【文章內(nèi)容簡介】 10 綠燈 紅燈 11 左轉綠燈 紅燈 通過表 22 可以得出用組合電路能實現(xiàn)該功能。使用數(shù)據(jù)選擇器的思想，在本系統(tǒng)中，直接通過門電路的譯碼。接下來就是計數(shù)模塊，它主要的功能為：要從預置數(shù)開始遞減計數(shù)，一個狀態(tài)結束，通過判斷，通知主控制模塊，使之進入下一模塊。還有一個必須考慮到的就是預置數(shù)必須在下一個狀態(tài)來之前準備好，而紅綠燈的狀態(tài)變化，必須和計數(shù)狀態(tài)同步，于是引起預置數(shù)變化的程序要超前于系 統(tǒng)本身的狀態(tài)變化。所以，系統(tǒng)中的兩個狀態(tài)轉換時，在上一狀態(tài)結束時設置預置數(shù)，而控制紅綠燈的是隨著系統(tǒng)本身狀態(tài)的變化而變化，體現(xiàn)在要有兩組電路去判斷符合的狀態(tài)。 方案二：方案二設計狀態(tài)的轉換表，如表 23 所示： 表 23 狀態(tài)轉換表 狀態(tài) 主干道燈顯示 次干道燈顯示 00 紅燈 綠燈 01 紅燈 黃燈 10 綠燈 紅燈 11 黃燈 紅燈 本方案分三步： （ 1）要建立三路信號燈的控制系統(tǒng)，本設計采用 7408 芯片通過組合邏輯控制三 路燈的顯示關系。 （ 2）建立顯示控制系統(tǒng)，本設計采用 74190 芯片倒計時控制，每個方向用兩片來相連實現(xiàn)。另外使用 74153 芯片，因為設置的時間末位均為 5，所以只要用一片 74153 對高位置位，將低位的初值預置鎖定為 5，而高位則根據(jù)需要由反饋部分提供預置值。 （ 3）建立反饋和細節(jié)連接部分，本部分主要解決顯示和燈控的同步問題。本系統(tǒng)采用倒計時系統(tǒng)減為 0，如當系統(tǒng)減為 0 時通過兩個 D 觸發(fā)器得到兩個變量，也就是前面分析中的狀態(tài)，通過它的變化可以得到不同的邏輯關系來驅動 74153 控制哪組燈亮（對應關系如表 所示）， 另外它還要同步反饋到顯示系統(tǒng)的置數(shù)環(huán)節(jié)。 綜上所述，方案一采用了分模塊設計，在設計上顯得較簡單，設計純樸，便于測試。方案二采 8 用的是一般設計，首先將許多邏輯關系簡化到極點，而后將其一起集成用較少的芯片去完成所需功能。相比之下方案一有較強的可讀性和較強的可修改性。因此，交通燈控制系統(tǒng)最終的設計應該使用方案一所述的分模塊化設計。對工程設計人員來說，采取分模塊設計的產(chǎn)品無論從維修上還是升級上考慮都有好處。 9 三 、 交通燈系統(tǒng)硬件設計 （ 一 ） 系統(tǒng)構成 單 片機微型計算機是微型計算機的一個重要分支，也是頗具生命力的機種。單片機微型計算機簡稱單片機，特別適用于控制領域，故又稱為微控制器。 在 MCS51 系列單片機中，有兩個子系列： 51 子系列和 52 子系列。每個子系列有諾干中型號。51 系列有 805 8751 和 8031 三個型號，后來經(jīng)過改進產(chǎn)生了 80c5 87c5 80c31 三個型號； 52系列有 502 875 8032 三個型號，改進后的型號是 80c52/87c5 80c32。改進后的型號更加省電。 52 系列比對應的 51 系列增加了定時器 T2 并將內(nèi)部程序 存貯器增加到 8KB。 Inter 公司停止生產(chǎn) MCS51 系列單片機之后將生產(chǎn)權轉讓給了許多其他公司，于是出現(xiàn)了許多與 Mcs51 兼容的單片機?，F(xiàn)在生產(chǎn) mcs51 兼容單片機的公司對其進行了不同程度的改進和提高。我們現(xiàn)在使用比較的多的是 AT89C51/AT89S51 等 [2]。 單片機是由運算器、控制器、存儲器、輸入設備以及輸出設備共五個基本部分組成。它把運算器、控制器、少量的存儲器、最基本的輸入輸出口電路、串行口電路、中斷和定時電路等都集成在一個尺寸有限的芯片上。 通常，單片機由單個集成電路芯片 構成，內(nèi)部包含有計算機的基本功能部件：中央處理器、存儲器和 I/O 接口電路等。因此，單片機只需要和適當?shù)能浖巴獠吭O備相結合，便可以構成一個單片機控制系統(tǒng)。 單片機經(jīng)過 3 代的發(fā)展，目前正朝著高性能和多品種方向發(fā)展。它的 CPU 功能在增強，內(nèi)部資源在增多，引腳越來越多功能化。 目前單片機滲透到我們生活的各個領域，幾乎很難找到哪個領域沒有單片機的蹤跡。