一、項(xiàng)目背景

隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大和交通運(yùn)輸方式的日益發(fā)展，鐵路與公路的交叉口已經(jīng)成為常見(jiàn)的場(chǎng)景。然而，這些交叉口往往存在一定的安全隱患，因?yàn)橛袝r(shí)不易發(fā)現(xiàn)列車行進(jìn)的情況，導(dǎo)致公路上的車輛或行人可能會(huì)無(wú)意中闖入鐵路區(qū)域，從而引發(fā)重大交通事故。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，當(dāng)前開(kāi)發(fā)了一款基于STM32的鐵路自動(dòng)圍欄系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了STM32F103RCT6作為主控芯片，并使用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制鐵路圍欄的開(kāi)啟和閉合。同時(shí)，系統(tǒng)還配備了紅外感應(yīng)器，以便能夠及時(shí)監(jiān)測(cè)到列車的通過(guò)情況。

當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到有列車即將通過(guò)鐵路交叉口時(shí)，公路信號(hào)燈會(huì)立刻變?yōu)榧t燈，蜂鳴器也會(huì)發(fā)出警報(bào)聲音，以提醒行人和車輛注意安全。同時(shí)，鐵路兩側(cè)的圍欄也會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，在列車通過(guò)后再次打開(kāi)。這樣，就能有效地防止公路車輛和行人誤闖鐵路區(qū)域，保障了路人的安全。

(資料圖)

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件部分

STM32F103RCT6主鐵路自動(dòng)圍欄系統(tǒng)的硬件部分主要包括：STM32F103RCT6主控芯片、步進(jìn)電機(jī)、紅外感應(yīng)器、信號(hào)燈、蜂鳴器。 【1】STM32F103RCT6主控芯片是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)控制圍欄的開(kāi)啟和閉合、監(jiān)測(cè)紅外感應(yīng)器的狀態(tài)、控制信號(hào)燈的變化以及控制蜂鳴器的報(bào)警聲音。

【2】步進(jìn)電機(jī)是用來(lái)控制鐵路圍欄的開(kāi)啟和閉合的設(shè)備，其動(dòng)力來(lái)源為驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003。

【3】紅外感應(yīng)器是用來(lái)監(jiān)測(cè)列車的通過(guò)情況，當(dāng)感應(yīng)到列車時(shí)輸出高電平信號(hào)，否則輸出低電平信號(hào)。

【4】信號(hào)燈則用來(lái)提示道路行人和車輛當(dāng)前狀態(tài)，紅燈表示停止，綠燈表示通行。

【5】蜂鳴器則是用來(lái)發(fā)出報(bào)警聲音，提醒行人和車輛注意安全。

2.2 軟件部分

程序主要分為四部分：系統(tǒng)初始化、紅外感應(yīng)器檢測(cè)、鐵路圍欄控制和信號(hào)燈控制。

【1】系統(tǒng)初始化主要是對(duì)硬件進(jìn)行初始化，包括設(shè)置STM32的時(shí)鐘、GPIO口的初始化等。

【2】紅外感應(yīng)器檢測(cè)部分則是對(duì)紅外感應(yīng)器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)感應(yīng)到列車時(shí)輸出高電平信號(hào)，程序通過(guò)讀取該信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路圍欄的控制和信號(hào)燈的變化。

【3】鐵路圍欄控制部分主要是通過(guò)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)圍欄的開(kāi)啟和閉合。

【4】信號(hào)燈控制部分則是通過(guò)對(duì)GPIO口的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)燈的變化，當(dāng)感應(yīng)到列車時(shí)，將信號(hào)燈變?yōu)榧t色，否則為綠色。

三、核心代碼實(shí)現(xiàn)

3.1 28BYJ48步進(jìn)電機(jī)代碼

以下是使用STM32F103RCT6驅(qū)動(dòng)28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制并封裝成子函數(shù)調(diào)用的完整代碼實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

