城市智能交通灯系统.doc

沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） I 摘要 交通灯是各个国家管理交通的重要工具，是城市交通最重要的组成部分，对于 疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。 近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断深入，同时带动传统控制 检测技术日益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为 一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构软硬件 结合，加以完善。本设计就是以单片机为架构的智能交通灯系统。本系统由单片机 系统、LED 显示、交通灯演示系统组成。系统包括直行、左转、右转、以及基本的 交通灯的功能。系统除基本交通灯功能外，还具有倒计时、时间设置、紧急情况处 理、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。 关键词：AT89S52，交通灯， LED显示 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） II Abstract The traffic light is each national management transportation important tool. Is the municipal transportation most important constituent. Regarding the unblocking traffic flow, sharpens the road capacity. The reduction traffic accident has the tangible effect. In recent years along with technical rapid development，Monolithic integrated circuit application unceasingly thorough，Simultaneously leads the traditional control examination technology to renew day by day， in real time test and In automatic control monolithic integrated circuit application system. The monolithic integrated circuit often took a core part uses. The monolithic integrated circuit aspect knowledge is only insufficient, Also should act according to the concrete hardware architecture software and hardware union, improve and perfect. This design This design this system is made up of single-chip microcomputer hypophrenia this system is made up of single-chip microcomputer led displaying moduleand Traffic lights system.The system includes pavement left truning right truning and the basictraffic lights function.Excepting the basic traffic lights function italso includes couting imeinstalling emergency disposaling speech cluing,led information displaying adjusting the lightingtime of lights based on different time and controllingwith hand in accordance with circumstancesand so on. Keywords:AT89S52,TRAFFIC LIGHT, LED DISPLAY 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） III 目录 1 绪论1 1.1 引言1 1.2 单片机概述2 1.3 芯片简介2 1.3.1 AT89S52 芯片简介.2 1.3.2 中断系统.3 1.3.3 AT89S52 的引脚说明.3 1.3.4 8255 芯片简介.4 1.4 功能描述5 2 方案比较、设计与论证6 2.1 电源提供方案6 2.2 显示界面方案6 2.3 输入方案：6 2.4 理论分析与计算 7 2.4.1 交通灯显示时序的理论分析与计算.7 2.4.2 交通灯显示时间的理论分析与计算.8 2.5 交通管理的方案论证9 3 硬件电路设计10 3.1 硬件设计流程图 10 3.2 交通灯控制电路设计10 3.3 倒计时显示电路设计12 