毕业设计模拟交通灯控制系统

毕业设计（论文）

课题: 模拟交通灯控制系统

一、任务

设计并制作一个城市交道口交通灯控制糸统

二、要求

1交通灯控制规则如下：

（1）每个街口有左拐、右拐、直行及行人四种指示灯。每个灯有红、绿两种颜色。自行车

与汽车共用左拐、右拐和直行灯。 （2）共有四种通行方式：

① 车辆南北直行、各路右拐，南北向行人通行。南北向通行时间为1分钟，各路右拐比直行滞后10秒钟开放。

② 南北向左拐、各路右拐，行人禁行。通行时间为1分钟。

③ 东西向直行、各路右拐，东西向行人通行。东西向通行时间为1分钟，各路右拐比直行滞后10秒钟开放。

④ 东西向左拐、各路右拐。行人禁行。通行时间为1分钟。

5在通行结束前10秒钟，绿灯闪烁直至结束。 ○

（3）不必自制电源。 2, 发挥部分

（1）有倒计时时间显示。

（2）若交道口出现紧急情况，交警可将糸统设置成手动：全路口车辆禁行、行人通行。紧

急情况结束后再转成自动状态。

（3）当有119、120等特种车辆通过时，糸统自动转为特种车放行，其它车辆禁止状态。特

种车辆通过15秒钟后，糸统自动恢复，用模型车演示。 （4）其它自选措施。

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摘要1：本设计以单片机为核心，采用主从双MCU结构，以双色LED发光管箭头作为直行和左右拐弯指示，以LED数码管作为倒计时指示，以双色LED点阵作为行人通行的指示，以数字编码无线传输模式实现特种车辆检测，完成了题目要求的所有功能。在此基础上，我们增设了高分辨率（320×240）大屏幕LCD实时显示系统各种状态，同时显示日期和时间；增设了行人通行还配以形象的动画和温馨的语音提示；增设了可根据交通拥挤情况分别设置主干道和次干道的通行时间，并对系统机械结构进行了优化设计，整体性好，人性化强、可靠性高。

关

目 录

摘要 2

引 言.............................................................. 3

第1章方案设计与论证 ............................................ 3

1.1 总体方案设计与比较....................................... 3 第2章 系统硬件设计 ............................................ 5

2.1单片机概述 ............................................... 5 2.2总体设计 ................................................. 9 2.3 各功能模块硬件设计及实现................................ 10 2.3.1 交通灯四种通行模式及行车方向指示..................... 10 2.2.2 行人通行指示及其实现................................. 13 2.3.3 特种车检测及其实现................................... 15 2.3.4 键盘与状态显示及其实现............................... 16 2.3.5语音提示及其实现 ...................................... 18 2.3.5主次干道单独时间设置功能 .............................. 19 2.3.6紧急情况处理功能及其实现 .............................. 19 2.3.7倒计时计数功能及其实现 ................................ 19 2.3.8日历及时间显示功能及其实现 ............................ 19 第3章 系统软件设计 ........................................... 20

3.1 软件总体流程图.......................................... 20 3.2 软件主要子程序流程...................................... 21 3.2.1 紧急状态子程序....................................... 21 3.2.2设置状态子程序 ........................................ 22 3.2.3 键盘模块程序流程..................................... 22 第4章 系统调试与测试结果分析 ................................ 23

4.1 系统操作说明............................................ 23 4.2 调试.................................................... 24 4.3 指标测试................................................ 25 4.3.1 测试仪器............................................. 25 4.3.2 各模块测试........................................... 25 第5章 设计总结 ............................................... 26 第6章 参考文献 ............................................... 27 附录一：系统控制电路原理图 ..................................... 28

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附录二：LED点阵显示原理图...................................... 28 附录三：系统PCB图 ............................................. 29 附录四: ........................................................ 33

引 言

随着社会和城市交通的快速发展, 近几年机动车辆数字急剧增加，道路超负荷承载道路现象严重，致使交通事故逐年增加。交通灯是城市交通有序、安全、快速运行的重要保障，因此解决好公路交通信号灯控制问题也成了保障交通有序、安全、快速运行的重要环节。本设计是一款基于双MCU的交通控制系统，它可以实现对车辆、行人的有效导引。

根据题目要求，设计中我们选用双色LED发光管比单色LED节省了空间，简化了设计，并把双色LED发光管排成箭头形状，作为直行和左右拐弯指示，形象直观；选择双色LED点阵不仅可以从颜色上区别人的通行与停止，结合软件还可以“动画”形式模拟人的走与停，配合语音作为行人通行的提示，形象、直观、温馨；采用数字编码无线传输模式实现特种车辆检测，准确、可靠性高；高分辨率（320×240）大屏幕LCD实时显示系统各种状态，可同时显示日期和时间，显示图文信息量大，更直观，可靠性高、抗干扰能力强。该系统还可根据交通拥挤情况分别设置主干道和次干道的通行时间，以提高效率，缓减交通拥挤；本设计并对系统物理结构进行了优化，很有城市交通道口的“模型”味。

