻72MHz晶振。通過對芯片的進(jìn)行軟件設(shè)計可以將晶體振蕩器的頻率分頻為所需的頻率；系統(tǒng)的復(fù)位電路如圖5.5所示，STM32F103芯片的14號引腳連接到主控芯片的復(fù)位引腳（nRST）上，按下復(fù)位鍵S2時，系統(tǒng)將會復(fù)位到初始的狀態(tài)。
圖5.4 系統(tǒng)的晶振電路圖 圖5.5 系統(tǒng)的復(fù)位電路圖
5.5 LED循環(huán)顯示設(shè)計 由南向北和由北向南車道各用一組紅、綠、黃三色的指示燈，左右兩側(cè)也是各三個燈，指揮車輛通行。綠燈是通行信號，面對綠燈的車輛可以直行，紅燈是禁止通行信號，面對紅燈的車輛必須在路口的停車線后停車。黃燈是警告信號，面對黃燈的車輛不能越過停車線，但車輛已十分接近停車線而不能安全停車時可以繼續(xù)行進(jìn)。具體紅綠燈時間分配時間如表5.1所示。
表5—1：紅綠燈時間分配時間如表
上表說明主干通道綠燈亮、黃燈閃時人行道都是紅燈亮，只有車道
紅燈亮（車輛完全停下來）時人行道綠燈才亮，這樣保證了過馬路的行人人身安全，避免了不必要的交通事故。硬件電路連接圖如圖5.6所示
圖5.6 硬件電路連接圖
交通燈LED的發(fā)光和熄滅的控制，是通過控制GPIO寄存器組來完成的，須先將引腳PA、PB、PD、PE等通過引腳功能選擇寄存器PINSEL1，設(shè)置為GPIO方式；再設(shè)置GPIO方向寄存器1（IO1DIR），對應(yīng)的引腳設(shè)置為輸出方向。要點亮LED1～LED12需要使用GPIO清零寄存器1（IO1CLR）的對應(yīng)位設(shè)置為1，即在引腳PA、PB、PD、PE上加邏輯低電平，即可點亮這些燈。與之相反，要熄滅這些燈，則要用GPIO輸出置位寄存器1（IO1SET）將對應(yīng)的位置位即可。
6 系統(tǒng)軟件設(shè)計及其分析6.1 軟件設(shè)計流程圖圖6.1為ARM模擬交通燈控制程序流程圖，主程序主要完成倒計時顯示及控制蜂鳴器，中斷服務(wù)程序主要控制那些燈亮以及亮的時間。
圖6.1 ARM模擬交通燈控制程序流程圖
6.2 ARM交通燈模擬控制程序設(shè)計定時器控制原理：定時器對外設(shè)時鐘Fpclk周期進(jìn)行計數(shù)，根據(jù)4個匹配寄存器的設(shè)定可設(shè)置為匹配（即達(dá)到匹配寄存器指定的定時值）時產(chǎn)生中斷或執(zhí)行其他操作。
設(shè)置P0、P1口為GPIO輸出狀態(tài)，初始化定時器，選定定時器0中斷為向量IRQ，對VICIntEnable、VICIntSelect、VICvectCntl進(jìn)行設(shè)置，初始化SPI接口，根據(jù)設(shè)計要求編寫軟件程序。根據(jù)事先畫好的程序流程圖，用C語言編寫程序，在主程序中對需要用到的I/O口進(jìn)行定義，并設(shè)置相應(yīng)的I/O口，比如要求P1。18～P1。25引腳為GPIO功能，則通過對引腳功能選擇 寄存器PINSEL1將對應(yīng)的引腳設(shè)置為GPIO方式并設(shè)置GPIO方向，在GPIO方向寄存器IO1DIR里設(shè)置，之后對定時器0進(jìn)行初始化，并開相應(yīng)的中斷。然后進(jìn)入大循環(huán)進(jìn)行倒計時顯示、控制蜂鳴器的蜂鳴與否并判斷flag是否加到設(shè)定值，對flag加到設(shè)定值后進(jìn)行清零，讓flag重新計數(shù)。中斷服務(wù)程序的設(shè)計，每隔一秒鐘定時器中斷一次，每中斷一次flag加1根據(jù)LED點亮的先后順序以及點亮的時間，分別編寫相應(yīng)的程序。
7 系統(tǒng)軟件代碼7.1 軟件設(shè)計流程圖
圖7.1 軟件設(shè)計流程圖
7.2 系統(tǒng)軟件代碼主程序部分：
#include "stm32f10x.h"
#include "led.h"
#include"timer.h"
u32 time=0;//Ms級延時變量
int i;
int main(void)
{
LED_GPIO_Configuration();
TIM2_Config1();
TIM2_NVIC_Config1();
TIM_Cmd(TIM2,ENABLE);//開啟TIM2
while(1){
i=0;
Delay_MS(2000);
LED2(ON);LED4(ON);LED7(ON);LED10(ON);//直行燈亮
Delay_MS(2000);//延時
LED2(OFF);//直行燈滅
while(i<10) //黃燈閃爍
{ LED3(ON);
Delay_MS(100);
LED3(OFF);
Delay_MS(100);
i++;
}
LED2(OFF);LED4(OFF);LED7(OFF);LED10(OFF);//直行燈結(jié)束
LED1(ON);LED7(ON);LED10(ON);LED5(ON);//右行燈亮
Delay_MS(3000);
LED5(OFF);//右行燈滅
i=0;
while(i<10)
{ LED6(ON);
Delay_MS(100);
LED6(OFF);
Delay_MS(100);
i++;
}
