基于新型规则的可编程交通控制系统设计

1、基于新型规则的可编程交通控制系统设计 参赛学校 安徽财经大学 参赛队号 叁号队 参赛队员 杨博 张高峰 唐燕 电子设计总结报告 2006 年 9 月 10 号 基于新型规则的可编程交通控制系统设计 摘要摘要 交通信号灯控制是保障公路交通有序、安全、快速运行的重要环节之一。 但是现有的交通信号灯控制系统大部分都是运用单一的固定时序控制, 不能够 根据实际交通状况进行调节控制,在此前提下我们提出了开发基于新型规则的可 编程交通控制系统，本系统由单片机、键盘、交通灯演示系统等模块组成。其 系统功能包括人行道、左转、右转、以及基本的交通灯所拥有的功能。此外它 还具有倒计时、时间设置、紧急情况处理、语音

2、提示、分时段调整信号灯的点 亮时间以及根据具体情况手动控制等功能。 关键字：关键字：交通灯单片机定时控制 abstractabstract 目目 录录 1. 引言引言.1 2. 系统方案设计系统方案设计.2 2.1 电源提供方案.2 2.2 显示界面方案.2 2.3 输入方案.3 2.4 交通灯演示方案.3 3. 系统设计与实现系统设计与实现.4 3.1 总体设计.4 3.1.1 模块说明.4 3.1.2 交通灯各状态说明.4 3.2 系统模块设计.6 3.2.1 单片机及键盘控制模块.6 3.2.2 led 显示模块.7 3.2.3 交通灯演示模块.7 3.3软件系统.8 4. 系统测试系统

3、测试.9 4.1 硬件测试.9 4.1.1 交通灯演示电路的调试.9 4.1.2 倒计时电路调试.9 4.1.3 其它.9 4.2 软件测试.9 4.3 软硬联调.10 5. 结论结论.11 参考文献参考文献.12 附录附录.12 附录 1 .12 附录 2 .12 第一章 引 言 - 1 - 1. 引言引言 道路平面交叉口(简称交叉口) 是交通网中通行能力的“隘口”和交通事故 的“多发源” 。国内外城市的交通事故约有一半发生在交叉口, 城市中的交通事 故约 60 80% 发生在交叉口及其附近。因此,交叉口这个事故多发源不能不引 起人们的高度关注。随着交通技术、电子技术的发展及微机技术的应用,

4、 人们 设计出了适应各种需要的交通控制系统。本文档详细介绍了一种新型的交通灯 单片机控制系统。与传统的交通控制机相比, 该交通控制系统有较强实用性。 此控制系统可在单机模式和联机模式(与 pc 机联机) 方式下运行。由单片机、 键盘、交通灯演示系统等模块组成。其系统功能包括人行道、左转、右转、以 及基本的交通灯所拥有的功能。此外还具有倒计时、时间设置、紧急情况处理、 语音提示、分时段调整信号灯的点亮时间以及根据具体情况手动控制等功能。 设计思想：设有一个十字路口，1、3 为南北方向，2、4 为东西方向，初 始态为 4 个路口的红灯全亮。之后，1、3 路口的绿灯亮，2、4 路口的红灯亮， 1、3

5、 路口方向通车。延迟 30 秒后，1、3 路口的绿灯熄灭，而 1，3 路口的黄灯 开始闪烁（1hz） 。闪烁 5 次后，1、3 路口的红灯亮，同时 2、4 路口的绿灯亮， 2、4 路口方向开始通车。延迟 30 秒时间后，2、4 路口的绿灯熄灭，而黄灯开 始闪烁。闪烁 5 次后，再切换到 1、3 路口方向。之后，重复上述过程。 第二章 系统方案设计 - 2 - 2. 系统方案设计系统方案设计 /*叙述设计思路，总体方案组成和说明，对各个组成部分作详细说明，给出框 图、原理图、软件流程图。至少提出两个方案，并对两个方案进行比较，说明 采用其中一个方案的理由。*/ 本系统采用单片机 at89c52

6、为控制核心，实现交通信号灯控制的基本控 制功能。系统的硬件部分包括最小系统板，键盘控制电路,控制接口电路,led 显 示（倒计时）模块等部分。最小系统部分主要是扩展了外部数据存储器，人机 界面部分为键盘输入 ， 软件部分应用单片机 c51 语言实现了本设计的全部 控制功能，包括基本人行道、左转、右转、以及其它的基本交通灯所拥有的功 能。此外它还具有倒计时、时间设置、紧急情况处理、语音提示、分时段调整 信号灯的点亮时间以及根据具体情况手动控制等功能。以下是在设计过程中所 考虑到的各种具体方案的分析，并且针对本系统的要求最终作出最佳方案的选 择。 题目所要求的功能，可以采用下面两种方案实现。 方案

