ARM嵌入式系统交通灯设计.docx
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ARM嵌入式系统交通灯设计
作者：
PanHongliang
封面
仅供个人学习
基于ARM嵌入式系统地交通灯设计
摘要：
随着移动设备地流行和发展，嵌入式系统已经成为一个热点•它并不是最近出现地新技术，只是随着微电子技术和讣算机技术地发展，微控制芯片功能越来越大,而嵌入微控制芯片地设备和系统越来越多，从而使得这种技术越来越引人注u.它对软硬件地体积大小、成本、功耗和可黑性都提出了严格地要求.嵌入式系统地功能越来越强大，实现也越来越复杂，随之出现地就是可靠性大大降低.最近地一种趋势是一个功能强大地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地，可以是嵌入式地Linux,WINCE等等.本文所要研究地就是基于ARM嵌入式系统地交通灯系统地设计与实现.本设计釆用了飞利浦地32位ARM微处理器LPC2138作为核心处理器
1引言
交通信号灯指挥着人和各种车辆地安全运行，实现红、黄、绿灯地自动指挥是城乡交通管理现代化地重要课题.在城乡街道地十字交义路口，为了保证交通秩序和行人安全，一般在每条道路上各有一组红、黄、绿交通信号灯,其中红灯亮，表示该条道路禁止通行。
黃灯亮，表示该条道路上未过停车线地车辆停止通行，已过停车线地车辆继续通行。
绿灯亮，表示该条道路允许通行.交通灯控制电路自动控制十字路口两组红、黃、绿交通灯地状态转换，指挥各种车辆和行人安全通行，实现十字路口城乡交通管理自动化.
本文为了实现交通道路地管理，力求交通管理先进性、科学化.分析应用了单片机实现智能交通灯管制地控制系统，以及该系统软、硬件设讣方法,实验证明该系统实现简单、经济，能够有效地疏导交通,提高交通路口地通行能力.
2相关内容及原理
通过设讣，培养自己综合运用所学知识、独立分析和解决实际问题地能力，培养创新意识和创新能力，并获得科学研究地基础训练,加深对ARM芯片地了解；熟悉ARM芯片各个引脚地功能，工作方式，计数/定时,1/0口冲断等相关原理，巩固学习嵌入式地相关内容知识.
利用ARM芯片模拟实现交通灯控制.自行选择所需ARM芯片,查阅相关文献资料，熟悉所选ARM芯片，了解所选ARM芯片各个引脚功能，工作方式，计数/定
时,1/0口，中断等相关原理，通过软硬件设计实现利用ARM芯片完成交通灯地模拟控制.
3设计方案
3.1设计思路
利用LPC2131ARM芯片实现单路交通灯地控制：
a实现红、绿、黄灯地循环控制•使用红、黄、绿三种不同颜色地LED灯实现此功能，山南往北方向红、黃、绿三个灯依次接在P1.18、P1.19、P1.20±,由北往南方向地红、黄、绿三个灯依次接在Pl.21、Pl.22、P1.23±,人行道用红、绿两个灯控制，依次接在P1.24、P1.25上,用软件控制灯地亮与灭来控制车辆和行人地通行.b用数码管显示倒讣时.可以利用动态显示或静态显示，串行并出或者并行并出实现.c南北方向控制车辆地绿灯熄灭地同时，控制蜂鸣器响2秒来作为警报.蜂鸣器接P0.7引脚.
交通路口示意图如图3.1车辆遇到红灯停绿灯行地行走惜况，红绿灯时间
均为60s,切换时间为10s,最后5s为黃灯闪烁.
图3.1交通路口示意图
3.2总体设计框图
用ARM7系列芯片LPC2138作为系统地主控芯片，控制交通灯地循环点亮并显
示灯亮时间（采用倒计时显示），当定时时间到地时候控制蜂鸣器响来提醒人们注意红绿灯地状态.
图3.2交通灯总体设计框图
4硬件设计
根据设讣任务要求，自行选择电子元件，画出电气原理图,并调试.一个完整地系统除了主控芯片以外,还需配上电源系统、时钟电路、复位电路等.独立地芯片是不能工作地.
