语音交通信号灯控制系统总体设计和主要特点

贵州大学本科毕业论文（设计）第1页1第一章语音交通信号灯控制系统总体设计和主要特点本章将分析现代城市交通控制与管理问题的现状，结合实验阐述了交通灯控制系统的工作原理，设计出一种城市十字路口的语音智能交通灯控制系统的电路设计方案。并且重点阐述了语音交通信号灯控制系统的设计意义、设计思路、设计电路的原理框图以及系统的主要特点。1.1语音交通信号灯控制系统的设计意义交通信号灯的出现，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。随着中国加入WTO，我们不但要在经济、文化、科技等各方面与国际接轨，在交通控制方面也应与国际接轨。俗话说“要想富，先修路”，但路修好了如果在交通控制方面做不好道路还是无法保障安全畅通。作为交通控制的重要组成部份的交通信号灯也应国际化。随着社会经济的发展，城市交通问题也越来越引起人们的关注和重视。人多、车多、道路少的道路交通状况已经越发明显。今后几年内我国机动车辆数量还会急剧增加，道路超负荷承载，导致交通事故逐年增加。在一个交通十字路口，如果还是像以前一样由单纯的一种信号灯和交通警察的协调来维持交通是不够的。必须在原来的交通控制系统中加以改进，创新才能够满足现代日益严重的交通负荷，在原有的交通控制系统中增加语音，文字等提示，能够从声、形上提示驾驶员以及行人。从多个方面提醒驾驶员及行人遵守交通规则，尽量减少交通事故的发生。所以，研究这种新型的语音交通信号灯控制系统即有很强的实用价值和现实意义。1.2设计思路与电路原理方框图为了使设计更具有针对性，使用性更强，我们对其进行了精心的设计和研究。在设计过程中，设想了多种设计方案，经过反复认真思考，选择了用单片机控制的设计方案，所设计的基于单片机AT89S51型的语音智能交通信号灯控制系统方框图如图1.1所示。在本设计中，由于我们采用了两片单片机连接作为系统的控制单元，所以除该系统的语音播报单元外，还增加了温度显示部分，该部分利用贵州大学本科毕业论文（设计）第2页2最新的温度传感器DS18B20监测温度，实时显示天气温度，让驾驶员及行人能够很明了的了解当日天气温度。本系统主要有电源电路、红绿灯控制电路、紧急状态选择电路（键盘电路）、剩余时间显示电路、中央处理单元、报警电路、温度显示电路、闯红灯拍照电路等组成。系统中所用的单片机AT89C51，是一种性能优良的集成可编程的单片机，其功能十分的强大，它把CPU、存储器、及I/O集成到一个芯片上，只要外加少许电子零件便可以构成一套简易的控制系统。这样可以降低设计出来的产品的硬件成本，通过编程快速实现对十字路口交通信号灯的控制。图1.1基于单片机AT89C51型的交通信号灯控制系统方框图1.3语音智能交通信号灯控制系统的主要功能和特点1.3.1语音智能交通灯控制系统的功能要求1）.设计一个十字路口的语音智能交通灯控制电路，要求甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行，每次通行时间都设为25秒；2）.要求黄灯先亮5秒，才能变换运行车道；3）.黄灯亮时，要求每秒钟闪亮一次；4）.红绿灯转换时伴有蜂鸣器“嘀嘀”的预警声；5）.当不同路口的红绿灯亮时，并有相应的语音提示；6）.有车闯红灯时，系统能够自动对闯红灯车辆进行拍照；7）.根据交通灯控制系统方框图，画出完整的电路图,PCB图以及硬件连接图。贵州大学本科毕业论文（设计）第3页31.3.2语音智能交通灯控制系统的主要特点基于单片机AT89C51型的语音智能交通信号灯控制系统的主要特点有：1）.该产品的互换性好，响应速度快，抗干扰能力强。2）.该系统能用软件的方式设计硬件，所以用软件方式设计的系统向硬件系统的转换是由有关开发软件自动完成的；易操作。3）.设计过程中可以对有关软件进行各种仿真，且系统可现场编程，便于实现不同的功能。4）.可以从以前的组合设计转向真正的自由设计，所以设计的移植性好，效率高。可适合大规模的现场控制。5）.因为整个系统可集成在一个芯片上，因此体积小，功耗低，可靠性更高。6）.该系统最大的特点是在原有的交通灯系统的基础上增加了语音提示功能，并把超车拍照功能集于一个系统，控制方便。7）.由于本系统采用两片AT89S51单片机作为控制单元，除了增加该系统的核心部分——语音提示功能外，还增加了温度显示。通过以上方案的分析，就可以知道单片机技术是现代电子设计发展的重要组成部分。采用AT89S51型的交通信号灯控制系统的设计方案，无论是在性能，特点，还是原理图上，或者是在电路设计上，材料选用上都具有简单，使用性强等优点。贵州大学本科毕业论文（设计）第4页4第二章语音智能交通信号灯控制系统的硬件设计2．1分析系统的逻辑原理交通灯控制系统的原理框图如图2.1所示。它主要由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源，译码器输出两组信号灯的控制信号，经驱动电路后驱动信号灯工作，控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作。图中：TL:表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为25秒（可以设置更改），即车辆正常通行的时间间隔。定时时间到，TL=1，否则，TL=0。TY：表示黄灯亮的时间间隔为5秒。定时时间到，TY=1，否则，TY=0。ST：表示定时器到了规定的时间后，由控制器发出状态转换信号。由它控制定时器开始下个工作状态的定时。（1）图2-1甲车道绿灯亮，乙车道红灯亮。表示甲车道上的车辆允许通行，乙车道禁止通行。绿灯亮满规定的时间隔TL时，控制器发出状态信号ST，转到下一工作状态。（2）甲车道黄灯亮，乙车道红灯亮。表示甲车道上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行，乙车道禁止通行。黄灯亮足规定时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。（3）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车道上的车辆允许通行绿灯亮满规定的时间间隔TL时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作图2.1交通灯控制系统的原理框图贵州大学本科毕业论文（设计）第5页5状态。