基于Cortex-M3的STM32的嵌入式十字路口交通燈系統(tǒng)設計

天津工業(yè)大學 嵌入式系統(tǒng)課程設計報告 十字路口交通燈控制系統(tǒng) 學 院： 電子與信息工程學院 專業(yè)班級： 電子 1102 班 姓 名： 劉楠楠 學 號： 時 間： 2014 年 11 月 30 號 指導教師： 高華老師 摘要摘要 隨著移動設備的流行和發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經成為一個熱點。它并不是最 近出現(xiàn)的新技術，只是隨著微電子技術和計算機技術的發(fā)展，微控制芯片功能 越來越大，而嵌入微控制芯片的設備和系統(tǒng)越來越多，從而使得這種技術越來 越引人注目。它對軟硬件的體積大小、成本、功耗和可靠性都提出了嚴格的要 求。嵌入式系統(tǒng)的功能越來越強大，實現(xiàn)也越來越復雜，隨之出現(xiàn)的就是可靠 性大大降低。最近的一種趨勢是一個功能強大的嵌入式系統(tǒng)通常需要一種操作 系統(tǒng)來給予支持，這種操作系統(tǒng)是已經成熟并且穩(wěn)定的，可以是嵌入式的 Linux，WINCE 等等。本文所要研究的就是基于 ARM 嵌入式系統(tǒng)的交通燈系 統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。本設計采用了 ARM32 位的 Cortex-M3 CPU 的內核的 STM32 作為核心處理器。 關鍵詞：嵌入式 交通燈 STM32f103 ARM AbstractAbstract With the popularity and development of mobile devices, embedded system has become a hotspot. It is not a new technique appeared recently, only with the development of microelectronics and computer technology, micro chip control functions more and more, more and more equipment and systems and embedded micro control chip, making the technology more attract sb.s attention. Hardware and software of its size, cost, power consumption and reliability have made stringent requirements. The function of embedded system is more and more powerful, and more and more complicated, the reliability appears is greatly reduced. A recent trend is a powerful embedded systems usually require an operating system to support, the operating system is already mature and stable, can be embedded Linux, WINCE and so on. This paper is to study the design and Realization of the traffic light system based on ARM embedded system. This design uses the ARM32 bit Cortex-M3 CPU kernel STM32 as the core processor. Keywords: embedded STM32f103 traffic lights ARM 目目 錄錄 一一 引言引言.1 二二 相關內容和原理相關內容和原理.1 三三 作品設計要求作品設計要求.1 四四 作品方案設計作品方案設計.2 4.1設計思路 .2 4.2總體設計框圖 .3 4.3總體方案設計參數(shù)計算 .4 五五 系統(tǒng)硬件電路設計及分析系統(tǒng)硬件電路設計及分析.4 5.1STM32f103 芯片介紹及選用 .4 5.2單片機電路原理圖及分析 .4 5.3電源電路模塊原理圖及分析 .5 5.4晶振與復位電路模塊原理圖 .5 5.5LED 交通燈電路原理圖及分析 .6 六六 系統(tǒng)軟件設計及其分析系統(tǒng)軟件設計及其分析.7 6.1軟件設計流程圖 .8 6.2ARM 交通燈控制軟件設計 .8 七七 系統(tǒng)系統(tǒng)軟件代碼軟件代碼.9 7.1 軟件設計流程圖 9 7.2 部分程序代碼10 八八 KeilKeil 軟件的運用與調試軟件的運用與調試 16 九九 實物演示照片實物演示照片17 十十 作品電路的作品電路的PCBPCB 圖圖 19 十一十一 設計心得及體會設計心得及體會20 十二十二 參考文獻參考文獻 21 1 1 引言引言 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，力求交通管理先進性、科學化。 分析應用 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、硬件設計方法，實 驗證明該系統(tǒng)實現(xiàn)簡單、經濟，能夠有效地疏導交通，提高交通路口的通行能 力。 2 相關內容及原理相關內容及原理 通過設計，培養(yǎng)自己綜合運用所學知識、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，并獲得科學研究的基礎訓練，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 等相關原理，鞏固學習嵌入式的相關內容知識。 