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交通灯控制系统
交通灯控制系统
[摘要]本次设计采用单片机芯片SPCE061A设计一个交通灯控制系统，能够模拟实际的交通灯，用4个两位数码管显示4个路口倒计时时间，用16组3色LED灯控制车辆的通行，有显示和设置两个状态，可以设置各个路口的通行倒计时时间。
[关键词]SPCE061A;数码管;LED;交通灯
Trafficlightcontrolsystem
Abstract:
ThedesignusesamicrocontrollerchipSPCE061Adesignatrafficlightcontrolsystem,abletosimulatetheactualtrafficlights,fourtwodigitaldisplayfourjunctionscountdowntime,16groupsofthree-colorLEDlightstocontrolthepassageofvehicles,showingsetthetwostates,youcansetthethepassagecountdowntimeofeachintersection.
Keywords:
SPCE061A,Digitaltube,LED,Trafficlight
目录
1引言1
1.1路口交通简介1
1.2交通灯功能简介1
2设计要求1
3系统模块特性简介1
3.1SPCE061A单片机简介1
3.1.1总述1
3.1.2性能1
3.1.3结构概览2
3.1.4芯片引脚排列和说明2
3.2SPCE061A最小系统4
3.3交通灯模组V3.0简介5
3.3.1驱动电路模块5
3.3.2显示电路模块6
4.系统总体方案介绍6
4.1系统实现方案论证6
4.2系统方案实现7
4.3交通灯控制系统的基本原理9
5系统硬件设计10
5.1系统设计总体框架图10
5.2控制模块电路11
5.3交通灯指示模块电路11
5.3.1驱动模块电路11
5.3.2LED灯和数码管显示模块电路15
5.4电源模块电路16
6系统软件设计16
7结束语17
致谢17
参考文献17
附录19
1引言
1.1路口交通简介
随着社会经济的发展，城市交通越来越成为人们不可忽视的问题。
人、车、路之间的协调，已经成为交通管理部门主要解决的问题。
城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。
而交通信号灯是我们常见的交通管理系统。
1.2交通灯功能简介
SPCE061A是一种新型的十六位单片机，该款单片机资源丰富具有很高的性价比。
它内置32位I/O端口，2路D/A转换，8路A/D转换及在线仿真等丰富功能，这些外围设备为实现模拟交通灯控制提供了条件。
本方案利用SPCE061A为主控制器，配合交通灯模组V3.0设计的交通灯控制系统。
该系统在适当的时候控制点亮绿色、黄色或者红色的LED灯，示意行人或者车辆可以通行或者不可以通行；另外通过数码管倒计时，示意车辆或者行人不可以通行时需要等待的时间或者通行时还有多少的剩余时间，较好地实现了对交通灯控制系统的实时模拟。
2设计要求
利用61系统板、交通灯模组V3.0设计交通灯控制系统，要求具有下述功能：
1）系统有两个状态，设置状态和显示状态，利用61板的键盘的KEY1键盘可以进行两个状态间的切换；
2）开机时，系统为显示状态，四个路口数码管从默认的倒计时时间（本系统东南西北分别为24、24、49、74）开始倒计时；
3）设置状态时利用61板的KEY1~KEY3键盘可以设置各路口直行通行倒计时时间，设置的路口数码管闪烁显示，各路口的通行时间可以不相等，其中KEY2为加1键，KEY3为减1键，KEY1为确定键；
4）显示状态时，交通灯模组的四个LED板的数码管进行倒计时；LED板各组的红绿灯进行交通指示；如果一个LED板上有三个绿灯亮，这时候数码管显示的是通行时间，否则，数码管显示的是等待时间；显示过程中按KEY1键可以重新进入设置状态。
3系统模块特性简介
本系统采用SPCE061A单片机作为主控制器，采用红绿灯模组显示单元，同时利用61系统板的1*3按键设置红绿灯的通行时间，下面简单介绍设计中将会用到的模组。
3.1SPCE061A单片机简介
3.1.1总述