第1章方案设计与论证

题目要求我们在实现四种基本交通灯信息指示功能的基础上，实现倒计时时间显示、紧急情况处理、特种车放行等功能，如何选择有效方案至关重要！

1.1 总体方案设计与比较

题目基本部分要求：

（1）交通灯控制规则如下：

1）每个街口有左拐、右拐、直行及行人四种指示灯。每个灯有红、绿两种颜色。自行车与汽车共用左拐、右拐和直行灯。

2）共有四种通行方式：

① 车辆南北直行、各路右拐，南北向行人通行。南北向通行时间为1分钟，各路右拐比直行滞后10秒钟开放。

② 南北向左拐、各路右拐，行人禁行。通行时间为1分钟。

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③ 东西向直行、各路右拐，东西向行人通行。东西向通行时间为1分钟，各路右拐比直行滞后10秒钟开放。

④ 东西向左拐、各路右拐。行人禁行。通行时间为1分钟。

3）在通行结束前10秒钟，绿灯闪烁直至结束。

题目发挥部分要求： （1）有倒计时时间显示。 （2）若交道口出现紧急情况，交警可将系统设置成手动：全路口车辆禁行、行人通行。

紧急情况结束后再转成自动状态。

（3）当有119、120等特种车辆通过时，系统自动转为特种车放行，其它车辆禁止状

态。特种车辆通过15秒钟后，系统自动恢复，用模型车演示。

（4）其它自选措施。

根据题目基本部分要求，可以用4只双色LED发光管来指示左拐、右拐、直行及行人通行，如此设计电路简洁，编程和调试均方便，但是该方案欠直观形象，尤其是人行道，并不是每个行人都能明白单只指示灯的含义。

根据题目发挥部分当有119、120等特种车辆通过时，系统自动转为特种车放行，其它车辆禁止状态的要求，对特种车辆的检测方案很多，通常采用音频检测技术来识别，如选用具有音频锁相功能的LM567。但是该方案可靠性不高，抗干扰能力差。

根据题目发挥部分其它自选措施的要求，考虑到系统中没要求有室内状态监视，也没要求人行道有图形和语音，多少有点不够全面和人性化。

根据上述分析，综合考虑成本和器件的易得性，以及软硬件的结合，我们选用双色LED发光管并排成箭头形状，作为直行和左右拐弯指示，节省了空间，简化了设计，且形象直观；选择双色LED点阵不仅可以从颜色上区别人的通行与停止，结合软件还可以“动画”形式模拟人的走与停，配合语音作为行人通行的提示，形象、直观、温馨；采用数字编码无线传输模式实现特种车辆检测，准确、可靠性高。

根据题目发挥部分其它自选措施的要求，我们增设了高分辨率（320×240）大屏幕LCD作为系统输出，实时显示系统各种状态，同时显示日期和时间，图文并茂，信息量大，可供警察在室内实时监视交通状况；系统还增设了根据交通拥挤情况可分别设置主干道和次干道的通行时间，以提高效率，缓减交通拥挤。系统总体设计框图如图1-1所示。

特种车辆检测 主 单 片 机 行车方向指示 倒计时 行人通行指示 语音提示 键盘与状态显示 图1-1系统总体设计框图

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第2章 系统硬件设计

2.1单片机概述

单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。 通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和I/O接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。

单片机经过1、2、3、3代的发展，目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展，它们的CPU功能在增强，内部资源在增多，引角的多功能化，以及低电压底功耗。 芯片简介

MSC-51芯片简介

MCS-51单片机内部结构

8051是MCS-51系列单片机的典型产品，我们以这一代表性的机型进行系统的讲解。

8051单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明：

·中央处理器：

中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。 ·数据存储器(RAM)

8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。

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图1

·程序存储器(ROM)：

8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。 ·定时/计数器(ROM)：

8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。

·并行输入输出(I/O)口：

8051共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。 ·全双工串行口：

8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。 ·中断系统：

8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。 ·时钟电路：

8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。

单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛(Harvard)结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿(Princeton)结构。INTEL的MCS-51系列单片机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品16位的MCS-96系列单片机则采用普林斯顿结构。

下图是MCS-51系列单片机的内部结构示意图2。

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VCC VSS RAM 地址寄存器 RAM 128B P0.0～P0.7 P2.0～P2.7 P0驱动器 P2驱动器 P0锁存器 P2锁存器 4KB ROM 程序地址 寄存器 B寄存器 暂存器1 暂存器2 ACC SP 缓冲器 ALU PSW PC增1 中断、串行口及定时器 PC DPTR P1锁存器 P1驱动器 P3锁存器 P3驱动器 PSEN ALE EA RST 定时控制 指令译码器 指令寄存器 OSC XTAL1 XTAL2 P1.0～P1.7 P3.0～P3.7

图2 89C51单片机内部结构

MCS-51的引脚说明：

MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，右图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。现在我们对这些引脚的功能加以说明： MCS-51的引脚说明：

MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，右图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。现在我们对这些引脚的功能加以说明：如图3

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图3

Pin9:RESET/V复位信号复用脚，当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指针写入07H，其它专用寄存器被清“0”。RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态，8051的初始态。

8051的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，见下图4。此外，RESET/V还是一复用脚，V掉电其间，此脚可接上备用电源，以保证单片机内部RAM的数据不丢失。

pd

pd

cc

图4

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·Pin30:ALE/当访问外部程序器时，ALE(地址锁存)的输出用于锁存地址的低位字节。而访问内部程序存储器时，ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。更有一个特点，当访问外部程序存储器，ALE会跳过一个脉冲。

如果单片机是EPROM，在编程其间，将用于输入编程脉冲。 ·Pin29:当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令数据放到P0口上，由CPU读入并执行。

