【正文】 研究和開(kāi)發(fā) ITS 的重要性。到 1963 年加拿大多倫多市建立了一套使用IBM650 型計(jì)算的集中協(xié)調(diào)感應(yīng)控制信號(hào)系統(tǒng)，從而標(biāo)志著城市道路交通信號(hào)系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新的階段。隨著人們生活水平的提高，對(duì)交通管制也提出了更高的要求，因此提供一個(gè)可靠、安全、便捷的多功能交通燈控制系統(tǒng)有著現(xiàn)實(shí)的必要性。我國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)輛發(fā)展迅速，而城鎮(zhèn)道路建設(shè)由于歷史等各種原因相對(duì)滯后。s PC port to doubledigit LED output)。本系統(tǒng) 采用 MSC51系列單片機(jī) ATSC51和可編程并行 I/O接口芯片 8255A為中心器件來(lái)設(shè)計(jì)交通燈控制器，實(shí)現(xiàn)了能根據(jù)實(shí)際車(chē)流量通過(guò) AT89C51 芯片的 P1 口設(shè)置紅、綠燈燃亮?xí)r間的功能；紅綠燈循環(huán)點(diǎn)亮，倒計(jì)時(shí)剩 5秒時(shí)黃燈閃爍警示（交通燈信號(hào)通過(guò) PA 口輸出，顯示時(shí)間直接通過(guò) 8255 的 PC 口輸出至雙位數(shù)碼管）；車(chē)輛闖紅燈報(bào)警；通過(guò)設(shè)置“看門(mén)狗電路”來(lái)防止單片機(jī)死機(jī)，提高單片機(jī)系統(tǒng)的抗干擾性；綠燈時(shí)間可檢測(cè)車(chē)流量并可通過(guò)雙位數(shù)碼管顯示。在實(shí)時(shí)檢測(cè)和自動(dòng)控制的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機(jī)往往作為一個(gè)核心部件來(lái)使用，僅單片機(jī)方面知識(shí)是不夠的，還應(yīng)根據(jù)具體硬件結(jié)構(gòu)軟硬件結(jié)合，加以完善。 十字路口車(chē)輛穿梭，行人熙攘，車(chē)行車(chē)道，人行人道，有條不紊。本系統(tǒng)實(shí)用性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、擴(kuò)展功能強(qiáng)。 car runs a red light to alarm。道路擁擠、阻塞現(xiàn)象及交通事故常有發(fā)生。本設(shè)計(jì)旨在設(shè)計(jì)出一款良好的 交通燈控制系統(tǒng)來(lái)改善交通紊亂問(wèn)題，目的性強(qiáng)，也具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。之后，美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、日本、澳大利亞等多家相繼建成數(shù)字 電子計(jì)算機(jī)區(qū)域交通控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)一般還配備交通監(jiān)視系統(tǒng)組成交通管制中心。到 90 年代中期，由于受到國(guó)外 ITS 研發(fā)的影響，政府部門(mén)也開(kāi)始重視對(duì) ITS 的研究。紅燈亮禁止通行，綠燈亮允許通行。時(shí)間為 60 秒。東西方向車(chē)流大通行時(shí)間長(zhǎng)。 行列式鍵盤(pán)每條行線與列線在交叉處不直接相通，而是通過(guò)一個(gè)按鍵加以連接，當(dāng)按鍵較多時(shí)可采用行列式鍵盤(pán)以節(jié)省 I/O接口。 看門(mén)狗保護(hù)方案 在單片機(jī)系統(tǒng)中，看門(mén)狗的設(shè)計(jì)一般采用硬件和軟件兩種方式。但可靠性差，需要占用系統(tǒng)內(nèi)存。從實(shí)現(xiàn)角度上看，該方式是一種軟件與片外專(zhuān)用電路相結(jié)合的技術(shù)，硬件電路連接好后，在程序中適當(dāng)?shù)夭迦胍恍┛撮T(mén)狗復(fù)位的指令，保證程序正 常運(yùn)行時(shí)看門(mén)狗不溢出。由于本設(shè)計(jì)中的安全性要求較高，所以采用硬件看門(mén)狗方案。 方案二：采用 動(dòng)態(tài)顯示。 （ 1）倒計(jì)時(shí)顯示 倒計(jì)時(shí)顯示可以提醒駕駛員在信號(hào)燈燈色發(fā)生改變的時(shí)間、在“停止”和“通 過(guò)”兩者間作出合適的選擇。車(chē)輛檢測(cè)器作為智能交通系統(tǒng)的基本組成部分，在智能交通系統(tǒng)中占有重要的地位。