SPCE061A是一款16位单片机，使用它可以非常方便实现复杂的数据处理，包括基本的加减运算和复杂的乘积运算处理，该芯片拥有8路10位精度的ADC，其中一路为音频转换通道，另外7路可作为普通的AD转换通道。
另外SPCE061A单片机具有易学易用的效率较高的一套指令系统和集成开发环境。
在此环境中，支持标准C语言，可以实现C语言与汇编语言的互相调用，并且提供了语音录放的库函数，只要了解库函数的使用，就会很容易完成语音录放，这些都为软件开发提供了方便的条件。
SPCE061A片内还集成了一个ICE（在线仿真电路）接口，使得对该芯片的编程、仿真都变得非常方便，而ICE接口不占用芯片上的硬件资源，结合凌阳科技提供的集成开发环境（μ’nSPIDE）用户可以利用它对芯片进行真实的仿真；而程序的下载（烧写）也是通过该接口进行下载。
3.1.2性能
●16位μ’nSP微处理器;
●工作电压（CPU）VDD为3.0~3.6V，（I/O）VDDH为3.0~5.5V；
●CPU时钟：
0.32~49.152MHz；
●内置2K字SRAM；
●内置32K字FLASH；
●可编程音频处理；
●晶体振荡器；
●系统处于备用状态下（时钟处于停止状态），耗电仅为2uA/3.6V；
●2个16位可编程定时器/计数器（可自动预置初始计数值）；
●2个10位DAC（数/模转换）输出通道；
●32位通用可编程输入/输出通道；
●14个中断源可来自定时器A/B、时基、2个外部时钟源输入和键唤醒；
●具备触键唤醒的功能；
●使用凌阳音频编码SACM_S480可以播放压缩的语音资源；
●锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；
●32768Hz实时时钟；
●7通道10位电压模/数转换器（ADC）和单通道声音模/数转换器；
●声音模/数转换器输入通道内置麦克风放大器，并具有自动增益控制（AGC）功能；
●具备串行设备接口；
●具备低电压复位功能和低电压检测功能;
●内置在线仿真电路接口；
●具有WatchDog功能。
3.1.3结构概览
SPCE061A单片机的内部结构如图3.1。
3.1.4芯片引脚排列和说明
LQFP80封装中有9个空余脚，用户使用时这9个空余脚接地。
SPCE061A的管脚功能及标号见表3.1。
表3.1SPCE061A管脚描述表
管脚名称
管脚编号
类型
描述
IOA[15:
8]
46~39
输入输出
IOA[15:
8]双向IO端口
IOA[7:
0]
34~27
输入输出
IOA[7:
0]：
通过编程，可设置成唤醒管脚IOA[6:
0]：
与ADCLine_In输入共用
IOB[15:
11]
50~54
输入输出
IOB[15:
11]：
双向IO端口。
IOB10~0除用作普通的IO端口，还有复用功能
IOB10
57
输入输出
IOB10：
通用异步串行数据发送管脚Tx
IOB9
58
输入输出
IOB9：
TimerB脉宽调制输出管脚BPWMO
IOB8
59
输入输出
IOB8：
TimerA脉宽调制输出管脚APWMO
IOB7
60
输入输出
IOB7：
通用异步串行数据接收管脚Rx
IOB6
61
输入输出
IOB6：
双向IO端口
IOB5
62
输入输出
IOB5：
外部中断源EXT2的反馈管脚
IOB4
63
输入输出
IOB4：
外部中断源EXT1的反馈管脚
IOB3
64
输入输出
IOB3：
外部中断源EXT2
IOB2
65
输入输出
IOB2：
外部中断源EXT1
IOB1
66
输入输出
IOB1：
串行接口的数据传送管脚
IOB0
67
输入输出
IOB0：
串行接口的时钟信号
DAC1
12
输出
DAC1数据输出管脚
DAC2
13
输出
DAC2数据输出管脚
X32I
2
输入
32768Hz晶振输入管脚
X32O
1
输出
32768Hz晶振输出管脚
VCOIN
70
输入
PLL的RC滤波器连接管脚
AGC
16
输入
AGC的控制管脚
MICN
19
输入
麦克风负向输入管脚
MICP
21
输入
麦克风正向输入管脚
V2VREF
14
输出
电压源2.0V产生5mA的驱动电流，可用作外部ADCLine_In通道的最高参考输入电压，不可作为电压源使用
MICOUT
18
输出
麦克风1阶放大器输出管脚，管脚外接电阻决定AGC增益倍数
OPI
17
输入
麦克风2阶放大器输入管脚
VEXTREF
23
输入
ADCLine_In通道的最高参考输入电压管脚
