基于新型规则的可编程交通控制系统设计

基于新型规则的可编程交通控制系统设计报告报告摘要本设计制作由三大模块构成：分频模块、控制模块、显示数码模块，分频与控制采用MCS-51系列的8031单片机实现，显示数码模块采用可编程8279键盘/显示器、串行口显示、8155可编程I/O扩展接口等元件通过软件设计实现数码显示。功能键D键实现了对芯片的内部清零，该系统还可通过键盘输入来设定红、黄、绿、左转、右转及人行道的放行时间，在出现紧急状况时，可按E键对不同情况进行多方面处理。在发挥部分，实现了对红绿灯输出的扩展，在人行道放行时进行显示提示，并使用LCD将提示信息清晰直观的显示出来。若遇上雨、雪、大风等恶劣天气，交警可利用系统设置的控制按键，向行人发出语音提示。该系统还可根据不同的时段，通过键盘的输入对主要交通方向的交通信号进行调整。设计用点阵箭头对机动车的左转、右转进行了提示性的显示，使得该设计更加完善，拥有自己的特色。从实际运行情况看，该系统工作稳定、显示清晰直观、原理通俗易懂、操作简单、功能齐全，比较理想的实现了设计指标的要求。交通信号灯指示系统示意图图一南北干道东西干道红红黄绿红红黄绿右转信号红红黄绿直行信号左转信号右转信号红红黄绿直行信号左转信号右转信号左转信号直行信号左转信号右转信号直行信号2一、方案比较与设计论证：题目所要求的功能，可以采用下面两种方案实现。方案一：采用普通电子电路实现1.倒计时部分的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1-1所示。6MHz计时器电子电路原理图图1-12.主体电路部分通过采用基本的CMOS元件及TTL电路，把8种工作状态分别用8个高低电平代表，选用3-8线优先编码器74LS148，通过送入数字信号将对应的开关状态转变为状态编码，可以实现题目的基本要求，但是对于题目的发挥部分，用一个编码器很难实现，而且会导致接线繁琐。这种以中小规模的数字电子电路为主体设计而成的系统，侧重于硬件电路，故电路机构复杂，硬件工作量大，且不可靠，查线时繁琐，不易实现编程，此种方案的优点在于设计原理简单，通俗易懂。综上所述，采用普通电子电路虽然也可以实现题目要求的部分功能，而且个别的部分还有自己独特的优点，但是从整体设计来看，这样将使整个系统零散，不系统，并使电路变的特别庞大，连线也烦琐无比，实际的可行性不强，故我们不采用此种方案。方案二：利用MCS-51系列的8031单片机控制系统为主，辅以必要的逻辑电路1.倒计时部分的实现倒计时部分的实现通过设定内部定时器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，然后执分频秒信号减法计数译码显示晶体振荡3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)=2Μs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。2.主体电路部分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，考虑到题目的要求和实际的可操作性，我们采用8279通用键盘显示板。此种方案外接电路简单明了，用可编程逻辑元件实现外调电路，同时采用8279键盘/显示器实现可编程键盘输入及系统的显示部分，利用有限的控制线和数据/地址总线，在一定程度上简化了系统的硬件设计，充分发挥了逻辑器件的作用。语音提示部分采用ISD1400语音芯片来实现，此方案可很好的实现整个题目的基本要求和发挥部分的所有要求，而且采用8031单片机进行集中控制，使系统编程更加方便，电路布线简单。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图2-1示。用单片机实现的原理图图2-1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。803181558279显示部分键盘部分4二、理论分析与计算通过对济南市较大的十字路口之一的趵南岗路口进行的观察，并根据题目要求加上右转信号，制作了一个模拟的指示系统工作流程图。流程如图二所示。模式号123456东西干道：直行红灯亮，左转黄指示箭头亮，右转黄指示箭头亮，人行红灯亮南北干道：直行红灯亮，左转红指示箭头亮，右转黄指示箭头亮，人行红灯亮东西干道：直行红灯亮，左转红指示箭头亮，由东向西：右转红指示箭头亮人行红灯亮由西向东：右转绿指示箭头亮南北干道：由北向南：直行红灯亮，左转红指示箭头亮，右转绿指示箭头亮，人行红灯亮由南向北：直行绿灯亮，左转绿指示箭头亮，右转红指示箭头亮，人行绿灯亮东西干道：直行红灯亮，左转红指示箭头亮，由东向西：右转红指示箭头亮人行红灯亮由西向东：右转黄指示箭头亮南北干道：由北向南：直行红灯亮，左转红指示箭头亮，右转黄指示箭头亮，人行红灯亮由南向北：直行黄灯亮，左转黄指示箭头亮，右转红指示箭头亮，人行黄灯亮东西干道：直行黄灯亮，左转绿指示箭头亮，右转绿指示箭头亮，人行红灯亮南北干道：直行红灯亮，左转红指示箭头亮，右转绿指示箭头亮，人行红灯亮东西干道：直行黄灯亮，左转红指示箭头亮，右转红指示箭头亮，人行灯不亮南北干道：直行红灯亮，左转红指示箭头亮，右转红指示箭头亮，人行红灯亮东西干道：直行绿灯亮，左转红指示箭头亮，右转红指示箭头亮，人行绿灯亮南北干道：直行红灯亮，左转红指示箭头亮，右转红指示箭头亮，人行红灯亮578十字路口交通信号模拟指示系统工作流程图图二（一）硬件部分的理论分析与计算1.