城市交道口交通灯控制系统

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交道口派出所推荐度：
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本设计以单片机为核心,采用主从双MCU结构,以双色LED发光管箭头作为直行和左右拐弯指示,以LED数码管作为倒计时指示,以双色LED点阵作为行人通行的指示,以数字编码无线传输模式实现特种车辆检测,完成了题目要求的所有功能。在此基础上,我们增设了高分辨率(320×240)大屏幕LCD实时显示系统各种状态,同时显示日期和时间;增设了行人通行还配以形象的动画和温馨的语音提示;增设了可根据交通拥挤情况分别设置主干道和次干道的

应用案例4——城市交道口交通灯控制系统

一、任务

设计并制作一个城市交道口交通灯控制系统

二、要求

1, 基本要求

（1）在1平方米左右木板上制作交道口模型，装上交通灯。交道口模型如图所示。

（2）交通灯控制规则如下：

1）每个街口有左拐、右拐、直行及行人四种指示灯。每个灯有红、绿两种颜色。自行车与汽车共用左拐、右拐和直行灯。

2）共有四种通行方式：

① 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分钟，各路右拐比直行滞后10秒钟开放。

② 南北向左拐、各路右拐，行人禁行。通行时间为1分钟。

③ 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分钟，各路右拐比直行滞后10秒钟开放。

④ 东西向左拐、各路右拐。行人禁行。通行时间为1分钟。

3）在通行结束前10秒钟，绿灯闪烁直至结束。

（3）不必自制电源。

2, 发挥部分

（1）有倒计时时间显示。

（2）若交道口出现紧急情况，交警可将系统设置成手动：全路口车辆禁行、行人通

行。紧急情况结束后再转成自动状态。

（3）当有119、120等特种车辆通过时，系统自动转为特种车放行，其它车辆禁止状

态。特种车辆通过15秒钟后，系统自动恢复，用模型车演示。

（4）其它自选措施。

三、评分标准

基本要求：60分

发挥部分：50分

设计报告：20分

D题：城市交道口交通灯控制系统

摘要：本设计以单片机为核心，采用主从双MCU结构，以双色LED发光管箭头作为直行和左右拐弯指示，以LED数码管作为倒计时指示，以双色LED点阵作为行人通行的指示，以数字编码无线传输模式实现特种车辆检测，完成了题目要求的所有功能。在此基础上，我们增设了高分辨率（320×240）大屏幕LCD实时显示系统各种状态，同时显示日期和时间；增设了行人通行还配以形象的动画和温馨的语音提示；增设了可根据交通拥挤情况分别设置主干道和次干道的通行时间，并对系统机械结构进行了优化设计，整体性好，人性化强、可靠性高。

关键字：双MCU 无线传输双色LED点阵优化设计

摘要 .................................................................................................................................................... 2

引言 .............................................................................................................................................. 5

第1章方案设计与论证 ............................................................................................................... 6

1.1 总体方案设计与比较 ............................................................................................................. 6

第2章系统硬件设计 .................................................................................................................. 8

2.1 总体设计.................................................................................................................................. 8

2.2 各功能模块硬件设计及实现 ................................................................................................ 9

2.2.1 交通灯四种通行模式及行车方向指示 ...................................................................... 9

2.2.2 行人通行指示及其实现 ............................................................................................. 11

2.2.3 特种车检测及其实现 ................................................................................................. 13

2.2.4 键盘与状态显示及其实现 ......................................................................................... 13

2.2.5 语音提示及其实现 ...................................................................................................... 15

2.2.6 主次干道单独时间设置功能 ..................................................................................... 16

2.2.7 紧急情况处理功能及其实现 ..................................................................................... 16

2.2.8 倒计时计数功能及其实现 ......................................................................................... 16

2.2.9 日历及时间显示功能及其实现 ................................................................................. 16

第3章系统软件设计 ................................................................................................................ 17

3.1 软件总体流程图 ................................................................................................................... 17

