城市道口交通灯控制系统模型.doc

城市道口交通灯控制系统模型1 功能要求城市道口交通灯控制系统模型采用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，每个方向具有左拐、右拐、直行及行人4种通行指示灯，计时牌显示路口通行转换剩余时间，在出现紧急情况时可由交警手动实现全路口车辆禁行而行人通行状态。另外，在特种车辆如119、120通过路口时，系统可自动转为特种车辆放行，其他车辆禁止通行的状态，15 s后系统自动恢复正常管理。其他还有盲人提示音、120 s与60 s通行管理转换等功能。 2 方案论证 方案1：采用AT89C52单片机作为控制器；通行倒计时显示采用3位LED数码管；左拐、右拐、直行及行人4种通行指示灯采用双色高亮发光二极管；LED显示采用动态扫描，以节省端口数。特种车辆通行采用实时中断完成，识别方法采用红外线发射及接收方案。按以上系统构架设计，单片机端口资源刚好满足要求。该系统具有电路简单，设计方便，显示亮度高，耗电较少，可靠性高等特点。整个电路组成框图如图1所示。方案2：采用AT89C2051单片机作为控制器，通行倒计时显示采用1616点阵LED发光管，左拐、右拐、直行及行人4种通行指示也采用1616点阵双色LED发光管。该系统设计框架如图2所示。列驱动采用74LS595以实现串行端口扩展，行驱动采用4/16译码器74LSl54动态扫描，译码器74LS154生成16条行选通信号线，再经过驱动器驱动对应的行线。每条行线上需要较大的驱动电流，应选用大功率三极管作为驱动管。这种设计方案的图案显示逼真，单片机占用端口资源少；缺点是需要大量的硬件，电路复杂，耗电量大，在模型制作中较少采用。 方案3：采用AT89C2051单片机作为控制器，通行倒计时及左拐、右拐、直行、行人通行指示采用单块LCD液晶点阵显示器。这种方案设计占用单片机的端口最多，硬件也少，耗电也最小；虽然显示图案也很精美，但由于亮度太暗，晚上还得开背光灯，所以较少采用。通过以上综合分析可以看出，方案1具有综合设计优点，因此城市道口交通灯控制系统模型采用方案1设计。3 系统硬件电路的设计 图3所示为采用LED动态扫描的交通灯控制系统总电路原理图。整套电路系统由控制系统模块、通行灯输出控制显示模块、时间显示模块和自动特种车辆控制模块等组成。3.1 主控制系统 主控制器采用AT89C52，是ATMEL公司生产的一款性能稳定的8位单片机。AT89C52具有1个8 KB的Flash程序存储器，1个512字节的RAM，4个8位的双向可位寻址I/O端口，3个16位的定时计数器及1个串行口和6个向量二级中断结构。单片机的P1口及P2口分别用于控制南北及东西的通行灯，PO口及P3.OP3.2脚用于4组3位LED计时器的控制，特种车辆通过时使用外中断1口(P3.3)，手动自动转换采用P3.7脚按键。3.2 通行灯输出控制道口交通灯指示采用高亮度红绿双色发光二极管，左拐、直行、右拐及行人各一个。当发光电流为6 mA时，按公式R= (5-1.8)V/0.006 A计算，限流电阻应为510 。由于南北通行时双向指示牌相同，因此每个端口应具有12 mA的吸收电流能力。另外，人行道口按4个灯算需24 mA的吸收电流。这样在单片机的输出口需接驱动电路74HC244，以保护单片机的输出端口。图4所示为道口指示灯电路图。3.3 时间显示模块道口通行剩余时间采用高亮红色7段LED发光数码管显示，采用共阳数码管，如用单片机吸收电流驱动，列扫描驱动使用三极管，按每段6 mA电流算，全显示字形“8”时，每个数码管需6mA8=48 mA。由于时间显示每个道口相同，4组需192 mA，因此设计中采用中功率三极管9012。由于单片机每个段码输出口需吸收24 mA电流，因此在电路设计中也使用了驱动集成块74HC244。其显示驱动电路如图5所示。 图7.5 时间显示驱动电路3.4 特种车辆自动通行控制模块自动道口灯在特种车辆到来时能自动关闭所有绿灯，让特种车通过。设计中采用红外线发生器作为特种车的发信器，使用实时中断来响应特种车的通行要求。