7、一：采用普通电子电路实现方案一：采用普通电子电路实现 用晶振产生标准脉冲信号，再通过分频，得到秒信号，将产生的秒信号送 入到计数器累加，再经过译码显示电路，就可以得到时钟，用这种方法实现计 时功能，原理比较简单，通俗易懂，但是，电路的连线比较复杂，容易出错， 其原理如图下图所示。 6mhz 计时器电子电路原理图计时器电子电路原理图 分 频秒信号 减法计数译 码 显 示 晶体振荡 第二章 系统方案设计 - 3 - 方案二：利用方案二：利用 mcs-51mcs-51 系列的系列的 80318031 单片机控制系统为主，辅以必要的逻辑电路单片机控制系统为主，辅以必要的逻辑电路 倒计时部分的实现通过设

8、定内部定时器 t1 和采用内部脉冲定时来实现的。 程序开始时设定一个定时初值，记满为 0.1 秒，溢出向 cpu 申请中断，然后执 行计时中断服务程序，以实现倒计时功能。 计算：8031 的晶振频率 fosc=6mhz, 机器周期=12/fosc=12/(6*106hz)=2s 定时模式 0 的 16 位计数器机构，定时时间为 t=0.1s 根据方程：(216-x)*2*10-6=100*10-3 求得的 x=15536=0011110010110000=3cb0, 由于需要执行一段中断服务程序， 所以定时的 0.1s 稍有误差，所以特设 th1=3ch, tl1=0b7h, 来抵消一部分的

9、误差， 使计时更加准确。 每当 1s 定时到，系统实施修改剩余显示时间，并在数码显示器上显示。当 剩余时间为 0 时，则重新从定时数据区取得显示时间，并运行显示。 数据显示的实现可以通过i/0 扩展接口芯片8155，8255 等实现， 但是采用 8155 及 8255 时需要专门设计键盘及显示部分，而且键盘部分 的扫描和数码管的显示功能还要通过单独的编程来加以实现，这样使电 路烦琐复杂，程序也比较庞大，而8279 作为一种通用的键盘、led 接口器件，可以实现对键盘、显示器的自动扫描，不仅可以大大节省 cpu 对键盘、显示器的操作时间，而且显示稳定，程序简单，不会出现 误动作，考虑到题目的要求

10、和实际的可操作性，我们采用8279 通用 键盘显示板。 用单片机和可编程接口电路来实现题目要求的功能的原理如下图。 用单片机实现的原理图用单片机实现的原理图 图图 2-12-1 比较上述两种方案，虽然都能满足题目的基本要求，但是方案一接线过于 繁琐，而且不容易实现编程，给设计者增加了较多的负担。方案二则相对来说 更可靠可行，综合以上方面考虑，我们在本设计中采用了方案二。 89c52 8155 8279 显示部分 键盘部分 第二章 系统方案设计 - 4 - 2.1 电源提供方案电源提供方案 在电源提供方面我们考虑了两种方案： 方案一：采用独立的稳压电源。此方案的优点是稳定可靠，且有各种成熟电路

11、可供选用；缺点是各模块都采用独立电源，会使系统复杂，且可能影响电路电 平。 方案二：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。 综上所述，考虑到系统在实现方面的简易性，我们选择第二种方案。 2.2 显示界面方案显示界面方案 该系统要求完成倒计时、紧急情况处理等功能。基于上述原因，我们考虑了三 种方案： 方案一：完全采用 lcd 显示。这种方案只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 lcd 显示。这种方案实现复杂，且须完成大量的软件 工作；但功能强大，可方便的显示各种英文字符，汉字，图形等。 方案三：采用 led 方

12、法因为设计既要求倒计时数字输出，为方便观看并考虑到 现实情况，用 led 显示时间信息。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。 权衡利弊，第三种方案可互补一二方案的优缺，我们决定采用方案三以实现系 统的显示功能。 2.3 输入方案输入方案 题目要求系统能手动设灯亮时间、紧急情况处理，我们讨论了两种方案： 第二章 系统方案设计 - 5 - 方案一 :采用 8155 扩展 i/o 口及键盘，显示等。该方案的优点是： 使用灵活可编程，并且有 ram,及计数器。若用该方案，可提供较多 i/o 口,但 操作起来稍显复杂。 方案二： 采用 zlg7289 来控制键盘及数码管显示。由于 7

13、289 是串行控制方式， 有专用的命令字，控制起来简单，且占用较少口线。其电路图如图（1） 。 本身的计数器及 ram 已经够用，故选择方案二。 8155 与单片机接口 2.4 交通灯演示方案交通灯演示方案 采用在面板上焊接三色发光二极管模拟交通红绿灯，以发光二极管拼出小人状 （并闪烁） /箭头状作为人行提示/左右转提示，简单明了；且实现简单，清晰 明了。 第三章 系统设计与实现 - 6 - 3. 系统设计与实现系统设计与实现 /*叙述方案实现过程中出现的问题，解决办法，对方案的修改，最后完成的方 案的说明。*/ 3.1 总体设计总体设计 针对以上提出的各种方案中选取的最佳方案，设计出了系统的

