【正文】 ....................................... 23 1 1 概述 設計背景 在車輛日漸增多的今天，人們也越來越關注交通問題，而交通燈在安全行車過程中無疑起著十分重要的作用。現(xiàn)在交通燈一般都設在十字路口，用紅、綠、黃三種顏色的指示燈和一個倒計時的顯示計時器來控制行車 , 對一般情況下的安全行車、車輛分流發(fā)揮著作用 , 但根據(jù)實際行車過程中出現(xiàn)的情況 , 主要有如下幾個缺點 : 車道輪流放行時間相對固定 , 不能根據(jù)實際情況中兩個車道的車輛多少來設置改變通行 時間； 沒有考慮緊急車輛通過時 , 兩車道應采取的措施。 譬如 , 有消防車通過執(zhí)行緊急任務時 , 兩個車道的車都應停止 , 讓緊急車輛通過。因此如何合理高效地利用交通燈指示交通情況，是一個亟需解決的問題。 設計目的 1. 實現(xiàn)交通燈基本的指揮控制車輛通行功能； 2. 增加部分新功能，使交通燈信號控制更加合理、有效。 設計要求 假設一十字路口為南北方向（主干道）車道和東西方向（支干道），設計一個交通燈信號控制電路，具體要求如下： ： ⑴ 南北方向車道和東西方 向車道兩條交叉道路上的車輛交替運行，主干道每次通行時間設為 40秒、支干道每次通行時間為 25秒； ⑵ 在綠燈轉為紅燈時，要求黃燈先亮 5秒鐘，才能變換運行車道； ⑶ 黃燈亮時，要求每秒閃亮一次； ⑷ 東西方向、南北方向車道除了有紅、黃、綠燈指示外，每一種燈亮的時間都用顯示器進行顯示（采用計時的方法）。 2. 新增部分功能： ⑴ 各干道上通行時間可根據(jù)實際情況進行調整設置； 2 ⑵ 一道有車而另一道無車（實驗時用開關 K0 和 K1 控制），通過手動控制交通燈系統(tǒng)，使立即指示有車道放行； ⑶ 有緊急車輛要求通過時， 系統(tǒng)要能禁止普通車輛通行，兩個道均為紅燈。 2 系統(tǒng)總體方案及硬件設計 總體方案 本設計使用的是單片機作為核心的控制元件，使得電路的可靠性比較高，功能也比較強大，而且可以隨時更新系統(tǒng)，根據(jù)道路情況適時調整交通燈的狀態(tài)，全面有效地利用交通燈指示交通情況。 該設計是以單片機 AT89S52為核心完成的 ,在硬件電路中采用 P1口點亮交通指示燈，采用 P0 口和 P2口作為 2位 LED 數(shù)碼管的驅動接口，可顯示各個方向的交通燈的持續(xù)時間，單片機外圍接有按鍵開關電路，可以響應外部中斷及鍵盤程序，實現(xiàn)緊急情況處理、調整交通 燈的點亮時間等功能。 電路由下列部分組成：時鐘電路、復位電路、鍵盤電路、交通燈演示電路、 LED顯示電路。 AT89S52 復位電路 交通燈演示電路 LED 顯示電路 鍵盤電路 時鐘電路 圖 01 原理框圖 3 各功能模塊設計 單片機 AT89S52 介紹 AT89S52 是一個低電壓，高性能 CMOS 型 8 位單片機，片內含 8KB 的可反復擦寫的 Flash 只讀程序存儲器（ ROM）和 256 B 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）。 AT89S52是一個低功耗高性能單片機， 40 個引腳， 32 個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口，同時內含 2 個外中斷口， 2 個 16 位 可編程定時計數(shù)器， 2 個全雙工串行通信口，AT89S52 可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash 存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的 Flash 存儲器可有效地降低開發(fā)成本。 引腳使用說明： I/O 端口的編程實際上就是根據(jù)應用電路的具體功能和要求對 I/O 寄存器進行編程。具體步驟如下： l. 根據(jù)實際電路的要求，選擇要使用哪些 I/O 端口； 2. 初始化端口的數(shù)據(jù)輸出寄存器，應避免端口作為輸出時的開始階段出現(xiàn)不確定狀態(tài)，影響外圍電路正常工作； 3. 根據(jù)外圍電路功能，確定 PO端口的方向 ，初始化端口的數(shù)據(jù)方向寄存器。