4.1LPC2138芯片介绍及设计
LPC2138是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪地32位ARM7TDMI-STMCPU地微控制器，并带有32kB地嵌入地高速Flash存储器.128位宽度地存储器接口和独特地加速结构，使32位代码能够在最大时钟速率下运行.对代码规模有严格控制地应用可使用16位Thumb.模式将代码规模降低超过30%,而性能地损失却很小.较小地封装和极低地功耗使LPC2131可理想地用于小型系统中，具有以下一些特性：
•小型LQFP64H装
•8k地片内静态RAM和32k地片内Flash程序存储器.
•片内Boot装载软件实现在系统/在应用中编程（ISP/SAP）单扇
区或整片擦除时间为400ms.256字节行编程时间为1ms.
•1个10位D/A转换器
•两个32位定时器/计数器（带四路捕获和四路比较通道）、PWM
单元（6路输出）和看门狗
•实时时钟具有独立地电源和时钟源，在节电模式下极大地降低了功耗
•多个串行接口，包括2个16C550工业标准UART、2个高速I’C接口
（400kbit/s）、SPITH和具有缓冲作用和数据长度可变功能地SSP.
•多达47个5V地通用I/O口；向量中断控制器,可配置优先级和向量
地址
•9个边沿或电平触发地外部中断引脚
•片内晶振频率范围：
1〜30MHz.
•通过片内PLL可实现最大为60MHz地CPU操作频率,PLL地稳定时间为100us
•低功耗模式：
空闲和掉电.
•可通过个别使能/禁止外部功能和外围时钟分频来优化功耗.
•通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒.
•单电源，具有上电复位（POR）和掉电检测（BOD）电路：
•CPU操作电压范围：
3.0V〜3.6V（3.3V±10%）,I/O口可承受5V地电压.
4.2LPC2138芯片最小系统硬件设计
图4.1为LPC2138芯片地原理图,64个引脚，釆用3.3V电源供电，设计所需外接器件地网络名已经标出.
图4.1LPC2138芯片地原理图
4.3系统电源电路设计
本电源运用5V地直流电源（图4.2所示）.通过DS2434芯片将5V电压转换为3.3V电压，为LPC2138芯片供电丄PC2138芯片所能承受地电压范围是3V~3.6V.
图4.2直流电源电路设计
4.4晶振与复位电路
系统地晶振电路如图4.3所示LPC2138芯片采用11.0592MHz地晶振作为振荡时钟源,通过对芯片地进行软件设计可以将晶体振荡器地频率分频为所需地频率；系统地复位电路如图4.4所示,SP708S芯片地7号引脚连接到主控芯片地复位引脚（nRST）上，按下复位键S2时，系统将会复位到初始地状态.
图4.3系统地晶振电路图图4.4系统地复位电路图
4.5LED循环显示设计
山南向北和山北向南车道各用一组红、绿、黃三色地指示灯,指挥车辆通行•绿灯是通行信号，面对绿灯地车辆可以直行，红灯是禁止通行信号，面对红灯地车辆必须在路口地停车线后停车.黃灯是警告信号，面对黃灯地车辆不能越过停车线，但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以继续行进.具体红绿灯时间分配时间如表4一1所示.
表4—1：
红绿灯时间分配时间如表
50s
OS
5s
50s
5s
5s
南北通道
绿灯亮
绿灯闪
黃灯闪
红灯亮
红灯闪
黃灯闪
人行道
红灯亮
红灯亮
红灯亮
绿灯亮
红灯亮
红灯亮
上表说明南北通道绿灯亮、绿灯闪黄灯闪时人行道都是红灯亮，只有车道红灯亮（车辆完全停下来）时人行道绿灯才亮，这样保证了过马路地行人人身安全，避免了不必要地交通事故•硬件电路连接图如图4.5所示
图4.5硬件电路连接图
交通灯LED地发光和熄灭地控制，是通过控制GPIO寄存器组来完成地，须先将引脚P1.18〜P1.25通过引脚功能选择寄存器PIXSEL1,设置为GPIO方式；再设置GPIO方向寄存器1（I01DIR），对应地引脚设置为输出方向.要点亮LED1〜LED8需要使用GPIO清零寄存器l（IOlCLR）地对应位设置为1,即在引脚P1.18〜P1.25上加逻辑低电平，即可点亮这些灯.与之相反，要熄灭这些灯，则要用GPIO输出置位寄存器1（IO1SET）将对应地位置位即可.
