【正文】 第一章 序 言 交通燈的形成 當(dāng)今，紅綠燈安裝在各個道口上，已經(jīng)成為疏導(dǎo)交通車輛最常見和最有效的手段。但這一技術(shù)在 19 世紀(jì)就已出現(xiàn)了。 1858 年，在英國倫敦主要街頭安裝了以燃煤氣為光源的紅，藍兩色的機械扳手式信號燈，用以指揮馬車通行。這是世界上最早的交通信號燈。 1868 年，英國機械工程師納伊特在倫敦威斯敏斯特區(qū)的議會大廈前的廣場上，安裝了世界上最早的煤氣紅綠燈。它由紅綠兩 色 旋轉(zhuǎn)式方形玻璃提燈組成，紅色表示“停止”，綠色表示“注意”。 1869 年 1月 2日，煤氣燈爆炸，使警察受傷，遂被取消。 電氣啟動的 紅綠燈出現(xiàn)在美國，這種紅綠燈由紅綠黃三色圓形的投光器組成，1914 年始安裝于紐約市 5號大街的一座高塔上。紅燈亮表示“停止”，綠燈亮表示“通行”。 1918 年，又出現(xiàn)了帶控制的紅綠燈和紅外線紅綠燈。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；另一種是用擴音器來啟動紅綠燈，司機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入交叉路口。 我們設(shè)計的單片機控制交通燈就是基于信號燈。 芯片 簡介： MSC51 芯片簡介 8051 是 MCS51系列單片機的典型產(chǎn)品，我們以這一代表性的機型進行系統(tǒng)的講解。 8051 單片機包含中央處理器、程序存儲器 (ROM)、數(shù)據(jù)存儲器 (RAM)、定時 /計數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制成都理工大學(xué)畢業(yè)論文 — 交通燈 2 總線等三大總線，現(xiàn)在我們分別加以說明： 中央處理器： 中央處理器 (CPU)是整個單片機的核心部件，是 8 位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理 8 位二進制數(shù)據(jù)或代碼， CPU 負(fù)責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。 數(shù)據(jù)存儲器 (RAM)： 8051 內(nèi)部有 128個 8位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和 128個專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的 RAM 只有 128 個，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表。 程序存儲器 (ROM)： 8051 共有 4096 個 8位掩膜 ROM，用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格。 定時 /計數(shù)器 (ROM)： 8051 有兩個 16位的可編程定時 /計數(shù)器，以實現(xiàn)定時或計數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制程序轉(zhuǎn)向。 并行輸入輸出 (I/O)口： 8051 共有 4組 8位 I/O 口 (P0、 P P2 或 P3)，用于對外部數(shù)據(jù)的傳輸。 全雙工串行口： 8051 內(nèi)置一個全雙工串行通信口，用于與其它設(shè)備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當(dāng)同步移位器使用。 中斷系統(tǒng)： 8051 具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時 /計數(shù)器中斷和一個串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有 2級的優(yōu)先級別選擇。 時鐘電路： 8051內(nèi)置最高頻率達 12MHz的時鐘電路，用于產(chǎn)生整個單片機運行的脈沖時序，但 8051 單片機需外置振蕩電容。 