14、总框图：如下图： 由此图的分析，对系统进行进一步的具体分解的所得模块与其具体功能描述说 明如下： 3.1.1 模块说明模块说明 1. 键盘控制电路：2 8 键盘，由单片机外接 zlg7289 控制。 2. 单片机最小系统：系统的主控制器，用以控制其他模块协调工作。 3. led 显示（倒计时）模块：由单片机 外接 zlg7289 控制，经排线与交 通灯演示模块相连，用以显示交通灯倒计时时间。 4. 交通灯演示模块:演示系统的工作情况。该模块主要由发光二极管构成 5. 语音提示模块：采用现成的 isd2500 单段录放板（可录音及重复播放） ， 用以完成语音提示。 3.1.2 交通灯各状态说明交

15、通灯各状态说明 交通灯在通常工作条件中有五种状态： 绿灯人行道（ s1）;绿灯右转（s2） ；黄灯（s3）;红灯左转（s4）;红灯 （s5）五种状态。 *状态说明： 第三章 系统设计与实现 - 7 - (s1)绿灯人行道：车辆前行；行人可通过人行道； (s2)绿灯右转：车辆可向前、向右行驶。 (s3)黄灯：过渡状态。 (s4)红灯左转：车辆向左行驶；但不能前行。 (s5)红灯：禁止通行与转弯。 *状态图: *真值表：（注：r、g、y、l、rt、m 分别表示红灯、绿灯、黄灯、左转、右转、 人行道灯） (如图) s r1 g1 y1 l1 rt1 m1 r2 g2 y2 l2 rt2 m2 0 0

16、 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 2 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 3 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 4 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 5 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 第三章 系统设计与实现 - 8 - 6 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 7 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 本系统还设计了应急况处理；在紧急情况下，设置交通灯状态为： 全红：东南西北所有方向禁止通行。 南北红、东西绿：南北方向禁行；东西方向通行。 东西红、南北绿

17、：东西方向禁行；南北方向通行。 3.2 系统模块设计系统模块设计 3.2.1 单片机及键盘控制模块单片机及键盘控制模块 可编程交通信号灯控制系统的单片机采用 89c52，其中有 8k 内存可用。对 交通灯的控制主要运用其中的计数器来定时完成，即一方面要完成对各模块的 控制，另一方面也要协调好各模块的时序及接口线路冲突问题。键盘采用的是 zlg7289 串行控制，电路图如图（1）所示。共采用 16 个按键：数字键 0-9 ，时间设置键，回车键，紧急情况控制键，模式转换键，手动控制键及恢复键。 时间设置可分别控制各方向的通行时间，其中红绿灯时间设置有固定的计算公 式，由于考虑到所在路口的车流量、人

18、流量等数据指标，并结合常人行走平均 速度（大约 1.3 米/秒，其中考虑到了行人的过路时间）设置的时间公式如下： tr1=tg2+ty2+tl2+tl1 tg1=tm1+trt1 第三章 系统设计与实现 - 9 - tr2=tg1+ty1+tl1+tl2 tg2=tm2+trt2 模式转换功能为根据交通状况切换到预先设定好的通行时间模式，或切换回原 来模式。手动控制为手动控制各个方向的通行时间，具有灵活的特性。恢复键 是从紧急状态或手动控制状态返回正常状态。 图（ 1 ） 3.2.2 led 显示模块显示模块 led 用来实现倒计时功能，可直接从 7289 的接口上接过来。其控制较为简单。 其

19、电路图如图(1)所示： 3.2.3 交通灯演示模块交通灯演示模块 交通灯用发光二极管代替，因为 p2 口过一段时间后其值会发生变化，故采用 第三章 系统设计与实现 - 10 - p2 口加锁存器和 p3 口一起来控制。其电路图如图（2 ） 。 图（2 ） 3.3软件系统软件系统 流程图如下所示： 第三章 系统设计与实现 - 11 - 第四章 系统测试 - 12 - 4. 系统测试系统测试 /*叙述测试方法，所使用的仪器仪表、测试过程，以表格形式给出测试结果。 根据方案设计的要求，调试过程共分三大部分：硬件调试、软件调试和软硬联 调。 */ 4.1 硬件测试硬件测试 4.1.1 交通灯演示电路的

20、调试交通灯演示电路的调试 交通灯模块由多个发光二极管组成，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。 4.1.2 倒计时电路调试倒计时电路调试 倒计时电路主要有数码管组成。当交通灯程序写好后，倒计时的显示可与最小 系统板上两组数码管显示比较（系统板上的这两组数码管用以检查倒计时工作 情况） 。若倒计时电路中有数码管不亮，检查数码管是否良好、数码管连线是否 良好。依次检查，直至倒计时电路正常工作。 4.1.3 其它其它 其它电路的调试主要看接口以及连线是否正确。依次检查，直到正常工作。 4.2 软件测试软件测试 本系统的软件系统很大，全部采用 c51 语言编写，除语法与逻辑差错外，当确 认程序没问题时，直接下载到单片机仿真调试。采取自下到上的方法，单独调 第四章 系统测试 - 13 - 好每一个模块，最后完成一个完整的系统调试。 4.3 软硬联调软硬联调 系统做好后，进行系统的完整调试。 1 初始化后，两个方向通行时间完全相等。tr1=tr2=19s tg1=tg2=12s,ty1=ty2=2s,tl1=tl2=5s,trt1=trt2=4s,tm1=tm2=8s 各灯运行及倒计时情况良好。 2