基于ARM的交通灯设计.doc

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攀枝花学院本科课程设计

基于ARM的交通灯设计

学生姓名：
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院（系）： 电气信息工程学院
年级专业：
指导教师：

二〇一四年十二月
攀枝花学院毕业论文 摘要

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
第 1 页

攀枝花学院毕业论文 目录

目 录
摘 要 1
1 绪论 3
1.1本课题研究的背景及意义 3
1.2国内外研究现状、水平 3
1.3本课题的发展趋势 3
1.4本课题的研究内容 3
2 方案设计 5
2.1微控制器选择 5
2.2显示设备的选择 5
2.3信号灯的选择 5
2.4系统设计思路 5
2.5方案框图 6
2.6方案论证 6
3 硬件设计与实现 6
3.1电路设计框图 6
3.2最小系统设计 7
3.3 LED模块 7
3.4数码管模块 7
3.5系统总电路图 8
4 软件设计 9
4.1软件的设计架构 9
4.2软件设计过程 9
4.3 MDK工程建立及配置 10
4.4主要函数代码 11
5 系统仿真与调试 13
体会 14
参 考 文 献 15

1 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、M3、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，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STM32F407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。其系统原理框图如图3.1所示。

STM32F407

LED

数码管
定时器

图3.1 系统原理框图

3.2最小系统设计
STM32有众多系列和型号，我们选择STM32F407作为主控芯片，因为这款芯片是基于最新的Cortex-M4,具有比较高的学习价值和代表性。

对于STM32这种高级的微控制器来说，最小系统比较复杂，不像51单片机那样简单，因为其速度非常快，可以达到168MHz，速度快就对信号的稳定和抗干扰有较高的要求，又由于现在的集成电路工艺技术并不能集成较大的电容，所以SOC设计者们将需要电容的电路接上引脚，在芯片外部接上电容，这样就解决了上面的问题，不过使最小系统变复杂了。

由于STM32内部集成了震荡源，所以没有外部晶振也可以工作。不过内部震荡源有着不精确地缺点，在高精度场合我们还是有必要接上外部晶振，一般为8M或16M，晶振需要接上2个电容帮助其起振。

3.3 LED模块
LED模块比较简单，STM32的IO口足以驱动LED，为了有更大的电流，我们采用灌电流输出方式，LED负极接IO口，正极接电源，中间还要加上限流电阻。本设计中总共有2组信号灯，一组信号灯有红、黄、绿三颗LED，所以总共需要6颗LED。

3.4数码管模块
本设计中采用的数码管功率比较大，所以不能像LED模块那样直接接在IO口上，需要加上驱动电路，我们有两套驱动方案，方案一是用三极管驱动，这样需要4个三极管。方案二是用锁存器。鉴于三极管便宜且容易找到，所以我们采用三极管驱动方案。

3.5系统总电路图

图3.5 系统总图

4 软件设计

4.1软件的设计架构
开始

芯片初始化

定时器初始化与配置

IO口初始化

倒计时为0
信号灯切换

yes

no
显示刷新

图4.1 程序流程图

4.2软件设计过程
STM32的C语言开发思想与51有重大差别，51只需要一个reg52.h和一个C文件就可以开发。STM32芯片非常复杂，而且是32位芯片，内部的寄存器数量巨大，我们不能像开发51那样直接操作寄存器，51的寄存器比较少且是8位机。所以工程师们引入了一种新的开发方式-库开发，ST公司为每一款STM32开发了一个固件库，开放给开发人员免费使用，我们只需建好工程，然后添加这个库，在用户文件中直接调用这些库函数就可以了，这种开发方式非常方便，我们不必去记那么多寄存器或者翻数据手册。加快了开发速度，减小了开发成本。

在主函数中，我们需要对外设进行初始化，首先要定义一个GPIO初始化函数GPIO_init(void)，在函数中调用库函数对IO口进行初始化。函数定义好后就在主函数中首先调用它，然后调用定时器初始化函数SysTick_Config(168000)，并开启定时中断，至此初始化完成。接下来进入一个死循环，在循环中主要检测倒计时是否为0，如果为0则进行红黄绿灯的切换，另外循环中还调用显示函数，不断的刷新显示，一是由于数码管采用的是动态扫描显示方式，需要不断地刷新，二是显示需要一定的实时性。
在定时中断服务函数中主要完成计数变量的自减。

4.3 MDK工程建立及配置
建立STM32的工程很麻烦，需要将库函数移植到工程中，但是一旦移植好后，以后就不用再做同样的工作，只需将该工程拷贝就行，然后在里面修改代码。
我们这里就是用的工程模板，固件库有很多版本，我们用的是1.1版本。一个完整的工程框架如图4.3.1所示。

图4.3.1 工程框架

图4.3.1中DEMO是工程名，user里面放的是用户文件，CMISI里面放的是启动代码，FWlib里面放的是外设驱动与配置函数，它占据了整个库的大部分。

建立好工程后就要对其进行配置，鼠标右键点击工程名，选择Options选项，出现工程配置界面，如图4.3.2。

图4.3.2 工程配置

配置界面有很多选项，Device选项是选择工程的目标芯片，我们选的是STM32F407，Output选项是选择工程输出文件的目录，C/C++选项是选择头文件的查询目录。Bebug选项是选择仿真模式，我们有一个硬件仿真器STlink，所以这里选择硬件仿真，仿真器选STlink，如图4.3.3。