導彈的導航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網(wǎng)絡通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能 IC 卡，民用豪華轎車的 安全保障系統(tǒng)，錄像機、攝像機、全自動洗衣機的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。更不用說自動控制領域的機器人、智能儀表、醫(yī)療器械了。它主要是作為控制部分的核心部件。因此，單片機的學習、開發(fā)與應用將造就一批計算機應用與智能化控制的科學家、工程師 [3]。 本系統(tǒng)的主要元件包括：電路板 ， AT89S51 單片機 ， 7SEGMPX2CC 數(shù)碼管， 按鈕，二極管， LED燈，電阻，排阻，揚聲器，交通燈。 交通燈系統(tǒng)的結構框圖，如圖 31 所示： 10 圖 31 系統(tǒng)結構框圖 系統(tǒng)各部分工作： (1)程序設置初始時間，通過 AT89S51 單片機內(nèi)部相應寄存器來實現(xiàn)。 (2)由 AT89S51 單片機的定時器每秒鐘通過 口輸出顯示紅燈、綠燈、左轉綠燈的點亮時間情況；由 AT89S51 的 、 、 、 、 、 、 口顯示每個燈的點亮情況。 (3)AT89S51 通過程序設置各個信號燈的點亮時間，通過程序設置紅燈、綠燈、左轉綠燈的時間依次為 60 秒、 40 秒、 20 秒循環(huán)，由 AT89S51 的 P0 口輸出。 (4)AT89S51 本身集成了看門狗指令，當系統(tǒng)出 現(xiàn)異常，看門狗將發(fā)出溢出中斷。通過專用端口輸出，引起 RESET 復位信號復位系統(tǒng) [4]。 （二）芯片選擇 芯片 選用的 AT89S51 用于實現(xiàn)系統(tǒng)的總的控制 ， 其主要功能列舉如下： （ 1）、為一般控制應用的 8 位單片機； （ 2）、晶片內(nèi)部具有時鐘振蕩器（傳統(tǒng)最高工作頻率可至 33MHz）； （ 3）、內(nèi)部程式存儲器（ ROM）為 4KB； （ 4）、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）為 128B； （ 5）、外部程序存儲器可擴充至 64KB； （ 6）、外部數(shù)據(jù)存儲器可擴充至 64KB； （ 7）、 32 條雙向輸入輸出線，且每條 均可以單獨做 I/O 的控制； （ 8）、 5 個中斷向量源； （ 9）、 2 組獨立的 16 位定時器； （ 10）、 1 個全雙工串行通信端口； （ 11）、 8751 及 8752 單芯片具有數(shù)據(jù)保密的功能； （ 12）、單芯片提供位邏輯運算指令 [5]。 鍵盤控制返回 AT89S51 單 片 機 系 統(tǒng) 接口電路 LED 顯 示 模 塊 11 圖 32 AT89S51 引腳圖 ① 主電源引腳（ 2 根） VCC： AT89S51 電源正端輸入，接 +5V。 GND： 接地線 。 ② 外接晶振引腳（ 2 根） XTAL1： 片內(nèi)振蕩電路的輸入端 XTAL2： 片內(nèi)振蕩電路的輸出端 ③ 控制引 腳（ 4 根） RST：復位引腳，引腳上出現(xiàn) 2 個機器周期的高電平將使單片機復位。 EA/Vpp： 程序存儲器的內(nèi)外部選通，接低電平從外部程序存儲器讀指令，如果接高電平則從內(nèi)部程序存儲器讀指令。 ALE/PROG： 地址鎖存允許信號 。 PSEN： 外部存儲器讀選通信號 。 ④ 可編程輸入 /輸出引腳（ 32 根） AT89S51 單片機有 4 組 8 位的可編程 I/O 口，分別位 P0、 P P P3 口，每個口有 8 位（ 8 根引腳），共 32 根。 P0 口 （ ～ ）：端口 0 是一個 8 位寬的開路電極（ Open Drain）雙向輸出入端口，共 有 8個位， 表示位 0， 表示位 1，依此類推。其他三個 I/O 端口（ P P P3）則不具有此電 12 路組態(tài)，而是內(nèi)部有一提升電路， P0 在當作 I/O 用時可以推動 8 個 LS 的 TTL 負載。如果當 EA 引腳為低電平時（即取用外部程序代碼或數(shù)據(jù)存儲器）， P0 就以多工方式提供地址總線（ A0～ A7）及數(shù)據(jù)總線（ D0～ D7）。設計者必須外加一個鎖存器將端口 0 送出的地址鎖住成為 A0～ A7，再配合端口 2所送出的 A8～ A15 合成一組完整的 16 位地址總線，而定位地址到 64K 的外部存儲器空間。 P1 口 （ ～ ） ：端口 1 也是具有內(nèi)部提升電路的雙向 I/O 端口，其輸出緩沖器可以推動4 個 LS 的 TTL 負載，同樣地，若將端口 1 的輸出設為高電平，便是由此端口來輸入數(shù)據(jù)。