交通灯的控制与剩余时间显示部分系统以8031单片机为核心，在8031外围接一块8279通用键盘控制键盘输入，另用一块8155接口芯片控制交通信号灯。交通灯有红黄绿三色，用两个数码管显示剩余的时间，连接电路如图2-3所示。（以东西干道为例）81558155控制交通灯图图2-3东西干道：直行红灯亮，左转红指示箭头亮，由东向西：右转绿指示箭头亮人行红灯亮由西向东：右转红指示箭头亮南北干道：由北向南：直行红灯亮，左转红指示箭头亮，右转绿指示箭头亮，人行红灯亮由南向北：直行绿灯亮，左转绿指示箭头亮，右转红指示箭头亮，人行绿灯亮东西干道：直行红灯亮，左转红指示箭头亮，由东向西：右转黄指示箭头亮人行红灯亮由西向东：右转红指示箭头亮南北干道：由北向南：直行黄灯亮，左转绿指示箭头亮，右转红指示箭头亮，人行黄灯亮由南向北：直行红灯亮，左转绿指示箭头亮，右转黄指示箭头亮，人行红灯亮+5VPA0-PA7D0-D7RDWRPB0-PB7A1A0CSPC0-PC58820038820038620036黄绿红6其基本工作过程为：首先单片机由定时器取得延时时间后，由定时器T0控制延时。然后在PA口、PB口、PC口送控制码，使某一种颜色交通灯亮。南北干道电路的显示原理与此完全相同，但接线有所不同。8155的片选信号范围是7900H-7903H，A1、A0接至8031地址线的最低两位，这样8155的PA口、PB口、PC口寄存器的端口地址分别为7901H、7902H、7903H，而8155命令寄存器的端口地址7900H。为将8155的PA口、PB口、PC口均置为方式0输出，命令字设定成07H。2.电源部分本部分的主要功能是给8031、脉冲产生电路、8279提供电源。为了满足实际的需求，我们设计的电源含有充电电路部分。电源部分用来给电池充电，同时给工作电路供电。交流电经整流滤波稳压后，再经过一个二极管接到充电电池的输出端。在正常情况下工作电路由电源供电并给充电电池供电，当断电时，二极管导通，电池给电路供电。由于单片机和8279的工作电压为5V，考虑到显示负载电流较大使电压的下降，为使电压的输出满足需求，我们选用CW7806（输出电流为1.5A）作为稳压器，在其后加一个二极管分压（导通时电压降为0.7V）。在CW7806的两端并联一个二极管用来防止在输入短路的时候，C2上所存储的电荷通过稳压器放电而损坏组件。对于交流变压部分，稳压器正常工作时，要求其输入输出电压差大于2~3V，整流电路的输出电压U1至少为7~8V,而变压器的输出电压UA约为U1的1.1倍，因此，变压器的最小输出电压为7.7~8.8V，而变压器输出电压若太大，将会使稳压器的功耗增大，导致电源效率下降，我们取用的变压器的输出电压为9V。补偿电容C1，C2的选择。C1用来抵消由于输入端接线较长时所产生的引线电感效应，以防止自激振荡，并可抑制电源的高频脉冲干扰，一般取为0.33μF；C2用来抑制高频噪声、防振、改善输出瞬态响应，一般取为0.1~1μF。整流管的选择。对于桥式整流电路，二极管的最大承受反向电压为URM=2UA二极管的平均电流ID=IO/2，考虑到电容充电时的瞬时电流较大，我们取为：IDM=2.5IO/2对于滤波电容C，我们根据下式来选取：RC≥（3~5）T/2经计算C取为2200μF。充电电池选用6V的，在输出时接一个二极管分压，以使输出电压降到5V左右，当断电时给工作电路供电。电路的连接如图2-4所示。（见下页）在电路中二极管除具有分压功能，还能够防止反向导通。73.语音电路部分语音提示采用语音芯片ISD1400，将话筒正负端分别接到ISD1400的SP+、SP-端，通过S3按键来实现录音功能，用单片机通过控制S1、S2、S3来控制录音和播放，本设计电路既可实现语音的放音功能，又可实现语音录音功能。其接线如图2-5所示。语音电路接线图图2-5电源部分电路图图2-4VccVCCDVCCAVSSDVSSAAGCSP+SP-ANAINANAOUTMICREFMICA0A2A3A4A5A6A7PLAYLPLAYERECRECLEDXCLKA1话筒R1R2R3R4R5R6R7R8R91kΩ100kΩ100k100k5.1kΩ10kΩ10kΩ470kΩ10kΩ16Ω0.1μF0.1μF4.7μF0.1μF0.001μF0.1μF喇叭P1.2P1.1P1.08（二）、软件的组成及工作流程1.软件的组成控制程序分为主程序MAIN，显示控制子程序XS00，键盘中断服务子程序STOP，T0中断处理子程序CLOCK，LCD显示子程序LCD00。主程序MAIN完成堆栈初始化，T0初始化，8155初始化，对定时数据区显示缓冲区初始化，开中断然后循环显示工作流程中的八种工作模式。显示控制子程序XS00中，8031通过8155接口芯片将红绿黄三色灯的倒计时时间显示出来，通过延时取得合适的显示效果。键盘中断服务子程序STOP中，共设置使用了多个功能键，来实现题目要求的多种功能。T0的中断处理子程序CLOCK中，当定时1秒时间到时，修改显示缓冲区内容；当某色交通灯显示时间到时，判断下一步要亮的交通灯的颜色和要显示时间。LCD显示子程序LCD00，通过LCD将提示信息显示出来，并给提示信息设置了美观且直观的图形。2.软件的工作流程（1）主程序流程图如下：SP#70H各方向显示时间置初值8155设定为PA、PB、PC口为输出开中断启动T0计数9（2）T0中断处理子程序CLOCK流程图