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 文獻資料，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，中斷等相關原理，通過軟硬件設計實現(xiàn)利用 ARM 芯片完 成交通燈的模擬控制。 3 作品設計要求作品設計要求 要求基于 Cortex 系列單片機設計一具有模擬道路路口交通燈相應功能的交 通燈模擬系統(tǒng)。具體要求如下： 2 （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）所設計的系統(tǒng)應至少能夠模擬兩個路口的功能，具有直行和左轉的功 能。 （3）如果能力和時間允許，可以加入操作系統(tǒng)。 （4）適當加入一些其他元素，使其更加具有人性化設計。 4 作品作品方案設計方案設計 4.1 設計思路設計思路 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。 道 路 道 路 3 圖 4.1 交通路口示意圖 4.2 總體設計框圖總體設計框圖 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 并顯示燈亮時間（采用倒計時顯示），當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)。 交 通 燈 循 環(huán) 態(tài) 狀 換 切 STM32F103 倒 計 時 顯 示圖 4.2 交通燈總體設計框圖 5 硬件電路模塊設計硬件電路模塊設計及其分析及其分析 根據(jù)設計任務要求，自行選擇電子元件，畫出電氣原理圖，并調試。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、復位電路等。 獨立的芯片是不能工作的。 5.1 STM32F103 芯片介紹芯片介紹 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體 （ST）公司出品，其內核是 Cortex-M3。該系列芯片按片內 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 4 最高 72MHz 工作頻率，在存儲器的 0 等待周期訪問時可達 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/斷電復位（POR/PDR）、可編程電壓監(jiān)測器（PVD） 4-16MHZ 晶振振蕩器 內嵌經出廠調教的 8MHz 的 RC 振蕩器 2 個 12 位模數(shù)轉換器，1us 轉換時間（多達 16 個輸入通道），轉換范 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 片內晶振頻率范圍：130 MHz。 通過片內 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：定時器、ADC、SPI、USB、IIC 和 UART 多達 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 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 主電路原理圖主電路原理圖 圖 5.1 為 STM32F103 芯片的原理圖，多達 100 個引腳，采用 3.3V 或者 5V 電源供電，設計所需外接器件的網絡名已經標出。 5 圖 5.1 STM32F103 芯片的原理圖 5.3 系統(tǒng)電源電路設計系統(tǒng)電源電路設計 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 轉換為電壓，為 STM32F103 芯片供電，STM32F103 芯片所能承受的電壓范圍 是 2V3.6V。 圖 5.2 直流電源電路設計 6 5.4 晶振與復位電路晶振與復位電路模塊模塊 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。通過對芯片的進行軟件設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位引腳（nRST）上，按下復位鍵 S2 時，系統(tǒng)將 會復位到初始的狀態(tài)。 圖 5.4 系統(tǒng)的晶振電路圖 圖 5.5 系統(tǒng)的復位電路圖 5.5 LED 循環(huán)顯示設計循環(huán)顯示設計 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。具體紅綠燈時間分配時間如表 5.1 所示。 表 51：紅綠燈時間分配時間如表 1000ms1000ms1000ms1000ms1000ms1000ms 主干通道綠燈亮黃燈閃紅燈亮黃燈閃紅燈亮黃燈閃 左右道路紅燈亮紅燈亮綠燈亮綠燈亮紅燈亮紅燈亮 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 7 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 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 VDD3.3 100R1470 100R2470 100R3470 100R5470 100R4470 100R6470 100R7470 100R8470 P1.18 P1.19 P1.20 P1.21 P1.22 P1.23 P1.24 P1.25 LED1 LED2 LED3 LED4 LED5 LED6 LED7 LED8 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，設置為 GPIO 方式；再設置 GPIO 方向寄存器 1（IO1DIR），對應的引腳設置為輸出方向。要 點亮 LED1LED12 需要使用 GPIO 清零寄存器 1（IO1CLR）的對應位設置為 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）將對應的位置位即可。 