一、項目背景

隨著城市規(guī)模的不斷擴大和交通運輸方式的日益發(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，因為有時不易發(fā)現(xiàn)列車行進的情況，導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。

為了解決這個問題，當前開發(fā)了一款基于STM32的鐵路自動圍欄系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了STM32F103RCT6作為主控芯片，并使用步進電機來控制鐵路圍欄的開啟和閉合。同時，系統(tǒng)還配備了紅外感應器，以便能夠及時監(jiān)測到列車的通過情況。

當系統(tǒng)監(jiān)測到有列車即將通過鐵路交叉口時，公路信號燈會立刻變?yōu)榧t燈，蜂鳴器也會發(fā)出警報聲音，以提醒行人和車輛注意安全。同時，鐵路兩側的圍欄也會自動關閉，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。

(資料圖)

二、系統(tǒng)設計

2.1 硬件部分

STM32F103RCT6主鐵路自動圍欄系統(tǒng)的硬件部分主要包括：STM32F103RCT6主控芯片、步進電機、紅外感應器、信號燈、蜂鳴器。 【1】STM32F103RCT6主控芯片是整個系統(tǒng)的核心，負責控制圍欄的開啟和閉合、監(jiān)測紅外感應器的狀態(tài)、控制信號燈的變化以及控制蜂鳴器的報警聲音。

【2】步進電機是用來控制鐵路圍欄的開啟和閉合的設備，其動力來源為驅動芯片ULN2003。

【3】紅外感應器是用來監(jiān)測列車的通過情況，當感應到列車時輸出高電平信號，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行初始化，包括設置STM32的時鐘、GPIO口的初始化等。

【2】紅外感應器檢測部分則是對紅外感應器進行監(jiān)測，當感應到列車時輸出高電平信號，程序通過讀取該信號實現(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電機的控制來實現(xiàn)圍欄的開啟和閉合。

【4】信號燈控制部分則是通過對GPIO口的控制來實現(xiàn)信號燈的變化，當感應到列車時，將信號燈變?yōu)榧t色，否則為綠色。

三、核心代碼實現(xiàn)

3.1 28BYJ48步進電機代碼

以下是使用STM32F103RCT6驅動28BYJ-48步進電機實現(xiàn)正反轉控制并封裝成子函數(shù)調用的完整代碼實現(xiàn)過程。

首先，需要定義相關引腳和變量：

#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，編寫正轉和反轉函數(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，可以封裝正轉和反轉函數(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200步  rotate_motor(200, 0);?  // 反轉100步  rotate_motor(100, 1);?  // 停止電機motor_stop();?  while (1);}

3.2 蜂鳴器報警代碼

#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

當前設計的這種基于STM32的鐵路自動圍欄系統(tǒng)，通過對鐵路交叉口進行有效的監(jiān)測和控制，實現(xiàn)了對過往車輛和行人的有效防護。該系統(tǒng)采用STM32F103RCT6作為主控芯片，使用步進電機控制鐵路圍欄的開啟和閉合，使用紅外感應器來監(jiān)測列車的通過情況。在公路與鐵路的交叉路口，若在遠處感應到有列車即將通過，則公路信號燈變?yōu)榧t燈，蜂鳴器報警，鐵路兩側圍欄自動閉合；直至感應到列車徹底離開，公路信號燈變?yōu)榫G燈，蜂鳴器關閉，圍欄打開。系統(tǒng)具有結構簡單、性能可靠等優(yōu)點，在實際應用中取得了良好的效果。審核編輯：湯梓紅

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