3.4 中断电路设计12 3.5 语音电路设计13 3.6 智能交通灯系统的总设计19 3.7 系统工作原理19 3.8 交通灯硬件线路总图20 4 系统软件程序设计21 4.1 主程序流程图21 4.2 通行规则如下23 4.3 每秒钟的设定23 4.4 计数器硬件延时23 4.4.1 计数器初值计算.23 4.4.2 计算公式.23 4.4.3 秒的方法.24 4.4.4 相应程序代码24 4.5 软件延时24 4.6 时间切换25 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） IV 4.6.1 相应的程序代码25 5 软硬件联合调试27 5.1 软硬件调试27 5.1.1 红绿交通灯控制程序.27 5.1.2 交通灯电路的调试.27 5.1.3 特殊车辆通行时紧急停止电路的调试.27 5.1.4 交通灯时间切换电路的调试.28 5.1.5 语音电路调试.28 5.1.6 结果分析28 6 结论30 参考文献31 致 谢32 附录交通灯硬件线路总图33 附录程序清单34 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 1 1 绪论绪论 1.1 引言引言 当今，红绿灯安装在各个道口上，已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手 段。但这一技术在 19 世纪就已出现了。 1858 年，在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红，蓝两色的机械扳手 式信号灯，用以指挥马车通行。这是世界上最早的交通信号灯。1868 年，英国机械 工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上，安装了世界上最早的煤 气红绿灯。它由红绿两以旋转式方形玻璃提灯组成，红色表示“停止”，绿色表示“注 意”。1869 年 1 月 2 日，煤气灯爆炸，使警察受伤，遂被取消。 电气启动的红绿灯出现在美国，这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成， 1914 年始安装于纽约市 5 号大街的一座高塔上。红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通 行”。 1918 年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。带控制的红绿灯，一种是 把压力探测器安在地下，车辆一接近，红灯便变为绿灯；另一种是用扩音器来启动 红绿灯，司机遇红灯时按一下嗽叭，就使红灯变为绿灯。红外线红绿灯当行人踏上 对压力敏感的路面时，它就能察觉到有人要过马路。红外光束能把信号灯的红灯延 长一段时间，推迟汽车放行，以免发生交通事故。 信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力， 减少交通事故有明显效果。1968 年，联合国道路交通和道路标志信号协定对各 种信号灯的含义作了规定。绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以直行，左转弯和 右转弯，除非另一种标志禁止某一种转向。左右转弯车辆都必须让合法地正在路口 内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。红灯是禁行信号，面对红灯的车辆必 须在交叉路口的停车线后停车。黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线， 但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 2 1.2 单片机概述单片机概述 单片机是智能交通灯系统的核心部分，他在系统的控制与检测环节发挥了主要 作用。当系统要改变红绿灯状态时就是由单片机来检测状态和控制过程的。 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 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，引脚的多功能化，以及低电压低功耗。 1.3 芯片简介芯片简介 本次设计采用 ATMEL 公司的 AT89S52 芯片。 1.3.1 AT89S52 芯片简介芯片简介 AT89S52 单片机内部结构： AT89S52单片机具有：8KB Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时 器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行 口，片内晶振及时钟电路，现在说明如下： 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) AT89S52 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 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 3 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。 