【正文】 紅外線紅綠燈。帶控制的紅綠燈，一種是把壓力探測器安在地下，車輛一接近紅燈便變?yōu)榫G燈；另一種是用擴(kuò)音器來啟動紅綠燈，司機(jī)遇紅燈時按一下嗽叭，就使紅燈變?yōu)榫G燈。紅外線紅綠燈當(dāng)行人踏上對壓力敏感的路面時，它就能察覺到有人要過馬路。紅外光束能把信號燈的紅燈延長一段時間，推遲汽車放行，以免發(fā)生交通事故。 信號燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制，對于疏導(dǎo)交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。 1968 年，聯(lián)合國《道路交通和道路 標(biāo)志信號協(xié)定》對各種信號燈的含義作了規(guī)定。綠燈是通行信號，面對綠燈的車輛可以直行，左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎，除非另一種標(biāo)志禁止某一種轉(zhuǎn)向。左右轉(zhuǎn)彎車輛都必須讓合法地正在路口內(nèi)行駛的車輛和過人行橫道的行人優(yōu)先通行。紅燈是禁行信號，面對紅燈的車輛必須在交叉路口的停車線后停車。黃燈是警告信號，面對黃燈的車輛不能越過停車線，但車輛已十分接近停車線而不能安全停車時可以進(jìn)入交叉路口。 本設(shè)計(jì)的主要思想是應(yīng)用單片機(jī)最小系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡易交通燈的設(shè)計(jì)，可利用單片機(jī)的定時器產(chǎn)生秒信號，控制十字路口的紅綠黃燈交替點(diǎn)亮和熄滅，并且用 4只數(shù)碼管顯 示十字路口兩個方向的剩余時間。并能用按鍵設(shè)置兩個方向的通行時河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 6 頁 共 58 頁 間（綠燈點(diǎn)亮的時間）和暫緩?fù)ㄐ袝r間（黃燈點(diǎn)亮的時間），系統(tǒng)的工作符合一般交通燈控制要求。 本設(shè)計(jì)的背景是當(dāng)前全國大中城市普遍存在著道路擁擠、車輛堵塞、交通秩序混亂的現(xiàn)象，如何解決城市交通問題已成為全社會關(guān)注的焦點(diǎn)和大眾的迫切呼聲。城市交通路口實(shí)現(xiàn)交通信號控制是城市交通管理現(xiàn)代化的基本標(biāo)志之一，是提高交通管理效能的重要技術(shù)手段。紅綠燈控制器是控制交叉路口交通信號的設(shè) 備，它是交通信號控制的重要組成部分。各種交通控制方案，最終都要由紅綠燈控制器來實(shí)現(xiàn)。 本設(shè)計(jì)的適用范圍是適用于城市交通燈的實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)的適用范圍是沒有考慮人行道的紅綠燈設(shè)計(jì)，也沒有考慮機(jī)動車輛拐向的紅綠燈設(shè)計(jì)，只考慮了機(jī)動車輛行駛的紅綠燈設(shè)計(jì)，而且通行時間和暫緩?fù)ㄐ袝r間的范圍都是兩位數(shù)。 本課題的研究意義是應(yīng)用單片機(jī)來控制交通燈 , 使交通燈在控制中靈活而有效。本設(shè)計(jì)將程序結(jié)構(gòu)模塊化處理，使程序的可讀性、可維護(hù)性和可移植性都得到進(jìn)一步的提高。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，操作方便；可實(shí)現(xiàn)自動控制；對優(yōu)化城市交通具有一定的意義 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 7 頁 共 58 頁 二、設(shè)計(jì)論證方案 主控芯片選擇 使用以 8031 單片機(jī)芯片， 51 系列單片 機(jī)芯片的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)完整、特殊功能寄存器的規(guī)范化以及指令系統(tǒng)的控制功能出眾，含有 32 個 I/O 口，適合需要多端口控制的系統(tǒng) ,設(shè)計(jì)時無需另接程序存儲器，為設(shè)計(jì)和調(diào)試帶來極大的方便。 電源模塊選擇方案 采用變壓器控制模塊提供電源，將 220V 的電壓轉(zhuǎn)換為 12V 的低電壓，經(jīng)過電容濾波后再經(jīng)過 LM7805 穩(wěn)壓得到 5V 的直流電供系統(tǒng)工作，該方案的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡明扼要，節(jié)約成本。 