模拟交通灯控制器课程设计26页doc.docx

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《嵌入式系统原理与应用》综合设计

交通信号灯控制器设计

系部：

电子与信息工程系

专业班级：

姓名：

学号：

小组成员：

指导教师：

时间：

2011.5.30~2011.6.24

完成日期2011年6月

1.绪论..............................................................2

2.课程设计要求及实验设备与器材......................................2

2.1课程设计题目...............................................2

2.2课程设计目的...............................................2

2.3设计要求...................................................3

2.4工作流程...................................................3

2.5实验设备与器材.............................................3

3.硬件设计..........................................................4

3.1设计系统介绍及原理框图.....................................4

3.2电源供电系统...............................................4

3.3ARM开发板..................................................5

3.4LED显示系统...............................................5

3.5键盘系统...................................................7

3.6原理电路图.................................................9

4.软件设计方案......................................................5

4.1程序流程图.................................................5

4.2方案论证...................................................7

4.3调试过程...................................................7

4.4运行结果...................................................7

4.4.1结果分析..............................................8

4.4.2体会与收获............................................8

参考文献...........................................................10

特别致谢...........................................................10

附录...............................................................15

1.绪论

嵌入式计算机系统的出现，是现代计算机发展历史山的里程碑。

嵌入式系统诞生于微型计算机时代，与通用计算机的发展道路完全不同，形成了独立的单芯片的技术发展道路。

由于嵌入式系统的诞生，现代计算机领域出现了通用计算机与嵌入式计算机两大分支。

不可兼顾的技术发展道路，形成了两大分支的独立发展：

通用计算机按照高速、海量的技术发展；嵌入式计算机系统则为满足对象系统按照嵌入式智能化控制要求发展。

由于独立的分工发展，20世纪末，现代计算机的两大分支都得到了迅猛的发展。

2.课程设计要求及实验设备与器材

2.1课程设计题目

模拟交通灯控制器设计

2.2课程设计目的

通过本次综合设计，运用已学的课程知识，根据题目要求进行软硬件系统的设计和调试，对《嵌入式系统原理与应用》课程中涉及的芯片结构、控制原理、硬件和编程等方面有一定的感性认识和实践操作能力，从而加深对本课程知识点的理解，使学生应用知识能力、设计能力、调试能力以及报告撰写能力等方面有显著提高。

2.3设计要求

利用实验系统的资源来设计一个“模拟交通灯控制器”。

控制面板包括：

8位数码显示器、2组交通灯（每组交通灯包括红、黄和绿3个灯）、十个数字按键键盘、电源按键、电源指示灯和一个运行键。

具体设计要求如下：

1.设计一交通灯控制系统，其结构如图1.1所示，工作方式满足上述要求。

2.主干道和次干道的通行时间及黄灯点亮的时间可以手动设置。

3.在没有手动设置通行时间时，系统自动按表1.1的模式进行工作。

十字交叉路口的交通灯控制系统的结构图1.1所示

往南和往北的信号一致，即红灯（绿灯或黄灯）同时亮或同时熄灭。

用两个数码管来显示被点亮的指示灯还将点亮多久。

往东和往西的方向的信号一致。

其工作方式与南北方向一样。

也采用两个数码管来倒计时，当南北方向为绿灯和黄灯时，东西向的红灯点亮禁止通行，而东西方向为绿灯和黄灯时，南北向的红灯点亮禁止通行。

假设南北方向为主干道，通行时间为60秒，东西方向是次干道，通行时间为30秒，黄灯点亮的时间均为4秒，则其工作方式如表1.1所示循环点亮信号灯。

表1.1交通信号灯工作模式

南北向

绿灯亮60秒

黄灯亮4秒

红灯亮34秒

东西向

红灯亮64秒

绿灯亮30秒

黄灯亮4秒

2.4工作流程

A.按下电源键，电源指示灯亮；

B.按下运行键，模拟交通灯控制器工作；

C.LED实时显示当前的交通状况；

D.红灯和绿灯的工作顺序如下：

图2.1红灯工作顺序图

图2.2绿灯工作顺序图

E.用2位数码管实时倒计时时间，倒计时流程如下：

图2.3LED等结合数码管工作顺序图

F.运行过程中，若再按下电源键，则控制器停止工作，电源指示灯灭。

2.5实验设备与器材

（1）电源模块

（2）ARM开发板LM3S2110

（3）1602液晶显示

3.硬件系统设计

3.1设计系统介绍及原理框图

（1）接通电源时或系统复位后，系统按程序给定的时间工作，即南北向通行60秒，东西向通行30秒，黄灯亮4秒，工作模式如表1.1所示。

首先南北向通行，然后东西向通行，如此循环。

（2）通行时间的设置：

当需要更改主、次干道的通行时间时，可以用“设置键、增加键、减少键”进行设置。

第一次按“设置键”时，南北向的绿灯亮，南北向的数码管显示当前南北向的通行时间，并且按每秒3次的频率闪烁（每秒亮3次暗3次），其余的信号指示灯和东西向的数码管熄灭，此时可以用“增加键”和“减少键”来改变南北向的通行时间。

