嵌入式交通燈設計

嵌入式系統(tǒng)設計專題實踐交通燈控制系統(tǒng)專業(yè)：電子信息工程班級：電子1102姓名：XXX學號：XXXXXXXX同組人：XXX指導教師：XXX目錄一、方案設計與論證11.1系統(tǒng)任務描述11.2系統(tǒng)方案設計41.3系統(tǒng)框圖4二、硬件電路設計42.1控制器最小系統(tǒng)設計42.2數(shù)碼管顯示模塊設計62.3交通燈指示模塊設計8三、系統(tǒng)軟件設計83.1系統(tǒng)軟件流程圖83.2500ms定時器子程序設計93.3計數(shù)顯示子程序設計10四、系統(tǒng)調(diào)試114.1硬件調(diào)試114.2軟件調(diào)試114.3綜合調(diào)試11五、結論12六、心得體會13七、附錄157.1實物圖..............................................................157.1參考文獻167.2例如代碼16摘要隨著移動設備的流行和開展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)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開展，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、本錢、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(jīng)成熟并且穩(wěn)定的，本文將介紹一種基于飛思卡爾K60P144M100SF2RM控制的交通信號燈的自動指揮系統(tǒng)。交通信號燈控制方式很多。本系統(tǒng)采用嵌入式系統(tǒng)，本系統(tǒng)性能穩(wěn)定，功能完善，實用性強。關鍵詞：交通燈K60P144M100SF2RM嵌入式系統(tǒng)定時顯示一、方案設計與論證系統(tǒng)任務描述本次設計中根據(jù)實際需要，結合嵌入式系統(tǒng)的特點，完成對交通燈的控制系統(tǒng)設計。系統(tǒng)功能包括實現(xiàn)對車輛的直行，左拐、停止等待等功能?；陲w思卡爾K60P144M100SF2RM控制器，實現(xiàn)對車輛進行指導控制。本系統(tǒng)中主要由控制器最小系統(tǒng)、數(shù)碼管顯示模塊、交通燈模塊等相關模塊構成。系統(tǒng)任務包括三個環(huán)節(jié)。假設十字路口南北方向為主干車道，東西方向為支干道。1〕完成交通燈的變化規(guī)律，就是一個十字路口分別為東西向和南北向，四個路口均有紅黃綠三燈和兩位LED數(shù)碼顯示管，及每個路口有一個人行道交通燈。

2〕交通燈上電后進入初始狀態(tài)即東西紅燈常亮60s，南北綠燈常亮60s，第一種狀態(tài)：南北綠燈亮通車，東西紅燈亮禁止通行，當東西紅燈亮時，東西方向的人行道為綠燈，持續(xù)60s后轉(zhuǎn)第二個狀態(tài)：南北綠燈滅轉(zhuǎn)黃燈閃亮10次，延時10s,東西仍然紅燈，東西方向人行道仍為綠燈；10s后轉(zhuǎn)第三個狀態(tài)：東西綠燈亮通車60s，南北轉(zhuǎn)紅燈禁止通行60s，南北方向人行道為綠燈持續(xù)60s

;60s后轉(zhuǎn)第四個狀態(tài)：東西綠燈滅轉(zhuǎn)黃燈閃亮10次，延時10s，南北仍然紅燈，南北方向人行道仍為綠燈。最后循環(huán)至第一種狀態(tài)。