4.6数码管倒计时显示硬件设计
数码管是一种很普遍地显示器件，数码管地主要部分是七段发光二极管；数码管分为共阴极和共阳极两种，为了保护各段LED,需外加限流电阻.有地产品还附加有一个小数点，因此有人也称之为八段式发光二极管.
图4.6数码管外形图及阴阳两极连接示意图
如图4.6所示，数码管山8个发光段（第八段表示小数点）地不同组合，从而实现十六进制数地显示.通过段选端可以控制数码管显示内容，位选端用于控制整个数码管是否工作：
对于共阴极数码管，位选端要接低电平，对于共阳极数码管,位选端接高电平•数码管有两种显示方式：
动态显示和静态显示.静态显示让数码管要点亮地数码管同时持续点亮；动态显示则利用了人眼地视觉暂留原理，在一个时间内只点亮一个数码管•本次设计采用2位一体地数码管，数码管地2条位选线连接ARM地通用I/O口；数码管地8个段选端连接74HC595芯片地并行I/O输出接口，74HC595再与ARM地SPIO模式进行通信，接受ARM发送过来地数据.数码管硬件电路连接图如图4.7所示.
图4.7数码管硬件电路连接图
4.7蜂鸣器设计
将蜂鸣器正极端接电源，负极端通过三极管接地，三极管基极通过电阻接
到LPC2138芯片地P0.8引脚上.具体硕件电路连接图如图4.8所示
图4.8蜂鸣器硬件电路连接图
5软件设计
5.1交通灯控制软件流程图
图5」为ARM模拟交通灯控制程序流程图，主程序主要完成倒il•时显示及控制蜂鸣器,中断服务程序主要控制那些灯亮以及亮地时间.
主程序流程图
图5.1ARM模拟交通灯控制程序流程图
5.2ARM交通灯模拟控制程序设计
定时器控制原理：
定时器对外设时钟Fpclk周期进行讣数，根据4个匹配寄存器地设定可设置为匹配（即达到匹配寄存器指定地定时值）时产生中断或执行其他操作.ARMLPC2138有两个32位定时器，定时器0和定时器1,本次设计仅适用定时器0,选定定时器0中断为向量IRQ.
设置P0、P1口为GPI0输出状态,初始化定时器，选定定时器0中断为向量
IRQ,对VICIntEnable.VICIntSelect>VICvectCntI进行设置,初始化SPI接口，根据设计要求编写软件程序.根据事先画好地程序流程图，用C语言编写程序，在主程序中对需要用到地I/O口进行定义,并设置相应地I/O口，比如要求P1.18〜P1.25引脚为GPIO功能，则通过对引脚功能选择寄存器PINSEL1将对应地引脚设置为GPIO方式并设置GPIO方向，在GPIO方向寄存器I01DIR里设置，之后对定时器0进行初始化，并开相应地中断.然后进入大循环进行倒讣时显示、控制蜂鸣器地蜂鸣与否并判断flag是否加到设定值，对flag加到设定值后进行清零，让flag重新计数.中断服务程序地设计,每隔一秒钟定时器中断一次，每中断一次flag加1根据LED点亮地先后顺序以及点亮地时间，分别编写相应地程序.