6 系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)軟件設計及其分析及其分析 6.1 軟件設計流程圖軟件設計流程圖 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，中斷服務程序主要控制那些燈亮以及亮的時間。 8 開始 定時器 0 初始化 初始化中斷，開 中斷 倒計 時顯示 中斷服務程序流程圖 系統(tǒng)保護現(xiàn)場 車道紅燈計 數(shù)變量-1 車道綠燈閃 爍計數(shù)-1 車道紅燈閃 爍計數(shù)-1 黃燈閃爍計 數(shù)-1 車道閃爍黃 燈計數(shù)-1 車道綠燈計 數(shù)-1 0=Flag 50 115=flag 120 110=flag 115 60=flag 110 50=flag 55 中斷返回 55flag6 0 flag=1 20 flag=0，清零計 數(shù)變量 N Y N N N N N Y Y Y Y Y N flag=5 5or115 交換狀態(tài) N Y 主程序流程圖 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計交通燈模擬控制程序設計 定時器控制原理：定時器對外設時鐘 Fpclk 周期進行計數(shù)，根據(jù) 4 個匹配 寄存器的設定可設置為匹配（即達到匹配寄存器指定的定時值）時產生中斷或 執(zhí)行其他操作。 設置 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 9 量 IRQ，對 VICIntEnable、VICIntSelect、VICvectCntl 進行設置，初始化 SPI 接口，根據(jù)設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 口進行定義，并設置相應的 I/O 口，比 如要求 P1。18P1。25 引腳為 GPIO 功能，則通過對引腳功能選擇 寄存器 PINSEL1 將對應的引腳設置為 GPIO 方式并設置 GPIO 方向，在 GPIO 方向寄存器 IO1DIR 里設置，之后對定時器 0 進行初始化，并開相應的中斷。然后進入大循 環(huán)進行倒計時顯示、控制蜂鳴器的蜂鳴與否并判斷 flag 是否加到設定值，對 flag 加到設定值后進行清零，讓 flag 重新計數(shù)。中斷服務程序的設計，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，分別編寫相應的程序。 7 系統(tǒng)軟件代碼系統(tǒng)軟件代碼 7.1 軟件設計流程圖軟件設計流程圖 10 開始 直行燈亮 結束？ 否 黃燈閃爍 是 結束？ 否 右行燈亮 是 結束？ 否 黃燈閃爍 是 結束？ 否 是 左行燈亮 圖 7.1 軟件設計流程圖 7.2 系統(tǒng)軟件代碼系統(tǒng)軟件代碼 主程序部分：主程序部分： #include stm32f10 x.h #include led.h #includetimer.h u32 time=0;/Ms 級延時變量 int i; int main(void) 11 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(i10)/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(i10) LED6(ON); Delay_MS(100); LED6(OFF); Delay_MS(100); i+; 12 LED5(OFF);LED1(OFF);LED7(OFF);LED10(OFF);/右行燈結束 LED1(ON);LED7(ON);LED4(ON);LED11(ON);/左行燈亮 Delay_MS(3000); LED11(OFF);/左行燈滅 i=0; while(i10) LED12(ON); Delay_MS(100); LED12(OFF); Delay_MS(100); i+; LED11(OFF);LED1(OFF);LED7(OFF);LED4(OFF);/左行燈結束 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：底層寄存器配置部分： void LED_GPIO_Configuration(void) GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; /*開啟 GPIOC /* Configure PB.04, PB.06 and PB.08*/ 13 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, /* 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, /* 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, /* 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, LED1(OFF);LED2(OFF);LED3(OFF);LED4(OFF);LED5(OFF);LED6(OFF);LED7(OFF);L ED8(OFF);LED9(OFF);LED10(OFF);LED11(OFF);LED12(OFF); 14 內聯(lián)函數(shù)定義內聯(lián)函數(shù)定義 LEDLED 函數(shù)部分：函數(shù)部分： #ifndef _LED_H #define _LED_H #includestm32f10 x.h #defineON 0 #define OFF 1 /*內聯(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); 15 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 16 8 Keil 軟件的運用與調試軟件的運用與調試 根據(jù)事先畫好的程序流程圖，