3.2 软件主要子程序流程 ........................................................................................................... 18

3.2.1 紧急状态子程序 .......................................................................................................... 18

3.2.2 设置状态子程序 .......................................................................................................... 18

3.2.3 键盘模块程序流程 ..................................................................................................... 19

第4章系统调试与测试结果分析 ........................................................................................... 20

4.1 系统操作说明 ....................................................................................................................... 20

4.2 调试 ........................................................................................................................................ 20

4.3 指标测试................................................................................................................................ 21

4.3.1 测试仪器 ...................................................................................................................... 21

4.3.2 各模块测试 .................................................................................................................. 22

第5章设计总结 ........................................................................................................................ 23

第6章参考文献 ........................................................................................................................ 24

附录 ............................................................................................................................................ 25

引言

随着社会和城市交通的快速发展, 近几年机动车辆数字急剧增加，道路超负荷承载道路现象严重，致使交通事故逐年增加。交通灯是城市交通有序、安全、快速运行的重要保障，因此解决好公路交通信号灯控制问题也成了保障交通有序、安全、快速运行的重要环节。本设计是一款基于双MCU的交通控制系统，它可以实现对车辆、行人的有效导引。

根据题目要求，设计中我们选用双色LED发光管比单色LED节省了空间，简化了设计，并把双色LED发光管排成箭头形状，作为直行和左右拐弯指示，形象直观；选择双色LED点阵不仅可以从颜色上区别人的通行与停止，结合软件还可以“动画”形式模拟人的走与停，配合语音作为行人通行的提示，形象、直观、温馨；采用数字编码无线传输模式实现特种车辆检测，准确、可靠性高；高分辨率（320×240）大屏幕LCD实时显示系统各种状态，可同时显示日期和时间，显示图文信息量大，更直观，可靠性高、抗干扰能力强。该系统还可根据交通拥挤情况分别设置主干道和次干道的通行时间，以提高效率，缓减交通拥挤；本设计并对系统物理结构进行了优化，很有城市交通道口的“模型”味。

第1章方案设计与论证

题目要求我们在实现四种基本交通灯信息指示功能的基础上，实现倒计时时间显示、紧急情况处理、特种车放行等功能，如何选择有效方案至关重要！

1.1 总体方案设计与比较

题目基本部分要求：

（1）在1平方米左右木板上制作交道口模型，装上交通灯。

（2）交通灯控制规则如下：

1）每个街口有左拐、右拐、直行及行人四种指示灯。每个灯有红、绿

两种颜色。自行车与汽车共用左拐、右拐和直行灯。

2）共有四种通行方式：

① 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分钟，各路右拐比直行滞后10秒钟开放。

② 南北向左拐、各路右拐，行人禁行。通行时间为1分钟。

③ 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

分钟，各路右拐比直行滞后10秒钟开放。

④ 东西向左拐、各路右拐。行人禁行。通行时间为1分钟。

3）在通行结束前10秒钟，绿灯闪烁直至结束。

题目发挥部分要求：

（1）有倒计时时间显示。

（2）若交道口出现紧急情况，交警可将系统设置成手动：全路口车辆禁行、

行人通行。紧急情况结束后再转成自动状态。

（3）当有119、120等特种车辆通过时，系统自动转为特种车放行，其它

车辆禁止状态。特种车辆通过15秒钟后，系统自动恢复，用模型车

演示。

（4）其它自选措施。

根据题目基本部分要求，可以用4只双色LED发光管来指示左拐、右拐、直行及行人通行，如此设计电路简洁，编程和调试均方便，但是该方案欠直观形象，尤其是人行道，并不是每个行人都能明白单只指示灯的含义。