3〕用4個兩位一體LED數(shù)碼管〔各個方向均有1個兩位一體LED數(shù)碼管，分別表示個位和十位〕顯示倒計時。倒計時用于提醒駕駛員和行人信號燈發(fā)生變化的時間，以便他們在“停止〞和“通行〞兩者作出適宜的選擇。以下為系統(tǒng)的工作狀態(tài)圖：狀態(tài)210s狀態(tài)3狀態(tài)210s狀態(tài)360s狀態(tài)160s圖1-1工作狀態(tài)圖下為本系統(tǒng)的工作方式圖圖1-2工作方式圖〔1〕圖1-2工作方式圖〔2〕1.2系統(tǒng)方案設計本系統(tǒng)基于K60P144M100SF2RM控制器設計的交通燈控制系統(tǒng)。設計過程主要采用自上向下的設計思路和模塊化設計的設計思想，對軟件和各個硬件模塊進行獨立設計，綜合調(diào)試。軟件包括顯示、定時器、GPIO、時鐘等設置。硬件電路包括由三極管驅(qū)動的數(shù)碼管顯示電路以及交通燈顯示電路。1.3系統(tǒng)框圖電源電源交通交通燈指示模塊K60P144M100SF2RM控制器最小系統(tǒng)數(shù)碼管顯示計時模塊數(shù)碼管顯示計時模塊圖1-3系統(tǒng)框圖二、硬件電路設計本系統(tǒng)中硬件系統(tǒng)包括K60P144M100SF2RM最小系統(tǒng)設計、數(shù)碼管顯示模塊、交通燈顯示模塊。采用模塊化設計的思想對以上模塊進行設計。2.1K60P144M100SF2RM最小系統(tǒng)設計Kinetis是低功耗可擴展和在工業(yè)上使用混合信號ARMCortex-M4系列的最好的組合。Kinetis

MCUs使用了飛思卡爾的新的90nm帶有獨特FlexMemory的薄膜存儲器〔TFS〕閃存技術。Kinetis系列MCU結合了最新的低功耗革新技術和高性能，高精密混合信號功能與連通，人機界面，平安及外設廣泛。Kinetis

MCUs使用了飛思卡爾和ARM第三方合作伙伴的市場領先的捆綁模式。所有Kinetis系列都包涵強大的邏輯、通信和時序陣列和帶有伴隨著閃存大小和I/O數(shù)量的集成度等級的控制外圍部件。Kinetis產(chǎn)品組合內(nèi)核具有以下特點：ARMCortex-M4內(nèi)核帶DSP指令，性能可達1.25DMIPS/MHz(局部Kinetis系列提供浮點單元)；32通道的DMA可用于外設和存儲器數(shù)據(jù)傳輸并減少CPU干預；提供不同級別的CPU頻率50MHz、72MHz和100MHz〔局部Kinetis系列提供120MHz和150MHz)；10種低功耗操作模式用于優(yōu)化外設活動和喚醒時間以延長電池的壽命；行業(yè)領先的快速喚醒時間。正是由于K60控制器在性能上有較多的優(yōu)點和較低的功耗，因而適合用來開發(fā)交通燈控制系統(tǒng)。以下為本控制器的最小系統(tǒng)原理圖：圖2-1最小系統(tǒng)原理圖2.2數(shù)碼管顯示模塊設計LED

顯示器采用發(fā)光二極管顯示字段。單片機糸統(tǒng)中經(jīng)常采用的是八段顯示器，即LED顯示器中有8個發(fā)光二極管，每段LED的筆畫分別稱為

a、b、c、d、e、f、g，代表“a.b.c.d.e.f.g.〞七個字段和一個小數(shù)點“dp〞。它有共陰和共陽兩種結構。七段LED的陽極連在一起稱為共陽極接法