VMIC
25
输出
麦克风电源
VADREF
22
输出
AD参考电压（由内部ADC产生）
VDD
5，69
输入
逻辑电源的正向电压
VSS
10，26，71
输入
逻辑电源和IO口的参考地
VDDIO
37，38，56
输入
IO端口的正向电压管脚
VSSIO
35，36，48
输入
IO端口的参考地
AVDD
24
输入
模拟电路（A/D、D/A和2V稳压源）正向电压
AVSS
15
输入
模拟电路（A/D、D/A和2V稳压源）参考地
RESET
68
输入
低电平有效的复位管脚
SLEEP
49
输出
睡眠模式（高电平激活）
ICE
7
输入
激活ICE（高电平激活）
ICECLK
8
输入
ICE串行接口时钟管脚
ICESDA
9
输入输出
ICE串行接口数据管脚
TEST
3
输入
测试模式时接高电平，正常模式时接地GND或悬浮
ROMT
47
输入
测试闪烁存储器，正常模式时悬浮
N/C
55
输入
正常使用时接地
N/C
4
输入
正常使用时接地
N/C
6
输入
正常使用时接地
PFUSE,PVIN
20，11
输入
程序保密设定脚。
用户慎重使用
注：
可将PFUSE接5V,PVIN接GND并维持1s以上即可将内部保险丝熔化，此后就无法读取和向闪存加载数据。
3.2SPCE061A最小系统
最小系统接线如图3.2所示，在OSC0、OSC1端接上晶振及谐振电容，在锁相环压控振荡器的阻容输入VCP端接上相应的电容电阻后即可工作。
其它不用的电源端和地端接上0.1μF的去藕电容提高抗干扰能力。
61系统板上的主要功能模块如下：
◆SPCE061A单片机最小系统外围电路模块；
◆电源输入模块；
◆音频电路（包含MIC输入、DAC音频功放输出）模块；
◆按键模块；
◆I/O端口模块；
◆调试、下载接口模块；
61系统板的实物见图3.3：
3.3交通灯模组V3.0简介
交通灯模组V3.0包括一块驱动电路板（交通灯模组V3.0驱动板）和四块LED板（交通灯模组V3.0_LED板）。
◆LED板中每个方向提供四组交通LED灯（包括左转、直行、右转、人行道四组），每组交通灯包括红、黄、绿三个灯，可以实现交通的通行控制；
◆LED板中每个方向提供两个数码管，可以实现100以内的倒计时。
3.3.1驱动电路模块
驱动模块包含电源指示灯电路、LED驱动电路、LED板接口电路和单片机接口电路，用来驱动LED灯和数码管，其中J1、J2、J3、J4为LED板的插接口，使用时可以直接把四块LED板插接在驱动板上；J5、J6、J7是单片机的接口，使用时可以直接用3根10pin排线与单片机连接,驱动板电路框图如图3.4。
3.3.2显示电路模块
本系统中有4块相同的LED显示模块，一块LED灯指示来自一个方向的车辆或者人的通行。
LED板含两位7段共阴极数码管、四组共12个LED灯和一个接口J1。
数码管用来倒计时；四组LED灯分别控制左拐、直行、右拐和人行道的通行；J1接口是一个插针口，可以直接和驱动板的J1、J2、J3、J4为LED板的插接口插接。
LED板的结构框图如图3.5。
4.系统总体方案介绍
4.1系统实现方案论证
方案一：
使用51单片机作为主控制器，外部扩展RAM组成最小系统。
由于需要很多的I/O资源，需要扩展8255作为扩展I/O口使用。
系统的硬件框图如图4.1。
方案二：
使用SPCE061A单片机作为主控制器，由于SPCE061A单片机片内具有2KSRAM、32KFLASH外扩少量电阻电容就可以组成最小系统。
它具有32个I/O口资源，可以直接接显示器件。
方案框图如图4.2。
方案论证：
方案一设计的优点是设计成本低，但是设计不灵活，都是采用纯硬件电路，很难将其在原有的基础上进行扩展，而且稳定性不高，结构复杂。
方案二不仅能够继承方案一的各种优点，而且具有外围元件少，连接简单的有点，可以在原有的基础上进行扩展。
通过比较，从设计方案的优点及现在所设计的交通灯系统的实用性，选择第二种交通灯系统的设计方案。
4.2系统方案实现
本方案利用SPCE061A为主控制器，配合交通灯模组V3.0设计的交通灯控制系统。
该系统在适当的时候控制点亮绿色、黄色或者红色的LED灯，示意行人或者车辆可以通行或者不可以通行；另外通过数码管倒计时，示意车辆或者行人不可以通行时需要等待的时间或者通行时还有多少的剩余时间。
模拟交通灯的绿灯亮状态（通行）顺序见图4.3。