顯示模塊選擇方案 采用 LED 數(shù)碼管，用 4 個 LED 數(shù)碼管，數(shù)碼管原理簡單，價格低廉、性能可靠、操作簡單，但功耗大。 南北向和東西向各采 用 2 個數(shù)碼管計(jì)時，對該方向的指示燈的點(diǎn)亮?xí)r間進(jìn)行倒計(jì)時，最長計(jì)時范圍為 99 秒。設(shè)計(jì)時可利用單片機(jī)的 P1 口和 ~ 作為字段和片選信號輸出，經(jīng)驅(qū)動芯片后驅(qū)動數(shù)碼管顯示倒計(jì)時時間，數(shù)碼管采用動態(tài)掃描方式顯示。 數(shù)碼管顯示模塊選擇方案 數(shù)碼管顯示直接使用單片機(jī) I/O 口輸出，該方案的優(yōu)點(diǎn)是硬件方便實(shí)現(xiàn)，電路簡單；缺點(diǎn)是顯示數(shù)碼管需要較多的引腳數(shù)碼管段選需要 8 個引腳，位選需要4 個引腳，所以顯示數(shù)碼管共需要 12 個引腳。 鍵盤接口模塊選擇方案 直接在單片機(jī)的 I/O 口線上接上按鍵開關(guān)。使用 3 個獨(dú)立 按鍵，分別設(shè)置鍵、增加鍵和減少鍵，設(shè)置鍵選擇方向和指示燈，增加鍵增加指示燈亮的時間，減少河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 8 頁 共 58 頁 鍵減少指示燈亮的時間。 本方案的優(yōu)點(diǎn)是按鍵少，單片機(jī)不需要擴(kuò)展接口，系統(tǒng)復(fù)雜性比較低，硬件和軟件處理起來都比較容易。 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 9 頁 共 58 頁 三、調(diào)試及仿真 調(diào)試軟件 —— Keil 簡介 Keil C51 是美國 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容單片機(jī) C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比， C 語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢。 Keil C51 軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows 界面 。 Keil 提供了包括 C 編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個開發(fā)流程。然后分別由 C51 及 A51 編譯器編譯生成目標(biāo)文件 (.OBJ)。目標(biāo)文件可由 LIB51 創(chuàng)建生成庫文件，也可以與庫文件一起經(jīng) L51 連接定位生成絕對目標(biāo)文件 (.ABS)。 ABS 文件由 OH51 轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的 Hex 文件，以供調(diào)試器 dScope51 或 tScope51 使用進(jìn)行源代碼級調(diào)試，也可由仿真器使用直接對目標(biāo)板進(jìn)行調(diào)試，也可以直接寫入程序存貯器如 EPROM 中。通過一個集 成開發(fā)環(huán)境（ uVision）將這些部份組合在一起。 硬件仿真簡介 Proteus ISIS 是英國 Labcenter 公司開發(fā)的電路分析與實(shí)物仿真軟件。它運(yùn)行于 Windows 操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析 (SPICE)各種模擬器件和集成電路，該軟件的特點(diǎn)是：①實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)仿真和 SPICE 電路仿真相結(jié)合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、 RS232 動態(tài)仿真、I2C 調(diào)試器、 SPI 調(diào)試器、鍵盤和 LCD 系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等。②支持主流單 片機(jī)系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機(jī)類型有： 68000 系列、 8051 系列、 AVR 系列、 PIC12 系列、 PIC16 系列、PIC18 系列、 Z80 系列、 HC11 系列以及各種外圍芯片。