如果是使用 8052 或是 8032 的話， 又當作定時器 2 的外部脈沖輸入腳，而 可以有 T2EX 功能，可以做外部中斷輸入的觸發(fā)引腳。 P2 口 （ ～ ）：端口 2 是具有內(nèi)部提升電路的雙向 I/O 端口，每一個引腳可以推動 4 個LS 的 TTL 負載，若將端口 2 的輸出設為高電平時，此端口便能當成輸入端口來使用。 P2 除了當作一般 I/O 端口使用外，若是在 AT89S51 擴充外接程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，也提供地址總線的高字節(jié) A8～ A15，這個時候 P2 便不能當作 I/O 來使用了。 P3 口 （ ～ ）：端口 3 也具有內(nèi)部提升電路的雙向 I/O 端口，其輸出緩沖器可以推動 4個 TTL 負載，同時還多工具有其他的額外特殊功能，包括串行通信、外部中斷控制、定時計數(shù)控制及外部數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)容的讀取或寫入控制等功能 [6]。 數(shù)碼管顯示 考慮到成本問題，顯示 電路 采用常用的 74LS164 驅動 LED 比較實用（ 74LS164 是 TTL 八位串行入 /并行輸出移位寄存器）。串入并出移位寄存器，在每個時鐘的上升沿采樣數(shù)據(jù)。使用的時候用一個 I/O 口做數(shù)據(jù)線串行輸入再用一個口做時鐘來拉高拉低控制采樣數(shù)據(jù)即可 [7]。 LED（ Light Emitting Diode），中文名 發(fā)光二極管 ，從模擬電子技術的角度解釋，它是一種固態(tài)的 半導體 器件，可以直接把電轉化為光。 LED 的心臟是一個半導體的晶片，晶片的一端附在一個支架上，一端是負極，另一端連接電源的 正極 ，使整個晶片被 環(huán)氧樹脂 封裝起來 。半導體晶片由兩部分組成，一部分是 P 型半導體，在它里面空穴占主導地位，另一端是 N 型半導體，在這邊主要是電子。但這兩種半導體連接起來的時候，它們之間就形成一個 “PN 結 ”。當電流通過導線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向 P 區(qū)，在 P 區(qū)里電子跟空穴復合，然后就會以光子的形式發(fā)出能量，這就是 LED 發(fā)光的原理。而光的 波長 也就是光的顏色，是由形成 PN 結的材料決定的。 LED 顯示屏是利用發(fā)光二極管點陣模塊或像素單元排列組成的平面式顯示屏幕。它具有發(fā)光率高、使用壽命長、組態(tài)靈活、色彩豐富以及對室內(nèi)外環(huán)境適應能力強等優(yōu)點。較 LCD 顯示器相比 , LED在亮度、功耗、可視角度和刷新速率等方面，都更具優(yōu)勢 [8]。 LED 數(shù)碼管分共陽極與共陰極兩種，其工作特點是： 共陰，輸出高電平數(shù)碼管為亮 ,而共陽則應輸出低電平使數(shù)碼管亮。共陽需要把公共端接高電位，用低電平控制；共陰的則是 把公共端接低電位，用高電平控制 。當然， LED 的電流通常較小，一般均需在回路中接上限流電阻。假如我們將 b和 c段接上正電源，其它端接地或懸空，那么 b和 c段發(fā)光，此時，數(shù)碼管顯示將顯示數(shù)字“ 1”。 13 而將 a、 b、 d、 e和 g段都接上正電源，其它引腳懸空，此時數(shù)碼管將顯示“ 2”。其它字符的顯示原理類同。 LED 顯示圖，如圖 33 所示： 圖 33 LED顯示圖 交通燈控制線路圖，如圖 34 所示 ： 圖 34 交通燈控制線路圖 14 四 、 交通燈系統(tǒng)軟件設計 （一） 顯示數(shù)字模塊 顯示數(shù)字模塊包括發(fā)光二極管模塊和 LED 倒計時顯示子模塊。 程序中開始是先定義發(fā)光二極管的 I/O 口，接著設定各個狀態(tài)量發(fā)光二極管的狀態(tài)數(shù)組。第三，運行 main 主函數(shù)，調(diào)用主函數(shù)里的 while 循環(huán)， while 循環(huán)語句再通 過 display 函數(shù)來顯示各個狀態(tài)下各個發(fā)光二極管的狀態(tài)。其流程圖如圖 41 所示： 圖 41 數(shù)字顯示模塊流程圖 核心代碼如下： void Display(void) { P0=table[Time_EW%10]。 //東西通行時間顯示 EW_LED2=0。 Delay(2)。 EW_LED2=1。 P0=table[Time_EW/10]。 EW_LED1=0。 Delay(2)。 EW_LED