程序存储器(ROM)： AT89S52 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)： AT89S52 有三个 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： AT89S52 有 32 位 I/O 口，用于对外部数据的传输。 全双工串行口： AT89S52 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。 另外，AT89S52 可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲 模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保 护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中 断或硬件复位为止。 1.3.2 中断系统中断系统 AT89S52具备较完善的中断功能，它有6个中断源：两个外部中断（INT0 和 INT1），三个定时中断（定时器0、1、2）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。 1.3.3 AT89S52 的引脚说明的引脚说明 AT89S52 单片机均采用 40Pin 封装的双列直插 DIP 结构，图 1.1 是它们的引脚配 置，40 个引脚中，正电源和地线两根，外置石英晶体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。 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 4 图1.1 AT89S52引脚图 1.3.4 8255 芯片简介芯片简介 8255 可编程并行接口芯片有三个输入输出端口，即 A 口、B 口和 C 口，对应于 引脚 PA7PA0、PB7PB0 和 PC7PC0。其内部还有一个控制寄存器，即控制口。 通常 A 口、B 口作为输入输出的数据端口。C 口作为控制或状态信息的端口，它在 方式字的控制下，可以分成 4 位的端口，每个端口包含一个 4 位锁存器。它们分别 与端口 A配合使用，可以用作控制信号输出或作为状态信号输入。 8255 可编程并行接口芯片方式控制字格式说明: 8255 有两种控制命令字；一个是方式选择控制字；另一个是 C 口按位置位复 位控制字。其中 C 口按位置位复位控制字方式使用较为繁难，说明也较冗长，故 在此不作叙述。 方式控制字格式说明如表： D7：设定工作方式标志，1 有效。 D6、D5：A 口方式选择 D7D6D5D4D3D2D1D0 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 5 0 0 方式 0 0 1 方式 1 1 方式 2 D4：A 口功能 （1=输入，0=输出） D3：C 口高 4 位功能 （1=输入，0=输出） D2：B 口方式选择 （0=方式 0，1=方式 1） D1：B 口功能 （1=输入，0=输出） D0：C 口低 4 位功能 （1=输入，0=输出） 8255 可编程并行接口芯片工作方式说明: 方式方式 0：基本输入输出方式。适用于三个端口中的任何一个。每一个端口都 可以用作输入或输出。输出可被锁存，输入不能锁存。 方式方式 1：选通输入输出方式。这时 A 口或 B 口的 8 位外设线用作输入或输出， C 口的 4 条线中三条用作数据传输的联络信号和中断请求信号。 方式方式 2 ：双向总线方式。只有 A 口具备双向总线方式，8 位外设线用作输入或 输出，此时 C 口的 5 条线用作通讯联络信号和中断请求信号。 本次设计我主要用到了 8255 的 A 口控制来实现语音提示功能。A 口独有的双 向传送方式，一般使用中断传送方式。本次设计主要将 A 口的 8 个接口 P0 到 P7 与 语音芯片的 8 个口相连实现传输语音数据的功能。 1.4 功能描述功能描述 本系统由单片机系统、LED 显示、交通灯演示系统组成，单片机作为主控制器 用于十字路口的车辆及行人的交通管理，每个方向具有左转、右转、直行3种通行指 示灯，数码管倒计时牌显示路口通行转换剩余时间。另外，在特种车辆如119、120 通过路口时，系统可手动转为特种车辆放行，其他车辆禁止通行的状态，12s后系统 自动恢复正常管理。并有手动控制分时段25s与30s通行管理转换等功能，当车流量 变化较大时系统可以经过控制改变时间切换的时间。另外伴随着交通灯的绿灯点亮， 十字路口将出现提示语音，使行人尤其盲人得到提示。 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 6 2 方案比较、设计与论证方案比较、设计与论证 2.1 电源提供方案电源提供方案 为使模块稳定工作，须有可靠电源。我们考虑了两种电源方案。 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。 经过综合比较，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、状态灯等功能。基于上述原因，我们考虑了三种方案： 方案一：完全采用数码管显示。这种方案只显示有限的符号和数码字符，无法胜任 题目要求。 方案二：完全采用LED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：采用数码管与LED相结合的方法因为设计既要求倒计时数字输出，又要求 有状态灯输出等，为方便观看并考虑到现实情况，用数码管与LED灯分别显示时间 与提示信息。