红外线接收器一般采用电视机上用的一体化红外接收器，具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。3.5 盲人提示音电路道口控制系统设计中也考虑到了方便盲人过人行道的声音提示电路，声音控制电路与人行道通行控制灯绿灯相同步，当绿灯亮时响一下，在行人结束通行前，绿灯闪烁10 s时会间隔5响（每次1s）。盲人提示音采用柔和的低音，声音悦耳。盲人提示音电路如图6所示。 图7.6盲人提示音电路3.6 电源电路由于整个系统采用的电源电压只需+5 V电压，所以采用不可调的3端稳压器件，用常用的LM17805就可以满足系统电源的要求。LM7805三端集成稳压电源内部由基准电压回路、恒流源、过流保护、过压保护和短路保护回路等8部分组成，具有低功耗，高效率，纹波系数小，输出电压稳定等优点。4 系统主要程序的设计道口交通控制系统控制程序主要分为以下几个模块：初始化程序、主程序、定时中断程序和特种车实时响应程序等。4.1 初始化程序初始化程序主要完成内存规划，定时器的工作模式、中断方式等的设定。由于子程序调用较多，因此初始化时堆栈指针设于80H处。定时器TO、T1设为16位定时器模式，定时时间为50ms，T0为秒计时用，T1为通行结束闪烁用。4.2 主程序主程序主要负责总体程序管理功能，实现人机交互设定。由于采用动态扫描方式显示时间，因此主程序大部分时间要调用扫描显示程序。 主程序流程图如图7所示。4.3 外中断1中断服务程序 当有特种车经过时，车中发射红外线信号，其信号被道口控制板上的接收器接收，并输出一个低电平触发外中断1。中断处理程序流程图如图8所示。4.4 定时中断服务程序 定时中断服务程序主要用于行车及行人的通行指示，按照通行规则，红绿灯控制转换逻辑表如表1所列。 表1道口通行方式控制码数据表方向引脚控制功能120-110 S11070 s 7060 S 60-10 s 100 s南北方向P*7左拐红 O O O 1 1P*6 左拐绿 1 1 1 O O1P*5 直行红 1 l 1 O OP*4 直行绿 0 O 0/1 1 lP*3 右拐红 O 1 1 1 lP*2 右拐绿 1 O O O 0/1P*1 行人红 1 1 1 O OP*o 行人绿 O O O1 1 1 道口控制字 66H 6AH 6AH/7BH 99H 99H/DDH方向引脚控制功能120-110s 11070s 7060s 6010s 100s东西方向P*7 左拐红 O 0 O 0 OP*6 左拐绿 1 1 1 1 lP*5 直行红 O O 0 O OP*4 直行绿 1 1 1 l 1P*3 右拐红 O 1 1 1 lP*.2 右拐绿 1 O O O 0/1P*1 行人绿 O O O O 0P*0 行人红 1 1 1 1 1 道口控制字 55H 59H 59H 59H 59H/5DH 通行规则如下： 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 min，各路右拐比直行滞后10 s开放。 车辆南北向左拐、各路右拐，行人禁行。通行时间为1 min。 车辆东西向直行、各路右拐，东西向行人通行。东西向通行时间为1 min，各路右拐比直行滞后10 s开放。 车辆东西向左拐、各路右拐，行人禁行。通行时间为1 min。 交通灯的4种通行规则，是以给控制红绿灯端口送控制码的方式实现的。它的原理是，将按不同规则通行时的各路口的红绿灯亮灭情况转换为单片机端口控制码。其指示灯功能通过TO定时中断服务程序实现。 定时器TO定时溢出中断周期设为50 ms，中断累计20次（即1 s）时对120 s倒计时单元减1操作。设计中将4种通行规则分成几种不同的亮灯方式，通过查询秒倒计时单元的数据，实现在不同的时间段给控制端口送不同的控制数据码。控制码分为5个时间段：120110 s、11070 s、7060 s、6010 s、10Os。交通管理定时功能程序流程图如图9所示。5 调试及性能分析 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调试。