嵌入式交通灯设计

1、嵌入式交通灯设计嵌入式系统设计专题实践交通灯控制系统专业：电子信息工程班级：电子1102姓名：XXX 学号：XXXXXXXX同组人：XXX指导教师：XXX目录一、方案设计与论证 11.1系统任务描述 11.2系统方案设计 41.3系统框图 4二、硬件电路设计 42.1控制器最小系统设计 42.2数码管显示模块设计 62.3交通灯指示模块设计 8三、系统软件设计 83.1系统软件流程图 83.2 500ms定时器子程序设计 93.3计数显示子程序设计 10四、系统调试 114.1硬件调试 114.2软件调试 114.3综合调试 11五、结论 12六、心得体会 13七、附录 157.1 实物图 1

2、57.1参考文献 167.2示例代码 16摘要随着移动设备的流行和发展，嵌入式系统已经成为一个热点。它并不是最 近出现的新技术，只是随着微电子技术和计算机技术的发展，微控制芯片功能 越来越大，而嵌入微控制芯片的设备和系统越来越多，从而使得这种技术越来 越引人注目。它对软硬件的体积大小、成本、功耗和可靠性都提出了严格的要 求。嵌入式系统的功能越来越强大，实现也越来越复杂，随之出现的就是可靠性大大降低。最近的一种趋势是一个功能强大的嵌入式系统通常需要一种操作 系统来给予支持，这种操作系统是已经成熟并且稳定的，本文将介绍一种基于 飞思卡尔K60P144M100SF2RM制的交通信号灯的自动指挥系统。

3、交通信号灯控 制方式很多。本系统采用嵌入式系统，本系统性能稳定，功能完善，实用性强。关键词：交通灯 K60P144M100SF2RM 嵌入式系统 定时显示、方案设计与论证1.1 系统任务描述本次设计中根据实际需要， 结合嵌入式系统的特点， 完成对交通灯 的控制系统设计。系统功能包括实现对车辆的直行，左拐、停止等待等 功能。基于飞思卡尔 K60P144M100SF2RM制器，实现对车辆进行指导 控制。 本系统中主要由控制器最小系统、数码管显示模块、交通灯模块 等相关模块构成。系统任务包括三个环节。假设十字路口南北方向为主干车道，东西方向为支干道。1）完成交通灯的变化规律，就是一个十字路口分别为东

4、西向和南北向，四 个路口均有红黄绿三灯和两位 LED数码显示管，及每个路口有一个人行道 交通灯。2） 交通灯上电后进入初始状态即东西红灯常亮60s，南北绿灯常亮60s，第一种状态：南北绿灯亮通车，东西红灯亮禁止通行，当东西红灯亮时， 东西方向的人行道为绿灯，持续 60s 后转第二个状态：南北绿灯灭转黄灯 闪亮 10 次，延时 10s, 东西仍然红灯，东西方向人行道仍为绿灯； 10s 后转 第三个状态：东西绿灯亮通车 60s，南北转红灯禁止通行60s，南北方向人 行道为绿灯持续 60s;60s 后转第四个状态： 东西绿灯灭转黄灯闪亮 10次，延时10s，南北仍然红灯，南北方向人行道仍为绿灯。最后

5、循环至第一种状态O3）用4个两位一体LED数码管（各个方向均有1个两位一体LED数码管, 分别表示个位和十位）显示倒计时。倒计时用于提醒驾驶员和行人信号灯 发生变化的时间，以便他们在“停止”和“通行”两者作出合适的选择。以下为系统的工作状态图：图1-1工作状态图下为本系统的工作方式图7南北方向 NS G Y R电路图1-2工作方式图（1）CO 红绿黄oo红绿黄图1-2工作方式图（2）1.2系统方案设计本系统基于K60P144M100SF2RM制器设计的交通灯控制系统。设计过程主 要采用自上向下的设计思路和模块化设计的设计思想，对软件和各个硬件模块 进行独立设计，综合调试。软件包括显示、定时器、

6、GPIO时钟等设置。硬件电路包括由三极管驱动的数码管显示电路以及交通灯显示电路。1.3系统框图6K60P144M100SF2RM 厂,控制器图1-3系统框图二、硬件电路设计本系统中硬件系统包括 K60P144M100SF2F最小系统设计、数码管显示 模块、交通灯显示模块。采用模块化设计的思想对以上模块进行设计。2.1 K60P144M100SF2RM!小系统设计Kinetis是低功耗可扩展和在工业上使用混合信号 ARMCortex-M4系列 的最好的组合。Kin etisMCU使用了飞思卡尔的新的90 nm带有独特FlexMemory的薄膜存储器（TFS闪存技术。Kinetis系列MCU吉合了