，而陰極接在一起的稱為共陰極接法。圖2-2數(shù)碼管圖2-2七段LED的段代碼數(shù)碼管的驅(qū)動分為靜態(tài)和動態(tài)驅(qū)動。在本系統(tǒng)中采用兩個共陽數(shù)碼管進行動態(tài)顯示。分別對三個狀態(tài)進行計時，個位和十位分別用一個數(shù)碼管顯示，每次計時加一的時間是1s。以下是本模塊的原理圖：圖2-3四位共陽數(shù)碼管其中由數(shù)碼管的位選端和段選端進行控制數(shù)碼管的顯示程序。根據(jù)PNP三極管的導通原理，當位選端為低電平時，三極管導通，根據(jù)共陽極編碼進行合理設置即可。此外用三極管驅(qū)動數(shù)碼管的原因是三極管顯示更明亮一些。用數(shù)碼管顯示效果比擬直觀。2.3交通燈指示模塊由南向北和由北向南車道各用一組紅、綠、黃三色的指示燈，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平安停車時可以繼續(xù)行進。三、軟件設計3.1軟件系統(tǒng)流程圖在系統(tǒng)的軟件設計時，需要對系統(tǒng)時鐘進行設計，以滿足對本次系統(tǒng)的功能需求。還需對GPIO端口進行初始化設置，500ms定時延遲設置。然后需要考慮交通燈的三個工作狀態(tài)，合理安排顯示與計數(shù)的時序關系。開始數(shù)碼管顯示計數(shù)程序500ms定時器設置時鐘設置系統(tǒng)初始化程序開始數(shù)碼管顯示計數(shù)程序500ms定時器設置時鐘設置系統(tǒng)初始化程序交通指示燈交替亮滅交通指示燈交替亮滅計數(shù)結束？N計數(shù)結束？YY結束結束圖3-1軟件系統(tǒng)流程圖3.2500ms定時器子程序設計本模塊是將產(chǎn)生500ms定時器，讓在計數(shù)器計數(shù)時提供計時間隔，同時也可作為數(shù)碼管個位和十位的刷新時間，即每次數(shù)碼管顯示更新遞增一個數(shù)字經(jīng)過的時間是1s。以下是本模塊的子程序軟件流程圖：開始開始設置設置LPTMR定時器設置設置count_val比擬值1KHzLPO時鐘計數(shù)1KHzLPO時鐘計數(shù)到達count_val值？到達count_val值？NY觸發(fā)輸出觸發(fā)輸出去除去除標志位結束結束圖3-2定時器流程圖3.3計數(shù)顯示子程序設計計數(shù)顯示是在定時器運行前提下進行工作的。數(shù)碼管每刷新一個數(shù)時，時間是1s。這樣的好處是顯示與指示燈狀態(tài)同步起來。同時也能做到效果比擬直觀。以下是此局部模塊的流程圖：dis_1>10?dis_2>60?dis_2++數(shù)碼管譯碼指示燈亮1000ms定時器dis_0>60dis_0++1000ms定時器指示燈亮1000ms定時器dis_0=0dis_1=0dis_2=0初始化開始dis_1>10?dis_2>60?dis_2++數(shù)碼管譯碼指示燈亮1000ms定時器dis_0>60dis_0++1000ms定時器指示燈亮1000ms定時器dis_0=0dis_1=0dis_2=0初始化開始數(shù)碼管譯碼指示燈亮數(shù)碼管譯碼指示燈亮dis_1++dis_1++圖3-3計數(shù)器四、系統(tǒng)調(diào)試4.1硬件調(diào)試在硬件調(diào)試時，K60最小系統(tǒng)的調(diào)試就是用集成Mini核心板進行調(diào)試，當系統(tǒng)上電后，將系統(tǒng)例如程序下載到開發(fā)板中，用一個例如LED等進行測試能否正常運行。在GPIO端口進行初始化后，應對端口進行合理設置。在對核心板程序下載成功后，在程序能正確運行時，可以根據(jù)共陽數(shù)碼管的特點進行測試，對顯示電路能否正常工作進行測試。驗看數(shù)碼管計數(shù)時是否與預想的一樣，假設不一樣營及時修正程序。最終使結果出現(xiàn)與預期一樣。4.2軟件調(diào)試在軟件調(diào)試時，在IARforARM6.30版本平臺上進行編程下載，通過J—LinkJI進行下載到K60核心板中。在調(diào)試時可以用單步調(diào)試，全速運行，設置斷點等方式。與此同時觀看存放器和變量的值在調(diào)試中常常發(fā)揮著重要作用。在修改和完善程序后，最終下載到核心板中運行。圖4-1軟件編程界面4.3綜合調(diào)試測試一開始，我們就發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)出現(xiàn)了兩個問題：一是有一局部交通燈亮度不夠，所發(fā)出來的光非常的微弱以致于幾乎感覺不到它的亮度；二是數(shù)碼管不工作，沒有時間顯示。這與設計的要求完全不符。