6程序运行测试结果
//Pl.18南北红灯
//Pl.19南北绿灯
//Pl.20南北黄灯
//Pl.21南北红灯
//Pl.22南北绿灯
//P1.23南北黄灯
//P1.24马路红灯
//P1.25马路绿灯
程序:
#include"config,h”
#defineLED11«18
#defineLED21«19
#defineLED3l«20
#defineLED41«21
#defineLED51«22
#defineLED61«23
#defineLED71«24
#defineLED81«25
#defineY0x00900000
#defineR0x00240000
#defineG0x00480000
〃数码管位选1
〃数码管位选2
//P0.9
//P0.8为蜂鸣器控制
#defineSEL11«26
#defineSEL21«27
#defineHC595_CS0x00000200
#defineBEEP0x00000100
unsignedintdat,nb,h,flago
unsignedchartab[]={0XC0,0XF9,0XA4,0XB0,0X99,
0X92,0X82,0XF8,0X80,0X90）o
定时器0中断服务子程序重装初值，计数增减
void—irqIRQ_TimeO（void）
{
unsignedintio
if（flag<=50）
{if（flag==0）nb=55。
IO1CLR=LED1ILED4ILED8。
〃车道红马路绿
IO1SET=~（LED1ILED4ILED8）。
nb—o
〃南北红灯时间秒减1
if（（flag>50）&&（flag<55））
i=IOlPINo
IO1SET二R。
IOlCLR=Ro
〃红灯每秒闪烁一次
〃红灯时间减I
if（flag==55）
〃车道黄马路红
IO1CLR=LED引LED6ILED7。
IO1SET二〜（LED3ILED6ILED7）。
if（（55i=IOISETo
if（（i&Y）==O）
IO1SET=Y<>
else
{
IOlCLR=Yo
}
h—o
}
if（（60<=flag）&&（flag<110））
{
if（flag==60）nb=51。
IO1CLR=LED2ILED5ILED7。
IO1SET=~（LED2ILED5ILED7）。
nb-o〃绿灯时间减1
}
if（（11Ov二flag）&&（flag<115））计数
{
i=IOlSETo
if（（i&G）==0）
IO1SET=G<>
else
{
I01CLR=Go
）
nb~o
〃黃灯闪烁
〃黄灯时间秒减1
〃车道绿马路红
〃汁数慢一个周期后重新开始
〃绿灯闪烁
〃绿灯时间减1
）
if（flag==115）
h=5o
IO1CLR=LED3ILED6ILED7。
〃车道黃马路红
IO1SET=~（LED3ILED6ILED7）。
if（（115{
i=IOlSEToif（（i&Y）==0）I01SET=Yoelse
{
IOiCLR=Yo
）
h-o
1
flag++o
T0IR=0x01o
VICVectAddr=0x00。
〃黃灯闪烁
〃黄灯时间减1
//清除中断标志
//通知VIC中断处理结束
**TimeOInit（）定时器0定时中断初始化
5^C/
voidTimeOInit（void）{
TOPR=99o
110592Hz
T0MCR=0x03o
T0TC
T0MR0=110592c
//设置定时器0分频为100分频得
//匹配通道0匹配中断并复位
//比较值（1秒定时值）
T0TCR=0x03o
//启动并复位TOTC
TOTCR=0x01o
VICIntSelect=OxOO。
//所有中断通道设置为IRQ中断
VICVectCntIO=0x24。
//定时器0中断通道分配最高优先级
//使能定时器0中断
*voidSPImasterInit（）SPI初始化
VICVectAddiO=（uint32）IRQ_Time0o//设置中断服务程序地址向量
VICIntEnable=0x00000010o
voidSPImasterInit（）
{
unsignedintfdiv。
fdiv=8o
SOPCCR=fdiv&Oxfe。
SOPCR=（O«3）I（1<<4）1（1«5）l（0«6）l（l«7）。
*HC595.SendDat（）向74HC595发送一字节数据voidHC595_SendDat（unsignedintdat）
{
IOOCLR=HC595_CSo
SOPDR=dato
IOOSET=HC595CS。
Delay_NS（）长软件1ms延时
voidDelay_Ns（unsignedintdly）
while（dly—）//dlyms延时
{
unsignedintjo
for（j=loj<=613oj++）〃lms延时
*voidLED_DisplayO*功能:
LED数码管显示
5^C/
voidLED_Display（）
{
if（（flag<55）ll（（60<=flag）&&（flag<115）））
{
dat=nb/10o〃显示十位数据
HC595_SendDat（tab[dat]）o
IOlSET=SELlo〃打开数码管位选1
Delay_Ns（20）o
IO1CLR=SEL1o〃关闭数码管1
dat=nb%10o〃显示个位数据
HC595_SendDat（tab[dat]）o
IOlSET=SEL2o〃打开位选2
Delay_Ns（20）o
IOlCLR=SEL2o〃关闭位选2
）
elseif（（（55v二flag）&&（flag<60））ll（（115<=flag）&&（flag<120）））
HC595_SendDat（tab[dat]）o
IOlSET=SEL2o
Delay_Ns（20）o
IOlCLR=SEL2o
）
}
]
*main（）：
初始化I/O及定时器,然后不断地查询定时器中断标志.
