【正文】 ................................. 14 5 結(jié)語 ....................................................................................................................................... 16 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 17 致謝 ............................................................................................................................................ 18 附錄 ............................................................................................................................................ 19 附錄 A 單片機(jī)和原理圖 .................................................................................................... 19 附錄 B 設(shè)計 源程序 ............................................................................................................ 20 1 1. 引 言 隨著社會的發(fā)展，城市化的速度加快，機(jī)動車的數(shù)量不斷擴(kuò)增。機(jī)動車帶來了巨大的財富和方便了人們的生活。但是由于車輛越來越多，導(dǎo)致交通擁擠、阻塞和交通事故頻發(fā)。國內(nèi)外城市的交通阻塞都是發(fā)生在交叉道口，交叉道口作為變換行駛方向的重要樞紐，一旦在交叉道口發(fā)生交通事故，各個方向的車輛的行駛都會受到影響。全國一年因交通擁堵造成的損失約 1700 億元，并逐年上升；美國因交通堵塞，平均每年造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá) 631 億美元；英國倫敦每周為此 浪費(fèi)的生產(chǎn)力價值高達(dá) 290 萬美元，中國香港每年由此造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá) 3 億多美元。在這樣的情況下，如果沒有一些措施來引導(dǎo)交通，那么城市交通必然影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市功能的正常發(fā)揮。在有限的道路條件下，提高交通控制，合理使用現(xiàn)有的交通設(shè)施，充分發(fā)揮其能力，是解決交通問題的有效措施之一 [1]。 研究背景 早在 1850 年，城市交叉口處不斷增長的交通就引發(fā)了人們對安全和擁堵的關(guān)注。世界上第一臺交通自動信號燈的誕生，拉開了城市交通控制的序幕， 1868 年，英國工程師納伊特在倫敦威斯特敏斯特街口安裝了一臺紅綠兩色的煤氣照明燈， 用來控制交叉路口馬車的通行，但一次煤氣爆炸事故致使這種交通信號燈幾乎銷聲匿跡了近半個世紀(jì)。 1914年及稍晚一些時候，美國的克利夫蘭、紐約和芝加哥才重新出現(xiàn)了交通信號燈，它們采用電力驅(qū)動，與現(xiàn)在意義上的信號燈已經(jīng)相差無幾。 1926 年英國人第一次安裝和使用自動化的控制器來控制交通信號燈，這是城市交通自動控制的起點(diǎn) [2]。 研究的目的與意義 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通問題越來越受到人們的重視。怎樣才能做到人、車、道路三者的協(xié)調(diào)，保障人們安全和減少經(jīng)濟(jì)損失，是個不得不提的問題。交通燈作為交通控制系統(tǒng)重要的一部分，在疏導(dǎo)交 通緩解交通擁堵上發(fā)揮著無可替代的作用。因此，研究基于城市交通燈控制系統(tǒng)具有相當(dāng)高的學(xué)術(shù)價值和實(shí)用價值，從長遠(yuǎn)來看該研究具有巨大的現(xiàn)實(shí)意義。 