7、最新的低 功耗革新技术和高性能，高精密混合信号功能与连通，人机界面，安全及外设 广泛。KinetisMCU使用了飞思卡尔和ARM第三方合作伙伴的市场领先的捆绑模式。所有Kinetis系列都包涵强大的逻辑、通信和时序阵列和带有伴随着闪 存大小和I/O数量的集成度等级的控制外围部件。Kinetis 产品组合内核具有以下特点：ARM Cortex-M4内核带DSP指令，性能可达1.25 DMIPS/MHz （部 分Kinetis 系列提供浮点单元）；32通道的DMA可用于外设和存储器数据传输并减少CPU干预；提供不同级别的 CPU频率50 MHz 72 MHz和100 MHz （部 分Kinetis

8、 系列提供120 MHz和150 MHz ）; 10种低功耗操作模式用于优化外 设活动和唤醒时间以延长电池的寿命；行业领先的快速唤醒时间。正是由于K60控制器在性能上有较多的优点和较低的功耗，因而适合用来开发交通灯控制系 统。以下为本控制器的最小系统原理图：1_roor.s1 1JDlGTCLK114&rrn14JWtrTnir - AJA11JOK CT=ZkAJ. Ear*n EK- AEC-OJOB-Jpe*aj. jcK .MT.、訥3CMX-323FMi3kiK1=LaT TSiFJf* 1丄严利 I,.-图2-1最小系统原理图2.2数码管显示模块设计LED显示器采用发光二极管显示字

9、段。单片机糸统中经常采用的是八段显示器，即LED显示器中有8个发光二极管，每段LED的笔画分别称为a、b、c、d、e、f、g，代表“a.b.c.d.e.f.g.”七个字段和一个小数点“ dp”。它有共阴和共阳两种结构。七段LED的阳极连在一起称为共阳极接法，而阴极接在一起的称为共阴极接法。屮Bfln tv(v1J3E 3EX 3511tft*图2-2数码管了符J符nuj更阳0COHS7EH80H1F9E95EH?0H25BHA4HA77HS8H34FHBOHB7CHS3H4D6HCC5H5石DH9竭D5 EHA1H67DHS2H匚79HS6H707HFSE71HSEH图2-2七段LED的段代码

10、数码管的驱动分为静态和动态驱动。 在本系统中采用两个共阳数码 管进行动态显示。分别对三个状态进行计时，个位和十位分别用一个数 码管显示，每次计时加一的时间是 1s。以下是本模块的原理图：四位共阳数码管Ali15AK-15Q4A10Ub玄占a吊sO O O Q ? w 0 0 u E中清除标结图3-2定时器流程图3.3计数显示子程序设计计数显示是在定时器运行前提下进行工作的。数码管每刷新一个数时，时间是1s。这样的好处是显示与指示灯状态同步起来。同时也能做到效果比较直观。以下是此部分模块的流程图：17数码管译dis 1图3-3计数器20四、系统调试4.1硬件调试在硬件调试时，K60最小系统的调试

11、就是用集成Mini核心板进行用一个示例LED调试，当系统上电后，将系统示例程序下载到开发板中, 等进行测试能否正常运行。在GPIO端口进行初始化后，应对端口进行合 理设置在对核心板程序下载成功后，在程序能正确运行时，可以根据共 阳数码管的特点进行测试，对显示电路能否正常工作进行测试。验看 数码管计数时是否与预想的一样，若不一样营及时修正程序。最终使 结果出现与预期一样。4.2软件调试在软件调试时，在IAR for ARM 6.30版本平台上进行编程下载， 通过J LinkJI进行下载到K60核心板中。在调试时可以用单步调试， 全速运行，设置断点等方式。与此同时观看寄存器和变量的值在调试中 常常

12、发挥着重要作用。在修改和完善程序后，最终下载到核心板中运行。图4-1软件编程界面4.3综合调试测试一开始，我们就发现了系统出现了两个问题：一是有一部分交通灯亮 度不够，所发出来的光非常的微弱以致于几乎感觉不到它的亮度；二是数码管 不工作，没有时间显示。这与设计的要求完全不符。为了找出这个问题和解决 方法，我们查找了电路的输出各部分的输出电平。发现了一个现象，我们采用 的数码管是共阴极数码。而控制数码段显示的 P1 口输出的是高电平。经多方查阅资料，解决第二个问题可以有两个解决方法。其一，将硬件电 路作修改，将数码管换成共阳极的数码管。这样数码管就可以正常进行时间显 示了。其二，修改程序，让控制

13、数码管段码的P1输出的是低电平。若采用修改硬件电路的方法的话，硬件电路就得作变动。已经布好的线也必须有相应的变 动，操作起来比较麻烦。所以，我们采用了第二种方法。修改了程序电路中的 段码代码。再次调试，按照设计要求的指标，系统数码管电路部分基本能按照 预先设定的要求来进行倒计时的显示。亮度要求也基本符合预先设想。接下来还有一个问题有待解决，交通灯亮度不足，以致于部分交通灯只能 勉强看得出来它在亮而已。这明显不能满足设计要求。经多方检测，我们认为 这是由于 LED 灯驱动能力不足引起的亮度弱问题。若要修正这个问题，那就得 为 LED 灯增加驱动电路以提高电路的驱动能力。要实现这一步骤必须对硬件电