紅燈時(shí)間和綠燈時(shí)間，是根據(jù)道口東西向和南北向的車(chē)流量，利用統(tǒng)計(jì)方法確定的。前者軟件編寫(xiě)簡(jiǎn)單，但在按鍵數(shù)量較多時(shí)特別浪費(fèi) I/O 口資源，一般用于按鍵數(shù)量少的系統(tǒng)。 系統(tǒng)總框圖 本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為控制核心，采用模塊化設(shè)計(jì)，共分以下幾個(gè)功能模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制系統(tǒng)、鍵盤(pán)及狀態(tài)顯示、倒計(jì)時(shí)模塊、看門(mén)狗電路模塊、紅外對(duì)管檢測(cè)模塊等。在此過(guò)程中還要實(shí)時(shí)捕捉違規(guī)檢測(cè)和緊急按鍵信號(hào)，以達(dá)到對(duì)異常狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的目的。系統(tǒng)的總體框圖如圖 所示。 （ 5）紅燈倒計(jì)時(shí)時(shí)間，交通指示燈紅燈亮，當(dāng)有車(chē)輛闖紅燈時(shí)，單片機(jī)中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，啟動(dòng)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，3S 后然后恢復(fù)正常。重新循環(huán)。 I/O 接口是單片機(jī)與外部被控制對(duì)象交換的信息通道，包括以下及部分?jǐn)?shù)字量 I/O 接口（頻率、脈沖等）、開(kāi)關(guān)量 I/O接口（繼電器開(kāi)關(guān)、五觸電開(kāi)關(guān)、電磁閥等）、模擬量 I/O 接口（ A/D 或 D/A 轉(zhuǎn)換電路）。 圖 總線結(jié)構(gòu) 現(xiàn)在說(shuō)明如下： （ 1）中央處理器 中央處理器 (CPU)是整個(gè)單 片機(jī)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(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼， CPU 負(fù)責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個(gè)單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運(yùn)算和控制輸入輸出功能等操作。 （ 5）并行輸入輸出 (I/O)口 AT89C51 共有 4組 8 位 I/O 口（ P0、 P P2 和 P3），用于對(duì)外部數(shù)據(jù)的傳輸。 單片機(jī)的結(jié)構(gòu)有兩種類(lèi)型，一種是程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開(kāi)的形式，即哈佛 (Harvard)結(jié)構(gòu)，另一種是采用通用計(jì)算機(jī)廣泛使用的程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器合二為一的結(jié)構(gòu)，即普林斯頓(Princeton)結(jié)構(gòu)。這 40 條引腳可分為 I/O 接口線、電源線、控制線、外接晶體線 4部分 .， 89C51 單片機(jī)為雙列直插式封裝結(jié)構(gòu) ,引腳如圖 所示。 89C51 單片機(jī)的外接晶體引腳有以下兩種： （ 1） XTAL1：片內(nèi)振蕩 器反相放大器的輸入端和內(nèi)部時(shí)鐘工作的輸入端。外接晶體引腳。 （ 4） EAVPP ：片外 ROM 允許訪問(wèn)端 /編程電源端。本設(shè)計(jì)中復(fù)位方式采用上電∕按鍵手動(dòng)復(fù)位方式。單片機(jī)的外部時(shí)鐘方式由外接時(shí)鐘源提供，頻率范圍較廣。本系統(tǒng)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式電路。這時(shí)，可將每個(gè)按鍵直接接在一根 I/O 接口線上，這種連接方式的鍵盤(pán)稱(chēng)為獨(dú)立式鍵盤(pán)。 在此電路中，按鍵輸入都采用低電平有效。 表 接口與對(duì)應(yīng)的數(shù)值功能表 ~ 設(shè)置紅燈初值 設(shè)置綠燈初值 1 * * 否 否 0 0 00H 01H ...... 63H 否 0 1 ...... 99 1 00H 01H ...... 63H 0 1 ...... 99 否 當(dāng) S9按下時(shí) 為低電平，設(shè)置初值（當(dāng) S8 按下時(shí)設(shè)置設(shè)置綠燈初值，當(dāng) S8 斷開(kāi)時(shí)設(shè)置紅燈初值）；當(dāng) S9 斷開(kāi)時(shí)，不重新設(shè)置紅綠燈初值。 