城市交通灯单片机控制系统的设计Word下载.docx
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1.1引言
在今天，红绿灯安装在各个道口上，已经成为疏导交通车辆最常和最有效的手段。
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。
1914年，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，安装在纽约市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。
通过交通信号灯对城市十字路口的车辆的智能控制，就能保障十字路口车辆和行人的顺利通行，井然有序。
目前，交通信号灯控制方式有很多，利用单片机实现交通管制是值得我们研究的一项新课题，也是目前一种很有效实现控制方案。
本系统就是以SPCE061A单片机为核心设计的一种城市交通信号灯。
SPCE061A是凌阳公司设计的一种新型的十六位单片机，该款单片机资源丰富，具有极高的性价比。
该单片机内置有32位IO端口，2路D/A转换，8路A/D转换及在线仿真等丰富的功能，这些都为我们实现模拟交通灯控制提供了良好的条件。
本系统由一块61板和一块模拟交通灯控制板组成，可以模拟比较复杂的路口交通灯控制。
单片机概述
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、3三代的发展，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，引角的多功能化，以及低电压低功耗。
芯片的选择与简介
1.1.1SPCE061A芯片简介
SPCE061A是继μ’nSP™系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一款16位结构的微控制器。
与SPCE500A不同的是，在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能，SPCE061A里只内嵌32K字的闪存（FLASH）。
较高的处理速度使μ’nSP™能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。
因此，。
因此，与SPCE500A相同，以μ’nSP™为核心的SPCE061A微控制器也适用在数字语音识别应用领域。
SPCE061A在2.6V~3.6V工作电压范围内的工作速度范围为0.32MHz-49.152MHz，较高的工作速度使其应用领域更加拓宽。
2K字SRAM和32K字闪存ROM仅占一页存储空间，32位可编程的多功能I/O端口；
两个16位定时器/计数器；
32768Hz实时时钟；
低电压复位/监测功能；
8通道10位模-数转换输入功能并具有内置自动增益控制功能的麦克风输入方式；
双通道10位DAC方式的音频输出功能……。
SPCE061A是数字声音和语音识别产品的一种最经济的应用。
SPCE061A的结构如图1所示：
图1SPCE061A的结构
1.1.2SPCE061A芯片的引脚排列和说明
SPCE061A有两种封装片，一种为84个引脚，PLCC84封装形式；
另一种为80个引脚，LQFP80封装。
本课题选用的是84个引脚PLCC84封装芯片，其引脚图如图2所示：
图2SPCE061APLCC84封装引脚排列图
1.1.3PCE061A板电路性能简介
·
基本外围电阻电容；
麦克输入的电路和DAC输出的外围电路；
32个I/O口全部引出；
电源部分采用的是电池供电，也可以外接5V的稳压源，通过SPY0029稳压到3.3V；
PROBE接口在线调试；
一路DAC输出；
复位电路；
三个按键K1、K2、K3分别接IOA0、IOA1和IOA2，另一端接高电平；
用于作演示，也为自己设计电路提供方便；
一个红色电源指示灯和一个绿色睡眠指示灯；
音频输出将SPEAKER的两端引出，使用者只需外接一个0.5W@8Ω的喇叭即可听到悦耳的声音。
图3SPCE061A最小系统
硬件系统设计
1.2系统总体方案介绍
1.2.1交通灯控制系统的结构
本系统由一块61板和一块自制的模拟交通灯控制板组成。
61板和模拟交通灯控制板通过排线连接。
这里先简单介绍系统的结构，具体电路请参考后面的电路原理图。
