根据ARM的交通灯设计.doc
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1、 sfe攀枝花学院本科课程设计基于ARM的交通灯设计学生姓名: 学生学号: 院(系): 电气信息工程学院 年级专业: 指导教师: 二一四年十二月摘 要本设计是基于STM32微控制器进行的交通灯设计,STM32是意法半导体以ARM为核心的微控制器。交通灯通常指由红、黄、绿三种颜色灯组成用来指挥交通的信号灯。绿灯亮时,准许车辆通行,黄灯亮时,已越过停止线的车辆可以继续通行;红灯亮时,禁止车辆通行。 交通灯的硬件设计主要由三部分组成:微控制器最小系统,交通灯的信号灯,显示时间的数码管。软件部分由三部分组成:数码管显示函数,交通灯切换函数,时间计时函数。交通灯工作的流程是计数器每秒钟减一,减到零时切换
2、信号灯,在主函数中调用数码管显示函数,以便快速扫描显示。交通灯设计的关键问题是实现信号灯切换、计数器自减、数码管扫描显示等功能。同时该设计具有设计方法合理,简单易行,成本低,安全实用等特点,具有推广价值。关键词 微控制器,交通灯,数码管,STM32,ARM目 录摘 要11 绪论31.1本课题研究的背景及意义31.2国内外研究现状、水平31.3本课题的发展趋势31.4本课题的研究内容32 方案设计52.1微控制器选择52.2显示设备的选择52.3信号灯的选择52.4系统设计思路52.5方案框图62.6方案论证63 硬件设计与实现63.1电路设计框图63.2最小系统设计73.3 LED模块73.4
3、数码管模块73.5系统总电路图84 软件设计94.1软件的设计架构94.2软件设计过程94.3 MDK工程建立及配置104.4主要函数代码115 系统仿真与调试13体会14参 考 文 献151 绪论1.1本课题研究的背景及意义随着社会的发展,人们不断地从农村涌入城市,城市人口越来越多,现在中国的千万级人口的城市越来越多。人口多伴随的是车辆越来越多,而且我们的生活越来越好,私家车越来越多,如果没有一个良好的交通规则,那么城市的交通系统必然会瘫痪。交通警察是有限的,这种情况下永不下岗的“交通警察”交通灯就派上大用场了。现在的交通灯已经是城市中不可缺少的基础设施。交通灯通常指由红、黄、绿三种颜色灯组
4、成用来指挥交通的信号灯。绿灯亮时,准许车辆通行,黄灯亮时,已越过停止线的车辆可以继续通行;红灯亮时,禁止车辆通行。1.2国内外研究现状、水平目前设计交通灯的方案有很多,西方国家已经有应用CPLD设计实现交通信号灯控制器方法;有应用PLC实现对交通灯控制系统的设计;有应用单片机实现对交通信号灯设计的方法。目前,国内的交通灯一般设在十字路门,在醒目位置用红、绿、黄三种颜色的指示灯。加上一个倒计时的显示计时器来控制行车。对于一般情况下的安全行车,车辆分流尚能发挥作用,但根据实际行车过程中出现的情况,还存在以下缺点:1 两车道的车辆轮流放行时间相同,在十字路口,经常一个车道为主干道,车辆较多,放行时间
5、应该长些;另一车道为副干道,车辆较少,放行时间应该短些。2 两条干道的红绿时间不能随时间的改变而修改。1.3本课题的发展趋势随着智能时代的到来,让交通灯也智能的想法已经不是难事,智能的表现方式主要是拥有自动调整亮灯时间长短的功能。譬如说,它能自动感应该地区的交通情况,如果塞车的话该交通灯能自行控制红、黄与绿等的亮灯时间长短。而这个检测道路车辆数量的方案有很多种,技术上比较难施工上比较容易的是在交通的上加上摄像头,运用数字图像处理技术来识别车辆的数量。另一种方法是可以在公路下面埋上压力传感器,这种方法技术上没什么难度,但施工比较麻烦。1.4本课题的研究内容本设计是基于STM32F407的交通灯设
6、计,交通灯的硬件设计主要由三部分组成:微控制器最小系统,最小系统的构建有主控芯片STM32,晶振,滤波电容,复位电路;交通灯的信号灯,信号灯由超低功耗的LED组成,LED的正极接电源正极,负极连接STM32I/O口,并且要串联一个限流电阻;显示时间的数码管数码管用以显示倒计时,倒计时只有几十秒,所以只用2个数码管就够了,数码管采用动态扫描显示方式,所以在程序中需要不断的刷新显示,给程序增加了难度。软件部分由三部分组成:数码管显示函数,函数输入一个数字,数码管就可以显示该数字;交通灯切换函数,倒计时为0时,就要执行该函数,实现红绿灯的切换;时间计时函数,该函数实现倒计时,是本设计的核心。交通灯工