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，所以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，讨论了两种方案： 方案一：采用8155扩展I/O 口及键盘，显示等。该方案的优点是： 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 7 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： 直接在I/O口线上接上按键开关。因为设计时精简和优化了电路，所以剩 余的口资源还比较多，我们使用四个按键，分别是K1、K2、K3、K4。 由于该系统对于交通灯及数码管的控制，只用单片机本身的I/O 口就可实现， 且本身的计数器及RAM已经够用，故选择方案二。 2.4 理论分析与计算理论分析与计算 2.4.1 交通灯显示时序的理论分析与计算交通灯显示时序的理论分析与计算 对于一个交通路口来说，能在最短的时间内达到最大的车流量，就算是达到了 最佳的性能，我们称在单位时间内能达到的最大车流为车流量。 先设定一些标号如图2.1所示。 图2.1 十字路口直方图 说明：此图为直方图，上边为北路口灯，右边为东路口灯，下边为南路口灯， 左边为西路口灯。灯的颜色从内到外依次为绿黄红。 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 8 图2.2所示为一种红绿灯规则的状态图，分别设定为S1、S2、S3、S4，交通灯以 这四个的状态为一个周期，循环执行。 状态S1 A 状态S2 B 状态S3 C 状态S4 D 图2.2 红绿灯规则的状态图 请注意图2.2B和图2.2D，它们在一个时间段中四个方向都可以通车，这种状态 能在一定的时间内达到较大的车流量，效率特别高。 2.4.2 交通灯显示时间的理论分析与计算交通灯显示时间的理论分析与计算 东西和南北方向的放行时间的长短是依据路口的各个方向平时的车流量来设定， 并且S1、S2、S3、S4各个状态保持的时间有严格的对应关系，总时间为T，其公式 如下所示。 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 9 T-S1+T-S2=T-S3+T-S4 T-S2=T-S4 T-S1=T-S3 所以可以依据上述的标准来改变车辆的放行时间。按照一般的规则，一个十字 路口可分为主干道和次干道，主干道的放行时间大于次干道的放行时间，设定值时 也应以此为参考。 2.5 交通管理的方案论证交通管理的方案论证 东西、南北两干道交于一个十字路口，各干道有一组红、黄、绿三色的指示灯， 指挥车辆和行人安全通行。红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行。黄灯亮提示人们注 意红、绿灯的状态即将切换，且黄灯点亮时间为东西、南北两干道的公共停车时间。 紧急停止按钮管理着交通灯的状态是正常还是全红。时间切换装置的作用是在交通 比较拥挤或者清闲时来管理其亮灯长短状态的，执行 25S 和 35S 的切换，当然在实 际的交通中不可能只是进行 25S 与 35S 的切换，要用更长的交通灯切换时间，本次 试验为了方便观察现象，故采用了较短的时间，如需要长时间的变换，可通过程序 改变其时间常数来达到要求。 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 10 倒计时电路 交通灯显示 模块 时间切换 电路 语音模块 电路 AT89S52 单 片机控制系 统 3 硬件电路设计硬件电路设计 3.1 硬件设计流程图硬件设计流程图 系统用到的硬件电路主要包括：交通灯控制电路，倒计时控制电路，中断电路， 语音电路，时间切换电路等，它们通过连线组合在一起构成了智能交通灯电路。它 能实现等功能主要有：直行、左转、右转、以及基本的交通灯的功能。系统除基本 交通灯功能外，还具有倒计时、时间设置、紧急情况处理、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。其流程图如下 图 3.1 智能交通灯硬件流程图 3.2 交通灯控制电路设计交通灯控制电路设计 由于4个LED 来实现红绿黄灯状态，若直接接在单片机的输入输出口上，路口 倒计时的显示就不能实现，所以本次设计中采用一种新型的电路如图3.2 所示。 图中74HC245的作用是倒相和驱动，它输出的电流大约48mA，实际测试发现足 以满足要求，而且发光管也能达到足够的亮度。观察图可以看出：两组发光管（一 组红、一组绿由于反相器的作用，其逻辑状态恰恰相反。图中和电阻串联的二极管 的作用是为了分压，防止上下两组发光管分压不同导致逻辑的错误。总共有四组和 上述相同的电路分别代表东西南北四个方向的红绿灯，使用两片74HC245作为驱动。 使用双色共阴极LED，系统使用74HC245 芯片，使串行输出转换成并行输出，驱动 矩阵LED。 交通信号灯控制逻辑如下：假设一个十字路口为东西南北走向。开始为四个路 口的红灯全部亮之后,东西路口的绿灯亮,南北路口的红灯亮,东西路口方向通车,延时 一段时间后（20 秒）,东西路口的绿灯,闪烁若干次后（3 秒），东西路口的绿灯熄 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 11 灭，同时东西路口的黄灯亮,延时一段时间后（2 秒）,东西路口的红灯亮,南北路口 的绿灯亮,南北路口方向通车,延时一段时间后（20 秒）,南北路口的绿灯闪烁若干次 后（3 秒）,南北路口的绿灯熄灭，同时南北路口的黄灯亮，延时一段时间后（2 秒） ,再切换到东西路口的绿灯亮,南北路口的红灯亮,之后重复以上过程。