根据题目发挥部分当有119、120等特种车辆通过时，系统自动转为特种车放行，其它车辆禁止状态的要求，对特种车辆的检测方案很多，通常采用音频检

测技术来识别，如选用具有音频锁相功能的LM567。但是该方案可靠性不高，抗干扰能力差。

根据题目发挥部分其它自选措施的要求，考虑到系统中没要求有室内状态监视，也没要求人行道有图形和语音，多少有点不够全面和人性化。

根据上述分析，综合考虑成本和器件的易得性，以及软硬件的结合，我们选用双色LED发光管并排成箭头形状，作为直行和左右拐弯指示，节省了空间，简化了设计，且形象直观；选择双色LED点阵不仅可以从颜色上区别人的通行与停止，结合软件还可以“动画”形式模拟人的走与停，配合语音作为行人通行的提示，形象、直观、温馨；采用数字编码无线传输模式实现特种车辆检测，准确、可靠性高。

根据题目发挥部分其它自选措施的要求，我们增设了高分辨率（320×240）大屏幕LCD作为系统输出，实时显示系统各种状态，同时显示日期和时间，图文并茂，信息量大，可供警察在室内实时监视交通状况；系统还增设了根据交通拥挤情况可分别设置主干道和次干道的通行时间，以提高效率，缓减交通拥挤。系统总体设计框图如图1-1所示。

图1-1系统总体设计框图

第2章系统硬件设计

硬件设计是整个系统的基础，要考虑的方方面面很多，除了实现交通灯基本功能以外，主要还要考虑如下几个因素：①系统稳定度；；②器件的通用性或易选购性；③ 软件编程的易实现性；④系统其它功能及性能指标；因此硬件设计至关重要。现从各功能模块的实现逐个进行分析探讨。

2.1 总体设计

本设计以单片机为控制核心，采用主从双MCU结构，模块化设计，共分以下几个功能模块：单片机控制系统、键盘及状态显示、行车方向指示、行人通行指示、语音信息提示、特种车辆检测和倒计时模块等。

单片机作为整个硬件系统的核心，它既是协调整机工作的控制器，又是

数据处理器。它由单片机、时钟电路、复位电路等组成。

行车方向指示采用双色LED发光管，排列成箭头状，可有两种颜色指

示放行与禁止，形象直观。

行人通行指示采用双色LED点阵，排列成人状，用两种颜色指示放行

与禁止，结合软件可模拟行走和静止的“动画”，形象直观，简洁明了。语音提示部分由专用芯ISD1420构成，温馨提示“横穿马路，注意安全”，

很是人性化。

特种车辆检测，采用语音和数据无线相结合，由发射器和接收器组成，

发射器安装在模型车上，接收器安装在主控板上，非常可靠。

键盘及状态显示，键盘采用HD7279专用芯片，电路简洁可靠；显示器

采用高分辨率（320×240）大屏幕LCD，可实时显示系统各种状态，同时显示日期和时间，图文并茂，信息量大，可供警察在室内实时监视交通状况。通过键盘可设置：紧急情况发生时的交通灯状态控制、日期和时间、主干道和次干道通行时间等，人机界面非常友好。

系统还采用了专用时钟芯片1302，以减轻单片机的负担和提高时钟准确

度。

系统采用双数码管倒计时计数功能，最大显示数字99。

友好的人机界面、灵活的控制方式、优化的物理结构以及丰富的功能是本设计的亮点。系统总体设计原理图见附录。

2.2 各功能模块硬件设计及实现

2.2.1 交通灯四种通行模式及行车方向指示

按交通灯控制规则，每个街口有左拐、右拐、直行及行人四种指示灯。每个灯有红、绿两种颜色。交道口模型如图2－1所示：

图2－1 交道口模型图

4组LED数码管按照设置的通行时间（各路口默认的通行时间均为1分钟）进行倒计时，并各自进行红、绿灯显示，共有四种通行方式，分别为：

图2-2 通行方式一示意图图2-3 通行方式二示意图

图2-4 通行方式三示意图图2-5 通行方式四示意图

通行方式一：倒计时时间为60s（通行时间），红绿灯状态为：南北直行：绿，东西直行：红，各路右拐：绿，左拐：红，人行道：南北绿，东西红，各路右拐比直行滞后10秒钟开放。如图2-2所示。