7、作的流程是计数器每秒钟减一,减到零时切换信号灯,在主函数中调用数码管显示函数,以便快速扫描显示。ARM处理器是Acorn计算机有限公司面向低预算市场设计的第一款RISC微处理器。更早称作Acorn RISC Machine。ARM处理器本身是32位设计,但也配备16位指令集,一般来讲比等价32位代码节省达35%,却能保留32位系统的所有优势。早期的ARM以ARM7、ARM9等命名,在推出了ARM11之后的ARM核心采用了不同的命名方式,这就是新型的Cortex内核,分为三个系列,A系主打高端市场,R系用于实时性要求很高的领域,M系是面向控制的内核,与单片机一样,Cortex-M核目前有M0、M
8、3、M4,前不久ARM推出了最新的ARM7,为可穿戴设备设计。STM32是意法半导体基于ARM核心加上外围模块构成的新型微控制器。STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M内核,STM32F1等基于Cortex-M3,STM32F4等基于Cortex-M4。STM32F407采用了90 纳米的NVM 工艺和ART,ART技术使得程序零等待执行,提升了程序执行的效率,将Cortex-M4的性能发挥到了极致,该芯片最高工作频率可达到168MHz,运行速度接近低端微处理器,STM32F407集成了单周期DSP指令和FPU(浮点单元),提升了计算能力
9、,可以进行一些复杂的计算和控制。2 方案设计2.1微控制器选择ARM体系是一个很大的体系,基于ARM设计的微控制器、微处理器很多,由于交通灯设计主要是控制而非处理,所以我们选择微控制器作为主控芯片基于ARM的微控制器有很多,主要有意法半导体的STM32系列,飞思卡尔公司的K系列,以及爱特梅尔、TI等公司都在做基于ARM的微控制器。由于意法半导体的STM32性价比非常高且容易买到,所以我们选择STM32作为本次设计的主控芯片。STM32也是一个家族,有F1系列、F2系列、F3及F4系列,其中F4系列基于ARM Cortex-M4内核,比Cortex-M3要先进,而且具有学习价值,所以我们选择ST
10、M32F407作为主控芯片。2.2显示设备的选择显示设备有很多种,有LED、LCD、OLED、数码管、TFT等。由于本设计中显示设备只用显示数字,所以用高级显示设备就会造成资源浪费,增加设计成本。所以我们这里选择地端的显示设备,低端的显示设备主要有LED和数码管。LED只能显示点,要显示数字的话就得用很多LED组成点阵,所以我们选择数码管作为本设计的显示设备,在实际运用中,数码管的大小以及亮度达不到实际要求,所以可以采用大量LED组成的点阵来显示。实验中采用数码管显示是为了降低成本。2.3信号灯的选择由于信号灯需要红、黄、绿三种颜色,而且是一天24小时显示,不能选择功率大的信号灯,信号灯的亮度
11、不能太低,不然司机看不清楚,基于以上情况我们选择超低功耗的LED作为信号灯。实验中我们采用一个LED,在实际中为了增加亮度可以采用很多LED组成LED群,以此增加显示亮度。2.4系统设计思路由于采用了高性能的STM32作为主控芯片,所以在资源上不必担心,芯片得有一个最小系统才能运作。交通灯有一个倒计时器,所以必须有一个定时器作为时钟。还有显示倒计时的设备,这里用数码管代替,实际中得用LED做成的显示面板。信号灯用单个LED灯代替,实际中要用大量LED同时显示,LED的颜色要有红、黄。绿三种。定时器一上电就不断地运行,为交通灯提供时间信息,在定时器中会控制2个计数变量,一个变量代表一组信号灯的时
12、间,当计数变量倒计时为0时,就执行信号灯切换函数,实现红黄绿灯的切换。另外外需要实时显示时间,所以每当计数变量减一时数码管就要变化。2.5方案框图定时器数码管2数码管1计数变量2计数变量1信号灯1信号灯2图2.2 方案框图2.6方案论证本方案简单易行,且性价比高,高性能STM32芯片能稳定地运行,而且由于设计中所用的LED、数码管、STM32都是低功耗器件,所以整个系统的功耗都很低。3 硬件设计与实现3.1电路设计框图本设计主要由ARM微控制器STM32F407、LED灯、数码管等部分组成。其中STM32F407是主控芯片,是整个硬件电路的核心,主要完成LED灯、数码管的控制。其系统原理框图如
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