首先，需要定義相關(guān)引腳和變量：

#include "stm32f10x.h"?#define IN1_PIN GPIO_Pin_0#define IN2_PIN GPIO_Pin_1#define IN3_PIN GPIO_Pin_2#define IN4_PIN GPIO_Pin_3?GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;?uint8_t step = 0;

然后，編寫初始化GPIO的代碼：

void init_GPIO(void){  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);?  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = IN1_PIN | IN2_PIN | IN3_PIN | IN4_PIN;  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;  GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);}

接著，編寫正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)函數(shù)的代碼：

void forward(void){  switch(step)   {    case 0:      GPIO_SetBits(GPIOA, IN1_PIN);      GPIO_ResetBits(GPIOA, IN2_PIN | IN3_PIN | IN4_PIN);      break;    case 1:      GPIO_SetBits(GPIOA, IN1_PIN | IN2_PIN);      GPIO_ResetBits(GPIOA, IN3_PIN | IN4_PIN);      break;    case 2:      GPIO_SetBits(GPIOA, IN2_PIN);      GPIO_ResetBits(GPIOA, IN1_PIN | IN3_PIN | IN4_PIN);      break;    case 3:      GPIO_SetBits(GPIOA, IN3_PIN | IN2_PIN);      GPIO_ResetBits(GPIOA, IN1_PIN | IN4_PIN);      break;    case 4:      GPIO_SetBits(GPIOA, IN3_PIN);      GPIO_ResetBits(GPIOA, IN1_PIN | IN2_PIN | IN4_PIN);      break;    case 5:      GPIO_SetBits(GPIOA, IN4_PIN | IN3_PIN);      GPIO_ResetBits(GPIOA, IN1_PIN | IN2_PIN);      break;    case 6:      GPIO_SetBits(GPIOA, IN4_PIN);      GPIO_ResetBits(GPIOA, IN1_PIN | IN2_PIN | IN3_PIN);      break;    case 7:      GPIO_SetBits(GPIOA, IN1_PIN | IN4_PIN);      GPIO_ResetBits(GPIOA, IN2_PIN | IN3_PIN);      break;   }  step++;  if(step == 8)   {    step = 0;   }}?void backward(void){  switch(step)   {    case 0:      GPIO_SetBits(GPIOA, IN1_PIN | IN4_PIN);      GPIO_ResetBits(GPIOA, IN2_PIN | IN3_PIN);      break;    case 1:      GPIO_SetBits(GPIOA, IN4_PIN);      GPIO_ResetBits(GPIOA, IN1_PIN | IN2_PIN | IN3_PIN);      break;    case 2:      GPIO_SetBits(GPIOA, IN3_PIN | IN4_PIN);      GPIO_ResetBits(GPIOA, IN1_PIN | IN2_PIN);      break;    case 3:      GPIO_SetBits(GPIOA, IN3_PIN);      GPIO_ResetBits(GPIOA, IN1_PIN | IN2_PIN | IN4_PIN);      break;    case 4:      GPIO_SetBits(GPIOA, IN2_PIN | IN3_PIN);      GPIO_ResetBits(GPIOA, IN1_PIN | IN4_PIN);      break;    case 5:      GPIO_SetBits(GPIOA, IN2_PIN);      GPIO_ResetBits(GPIOA, IN1_PIN | IN3_PIN | IN4_PIN);      break;    case 6:      GPIO_SetBits(GPIOA, IN1_PIN | IN2_PIN);      GPIO_ResetBits(GPIOA, IN3_PIN | IN4_PIN);      break;    case 7:      GPIO_SetBits(GPIOA, IN1_PIN);      GPIO_ResetBits(GPIOA, IN2_PIN | IN3_PIN | IN4_PIN);      break;   }  step--;  if(step == -1)   {    step = 7;   }}

最后，可以封裝正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)函數(shù)成子函數(shù)：

void rotate_motor(int steps, int direction){  int i = 0;  for(i = 0; i < steps; i++)   {    if(direction == 0)     {      forward();     }    else if(direction == 1)   {    backward();   }}?void motor_stop(void){    GPIO_ResetBits(GPIOA, IN1_PIN | IN2_PIN | IN3_PIN | IN4_PIN);}

