【正文】 .................. 35 參考文獻 ..................................................... 36 附錄一 控制源 程序清單 ....................................... 37 附錄二 電路原理圖 ............................................ 43 1 第 1 章 緒論 引言 隨著科學技術發(fā)展的日新月異、不斷發(fā)展，自動化、智能化、功能多樣化越來越成為電氣控制的主流。尤其是計算機技術的迅猛發(fā)展，單片機系統(tǒng)逐漸應用在更加廣泛的領域， “ 交通信號燈控制系統(tǒng) ” 就是在單片機的基礎上開發(fā)出來的。我國經濟的快速發(fā)展，車輛的增多，交通擁擠問題日益嚴重。在不斷拓寬交通道路以及修建新的交通要道的同時，交通信 號燈的用途變得更加明顯。我們也應當適當地改善信號燈的功能，使其日益完善，滿足現(xiàn)在交通的要求。 在以往的交通信號燈中，東西南北方向的通行時間是固定的，不論路上的車輛是多是少?，F(xiàn)在為了使交通更加流暢，更有秩序，我們可以在以往得基礎上，加上按鍵，用以控制突發(fā)事件和交通擁擠等?；谝陨峡紤]，我們提出了這個課題要求，進行設計，并模擬和仿真。 課題研究的背景 單片機的應用與發(fā)展 單片機自 1976 年由 Intel 公司推出 MCS48 開始，迄今已有 三 十多年了 ， 由于單片機集成度高、功能強、可靠性高、體積 小、功耗地、使用方便、價格低廉等一系列優(yōu)點，目前已經滲入到人們工作和生活的方方面面。單片機的應用領域已從面向工業(yè)控制、通訊、交通、智能儀表等迅速發(fā)展到家用消費產品、辦公自動化、汽車電子、 PC 機外圍以及網絡通訊等廣大領域。 單片機有兩種基本結構形式 :一種是在通用微型計算機中廣泛采用的，將程序存儲器和數據存儲器合用一個存儲器空間的結構，稱為普林斯頓結構。另一種是將程序存儲器和數據存儲器截然分開，分別尋址的結構，一般需要較大的程序存儲器，目前的單片機以采用程序存儲器和數據存儲器截然分開的結構為多。 [1] 20 世紀 80 年代中期以后， Intel 公司以專利轉讓的形式把 8051 內核技術轉讓給許多半導體芯片生產廠家，如 ATMEL、 PHILIPS、 ANALOG、 DEVICES、 DALLAS等。這些廠家生產的芯片是 MCS51 系列的兼容產品，準確地說是與 MCS51 指令系統(tǒng)兼容的單片機。這些兼容機與 8051 的系統(tǒng)結構（主要是指令系統(tǒng)）相同，采 2 用 CMOS 工藝，因而，常用 80C51 系列來稱呼所有具有 8051 指令系統(tǒng)的單片機，它們對 8051 單片機一般都作了一些擴充，更有特點。其功能和市場競爭力更強，不該把它們直接稱呼為 MCS51系列 單片機，因為 MCS 只是 Intel 公司專用的單片機系列型號。 MCS51 系列及 80C51 單片機有多種品種。它們的引腳及指令系統(tǒng)相互兼容，主要在內部結構上有些區(qū)別。目前使用的 MCS51 系列單片機及其兼容產品通常分成以下幾類：基本型、增強型、低功耗型、專用型、超 8 位型、片內閃爍存儲器型。 目前單片機應用于各個領域，其應用于儀器儀表中顯得更為優(yōu)越。以單片機制成的電子時鐘具有計時準確，功耗低的優(yōu)點。從而得到了各界領域的廣泛應用。單片機正處在微控制器的全面發(fā)展階段，各公司的產品在盡量兼容的同時，向高速，強運算能力，尋 址范圍大以及小型廉價方面發(fā)展。單片機的發(fā)展推動了應用系統(tǒng)的發(fā)展，應用系統(tǒng)的發(fā)展又反過來對單片機提出了更高要求，從而促進單片機的發(fā)展。單片機正向著功能更強，速度更快，功耗更低，輻射更小的方向發(fā)展。隨著集成度的不斷提高，把眾多的外圍功能器件集成在片內已經具備了充分的條件。這也是單片機以后發(fā)展的重要趨勢。除了一般必須具有的 ROM、 RAM、定時器 /計數器、中斷系統(tǒng)外，隨著單片機檔次的提高，以適應檢測、控制功能更高的要求，片內集成的器件通常還有電源監(jiān)控與復位電路、 WDT、 A/D 轉換器、 DMA 控制器、中斷控制器、鎖相器 、頻率合成器、字符發(fā)生器、聲音發(fā)生器、 CRT 控制器、譯碼驅動器等。 