【正文】 在交通燈系統(tǒng)中的應(yīng)用，對(duì)分時(shí)管理系統(tǒng)的C語(yǔ)言算法進(jìn)行開發(fā)。舉一反三，延伸到其他類似領(lǐng)域的應(yīng)用。(c). 探究全新的交通燈管理系統(tǒng)；(d). 建立不間斷電源在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域的具體模型和電路結(jié)構(gòu)。2 課題內(nèi)容本課題的主要內(nèi)容包括如下幾個(gè)方面：(a). 設(shè)計(jì)交通燈狀態(tài)的管理方案；(b). 設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)和周邊電路；(c). 設(shè)計(jì)交通燈系統(tǒng)、不間斷供電系統(tǒng)以及中斷系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)；(d). 設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)的電路分布和接線；(d). 使用C語(yǔ)言編寫整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行所需要的程序，重點(diǎn)是分時(shí)管理系統(tǒng)和緊急中斷系統(tǒng)的程序。3 方案比較、設(shè)計(jì)和論證 供電方案為使模塊穩(wěn)定工作，須有可靠電源。本設(shè)計(jì)考慮了兩種電源方案：方案一：采用獨(dú)立的穩(wěn)壓電源。此方案的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定可靠，且有各種成熟電路可供選用；缺點(diǎn)是各模塊都采用獨(dú)立電源，會(huì)使系統(tǒng)復(fù)雜，且可能影響電路電平。方案二：采用單片機(jī)控制模塊提供電源。本方案的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)明扼要，節(jié)約成本；缺點(diǎn)是輸出功率不高?？紤]到實(shí)際情況和電路的簡(jiǎn)潔，本設(shè)計(jì)采用了第二套方案，同時(shí)在考慮到突發(fā)斷電的情況，還增加了一個(gè)后備電源，在打開后備電源的時(shí)候，如果主電源斷電，后備電源瞬間接通繼續(xù)供電，這里會(huì)利用到二極管的單向?qū)щ娦浴?顯示界面方案本設(shè)計(jì)涉及到倒計(jì)時(shí)、狀態(tài)燈等功能?；诠δ苄枨螅驹O(shè)計(jì)考慮如下三個(gè)方案：方案一：完全采用數(shù)碼管顯示。這種方案只顯示有限的符號(hào)和數(shù)碼字符，無(wú)法勝任功能需求。方案二：完全采用點(diǎn)陣式LED 顯示。這種方案實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，且須完成大量的軟件工作；但功能強(qiáng)大，可方便的顯示各種英文字符，漢字，圖形等。方案三：采用數(shù)碼管與點(diǎn)陣LED 相結(jié)合的方法因?yàn)樵O(shè)計(jì)既要求倒計(jì)時(shí)數(shù)字輸出，又要求有狀態(tài)燈輸出等，為方便觀看并考慮到現(xiàn)實(shí)情況，用數(shù)碼管與LED燈分別顯示時(shí)間與提示信息。這種方案既滿足系統(tǒng)功能要求，又減少了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。 輸入方案考慮到緊急情況和具體現(xiàn)場(chǎng)的情況，本設(shè)計(jì)考慮兩種方案：方案一：采用8155擴(kuò)展I/O 口及鍵盤，顯示等。該方案的優(yōu)點(diǎn)是：使用靈活可編程，并且有RAM,及計(jì)數(shù)器。若用該方案，可提供較多I/O 口,但操作起來(lái)稍顯復(fù)雜。方案二： 直接在I/O口線上接上按鍵開關(guān)。該方案優(yōu)點(diǎn)是：編程更加簡(jiǎn)潔，使用更加簡(jiǎn)單，且成本更低。