為了找出這個問題和解決方法，我們查找了電路的輸出各局部的輸出電平。發(fā)現(xiàn)了一個現(xiàn)象，我們采用的數(shù)碼管是共陰極數(shù)碼。而控制數(shù)碼段顯示的P1口輸出的是高電平。經(jīng)多方查閱資料，解決第二個問題可以有兩個解決方法。其一，將硬件電路作修改，將數(shù)碼管換成共陽極的數(shù)碼管。這樣數(shù)碼管就可以正常進行時間顯示了。其二，修改程序，讓控制數(shù)碼管段碼的P1輸出的是低電平。假設采用修改硬件電路的方法的話，硬件電路就得作變動。已經(jīng)布好的線也必須有相應的變動，操作起來比擬麻煩。所以，我們采用了第二種方法。修改了程序電路中的段碼代碼。再次調(diào)試，按照設計要求的指標，系統(tǒng)數(shù)碼管電路局部根本能按照預先設定的要求來進行倒計時的顯示。亮度要求也根本符合預先設想。接下來還有一個問題有待解決，交通燈亮度缺乏，以致于局部交通燈只能勉強看得出來它在亮而已。這明顯不能滿足設計要求。經(jīng)多方檢測，我們認為這是由于LED燈驅(qū)動能力缺乏引起的亮度弱問題。假設要修正這個問題，那就得為LED燈增加驅(qū)動電路以提高電路的驅(qū)動能力。要實現(xiàn)這一步驟必須對硬件電路進行一定的改動。LED燈的驅(qū)動電路可以用集成電路電路芯片來進行驅(qū)動。在初步方案中我們考慮要用集成電路來完成。但是由于客觀方面的原因，將要參加工作離開學校沒有制作實物的環(huán)境條件。因此，這局部改良只作了一個設想，并沒有時間去付諸實施。但根本問題和解決問題的原理我們還是有一定的了解。五、總結本次基于飛思卡爾K60P144M100SF2RM控制器設計的交通燈控制系統(tǒng)，通過合理的軟件設計和硬件設計，實現(xiàn)了交通燈綠燈亮60秒，黃燈亮10秒，紅燈亮60秒，對南北主干道方向和東西支干道車輛進行直行和左轉(zhuǎn)控制。用紅、綠、黃LED發(fā)光二極管代替實際中的交通指示燈，用數(shù)碼管對亮滅時間進行計時，使結果直觀。六、心得體會通過嵌入式課程設計，我不僅加深了對嵌入式理論的理解，將理論很好地應用到實際當中去，而且我還學會了如何去培養(yǎng)我們的創(chuàng)新精神，從而不斷地戰(zhàn)勝自己，超越自己。創(chuàng)新，是要我們學會將理論很好地聯(lián)系實際，并不斷地去開動自己的大腦，從為人類造福的意愿出發(fā)，做自己力所能及的，別人卻沒想到的事。使之不斷地戰(zhàn)勝別人，超越前人。同時，更重要的是，我在這一設計過程中，學會了堅持不懈，不輕易言棄。設計過程，也好比是我們?nèi)祟惓砷L的歷程，常有一些不如意，也許這就是在對我們提出了挑戰(zhàn)，勇敢過，也戰(zhàn)勝了，勝利的鐘聲也就一定會為我們而敲響。7.1實物圖(1)(2)(3)7.2參考文獻[1]《嵌入式系統(tǒng)原理與實踐——ARMCortexM4Kinetis微控制器》王宜懷著電子工業(yè)出版社；[2]《MC9S12XS單片機原理及嵌入式系統(tǒng)開發(fā)》王宜懷著電子工業(yè)出版社；[3]付家才．單片機控制工程實踐技術【Ｍ】．北京：化學工業(yè)出版社[4]《單片機原理及應用》，李建忠著，西安，西安電子科技大學；[5]《模擬電子技術根底》，童詩白，華成英等著，北京，高等教育出版社；[6]《C程序設計》，譚浩強著，北京，清華大學出版社；7.3例如代碼：voidmain(void){//intm=0;//printf("TWR-K60N512GPIOExample!\n");//uinti=0;/*Turnonallportclocks*/SIM_SCGC5=SIM_SCGC5_PORTA_MASK|SIM_SCGC5_PORTB_MASK|SIM_SCGC5_PORTC_MASK|SIM_SCGC5_PORTD_MASK|SIM_SCGC5_PORTE_MASK;/*EnableGPIOAandGPIOEinterruptsinNVIC*///enable_irq(87);//GPIOAVectoris103.IRQ#is103-16=87//enable_irq(91);//GPIOEVectoris107.IRQ#is107-16=91/*InitializeGPIOonTWR-K60N512*/init_gpio();gpio_set(PORTB,21,1);gpio_set(PORTB,20,1);gpio_set(PORTA,17,0);gpio_set(PORTA,16,0);gpio_set(PORTA,15,0);gpio_set(PORTA,14,0);gpio_set(PORTA,13,0);gpio_set(PORTA,12,0);data7();while(1){