③提供軟件調(diào)試功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點(diǎn)等調(diào)試功能，同時可以觀察各個變量、寄存器等的當(dāng)前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng)中，也必須具有這些功能；同時支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如 Keil C51 uVision2 等軟件。④具有強(qiáng)大河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 10 頁 共 58 頁 的原理圖繪制功能。 Proteus 能很好的對硬件電路進(jìn)行仿真測試，采用 Proteus 仿真軟 件進(jìn)行虛擬單片機(jī)實(shí)驗(yàn)，具有比較明顯的優(yōu)勢，涉及到的實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)內(nèi)容全面、硬件投入少、實(shí)驗(yàn)過程中損耗小、與工程實(shí)踐最為接近等。 總之，該軟件是一款集單片機(jī)和 SPICE 分析于一身的仿真軟件，功能極其強(qiáng)大。 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 11 頁 共 58 頁 四、課題描述與分析 設(shè)計(jì)要求 利用利用 8031 單片機(jī)編制一個十字路口的交通燈控制系統(tǒng)，其特點(diǎn)是：道路較窄而車輛通行較多，支線、干線的車輛通行時間不等，并設(shè)有左右彎道通行時間，允許人工監(jiān)控或修改各線通行時間，同時設(shè)有道路應(yīng)急控制。具體的情況是：在正常的情況下，干道通行時間為 40 秒，其中左右彎道占時 5 秒，直 道通行時間為 25 秒，其中左右彎道占時 5 秒，直道占時 20 秒。并且能夠在人工監(jiān)控狀態(tài)下，干道、支道通行時間通過鍵盤修改或通過開關(guān)人為控制。 十字交叉路口的交通燈控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖一所示： 圖一 十字交叉路口的交通燈控制系統(tǒng) 往南和往北的信號一致，即紅燈（綠燈或黃燈）同時亮或同時熄滅。用兩個數(shù)碼管來顯示被點(diǎn)亮的指示燈還將點(diǎn)亮多久。 南 北 東 西 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 12 頁 共 58 頁 往東和往西方向的信號一致，其工作方式與南北方向一樣，也采用兩個數(shù)碼管來倒計(jì)時。當(dāng)南北方向?yàn)榫G燈和黃燈時，東西向的紅燈點(diǎn)亮禁止通行；而東西方向?yàn)榫G燈 和黃燈時，南北向的紅燈點(diǎn)亮禁止通行。 假設(shè)南北方向?yàn)橹鞲傻溃ㄐ袝r間為 40 秒，東西方向是次干道，通行時間為 25 秒，黃燈點(diǎn)亮的時間均為 3 秒。 假設(shè)南北方向?yàn)橹鞲傻?，通行時間（即綠燈亮的時間）為 40 秒，東西方向是次干道，通行時間為 25 秒，暫緩?fù)ㄐ袝r間（即黃燈點(diǎn)亮的時間）均為 3 秒，則其工作方式如表 1 所示循環(huán)點(diǎn)亮信號燈 表 1 交通信號燈工作模式 南北方向 綠燈亮 40 秒 黃燈亮 3 秒 紅燈亮 28 秒 東西方向 紅燈亮 43 秒 綠燈亮 25 秒 黃燈亮 3 秒 主干道和次干道的通 行時間及黃燈點(diǎn)亮的時間可以手動設(shè)置；在沒有手動設(shè)置通行時間時，系統(tǒng)自動按表 1 的模式進(jìn)行工作 。 系統(tǒng)工作流程 接通電源時或系統(tǒng)復(fù)位后，系統(tǒng)按程序給定的時間工作，即南北向通行 40秒，東西向通行 25 秒，黃燈亮 3 秒。首先南北向通行，然后東西向通行，如此循環(huán)。 通行時間的設(shè)置：當(dāng)需要更改主、次干道的通行時間時，可以用“設(shè)置鍵、增加鍵、減少鍵”進(jìn)行設(shè)置。 第一次按“設(shè)置鍵”時，南北向的綠燈亮，南北向的數(shù)碼管顯示當(dāng)前南北向的通行時間，并且按每秒 3 次的頻率閃爍 (每秒鐘亮 3 次暗 3 次 )，其余的信號指示燈和東西向的數(shù)碼管 熄滅，此時可以用“增加鍵”和“減少鍵”來改變南北向的通行時間。按一次“增加鍵”或“減少鍵”，數(shù)碼管的顯示時間增加 1 秒或減小 1 秒，長按“增加鍵”或“減少鍵”（按下的時間超過 1 秒鐘以上），則數(shù)碼管河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 13 頁 共 58 頁 顯示的時間按每秒鐘增加或減少 10 的速度快速變化。 