·Pin31:EA/V程序存储器的内外部选通线，8051和8751单片机，内置有4kB的程序存储器，当EA为高电平并且程序地址小于4kB时，读取内部程序存储器指令数据，而超过4kB地址则读取外部指令数据。如EA为低电平，则不管地址大小，一律读取外部程序存储器指令。显然，对内部无程序存储器的8031,EA端必须接地。

在编程时，EA/V脚还需加上21V的编程电压。

pp

pp

硬件设计是整个系统的基础，要考虑的方方面面很多，除了实现交通灯基本功能以外，主要还要考虑如下几个因素：①系统稳定度；；②器件的通用性或易选购性；③ 软件编程的易实现性；④系统其它功能及性能指标；因此硬件设计至关重要。现从各功能模块的实现逐个进行分析探讨。

2.2总体设计

本设计以单片机为控制核心，采用主从双MCU结构，模块化设计，共分以下几个功能模块：单片机控制系统、键盘及状态显示、行车方向指示、行人通行指示、语音信息提示、特种车辆检测和倒计时模块等。

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单片机作为整个硬件系统的核心，它既是协调整机工作的控制器，又是数据处理器。它由单片机、时钟电路、复位电路等组成。

行车方向指示采用双色LED发光管，排列成箭头状，可有两种颜色指示放行与禁止，形象直观。

行人通行指示采用双色LED点阵，排列成人状，用两种颜色指示放行与禁止，结合软件可模拟行走和静止的“动画”，形象直观，简洁明了。

语音提示部分由专用芯ISD1420构成，温馨提示“横穿马路，注意安全”，很是人性化。

特种车辆检测，采用语音和数据无线相结合，由发射器和接收器组成，发射器安装在模型车上，接收器安装在主控板上，非常可靠。

键盘及状态显示，键盘采用HD7279专用芯片，电路简洁可靠；显示器采用高分辨率（320×240）大屏幕LCD，可实时显示系统各种状态，同时显示日期和时间，图文并茂，信息量大，可供警察在室内实时监视交通状况。通过键盘可设置：紧急情况发生时的交通灯状态控制、日期和时间、主干道和次干道通行时间等，人机界面非常友好。

系统还采用了专用时钟芯片1302，以减轻单片机的负担和提高时钟准确度。

系统采用双数码管倒计时计数功能，最大显示数字99。

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友好的人机界面、灵活的控制方式、优化的物理结构以及丰富的功能是本设计的亮点。系统总体设计原理图见附录。

2.3 各功能模块硬件设计及实现

2.3.1 交通灯四种通行模式及行车方向指示

按交通灯控制规则，每个街口有左拐、右拐、直行及行人四种指示灯。每个灯有

红、绿两种颜色。交道口模型如图2－1所示：

图2－1 交道口模型图

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图2-2 通行方式一示意图

图2-3 通行方式二示意图

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4组LED数码管按照设置的通行时间（各路口默认的通行时间均为1分钟）进行倒计时，并各自进行红、绿灯显示，共有四种通行方式，分别为：

图2-4 通行方式三示意图

图2-5 通行方式四示意图

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通行方式一：倒计时时间为60s（通行时间），红绿灯状态为：南北直行：绿，东西直行：红，各路右拐：绿，左拐：红，人行道：南北绿，东西红，各路右拐比直行滞后10秒钟开放。如图2-2所示。

通行方式二：倒计时时间为60s（通行时间），红绿灯状态为：南北左拐：绿，各路右拐：绿，所有人行道：红。如图2-3所示。

通行方式三：倒计时时间为60s（通行时间），红绿灯状态为：东西直行：绿，南北直行：红，各路右拐：绿，左拐：红，人行道：东西绿，南北红，各路右拐比直行滞后10秒钟开放。如图2-4所示。

通行方式四：倒计时时间为60s（通行时间），红绿灯状态为：东西左拐：绿，各路右拐：绿，所有人行道：红。如图2-5所示。

通行默认时间为1分钟，系统设置了任意更改功能，一般主干道通行时间要比次干道要长一些，可以根据实际情况进行调整，以提高车辆通过率，缓减交通压力。在通行结束前10秒钟，绿灯闪烁直至结束。

本设计选用双色LED发光管拼成箭头形状用来指示左右拐、直行等交通指示信息。绿色表示通行，红色则表示禁止通行。图2-6，中间箭头绿色，表示直行，两边箭头红色，表示禁止通行；图2-7，左边箭头绿色，表示左拐弯；其他红色则表示禁止通行和右拐弯。所有指示信息一目了然。

图2-6 直行箭头

图2-7 左拐弯箭头

2.2.2 行人通行指示及其实现

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行人通行指示选用双色LED点阵，排列成人状，用两种颜色指示放行与禁止，结合软件可模拟行走和静止的“动画”，形象直观，如下图所示：

图2-8 允许通行1 图2-9 允许通行2

上图中所示绿色人形图像为允许通行标志，我们用LED双色点阵显示手臂 的连续摆动，表示此时可以通行，提醒行人加快步行。

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图2-10 禁止通行

上图所示红色人形图像为禁止通行标志，我们用LED双色点阵显示人的站立姿势，表示此时禁止通行，提醒行人站在原地等候。

双色LED点阵驱动电路设计的好坏直接影响到系统的设计成本、显示效果及系统的运行性能。设计中串行控制驱动采用6B595芯片(74LS595也可用)，这种芯片具有一定的驱动能力，且可以直接驱动LED 发光管而无须另外添加驱动芯片。关于行的控制和驱动是相对容易的，因为行的工作方式是分时顺序工作的。由于行的组成是几个模块并联形成的，因此驱动的功率要求也比较大。