其中，数字“1，2，3，4”表示4个路口，S表示车辆直行，L表示车辆左拐，R表示车辆右拐，P表示人行，“1-2”表示1P和2P可以通过路口2通行；“2-3”表示2P和3P可以通过路口3通行；“3-4”表示3P和4P可以通过路口4通行；“4-1”表示4P和1P可以通过路口1通行。
系统运行共有8个状态，下面分别介绍：
状态1：
如图4.4，红绿灯亮灭及数码管倒计时状态为1S，1L，1-2P，3R，4R通行，路口1（J1）倒计时显示24（表示直行和左拐通行时间），路口2（J2）倒计时显示24（表示直行和左拐等待时间），路口3（J3）倒计时显示49（表示直行和左拐等待时间），路口4（J4）倒计时显示74（表示直行和左拐等待时间）。
所有数码管开始倒计时，当路口2的数码管显示3时，进入状态2。
状态2：
路口1倒计时显示03，路口2倒计时显示03，路口3倒计时显示28，路口4倒计时显示53。
此时1S，1L，1-2P，3R由绿灯变黄灯，2S，2L，2-2P，1R由红灯变黄灯闪烁。
继续倒计时，路口1倒计时到00后，从74开始倒计时；路口2倒计时到00后从24开始倒计时，进入状态3。
状态3：
如图4.5，红绿灯亮灭及数码管倒计时状态为2S，2L，2-3P，4R，1R通行，路口1倒计时显示74，路口2倒计时显示24，路口3倒计时显示24，路口4倒计时显示49。
状态4：
路口2倒计时显示02，路口3倒计时显示02，路口4倒计时显示27，路口1倒计时显示52。
此时2S，2L，2-3P，4R由绿灯变黄灯，3S，3L，3-4P，2R由红灯变黄灯。
继续倒计时，路口2倒计时到00后，从74开始倒计时；路口3倒计时到00后从24开始倒计时，进入状态5。
状态5：
如上图4.6，红绿灯亮灭及数码管倒计时状态为3S，3L，3-4P，1R，2R通行，路口2倒计时显示74，路口3倒计时显示24，路口4倒计时显示24，路口1倒计时显示49。
状态6：
路口3倒计时显示02，路口4倒计时显示02，路口1倒计时显示27，路口2倒计时显示52。
此时3S，3L，3-4P，1R由绿灯变黄灯，4S，4L，4-1P，3R由红灯变黄灯。
继续倒计时，路口3倒计时到00后，从74开始倒计时；路口4倒计时到00后从24开始倒计时，进入状态7。
状态7：
如图4.7，红绿灯亮灭及数码管倒计时状态为4S，4L，4-1P，2R，3R通行，路口3倒计时显示74，路口4倒计时显示24，路口1倒计时显示24，路口2倒计时显示49。
状态8：
路口4倒计时显示77，路口1倒计时显示02，路口2倒计时显示27，路口3倒计时显示52。
此时4S，4L，4-1P，2R由绿灯变黄灯，1S，1L，1-2P，4R由红灯变黄灯。
继续倒计时，路口4倒计时到00后，从74开始倒计时；路口1倒计时到00后从24开始倒计时，进入状态1，如此循环。
4.3交通灯控制系统的基本原理
交通灯系统的最基本功能是能够实现数码管倒计时和LED灯亮灭进行路口通行的控制，并进行相应的控制。
硬件设计可以划分为以下模块：
SPCE061A主控制模块、按键模块、红绿灯模块和电源模块。
采用SPCE061A系统板作为核心控制部件，利用61板上的3个按键控制检测当前处于哪一个状态，根据检测结果按照程序设定的方式去控制模拟交通灯控制板上的红绿灯模块、倒计时数码管模块。
交通灯控制系统的基本组成见图4.8。
系统硬件连接如图4.9，把四个LED板连接到驱动板上，利用三根10pin排线分别连接交通灯模组和61板的J5与J9、J6与J6、J7与J7。
5系统硬件设计
5.1系统设计总体框架图
如图5.1所示，本交通灯控制系统有以下几部分功能组成，电源电路、复位电路、震荡电路、按键控制电路、驱动电路、显示电路。
电源为系统的工作提供电能；复位电路用来清零，进行系统的整体的复位；震荡电路为单片机的正常工作提供动力；按键电路主要进行显示部分倒计时时间的设置；驱动电路为显示部分提供所需电流；显示电路进行是否通行的显示和剩余倒计时时间的显示。
各个部分的电路组成，就可以很好的组成完整的系统，可以很好的进行路口交通的模拟管理和控制。
在整个系统的组成中，各个部分之间进行连接很重要，要进行很好的衔接和组成。
由图4.8的框图可以看出，本系统硬件主要由三大模块组成：
控制模块、交通灯指示模块和电源模块。
下面分别进行介绍：
5.2控制模块电路
本系统中控制模块主要是61系统板，61系统板的电路原理图见图3.3。