LED5(OFF);LED1(OFF);LED7(OFF);LED10(OFF);//右行燈結(jié)束
LED1(ON);LED7(ON);LED4(ON);LED11(ON);//左行燈亮
Delay_MS(3000);
LED11(OFF);//左行燈滅
i=0;
while(i<10)
{ LED12(ON);
Delay_MS(100);
LED12(OFF);
Delay_MS(100);
i++;
}
LED11(OFF);LED1(OFF);LED7(OFF);LED4(OFF);//左行燈結(jié)束
LED1(ON);LED4(ON);LED10(ON);LED8(ON);//后行燈
Delay_MS(3000);
LED1(OFF);LED4(OFF);LED10(OFF);LED8(OFF);//后行燈滅
}
}
底層寄存器配置部分：
void LED_GPIO_Configuration(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
/*開啟GPIOC&GPIOE的時鐘 */ RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOD|RCC_APB2Periph_GPIOE|RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);
/* Configure PB.04, PB.06 and PB.08*/
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9 | GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_8 ;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;//輸出上拉
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
/* Configure PA.08, PA.10 and PA.12 */
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8 | GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_12 ;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;//輸出上拉
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
/* Configure PD.10, PD.12 and PD.08 */
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_12 | GPIO_Pin_15;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;//輸出上拉
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStructure);
/* Configure PE.07, PE.11 and PE.15 */
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_7 | GPIO_Pin_11 | GPIO_Pin_15;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;//輸出上拉
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStructure);
LED1(OFF);LED2(OFF);LED3(OFF);LED4(OFF);LED5(OFF);LED6(OFF);LED7(OFF);LED8(OFF);LED9(OFF);LED10(OFF);LED11(OFF);LED12(OFF);
內(nèi)聯(lián)函數(shù)定義LED函數(shù)部分：
#ifndef _LED_H
#define _LED_H
#include"stm32f10x.h"
#define ON 0
#define OFF 1
/***************內(nèi)聯(lián)函數(shù)定義LED函數(shù)****************/
#define LED1(a) if (a)
GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_8);
else
GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_8)
#define LED4(a) if (a)
GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_12);
else
GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_12)
#define LED7(a) if (a)
GPIO_SetBits(GPIOD,GPIO_Pin_10);