图2－11 LED点阵外观引脚图

采用扫描方式进行显示时，每行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个列驱动器，由行译码器给出的行选通信号，从第一行开始，按顺序依次对各行进行扫描。另一方面，根据各列锁存的数据，确定相应的列驱动器是否将列与电源接通。接通的列，就在该行该列点燃相应的LED；未接通的列锁对应的LED熄灭。当一行的扫描持续时间结束后，下一行又以同样的方法进行显示，全部各行都扫描以遍之后（一个周期），又从第一行下一个周期扫描。只要一个扫描周期的时间比人眼二十五分之一秒的暂留时间短，就不容易出现闪烁现象。右图2－11为LED点阵外观引脚图。

2.3.3 特种车检测及其实现

特种车辆检测，采用语音和数据无线相结合，由发射器和接收器组成，发射器安装在模型车上，接收器安装在主控板上，分别与单片机的串口相连，用于特种车辆强行通行信号控制，无特种车辆通过时信号灯按正常时序控制。

当119、120等特种车辆通过时，伴随着语音警报声，安装在交通灯装置上的接收模块接到信息，由单片机控制所有的灯都为红灯，不管信号灯原来的状态

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如何, 一律强制给特种车辆放行,特种车辆通过15秒以后,自动恢复原来的状态。

特种车辆强行通行信号同一时间只能响应一路方向, 若两个方向先后来特种车辆, 则按先、后次序依次响应； 若两个方向同时来特种车辆, 则按东西, 南北向依次响应。与此同时，液晶显示屏上实时显示交通灯工作状态的相关信息，实现了交警在室内准确无误的远程监视功能。此举不仅是对公安人员工作的配合，也大大降低了交通事故的发生率，提高了交通安全性，保证了交通系统工作的合理性、科学性、准确性。特种车检测发射模块原理图如图2－12所示。

图2－12 特种车检测发射模块原理图

2.3.4 键盘与状态显示及其实现

键盘在本设计中用于紧急情况的手动控制装置，以及定时时间的设置等功能，起到了不可或缺的重要作用。我们选用专用键盘/显示芯片HD7279。HD7279芯片价格低廉，内部含有译码器，并具有多种控制指令，如消隐、闪烁、左移、右移、段寻址等。在设计时，外围电路简单，只需一个电阻和一个电容即可解决键盘/显示电路的外围设计，如图2—13所示。而配合使用高分辨率液晶显示模 块则可以显示各种字符及图形，可与CPU系统直接接口，具有8位标准数据总线、6条控制线及电源线，接口电路简单，控制方便，因HD7279内带许多功能，在程序设计时大大缩短了开发时间，系统的性价比高。

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显示HD7279键盘

图2—13 HD7279键盘/显示模块

在完成倒计时、状态信息等的显示功能上，我们考虑了以下三种方案： 方案一：完全采用数码管显示。这种方案只能显示有限的符号和数码字苻，无法胜任题目要求。

方案二：完全采用点阵式LED 显示。此显示方案功能强大，可方便地显示各种英文字符，汉字，图形等，而且美观，但这种方案实现复杂，且须完成大量的软件工作，因此我们不予采用。

方案三：采用发光管、数码管、LED点阵与高分辨率液晶相结合的方法。考虑设计需要，我们用双色发光管排成箭头符号，彩色LED显示人行道标志，分别构成交通提示信息，形象逼真；数码管用来显示倒计时时间；而液晶则对交通灯的各种状态信息进行实时显示，方便交警进行实时监测。

值得一提的是，我们使用的大屏幕LCD液晶显示屏自带中文汉字库，可显示用户自定义的任意符号和图形,并可卷动显示。主要有以下优点:(1)工作电压低、功耗极低。工作电压仅为3～5Ｖ,工作电流≤10μＡ/ｃｍ，特别适用于低功耗仪器仪表中。(2)液晶显示属被动显示,受外界光线干扰小。(3)图形点阵式液晶可显示的信息量大、分辨率高。(4)不产生电磁干扰。(5)可靠性高,使用寿命长。此外，它可支持微处理器接口，且接口电路简单，图2-14为与MCU接口界面图。

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图2-14 与MCU接口界面图

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综上所述，方案三既满足了系统功能要求，又符合人性化设计标准。权衡利弊，我们决定采用方案三来实现系统的显示功能。 2.3.5语音提示及其实现

语音提示主要采用ISD1420专用语音芯片来实现， ISD1420为单片语音记录、回放一体化芯片，记录时长为20s；可被划分为160小段，每段125ms。其芯片管脚如图2-15所示。当REC脚为低电平时，进行录音，PLAYE或PLAYL为低时进行放音，ISD1420可进行连续录音，也可进行分段录音。我们可以根据需要更换录音内容。

图2-15 ISD1420语音芯片管脚图

该芯片精度高、抗干扰能力强。即使在环境恶劣的系统中，如马路上也能进行正常的语音输出，保存时间长，保真性好，工作可靠。当行人过马路时温馨提示“横穿马路，注意安全”，很是人性化。配合使用两种颜色指示放行与禁止，结合软件模拟行走和静止的“动画”，形象直观，简洁明了。语音提示电路原理图如图2-16所示。图中三个按键分别用来实现录放音功能。