*当定时时间到达时，取反BEEPCON控制口.
5^c/
〃设置所有引脚连接GPIO
//设置管脚连接GPIO
〃设置I/O为输出
〃设置SPI控制口,BEEP和nCS为
〃初始化定时器0
//SPI初始化
//使能中断
intmain（void）
{
PINSELO=OxOOOOOOOOo
PINSEL1=0x00000000o
IOlDIR=0xffffffffo
IO0DIR=0x000003f0o输出
IOlSET=0xffffffffo
IOOSET=BEEPo
flag=Oo
Time0Init（）o
SPImasterInit（）o
IRQEnable（）o
while（l）
{
if（flag==120）
flag=Oo
if（（flag=55）ll（flag==l15））
IOOCLR二BEEP。
if（（flag==57）ll（flag==I17））
IOOSET=BEEPo
）
return（0）o
}
程序运行测试流程：
根据事先画好地程序流程图，用C语言编写程序，并成功生成HEX文件，编译结果如图6.1所示.
图6」编译结果示意图
车道红灯、马路绿灯，一位数码管50秒倒计时显示如下图6.2所示.
图6.2车道红灯、马路绿灯50秒倒il•时显示
车道红灯、马路绿灯，一位数码管50秒倒计时显示，倒讣时5秒，马路方向亮黃灯，以提示即将亮红灯,如下图6.3所示.
图6.3东西方向亮黄灯提示即将亮红灯显示
设计为系统上电即点亮车道红灯以及马路绿灯，倒计•时50s红灯开始闪烁,同时马路红灯亮，红灯闪5s接着转为黃灯闪5s,然后车辆通道转为绿灯亮,50s后绿灯闪5s,黄灯再闪5s之后乂回到红灯亮，人行道只在车辆通道红灯时才亮绿灯•这主要靠在中断服务程序中对计数值flag地判断来对正在点亮地灯进行定时实现程序详细清单见附录.
7设计心得体会及总结
通过这次交通灯设计，本人在多方面都有所提高.通过这次交通灯设计，培养综合运用所学知识、独立分析和解决实际问题地能力，培养创新意识和创新能力,并获得科学研究地基础训练.了解所选择地ARM芯片各个引脚功能，工作方式，计数/定时，I/O口，中断等地相关原理，并巩固学习嵌入式地相关内容知识.通过软硬件设计实现利用ARM芯片完成交通灯控制功能.首先查阅相关文献资料，熟悉所选ARM芯片.第二步总体设计方案规划，设计车辆遇到红灯停绿灯行情况，红绿灯时间均为60s,切换时间为10s,最后os为黄灯闪烁.接下来系统硬件设计，熟悉10接口，定时器讣数器工作原理.最后系统软件设计，包括交通信号灯地工作流程软件实现，用C语言编程.提高了计算能力，绘图能力，熟悉了规范和标准，同时各科相关地课程都有了全面地复习，独立思考地能力也有了提高.
在这次设讣过程中,体现出自己单独设计模具地能力以及综合运用知识地能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果地喜悦心情,从中发现自己平时学习地不足和薄弱环节，从而加以弥补.
版权申明
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版权为潘宏亮个人所有
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