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)成為常見的場景。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無意中闖入鐵路區(qū)域，從而引發(fā)重大交通事故。

為了解決這個(gè)問題，當(dāng)前開發(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)來控制鐵路圍欄的開啟和閉合。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)測到列車的通過情況。

當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到有列車即將通過鐵路交叉口時(shí)，公路信號燈會立刻變?yōu)榧t燈，蜂鳴器也會發(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)的圍欄也會自動(dòng)關(guān)閉，在列車通過后再次打開。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。

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)控制圍欄的開啟和閉合、監(jiān)測紅外感應(yīng)器的狀態(tài)、控制信號燈的變化以及控制蜂鳴器的報(bào)警聲音。

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

【3】紅外感應(yīng)器是用來監(jiān)測列車的通過情況，當(dāng)感應(yīng)到列車時(shí)輸出高電平信號，否則輸出低電平信號。

【4】信號燈則用來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、鐵路圍欄控制和信號燈控制。

【1】系統(tǒng)初始化主要是對硬件進(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)器檢測部分則是對紅外感應(yīng)器進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)感應(yīng)到列車時(shí)輸出高電平信號，程序通過讀取該信號實(shí)現(xiàn)對鐵路圍欄的控制和信號燈的變化。

【3】鐵路圍欄控制部分主要是通過對步進(jìn)電機(jī)的控制來實(shí)現(xiàn)圍欄的開啟和閉合。

【4】信號燈控制部分則是通過對GPIO口的控制來實(shí)現(xiàn)信號燈的變化，當(dāng)感應(yīng)到列車時(shí)，將信號燈變?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2
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0x03; // 響應(yīng)優(yōu)先級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)，通過對鐵路交叉口進(jìn)行有效的監(jiān)測和控制，實(shí)現(xiàn)了對過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)控制鐵路圍欄的開啟和閉合，使用紅外感應(yīng)器來監(jiān)測列車的通過情況。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，則公路信號燈變?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，公路信號燈變?yōu)榫G燈，蜂鳴器關(guān)閉，圍欄打開。系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、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