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图2-16 语音提示电路原理图

2.3.5主次干道单独时间设置功能

当主干道方向的车辆过多发生堵塞, 而次干道方向车辆却很稀少时，正常的 信号灯时序将会使交通状况更加恶化。本设计添加了主次干道单独时间设置功能，交警可按需求设置绿灯的点亮时间，该措施可在一定程度缓减短暂的交通压力。

2.3.6紧急情况处理功能及其实现

在十字交通路口常出现的紧急情况，若不及时处理将形成不良隐患。比如，交道口的行人有紧急情况发生，那么交警可以对信号灯进行手动控制，按下紧急情况处理键，通过软件使所有红灯亮，路口车辆禁行，行人通行，直至紧急情况结束后再转成常规的自动状态。 2.3.7倒计时计数功能及其实现

本系统使用数码管完成倒计时显示功能。以南北方向为例，数码管显示的数值从绿灯的设置时间最大值往下减，每秒钟减1，一直减到1。然后又从红灯的设置时间最大值往下减，一直减到1。接下来又显示绿灯时间，如此循环。

系统共有4 个两位的LED 数码管，分别放置在模拟交通灯控制板上的四个路口。因为四个方向的数码管应该显示同样的内容，所以我们可以把它们同样对待。也就是说各个方向的数码管个位（把数码管第二位定义为个位，第一位定义为十位）用一根信号线控制，十位用另一根信号线控制。这里采用动态显示。 2.3.8日历及时间显示功能及其实现

日历及时间主要采用的是实时时钟电路DS1302芯片，它是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，具有体积小、功耗低、接口容易、占用CPU的I／O口线少等主要特点，可以对年、月、日、周日、时、

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分、秒进行计时，且具有闰年补偿等多种功能，可作为实时时钟广泛应用于智能化仪器仪表中。图2－16为DS1302与单片机的连接图。

图2－16 DS1302与单片机的连接图

第3章 系统软件设计

硬件平台结构一旦确定，大的功能框架即形成。软件在硬件平台上构筑，完成各部分硬件的控制和协调。系统功能是由软硬件共同实现的，由于软件的可伸缩性，最终实现的系统功能可强可弱，差别可能很大。因此，软件是本系统的灵魂。软件采用模块化设计方法，不仅易于编程和调试，也可减小软件故障率和提高软件的可靠性。同时，对软件进行全面测试也是检验错误排除故障的重要手段。由于编程多涉及到数值运算，比较复杂，还有LCD的菜单界面设计都是需要多重选择判断，用我们平时常用的汇编语言编程是很难实现的，这里我们选用了移值性好、结构清晰、能进行复杂运算的C语言来实现编程。

3.1 软件总体流程图

软件总体设计及流程图见图3-1，主要完成各部分的软件控制和协调。本系统主程序模块主要完成的工作是对系统的初始化，包括对HD7279、1302和液晶的初始化，启动无线接收模块，发送显示数据，同时对键盘进行扫描，等待外部中断，以及根据所需要的功能进行相应的操作。其流程图如图3-1所示。

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开始 初始化 键扫描，取键值 判断当前状态 语音 提示 特种车 检测 紧急 状态 设置 状态 日历 显示 倒计时 图3-1 软件总体流程图

主程序比较简单，初始化完成后，调用按键扫描程序，取得键值，并根据当前系统状态调用相应的子程序。这里有六个基本的子程序供调用，分别对应系统的各种功能状态。分别是语音提示子程序、特种车检测子程序、紧急状态子程序、设置子程序和时钟显示子程序，倒计时子程序等。

3.2 软件主要子程序流程 3.2.1 紧急状态子程序

图3-2 紧急状态子程序

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在紧急状态下，只有紧急状态手动控制按键采可以使所有的LED 都被置为红灯，车辆禁行、行人通行。紧急情况结束后再转成自动状态。

3.2.2设置状态子程序

开始按键1是否按下？按键2是否按下？按键3是否按下？南北红灯时间加一南北绿灯时间加一状态改为正常运行返回

图3-3 设置状态子程序

在设置状态，按下Key1 开始设置南北的红灯时间，按下Key2 设置南北的绿灯时间，按下Key3 返回正常运行状态。红灯和绿灯的时间最大可以设为99，超出99 的时候会从20 开始重新计数。

它包含倒计时调整和紧急状态两个状态。主程序中放了一个按键的判断指 令，当有按键按下的时候，程序就自动的跳转到按键子程序处理。当检测到K2键按下的时候就自动返回到主程序。当出现紧急的情况的时候，按下K3或者K4 就切换到紧急状态，当紧急事件处理完毕的时候，按下K2，就可以返回正常状态。

3.2.3 键盘模块程序流程

键盘是人机进行交互的重要接口之一。用户通过按键对仪器下达命令，仪器对按键译码获得相应的键值，并执行相应的命令程序。键盘部分的软件实现主要是指对键盘管理芯片HD7279A进行编程，从而成功地读取键盘值，实现相应的功能。HD7279A的工作流程图如图3-4所示。

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开始程序初始化是否键按下？ YN实现相应的功能读键值调用发送子程序调用接收子程序跳转到相应功能键N是否数字键？ Y测量相应键值的电池电压Y N按键是否放开？ 图3-4 HD7279的工作流程图