for(dis_0=0;dis_0<62;dis_0++){if(dis_0<=60){gpio_set(PORTA,17,1);gpio_set(PORTA,16,1);data7();//time_delay_ms(1000);gpio_set(PORTB,20,0);//time_delay_ms(1000);Gpio_set_Pin(PORT_D,dis_code[dis_0%10]);//gpio_set(PORTB,20,1);time_delay_ms(500);//data7();//delay();gpio_set(PORTB,20,1);data7();gpio_set(PORTB,21,0);Gpio_set_Pin(PORT_D,dis_code[dis_0/10]);//time_delay_ms(100);//data7();//delay();time_delay_ms(500);data7();gpio_set(PORTB,21,1);//time_delay_ms(1000);}if(dis_0>60){gpio_set(PORTB,21,1);gpio_set(PORTB,20,1);gpio_set(PORTA,17,0);//gpio_set(PORTA,13,1);for(dis_1=0;dis_1<12;dis_1++){if(dis_1<=10){gpio_set(PORTA,15,1);gpio_set(PORTA,13,1);data7();//time_delay_ms(1000);gpio_set(PORTB,20,0);//time_delay_ms(1000);Gpio_set_Pin(PORT_D,dis_code[dis_1]);//gpio_set(PORTB,20,1);time_delay_ms(500);gpio_set(PORTA,16,1);//delay();time_delay_ms(500);gpio_set(PORTA,16,0);//data7();//delay();///io_set(PORTB,20,1);//data7();//gpio_set(PORTB,21,0);//Gpio_set_Pin(PORT_D,dis_code[dis_1/10]);//time_delay_ms(100);//data7();//delay();//time_delay_ms(500);//data7();//gpio_set(PORTB,21,1);//time_delay_ms(1000);}if(dis_1>10){gpio_set(PORTB,20,1);gpio_set(PORTB,21,1);gpio_set(PORTA,16,0);gpio_set(PORTA,15,0);gpio_set(PORTA,13,0);for(dis_2=0;dis_2<61;dis_2++){if(dis_2<60){gpio_set(PORTA,14,1);gpio_set(PORTA,12,1);data7();//time_delay_ms(1000);gpio_set(PORTB,20,0);//time_delay_ms(1000);Gpio_set_Pin(PORT_D,dis_code[dis_2%10]);//gpio_set(PORTB,20,1);time_delay_ms(500);//data7();//delay();gpio_set(PORTB,20,1);data7();gpio_set(PORTB,21,0);Gpio_set_Pin(PORT_D,dis_code[dis_2/10]);//time_delay_ms(100);//data7();//delay();time_delay_ms(500);data7();gpio_set(PORTB,21,1);}if(dis_2>=60){gpio_set(PORTB,20,1);gpio_set(PORTB,21,1);gpio_set(PORTA,14,0);gpio_set(PORTA,12,0);//gpio_set(PORTA,13,0);}//time_delay_ms(1000);}}}}}}}voidinit_gpio(){//SetPTA19andPTE26(connectedtoSW1andSW2)forGPIOfunctionality,fallingIRQ,//andtouseinternalpull-ups.(pindefaultstoinputstate)//PORTA_PCR19=PORT_PCR_MUX(1)|PORT_PCR_IRQC(0xA)|PORT_PCR_PE_MASK|PORT_PCR_PS_MASK;//PORTE_PCR26=PORT_PCR_M