本系统中控制系统运行的三个按键直接使用61系统板板上的KEY1~KEY3。
SPCE061A单片机通过I/O口控制交通灯模组的数码管的显示和红、黄、绿LED灯的亮/灭。
61板的I/O口电路如图5.2。
使用时，可以直接用10pin的排线和交通灯模组驱动板的单片机接口连接。
5.3交通灯指示模块电路
本系统中交通灯指示灯模块就是交通灯模组V3.0，包括驱动模块和LED显示模块，其中，J1~J4为LED板的接口，使用时可以直接把LED板插接在这四个接口上；J5~J7为单片机接口，使用时，可以使用10pin排线直接和单片机系统板连接。
交通灯指示电路包含驱动模块电路和显示模块电路。
5.3.1驱动模块电路
驱动模块包含电源指示灯电路、LED驱动电路、LED板接口电路和单片机接口电路，用来驱动LED灯和数码管，其中三极管驱动两位数码管的段选口，1片ULN2803驱动4个数码管的位选口，1片ULN2803驱动LED灯，驱动板电路框图如图5.3。
1）电源指示灯电路
电源指示灯电路由LED灯和限流电阻组成，电路正常工作时，只要驱动板电源接通，LED灯就会点亮，从而起到电源指示的作用。
2）LED驱动电路
驱动电路主要有三极管驱动电路和ULN2803驱动电路组成，ULN2803是常见的驱动芯片，一片可提供8路的驱动信号，两片ULN2803共16路，用来驱动8位数码管及8组1×6LED灯（每个LED板上有两组，4个LED板共8组）的阴极，其中U1为数码管的驱动芯片，U2为LED灯的阴极驱动芯片；8个三极管Q1~Q8组成的共集电极电路用来驱动8位数码管的段及LED灯的阳极。
LED驱动电路如图5.4a和5.4b。
ULN2803驱动芯片简介：
八路NPN达林顿连接晶体管阵系列特别适用于低逻辑电平数字电路（诸如TTL,CMOS或PMOS/NMOS）和较高的电流/电压要求之间的接口，广泛应用于计算机，工业用和消费类产品中的灯、继电器、打印锤或其它类似负载中。
所有器件具有集电极开路输出和续流箝位二极管，用于抑制跃变。
ULN2803的设计与标准TTL系列兼容，而ULN2804最适于6至15伏高电平CMOS或PMOS。
ULN2000、ULN2803是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品,具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。
ULN2803电路具有以下特点：
●电流增益高（大于1000）;
●带负载能力强（输出电流大于500mA）;
●温度范围宽（-40～85℃）;
●工作电压高（大于50V）。
其引脚排列图见图5.5
其中1-8引脚为输入引脚，18-11引脚为对应的输出引脚，9引脚地端，10引脚电源+。
使用时10引脚可悬空。
ULN2803工作极限参数见表5.1
表5.1ULN2803极限参数
Rating参数
Symbol 符号
Value数值
Unit单位
Outputvoltage输出电压
VO
50
V
Inputvoltage（ExceptULN2801）输入电压（除ULN2801）
VI
30
V
CollectorCurrent–Continuous 集电极电流-连续
IC
500
mA
BaseCurrent–Continuous基极电流-连续
IB
25
mA
OperatingAmbientTemperatureRange操作环境温度范围
TA
0to+70
℃
StorageTemperatureRange储存温度范围
Tstg
-55to+150
℃
JunctionTemperature结温
TJ
125
℃
ULN2803电气特性见表5.2
表5.2ULN2803电气特性
Characteristic参数
符号
最小
典型
最大
Unit单位
输出泄漏电流
μA
（VO=50v,TA=+70℃）
所有类型
ICEX
100
（VO=50v,TA=+25℃）
所有类型
50
（VO=50v,TA=+70℃,vI=6.0V）
ULN2802
500
（VO=50v,TA=+70℃,vI=1.0V）
ULN2804
500
集电极发射极饱和电压
V
（IC=350mA,IB=500μA）
所有类型
VCE（sat）
1.1
1.6
（IC=200mA,IB=
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