第4章 系统调试与测试结果分析

因本设计本身要求有稳定性高、免维护、抗干扰能力强等功能，系统调试除了验证数据处理的精度，确保判断的准确性外，同时必须确认各项的功能的正常运行。

4.1 系统操作说明

本设计采用4x5键盘，共20个键。键盘显示接口选用专用芯片7279，键盘分为数字键和功能菜单选择键两种，其中数字键十个，分别为数字0—9，用来输入年月日、倒计时时间等数字信息；功能菜单选择键则用于年月日及时钟设置、特种车放行设置、紧急按键、主次干道通行时间分别设置、确定、取消等功能，功能选择后的所有信息都将在高分辨率LCD液晶屏上实时显示。

系统分为两个状态：设置状态和显示状态。利用键盘可以进行两个状态间的切换；开机时，系统为显示状态，此时显示四个路口数码管从默认的倒计时时间（60S）开始倒计时；LED双色发光管拼成的箭头开始有规律工作，作行车方向指示；LED双色点阵人形画面及温馨语音提示均进入正常工作设置状态时利用键盘可以设置各路口通行倒计时时间和年月日，主次干道的通行时间可以不相等，这里我们增添了分开分别设置功能；显示状态时，交通灯模组的四个LED数码管进行倒计时；双色LED发光管各组的红绿箭头轮流交替指示；如果双色LED箭头

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指示板上中间的绿灯亮，两边红灯亮，则显示的是通行时间；否则，数码管显示的是等待时间；显示过程中按键可以重新进入设置状态。同时以上所有交通状态指示信息都在液晶显示屏上清晰显示，交警可在室内进行实时监测控制。

4.2 调试

根据系统设计方案，本系统的调试共分为三大部分：硬件调试，软件调试和软硬件联调。由于在系统设计中采用模块化设计，所以方便了对各电路功能模块的逐级测试，包括对：交通灯演示功能调试，行人通行指示功能调试，倒计时功能调试，主次干道分开设置功能调试，紧急情况手动控制功能调试，特种车通行功能调试，时钟和语音功能调试，液晶显示屏实时显示功能调试等。单片机软件先在最小系统板上调试，确保工作正常之后，再与硬件系统联调。最后将各模块组合后在交道口模型上进行整体测试，使系统的所有功能得以实现。

1.硬件调试

城市交道口交通灯控制系统的PCB电路板焊接工作量非常大，电路安装完成后，首先进行检查，即确认电路无虚焊，无短路，无断路，集成元件安装是否正确，之后进行电路功能模块的分级调试，根据电路功能逐级进行：

(1)通行方式功能调试：包括对四种通行方式控制调试，行人和行车方向指示灯亮度和驱动电路调试；

(2)倒计时功能调试：数码管亮度调试；

(3)紧急情况手动控制功能调试：包括按键功能调试及显示器件的亮度和规则调试； (4)特种车通行功能调试：包括无线发送和接收电路调试。

(5)时钟和语音功能调试：包括时钟模块电路硬件调试，语音电路硬件调试，以及录放音功能的实现调试等。 2.软件调试

本系统的软件系统很大，全部用C51来编写，选用一般的伟福仿真器对C51进行调试。除了语法差错外，当确认程序没问题时，通过直接下载到单片机来调试。采取的是自下到上的调试方法，即单独调试好每一个模块，然后再连接成一个完整的系统，最后完成一个完整的系统调试。主要是液晶显示屏实时显示功能的调试。 3.软硬联调

系统做好后，进行系统的完整调试。主要任务是检验实现的功能及其效果并校正数值。根据实测数据，逐步校正数据，使测量结果更准确。单片机软件先在最小系统板上调试，确保工作正常之后，再与硬件系统联调。

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4.3 指标测试

4.3.1 测试仪器

表4—1 测试仪器清单

型 号

HONGDADT9204 HITACHI 伟福E6000/L DH1718E-5

Tektronix TDS1002

5 双信道数字示波器

60Mhz

测试仪器见表4—1，所采用的仪器都必须满足一定的测量精度要求，否则

将使测量结果失去实用价值。通常要求测量仪器的精度高于被测量仪器精度一个数量级，至少应高于3倍。根据系统设计任务书的要求逐一测试各项性能指标，并进行记录，给出测试结论。 4.3.2 各模块测试 交通灯演示电路的调试

交通灯演示模块由一百多个双色LED发光管，8块双色LED点阵组成，接线繁琐，极易出错。检查二极管无故障、导线无断线、连线接头无互相搭联后可先写一个软件调试程序，依次检查东南西北方向的指示灯（发光二极管）是否点亮；若未点亮，则可能是连线接错。根据灯的亮灭情况依次查找直到电路正常工作为止。我们主要出现的是亮度不够的问题，调整电阻阻值，并用ULN2003驱动芯片来驱动多个发光管，使其效果达到最佳。 行人通行指示功能调试

行人通行指示由 8 块双色LED点阵组成，显示人形图案，配合软件形象地模拟行人行走动画，也是本设计的两点。它由从单片机单独控制，减轻了主单片机的负担，调试也更方便了。 特种车检测模块

特种车检测模块主要由发送和接收模块组成，将单片机的串口与无线发送模块接，数据通过发送模块发出，安装在交通灯上的接收模块进行接收，若警车通过时所有的交通灯能变成红灯，并与液晶显示的交通信息一致，则说明该模块工作正常。

编 号 1 2 3 4 名 称

数字万用表

日立100MHz示波器 单片机仿真器

双路跟踪稳压稳流电源

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显示模块调试

将显示器与仿真器相连，编制一个简单的程序进行调试。各单元均调通后，进行整机联调：将各模块连接起来，逐个进行检测。调试成功后再将程序写到单片机中进行调试，直至整个系统能够正常工作。