5.1 红绿交通灯控制程序不通过定时器TO，直接按照表1中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。5.2 特殊车辆通行时红外线检测电路的调试 在模拟小车中放一块红外线发射模块，将示波器输入端接在交通控制灯的红外接收模块的输出引脚上，当小车通过路口时，检测红外线是否被接收。若该脚输出为低电平，则说明可以接收到信号，电路正常。本系统以AT89C52单片机为核心，开发程序调试阶段采用W78E516B进行在线编程及修改，可大大加快调试进度。设计的交通灯可用于十字路口的车辆及行人的交通管理，显示采用3位7段数码管，可以很直观地显示红绿灯的开放和关闭的时间；设计中应用了两种倒计时显示方式，120 s倒计时适用于车流量较大的大城市，60 s倒计时可用于中小型城市；功能完整，不仅有普通交通灯的指示功能，还增加了特种车辆自动通行和盲人语音提示功能。其控制功能与效果与真实道口管理红绿灯完全一致。6 控制源程序清单 以下是城市道口交通灯控制系统模型控制用汇编源程序：; 交通灯 ; TIME EQU 50H ;秒计数用 TIMESFR EQU 51H ;临时寄存器 CONR5 EQU 52H ;T11秒定时计数用 TIMED0 EQU 55H ;单向最大定时时间,直行开始,人行开始 120 TIMED1 EQU 56H ; 各路右转开始时间 110 TIMED2 EQU 57H ; 前行结束提醒 70 TIMED3 EQU 58H ; 前行结束,人行结束,左转开始 60 TIMED4 EQU 59H ; 左转结束提醒 TIMED5 EQU 5AH ; 左转结束 TIMED6 EQU 5BH ; TIMED7 EQU 5CH ; SN EQU P1 ; 南北口 EW EQU P2 ; 东西口 SCAN EQU P3 ;扫描口 LEDOUT EQU P0 ;段码口 SNEWFLAG BIT 09H ;东西口与南北口转换标志; 按键在扫描口的最高位,按一下,全红灯,再按一下,恢复原状态; 定时器T0、T1溢出周期为50MS，T0为秒计数用，; 中断入口程序 ; ORG 0000H ;程序执行开始地址 LJMP START ;跳到标号START执行 ORG 0003H ;外中断0中断程序入口 RETI ;外中断0中断返回 ORG 000BH ;定时器T0中断程序入口 LJMP INTT0 ;跳至INTTO执行 ORG 0013H ;外中断1中断程序入口 LJMP INT11 ;外中断1中断返回,119.120中断 ORG 001BH ;定时器T1中断程序入口 LJMP INTT1 ORG 0023H ;串行中断程序入口地址 RETI ;串行中断程序返回; ; ; 主 程 序 ; ; START: MOV SP,#80H MOV R0,#00H ;清70H-7AH共11个内存单元 MOV R7,#8FH ; CLEARDISP: MOV R0,#00H ; INC R0 ; DJNZ R7,CLEARDISP ; MOV TIMED0,#78H ;单向最大定时时间,直行开始,人行开始 120 MOV TIMED1,#6EH ; 各路右转开始时间 110 MOV TIMED2,#46H ; 前行结束提醒 70 MOV TIMED3,#3CH ; 前行结束,人行结束,左转开始 60 MOV TIMED4,#0AH ; 左转结束提醒 CLR SNEWFLAG ;南北先通行标志位 MOV TMOD,#11H ;设T0、T1为16位定时器 MOV TL0,#0B0H ;50MS定时初值（T0计时用） MOV TH0,#3CH ;50MS定时初值 MOV TL1,#0B0H ;50MS定时初值（T1闪烁定时用） MOV TH1,#3CH ;50MS定时初值 ; JB SCAN.7,SSST ;120秒管理 ;以下为60秒管理 LCALL DL1MS LCALL DL1MS LCALL DL1MS JB SCAN.7,SSST ;干扰 MOV TIMED0,#60 ;单向最大定时时间,直行开始,人行开始60 MOV TIMED1,#55 ; 各路右转开始时间 55 MOV TIMED2,#35 ; 前行结束提醒 35 MOV TIMED3,#30 ; 前行结束,人行结束,左转开始 30 MOV TIMED4,#05 ; 左转结束提醒 SSWAIT: JNB SCAN.7,SSWAIT LCALL DL1MS LCALL DL1MS LCALL DL1MS JNB SCAN.7,SSWAIT ; SSST: MOV TIME,TIMED0 ;120秒 LCALL TUNBCD MOV SN,#66H ; MOV EW,#55H ; SETB EA ;总中断开放 SETB PX1 SETB EX1 SETB ET0 ;允许T0中断 SETB TR0 ;开启T0定时器 MOV R4,#14H ;1秒定时用初值（50MS20） MOV CONR5,#20 START1: LCALL DISPLAY ;调用显示子程序 JNB SCAN.7,KEYFUN ;手动状态 SJMP START1 ;P1.0口为1时跳回START1 ;KEYFUN: LCALL DISPLAY LCALL DISPLAY JB SCAN.7,START1 CLR ET0 CLR TR0 MOV SN,#056H ;全车道停,行人通 MOV EW,#056H ; MOV TIME,#00H ;时间显示0 LCALL TUNBCD KEYWAIT: LCALL DISPLAY ; JNB SCAN.7,KEYWAIT ; KEYY: LCALL DISPLAY ;等待按键按下 JB SCAN.7,KEYY LCALL DISPLAY JB SCAN.7,KEYY KEYWAIT1: LCALL DISPLAY ; JNB SCAN.7,KEYWAIT1 ; MOV TIME,TIMED0 ;从新开始计时初值 LCALL TUNBCD CLR SNEWFLAG ;南北先通行标志位 SETB TR0 SETB ET0 AJMP START1; 1秒计时程序 ;T0中断服务程序 INTT0: PUSH ACC ;累加器入栈保护 PUSH PSW ;状态字入栈保护 CLR ET0 ;关T0中断允许 CLR TR0 ;关闭定时器T0 MOV A,#0B7H ;中断响应时间同步修正 ADD A,TL0 ;低8位初值修正 MOV TL0,A ;重装初值（低8位修正值） MOV A,#3CH ;高8位初值修正 ADDC A,TH0 ; MOV TH0,A ;重装初值（高8位修正值） SETB TR0 ;开启定时器T0 DJNZ R4, OUTT00 ;20次中断未到中断退出 MOV R4,#14H ;20次中断到（1秒）重赋初值 JB SNEWFLAG, INT22 DEC TIME MOV A,TIME CJNE A,TIMED1,LOOP11 ; 判断是否小于110秒 LOOP11: JC LOOP22 ; 120-110 MOV SN,#66H ; I MOV EW,#55H ; I LJMP OUTT0 ; 120-110 LOOP22: MOV A,TIME CJNE A,TIMED2,LOOP33 ; 判断是否小于70秒 LOOP33: JC LOOP44 ; 110-70 MOV SN,#6AH ; I MOV EW,#59H ; I LJMP OUTT0 ; 110-70 LOOP44: MOV A,TIME CJNE A,TIMED3,LOOP55 ; 判断是否小于60秒 LOOP55: JC LOOP66 ; 70-60 MOV 20H,SN ; CPL 04H ; CPL 00H MOV SN,20H ; I MOV EW,#59H ; I LJMP OUTT0 ; 70-60 LOOP66: MOV A,TIME CJNE A,TIMED4,LOOP77 ; 判断是否小于10秒 LOOP77: JC LOOP88 ; 60-10 MOV SN,#99H ; I MOV EW,#59H ; I LJMP OUTT0 ; 60-10 LOOP88: MOV A,TIME JZ OUT88 MOV 20H,SN ; CPL 06H ; CPL 02H MOV SN,20H ; MOV 