通行方式二：倒计时时间为60s（通行时间），红绿灯状态为：南北左拐：绿，各路右拐：绿，所有人行道：红。如图2-3所示。

通行方式三：倒计时时间为60s（通行时间），红绿灯状态为：东西直行：绿，南北直行：红，各路右拐：绿，左拐：红，人行道：东西绿，南北红，各路右拐比直行滞后10秒钟开放。如图2-4所示。

通行方式四：倒计时时间为60s（通行时间），红绿灯状态为：东西左拐：绿，各路右拐：绿，所有人行道：红。如图2-5所示。

通行默认时间为1分钟，系统设置了任意更改功能，一般主干道通行时间要比次干道要长一些，可以根据实际情况进行调整，以提高车辆通过率，缓减交通压力。在通行结束前10秒钟，绿灯闪烁直至结束。

本设计选用双色LED发光管拼成箭头形状用来指示左右拐、直行等交通指示信息。绿色表示通行，红色则表示禁止通行。图2-6，中间箭头绿色，表示直行，两边箭头红色，表示禁止通行；图2-7，左边箭头绿色，表示左拐弯；其他红色则表示禁止通行和右拐弯。所有指示信息一目了然。

图2-6 直行箭头

图2-7 左拐弯箭头

2.2.2 行人通行指示及其实现

行人通行指示选用双色LED点阵，排列成人状，用两种颜色指示放行与禁止，结合软件可模拟行走和静止的“动画”，形象直观，如下图所示：

图2-8 允许通行1 图2-9 允许通行2

上图中所示绿色人形图像为允许通行标志，我们用LED双色点阵显示手臂

的连续摆动，表示此时可以通行，提醒行人加快步行。

图2-10 禁止通行

上图所示红色人形图像为禁止通行标志，我们用LED双色点阵显示人的站立姿势，表示此时禁止通行，提醒行人站在原地等候。

双色LED点阵驱动电路设计的好坏直接影响到系统的设计成本、显示效果及系统的运行性能。设计中串行控制驱动采用6B595芯片(74LS595也可用)，这种芯片具有一定的驱动能力，且可以直接驱动LED 发光管而无须另外添加驱动芯片。关于行的控制和驱动是相对容易的，因为行的工作方式是分时顺序工作的。由于行的组成是几个模块并联形成的，因此驱动的功率要求也比较大。

采用扫描方式进行显示时，每行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个列驱动器，由行译码器给出的行选通信号，从第一行开始，按顺序依次对各行进行扫描。另一方面，根据各列锁存的数据，确定

相应的列驱动器是否将列与电源接通。接通的

列，就在该行该列点燃相应的LED；未接通的列

锁对应的LED熄灭。当一行的扫描持续时间结束

后，下一行又以同样的方法进行显示，全部各

行都扫描以遍之后（一个周期），又从第一行

下一个周期扫描。只要一个扫描周期的时间比

人眼二十五分之一秒的暂留时间短，就不容易

出现闪烁现象。右图2－11为LED点阵外观引脚

图。

图2－11 LED点阵外观引脚图

2.2.3 特种车检测及其实现

特种车辆检测，采用语音和数据无线相结合，由发射器和接收器组成，发射器安装在模型车上，接收器安装在主控板上，分别与单片机的串口相连，用于特种车辆强行通行信号控制，无特种车辆通过时信号灯按正常时序控制。

当119、120等特种车辆通过时，伴随着语音警报声，安装在交通灯装置上的接收模块接到信息，由单片机控制所有的灯都为红灯，不管信号灯原来的状态如何, 一律强制给特种车辆放行,特种车辆通过15秒以后,自动恢复原来的状态。