14、 路进行一定的改动。LED丁的驱动电路可以用集成电路电路芯片来进行驱动。在初步方案中我们考虑要用集成电路来完成。但是由于客观方面的原因，将要参 加工作离开学校没有制作实物的环境条件。因此，这部分改进只作了一个设想， 并没有时间去付诸实施。但基本问题和解决问题的原理我们还是有一定的了解。五、总结本次基于飞思卡尔K60P144M100SF2RM制器设计的交通灯控制系统，通 过合理的软件设计和硬件设计，实现了交通灯绿灯亮 60 秒，黄灯亮 10 秒，红 灯亮 60 秒，对南北主干道方向和东西支干道车辆进行直行和左转控制。用红、 绿、黄LED发光二极管代替实际中的交通指示灯，用数码管对亮灭时间进行计

15、时，使结果直观。六、心得体会通过嵌入式课程设计， 我不仅加深了对嵌入式理论的理解， 将理论很好地应 用到实际当中去，而且我还学会了如何去培养我们的创新精神，从而不断地战 胜自己，超越自己。创新，是要我们学会将理论很好地联系实际，并不断地去 开动自己的大脑，从为人类造福的意愿出发，做自己力所能及的，别人却没想 到的事。使之不断地战胜别人，超越前人。同时，更重要的是，我在这一设计 过程中，学会了坚持不懈，不轻易言弃。设计过程，也好比是我们人类成长的 历程，常有一些不如意，也许这就是在对我们提出了挑战，勇敢过，也战胜了， 胜利的钟声也就一定会为我们而敲响。7.1 实物图30(1)7.2参考文献1 嵌

16、入式系统原理与实践一一ARMCortex M4Kinetis微控制器王宜怀著电 子工业出版社；2 MC9S12X沖片机原理及嵌入式系统开发王宜怀著电子工业出版社；3 付家才单片机控制工程实践技术【M】北京：化学工业出版社4 单片机原理及应用，李建忠著，西安，西安电子科技大学；5 模拟电子技术基础，童诗白，华成英等著，北京，高等教育出版社；6 C程序设计，谭浩强著，北京，清华大学出版社；7.3示例代码:void mai n (void)/int m=0;/printf(TWR-K60N512 GPIO Example!n);/ uint i=0;/* Turn on all port clock

17、s */SIM_SCGC5 = SIM_SCGC5_PORTA_MASK | SIM_SCGC5_PORTB_MASK | SIM_SCGC5_PORTC_MASK | SIM_SCGC5_PORTD_MASK | SIM_SCGC5_PORTE_MASK;/* Enable GPIOA and GPIOE interrupts in NVIC */enable_irq(87); /GPIOA Vector is 103. IRQ# is 103-16=87/enable_irq(91); /GPIOE Vector is 107. IRQ# is 107-16=91/* Initialize

18、 GPIO on TWR-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_062;dis_0+)if(dis_060)gpio_set (PORTB, 2

19、1, 1);gpio_set (PORTB, 20, 1); gpio_set (PORTA, 17, 0);/gpio_set (PORTA, 13, 1);for(dis_1 =0;dis_112;dis_1+) if(dis_110)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_261;dis_2+)if(dis_2=60)gpio_set (PORTB, 20,1);

20、gpio_set (PORTB, 21,1);gpio_set (PORTA, 14, 0);gpio_set (PORTA, 12, 0);/gpio_set (PORTA, 13, 0);/time_delay_ms(1000);void init_gpio()/Set PTA19 and PTE26 (connected to SW1 and SW2) for GPIO functionality, falling IRQ,/ and to use internal pull-ups. (pin defaults to input state)/PORTA_PCR19=PORT_PCR_

21、MUX(1)|PORT_PCR_IRQC(0xA)|PORT_PCR_PE _MASK|PORT_PCR_PS_MASK;/PORTE_PCR26=PORT_PCR_MUX(1)|PORT_PCR_IRQC(0xA)|PORT_PCR_PE _MASK|PORT_PCR_PS_MASK;/Set PTB10, PTB21, PTB21, and PTB23(connected to LEDs) for GPIO functionality/ 修改适合本电路板PORTB_PCR20=(0|PORT_PCR_MUX(1);PORTB_PCR21=(0|PORT_PCR_MUX(1);/PORTB_PCR22=(0|PORT_PCR_MUX(1);/PORTB_PCR23=(0|PORT_PCR_MUX(1);PORTD_PCR0=(0|PORT_PCR_MUX(1);PORTD_PCR1=