61板的核心是凌阳16位单片机SPCE061A，本系统就是以一片SPCE061A为核心，检测键盘模块和流量检测模块，根据检测结果按照程序设定的方式去控制红绿灯模块、倒计时数码管模块和放音模块。
其总结构框图如图所示,
图4模拟交通灯控制系统结构图
1.2.2模拟交通灯控制板简介
模拟交通灯控制板布局示意图如图5所示。
图中的
表示2位7段的LED数码管（用作倒计时显示），
表示双色LED（用作红黄绿灯），
表示小按键（用来模拟车流）。
这是一个典型的十字路口，分别用1、2、3、4表明四个流向的主车道，用L、S、R、P分别表示各主车道的左行车道、直行车道、右行车道以及人行横道。
图5
模拟交通灯控制板布局示意图
通过分析很容易得知，除了四个右行车道外，在同一时间，最多只能有两个车道通行，如1L、1S通行时，其它车道都会被阻断。
所以在设计红绿灯时，可以两两组合，共有四组（如lL-1S、2L-2S、3L-3S、4L-4S）；
而各车道的红灯时间和人行横道通停时间都由这四个组合的绿灯时间决定。
通行顺序如图6所示。
图6交通路口通行顺序示意图
注:
交通灯控制板的引脚说明如表1,
表1交通灯控制板引脚说明
引脚符号
类型
说明
VCC
P
5V
VSS
GND
CS5
O
选通LED数码管的高位
CS4
选通LED数码管的低位
CS3
选通第四组双色LED
CS2
选通第三组双色LED
CS1
选通第二组双色LED
CS0
选通第一组双色LED
IO_0,IO_1,IO_2,...,IO_7
数码管对应的段，和双色LED共用
S_L、S_S、S_R、E_L、E_S、E_R、N_L、N_S、N_R、W_L、W_S、W_R
I
路口的按键输入，_前的S、N、E、W分别表示南、北、东、西方向，_后的L、S、R分别表示左转、直行、右转
1.3控制器硬件电路的设计
1.3.1倒计时LED数码管电路
数码管完成倒计时显示功能。
拿南北方向举例，数码管从绿灯的设置时间最大值往下显示，每秒钟减1，一直减到1。
然后从红灯的设置时间最大值往下显示，每秒钟减1，一直减到1。
接下来再显示绿灯时间，如此循环。
系统共有4个两位的LED数码管，分别放置在模拟交通灯控制板上的四个路口。
因为四个方向的数码管应该显示同样的内容，所以我们可以把它们同样对待。
也就是说各个方向的数码管个位（把数码管第二位定义为个位，第一位定义为十位）用一根信号线去控制，十位用另一根信号线去控制。
这里采用动态显示，段选信号线为a-dp，位选信号为CS-4和CS-5。
其电路图如图7所示,
图7倒计时LED数码管电路
1.3.2
红绿灯双色LED电路
双色LED可以显示红色、绿色和黄色，可以用作红绿黄灯。
我们可以把16个LED分成4个组，东西南北每个方向的灯为一组。
每组LED的数据线和倒计时数码管的段选线共用，通过CS-0到CS-3去选通。
每个方向4个灯，分别是左转弯灯、直行灯、右转弯灯和人行道灯。
正常运行时，这些双色LED的动作过程和实际路口一致。
系统有一种特殊情况，那就是当紧急情况发生时，四面都是红灯，只允许急救车通过。
需要说明的是数码管是共阴的，而这里的LED是共阳的，这编程时需要注意的。
红绿灯双色LED电路图如图8所示,
图8
红绿灯双色LED电路
2.2.3模拟车流检测电路
四个路口的各个车道（不包括人行道）均有一个小按键，用来模拟有车通过的情况。
这12个小按键在交通灯控制板上表现为两两的焊点，用导体接触才可以导通。
每导通一次被认为是有一辆车通过。
模拟车流检测电路图如图9所示,
图9模拟车流检测电路
2.2.4键盘电路
除了模拟车流量的焊点（当作按键来用），模拟交通灯控制板上没有按键，所有设置均通过61板的3个按键完成。
3个按键在系统的4种状态下有不同的含义。
在正常运行状态，按下Key1会进入紧急状态，按下Key2会进入设置状态，按下Key3会进入查询状态。
在设置状态，按下Key1开始设置南北的红灯时间，按下Key2设置南北的绿灯时间，按下Key3返回正常运行状态。
在查询状态，按下Key1或者Key2可以让系统播报各个路口的车流量，按下Key3返回正常运行状态。
在紧急状态，按下Key3键返回正常运行状态。
其键盘电路图如图10所示,
图10键盘电路
2.2.5放音电路
交通灯换向时有语音提示。
放音利用的是SPCE061A内部的DAC。
图11中的SPY0030是凌阳公司的产品。
和LM386相比，SPY0030还是比较有优势的，比如LM386工作电压需在4V以上,SPY0030仅需2.4V即可工作（两颗电池即可工作）；