對于用作輸入的端口可以不考慮方向初始化； 4. 用作輸入的 PO 管腳，需上拉電阻； 5. 最后對 I/O 端口進行輸出 (寫數(shù)據(jù)輸出寄存器 )和輸入 (讀端口 )編程，完成對外圍電路的相應功能。 幾個特殊管腳： XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平。 設計思路 假設 此交通燈系統(tǒng)位于南北和東西的十字路口，南北方向為主干道，東西方向 4 為支干道。各干 道有一組紅、綠、黃三色的指示燈，指揮車輛和行人安全通行。紅燈亮禁止通行，綠燈亮允許通行，黃燈亮提示人們注意紅、綠燈的狀態(tài)即將切換。 此交通燈系統(tǒng)工作過程分為 4 個狀態(tài)。狀態(tài) 0 南北方向綠燈亮，東西方向紅燈亮。過 35 秒后轉為狀態(tài) 1，南北方向綠燈滅，黃燈每秒閃亮一次，東西方向還是紅燈亮。歷時 5 秒鐘再轉為狀態(tài) 2，南北方向紅燈亮，東西方向綠燈亮。過 20 秒后轉為狀態(tài) 3，南北方向還是紅燈亮，東西方向綠燈滅，黃燈每秒閃亮一次。歷時 5 秒鐘又循環(huán)至狀態(tài) 0。 交通燈的狀態(tài)表如下： 狀態(tài)（時間） 主干道 — SN 支干道 — WE 紅 — R 綠 — G 黃 — Y 紅 — R 綠 — G 黃 — Y 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1/0 1 0 0 2 1 0 0 0 1 0 3 1 0 0 0 0 1/0 表 01 交通燈的狀態(tài)表 注： 1： SN— 南北方向； WE— 東西方向。 2： 狀態(tài)： 0— 熄； 1— 亮； 1/0— 閃。 時鐘電路模塊 時鐘電路模塊給單片機提供特定的時鐘周期，以備單片機工作使用。單片機的機器周期有 6MHz 和 12MHz 的兩種。這里采用的是 12MHZ 的晶振，以給單片機提供 12MHz 的機器周期。另外有兩個 30P 的電容，兩晶振引腳分別連到 XTAL1 和XTAL2 振蕩脈沖輸入引腳。 其電路圖如圖 02 所示： 5 圖 02 時鐘電路模塊 復位電路模塊 單片機系統(tǒng)的復位電路采用的是上電 +按鈕復位的電路形式，其中電阻 R采用10KΩ的阻值，電容采用電容值為 10μ F的電解電容。 其具體連接電路如圖 03 所示： 圖 03 復位電路模塊 交通燈演示模塊 此交通燈演示模塊由單片機的 P1 口作信號輸出端來控制 12個交通燈的亮滅，交通燈采用的是發(fā)光二極管。因為單片機的輸出電流非常小，為了使發(fā)光二極管能夠發(fā)光或者更 亮，二極管采用共陽極接法。即陽極通過 470Ω電阻接 +5V 直流電源，陰極接單片機 P1口。同時南北方向同色燈連同上拉電阻一起并聯(lián)，東西方向也是一樣，以保證同一干道上的同色燈同時點亮或熄滅，并且流過二極管的電流不會因并聯(lián)而減半。 其具體連接電路如圖 04 所示 : 6 圖 04交通燈演示電路 LED 顯示模塊 由于同一干道上的兩個方向的紅燈，綠燈，黃燈點亮時間相同，所以南北方向只需一個數(shù)碼管顯示相應的時間即可，同理東西方向也只需一個。 本次交通燈設計采用兩位一體的共陰極數(shù)碼管來顯示相應的時間。由單片機的P0口 輸出字型碼， P2口的前四位 ~ 作位選端。 位選端接 LED 的共陰極，故低電位有效。因為單片機 I/O口的驅動電流很小，一般只有幾個毫安。為了增加驅動能力，每個 LED 上都加上一個上拉電阻，接入 +5V 電源，本次設計采用的是排阻。當 P0 口輸出低電平時， LED 不導通，上拉電阻電流灌進單片機，而當 P0口輸出高電平時， LED 導通。而且上拉電阻的電流也通過 LED,這自然就增加了 LED 的發(fā)光亮度。 其具體連接電路如圖 05 所示： 7 圖 05 LED 顯示電路 鍵盤開關模塊 此系統(tǒng)通過 5個開關實 現(xiàn)所有的要求，開關一端接地，另一端接單片機的 P3口。 K0接 P3^7,當主干道有車而支干道無車時，按一下 K0鍵，可以實現(xiàn)主干道通行。 K1接 P3^6,當支干道有車而主干道無車時，按一下 K1鍵，可以實現(xiàn)支干道通行。 K2 接 P3^3,利用中斷 1的方式對緊急情況進行處理，即使東南西北四個方向都亮紅燈停車。 