缺點(diǎn)就是功能有限綜合考慮本設(shè)計(jì)的實(shí)際需要，在使用輸入的時(shí)候不需要過于復(fù)雜的功能，故采用方案二。4 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 交通燈規(guī)則方案本設(shè)計(jì)的交通燈以十字路口為模型，在實(shí)現(xiàn)基本的功能前提下增加了高低峰分時(shí)管理機(jī)制和人工干預(yù)機(jī)制。 相位的概念為保證交通系統(tǒng)的嚴(yán)謹(jǐn)性和公平性，本設(shè)計(jì)規(guī)定“相位”概念。相位的定義如下：在單個(gè)十字路口，整個(gè)狀態(tài)周期每個(gè)綠燈亮起的時(shí)間為一個(gè)固定值。相位的意義在于在一個(gè)循環(huán)狀態(tài)周期內(nèi)，根據(jù)每個(gè)路口車流量大小可以分配適時(shí)適當(dāng)?shù)木G燈時(shí)間以保證時(shí)間的充分利用，保證車流大的干道可以通過足夠多的車輛，車流小的干道不用浪費(fèi)時(shí)間。從總體上提升系統(tǒng)的效率。 交通燈狀態(tài) 為方便說明交通燈狀態(tài)，交通燈系統(tǒng)的示意圖如圖2所示。如圖2，交通道路系統(tǒng)是由常見的雙車道加人行道組成，由南向北行駛的車輛所看的交通燈是北路口的車行道交通燈，由北向南的車輛所看的交通燈是南路口的車行道交通燈，由西向東行駛的車輛所看的交通燈是東路口的車行道交通燈，由東向西行駛的車輛所看的交通燈是西路口的車行道交通燈。現(xiàn)規(guī)定如下狀態(tài)：S1：南北方向車輛通行，東西方向、南左轉(zhuǎn)到西、北左轉(zhuǎn)到東、西左轉(zhuǎn)北、東左轉(zhuǎn)南禁行，東西方向人行道通行、南北方向人行道禁行。S1狀態(tài)如圖3所示。圖2 交通燈示意圖圖3 S1狀態(tài)示意圖S2：東西方向車輛通行，南北方向、南左轉(zhuǎn)到西、北左轉(zhuǎn)到東、西左轉(zhuǎn)北、東左轉(zhuǎn)南禁行，南北方向人行道通行、東西方向人行道禁行。S2狀態(tài)如圖4所示。S3：南左轉(zhuǎn)西、北左轉(zhuǎn)東車輛通行，南北方向、東西方向、西左轉(zhuǎn)北、東左轉(zhuǎn)南車輛禁行，南北方向、東西方向人行道禁行。S3狀態(tài)如圖5所示。S4：西左轉(zhuǎn)北、東左轉(zhuǎn)南車輛通行，南北方向、東西方向、南左轉(zhuǎn)西、北左轉(zhuǎn)東車輛禁行，南北方向、東西方向人行道禁行。S4狀態(tài)如圖6所示。圖4 S2狀態(tài)示意圖圖5 S3狀態(tài)示意圖S5：全紅燈，緊急事件狀態(tài)。S5狀態(tài)如圖7所示。 高低峰分時(shí)管理機(jī)制本設(shè)計(jì)為提升交通燈系統(tǒng)效率，設(shè)置了高低峰分時(shí)管理機(jī)制。高低峰分時(shí)定義如下：高峰時(shí)段：8點(diǎn)到10點(diǎn)，一般為上班上學(xué)出行的高峰期，18點(diǎn)到20點(diǎn)，一般為下班放學(xué)出行高峰期，此時(shí)主干道車流量高于次干道的車流量；圖6 S4狀態(tài)示意圖圖7 S5狀態(tài)示意圖 低峰時(shí)段：除高峰時(shí)段的其他時(shí)段。在高峰時(shí)段，采取增加主干道綠燈通行時(shí)間，減少次干道綠燈通行時(shí)間以最大限度的通過車輛。在低峰時(shí)段，采取減少主干道綠燈通行時(shí)間，增加次干道綠燈通行時(shí)間以平衡通過車輛。高低峰時(shí)段狀態(tài)如表1所示。表1 高低峰時(shí)段狀態(tài)表S1S2S3S4低峰時(shí)段高峰時(shí)段南北向車行道綠燈時(shí)長(zhǎng)20s南北向車行道綠燈時(shí)長(zhǎng)25s東西向車行道綠燈時(shí)長(zhǎng)15s東西向車行道綠燈時(shí)長(zhǎng)10s南左轉(zhuǎn)西，北轉(zhuǎn)東綠燈時(shí)長(zhǎng)10s南左轉(zhuǎn)西，北轉(zhuǎn)東綠燈時(shí)長(zhǎng)10s東左轉(zhuǎn)南，西左轉(zhuǎn)北綠燈時(shí)長(zhǎng)10s東左轉(zhuǎn)南，西左轉(zhuǎn)北綠燈時(shí)長(zhǎng)10s在高低峰兩個(gè)時(shí)段中，全部車行道綠燈的總和都為55秒，即相位都為55s。