C 口作為控制或狀態(tài)信息的端口，它在方式字的控制下，可以分成 4 位的端口，每個(gè)端口包含一個(gè) 4 位鎖存器。其中 C 口按位置位 /復(fù)位控制字方式使 用較為繁難，說(shuō)明也較冗長(zhǎng)，故在此不作敘述。 00— 方式 0 01— 方式 1 1 — 方式 2 D4： A 口功能（ 1=輸入， 0=輸出）。 D0： C 口低 4 位功能（ 1=輸入， 0=輸出）。輸出可被鎖存，輸入不能鎖存。只有 A口具備雙向總線方式， 8 位外設(shè)線用作輸入或輸出，此時(shí) C口的 5 條線用作通訊聯(lián)絡(luò)信號(hào)和中斷請(qǐng)求信號(hào)。由于我們用外部輸入設(shè)定紅綠燈倒計(jì)時(shí)初值、數(shù)碼管的輸出顯示、紅綠黃信號(hào)燈的顯示都要用到一個(gè) I/O端口，顯然 8051 的端口是不夠，需要擴(kuò)展。 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 0 X X X X X 0 0 00H 為 8255 的PA 口 0 X X X X X 0 1 01H 為 8255 的PB 口 0 X X X X X 1 0 02H 為 8255 的PC 口 0 X X X X X 1 1 03H 為 8255 的控制口 由于 89C51 是分時(shí)對(duì) 8255 和儲(chǔ)存器進(jìn)行訪問(wèn) ,所以與 89C51的 P0 口不會(huì)發(fā)生沖突。 C為數(shù)據(jù)打入端：當(dāng) C為“ 1”時(shí)，鎖存器輸出 狀態(tài)同輸入狀態(tài)；當(dāng) C由“ 1”變“ 0”時(shí)，數(shù)據(jù)打入鎖存器。以八段共陰管為例，它有 8 個(gè)發(fā)光二極管(比七段多一個(gè)發(fā)光二極管，用來(lái)顯示 dp，即點(diǎn) )。 （ 1）共陰極結(jié)構(gòu)：如果所有的發(fā)光二極管的陰極接在一起，稱(chēng)為共陰極結(jié)構(gòu)，則數(shù)碼顯示段輸入高電平有效，當(dāng)某段輸入高電平該段便發(fā)光，如圖 所示。以共陰極結(jié)構(gòu)為例，如dp， g,f,e,d,c,b,a 管角上加上 7FH，因此 dp 上為 0v，則二極管全亮顯示為 8。雖然東、西或南、北道路口不一樣，但是顯示的時(shí)間在數(shù)字上是一樣的，所以?xún)蛇呥B接的數(shù)碼管是對(duì)稱(chēng)的。設(shè)置看門(mén)狗是為了防止單片機(jī)死機(jī)、提高單片機(jī)系統(tǒng)抗干擾性的一種重要途徑。這里采用硬件看門(mén)狗方式 [18]。這種方式中，看門(mén)狗能否可靠有效地工作，與硬件組成及軟件的控制策略都有 密切的關(guān)系。其引腳說(shuō)明如圖 所示。 PFI：電池故障輸入。 VBATT：后備 電池輸入端。如果WDI 保持高電平超過(guò)看門(mén)狗定時(shí)周期（ ）， RESET 端將發(fā)生200ms 的負(fù)脈沖使 CPU 復(fù)位。 （ 1）紅外發(fā)射管就是發(fā)射紅外線的二極管，波長(zhǎng)主要有940nm 和 850nm 兩種，材料一般都是 GaAlAs，其工作電流一般在50mA，主要用于紅外控制系統(tǒng)的發(fā)射源。判斷紅外發(fā)光二極管的好壞與判斷普通二極管一樣的方 法。由于紅外發(fā)光二極管的發(fā)射功率較小，紅外接收二極管收到的信號(hào)較弱，所以接收端就要增加高增益放大電路。 D D2 分別作為東西路口紅 外發(fā)射和接受管； D D4 分別作為南北路口紅外發(fā)射和接受管。常用的驅(qū)動(dòng)芯片有同相驅(qū)動(dòng)芯片和反相驅(qū)動(dòng)芯片。它主要用于三態(tài)輸出，作為地址驅(qū)動(dòng)器，時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器和總線驅(qū)動(dòng)器，定向發(fā)送器等。 圖 74LS244 引腳 74HC240 為 3 態(tài) 8 位反相緩沖器，功能與 74LS244 類(lèi)似，只不過(guò)輸出與相應(yīng)的輸入反相。 圖 74HC240 引腳 74LS04 為非門(mén)電路，電路圖如圖 所示，作用是使輸入和輸出反相。 圖 紅外線接收放大電路 交通指示燈電路 根據(jù)本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，紅綠燈的顯示不可少，紅綠燈的顯示采用普通的發(fā)光二極管。其中均是低電平有效。剛才的 3個(gè)狀態(tài)是依次變換的，這就要涉及到狀態(tài)的判斷和銜接了。每個(gè)按鍵一端接地，另一端接上拉電阻。 