最后，可以在主函數(shù)中使用這些封裝好的子函數(shù)：

int main(void){  init_GPIO();?  // 正轉(zhuǎn)200步  rotate_motor(200, 0);?  // 反轉(zhuǎn)100步  rotate_motor(100, 1);?  // 停止電機(jī)motor_stop();?  while (1);}

3.2 蜂鳴器報(bào)警代碼

#include "stm32f10x.h"#define BUZZER_GPIO_PIN GPIO_Pin_7 #define BUZZER_GPIO_PORT GPIOC?void buzzer_init(void){  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;?  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE);  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = BUZZER_GPIO_PIN;  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; // 推挽輸出模式  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;  GPIO_Init(BUZZER_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);}?void buzzer_on(void){  GPIO_SetBits(BUZZER_GPIO_PORT, BUZZER_GPIO_PIN); // Buzzer on}?void buzzer_off(void){  GPIO_ResetBits(BUZZER_GPIO_PORT, BUZZER_GPIO_PIN); // Buzzer off}

3.3 紅外感應(yīng)器代碼

#include "stm32f10x.h"#define IR_GPIO_PIN GPIO_Pin_1 #define IR_GPIO_PORT GPIOA?void ir_init(void){  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;  EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;  NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;?  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = IR_GPIO_PIN;  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPD; // 下拉輸入模式  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;  GPIO_Init(IR_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);?  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);  GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOA, GPIO_PinSource1);?  EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line1; // 對(duì)應(yīng)中斷線 EXTI1  EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;  EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising_Falling; // 上升沿和下降沿觸發(fā)  EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;  EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);?  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI1_IRQn; // 中斷向量  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0x02; // 搶占優(yōu)先級(jí)2  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0x03; // 響應(yīng)優(yōu)先級(jí)3  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;  NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);}?void EXTI1_IRQHandler(void){  if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line1) != RESET)   {    // Do something when IR sensor detects the train    EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line1);   }}

3.4 信號(hào)燈控制代碼

#include "stm32f10x.h"#define LED_GREEN_GPIO_PIN GPIO_Pin_6 #define LED_GREEN_GPIO_PORT GPIOB#define LED_RED_GPIO_PIN GPIO_Pin_7 #define LED_RED_GPIO_PORT GPIOB?void led_init(void){  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;?  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = LED_GREEN_GPIO_PIN | LED_RED_GPIO_PIN;  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; // 推挽輸出模式  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;  GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);}?void led_green_on(void){  GPIO_SetBits(LED_GREEN_GPIO_PORT, LED_GREEN_GPIO_PIN); // Green LED on}?void led_green_off(void){  GPIO_ResetBits(LED_GREEN_GPIO_PORT, LED_GREEN_GPIO_PIN); // Green LED off}?void led_red_on(void){  GPIO_SetBits(LED_RED_GPIO_PORT, LED_RED_GPIO_PIN); // Red LED on}?void led_red_off(void){  GPIO_ResetBits(LED_RED_GPIO_PORT, LED_RED_GPIO_PIN); // Red LED off}

四、總結(jié)

當(dāng)前設(shè)計(jì)的這種基于STM32的鐵路自動(dòng)圍欄系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)鐵路交叉口進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)和控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)過(guò)往車輛和行人的有效防護(hù)。該系統(tǒng)采用STM32F103RCT6作為主控芯片，使用步進(jìn)電機(jī)控制鐵路圍欄的開(kāi)啟和閉合，使用紅外感應(yīng)器來(lái)監(jiān)測(cè)列車的通過(guò)情況。在公路與鐵路的交叉路口，若在遠(yuǎn)處感應(yīng)到有列車即將通過(guò)，則公路信號(hào)燈變?yōu)榧t燈，蜂鳴器報(bào)警，鐵路兩側(cè)圍欄自動(dòng)閉合；直至感應(yīng)到列車徹底離開(kāi)，公路信號(hào)燈變?yōu)榫G燈，蜂鳴器關(guān)閉，圍欄打開(kāi)。系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。審核編輯：湯梓紅

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