第二次按“設(shè)置鍵”時，南北向的黃燈亮，南北向的數(shù)碼管顯示當(dāng)前南北向黃燈的點(diǎn)亮?xí)r間，并且按每秒 3 次的頻率閃爍（每秒鐘亮 3 次暗 3 次），其余的信號指示燈和東西向的數(shù)碼管熄滅，此時可以用“增加鍵”和“減少鍵”來改變南北向黃燈的點(diǎn)亮?xí)r間。 第三次按“設(shè)置鍵”時，東西向的綠燈亮 ，東西向的數(shù)碼管顯示當(dāng)前東西向的通行時間，并且按每秒 3 次的頻率閃爍，此時可以用“增加鍵”和“減少鍵”來改變東西向的通行時間。 第四次按“設(shè)置鍵”時，東西向的黃燈亮，東西向的數(shù)碼管顯示當(dāng)前東西向黃燈的點(diǎn)亮?xí)r間，并且按每秒 3 次的頻率閃爍，此時可以用“增加鍵”和“減少鍵”來改變東西向黃燈的點(diǎn)亮?xí)r間。 第五次按“設(shè)置鍵”時，系統(tǒng)退出設(shè)置狀態(tài)，回到交通信號燈狀態(tài)，并且南北向先通行，東西向后通行。 表 2 設(shè)置鍵的功能 按“設(shè)置鍵”的次數(shù) 第一次 第二次 第三次 第四次 第五次 調(diào)整內(nèi)容 南北方向綠燈點(diǎn)亮?xí)r間 南北 方向黃燈點(diǎn)亮?xí)r間 東西方向綠燈點(diǎn)亮?xí)r間 東西方向黃燈點(diǎn)亮?xí)r間 回復(fù)交通燈工作狀態(tài) 調(diào)整范圍 0— 99 秒 0— 9 秒 0— 99 秒 0— 9 秒 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 14 頁 共 58 頁 五、課題設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的整體框圖由 8031 構(gòu)成主控芯片，主要是實(shí)現(xiàn)各個功能模塊之間功能交互。本系統(tǒng)包括電源模塊、時鐘、復(fù)位電路模塊，程序下載模塊，鍵盤接口模塊，數(shù)碼管和 LED 發(fā)光二極管顯示模塊。 程序下載模塊由串口和 MAX232 芯片組成；鍵盤接口模塊用于設(shè)置各個方向指示燈的點(diǎn)亮?xí)r間；數(shù)碼管顯示模塊用來顯示被點(diǎn)亮的指示燈還將點(diǎn)亮多久；LED 發(fā)光二極管 模塊用于指示該方向的 3 種狀態(tài)：通行（綠燈亮）、暫緩?fù)ㄐ校S燈亮）和禁止通行（紅燈亮）； 220V 交流電轉(zhuǎn) 5V 直流電線性穩(wěn)壓電源構(gòu)成電源模塊。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖二所示： 圖二 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 紅綠燈控制器的總體的設(shè)計(jì)如圖三所示 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 15 頁 共 58 頁 圖三 紅綠燈控制總體設(shè)計(jì)圖（可能看不清楚沒關(guān)系后面會分解出來） 從圖三可以看出整個設(shè)計(jì)圖。首先由 220V 交流電轉(zhuǎn) 5V 直流電線性穩(wěn)壓電源模塊得到穩(wěn)定的 5V 直流電源，提供了模塊間工作供電所需，然后由STC12C5410AD 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊來控制紅綠 黃發(fā)光二極管組合模塊與 LED數(shù)碼管動態(tài)顯示模塊的聯(lián)合動態(tài)顯示，最后可以通過東西南北要道通行時間按鍵設(shè)置模塊來隨意設(shè)置交通干道的通行暫停時間。 硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī)最小系統(tǒng) 外加時鐘和復(fù)位電路 ,電路結(jié)構(gòu)簡單 ,抗干擾能力強(qiáng)。時鐘電路在單片機(jī)的外部通過 XTAL1,XTAL2 這兩個引腳跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容 ,構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器 .本系統(tǒng)采用的為 的晶振，微調(diào)電容為 20pF。 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 16 頁 共 58 頁 單