在發(fā)生突發(fā)事件的時(shí)候啟動(dòng)緊急狀態(tài)S5，全部紅燈亮。這種狀態(tài)主要適用于例如救護(hù)車，軍車執(zhí)行任務(wù)時(shí)候使用。狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖8所示。圖8 狀態(tài)轉(zhuǎn)化圖 軟件設(shè)計(jì)在本次設(shè)計(jì)中，采用了C語(yǔ)言作為程序編程的語(yǔ)言。相較于C語(yǔ)言，匯編語(yǔ)言的機(jī)器代碼生成效率很高但可讀性卻并不強(qiáng)，復(fù)雜一點(diǎn)的程序就更是難讀懂，而C 語(yǔ)言在大多數(shù)情況下其機(jī)器代碼生成效率和匯編語(yǔ)言相當(dāng)，但可讀性和可移植性卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過匯編語(yǔ)言，而且C 語(yǔ)言還可以嵌入?yún)R編來(lái)解決高時(shí)效性的代碼編寫問題。對(duì)于開發(fā)周期來(lái)說，中大型的軟件編寫用C 語(yǔ)言的開發(fā)周期通常要小于匯編語(yǔ)言很多。綜合以上C 語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)在編程的時(shí)候選擇了C 語(yǔ)言。本設(shè)計(jì)在編程環(huán)境上也選擇了Keil μVision 。這款軟件支持眾多不同公司的MCS51架構(gòu)芯片，它集編輯、編譯、仿真為一體，同時(shí)還支持PLM、匯編和C語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì)，界面友好、簡(jiǎn)單易學(xué)，在調(diào)試程序。軟件仿真方面都有很強(qiáng)大的功能。在初期的軟件調(diào)試階段，Keil μVision會(huì)提供非常便利的環(huán)境。在沒有突發(fā)事件按鈕和高低峰切換按鈕都沒有按下時(shí)交通燈的執(zhí)行預(yù)定方案。預(yù)定程序執(zhí)行方案流程圖如圖9。根據(jù)本設(shè)計(jì)交通燈的模型和實(shí)現(xiàn)的功能，程序流程圖如圖10所示。圖9 預(yù)定程序執(zhí)行方案流程圖 硬件設(shè)計(jì)部分根據(jù)本設(shè)計(jì)交通燈的模型和實(shí)現(xiàn)的功能，硬件部分可以分為以下兩個(gè)大的系統(tǒng)：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)、交通燈演示系統(tǒng)、雙電源供電系統(tǒng)、中斷系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)的硬件架構(gòu)圖如圖11。 單片機(jī)系統(tǒng)本設(shè)計(jì)單片機(jī)主要是用于控制交通燈的演示系統(tǒng)，故只需要單片機(jī)最小系統(tǒng)即可完成。單片機(jī)的最小系統(tǒng)是指能夠驅(qū)動(dòng)單片機(jī)工作的最小電路。此電路由單片機(jī)、時(shí)鐘電路、電源、復(fù)位電路4個(gè)組成部分組成。圖12為單片機(jī)最小電路的電路圖。其中，復(fù)位電路如圖13。單片機(jī)復(fù)位電路原理是在單片機(jī)的復(fù)位引腳rst 上外接電阻和電容,實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位，而復(fù)位時(shí)間是(時(shí)鐘周期=12振蕩周期,振蕩周期=1/f)，這個(gè)時(shí)間只能大不能小，具體數(shù)值可以由rc電路計(jì)算出時(shí)間常數(shù)。