else
GPIO_ResetBits(GPIOD,GPIO_Pin_10)
#define LED10(a) if (a)
GPIO_SetBits(GPIOE,GPIO_Pin_15);
else
GPIO_ResetBits(GPIOE,GPIO_Pin_15)
#define LED2(a) if (a)
GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_6);
else
GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_6)
#define LED5(a) if (a)
GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_10);
else
GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_10)
#define LED8(a) if (a)
GPIO_SetBits(GPIOD,GPIO_Pin_12);
else
GPIO_ResetBits(GPIOD,GPIO_Pin_12)
#define LED11(a) if (a)
GPIO_SetBits(GPIOE,GPIO_Pin_11);
else
GPIO_ResetBits(GPIOE,GPIO_Pin_11)
#define LED3(a) if (a)
GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_9);
else
GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_9)
#define LED6(a) if (a)
GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_8);
else
GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_8)
#define LED9(a) if (a)
GPIO_SetBits(GPIOD,GPIO_Pin_15);
else
GPIO_ResetBits(GPIOD,GPIO_Pin_15)
#define LED12(a) if (a)
GPIO_SetBits(GPIOE,GPIO_Pin_7);
else
GPIO_ResetBits(GPIOE,GPIO_Pin_7)
void LED_GPIO_Configuration(void);
#endif
8 Keil軟件的運用與調(diào)試
根據(jù)事先畫好的程序流程圖，用C語言編寫程序，并成功生成HEX文件，利用keil軟件編譯結(jié)果如圖8.1 所示。
圖8.1 編譯結(jié)果示意圖
調(diào)試過程截圖：
設(shè)計為系統(tǒng)上電即點亮車道紅燈以及馬路綠燈，倒計時1000ms紅燈開始閃爍，同時馬路紅燈亮，紅燈閃1000ms接著轉(zhuǎn)為黃燈閃1000ms，然后車輛通道轉(zhuǎn)為綠燈亮，1000ms后綠燈閃1000ms，黃燈再閃1000ms之后又回到紅燈亮，人行道只在車輛通道紅燈時才亮綠燈。這主要靠在中斷服務(wù)程序中對計數(shù)值flag的判斷來對正在點亮的燈進(jìn)行定時實現(xiàn)程序詳細(xì)清單見附錄。
9 實物演示照片
10 作品電路的PCB圖在設(shè)計好軟件流程圖以及焊接好硬件電路后，用Altium Designer軟件進(jìn)行電路的PCB設(shè)計，下圖是主電路芯片的PCB：
11 設(shè)計心得體會及總結(jié)
1、因為設(shè)計中所用的一些工具，平時雖然接觸過，但研究不夠深入，所以此次課程設(shè)計
在選好題目之后對設(shè)計所需資料進(jìn)行了系統(tǒng)查詢和整理，其中包括了我們學(xué)習(xí)過程中用
到的課本和網(wǎng)上搜索的期刊文獻(xiàn)等；
2、此次嵌入式實驗是比較全面的一個實驗，所涉及的內(nèi)容十分廣泛，包括底層硬件結(jié)構(gòu)
以及上層操作系統(tǒng)、驅(qū)動程序等方面，在實驗過程中雖然遇到了各種各樣的問題，但解
決問題的同時也鍛煉了我們分析問題的能力以及動手能力，做完后感覺獲益匪淺；
3、回顧此次ARM課程設(shè)計，我感慨很多，在這幾星期里，可以說苦多于甜，但是確實
又學(xué)到了很多東西，不僅鞏固了以前所學(xué)的知識，而且學(xué)到了很多書本上沒有的新的知
識。在設(shè)計調(diào)試的過程中遇到了各種各樣的問題，同時也發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處；
4、在編譯和調(diào)試的過程中，由進(jìn)一步加強了自己編程和改錯的能力，通過研究這方面的
課題，可以更深刻地理解交通信號燈的整個過程，同時也加強了嵌入式學(xué)習(xí)的技巧。由
于時間的關(guān)系，只能做到這些功能，我知道想要實現(xiàn)功能更強大的交通信號燈，還有大
量的工作要做，希望以后還可以進(jìn)一步接觸此類設(shè)計。
[復(fù)制鏈接]