双色LED 是由 一个红色LED 管芯和一个绿色LED 管芯封装在一起，共用负极，当红色正端加高 电平，绿色正端加低电平时，红灯亮；红色正端加低电平，绿色正端加高电平时， 绿灯亮。本实验需要用到CPU 模块（F3 区）、静态数码管/双色LED 显示模块 （B4 区）。双色LED显示电路原理如图3.2所示。 图3.2 双色LED 显示电路 交通信号灯的转向功能通过将AT89S52的P1.4和P1.5与小灯L0和L1分别连接， 当交通灯的南北灯由绿变红后灯L0灯亮，南北方向的左转灯开始作用，延时一段时 间后（23 秒），南北路口的黄灯亮，延时一段时间后（2 秒）,再切换到东西路口 的绿灯亮，东西路口方向通车,延时一段时间后（20 秒）,东西路口的绿灯,闪烁若干 次后（3 秒），东西路口的绿灯熄灭，同时东西路口的黄灯亮,延时一段时间后（2 秒）,东西路口的红灯亮, 当交通灯的东西灯由绿变红后灯L1灯亮，东西方向的左转 灯开始作用，延时一段时间后（23 秒），南北路口的黄灯亮，延时一段时间后（2 秒）, 再切换到南北路口的绿灯亮,东西路口的红灯亮,之后重复以上过程。原理与之 前不加转向灯一样。 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 12 3.3 倒计时显示电路设计倒计时显示电路设计 前面已经分析过相向的灯的状态和倒计时都是相同的，所以为了节省，采用两 组四个数码管作为倒计时的显示；同时为了节省口资源，采用串口显示的方式驱动 数码管。见图3.3所示。 图3.3 倒计时显示 静态数码管显示电路由四只74LS164、四只共阴极LED 数码管组成。输入只 有两个信号，它们是串行数据线DIN 和移位信号CLK，将它们与AT89S52相连，四 只74LS164 首尾相连，每只74LS164 的并行输出作为LED 数码管的段码倒计时显 示的作用就是了解剩余时间，是交通信号的重要组成部分。 3.4 中断电路设计中断电路设计 外部中断的初始化设置共有三项内容：中断总允许即EA=1，外部中断允许 即EXi=1（i=0或1）的中断设置方式。中断方式设置一般有两种方式：电平方式和脉 冲方式，本实验选用后者作为交通灯的紧急停止功能，其前一次为高电平后一次为 低电平时为有效中断请求。因此高电平状态和低电平状态至少维持一个周期，而前 者作为时间切换功能的控制键，中断请求信号分别由引脚INT0(P3.2)和INT1(P3.3)引 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 13 入，它们的中断矢量地址分别为0003H和0013H。 中断服务的关键： 保护进入中断时的状态。 堆栈有保护断点和保护现场的功能使用PUSH指令，在转中断服务程序之前把单片机 中有关寄存单元的内容保护起来。 必须在中断服务程序中设定是否允许中断，即设置EX0位。 用POP 指令恢复中断时的现场。 中断控制原理：中断控制是提供给用户使用的中断控制手段。实际上就是控 制一些寄存器，51系列用于此目的的控制寄存器有四个：TCON 、IE 、SCON 及 IP。 中断响应的过程：首先中断采样然后中断查询最后中断响应。采样是中断处 理的第一步，对于本设计的脉冲方式的中断请求，若在两个相邻周期采样先高电平 后低电平则中断请求有效IE0 或IE1 置“1”；否则继续为“0”。所谓查询就是由CPU 测试TCON 和SCON 中各标志位的状态以确定有没有中断请求发生以及是那一个中 断请求。中断响应就是对中断请求的接受，是在中断查询之后进行的，当查询到有 效的中断请求后就响应一次中断。本设计需要用到CPU 模块（F3 区）和八位逻辑 电平显示模块（B5 区）、单次脉冲模块（E3区）。 外部中断在本设计中的作用：本试验中中断控制主要的作用有两点，第一是 脉冲方式是为了交通灯的紧急停止功能，当按下模块中的脉冲时，交通灯全部变为 红色，经过12秒的时间后，系统自动恢复为原来交通状态，系统实现了紧急停止的 功能。第二个是电平对交通灯倒计时时间的切换,当拨下开关时，交通灯系统的倒计 时由25秒切换为35秒，系统其它状态依旧不变，中断系统从停止之前状态，转为新 的状态。 3.5 语音电路设计语音电路设计 近几年语音电路发展极为迅速，在单片机系统中的应用越来越广。语音接口作 为输出口时，主要用于报告运行状态、运行结果、提示系统操作过程及故障报警等； 作为输入时，则主要是语音的记录、语言库的建立和语音的识别。 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 14 在单片机的应用系统中，语音接口有如下特点： 输出的基本词汇都是确定的，且数量有限，如故障提示、操作提示、运行报 告结果等； 充分发挥单片机灵活的控制功能，根据系统的实时状态结果，选择合适的语 音词汇或语言段随时组合输出； 写入后不易遗失，修改方便。现在语音处理合成芯片很多，大多是先将语音 经A/D 转换后存入内存中，放音时取出再经D/A 转换输出。美国信息内存件公司推 出的ISD 系列语音电路采用直接模拟存储技术，不需要专用开发工具、编程器，它 操作简单，接口灵活，因此应用程度比较高。国内许多厂家生产的语音板，大多以 该公司的ISD 系列芯片为核心构成。 