特种车辆强行通行信号同一时间只能响应一路方向, 若两个方向先后来特种车辆, 则按先、后次序依次响应；若两个方向同时来特种车辆, 则按东西, 南北向依次响应。与此同时，液晶显示屏上实时显示交通灯工作状态的相关信息，实现了交警在室内准确无误的远程监视功能。此举不仅是对公安人员工作的配合，也大大降低了交通事故的发生率，提高了交通安全性，保证了交通系统工作的合理性、科学性、准确性。特种车检测发射模块原理图如图2－12所示。

图2－12 特种车检测发射模块原理图

2.2.4 键盘与状态显示及其实现

键盘在本设计中用于紧急情况的手动控制装置，以及定时时间的设置等功能，起到了不可或缺的重要作用。我们选用专用键盘/显示芯片HD7279。HD7279芯片价格低廉，内部含有译码器，并具有多种控制指令，如消隐、闪烁、左移、右移、段寻址等。在设计时，外围电路简单，只需一个电阻和一个电容即可解决键盘/显示电路的外围设计，如图2—13所示。而配合使用高分辨率液晶显示模块则可以显示各种字符及图形，可与CPU系统直接接口，具有8位标准数据总线、

6条控制线及电源线，接口电路简单，控制方便，因HD7279内带许多功能，在程序设计时大大缩短了开发时间，系统的性价比高。

图2—13 HD7279键盘/显示模块

在完成倒计时、状态信息等的显示功能上，我们考虑了以下三种方案：方案一：完全采用数码管显示。这种方案只能显示有限的符号和数码字苻，无法胜任题目要求。

方案二：完全采用点阵式LED 显示。此显示方案功能强大，可方便地显示各种英文字符，汉字，图形等，而且美观，但这种方案实现复杂，且须完成大量的软件工作，因此我们不予采用。

方案三：采用发光管、数码管、LED点阵与高分辨率液晶相结合的方法。考虑设计需要，我们用双色发光管排成箭头符号，彩色LED显示人行道标志，分别构成交通提示信息，形象逼真；数码管用来显示倒计时时间；而液晶则对交通灯的各种状态信息进行实时显示，方便交警进行实时监测。

值得一提的是，我们使用的大屏幕LCD液晶显示屏自带中文汉字库，可显示用户自定义的任意符号和图形,并可卷动显示。主要有以下优点:(1)工作电压低、功耗极低。工作电压仅为3～5Ｖ,工作电流≤10μＡ/ｃｍ2，特别适用于低功耗仪器仪表中。(2)液晶显示属被动显示,受外界光线干扰小。(3)图形点阵式液晶可显示的信息量大、分辨率高。(4)不产生电磁干扰。(5)可靠性高,使用寿命长。此外，它可支持微处理器接口，且接口电路简单，图2-14为与MCU接口界面图。

图2-14 与MCU接口界面图

综上所述，方案三既满足了系统功能要求，又符合人性化设计标准。权衡利弊，我们决定采用方案三来实现系统的显示功能。

2.2.5 语音提示及其实现

语音提示主要采用ISD1420专用语音芯片来实现， ISD1420为单片语音记录、回放一体化芯片，记录时长为20s；可被划分为160小段，每段125ms。其芯片管脚如图2-15所示。当REC脚为低电平时，进行录音，PLAYE或PLAYL为低时进行放音，ISD1420可进行连续录音，也可进行分段录音。我们可以根据需要更换录音内容。

该芯片精度高、抗干扰能力强。即使在环境恶劣的

系统中，如马路上也能进行正常的语音输出，保存时间

长，保真性好，工作可靠。当行人过马路时温馨提示“横

穿马路，注意安全”，很是人性化。配合使用两种颜色指

示放行与禁止，结合软件模拟行走和静止的“动画”，形

象直观，简洁明了。语音提示电路原理图如图2-16所示。

图中三个按键分别用来实现录放音功能。

图2-15 ISD1420语音芯片管脚图

图2-16 语音提示电路原理图

2.2.6 主次干道单独时间设置功能

当主干道方向的车辆过多发生堵塞, 而次干道方向车辆却很稀少时，正常的信号灯时序将会使交通状况更加恶化。本设计添加了主次干道单独时间设置功能，交警可按需求设置绿灯的点亮时间，该措施可在一定程度缓减短暂的交通压力。

