.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（320240）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.1 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： 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。 南北向左拐、各路右拐，行人禁行。通行时间为 1 分钟。 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。 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（320240）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。主单片机行 人 通 行 指 示行 车 方 向 指 示键 盘 与 状 态 显 示特 种 车 辆 检 测倒 计 时语 音 提 示图 1-1 系统总体设计框图.2 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：系统稳定度；器件的通用性或易选购性； 软件编程的易实现性；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（320240）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 21 所示：图 21 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211为LED点阵外观引脚图。图211 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 212 所示。图 212 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 213 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。显 示H D 7 2 7 9键 盘图 213 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