從單片機近年的發(fā)展趨勢來看，單片機正朝著多層次用戶、多品種、多規(guī)格、高性能方向發(fā)展，現(xiàn)在許多公司根據市場的要求不失時機的研制并推出各種優(yōu)秀的單片機。在實時控制系統(tǒng)、軍工產品和一些高級家用電器等領域，需要高性能單片機，以滿足其功能、速度、可靠性方面的特殊要求。這些單片機的高性能主要體現(xiàn)在 CPU 功能加強，內部資源增加，尋址范圍增大。而簡單的家用電器、智能玩具、儀表儀器、智能 IC 卡等對單片機功能要求不高。那些小型、低耗能、廉價的單片機就具有明顯的 優(yōu)勢和市場需求，它們也將是未來市場的重要角色，有著廣闊的應用前景。 [1～ 5] LED 技術的應用 道路交通信號燈（以下簡稱信號燈）的光源幾經變遷，從最初易發(fā)生爆炸的煤氣燈發(fā)展到穩(wěn)定、安全的白熾燈、鹵鎢燈，如今發(fā)光二極管（ LED）得到了廣泛應用。白熾燈和鹵鎢燈光源信號燈的特點是發(fā)光穩(wěn)定、均勻，但是存在能耗高、 3 壽命低、易產生幻像信號顯示、色片易褪色等缺陷。而高亮度、低能耗 LED 在信號燈上的應用，給信號燈產品帶來革命性的變化。 LED 之所以能夠在信號燈中得到廣泛應用，是因為 LED 具有如下優(yōu)點： 單色 光，具有發(fā)散角 。 LED 發(fā)出的光是單色光，因而不需要用色片來產生紅、黃、綠的信號顏色； LED發(fā)出的光具有方向性，并有一定的發(fā)散角，由此可以屏棄傳統(tǒng)信號燈中使用的非球面反光鏡。 LED 的這個特點解決了傳統(tǒng)信號燈存在的幻像（俗稱假顯示）和色片褪色問題，提高了光效。 冷光源，能耗低 。 LED 是一種冷光源，其顯著的特點之一就是能耗低，這對燈具的應用而言是很有意義的。 LED 光源的信號燈單個發(fā)光單元的視在功率一般在 12VA~25VA 之間，白熾燈泡光源的信號燈單個發(fā)光單元的功率一般在 80W~100W 之間，低壓鹵鎢燈泡光源的信號燈單個發(fā)光單元的視在功率一般在 40VA~60VA 之間。由此可見 LED 光源在節(jié)能方面的優(yōu)勢是非常明顯的。 可靠性好，壽命長 。 信號燈的工作環(huán)境相對比較惡劣，嚴寒酷暑、日曬雨淋，因而對燈具的可靠性要求較高。一般信號燈用白熾燈泡的平均壽命是 1 000h，低壓鹵鎢燈泡的平均壽命是 2 000h，由此而產生的維護費用很高。目前，我國 LED 信號燈使用時間最長的已超過 5年， LED 未有損壞。單管 LED 的理論壽命為 100 000h，由此推斷 LED信號燈的實際使用壽命大于 50 000h。 存在的一些問題。 國家標 準 GB14887－ 2021《道路交通信號燈》實施以來，在產品的應用和測試中發(fā)現(xiàn)， LED信號燈存在如下問題： （ 1）大多數 LED 生產企業(yè)缺乏降低或消除幻像信號的技術手段。 （ 2）許多小企業(yè)沒有光學設計能力， LED 信號燈的光強發(fā)布不均勻。 （ 3） LED 驅動電路設計粗糙，功率因數偏低。 （ 4）常年使用后， LED 輸出光強急劇下降。 （ 5）部分企業(yè)使用低檔的 LED，使得信號燈的品質下降。 （ 6）長時間使用后，信號燈的塑料殼體和塑料透光面老化，使得信號模糊、外殼防護等級下降。 這幾年 LED 的技術發(fā)展非?？?，為 LED 信號燈技術的提高提供了很好的基礎。以目前的狀況看， LED 信號燈的發(fā)展有以下幾方面的趨勢： 4 大功率 LED 的應用，優(yōu)點是大幅減少 LED 的數量，需要解決的問題是散熱和成本。 LED 信號燈的光強指標、電學指標和電磁兼容要求將逐步提高， LED 信號燈的光學設計、電路設計將進一步優(yōu)化，并成為信號燈設計的主流。 隨著節(jié)能、環(huán)保要求的提高， LED 與太陽能結合的信號燈將普及，但需解決與交通信號控制機的配合問題。 [6～ 8] 交通信號燈的發(fā)展 信號燈是交通安全產品中的一個類別，是為了加強道路交通管理，減少交通事故的發(fā)生，提高道路使用效率，改善交通狀況的一種重要工具。適用于十字、丁字等交叉路口，由道路交通信號控制機控制，指導車輛和行人安全有序地通行。 交通信號燈的種類有 :機動車道信號燈 ： 人行橫道信號燈 、 非機動車道信號燈 、 方向指示信號燈 、 移動式交通信號燈 、 太陽能閃光警告信號燈 、 收費站天棚信號燈 。 