單片機的結(jié)構(gòu)有兩種類型 ，一種是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開的形式，即哈佛 (Harvard)結(jié)構(gòu)，另一種是采用通用計算機廣泛使用的程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器合二為一的結(jié)構(gòu)，即普林斯頓 (Princeton)結(jié)構(gòu)。 INTEL 的 MCS51 系列單片機采用的是哈佛結(jié)構(gòu)的形式，而后續(xù)產(chǎn)品 16 位的 MCS96系列單片機則采用普林斯頓結(jié)構(gòu)。 論文研究內(nèi)容與章節(jié)安排 成都理工大學(xué)畢業(yè)論文 — 交通燈 3 本文首先通過序言介紹了交通的由來，以及單片機芯片相關(guān)知識，然后通過實際交通燈的考察，運用單片機的知識加以實現(xiàn)。章節(jié)安排如下： 第一章 介紹交通燈的由來，以及單片機芯片相關(guān)知識 第二章 通過比較法，選出我們用到的方案 第三章 理論分析和計算出相關(guān)參數(shù) 第四章 電路圖設(shè)計 第五章 程序設(shè)計與流程圖 第六章 總結(jié)與致謝 成都理工大學(xué)畢業(yè)論文 — 交通燈 4 第二章 方案比較、設(shè)計與論證 電源提供方案 為使模塊穩(wěn)定工作，須有可靠電源。我們考慮了兩種電源方案 ： 方案一：采用獨立的穩(wěn)壓電源。此方案的優(yōu)點是穩(wěn)定可靠，且有各種成熟電路可供選用；缺點是各模塊都采用獨立電源，會使系統(tǒng)復(fù)雜，且可能影響電路電平。 方案二：采用單片機控制模塊提供電源。 本 方案的優(yōu)點是系統(tǒng)簡明扼要，節(jié)約成本；缺點是輸出功率不高。 綜上所 述，我們選擇第二種方案 ，如圖 [21]。 圖 21 電源電路 顯示界面方案 ： 該系統(tǒng)要求完成倒計時、狀態(tài)燈等功能。基于上述原因，我們考慮了三種方案： 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和數(shù)碼 字符 ，無法勝任題目要求。 方案二：完全采用點陣式 LED 顯示。這種方案實現(xiàn)復(fù)雜，且須完成大量的軟件工作；但功能強大，可方便的顯示各種英文字符，漢字，圖形等。 方案三：采用數(shù)碼管與點陣 LED 相結(jié)合的方法因為設(shè)計既要求倒計時數(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 情況，用數(shù)碼管與 LED 燈分別顯示時間與提示信息。這種方案既滿足系統(tǒng)功能要求，又減少了系統(tǒng)實現(xiàn)的復(fù)雜成都理工大學(xué)畢業(yè)論文 — 交通燈 5 度。 權(quán)衡利弊，第三種方案可互補一二方案的優(yōu)缺，我們決定采用方案三以實現(xiàn)系統(tǒng)的顯示功能。 輸入方案： 題目要求系統(tǒng)能手動設(shè)燈亮?xí)r間、緊急情況處理，我們討論了兩種方案： 方案一：采用 8155 擴展 I/O 口及鍵盤，顯示等。該方案的優(yōu)點是：使用靈活可編程，并且有 RAM,及計數(shù)器。若用該方案，可提供較多 I/O 口 ,但操作起來稍顯復(fù)雜。 方案二： 直接在 IO口線上接上按鍵開關(guān)。因為設(shè)計時精簡和優(yōu)化了電路，所以剩余 的口資源還比較多，我們使用四個按鍵，分別是 K K K K4。由于該系統(tǒng)對于交通燈及數(shù)碼管的控制，只用單片機本身的 I/O 口就可實現(xiàn)，且本身的計數(shù)器及 RAM 已經(jīng)夠用，故選擇方案二。 成都理工大學(xué)畢業(yè)論文 — 交通燈 6 第三章 理論分析與計算 交通燈顯示時序的理論分析與計算 對于一個交通路口來說，能在最短的時間內(nèi)達到最大的車流量，就算是達到了最佳的性能，我們稱在單位時間內(nèi)多能達到的最大車流為車流量，用公式：車流量 = 車流 / 時間 來表示。 圖 31標(biāo)號設(shè)定 3— 2 規(guī)則狀態(tài)圖 說明：此圖為直方圖，上邊為北路口燈，右邊為東路口燈，下邊為南路口燈，左邊行人燈 行人燈 白圈代表紅燈 黑圈代表綠燈 左彎燈 車人行駛 右彎燈 成都理工大學(xué)畢業(yè)論文 — 交通燈 7 為西路口燈。