LM386输出功率100mW以下,SPY0030约700mW。
其放音电路图如图11所示,
图11
放音电路
1.4交通灯控制板电路
交通灯控制板电路主要由倒计时LED数码管电路、红绿灯双色LED电路、模拟车流检测电路和接口电路。
其电路原理图如图12所示，
图12交通灯控制板电路原理图
软件系统设计
1.5软件系统简介
本城市交通灯控制的软件系统设计比较简单。
本章主要介绍软件系统的设计过程和相关程序的编写，包括主程序和各部分子程序的编写和实现。
其中有四个基本的子程序，这四个子程序是正常运行子程序、紧急状态子程序、设置状态子程序和查询子程序，分别对应系统四种不同的状态。
主程序通过系统当前的状态调用相对的子程序来实现系统的功能。
以下分别介绍各部分程序的流程图，具体程序参照附录。
1.6主程序的编写
此主程序比较简单，初始化完成后，调用按键扫描程序，取得键值，并根据当前系统状态调用相应的子程序。
它的流程图如图13所示。
调用正常运
行子程序
图13主程序流程图
1.7子程序的编写
3.3.1紧急状态子程序
在紧急状态下，所有的LED都被置为红灯。
在这种状态下，只有Key3才可以把状态改为正常运行状态。
其程序流程图如图14所示,
图14紧急状态子程序流程图
3.3.2
设置状态子程序
红灯和绿灯的时间最大可以设为99，超出99的时候会从20开始重新计数。
其程序流程图如图15所示,
图15设置状态子程序流程图
3.3.3查询状态子程序
在查询状态，按下Key1播报南北路口的车流量，按下Key2播报东西路口的车流量，按下Key3返回正常运行状态。
图16查询状态子程序流程图
语音播报采用凌阳公司提供的SACM-S480。
SACM-S480压缩算法压缩比较大80:
3，存储容量大，适用于语音播放
其相关API函数如下所示：
intSACM_S480_Initial（intInit_Index）//初始化
voidSACM_S480_ServiceLoop（void）//获取语音资料，填入译码队列
voidSACM_S480_Play（intSpeech_Index,intChannel,intRamp_Set）
voidSACM_S480_Stop（void）
//停止播放
voidSACM_S480_Pause（void）
//暂停播放
voidSACM_S480_Resume（void）
//暂停后恢复
voidSACM_S480_Volume（Volume_Index）
//音量的控制
unsignedintSACM_S480_Status（void）
//获取模块的状态
CallF_FIQ_Service_SACM_S480//中断服务函数
3.3.4正常运行状态子程序
在正常运行状态下，首先进行按键处理。
若按键为Key1会进入紧急状态，若按键为Key2会进入设置状态，若按键为Key3会进入查询状态。
然后是流量检测和显示控制。
每秒钟去查询子状态，根据子状态的标记去刷新相应的发光二极管和数码管控制单元。
正常运行状态子程序流程图如图17所示,流量检测和显示控制的子程序流程图分别如图18和图19所示。
正常运行状态子程序流程图,
图17正常运行状态子程序流程图
流量检测子程序流程图,
图18流量检测子程序流程图
图19显示控制子程序流程图
结论
在设计交通灯控制系统这个题目时，遇到许许多多问题。
我明白对待问题要多方法处理，多角度处理。
在考虑车流量问题时，由于环境比较复杂，有些情况没有考虑。
还有就是芯片的选择，本来应该是用SPCE500A但是考虑到在存储起资源方面用户的较少资源系的需求以及便于调试等功能，SPCE061里只内嵌32K字的闪存。
较高的处理速度使它能够非常容易地、快速的处理复杂的数字信号。
在控制系统结构上分可五个模块，采用了红绿双色LED电路，以方便更好的控制十字路口的复杂情况！
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致谢
我为这次的毕业设计花了大量的时间，投入了大量的精力，洒下了辛勤的汗水，当然我也得到了不少的收获。
从选定论文题目那天起,便开始了查找资料和探讨问题的工作。
工作历经数月,每一步都付出了很大的努力，虽然辛苦,但终于完成了这篇论文。
为了这次毕业设计，很多人都给了我莫大的帮助和支持。
今天，我向这些曾经帮助和支持过我的人致以我最深深的谢意。
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