此外，在电路抗干扰设计方面，我们采取了引线尽量短，减少交叉等措施。实践证明，这些措施对消除某些引脚引起的直流分量干扰起到了很好的效果。抗干扰设计是单片机应用系统设计的重要组成部分，没有良好的抗干扰措施，系统就无法安全可靠的工作。当然，我们只能通过系统软件、硬件设计尽可能的减少干扰带来的影响，而不可能完全消除干扰。

第5章 设计总结

本设计以单片机为核心，采用主从双MCU结构，以双色LED发光管箭头作为直行和左右拐弯指示，以LED数码管作为倒计时指示，以双色LED点阵作为行人通行的指示，以数字编码无线传输模式实现特种车辆检测，完成了题目要求的所有功能。在此基础上，我们增设了高分辨率（320×240）大屏幕LCD实时显示系统各种状态；增设了行人通行还配以形象的动画和温馨的语音提示；增设了可根据交通拥挤情况分别设置主干道和次干道的通行时间，并对系统机械结构进行了优化设计。该设计很好地完成了题目的各项要求，并扩展了多项功能，主要体现如下： 1.

出现紧急情况时系统可设置成手动控制，紧急情况结束后再转成自动，控制十分灵活；

巧妙使用无线传输模块，用模型车演示，当有警车通过时系统自动转为特种车放行，其它车辆禁止通行状态，特定时间后系统自动恢复；

语音提示功能，使交通灯控制系统更加人性化；

人行道指示标志使用LED双色点阵显示，显示人形图画，配合软件形象地模拟行人行走动画，一目了然。

主干道和次干道可以分开设置时间功能，使控制更加灵活；

高分辨率液晶实时显示交通状态信息，便于操作人员在室内实时监测，人机界面友好；

日历和时钟准确显示功能；

以上所有功能均在城市交道口模型上得到很好地实现，该设计在确保功能实现的基础上，充分考虑了控制系统操作方便、人性化、抗干扰能力强、可靠性高、稳定性好等要求。

2.

3. 4.

5. 6.

7.

26

本设计虽然结束了，但由于时间、设备、条件和水平等各方面因素有限，系统还存在一些不足，一个新系统最终走向成熟和完善还需要我们在以后的学习和工作中作不懈的努力！

第6章 参考文献

[1] 欧伟民. 基于单片机的交通信号控制系统[J].湖南大学学报(自然科学版) ,2002,(S2) . [2] 沈鸿星. LED交通信号灯系统的硬件设计[J].电子工程师 ,2004,(03) .

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[4] 方志烈. 第三代L ED 交通信号灯[A] . 第七届全国L ED 产业研讨与学术会议论文集[ C] .

中国光学光电子行业协会光电器件专业分会,2000. 30232.

[5] 查振亚,叶向阳. 智能交通灯控制系统[J]. 华中理工大学学报, 1997, 25(2): 63~65 [6] 谭浩强. C 程序设计[M]. 清华大学出版社，1999 年12 月第2 版

[7] 白炳良. 单片机自动控制交通信号灯[J].漳州师范学院学报(自然科学版) ,1997,(02) . [8] 何立民.单片机应用技术大全[M].北京：北京航空航天大学出版社，1994.

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[11] 李朝青.单片机原理及接口技术（修订版）[M].北京：北京航空航天大学出版社，1998.

[12] 阎 石. 数字电子技术基础（第四版）[M].高等教育出版社，2000年5月第一版. [13] 胡汉才. 单片机原理及其接口技术[M].清华大学出版社，2000年5月第一版. [14] 何立民. 单片机高级教程[M].北京航空航天大学出版社，2000年5月第一版.

[15] 陈汝全. 电子技术常用器件应用手册[M].第二版，机械工业出版社，2002年5月第一版.

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附录一：系统控制电路原理图

附录二：LED点阵显示原理图

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附录三：系统PCB图

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（一）系统主控制电路PCB图

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（二）系统箭头指示标志PCB图

（三） 从单片机控制电路PCB

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（四） 双色LED方向指示电路PCB图

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附录四:

程序源代码

ORG 0000H ;主程序的入口地址

LJMP MAIN ;跳转到主程序的开始处

ORG 0003H ;外部中断0的中断程序入口地址 ORG 000BH ;定时器0的中断程序入口地址 LJMP T0_INT ;跳转到中断服务程序处

ORG 0013H ;外部中断1的中断程序入口地址 MAIN : MOV SP,#50H

MOV IE,#8EH ;CPU开中断，允许T0中断，T1中断和外部中断1中断 MOV TMOD,#51H ;设置T1为计数方式,T0为定时方式，且都工作于模式1 MOV TH1,#00H ;T1计数器清零 MOV TL1,#00H

SETB TR1 ;启动T1计时器 SETB EX1 ;允许INT1中断 SETB IT1 ;选择边沿触发方式 MOV DPTR ,#0003H

MOV A, #80H ;给8255赋初值，8255工作于方式0 MOVX @DPTR, A

AGAIN: JB P3.1,N0 ;判断是否要设定东西方向红绿灯时间的初值，若P3.1为1 则跳转

MOV A,P1

JB P1.7,RED ;判断P1.7是否为1，若为1则设定红灯时间，否则设定绿灯时间

MOV R0,#00H ;R0清零

MOV R0,A ;存入东西方向绿灯初始时间 MOV R3,A LCALL DISP1 LCALL DELAY AJMP AGAIN RED: MOV A,P1

ANL A,#7FH ;P1.7置0 MOV R7,#00H ;R7清零

MOV R7,A ;存入东西方向红灯初始时间 MOV R3,A LCALL DISP1 LCALL DELAY AJMP AGAIN

;------------------------------------------- N0: SETB TR0 ;启动T0计时器 MOV 76H,R7 ;红灯时间存入76H