20H,EW CPL 02H MOV EW,20H ; I LJMP OUTT0 ; 70-60 OUT88: MOV TIME,TIMED0 ;120秒初值 CPL SNEWFLAG OUTT0: LCALL TUNBCD ; OUTT00: POP PSW ;恢复状态字（出栈） POP ACC ;恢复累加器 SETB ET0 ;开放T0中断 RETI ;中断返回; INT22: DEC TIME MOV A,TIME CJNE A,TIMED1,LOOP111 ; 判断是否小于110秒 LOOP111: JC LOOP221 ; 120-110 MOV EW,#66H ; I MOV SN,#55H ; I LJMP OUTT01 ; 120-110 LOOP221: MOV A,TIME CJNE A,TIMED2,LOOP331 ; 判断是否小于70秒 LOOP331: JC LOOP441 ; 110-70 MOV EW,#6AH ; I MOV SN,#59H ; I LJMP OUTT01 ; 110-70 LOOP441: MOV A,TIME CJNE A,TIMED3,LOOP551 ; 判断是否小于60秒 LOOP551: JC LOOP661 ; 70-60 MOV 20H,EW ; CPL 04H ; CPL 00H MOV EW,20H ; I MOV SN,#59H ; I LJMP OUTT01 ; 70-60 LOOP661: MOV A,TIME CJNE A,TIMED4,LOOP771 ; 判断是否小于10秒 LOOP771: JC LOOP881 ; 60-10 MOV EW,#99H ; I MOV SN,#59H ; I LJMP OUTT01 ; 60-10 LOOP881: MOV A,TIME JZ OUT881 MOV 20H,EW ; CPL 06H ; CPL 02H MOV EW,20H ; MOV 20H,SN CPL 02H MOV SN,20H ; LJMP OUTT01 ; 70-60 OUT881: MOV TIME,TIMED0 ;120秒初值 CPL SNEWFLAG OUTT01: LCALL TUNBCD ; POP PSW ;恢复状态字（出栈） POP ACC ;恢复累加器 SETB ET0 ;开放T0中断 RETI ;中断返回; 显示程序 ; 显示数据在70H-75H单元内，用六位LED共阳数码管显示，P0口输出段码数据，P2口作; 扫描控制，每个LED数码管亮1MS时间再逐位循环。 DISPLAY: MOV R1,#70H ;指向显示数据首址 MOV R5,#0FEH ;扫描控制字初值 PLAY: MOV A,R5 ;扫描字放入A MOV SCAN,A ;从P2口输出 MOV A,R1 ;取显示数据到A MOV DPTR,#TAB ;取段码表地址 MOVCA,A+DPTR ;查显示数据对应段码 MOV LEDOUT,A ;段码放入P0口 LOOP6: LCALL DL1MS ;显示1MS INC R1 ;指向下一地址 MOV A,R5 ;扫描控制字放入A JNB ACC.2,ENDOUT ;ACC.5=0时一次显示结束 RL A ;A中数据循环左移 MOV R5,A ;放回R5内 MOV LEDOUT,#0FFH AJMP PLAY ;跳回PLAY循环 ENDOUT: MOV LEDOUT,#0FFH ;一次显示结束，P2口复位 MOV SCAN,#0FFH ;P0口复位 RET ;子程序返回 TAB: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,0FFH,88H,0BFH;共阳段码表 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 不亮 A -; 延时程序 ;1MS延时程序，LED显示程序用 DL1MS: MOV R6,#14H DL1: MOV R7,#19H DL2: DJNZ R7,DL2 DJNZ R6,DL1 RET;TUNBCD: P