（4）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车道上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行。黄灯亮满规定的时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，系统又转换到第（1）种工作状态。交通灯以上4种工作状态的转换是由控制器器进行控制的。设控制器的四种状态编码为00、01、11、10，并分别用S0、S1、S3、S2表示，则控制器的工作状态及功能如表2-1所示，控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。为简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，并作如表2.1规定：表2.1控制器状态及其功能2.2主要芯片功能介绍2.2.1中央控制器——AT89S51AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、控制状态信号灯状态车道运行状态语音提示状态S0（00）甲绿乙红甲车道通行，乙车道禁止通行S1（01）甲黄乙红甲车道缓行，乙车道禁止通行S3（11）甲红、乙绿甲车道禁止通行，乙车道通行S2（10）甲红，乙黄甲车道禁止通行，乙车道缓行AG=1甲车道绿灯亮甲车道通行南北绿灯两，请注意安全驾驶东西红灯亮，请遵守交通规则BG=1乙车道绿灯亮乙车道通行东西绿灯两，请注意安全驾驶南北红灯亮，请遵守交通规则AY=1甲车道黄灯亮甲车道缓行BY=1乙车道黄灯亮乙车道缓行AR=1甲车道红灯亮甲车道禁止通行BY=1乙车道红灯亮乙车道禁止通行贵州大学本科毕业论文（设计）第6页6非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位AT89S51单片机提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域.⑴.AT89S51的特点与MCS-51产品指令系统完全兼容4k字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器1000次擦写周期4.0-5.5V的工作电压范围全静态工作模式：0Hz-33MHz三级程序加密锁128*8字节内部RAM32个可编程I/O口线2个16位定时/计数器6个中断源全双工串行UART通道低功耗空闲和掉电模式中断可从空闲模式唤醒系统看门狗（WDT）及爽数据指针掉电标识和快速编程特性灵活的在线系统编程（ISP-字节或页写模式）⑵.AT89S51的功能特性概述AT89S51提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128*8字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节点工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止共最并禁止其他所有部件工作直贵州大学本科毕业论文（设计）第7页7到下一个硬件复位。⑶.AT89S51引脚功能AT89S51单片机为40引脚芯片如图2.2所示：图2.2AT89S51引脚分布图①.引脚功能说明：Vcc：电源电压GND：地P0口：P0口是一组8位漏极开路双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节校验时，要求外接上拉电阻。P1口：P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1口的输出缓冲级可驱（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输出口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。如表2.2所示端口引脚第二功能贵州大学本科毕业论文（设计）第8页8表2.2P2口：P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口的输出缓冲级可驱（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输出口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址外部数据存储器（如执行MOVX@Ri指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。Flssh编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。P3口：P3口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口的输出缓冲级可驱（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，他们被北部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作为输入端时，被外部低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表2.3所示：端口引脚第二功能P3.0RXD(串行口输入)P3.1TXD(串行口输出)P3.2/INT0(外部中断0)P3.3/INT1(外部中断1)P3.4T0(定时/计数器0)P3.5T1(定时/计数器1)P3.6/WR(外部数据存储器写选通)P3.7/RD(外部数据存储器读选通)P1.5MOSI(用于ISP编程)P1.6MISO(用于ISP编程)P1.7SCK(用于ISP编程)贵州大学本科毕业论文（设计）第9页9表2.3P3口作的第二功能P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。RST：复位输入端。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使