2 國內(nèi)研究狀況 我國最早的交通燈于 1928 年出現(xiàn)在上海的英租界。經(jīng)過近 85 年時間的發(fā)展，現(xiàn)在我國的交通燈基本上都是自動控制的。就最新的狀況而言，國內(nèi)最新的智能交通軟件在向著多功能多元化的方向發(fā)展，一些軟件提供廠商都會提供一整套解決方案。簡單的拿闖紅燈系統(tǒng)來說：目前需求不單單僅限于只抓拍闖紅燈的違法行為，還需要兼顧治安卡口，錄像，壓線，逆行，不按道行駛，異常停車等集中一體 。但是，很多地方的交通燈仍不夠穩(wěn)定、安全可靠，放行和禁行時間設(shè)置不夠合理。比如說車流量大和車流量小的方向時間分配不合理，其中一方向紅燈時另一方向的道路車輛幾乎沒有了，導(dǎo)致塞車，造成不必要的損失。在設(shè)計交通燈過程中，我們應(yīng)該綜合考慮各方面的因素，才能設(shè)計出合理科學(xué)的交通燈，從而提高經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。 國外研究狀況 自 1868年英國工程師納伊特在倫敦威斯特敏斯特街口安裝了一臺紅綠兩色的煤氣照明燈，標(biāo)志著交通控制的開始。之后雖然經(jīng)過不少波折，交通燈還是應(yīng)需發(fā)展起來。進(jìn)入 20 世紀(jì) 70 年代，隨著計算機(jī)技術(shù)和自動控制 技術(shù)的發(fā)展，以及交通流理論的不斷完善，交通運(yùn)輸組織與優(yōu)化理論和技術(shù)水平不斷提高，控制手段越來越先進(jìn)，形成了一批商水平有實(shí)效的城市道路交通控制系統(tǒng)。早在 1977 年， Pappis 等人就將模糊控制運(yùn)用到交通控制上，通過建立規(guī)則庫或是專家系統(tǒng)對各種交通狀況進(jìn)行模糊控制，并取得了很好的效果。近年來，歐美日本等相繼建立了智能交通控制系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中，大部分都在路口附近安裝磁性環(huán)路檢測器，還使用了新型檢測器等技術(shù)和設(shè)備。這些現(xiàn)代化設(shè)備技術(shù)加上控制理論和現(xiàn)代化科學(xué)管理技術(shù)，使得交通控制系統(tǒng)日益完善。隨著一些研究控制理論的 學(xué)者投身到交通控制的研究中，在交通信號控制領(lǐng)域提出了一些新方法、新思路。如靜態(tài)多段配時控制、準(zhǔn)動態(tài)多段配時控制、最優(yōu)控制、大系統(tǒng)遞階控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，網(wǎng)絡(luò)路由控制等。模糊交通控制已經(jīng)成為了交通信號控制的主流方向之一。國內(nèi)外很多學(xué)者都進(jìn)行了此類研究。利用模糊控制智能控制技術(shù)進(jìn)行交叉口信號燈控制能取得比定時控制與感應(yīng)控制更好的效果，是今后單交叉路口信號燈控制的主要研究方向 [3]。 3 2. 城市交通燈控制系統(tǒng)總體介紹 系統(tǒng)總體方案 目前設(shè)計交通燈控制系統(tǒng)的方案有很多，有應(yīng)用 CPLD 實(shí)現(xiàn)交通信號燈控制的設(shè)計 ，有應(yīng)用 PLC 實(shí)現(xiàn)對交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計，有應(yīng)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對交通信號燈控制設(shè)計。由于 STC89C516RD+小巧靈活，編程容易，成本低，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求的一切功能，因此本文采用單片機(jī) STC89C51RD6+為控制器設(shè)計交通燈 [4]。 上位機(jī)部分選擇 其中系統(tǒng)采用現(xiàn)在已經(jīng)非常普遍的 PC 機(jī)作為上位機(jī)，這樣對該顯示系統(tǒng)的硬件要求便降低了，增加了系統(tǒng)的通用性。上位機(jī)的作用是存儲并處理顯示內(nèi)容，然后通過通信系統(tǒng)傳送到控制系統(tǒng)驅(qū)動顯示。 