ISD1420 芯片的特点： 外围组件简单，仅需少量阻容组件、麦克风即可组成一个完整录放系统。 模拟信息存储重放音质极好，并有一定混响效果。 待机时低功耗(0.5uA)，典型放音电流15mA。 放音时间20s，可扩充级联。 可持续放音，也可分段放音，最小分段20s/160 段=0.125s/段，可分段数160段。 录放次数达10万次。 断电信息存储，无需备用电池，信息可保100 年。 操作简单，无需专用编程器及语音开发器。 高优先级录音，低电平或负边沿触发放音。 单电源供电，典型电压+5v ISD1420 的内部逻辑结构： ISD1420 系列语音集成电路的内部结构由内部时钟电路，自动增益控制电路， 前置控制电路，滤波器，差动功率放大电路，电源电路，内存EEPROM，地址译码 电路，存储控制电路等组成。64 本次设计用到的ISD1420 的封装引脚及含义： ISD1420 系列语音芯片最后2 位数字表示语音录放时间的长度，录放时间最长 为20s。ISD1420 系列语音芯片的封装引脚如图3.4 所示。 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 15 它是有28 条引脚的双列直插式芯片。各条引脚的功能含义说明如下： A0A7: 引脚16,9,10,地址输入端或控制命令输入端。A7,A6 同时为高电平时， A4A0 为控制命令；否则，A7A0 为地址。 SP-,SP+: 扬声器连接端，输出音频信号。 DGND: 引脚12,数字信号地线。 AGND: 引脚13,模拟信号地线。 V+: 模拟信号电源,+5V。 MIC: 引脚17，话筒输入端。 MIC REF: 引脚18，话筒参考输入端。 AGC: 引脚!9，自动增益控制端。 ANA IN: 引脚20，模拟信号输入端。 ANA OUT: 引脚21，模拟信号输出端。 PLAYL/: 引脚23，放音控制电平触发端。当该端为低电平时，芯片进入放音周期； 当该端为高电平时，停止放音。 PLAYE/: 引脚24，放音控制脉冲触发端。该端输入由高电平向低电平跳变的下降沿 时，芯片进入放音周期。 RECLED/： 引脚25，录音显示端。该端接发光二极管，在录音时作录音指示灯。 XCLK: 引脚26，时钟控制端。 REC/: 引脚27，录音控制端。该端为低电平时，芯片进入录音状态，录音期间该端 必须保持低电平。REC/信号的优先级高与PLAYL/和PLAYE/两种放音信号。 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 16 图3.4 ISD1420 的引脚图 ZY1420 语音录放模块介绍： 为减少外围元件，本次设计使用了ZY1420 语音录放模块。ZY1420 是国内著 名电子生产商出品的优质微型语音录放模块。ZY1420 内部使用ISD1420作为主控芯 片，且具备ISD1420 的全部优良性能，如大容量的EEROM 存储器，消噪的话筒放 大器，自动增益调节AGC 电路，专用语音滤波电路，高稳定性的时钟振荡电路和语 音处理电路。除此以外，ZY1420 还对ISD1420 的标准外围电路作了优化并全部集 成于模块内部。同标准DIP40封装的ISD1420 相比较，ZY1420 可以提供更加稳定可 靠的性能。 ZY1420 的应用方法： ZY1420 具备ISD1420 的多种工作模式。 （一）简单录音放音操作 对于通常的使用，用户一般是采用一段录音放音的方法，这样ZY1420A 能为用 户提供最长20 秒的录音和放音时间。图3-2 给出的是采用最简单的按键操作的使用 方法。当开始录音时，RECLED 脚变为低电平，可以下拉电流驱动一个LED 显示。 ZY1420 内部已经设计了一个LED 位置，用户也可以在外部设计一个LED 显示。 接通电源后，电路自动进入节电准备状态。 录音：按住录音按键（REC 保持低电平），电路进入录音状态（录音指示LED 亮） ，当REC变高或录音内存录满时，电路退出录音状态进入准备状态。注意REC 的优 先级大于PALYE 和PLAYL。 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 17 图3.5 简单操作方式电路 放音：放音有两种方式触发放音和电平放音。 （1）触发放音：按一次PLAYE 按键，这样给PLAYE 脚一个低电平脉冲，电路进 入放音状态，直到放音结束。 （2）电平放音：按下PLAYL 按键（PLAYL 脚保持为低电平），电路进入放音状 态，直到PLAYL 变高或放音结束，电路重新进入准备状态。 （二）复杂操作方法 根据A6 A7 的电平不同，电路可以进入两种不同的工作模式：地址模式和操作 模式。如果A7 A6 至少有一位为低电平，则电路认为A0-A7 全部为地址位，A0-A7 的数值将作为本次录音或放音操作的起始地址。A0-A7 全部为纯输入引脚，不会象 操作模式中A0-A7 还可能输出内部地址信息。输入的A0-A7 的信息在 PALYE，PLAYL 或REC 的下降沿被电路锁存到内部使用。 （1）地址模式 当A7 A6 至少有一位为0 时，器件进入地址模式。在地址模式中，A0-A7 由低 位向高位排列， 每位地址代表125 毫秒的寻址，160 个地址覆盖20 秒的语音范围 （160*0.125s=20s），录音及放音功能均从设定的起始地址开始，录音结束由停止键 操作决定，芯片内部自动在该段的结束位置插入结束标志（EOM）；而放音时芯片 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 18 遇到（EOM）标志即自动停止放音。 （2）操作模式 当A7 A6 全部为1 时，器件进入操作模式。ISD1420 内部具备有多种操作模式， 并能以最少的组件实现较多的功能，下面将详细描述。操作模式的选择使用地址管 脚来实现，但实际的地址在ISD1420 的有效地址外部。当地址的最高两位A7 A6 为 高电平时，其余的地址位将被成为状态标志位而不再是地址位。因此，操作模式和 寻址模式不能兼容，也就是说不能同时使用。在使用操作模式时必须注意两点。第 一，所有的操作开始于地址0，也就是ISD1420 的起始地址。以后的操作根据操作模 式的不同可以从其它地址开始。另外，在操作模式中当A4=1，从录音变换到放音而 不是从放音到录音，器件地址指针复位到0。第二，操作模式的执行必须66是A7 A6 为高电平，在PALYL，PLAYE 或REC 变为低电平时开始执行。当前的操作模式将 一直有效，直到下一次的控制信号变低，并取样地址线上的信息开始新的操作。 （3）操作模式描述 可以使用微处理器来控制操作模式，也可以直接使用直接联机来实现需要的功 能。 A0 信息检索：信息检索允许用户在内容跳转浏览，而不必关系每个信息的实际物 理位置。每个控制信号的低电平脉冲将内部地址指针转移到下一个信息位置。这种 模式只能在放音中使用，通常与A4 操作同时应用。 A1 删除EOM 结尾标志：A1 操作模式允许多次记录的信息组合成一个信息，结 束标志只出现在最后录制信息的结尾。当配置成这种模式后，多次录制的信息在放 音时会形成连续的信息。 A2 没有使用。 A3 循环播放：A3 操作模式能够实现自动连续的信息播放，播放的信息处于的地 址空间的开始。如果一个信息充满了ISD1420， 则用循环模式可以从头到尾连续的 播放。PALYE 脉冲可以启动播放，PLAYL 脉冲可以结束播放。 A4 连续寻址：在通常的操作中，当放音操作遇到结尾标志（EOM）时，地址指 针将复原到0。A4 操作模式将禁止地址指针的复位，允许信息能连续录制和播放。 当电路处于静止状态，不是处于录音或放音状态，即可设置该脚为低电平，将地址 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 19 指针复位。 A5 没有使用。 编程指南 在录音时，为防止开关抖动引起重复触发，应在信号启动后有一定的延时。本 实验需要用到CPU 模块（F3 区）和语音接口模块（C3 区）。 语音模块在本设计中的具体应用 本设计中语音模块是在交通灯系统中路口变成绿灯时开始工作的，当十字路口 的一个方向变成绿灯时单片机系统会给语音系统连接的P3.3一个低电平，使语音系 统工作，语音系统开始工作，会放出“绿灯请快速通过”的语音，这样就实现了设计 的要求。使行人尤其是盲人直观了解到当前的交通运行状态。 3.6 智能交通灯系统的总设计智能交通灯系统的总设计 将前面提到的灯控制电路的设计，倒计时电路的设计，中断电路的设计，语音 电路的设计通过一系列的研究连接最终形成了智能交通灯系统，本系统集十字路口 交通信号，左转信号，时间切换，语音提示，紧急停止于一体，硬件连接用到了几 乎所有P口，和相关功能的各个区域功能上全面且直观。 3.7 系统工作原理系统工作原理 开关键盘输入交通灯初始时间，通过 AT89S52 单片机 P1 输入到系统 由 AT89S52 单片机的定时器每秒钟通过 P 口向 LED 和数码管送信息，由 LED 显示红、绿、黄灯的燃亮情况；由数码管显示每个灯的燃亮时间。 AT89S52 设置各个信号的燃亮时间：绿、红时间分别为 20 秒、30 秒循环由 AT89S52 的 P1.6 和 P1.7 向 LED 和数码管送信息。 通过 AT89S52 单片机的 P3.2 位来控制紧急停止系统是否工作，当按下键位 为 0 就对系统工作，不按下为 1 系统就不工作。 绿灯倒计时，控制语音的接口启动，系统发出提示音 当进行时间切换的功能时，通过查询 P3.3 端口的电平是否为低，开关推下为 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 20 低电平，双位数码管显示另一套时间系统，直到开关推上为高电平，双位数码管显 示原时间系统。 绿灯时间倒计时完毕，重新循环。 3.8 交通灯硬件线路总图交通灯硬件线路总图 见附录 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 21 4 系统软件程序设计系统软件程序设计 4.1 主程序流程图主程序流程图 主程序中主要是一个死循环，不停的循环四个普通交通状态外加倒计时调整 ， 紧急状态，时间切换，语音四个功能状态。主程序中放了2个按键的判断指令，当有 按键按下的时候，程序就自动的判断到按键程序处理。当再检测到按键按下的时候 就自动返回到循环程序。当要进行时间调整时按下电平触发，可以进行时间切换， 时间切换是以电平触发为基础的对时间系统进行改变的一项设计功能，当电平设为 低时程序得到执行，系统由倒计时25S切换到35S。当出现紧急的情况的时候，按下 脉冲触发就切换到紧急状态，紧急停止状态时各灯变红，系统进入倒计时12秒后就 可以返回正常状态。如图4.1 所示 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 22 程序初始化 执行状态 S1 执行状态 S2 执行状态 S3 执行状态 S4 开始 按键是否拨下 k1 时间调 整 紧急停 止 是否按下 k2 Y N N Y 运行状态 S5 运行状态S6 运行状态S7 运行状态S8 是否拨回 k1 Y 是否到12S N Y N 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 23 4.1主程序流程图 4.2 通行规则如下通行规则如下 （1） 车辆南北直行、各路右转，南北向行人通行。