圖 [3－ 2] 所示為一種紅綠燈規(guī)則的狀態(tài)圖，分別設(shè)定為 S S SS4，交通燈以這四 種 狀態(tài)為一個周期，循環(huán)執(zhí)行 見圖 [3－ 3]。 圖 33a 車輛行駛狀態(tài) S1 圖 33b車輛行駛狀態(tài) S2 圖 33c車輛行駛狀態(tài) S3 圖 33d車輛行駛狀態(tài)S4 33 交 通燈四種狀態(tài) 請注意圖 [3－ 1b]和圖 [3－ 1d]，它們在一個時間段中四個方向都可以通車，這種狀態(tài)能在一定的時間內(nèi)達到較大的車流量，效率特別高。 依據(jù)上述的車輛行駛的狀態(tài)圖，可以列出各個路口燈的邏輯表，由于相向的燈的狀態(tài)圖是一樣的，所以只需寫出相鄰路口的燈的邏輯表；根據(jù)圖 [3－ 3]可以看出，相鄰路口的燈它們的狀態(tài)在相位上相差 180176。 。因此最終只需寫出一組 S SS S4 的邏輯狀態(tài)表。如表 [3－ 1] 所示 ： 成都理工大學(xué)畢業(yè)論文 — 交通燈 8 外圈是北方為前進方向的狀態(tài)循環(huán)，內(nèi)圈是東方為前進方向的狀態(tài)循環(huán) S1 的狀態(tài) A B C D E F G H 邏輯值 顯示時間 從 40 秒到 0秒 S2 的狀態(tài) A B C D E F G H 邏輯值 顯示時間 從 30 秒到 0秒 S3 的狀態(tài) A B C D E F G H 邏輯值 顯示時間 從 70 秒到 30 秒 S4 的狀態(tài) A B C D E F G H 邏輯值 顯示時間 從 30 秒到 0秒 表 31 交通燈的循環(huán) 邏輯表 表中的 “” 代表是紅燈亮（也代表邏輯上的 0）， “√” 是代表綠燈亮（也代表邏輯上的 1），依上表，就可以向 相應(yīng)的端口送邏輯值。 交通燈顯示時間的理論分析與計算 開始 S1 S4 S3 S2 S2 S1 S3 S4 成都理工大學(xué)畢業(yè)論文 — 交通燈 9 東西和南北方向的放行時間的長短是依據(jù)路口的各個方向平時的車流量來設(shè)定，并且 S S S S4 各個狀態(tài)保持的時間之有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，其公式如下所示 ： TS1+TS2=TS3 TS2=TS4 TS1=TS3 我們可以依據(jù)上述的標(biāo)準(zhǔn)來改變車輛的放行時間。按照一般的規(guī)則，一個十字路口可分為主干道和次干道，主干道的放行時間大于次干道的放行時間，我們設(shè)定值時也應(yīng)以此為參考。 成都理工大學(xué)畢業(yè)論文 — 交通燈 10 第四章 電路圖及設(shè)計文件 燈控制電路設(shè)計 紅綠燈的顯示 采用普通的發(fā)光二極管，每個方向上設(shè)置紅綠黃燈及行人燈各一個，共四組，如圖 [41]所示。如果東西方向紅燈亮那南北方向就是綠燈，反之亦然，所以在硬件連接圖上也成對稱分布。 圖 41 LED 控制電路 倒計時顯示電路設(shè)計 8 段 LED 是一種常用的數(shù)碼顯示屏 。這種數(shù)碼管的每個線段都是一個發(fā)光二極管，因而把它叫做 LED 數(shù)碼管。由于在數(shù)碼管的右下角增加了一個小數(shù)點，形成了所謂的 8 段數(shù)碼管。 E10501 是屬于共陰極 類型的數(shù)碼管，只要公共端接地，其他端送上高電平就能點亮。 E10501 不僅具有工作電壓低，體積小，壽命長，可靠性高等優(yōu)點，而且響應(yīng)時間短（一般不超過 微秒），亮度也比較高。缺點是工作電流比較高，一 般 工作電流都在 10毫安左右。 E10501的外形圖和等效電路圖如圖 [421]所示。 成都理工大學(xué)畢業(yè)論文 — 交通燈 11 圖 421E10501 外形圖 圖 422 E10501 等效電 路圖 LED 段顯示數(shù)碼管的設(shè)置為每個方位上一對 2 位顯示器。四個方位上總共有 8個 LED 接在單片機的 I/O 口上。顯示時我們不需要小數(shù)點，所以每個 LED 的 10 根管腳只用了 9 根。連接后的時間顯示電路，如圖 [422]所示，雖然路口不一樣，但是顯示的時間在數(shù)字上是一樣的，所以兩邊連接的 I/O 口是對稱的 ,原理圖如圖[423]。 成都理工大學(xué)畢業(yè)論文 — 交通燈 12 圖 423 數(shù)碼