LED 顯示上位機(jī)的內(nèi)容一般有實(shí)時顯示和存儲顯示兩種方法。實(shí)時顯示及上位機(jī) 屏幕上的內(nèi)容同時顯示在 LED 顯示屏上，上位機(jī)上內(nèi)容變化 LED 顯示屏也跟著變化。存儲顯示是將顯示內(nèi)容處理過后存儲在上位機(jī)中通過通信系統(tǒng)傳輸?shù)斤@示屏顯示 [9]。兩種顯示方法相比較：實(shí)時顯示屏幕能及時反應(yīng)上位機(jī)內(nèi)容的變化，顯示的效果和內(nèi)容的實(shí)時性好多用于新聞播報、實(shí)況轉(zhuǎn)播用，但實(shí)時顯示硬件開銷大，對通信系統(tǒng)要求高，工藝復(fù)雜，成本高；存儲顯示雖實(shí)時性不高但硬件開銷小，成本低廉。課題設(shè)計題目對顯示的實(shí)時性要求較低且所設(shè)計的顯示屏尺寸不大同時顯示的內(nèi)容不多，所以實(shí)時顯示就沒有必要。所以上位機(jī)選擇存儲顯示的方法，控制 LED 顯示屏的顯示內(nèi)容。 通信部分方案選擇 通信部分要滿足的設(shè)計要求就是穩(wěn)定、快速、簡單易實(shí)現(xiàn)。因?yàn)橥ǔＧ闆r下顯示屏和上位機(jī)的距離不會很遠(yuǎn)，所以通信距離的要求不是很高。 ISP（ InSystem Programming）在系統(tǒng)編程，通過下載電纜直接對安裝在用戶目標(biāo)板上的器件編程，給電子產(chǎn)品的設(shè)計和生產(chǎn)帶來許多革命性的變化。目前，比較成熟的 ISP下載器大多是基于串口或者并口通信的，但是也存在著以下問題： （ 1）用戶 PC 機(jī)的主頻、硬件和操作系統(tǒng)不同，可能會造成控制信號錯誤； （ 2）不同的廠商提供不同的 ISP 下載器，互不兼容，給嵌入式開發(fā)帶來不便； 4 （ 3）限于串、并口的通信協(xié)議， ISP 數(shù)據(jù)傳輸速率較低，影響嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)。 基于以上原因，本設(shè)計選擇了一種將單片機(jī)和 USB 總線相結(jié)合，進(jìn)行 ISP 下載的方法。 系統(tǒng)功能 本系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計有以下功能： （ 1）車輛通行和禁行的指示。在每個方向都設(shè)置 4 個指示燈：紅燈，綠燈，黃燈，左轉(zhuǎn)綠燈。 （ 2）人行道指示 。在每個人行道上都設(shè)置一個紅色和綠色的 LED 來指示行人道通行狀態(tài)，綠色允許行人通行，紅色禁行。 （ 3） 數(shù)碼管顯示時間秒倒計時。在每個方向設(shè)置了一個雙位數(shù)碼管，顯 示此狀態(tài)的時間。 （ 4）手控模式。設(shè)置兩個按鍵 K1 和 K2， K1 為南北方向強(qiáng)制放行， K2 為東西方向強(qiáng)制放行。此時所有數(shù)碼管顯示 9，強(qiáng)制放行方向（如南北）綠燈，另一方向紅燈。按兩次跳回原來的狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)行。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 設(shè)計結(jié)構(gòu) 本設(shè)計系統(tǒng)主要由一下幾個模塊組成： （ 1）單片機(jī)最小系統(tǒng)。最小系統(tǒng)主要包括時鐘電路和復(fù)位電路。時鐘電路用于在需要時產(chǎn)生上升沿（或下降沿），是系統(tǒng)能夠運(yùn)行。復(fù)位電路也是非常關(guān)鍵的，當(dāng)程序跑飛（運(yùn)行不正常）或死機(jī)（停止運(yùn)行）時，就需要進(jìn)行復(fù)位 [5]。 （ 2）人行道 LED 指示。每個方向由兩個紅色 和綠色的 LED 指示行人的通行禁行狀態(tài)。 （ 3）數(shù)碼管時間顯示模塊。雙位數(shù)碼管顯示當(dāng)前狀態(tài)下的剩余時間，當(dāng)強(qiáng)制放行時，數(shù)碼管顯示 9。 （ 4）按鍵模塊。設(shè)置兩個按鍵 K K2，用于控制某個方向強(qiáng)制通行。 （ 5）機(jī)動車道 LED 顯示模塊。每個方向設(shè)置 4 個 LED 指示車輛的通行狀態(tài)。 