圖 按鍵控制電路 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的全部控制程序?qū)嶋H上分為若干子程序： T0 中斷子程序，東西、南北路口紅外檢測(cè)中斷子程序， 1ms 延時(shí)子程序，時(shí)間顯示子程序，黃燈閃爍 5s 子程序，檢測(cè)車(chē)流量與顯示子程序，報(bào)警子程序等。這里采用 T0 定時(shí)器中斷方法。計(jì)數(shù)值并不是目的，目的是時(shí)間值，設(shè)計(jì) 1 次的時(shí)間，即定時(shí)器計(jì)數(shù)脈沖的周期為 T計(jì) 數(shù) ，它是單片機(jī)系統(tǒng)主頻周期的 12 倍， 設(shè)要求的時(shí)間值為 T，則有 C TT? 計(jì) 數(shù) 。如單片機(jī)的主脈沖頻率為 12MHZ，經(jīng)過(guò) 12分頻后，若采用方式 0最大延時(shí)只有 毫秒，采用方式１最大延時(shí)也只有 毫秒。在中斷服務(wù)子程序中， CPU先重裝入定時(shí)器初值，再使軟件計(jì)數(shù)器減 1，然后判斷它是否為零，為零表示 1秒已到可以返回到輸出時(shí)間顯示程序。裝入定時(shí)器初值 MOV TL0,0BOH 。軟件計(jì)數(shù)器賦初值 LOOP: SJMP $ ?；謴?fù) R0 值 AJMP TIME 。 IE中的 EA 為允許中斷的總控制位，為 1 開(kāi)啟， EX0 為外部中斷允許控制位，為 1 開(kāi)啟。 開(kāi) 始返 回 斷 點(diǎn)是 否 綠 燈 時(shí) 間 ？調(diào) 檢 測(cè) 車(chē) 流 量 與 顯 示 子 程 序調(diào) 報(bào) 警 子 程 序NY 圖 東西、南北路口紅外檢測(cè)中斷子程序流程圖 1ms 軟件延時(shí)子程序 MCS51 的工作頻率為 12MHZ，機(jī)器周期與主頻有關(guān)，機(jī)器周期是主頻的 12 倍，所以一個(gè)機(jī)器周期的時(shí)間為 12*（ 1/12MHZ）=1us。 LED 動(dòng)態(tài)顯示方法： LED 動(dòng)態(tài)顯示就是利用單片機(jī)依次輸出每一位數(shù)碼管的段選碼和對(duì)應(yīng)于該位數(shù)碼管的位選控制信號(hào)，一位一位輪流點(diǎn)亮各七段數(shù)碼管。在段選碼和位選碼每送出一次后，應(yīng)保持 1ms 左右，這個(gè)時(shí)間應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況而定。 開(kāi) 始結(jié) 束將 顯 示 值 分 離 為 個(gè) 位 和 十 位調(diào) 用 字 形 表顯 示 十 位延 時(shí) 1 m s調(diào) 用 字 形 表顯 示 個(gè) 位延 時(shí) 1 m s 圖 時(shí)間顯示子程序流程圖 黃燈閃爍 5s 子程序 本設(shè)計(jì)中首先賦 5s 初值，其中關(guān)鍵的設(shè)計(jì)是使黃燈持續(xù)亮，再持續(xù)滅 的方法。當(dāng)綠燈時(shí)間有車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)，車(chē)流量計(jì)數(shù)值加1，當(dāng)車(chē)流量低于或等于 99 時(shí)，雙位數(shù)碼管可以顯示，按下 S11鍵顯示東西方向車(chē)流量，按下 S12 鍵顯示南北方向車(chē)流量；當(dāng)車(chē)流量高于 99 時(shí)，雙位數(shù)碼管無(wú)法顯示，返回調(diào)用處重新計(jì)入。 開(kāi) 始結(jié) 束設(shè) 置 報(bào) 警 時(shí) 間 3 s倒 計(jì) 時(shí) 是 否 完 ？報(bào) 警是 否 夠 3 s ？關(guān) 閉 報(bào) 警 器YNYN 圖 報(bào)警子程序流程圖 主程序 本設(shè)計(jì)的十字路口交通燈控制器的主程序流程圖如圖 所示。系統(tǒng)不足之處是不能控制車(chē)的左、右轉(zhuǎn)、以及只能根據(jù)車(chē)流手動(dòng)改變紅綠燈時(shí)間。 該畢業(yè)設(shè)計(jì)雖然結(jié)束了，但由于時(shí)間、設(shè)備、條件和水平等各方面因素，還存在一些不足，還需要不斷改進(jìn)，當(dāng)然也就需要學(xué)習(xí)并運(yùn)用更多相關(guān)的知識(shí)。在繁忙的事務(wù)中依然抽出時(shí)間在學(xué)習(xí)方法上和設(shè)計(jì)方面給予了我大量的指導(dǎo)，并且一點(diǎn)點(diǎn)的指出我的論文中的不足及錯(cuò)誤，讓我在此期間順利的完成了畢業(yè)論文。而現(xiàn)在我們馬上都要各奔前程了，望大家珍重！ 參考文獻(xiàn) [1] 劉智勇．智能交通控制理論及其應(yīng)用 [