南北向通行时间为25S。 （2） 车辆南北向左转、各路右转，行人禁行。通行时间为25S。 （3） 车辆东西向直行、各路右转，东西向行人通行。东西向通行时间为25S。 （4） 车辆东西向左转、各路右转，行人禁行。通行时间为25S。 4.3 每秒钟的设定每秒钟的设定 延时方法可以有两种，一是利用 AT89S52 内部定时器是否发生溢出中断来确定 1 秒的时间，另一种是采用软件延时的方法，本设计采用软件延时法。 4.4 计数器硬件延时计数器硬件延时 4.4.1 计数器初值计算计数器初值计算 定时器工作时必须给计数器送计数器初值，这个值是送到 TH 和 TL 中的。他 是以加法记数的，并能从全 1 到全 0 时自动产生溢出中断请求。因此，我们可以把 计数器记满为零所需的计数值设定为 C 和计数初值设定为 TC 可得到如下计算通式： TC=M-C 式中，M 为计数器摸值，该值和计数器工作方式有关。在方式 0 时 M 为 213 ；在 方式 1 时 M 的值为 216；在方式 2 和 3 为 28 4.4.2 计算公式计算公式 T=（MTC）T计数 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 24 或T计数 T计数是单片机时钟周期的倍；为定时初值 如单片机的主脉冲频率为 ，经过分频 方式 213微秒毫秒 方式 216 微秒毫秒 显然秒钟已经超过了计数器的最大定时间，所以我们只有采用定时器和软件 相结合的办法才能解决这个问题 4.4.3 秒的方法秒的方法 我们采用在主程序中设定一个初值为的软件计数器和使定时毫秒。 这样每当到毫秒时就响应它的溢出中断请求，进入他的中断服务子 程序。在中断服务子程序中，先使软件计数器减，然后判断它是否为零。 为零表示秒已到可以返回到输出时间显示程序。 4.4.4 相应程序代码相应程序代码 （）主程序 定时器需定时毫秒，故工作于方式。 初值： TCMT T计数 2 50ms/1s=15536=3CB0H ORG 1000H START: MOV RO, #02H ;软件计数器赋初值 MOV TMOD, #01H ; 令 T0 为定时器方式 MOV TH0, #3CH ;装入定时器初值 MOV TL0, #0BOH SEBT TR0 ；启动 T0 计数器 CLR EA 4.5 软件延时软件延时 MCS-51 的工作频率为 2-12MHZ，我们选用的 ATS89S52 单片机的工作频率为 3MHZ。机器周期与主频有关，机器周期是主频的 12 倍，所以一个机器周期的时间 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 25 为 12*（1/3M）=4s。我们可以知道具体每条指令的周期数，这样我们就可以通过 指令的执行条数来确定 1 秒的时间。 具体的延时程序分析： Delay: mov r5, #8 ； 装入 DELAY 延时时间 DLoop0:mov r6, #0 DLoop1:mov r7, #0 DLoop2: NOP NOP djnz r7, DLoop2 djnz r6, DLoop1 djnz r5, DLoop0 ret Delay1: mov r5, #50 ；装入 DELAY1 延时时间 DdLoop0:mov r6, #0 DdLoop1:mov r7, #0 DdLoop2: NOP NOP djnz r7, DdLoop2 djnz r6, DdLoop1 djnz r5, DdLoop0 ret ；返回 所以此指令的执行时间为 2ms DELAY 为一个双重循坏 循环次数为 256*256=65536 所以延时时间 =65536*4=262144us 约为 250s DELAY R5 设置的初值为 5 主延时程序循环 5 次，所以 250s*5= 1.25 秒 同理，DELAY1 R5 设置的初值为 50 主延时程序循环 50 次，所以 250s*50= 12.5 秒，由于单片机的运行速度很快其他的指令执行时间可以忽略不计。 本延时指令在设计中的最大应用就是给系统紧急停止设定时间，使其完成要求 的交通状态。 4.6 时间切换时间切换 时间切换是以电平触发为基础的对时间系统进行改变的一项设计功能，当电平 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 26 设为低时程序得到执行，系统由倒计时 25S 切换到 35S。 4.6.1 相应的程序代码相应的程序代码 程序详见附录 整个程序是与原倒计时 25S 时间相平行的另一套时间系统，它的调用就是靠前 面提到的低电平触发实现的。 沈阳航空工业学院北方科技学院毕业设计（论文） 27 5 软硬件联合调试软硬件联合调试 5.1 软硬件调试软硬件调试 设计时按红绿交通灯控制程序和特种车辆经过中断程序两大部分电路进行测试， 将硬件连接完成。 5.1.1 红绿交通灯控制程序红绿交通灯控制程序 定时器T0，直接按照算好的数据码送出来控制灯，观察其逻辑状态是否符合要 求。可多次、反复地进行调试，直至逻辑关系正确。值得注意的是，南北方向、东 西方向的指示灯要同时调试，南北方向左转、东西方向左转也要进行测试。 5.1.2 交通灯电路的调试交通灯电路的调试 运行交通灯程序，观