5 組成結(jié)構(gòu) 該系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖 所示 [6]。 圖 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu) 6 3. 單片機(jī)城市交通燈控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 系統(tǒng)主要芯片介紹 STC89C516RD+ STC89C516RD+單片機(jī)是深圳宏晶科技推出的新一代超強(qiáng) 抗干擾 /高速 /低功耗的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051 單片機(jī)， 12 時鐘 /機(jī)器周期和 6 時鐘 /機(jī)器周期可以任意選擇。內(nèi)部集成 MAX810 專用復(fù)位電路，當(dāng)時鐘頻率在 6MHz 時，該復(fù)位電路是可靠的；當(dāng)時鐘頻率在 12MHz 時，該復(fù)位電路勉強(qiáng)可用。在要求不高的情況下，可在復(fù)位腳外接電阻電容復(fù)位。 STC89C516RD+的主要性能如下： （ 1）增強(qiáng)型 8051 單片機(jī)， 6 時鐘 /機(jī)器周期和 12 時鐘 /機(jī)器周期可以任意選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051。 （ 2）工作電壓： ～ （ 5V 單片機(jī)） /～ （ 3V 單片機(jī)）。 （ 3）工作頻率范圍： 0～ 40MHz，相當(dāng)于普通 8051 的 0～ 80MHz，實(shí)際工作頻率可達(dá) 48MHz。 （ 4）用戶應(yīng)用程序空間： 4K/6K/7K/8K/10K/12K/13K/16K/32K/40K/48K/56K/61K 字節(jié)。 （ 5）片上集成 1280 字節(jié)或 512 字節(jié)或 256 字節(jié) RAM。 （ 6）通用 I/O 口（ 35/39 個），復(fù)位后為： P1/P2/P3/P4 是準(zhǔn)雙向口 /弱上拉（普通 8051傳統(tǒng) I/O 口）。 P0 口是開漏輸出，作為總線擴(kuò)展用時，不用加上拉電阻，作為 I/O 口用時，需加上拉電阻。 （ 7） ISP（在系統(tǒng)可編程） /IPA（在應(yīng)用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器?？赏ㄟ^串口（ RxD/， TxD/）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片。 （ 8）具有 EEPROM 功能。 （ 9）看門狗功能。 （ 10）內(nèi)部集成 MAX810 專用復(fù)位電路，外部晶體 12MHz 以下時，可省外部復(fù)位電路，復(fù)位腳可直接接地。 （ 11）共 3 個 16 位定時器 /計數(shù)器，其中定時器 0 還可以當(dāng)成 2 個 8 位定時器使用。 （ 12）外部中斷 4 路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷， Power Down 模式可由外部中 7 斷低電平觸發(fā)方式喚醒。 （ 13）通用異步串行口（ UART），還可用定時器軟件實(shí)現(xiàn)多個 UART。 （ 14）工作溫度范圍： 40~+85176。 C（工業(yè)級） /0~75176。 C（商業(yè)級）。 （ 15）封裝： LQFP44， PDIP40， PLCC44[7]。 STC90C516RD+芯片引腳圖如圖 所示。 圖 STC89C516RD+芯片引腳圖 74LS04 04 是六組反相器，共有 54/740 54/74H0 54/74S0 54/74LS04 四種線路結(jié)構(gòu)形 式，其主要電特性的典型值如圖 所示 [8]： 8 圖 04 的主要電特性典型值 雙列直插封裝的 74LS04 的邏輯圖如圖 所示： 圖 74LS04 的邏輯圖 其引出端符號功能為： 1A— 6A 為輸入端， 1Y— 6Y 為輸出端。 其功能表如表 所示： 表 3. 74LS04 的功能表 輸 入 輸 出 A Y L H H L 單片機(jī)初始化程序 初始化程序無論以什么工具和語言編程都是必不可少