N00: MOV A,76H ;东西方向禁止，南北方向通行

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MOV R3,A

MOV DPTR,#0000H ;置8255A口，东西方向红灯亮，南北方向绿灯亮 MOV A,#0DDH MOVX @DPTR, A N01: JB P2.0,B0 N02: SETB P3.0

CJNE R3,#00H,N01 ;比较R3中的值是否为0，不为0转到当前指令处执行 ;------黄灯闪烁5秒程序------ N1: SETB P3.0 MOV R3,#05H

MOV DPTR,#0000H ;置8255A口，东西，南北方向黄灯亮 MOV A,#0D4H MOVX @DPTR,A N11: MOV R4,#00H

N12: CJNE R4,#7DH,$ ;黄灯持续亮0.5秒

N13: MOV DPTR,#0000H ; 置8255A口，南北方向黄灯灭 MOV A,#0DDH MOVX @DPTR,A N14: MOV R4,#00H

CJNE R4,#7DH,$ ;黄灯持续灭0.5秒

CJNE R3,#00H,N1 ;闪烁时间达5秒则退出 ;------------------------------------------------------------ N2: MOV R7,#00H

MOV A,R0 ;东西通行，南北禁止 MOV R3,A

MOV DPTR,#0000H ; 置8255A口，东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮 MOV A,#0EBH MOVX @DPTR,A N21: JB P2.0,T03

N22: CJNE R3,#00H,N21

;------黄灯闪烁5秒程序------ N3: MOV R3,#05H

MOV DPTR,#0000H ;置8255A口，东西，南北方向黄灯亮 MOV A,#0E2H MOVX @DPTR,A N31: MOV R4,#00H

CJNE R4,#7DH,$ ;黄灯持续亮0.5秒

N32: MOV DPTR,#0000H ; 置8255A口，南北方向黄灯灭 MOV A,#0EBH MOVX @DPTR,A N33: MOV R4,#00H

CJNE R4,#7DH,$ ;黄灯持续灭0.5秒

CJNE R3,#00H,N3 ;闪烁时间达5秒则退出

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SJMP N00

;------闯红灯报警程序------

B0: MOV R2,#03H ;报警持续时间3秒 B01: MOV A,R3

JZ N1 ;若倒计时完毕，不再报警 CLR P3.0 ;报警

CJNE R2,#00H,B01 ;判断3秒是否结束 SJMP N02

;------1秒延时子程序------- N7: RETI

T0_INT:MOV TL0,#9AH ;给定时器T0送定时10ms的初值 MOV TH0,#0F1H INC R4 INC R5

CJNE R5,#0FAH,T01 ;判断延时是否够一秒，不够则调用显示子程序 MOV R5,#00H ;R5清零 DEC R3 ;倒计时初值减一 DEC R2 ;报警初值减一

T01: ACALL DISP ;调用显示子程序 RETI ;中断返回 ;------显示子程序------ DISP: JNB P2.4,T02 DISP1: MOV B,#0AH

MOV A,R3 ;R3中值二转十显示转换 DIV AB MOV 79H,A MOV 7AH,B

DIS: MOV A,79H ;显示十位 MOV DPTR,#TAB MOVC A,@A+DPTR MOV DPTR,#0002H MOVX @DPTR,A MOV DPTR,#0001H MOV A,#0F7H MOVX @DPTR,A LCALL DELAY

DS2: MOV A,7AH ;显示个位 MOV DPTR,#TAB MOVC A,@A+DPTR MOV DPTR,#0002H MOVX @DPTR,A MOV DPTR,#0001H MOV A,#0FBH MOVX @DPTR,A

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RET

;------东西方向车流量检测程序------ T03: MOV A,R3

SUBB A,#00H ;若绿灯倒计时完毕，不再检测车流量 JZ N3 JB P2.0,T03

INC R7 CJNE R7,#64H,E1

MOV R7,#00H ;中断到100次则清零 E1: SJMP N22

;------东西方向车流量显示程序------ T02: MOV B,#0AH

MOV A,R7 ;R7中值二转十显示转换 DIV AB MOV 79H,A MOV 7AH,B

DIS3: MOV A,79H ;显示十位 MOV DPTR,#TAB MOVC A,@A+DPTR MOV DPTR,#0002H MOVX @DPTR,A MOV DPTR,#0001H MOV A,#0F7H MOVX @DPTR,A LCALL DELAY

DS4: MOV A,7AH ;显示个位 MOV DPTR,#TAB MOVC A,@A+DPTR MOV DPTR,#0002H MOVX @DPTR,A MOV DPTR,#0001H MOV A,#0FBH MOVX @DPTR,A LJMP N7

;------延时4MS子程序---------- DELAY: MOV R1,#0AH LOOP: MOV R6,#64H NOP

LOOP1: DJNZ R6,LOOP1 DJNZ R1,LOOP RET

;------字符表------

TAB: DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH END

36

七、指导教师意见：

指导教师（签字） 日期：

八、审查意见：

教研室负责人（签字） 系部负责人：（签字）

37

日期：日期：

38

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/fpw7.html