圖10 主程序流程圖圖11 系統(tǒng)總架構(gòu)圖圖12 STC89C52最小系統(tǒng)圖圖13 復(fù)位電路圖單片機(jī)復(fù)位后各寄存器的狀態(tài):A＝00H，表明累加器已被清零； PSW＝00H，表明選寄存器0組為工作寄存器組；SP＝07H，表明堆棧指針指向片內(nèi)RAM 07H字節(jié)單元，根據(jù)堆棧操作的先加后壓法則，第一個(gè)被壓入的內(nèi)容寫入到08H單元中；PoP3＝FFH，表明已向各端口線寫入1，此時(shí)，各端口既可用于輸入又可用于輸出；IP＝00000B，表明各個(gè)中斷源處于低優(yōu)先級(jí)；IE＝000000B，表明各個(gè)中斷均被關(guān)斷；時(shí)鐘電路如圖14所示。時(shí)鐘電路中最為重要的就是晶振，晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。晶振用一種能把電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的晶體在共振的狀態(tài)下工作，以提供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對(duì)精度可達(dá)百萬(wàn)分之五十。高級(jí)的精度更高。圖14 時(shí)鐘電路圖通常一個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)晶振，便于各部分保持同步。晶振結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部的電路，產(chǎn)生單片機(jī)所必須的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)的一切指令的執(zhí)行都是建立在這個(gè)基礎(chǔ)上的，晶振的提供的時(shí)鐘頻率越高，那單片機(jī)的運(yùn)行速度也就越快。 交通燈演示系統(tǒng)根據(jù)功能，交通燈的演示系統(tǒng)從功能上則分為：倒計(jì)時(shí)電路、紅綠燈功能電路。交通燈演示系統(tǒng)電路圖如圖15所示。倒計(jì)時(shí)電路主要是由雙位共陰數(shù)碼管和74HC573N驅(qū)動(dòng)模塊組成，控制信號(hào)通過單片機(jī)的端口P1口進(jìn)行信號(hào)的傳輸。倒計(jì)時(shí)電路負(fù)責(zé)的是顯示紅綠燈持續(xù)顯示的時(shí)間。當(dāng)綠燈或者紅燈持續(xù)顯示時(shí)，數(shù)碼管顯示該狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間，在黃燈閃爍顯示時(shí)，起到倒計(jì)時(shí)秒數(shù)的作用。紅綠燈功能電路主要是由各色的發(fā)光二極管和74HC573N驅(qū)動(dòng)模塊組成，控制信號(hào)跟數(shù)碼管一樣都是通過P1口進(jìn)行傳輸。紅綠燈電路負(fù)責(zé)的是各個(gè)車行道和人行道通行狀態(tài)的顯示。 雙電源供電電路供電電路由主電源和備用電源組成。主電源主要是由變壓器、6A整流橋、2顆1000μF電容以及7805三端穩(wěn)壓管組成。這個(gè)部分為系統(tǒng)提供主要的供電，輸出電壓為5V直流。備用電源主要是由4位的5號(hào)電池盒組成。這個(gè)部分在主電源斷電時(shí)能夠幾乎瞬時(shí)的為系統(tǒng)提供電源，輸出電壓也是6V直流。該電源直接接到單片機(jī)的電源端。圖15 交通燈演示系統(tǒng)電路圖備用電源存在的意義就在于，如果主電源一旦斷電的話能夠及時(shí)的提供系統(tǒng)所需要的電力，以保證整個(gè)系統(tǒng)在主電源斷電的時(shí)間內(nèi)依然能夠正常的工作。在實(shí)際的應(yīng)用過程中，備用電源可以根據(jù)需要設(shè)置一個(gè)合適的容量，本設(shè)計(jì)出于演示的需要就只提供了4顆5號(hào)電池為載體的備用電源。主電源和備用電源的切換功能電路如圖16所示。該切換電路的原理是根據(jù)二極管的單向?qū)щ娦浴?