按一次“增加键”或“减少键”，数码管的显示增加一秒或减小一秒，长按“增加键”或“减少键”（按下的时间超过一秒钟以上）则数码管显示的时间按每秒钟增加或减少10的速度快速变化。

第二次按“设置键”时，南北向的黄灯亮，南北向的数码管显示当前南北向黄灯点亮时间，并且按每秒3次的频率闪烁每秒亮3次暗3次），其余的信号指示灯和东西向的数码管熄灭，此时可以用“增加键”和“减少键”来改变南北向黄灯的点亮时间。

第三次按“设置键”时，东西向的绿灯亮，东西向的数码管显示当前东西向的通行时间，并且按每秒3次频率闪烁，此时可以用“增加键”和“减少键”来改变东西向的通行时间。

第四次按“设置键”时，东西向的黄灯亮，东西向的数码管显示当前东西向黄灯的点亮时间，并且按每秒3次频率闪烁，此时可以用“增加键”和“减少键”来改变东西向黄灯的点亮时间。

第五次按“设置键”时，系统退出设置状态，回到交通信号灯状态，并且南北向先通行，东西向后通行。

“设置键”的功能表图1.2所示。

表1.2设置键的功能

按“设置键”的次数

第1次

第2次

第3次

第4次

第5次

调整内容

南北向的绿灯点亮时间

南北向的黄灯点亮时间

东西向的绿灯点亮时间

东西向的黄灯点亮时间

恢复交通灯工作状态

调整范围

0~99秒

0~9秒

0~9秒

0~9秒

3.2电源供电系统

本系统采用220V电源供电，应设计相应的稳压电源电路。

但课程设计受时间限制，也可采用现成的5V直流稳压电源供电，这样可节约设计时间，简化设计过程。

图3.1电源模块硬件图

3.3ARM开发板

ARM建设选用TILM3S2110芯片，便于设计和调试。

3.4LED显示系统

南北向和东西向各采用2个数码管计时，对该方向的指示灯的点亮时间进行倒计时，最长计时范围为99秒。

设计时可利用芯片的PD口和PA口作为字段和位选信号输出，经驱动芯片后驱动数码管显示倒计时时间，数码管采用动态扫描方式显示。

图3.2数码管模块硬件图

图3.3LED模块硬件图

3.5键盘系统

设置3个程序按键：

设置键、增加键、减少键，因键盘使用频率很小，建议采用查询方式来读取键盘。

另需配置一个非程序按键：

系统复位键。

图3.4矩阵键盘模块硬件图

3.6原理电路图

图3.5硬件电路图

4.软件设计方案

4.1程序流程图

图3.6软件流程图

4.2方案论证

电源模块采用单片机控制模块提供电源。

改方案的优点是系统简明扼要，节约成本；缺点是输出功率不高。

显示模块用数码管与点阵LED相结合的方法因为设计既要求倒计时数字输出，又要求有状态灯输出等，为方便观看并考虑到现实情况，用数码管与LED灯分别显示时间与提示信息。

这种方案既满足系统功能要求，又减少了系统实现的复杂度。

输入模块采用4*4矩阵键盘，由于单片机/嵌入式实践平台的试验箱对于交通灯及数码管的控制，只用LM3S2110芯片本身与试验箱管脚相连，通过程序就可实现。

综上所述，以LM3S2110芯片为核心器件，采用连接8段LED数码显示管，4*4矩阵键盘电路组成。

利用单片机的优势设计电路直接在管脚上接上按键开关。

因为设计的时候仅见和优化了电路，所以剩余的管教资源还比较多。

由于该系统对于交通灯以及数码管的控制，只需要单片机本身就可以实现，所以选择这种方案。

4.3调试过程

我们的程序分为2大部分，第一部分是嵌入式LM3S2110芯片上的LED灯程序的调试；第二部分是试验箱上数码显示管与4*4矩阵键盘程序的调试。

先把嵌入式LM3S2110芯片与PC机连接，在PC机上安装芯片的驱动，路径为C:

\ProgramFiles\IARSystem\EmbeddedWorkbench5.4Kickstart

\arm\drivers\LuminaryFTDI，设定管脚为GPIOB

口的PIN1～PIN4，即为芯片上的LED3～LED6。

我们的程序是先让LED3和LED6点亮50秒，再闪烁5次，再让LED4和LED5点亮10秒。

可是起初是LED3和6亮完之后就是LED4和5亮，没有闪烁的过程，后来发现是程序中的延时循环出现了问题，然后经过了一次次更改，一次次错误，最后终于成功的让交通灯正确点亮。