2.2.7 紧急情况处理功能及其实现

在十字交通路口常出现的紧急情况，若不及时处理将形成不良隐患。比如，交道口的行人有紧急情况发生，那么交警可以对信号灯进行手动控制，按下紧急情况处理键，通过软件使所有红灯亮，路口车辆禁行，行人通行，直至紧急情况结束后再转成常规的自动状态。

2.2.8 倒计时计数功能及其实现

本系统使用数码管完成倒计时显示功能。以南北方向为例，数码管显示的数值从绿灯的设置时间最大值往下减，每秒钟减1，一直减到1。然后又从红灯的设置时间最大值往下减，一直减到1。接下来又显示绿灯时间，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）用一根信号线控制，十位用另一根信号线控制。这里采用动态显示。

2.2.9 日历及时间显示功能及其实现

日历及时间主要采用的是实时时钟电路DS1302芯片，它是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，具有体积小、功耗低、接口容易、占用CPU的I／O口线少等主要特点，可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿等多种功能，可作为实时时钟广泛应用于智能化仪器仪表中。图2－16为DS1302与单片机的连接图。

图2－16 DS1302与单片机的连接图

第3章系统软件设计

硬件平台结构一旦确定，大的功能框架即形成。软件在硬件平台上构筑，完成各部分硬件的控制和协调。系统功能是由软硬件共同实现的，由于软件的可伸缩性，最终实现的系统功能可强可弱，差别可能很大。因此，软件是本系统的灵魂。软件采用模块化设计方法，不仅易于编程和调试，也可减小软件故障率和提高软件的可靠性。同时，对软件进行全面测试也是检验错误排除故障的重要手段。由于编程多涉及到数值运算，比较复杂，还有LCD的菜单界面设计都是需要多重选择判断，用我们平时常用的汇编语言编程是很难实现的，这里我们选用了移值性好、结构清晰、能进行复杂运算的C语言来实现编程。

3.1 软件总体流程图

软件总体设计及流程图见图3-1，主要完成各部分的软件控制和协调。本系统主程序模块主要完成的工作是对系统的初始化，包括对HD7279、1302和液晶的初始化，启动无线接收模块，发送显示数据，同时对键盘进行扫描，等待外部中断，以及根据所需要的功能进行相应的操作。其流程图如图3-1所示。

图3-1 软件总体流程图

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。这里有六个基本的子程序供调用，分别对应系统的各种功能状态。分别是语音提示子程序、特种车检测子程序、紧急状态子程序、设置子程序和时钟显示子程序，倒计时子程序等。

3.2 软件主要子程序流程

3.2.1 紧急状态子程序

图3-2 紧急状态子程序

在紧急状态下，只有紧急状态手动控制按键采可以使所有的LED 都被置为红灯，车辆禁行、行人通行。紧急情况结束后再转成自动状态。

3.2.2 设置状态子程序

图3-3 设置状态子程序

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。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。

它包含倒计时调整和紧急状态两个状态。主程序中放了一个按键的判断指令，当有按键按下的时候，程序就自动的跳转到按键子程序处理。当检测到K2键按下的时候就自动返回到主程序。当出现紧急的情况的时候，按下K3或者K4 就切换到紧急状态，当紧急事件处理完毕的时候，按下K2，就可以返回正常状态。

3.2.3 键盘模块程序流程

键盘是人机进行交互的重要接口之一。用户通过按键对仪器下达命令，仪器对按键译码获得相应的键值，并执行相应的命令程序。键盘部分的软件实现主要是指对键盘管理芯片HD7279A进行编程，从而成功地读取键盘值，实现相应的功能。HD7279A的工作流程图如图3-4所示。

图3-4 HD7279的工作流程图

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/smli.html

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