图4.3.3 仿真模式

工程配置完成后就进行程序编写，编写程序是一个漫长的过程，本设计的核心内容就是编写程序，程序主要有3个函数，main函数实现信号灯的切换，定时器中断服务函数实现倒计时，显示函数实现数码管的动态扫描显示。具体程序在后面列出。编写好程序后就可以进行编译了，依次点击后就完成了编译—汇编—链接，出现如图4.3.4的情况就编译完成了。

图4.3.4 编译完成

4.4主要函数代码
/******************************************************************************
* 主函数
*说明：本函数中主要完成系统初始化、信号灯切换和显示刷新
******************************************************************************/
int main()
{
unsigned char light_1 = YELLOW,light_2 = RED;

SysTick_Config(168000); //滴答定时器初始化,周期1毫秒
GPIO_init(); //GPIO初始化
GPIO_Write(GPIOE, 0xff); //关闭全部LED灯

while(1)
{
if(time_1 == 0) //如果1组倒计时为0
{
if(light_1 == RED) //如果1组为红灯
{
time_1 = 54; //绿灯倒计时55秒
light_1 = GREEN; //红灯转换成绿灯
GPIO_Write(GPIOE, 0xf6);
}
else if(light_1 == GREEN) //如果1组为绿灯
{
time_1 = 4; //黄灯倒计时5秒
light_1 = YELLOW; //绿灯转换为黄灯
GPIO_Write(GPIOE, 0xf5);
}
else if(light_1 == YELLOW) //如果1组为黄灯
{
time_1 = 59; //红灯倒计时60秒
light_1 = RED; //转换为红灯
GPIO_Write(GPIOE, 0xde);
}
}
if(time_2 == 0) //如果2组倒计时为0
{
if(light_2 == RED) //如果2组为红灯
{
time_2 = 54; //绿灯倒计时55秒
light_2 = GREEN; //转换为绿灯
GPIO_Write(GPIOE, 0xde);
}
else if(light_2 == GREEN) //如果2组为绿灯
{
time_2 = 4; //黄灯倒计时5秒
light_2 = YELLOW; //转换为黄灯
GPIO_Write(GPIOE, 0xee);
}
else if(light_2 == YELLOW) //如果2组为黄灯
{
time_2 = 59; //红灯倒计时60秒
light_2 = RED; //转换为红灯
GPIO_Write(GPIOE, 0xf3);
}
}
Display(time_1,time_2); //调用显示函数，刷新数码管显示
}
}
/******************************************************************************* 定时中断服务函数
*说明：本函数主要完成倒计时减一
******************************************************************************/
void SysTick_Handler(void)
{
static unsigned int mill = 0; //定义毫秒变量

mill++; //每次进中断毫秒变量加1
if(mill >= 1000) //如果达到1000毫秒,也就是1秒
{
mill = 0; //毫秒变量清0
if(time_1>0)time_1--; //倒计时减1
if(time_2>0)time_2--;
}
}

5 系统仿真与调试

STM32有硬件仿真和软件仿真模式，由于我们有硬件，而且有调试器，所以这里选择硬件仿真模式。点击进行硬件调试出现如图5.1所示界面。
寄存器区
观察窗口
主界面区

图5.1 调试界面
点击实现程序单步运行，点击实现全速运行，点击实现程序复位。在观察窗口输入相应的变量名，就可以实时监控该变量。主要监控的变量有time_1、time_2,light_1、light_2。每次单步运行后都可以查看变量的变化。

体会

这次课程设计总的来说还是比较成功，虽然花费了很多时间和精力，但是收获颇多，也激起了我对这方面的兴趣。
从不知道课程设计论文怎样写，我开始了独立的学习和实验，查看相关的资料和书籍，让自己头脑中模糊的概念逐渐清晰，使自己的论文一步步完善起来，每一次改进都是我学习的收获。在这段时间，我学会了很多，感受也很多。
在这次课程中也遇到了一些困难：第一，芯片太复杂，使用起来比较困难，虽然以前使用过STM32，但现在忘记了很多。第二，开始我们在数码管模块中没有加驱动电路，导致数码管亮度太低，后来才发现是驱动电流不够，我们只得重新设计并制作电路板。
经过多次的修改和整理，基于ARM的交通灯设计的基本要求。性能稳定可靠。加电后，数码管能实时显示时间，LED灯可以实现转换。
经过这次课程设计，我们的大学课程也基本结束了，单这并不是代表着学习的结束，而是一个新的开始。在今后的生涯中，我将会充分利用此次试验中学到的知识，并结合新的知识，做出更好的更满意的作品。
总之，这次试验设计算是成功的。在这次实验中，我进一步熟悉了MDK软件以及C语言。也明白了做出实物和仿真是两个不同的概念，在今后的学习生活中，我将更加注重实际操作能力的提升。这次试验使得我的操作能力和专业技能都有了很大的提高，也为以后的毕业设计打下了基础。

参 考 文 献

【1】 丁元杰. 《单片微机原理及应用》. 机械工业出版社
【2】 意法半导体. 《STM32F4数据手册》
【3】 宋岩. 《ARM Cortex-M3权威指南》. 北京航空航天大学出版社
【4】 谢自美. 《电子线路设计·实验·测试》. 华中科技大学出版社 
【5】王连英，章小印. 《数字电子技术》 江西高校出版社   
【6】孙惠芹. 《电路设计PROTEL》. 天津大学出版社  
【7】谭浩强. 《C程序设计》. 清华大学出版社
【8】冷淑君. 《计算机操作与应用》. 高等教育出版社
【9】潘松，黄继业. 《EDA技术实用教程》. 北京：科学出版社