城市路口交通信號控制系統(tǒng)大體上分為三種類型：定周期的信號機、多時段且具有無電纜協(xié)調功能的微電腦型信號機以及聯(lián)網式自適應多相位智能型信號機。 道路交通信號燈（以下簡稱信號燈）的光源幾經變遷，從最初易發(fā)生爆炸的煤氣燈發(fā)展到 穩(wěn)定、安全的白熾燈、鹵鎢燈，如今發(fā)光二極管（ LED）得到了廣泛應用。白熾燈和鹵鎢燈光源信號燈的特點是發(fā)光穩(wěn)定、均勻，但是存在能耗高、壽命低、易產生幻像信號顯示、色片易褪色等缺陷。而高亮度、低能耗 LED 在信號燈上的應用，給信號燈產品帶來革命性的變化。 隨之道路交通信號燈在我國的應用也有幾十年了，作為重要的道路交通安全產品，道路交通信號燈為保障道路交通安全暢通、有序發(fā)揮了重要作用。近年來，新材料、新技術在道路交通領域不斷得到應用， 發(fā)光二極管（ LED）在道路交通領域的廣泛應用更是有目共睹。 LED 主要應用在道路 交通信號燈、交通誘導信息顯示屏、可變交通標志、倒計時顯示器和各種警告、警示燈具等交通安全產品上。1999 年我國部分城市開始試用 LED 光源的道路交通信號燈，目前，國內許多大、中城市已大規(guī)模應用 LED 光源的道路交通信號燈。 [9～ 11] 5 課題研究的主要內容 該控制器能實現(xiàn)城市“十字”路口正常情況下以及特殊情況和緊急情況下交通信號燈的模擬控制。 在十字路口東西南北各設置紅、黃、綠三種信號燈，正常情況下，東西 (A線 )、南北 (B線 )方向輪流放行。當東西方向 (A 線 )放行、南北方向 (B 線 )禁行時，東西方向 (A線 )綠燈亮 25 秒，然后黃燈亮 5秒，南北方向 (B 線 )紅燈亮 30 秒；當南北方向 (B線 )放行、東西方向 (A 線 )禁行時，南北方向 (B線 )綠燈亮 25秒，然后黃燈閃爍 5 秒，東西方向 (A 線 )紅燈亮 30 秒。如此循環(huán)，實現(xiàn)交通燈定時控制，其示意圖如圖 。 圖 交通燈布置示意圖 特殊情況控制通行方式控制，用按鍵開關 K1 控制 A道通行， B 道禁行， K2控制 B道通行， A道禁行，特殊情況控制通行放行 ； 有緊急情況時用按鍵開關 K0控制兩道均為紅燈 ,以便急救車通過，急救車的通行時間為 10秒，急救車過后，交通燈恢復先前狀態(tài)； 兩 位 LED 數碼管能夠顯示 行人通行與等待的 時間 （以秒單位作減計數）； 16 16 點陣式 LED 能夠顯示行人“禁止通行”與“允許通行”的圖案。 北 西 東 南 6 課題研究的目的及意義 交通信號燈，自從它被發(fā)明的那天起，就成為人們生活中必不可少的一種工具，尤其是現(xiàn)在這個講究效率的年代，交通信號燈更是在人類交通、生活、生產、工作等多個領域得到廣泛的應用。然而隨著時間的推移，人們不僅對交通信號燈精度的要求越來越高，而且對交通信號燈功能的要求也越來越多，交通信號燈已不僅僅是一種用來指揮交通的工具，在很多實際應用中它還要能夠實現(xiàn)更多其它的功能。 怎樣讓交通信號燈更好的為我們服務？怎樣讓交通信號燈更符合實際應用的需求？這就要求人們不斷設計出新型交通信號燈，不斷 設計出適合實際應用的多功能交通信號燈。本畢業(yè)設計方案正是根據以上所述并結合日常生活中對交通信號燈功能需求的分析，運用單片機技術，結合 LED 顯示器的框架下實現(xiàn)交通信號燈的顯示，設計出的一個適合日常生活需要的交通信號燈。其研究的意義在于： 為設計小型的單片機十字路口交通信號燈提供了有用的參考，為進一步的研究提供了有效的途徑。 拓展了單片機的應用范圍，為單片機的應用提供了新的思路。 對于研究單片機十字路口交通信號燈及擴大其應用，有著非常現(xiàn)實的意義。 通過本次畢業(yè)設計，能更進一步熟悉單片機編程和控制 電路的設計原理，對提高大學生的科研能力、實踐動手能力及豐富大學生課外生活具有重要意義。 7 第 2 章 系統(tǒng)總體結構設計 系統(tǒng)總體方案設計 本次設計中采用 AT89S51 控制芯片， 以單片機為控制核心， 單片機從中讀取數據送到顯示器上顯示 ，由定時電路、按鍵控制電路和顯示電路（兩位 LED 數碼管顯示倒記時， 4組紅、黃、綠發(fā)光二極管模擬交通信號燈和 16*16 點陣顯式 LED顯示行人通行與禁止）等 組成。 此系統(tǒng)硬件簡潔，將復雜的硬件功能用軟件實現(xiàn)，因此系統(tǒng)控制靈活，能很好地滿足本設計的基本要求和擴展 要求。 系統(tǒng)方框圖見圖 。