K4 接 P3^2，利用中斷 0 的方式對各個干道的通行時間進行設置。在相應中斷 0期間， K0， K1 起調整時間的作用。每按一下 K0，主干道通行時間加一，每按一下 K0，主干道通行時間加一。 K3 接 P3^5，按一下 K3，可以使系統(tǒng)退出 中斷，回到主程序。 其具體連接電路如 06圖示 : 8 圖 06 鍵盤開關電路 9 3 軟件設計 系統(tǒng)流程圖 N Y N Y Y N N Y N Y N Y Y N N Y N Y Y N Y N Y N Y Y N Y N N Y N Y 開始 k=0， SN=25 中斷 按 K0 按 K1 SN=0 倒計時 響應中斷 k=1， SN=5 k=3， WE=5 k=2， WE=15 倒計時 倒計時 倒計時 中斷 按 K0 按 K1 WE=000 按 K1 SN=0 按 K0 中斷 中斷 WE=0 按 K1 按 K0 響應中斷 響應中斷 響應中斷 圖 07 系統(tǒng)流程圖 10 系統(tǒng)軟件設計 本次單片機課程設計軟件部分利用 C語言編程，采用模塊化程序設計。程序部分由主程序、定時器程序、 T0/T1 中斷服務程序、鍵盤掃描程序、交通燈點亮程序、LED數(shù)碼管掃描顯示程序和延時程序構成。 LED 的編程 本次交通燈設計采用兩位一體的共陰極數(shù)碼管來顯示相 應的時間。數(shù)碼管為七段數(shù)碼管，由 8 個發(fā)光二極管構成，通過不同的組合可用來顯示數(shù)字 09，字符 AF、H、 L、 P、 R、 U、 Y、符號“ ”及小數(shù)點“ .”。本設計只需要顯示數(shù)字 09，來表示相應的時間。 共陰極數(shù)碼管的 8個發(fā)光二極管的陰極連接在一起接位選端。兩個兩位一體的共陰極數(shù)碼管共有 4個位選端，分別接在 P2^OP2^3，低電平有效。數(shù)碼管各個陽極管腳接各段的驅動電路輸出端，既 P0 口。 P0^0 接 a,P0^1 接 b，?? P0^6 接 g，P0^7 接 dp，高電平有效。 本設計采用逐位掃描的方式實現(xiàn)相應時間的動態(tài)顯示。 先將 P2^1 置低電平，P2^0、 P2^ P2^3 置高電平，來選中南北方向數(shù)碼管的個位，此時 P0 口的數(shù)據(jù)接傳送給它顯示。經延時一段時間，將 P2^1 置低電位選中南北方向數(shù)碼管的十位，此時 P0 口的數(shù)據(jù)接傳送給它顯示。再用同樣的方法依次驅動東西方向數(shù)碼管。通過不斷 改變 P0 口、 P2口的輸出，用循環(huán)掃描的方式，即可實現(xiàn) LED 的動態(tài)顯示。 LED 動態(tài)顯示的流程圖如圖 08： 顯示南北方向個位 開始 顯示南北方向 十 位 顯示 東西 方向個位 顯示 東西 方向 十 位 圖 08 LED 顯示 11 交通燈模塊的編寫設計 本次設計的交通燈演示模塊由單片機的 P1口作信號輸出端來控制 12個交通燈的亮滅 。 P1^1P1^6 依次 連接南北的紅燈、綠燈、黃燈 ,東西的紅燈、綠燈，黃燈。所以 4種狀態(tài)依次為 0x6A,0x66,0x5C,0x3C。當交通燈的剩余時間為零時，改變 P1口的輸出，進而改變交通燈的點亮狀態(tài)。交通燈依次循環(huán)上面的 4 個狀態(tài)，就可以實現(xiàn)指揮交通的作用。 定時器程序 本次設計用定時計數(shù)器 T1， TMOD 是定時計算器的工作方式控制寄存器，通過對該寄存器的操作可以改變 T1的工作方式。 T1 有 4 種工作方式，由 TMOD 寄存器中間的 M M0 這兩位來決定。本次設計的定時計數(shù)器工作在工作方式 1， M M0 設定為 01。定時計算器采 用加 1計數(shù)的方式，當接收到一個驅動事件時計數(shù)器加 1。工作方式 1 的內部計數(shù)器寬度為 16 位，由 TH1 的 8 位和 TL1 的 8 位組成。當 TL1溢出時將向 TH1 進位，當 TH1 溢出后會產生相應的溢出中斷。 驅動事件之間的時間間隔即為定時計數(shù)器的定時寬度。在定時的工作方式下，定時寬度是單片機的機械周期，也是外部時鐘頻率的 1/12。本次設計的外部時鐘頻率為 12MHz?？芍邮?106個驅動事件的時間為 1